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고체 축열 시스템의 특성을 평가하기 위하여 Fig. 2와 같이 실험장치를 구성하였다. 축열 시스템은 크게 열을 공급하는 열원부(b)와 열을 저장하는 축열부(c, d), 급/배기 장치로 구성된 통풍부(e)로 구성된다. 열원부는 제철공정 중 가열로 배열인 약350℃의 배기가스를 모사하기 위해 100,000kcal/h 용량의 버너를 이용하여 열풍을 생산할 수 있도록 하였다.

Fig. 2 
Components of experimental apparatus

축열부는 0.2m³의 체적의 축열공간에 제철공정 축열식 버너에서 주로 사용되고 있는 직경10mm의 알루미나 볼 350kg이 충진하였으며, 온수 생산을 위한 열교환 튜브가 Fig. 2(d)와 같이 설치되어 축열된 열에너지를 이용하여 온수를 생산할 수 있도록 하였다. 그리고 축열 시 배기가스를 흡입하고 방열 시 냉풍을 공급하여 열풍을 생산하기 위하여 2대의 Fan으로 통풍부를 구성하였으며, 13개 지점에 K-type(Sheath type, 400℃미만 시 허용오차 ±3℃) 열전대를 설치하여 축열 및 방열과정에서의 온도변화를 실시간 측정하고, 저장할 수 있도록 DAS를 구성하였다. 실험장치에서 유체의 흐름은 Fig. 2(f)에 나타내었다.

Fig. 3은 축열단계에서 시간에 따른 열원온도와 축열부 내부의 온도변화를 나타낸다. Fig. 3(a)에서 보듯이, 평균온도가 평형에 도달하기까지는 약 2.5시간 이상이 소요되었으며, 알루미나 볼의 비열 및 온도변화, 그리고 장입량으로부터 약 15Mcal의 열에너지가 저장되었음을 산정할 수 있다. 위치별 온도 특성을 보면, Fig. 3(b)와 같이 축열체의 상부가 가장 먼저 가열되어 급격히 온도가 상승하는 반면, 하부는 온도상승의 정도가 더딘 것을 알 수 있다. 그 원인으로는 축열체 내부로 유입되는 350℃의 배기가스가 내부 유체보다 상대적으로 고온이기 때문에 밀도가 작아 부력에 의해 유동이 상부로 형성되기 때문으로 판단된다. 이러한 현상은 축열체의 단면적이 클수록 더욱 뚜렷이 나타나는데 이는 유체의 속도가 느려질 수록 유입방향의 직선 모멘텀보다 부력으로 인한 상부 방향 모멘텀이 더 커지기 때문이다. 이로 인해 단면적이 클수록 유체유동이 부족하여 축열되지 않는 사각부가 더욱 증가하게 된다.

Fig. 3 
Temperature change of heating process

Fig. 4(a)는 가열된 축열체에 냉풍을 주입하여 열풍을 생산하는 경우의 시간에 따른 온도변화를 나타낸 것으로, 축열 때와는 반대로 냉풍이 유입되는 입구 하부의 온도가 급격히 하강하는 반면 출구 상부의 온도는 고온의 상태로 장시간 유지되는 것을 관찰할 수 있다. 또한 하부 축열체의 유동의 불균형으로 방열초기에는 급격히 온도가 하강하나 약 120℃ 영역에서는 미반응 영역인 상부의 고온영역의 영향으로 인해 120~150℃ 수준의 온도유지 구간을 형성하는 것을 관찰할 수 있다. 이를 통해 열풍 생산의 경우 축열체의 구조에 따라 상부영역에서 열교환을 하지 못하는 사각(死角)부가 형성될 수 있음을 예측할 수 있다.

Fig. 4 
Temperature change of discharging process

Fig. 4(b)는 축열완료 후 축열시스템을 이용하여 온수를 생산하는 경우의 축열부 내부와 온수의 온도변화를 나타낸 것이다. Fig. 4(b)를 보면, 냉수가 튜브를 통해 흐르기 때문에 밀도 차에 의한 유동은 일어나지 않음에도 방열 시 축열부 내부에 일정한 온도편차가 형성됨을 알 수 있다. 이는 축열재와 튜브와의 거리로 인해 발생하는 온도차로 알루미나의 열전도도의 한계 때문으로 판단된다. 축열 및 방열 특성 실험결과를 통해 고체 축열시스템 설계 시 개선해야 할 사항을 두 가지로 요약할 수 있다. 첫째, 방열시간 경과에 따른 열풍과 온수의 온도 변화를 최소화 해야 한다. 이는 생산된 열을 사용하는 사무실, 온실 등의 수요처에서 일정한 온도의 열풍이나 온수의 공급이 필요하기 때문이다. 즉, 고체 축열재는 상변화 온도에서 일정온도를 유지하는 PCM과는 달리 방열 과정에서 온도변화가 수반되기 때문에 이를 최소화 할 수 있는 개선 방안이 필요하다. 둘째, 고성능 축열시스템 개발을 위해서는 Fig. 3, 4에서의 유동 사각영역을 최소화하여야 한다. 이를 위해 열원의 밀도 차에 의한 유동편차를 최소화 할 수 있는 설계가 필요하다.