[논문]오일부 운전조건 변화에 따른 수소용 다이어프램 압축기의 성능예측에 대한 수치해석

박현우; 신영일; 이영준; 송주헌; 장영준; 전충환

오일부 운전조건 변화에 따른 수소용 다이어프램 압축기의 성능예측에 대한 수치해석
A Numerical Analysis on a Dependence of Hydrogen Diaphragm Compressor Performance on Hydraulic Oil Conditions 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.6, 2009년, pp.471 - 478

박현우 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 신영일 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 이영준 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 송주헌 (부산대학교 기계공학부, 기계기술연구원) , 장영준 (부산대학교 기계공학부, 기계기술연구원) , 전충환 (부산대학교 기계공학부, 기계기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The specific some types of compressors are appropriate for a use in hydrogen gas station. Metal diaphragm type of hydrogen compressor is one of them, which can satisfy the critical requirements of maintaining gas purity and producing high pressure over 850 bar. The objective of this study is to investigate an characteristics of compression through two-way Fluid-Structure-Interaction (FSI) analysis as bulk modulus and initial volume of oil independently varies. Deflection of diaphragm, oil density, gas and oil pressure were analyzed during a certain period of compression process. According to the analysis results, bulk modulus and initial volume remarkably affected deflection of diaphragm, oil density, gas and oil pressure. The highest gas pressure were attained with the highest bulk modulus of $7e^9\;N/m^2$ and the lowest initial oil volume of 80 cc.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 상용 유동 및 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 다이어프램 압축기의 연성해석을 수행하고 이로부터 압축기 챔버내의 작동유체적탄성계수와 초기부피의 변화에 따른 압축기 성능인자인 작동유와 가스의 압력 및 다이어프램의 변형특성을 살펴보고자 한다.
압축기의 성능에 영향을 주는 요소들이 많이 있지만 본 연구에서는 작동유의 체적탄성계수와 초기 부피의 변화가 압축기 성능에 미치는 영향을 알아보고자 Table 1과 같이 9가지 조건에 대해 수치해석을 수행하였다.

가설 설정

수치해석의 시작은 다이어프램이 변형되지 않는 지점을 가정하여 이 지점부터의 압축과정만을 수행하였다. 또한 실제 압축기와는 다르게 가스의 토출은 없다고 가정하여 가스 및 작동유의 압력, 다이어프램의 수직변위 및 작동유의 밀도변화를 살펴보았다.
수치해석의 시작은 다이어프램이 변형되지 않는 지점을 가정하여 이 지점부터의 압축과정만을 수행하였다. 또한 실제 압축기와는 다르게 가스의 토출은 없다고 가정하여 가스 및 작동유의 압력, 다이어프램의 수직변위 및 작동유의 밀도변화를 살펴보았다.
압축기 내부의 유동은 압축성 난류유동으로 가정하였으며, 내부압력을 계산하기 위해서 사용된 지배방정식은 연속방정식과 운동량 및 에너지 보존방정식이 사용되었다. 난류모델은 압축점성 유동을 다루는데 적절하고 이미 공학적으로 타당성을 검증받은 κ－ε 모델을 사용하였다.
초기압력을 계산하기 위하여 식 (1)을 사용하여 초기압력을 145bar로 가정하였다¹⁰⁾. 유동해석의 경우 경계조건은 유체의 흡입 토출이 없다고 가정하여 모두 벽으로 설정하고, 열전달이 없는 단열조건을 적용하였다. 피스톤 헤드에 해당하는 면은 움직일 수 있도록 설정하여, Fig.

