[논문]수소용 다이어프램 압축기의 오일 분배 홀 패턴에 따른 수치해석

박현우; 신영일; 김규보; 송주헌; 장영준; 전충환

수소용 다이어프램 압축기의 오일 분배 홀 패턴에 따른 수치해석
Numerical Analysis on a Hydrogen Diaphragm Compressor with Various Oil Distribution Holes Pattern for Hydrogen Compressor 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.20 no.2, 2009년, pp.87 - 94

박현우 (부산대학교 기계공학부 대학원) , 신영일 (부산대학교 기계공학부) , 김규보 (부산대학교 기계공학부) , 송주헌 (부산대학교 기계공학부) , 장영준 (부산대학교 기계공학부) , 전충환 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

There are several types of compressors which are appropriate for hydrogen gas station. Diaphragm type of compressor is the one of them and it satisfies the requirements for that purpose in terms of maintaining gas purity and making high pressure over 700 bar. The objective of this study is to find an optimal design of oil distribution hole configuration. The number of holes is changed maintaining total cross-sectional area of holes. Five cases(1 hole, 4, 8,16 and 24 holes) were studied through Fluid Structure Interaction(FSI) analysis method. Gas and oil pressure, the deflection and stress of the diaphragm were analysed during compression and suction process respectively. There is no specific difference among the cases during compression. An additional deflection due to the existence of hole was found during suction for all case. But the highest deflection and stress were found in the 1 hole case. It was seen that 60% decrease of stress in magnitude in 24 hole case compare to the 1 hole case.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 상용 유동 및 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 다이어프램 압축기의 연성해석을 수행하고 이로부터 오일분배 홀의 패턴에 따른 압축기에 영향을 미치는 오일과 가스의 압력 및 다이어프램의 응력특성을 살펴보고자 한다. 그림 3은 상용화 되어 있는 다이어프램 압축기의 오일분배 홀 사진이다.

가설 설정

2) 다이어프램에 발생하는 응력이 맥동의 형태로 나타난다. 다이어프램 외각에서는 오일 측의 응력이 높게 형성되며, 다이어프램이 헤드 곡면과 분리되는 반경의 1/3 지점에서 가스 측에 응력 집중이 발생하며 이 지점부터는 가스 측의 응력이 오일 측보다 높게 형성되는 것을 볼 수 있 었다.
연성해석은 압축과정 중 다이어프램이 변형되지 않는 위치에 도달하는 시점부터 시작하여 압축이 끝나는 시점까지 수행하여 가스 및 오일의 압력, 다이어프램의 수직변위 및 응력을 살펴본다. 또한 실제로 압축기는 목표 압에 도달하면 수소를 토출 하지만 본 연구에서는 토출은 없다고 가정하여 해석을 수행하였다.
압축기 내부의 유동은 압축성 난류유동으로 가정하였으며, 내부압력을 계산하기 위해서 사용된 지배방정식은 연속방정식과 운동량 및 에너지 보존 방정식이 사용되었다. 난류모델은 압축성 유동을 다루는데 적절하고 이미 공학적으로 타당성을 검증받은 κ－ε 모델을 사용하였다.

