Thermo-physical studies and corrosion analysis of organic binary eutectic phase change material for cooling application

Abstract

높은 생활수준으로 인한 에너지 수요의 급격한 증가는 탄소 기반 에너지 자원의 과도한 이용을 초래하였다. 이러한 에너지 자원의 과도한 사용은 심각한 환경 문제를 야기하며, 지속 가능한 에너지원의 전환이 필수적이다. 에너지에 대한 요구가 계속 증가함에 따라 에너지의 생산 및 저장에 대한 혁신적인 접근 방식이 필요하다. 태양 에너지와 같이 사용 가능한 풍부한 에너지원을 효과적으로 사용하기 위해서는 중요한 구성 요소, 즉 간헐적 특성을 보완할 수 있는 효율적이고 경제적인 열 저장 시스템이 필요하다. 다양한 열 에너지 저장(TES;thermal energy storage) 기술은 최대 부하 에너지를 줄이고 시스템 에너지 효율을 높이기 위해 사용된다. 다양한 열 저장 기술 중에서 상변화 물질(PCM; phase change materials)을 이용한 잠열 에너지 저장(LHTES; latent heat thermal energy storage)은 높은 에너지 저장 용량과 등온 저장 작동의 특성이 있다. 시중에서 판매되고 있는 유기 PCM은 특정 응용 분야에 필수적인 매개변수인 고정된 상전이 온도를 가진다. 적용 온도 범위의 한계를 극복하기 위해 이원 상변화 물질 혼합물을 도입하여 필요한 응용분야에서 원하는 융점 온도로 변경할 수있다. 본 연구에서는 저온 열에너지 저장 응용을 위한 상변화 물질로서 유기 이원 혼합물의 개발에 대한 연구를 수행하였다. 이에 따라 상변화 물질인 카프릴산-세틸 알코올 및 카프릴산-스테아릴 알코올에 대한 두 가지 새로운 유기 이원 혼합물에 대한 열물리학적 특성을 분석하였다. 실시간 응용에 활용하기 전에 준비된 이원 혼합물에 대한 모든 필요 요소 및 중요요소를 조사하였다. 그 결과 카프릴산-세틸알코올은 85:15 몰 질량비에서 공융점을 가지며 시차주사 열량측정법(DSC; differential scanning calorimetry)로 측정되는 열적 특성은 154.1 J.g-1의 융해 잠열에서 함께 10 °C의 개시 융점 온도를 가진다. 또한, 개시 빙점 온도는 8.9 °C이며 융해 잠열은 153.3 J.g-1로 나타났다. 카프릴산-스테아릴의 공융점은 90:10 몰 질량비이며 개시 융점 온도 및 융해 잠열은 11.4 °C와 154.4 J.g-1로 나타났다. 카프릴산-스테아릴 알코올의 개시 빙점 온도는 11.8 °C이며, 융해 잠열은 150.5 J.g-1로 나타났다. 또한 이원 혼합물의 열전도율은 PCM에 대한 사용 범위에 있는 고체상(0 °C에서 0.288 W m-1 K-1), 액체상 (20 °C에서 0.160 W m-1 K-1) 에서 카프릴산-세틸 알코올과 고체상(0 °C에서 0.267 W m-1 K-1) 액체상(20 °C에서 0.165 W m-1 K-1)에서 카프릴산-스테아릴 알코올을 측정하였다. 제조된 이원 혼합물의 열 안정성을 조사하기 위해 열중량 분석을 수행하였다. 그 결과, 융점 온도에 비해 분해 온도가 더 높아 실시간 적용 시 열변동으로 인해 성능에 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 열 물성 신뢰성은 200번의 용융/동결 사이클 동안 가속 열 사이클링으로 조사하였으며, 이는 큰 변화를 보이지 않았으며 허용 범위 내에 있었다. FT-IR 결과, 200번의 열 사이클 후에 구조적 변화가 나타나지 않았으며, 이원 혼합물은 화학적으로 안정적이었음을 확인하였다. 부식 시험은 알루미늄, 구리, 스테인리스강(SS 316) 등 다양한 금속으로 총 12주 동안 수행하였으며, 금속 스트립은 1주, 4주, 12주 후에 검사하였다. 부식률 계산을 기반으로 이원 혼합물에 대하여 스테인리스강(SS 316) 과 알루미늄에서 내부식성이 우수한 결과를 나타내었다. 이에 따라 종합적으로 모든 이원 혼합물은 최대 200번의 열 사이클까지 안정적이었으며 냉각 응용 분야에서 공융 상변화 물질로서 잠재력이 있음을 확인하였다.|The rapid increase in energy demand due to high living standards has resulted in wildly excessive exploitation of carbon-based energy resources. Excessive use of these energy resources is a serious threat to the environment, and it is imperative to move to sustainable energy sources. The ever-increasing need for energy necessitates innovative approaches to its production as well as storage. To effectively use ample energy sources available such as solar energy, a crucial component is required: a proficient and economical heat storage system to compensate for its intermittent nature. Different thermal energy storage (TES) technologies are utilized to reduce the peak load energy and augment system energy efficiency. Among various thermal storage techniques, latent heat thermal energy storage (LHTES) with phase change materials (PCMs) is put forward due to its high energy storage