제안 방법

격자생성 프로그램인 ICEM-CFD를 이용하여 Fig. 4, 5와 같이 약 15만개, 5만개의 격자를 생성하여 유동해석과 구조해석에 사용하였다. 연성해석의 용이성을 위하여 구조해석에서의 다이어프램 면의 노드와 이에 접하는 유동해석의 가스 및 오일의 접촉면의 노드를 동일하게 하였다.
3과 같은 시간에 따른 피스톤 위치변화를 따라 움직일 수 있도록 하였다. 구조해석에서는 각각의 다이어프램 면들과 가스측 캐비티 곡면이 해석과정 중 접촉하기 때문에 마찰조건으로 설정하였고 가스와 오일이 접촉하는 다이어프램 면은 유동해석으로부터 압력이 전달될 수 있도록 하며, 그 외의 영역은 모델이 움직이지 않도록 고정조건으로 하였다. 해석결과는 수치해석 각 단계에서 종속변수들의 잔류값이 10^-4이하에 도달하면 수렴한 것으로 간주하여 다음 단계로 넘어가도록 설정하였다.
다이어프램식 수소압축기의 작동유의 체적탄성계수와 초기부피를 바꾸어가며 다이어프램의 수직변위, 작동유의 밀도, 작동유 및 가스압력 특성에 대하여 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
다이어프램이 변형되지 않는 위치의 상태조건을 해석모델의 초기조건으로 하였다. 전체 해석방법은 500rpm을 기준으로 1cycle당 0.
4, 5와 같이 약 15만개, 5만개의 격자를 생성하여 유동해석과 구조해석에 사용하였다. 연성해석의 용이성을 위하여 구조해석에서의 다이어프램 면의 노드와 이에 접하는 유동해석의 가스 및 오일의 접촉면의 노드를 동일하게 하였다.
다이어프램이 변형되지 않는 위치의 상태조건을 해석모델의 초기조건으로 하였다. 전체 해석방법은 500rpm을 기준으로 1cycle당 0.12sec이고, 1/4cycle에 해당하는 0.03sec를 해석시간으로 결정하였다. 각 time-step은 전체해석시간의 1/100인 0.
유동해석의 경우 경계조건은 유체의 흡입 토출이 없다고 가정하여 모두 벽으로 설정하고, 열전달이 없는 단열조건을 적용하였다. 피스톤 헤드에 해당하는 면은 움직일 수 있도록 설정하여, Fig. 3과 같은 시간에 따른 피스톤 위치변화를 따라 움직일 수 있도록 하였다. 구조해석에서는 각각의 다이어프램 면들과 가스측 캐비티 곡면이 해석과정 중 접촉하기 때문에 마찰조건으로 설정하였고 가스와 오일이 접촉하는 다이어프램 면은 유동해석으로부터 압력이 전달될 수 있도록 하며, 그 외의 영역은 모델이 움직이지 않도록 고정조건으로 하였다.
압축기는 500rpm으로 구동하고, 압축가스는 수소, 작동유로는 글리세롤을 사용하였다. 해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2 만을 모델링 하였다. 다이어프램 압축기에서 일반적으로 사용되는 것처럼 다이어프램 3장을 적층하였고⁸⁾, 다이어프램의 재질은 부식과 산화에 뛰어난 특성을 보이는 300계열의 스테인리스 스틸 중에서 SUS301을 사용하여 해석하였다⁹⁾.

대상 데이터

해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2 만을 모델링 하였다. 다이어프램 압축기에서 일반적으로 사용되는 것처럼 다이어프램 3장을 적층하였고⁸⁾, 다이어프램의 재질은 부식과 산화에 뛰어난 특성을 보이는 300계열의 스테인리스 스틸 중에서 SUS301을 사용하여 해석하였다⁹⁾.
본 연구에 사용된 해석모델은 수소의 흡입압력이 53bar이고 토출압력이 450bar인 시스템이다. 압축기는 500rpm으로 구동하고, 압축가스는 수소, 작동유로는 글리세롤을 사용하였다.
본 연구에 사용된 해석모델은 수소의 흡입압력이 53bar이고 토출압력이 450bar인 시스템이다. 압축기는 500rpm으로 구동하고, 압축가스는 수소, 작동유로는 글리세롤을 사용하였다. 해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2 만을 모델링 하였다.

이론/모형

난류모델은 압축점성 유동을 다루는데 적절하고 이미 공학적으로 타당성을 검증받은 κ－ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

1) 작동유의 체적탄성계수 및 초기 부피가 다이어프램 압축기의 성능인자인 작동유와 가스의 압력 및 다이어프램의 변형에 영향을 주는 것을 볼 수 있었다.
2) 체적탄성계수가 클수록 작동유의 압축에 대한 저항이 증가하여 설계된 시스템 내에서 보다 큰 다이어프램 변형을 일으키고, 이로 인해 다이어프램의 변형에 지배적인 영향을 받는 가스압력도 높일 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그러나 최대변형량이 제한되어지는 다이어프램 압축기에서 일정 이상의 체적 탄성계수는 다이어프램의 변형에는 영향을 주지 못하고, 오히려 작동유의 과다한 압력 상승을 유발하는 것을 알 수 있었다.
3) 작동유의 초기부피가 작을수록 초기부피에 대한 피스톤에 의한 작동유의 부피감소량이 상대적으로 증가하여 작동유의 압력과 밀도 증가를 빠르게 하고, 이는 다이어프램의 변형을 크게 하여 가스의 압력을 높일 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과들은 다이어프램 수소가스 압축기를 설계하는데 있어서 중요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.
2) 체적탄성계수가 클수록 작동유의 압축에 대한 저항이 증가하여 설계된 시스템 내에서 보다 큰 다이어프램 변형을 일으키고, 이로 인해 다이어프램의 변형에 지배적인 영향을 받는 가스압력도 높일 수 있다는 것을 알 수 있었다. 그러나 최대변형량이 제한되어지는 다이어프램 압축기에서 일정 이상의 체적 탄성계수는 다이어프램의 변형에는 영향을 주지 못하고, 오히려 작동유의 과다한 압력 상승을 유발하는 것을 알 수 있었다.