제안 방법

격자생성 프로그램인 ICEM-CFD를 이용하여 그림 5, 6과 같이 약 15만개, 5만개의 격자를 생성 하여 유동해석과 구조해석에 사용하였다. 연성해 석의 용이성을 위하여 구조해석에서의 다이어프램 면의 노드와 이에 접하는 유동해석의 가스 및 오 일의 접촉면의 노드를 동일하게 하였다.
피스톤 헤드에 해당하는 면은 움직일 수 있도록 설정하여, 그림 4와 같은 시간에 따른 위치변화를 따라 움직일 수 있도록 하였다. 구조해석에서는 각 다이어프램 면과 캐비티 곡면이 해석과정 중 접촉하기 때문에 마찰조건으로 설정하였고 가스와 오일이 접촉하는 다이어프램 면은 유동해석으로부터 압력이 전달될 수 있도록 하며, 다른 영역은 모델이 움직이지 않도록 고정조건으로 하였다. 해석결과는 수치해석 각 단계에서 종속변수들의 잔류값이 10-4 이하에 도달하면 수렴한 것으로 간주하여 다음 단계로 넘어가도록 설정하였다.
그림 7과 같이 각 모델에 대해 오일헤드 부를 모델링하여 수소 흡입시의 다이어프램에 대한 단순 구조해석을 수행하여, 다이어프램의 수직변위 와 응력을 살펴보았다.
다이어프램식 수소압축기의 오일분배 홀의 패턴에 따른 다이어프램의 응력, 수직변위 및 가스와 오일의 압력특성에 대하여 수치해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
다이어프램이 변형되지 않는 위치의 상태조건을 해석의 초기조건으로 하였다. 초기압력을 계산하기 위하여 식 (1)을 사용하여 초기압력을 145 bar로 정하였다¹⁰⁾.
압축기 설계에 있어서 많은 변수들이 있지만 본 연구에서는 오일분배 홀의 패턴이 다이어프램 압축기에 미치는 영향의 알아보기 위하여 기본적으로 면적이 316.86 mm² 으로 동일한 1(D = 20.086 mm), 4(D = 10.043 mm), 8(D = 7.1 mm), 16(D = 5.02 mm), 24(D = 4.1mm)개의 홀을 가지는 5가지 모델에 대해 수치해석을 수행하였다.
격자생성 프로그램인 ICEM-CFD를 이용하여 그림 5, 6과 같이 약 15만개, 5만개의 격자를 생성 하여 유동해석과 구조해석에 사용하였다. 연성해 석의 용이성을 위하여 구조해석에서의 다이어프램 면의 노드와 이에 접하는 유동해석의 가스 및 오 일의 접촉면의 노드를 동일하게 하였다.
연성해석은 압축과정 중 다이어프램이 변형되지 않는 위치에 도달하는 시점부터 시작하여 압축이 끝나는 시점까지 수행하여 가스 및 오일의 압력, 다이어프램의 수직변위 및 응력을 살펴본다. 또한 실제로 압축기는 목표 압에 도달하면 수소를 토출 하지만 본 연구에서는 토출은 없다고 가정하여 해석을 수행하였다.
초기압력을 계산하기 위하여 식 (1)을 사용하여 초기압력을 145 bar로 정하였다¹⁰⁾. 유동해석의 경계조건은 유체의 흡입^․토출이 없기 때문에 모두 벽으로 설정하고, 열전달이 없는 단열조건을 적용하였다. 피스톤 헤드에 해당하는 면은 움직일 수 있도록 설정하여, 그림 4와 같은 시간에 따른 위치변화를 따라 움직일 수 있도록 하였다.
그림 8은 다이어프램 중심에서의 압축과정 동안의 수직변위를 나타내고 있다. 홀의 개수가 1, 4, 8, 16, 24개인 모델에 대한 결과이며, 수직변위를 가스헤드의 최대높이인 Y0,gas 및 시간을 해석시간으로 나누어 무차원화 하였다. 압축 초기에는 다이어 프램 중심에서의 변위가 유사한 변화를 보이며, 압축이 진행될수록 각 모델별로 수직변위의 차이가 커지다가 압축이 종료되는 시점에서는 다시 줄어드는 것을 볼 수 있다.

대상 데이터

해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2만을 모델링 하였다. 다이어프램의 재질은 부식과 산화에 뛰어난 특성을 보이는 300계열의 스테인리스 스틸 중에서 301을 사용하 였으며⁸⁾, 다이어프램 3장을 적층하여 해석하였다⁹⁾.
본 연구에 사용된 해석모델은 53 bar의 수소를 450 bar로 압축하는 시스템이다. 압축기는 500 rpm으로 구동하고, 작동유체로 가스는 수소, 오일은 글리세롤을 사용하였다.

이론/모형

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

성능/효과

1) 오일분배 홀의 패턴에 따라서 피스톤 속도가 증가할 때 다이어프램의 변형에 영향을 주는 것을 볼 수 있었고, 헤드 곡면이 다이어프램의 변형에 가장 큰 영향을 주는 것을 알 수 있었다.
3) 1홀 모델에서 가장 큰 추가변위가 생기며, 이에 의해서 1홀 모델에서 최대응력이 발생하는 것을 볼 수 있다. 동일 단면적을 기준으로 홀의 개수가 많아지면 개별 홀의 직경이 줄어들어 추가변위가 작아지며, 따라서 응력의 크기가 줄어드는 것을 알 수 있었다.
5개 모델에서 유체의 속도가 유사하게 나타나지만, 유체의 힘이 다이어프램 중심에 가장 큰 영향을 줄 수 있는 홀의 배치를 가진 1홀 모델에서 해석과정 중에 가장 큰 수직변위를 보여주며, 반대로 가장 작은 영향을 주는 24홀 모델에서 가장 작은 수직변위를 보여준다고 사료된다.
동일 단면적을 기준으로 홀의 개수가 많아지면 개별 홀의 직경이 줄어들어 추가변위가 작아지며, 따라서 응력의 크기가 줄어드는 것을 알 수 있었다.

