잠열 축열용 상변화 물질(PCM)을 적용한 공기-액체 직교류 미세채널 열교환기의 열전달 분석

Heat Transfer Analysis of a Crossflow Minichannel Heat Exchanger Based on Air and Liquid Flow Implementing PCM as Latent Heat Thermal Energy Storage

본 보고서는 캐나다 윈저 대학교(University of Windsor)의 Mahdi Momeni 연구팀이 2023년 제10회 국제 유체 유동, 열 및 질량 전달 컨퍼런스(FFHMT’23)에서 발표한 혁신적 열관리 시스템 연구를 요약한 것입니다. 상변화 물질(Phase Change Material, PCM)을 미세채널(Minichannel) 열교환기에 통합하여, 온수 공급이 중단된 상황에서도 공기 측에 지속적으로 열을 공급할 수 있는 잠열 축열(LHTES) 시스템의 성능을 전산유체역학(CFD)으로 분석했습니다.

Metadata and Keywords

Fig. 1 CAD design of the PCM heat exchanger

Paper Metadata

Subject: PCM(Docosane)을 활용한 미세채널 열교환기의 충방전 열전달 특성 분석
Materials: 상변화 물질(Docosane), 알루미늄 열교환기, 물(고온 유체), 공기(저온 유체)
Target Group: 열교환기 설계 엔지니어, 에너지 저장 시스템(ESS) 연구원, 전기차 열관리 전문가, CFD 분석가
Key Methodology: 3D 전산유체역학(CFD), COMSOL Multiphysics 6.0 시뮬레이션, 과도 응답 분석(Transient Analysis)
Year: 2023 (Proceedings of FFHMT’23)
Authors: Mahdi Momeni, Saman Jalilian, Amir Fartaj
Institution: University of Windsor, Canada

Keywords

PCM Heat Exchanger (상변화 물질 열교환기)
Thermal Energy Storage (축열 시스템)
Minichannel (미세채널)
Crossflow (직교류)
Latent Heat (잠열)
CFD (전산유체역학)

Executive Summary

Problem Statement

기존의 열관리 시스템은 에너지 공급과 수요 사이의 불일치 문제로 인해 효율이 저하되거나 공급 중단 시 즉각적인 온도 하락이 발생하는 한계가 있습니다. 특히 소형 열교환기 시스템에서 온수 공급이 일시적으로 중단될 경우 공기 측 온도를 일정하게 유지하는 것은 매우 어렵습니다. 본 연구는 잠열 밀도가 높은 PCM(도코산, Docosane)을 열교환기 핀(Fin) 사이에 배치하여, 잉여 열을 저장했다가 필요 시 방출하는 지속 가능한 에너지 관리 솔루션을 제안합니다.

Research Architecture & Methodology

연구진은 COMSOL Multiphysics를 활용하여 3차원 과도 상태 시뮬레이션을 수행했습니다:

시스템 구조: 68개의 미세채널이 포함된 알루미늄 슬래브 구조로, 상단 핀 행 사이에 PCM을 충진하고 하단 핀 행을 통해 공기가 통과하는 직교류 방식.
작동 유체: 온수(입구 온도 70°C, 유량 30g/s) 및 공기(입구 온도 13°C, 속도 2m/s).
해석 프로세스:
- 충전(Charging): 온수가 PCM을 녹이며 잠열을 저장하는 과정 (0-200초).
- 방전(Discharging): 온수 공급을 중단하고 공기가 PCM의 잠열을 흡수하여 가열되는 과정 (200-400초).

Key Findings Snapshot

에너지 저장 성능: 충전 과정에서 PCM은 온수로부터 약 **103 kJ**의 잉여 열을 잠열 형태로 흡수하여 완전히 용융되었습니다.
공기 가열 연장 효과: 온수 공급이 차단된 방전 단계에서, PCM이 응고되며 방출하는 잠열을 통해 공기 측에 약 **118 kJ**의 열량을 추가로 공급했습니다. 이를 통해 온수 없이도 공기 가열 시간을 약 **150초** 연장하는 효과를 확인했습니다.
상변화 속도 차이: 고온 유체(물)에 의한 PCM 용융 시간은 약 **80초**인 반면, 저온 공기에 의한 응고 시간은 약 **100초**로 나타나, 충전이 방전보다 빠르게 진행됨을 규명했습니다.
핀(Fin)의 기여도: PCM 도메인 내부에 배치된 144개의 알루미늄 핀이 낮은 열전도율을 가진 PCM 내부로 열을 빠르게 전달하여, 시스템의 과도 응답 성능을 크게 향상시켰습니다.