후속연구

3) 작동유의 초기부피가 작을수록 초기부피에 대한 피스톤에 의한 작동유의 부피감소량이 상대적으로 증가하여 작동유의 압력과 밀도 증가를 빠르게 하고, 이는 다이어프램의 변형을 크게 하여 가스의 압력을 높일 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과들은 다이어프램 수소가스 압축기를 설계하는데 있어서 중요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현재 주요 에너지원은 무엇인가?	오늘날의 주요 에너지원은 석탄, 석유를 비롯한 탄화수소계의 연료이다. 이러한 화석연료의 과다한 사용으로 대기오염과 지구온난화는 점점 더 심각해지고 있다.
	다이어프램 압축기의 장점 및 단점은 무엇인가?	700bar의 수소 충전압력을 만족시키기 위하여 수소 압축기는 850bar의 압축성능이 필요하다5). 다이어프램 압축기는 왕복동식 압축기의 변형된 형태로 왕복동식 압축기보다 압축용량이 작다는 단점이 있지만 850bar의 고압 압축이 가능하고, 수소 연료전지 자동차가 요구하는 99.9%의 수소 순도를 유지할 수 있다는 장점이 있다.
	다이어프램 압축기의 hydraulic 구동부의 역할은 무엇인가?	다이어프램 압축기는 hydraulic 구동부, 가스헤드부, 메탈 다이어프램으로 구분할 수 있다. Hydraulic 구동부는 모터, 피스톤, 피스톤 펌프, 오일 체크 밸브, 릴리프 밸브로 구성되어 수소압축에 필요한 동력을 발생시킨다. 가스헤드부는 가스 체크밸브 및 가스플레이트로 구성되어 수소의 압축 역할을 하며, 메탈 다이어프램은 파손을 대비해 3장의 원형플레이트가 적층되어져 한 장의 플레이트가 파손되어도 가스와 오일의 밀폐를 유지할 수 있게 한다.

참고문헌 (10)

S. K. Kang : 'A Study on the Optimal Design of Hydrogen Compressor’s Diaphragm using Fluid-Structure Coupled Analysis', Master Thesis, Pusan National University, Korea, 2009
S. Shayegan and D. Hart : 'Analysis of the cost of hydrogen infrastructure for buses in London', Journal of Power Sources, Vol. 65, 2006, pp. 62-75

상세보기
J. Y. Kim and I. Moon : 'Strategic design of hydrogen infrastructure considering cost and safety using multiobjective optimization', Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, 2008, pp. 5887-5896

상세보기
J. Y. Kim and Y. H. Lee : 'Optimization of a hydrogen supply chain under demand uncertainty', Journal of Hydrogen Energy, Vol. 33, 2008, pp. 4715-4729

상세보기
T. H. Lee and M. J. Kim : 'Experimental and Numerical Study on the Hydrogen Refueling Process', Korean Hydrogen and New Energy society, Vol. 18, No. 3, 2008, pp. 342-347
S. M. Altukhov and V. D. Kuznetsov : 'Calculation of the Volumetric Characteristics of Diaphragm compressors', Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 7, No. 8, 1971, pp. 671-675

상세보기
V. D. Kuznetsov and V. F. Kalashnikov : 'Calculation of Design Reliability of a High or a Superhigh Pressure Compressor', Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 23, No. 4, 1987, pp. 160-161

상세보기
H. P. Bloch : 'A practical guide to compressor technology', John Wiley, 2006, pp. 121-128
M. D. Dovanni : 'Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook', Taylor&francis, 1982, pp. 29-40
A. A. Sathe : 'Analytical model for an electrostatically actuated miniature diaphragm compressor', Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol. 18, 2008.

상세보기

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증