후속연구

동일 단면적을 기준으로 홀의 개수가 많아지면 개별 홀의 직경이 줄어들어 추가변위가 작아지며, 따라서 응력의 크기가 줄어드는 것을 알 수 있었다. 이상의 결과들은 다이어프램 압축기를 설계하는데 있어서 중요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수소에너지 인프라 구축을 위하여 국내에서는 어떤 일을 진행하는가?	그중에서도 수소는 미래의 에너지 시스템에서 주요에 너지 담체중 하나로 대두되고 있으며, 2030년경에는 수소를 에너지원으로 사용하는 수소 · 연료전지 자동차는 세계자동차 시장의 60%를 차지할 것으로 전망하고 있다. 국내에서는 수소에너지 인프라 구축의 일환으로 자동차충전용 수소 스테이션을 설치하고, 연료전지 자동차를 운용하는 수송용 연료전지 모니터링사업을 진행하고 있다1-4).
	화석연료의 문제점은?	현재의 탄소를 기반으로 하는 석탄, 석유 등의 화석연료는 과다한 사용으로 대기오염 및 지구온 난화에 많은 영향을 미치고 있으며, 또한 화석연료는 자원 고갈이라는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 풍력, 태양에너지, 수소, 바이오매스 등의 신재생에너지가 주목받고 있다.
	화석연료의 문제점을 해결하기 위하여 주목받고 있는 신재생에너지는?	현재의 탄소를 기반으로 하는 석탄, 석유 등의 화석연료는 과다한 사용으로 대기오염 및 지구온 난화에 많은 영향을 미치고 있으며, 또한 화석연료는 자원 고갈이라는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하고자 풍력, 태양에너지, 수소, 바이오매스 등의 신재생에너지가 주목받고 있다. 그중에서도 수소는 미래의 에너지 시스템에서 주요에 너지 담체중 하나로 대두되고 있으며, 2030년경에는 수소를 에너지원으로 사용하는 수소 · 연료전지 자동차는 세계자동차 시장의 60%를 차지할 것으로 전망하고 있다.

참고문헌 (10)

K. J. Shim, C. S. Yi, 2007, 'Numerical Analysis on the Pressure Characteristics in a Snubber for Hydrogen Compressor', Journal of Korean Society for Power system Engineering, Vol. 11, No. 1, pp.76-81
S. Shayegan, D. Hart, 2006, 'Analysis of the cost of hydrogen infrastructure for buses in London', Journal of Power Sources, Vol. 65, pp. 62-75

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J. Y. Kim, I. Moon, 2008, 'Strategic design of hydrogen infrastructure consider

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J. Y. Kim, Y. H. Lee, 2008, 'Optimization of a hydrogen supply chain under demand uncertainty', Journal of HYDROGEN ENERGY, Vol. 33, pp. 4715-729

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T. H. Lee, M. J. Kim, 2008, 'Experimental and Numerical Study on the Hydrogen Refueling Process', Korean Hydrogen and New Energy society, Vol. 18, No.
M. Sheplak, J. Dugundji, 1998, 'Large Deflections of clamped Circular Plates Under Initial Tension and Transitions to Membrane Behavior', Journal of Applied Mechanics, Vol. 65, pp. 107-115

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M. Deshpande, L. Saggere, 2007, 'An analytical model and working equations

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M. D. Dovanni, 1982, 'Flat and Corrugated Diaphragm Design Handbook',
H. P. Bloch, 2006, 'A practical guide to compressor technology', John Wiley,
A. A. Sathe, 2008, 'Analytical model for an electrostatically actuated miniature diaphragm compressor', Journal of Micromechanics and Microengineering, Vol.

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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].

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