capacity and isothermal storage operation. Commercially available organic PCM has fixed phase transition temperature, an imperative parameter for any specific application. To overcome the limitation of application temperature ranges, binary phase change material mixtures are introduced and prepared with the desired melting point temperature for any required application. This work provides a detailed discussion on developing organic binary mixture as a phase change material for cold thermal energy storage applications. In this study, two novel organic binary mixtures as phase change material, namely caprylic acid-cetyl alcohol and caprylic acid-stearyl alcohol were used. Prior to utilization in a real-time application, the prepared binary mixture was examined for all the necessary and important factors. As a result, the caprylic acid-cetyl alcohol has a eutectic point at 85:15 molar mass ratio and the thermal properties determined with differential scanning calorimetry (DSC) have an onset melting point temperature of 10 °C with the latent heat of fusion of 154.1 J.g-1. In addition, the onset freezing point temperature was 8.9 °C with the latent heat of fusion of 153.3 J.g-1. The eutectic point for caprylic acid-stearyl was for 90:10 molar mass ratio and shows an onset melting point temperature and latent heat of fusion 11.4 °C and 154.4 J.g-1 Caprylic acid-stearyl alcohol has onset freezing point temperature of 11.8 °C with the latent heat of fusion 150.5 J.g-1. In addition, the thermal conductivity of the binary mixtures was measured for caprylic acid-cetyl alcohol in the solid phase (0.288 W⸳m-1⸳K-1 at 0 °C), liquid phase (0.160 W⸳m-1⸳K-1 at 20 °C), and caprylic acid-stearyl alcohol solid phase (0.267 W⸳m-1⸳K-1 at 0 °C), liquid phase (0.165 W⸳m-1⸳K-1 at 20 °C) which is in the convincing range for organic PCMs. Thermogravimetric analysis was performed to investigate the thermal stability for the prepared binary mixture. The results showed a higher decomposition temperature compared to its melting point temperature, which will not affect its performance due to thermal fluctuation in real-time applications. Thermal properties reliability was examined with accelerated thermal cycling for 200 melting/freezing cycles, which did not show much variation, and was in the acceptable range. The FT–IR results showed that after 200 thermal cycles, no structural change was evidenced and the binary mixtures were chemically stable. Corrosion test was performed with different metals, namely (aluminum, copper, stainless steel (SS 316)) for a total of 12 weeks, and the metal strips were examined after 1 week, 4 weeks, and 12 weeks. Based on calculating the corrosion rate, the metals can be recommended for its use with a binary mixture prepared. The result confirmed that the binary mixtures were stable up to 200 thermal cycles and have potential as a eutectic phase change material for cooling applications.