Detailed Technical Analysis

1. Dynamic Thermal Response Analysis

시스템의 과도 상태 거동 분석:

Charging Phase: 초기 120초 이내에 시스템 온도가 안정화되며 PCM의 고상 분율(Solid fraction)이 0.02 미만으로 감소, 완전 용융에 도달합니다.
Discharging Phase: 온수 중단 직후 공기 출구 온도가 급격히 하락하지만, PCM의 상변화 온도(43.8°C)에 도달하면 잠열 방출로 인해 하락 곡선이 완만해지는 ‘열적 지연(Thermal delay)’ 현상이 뚜렷하게 관찰되었습니다.

2. CFD Simulation & Heat Transfer Rates

열전달률 정량화 결과:

충전 초기 온수 측 열전달률은 6.3 kW에서 시작하여 최종 1.9 kW 수준으로 수렴하며, 이 에너지의 상당 부분이 공기 가열 및 PCM 축열에 사용됩니다. 방전 시에는 PCM 블록으로부터 공기 측으로 열이 전달되는 메커니즘이 등온 contours를 통해 시각적으로 확인되었습니다.

3. PCM Selection & Properties

도코산(Docosane)의 특성:

용융점 43.8°C, 융해 잠열 234 kJ/kg의 특성을 가진 파라핀계 PCM인 도코산은 공기 가열용 열교환기에 적합한 온도 대역을 제공합니다. 고상 및 액상의 비열 차이를 반영한 정밀한 물성 모델링이 CFD의 정확도를 높였습니다.

Technical Q&A for Thermal Systems Engineers

Q: 150초의 가열 연장 시간이 실제 응용(예: 전기차 히터)에서 충분한가요?

단일 슬래브 모델에서 150초는 시스템의 ‘버퍼(Buffer)’ 역할을 하기에 충분한 시간입니다. 실제 전기차나 건물 공조 시스템에서는 이러한 슬래브를 적층(Multi-stack)하여 용량을 확장하므로, 수 분 이상의 가열 유지 시간을 확보하여 메인 에너지원(배터리)의 부하를 조절하는 데 크게 기여할 수 있습니다.

Q: PCM의 낮은 열전도율 문제를 어떻게 해결했나요?

PCM 자체의 열전도율은 약 0.2~0.4 W/m·°C로 매우 낮지만, 본 연구에서는 전열 면적을 극대화한 **알루미늄 핀 구조**를 PCM 내부에 삽입하여 열 저항을 획기적으로 낮췄습니다. 시뮬레이션 결과 핀의 존재가 용융 속도를 수 배 이상 높이는 것으로 나타났습니다.

Q: 반복적인 충방전 시 PCM의 누설(Leakage) 가능성은 없나요?

본 연구는 수치 해석적 분석이므로 누설을 고려하지 않았으나, 실무 적용 시에는 PCM을 캡슐화하거나 금속 폼(Metal foam)에 함침시켜 형태를 유지하는 기술이 병행되어야 합니다. 알루미늄 슬래브 내부에 PCM 도메인을 밀폐 구조로 설계하는 것이 일반적입니다.

Q: COMSOL Multiphysics에서 상변화 모델링은 어떻게 구현되었습니까?

‘겉보기 비열법(Apparent Heat Capacity Method)’을 사용하여 상변화 온도 범위에서 비열이 급격히 증가하는 방식으로 잠열 효과를 구현했습니다. 또한 층류(물)와 난류(공기, k-ε 모델)를 연동하여 실제 작동 조건에 가까운 유동 특성을 반영했습니다.

Conclusion: Strategic Insights

윈저 대학교 연구진의 이번 성과는 **컴팩트 열교환기와 에너지 저장 기술의 결합**을 통해 열관리 시스템의 지속 가능성을 높였다는 데 큰 의미가 있다. 특히 **미세채널 기술을 활용한 고효율 전열 성능**과 **PCM의 잠열 밀도**를 조화롭게 설계하여, 외부 동력이 차단된 비상 상황에서도 열적 안전성을 확보할 수 있는 물리적 근거를 제시했다. 이 기술은 향후 전기차의 겨울철 주행 거리 확장(히터 부하 관리)이나 정밀 전자기기의 급격한 온도 상승 제어 시스템 등에 핵심적인 설계 기반이 될 것이다.

출처 정보 (Source Information)

Citation: [2023] Heat Transfer Analysis of a Crossflow Minichannel Heat Exchanger Based on Air and Liquid Flow Implem

DOI/Link: 논문에 명시되지 않음

Technical Review Resources for Engineers:

▶ 논문에 명시되지 않음
▶ 기술 검토 및 적용 가능성 문의

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