[논문]단순모델을 이용한 막 가습기 열 및 물질 전달 특성 해석

유상석; 이영덕; 배호준; 황준영; 안국영

doi:10.3795/ksme-b.2009.33.8.596

단순모델을 이용한 막 가습기 열 및 물질 전달 특성 해석
Mass and Heat Transfer Analysis of Membrane Humidifier with a Simple Lumped Mass Model 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.33 no.8 = no.287, 2009년, pp.596 - 603

유상석 (충남대학교) , 이영덕 (한국기계연구원) , 배호준 (한국기계연구원) , 황준영 (한국생산기술연구원) , 안국영 (한국기계연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

The performance of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is seriously changed by the humidification condition which is intrinsic characteristics of the PEMFC. Typically, the humidification of fuel cell is carried out with internal or external humidifier. A membrane humidifier is applied to the external humidification of residential power generation fuel cell due to its convenience and high performance. In this study, a simple static model is constructed to understand the physical phenomena of the membrane humidifier in terms of geometric parameters and operating parameters. The model utilizes the concept of shell and tube heat exchanger but the model is also able to estimate the mass transport through the membrane. Model is constructed with FORTRAN under Matlab/$Simulink^{(R)}$ $\Box$environment to keep consistency with other components model which we already developed. Results shows that the humidity of wet gas and membrane thickness are critical parameters to improve the performance of the humidifier.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

전자의 경우 운전 변수 변화에 따른 특성을 보는데 유리하지만, 설계점(정격조건)에서의 특성이 주관심사일 경우 어려움이 있는 반면 후자의 경우 정격조건에서의 설계 변수와 운전변수에 대한 특성을 볼 수 있다. 그러므로, 본 연구에서는 운전점을 정격운전점으로 고정하고 건공기 온도를 변화시켜 가면서 열 및 물질 전달 특성을 보고자 하였다.
이 제시한 실험결과를 이용하여 보정하였다. 본 연구에서 작성된 모델은 집중용량법을 적용한 0 차원 모델로 유동 특성이나 기하학적 형상 변화에 대한 영향은 보기 어렵지만, Fig. 3 에서 보여지듯이 모델 결과를 실험과 잘 일치시킴으로써, 다양한 기하학적 변수 및 운전 변수에 의한 가습기의 성능을 예측하고자 한다. Fig.
본 연구에서는 막 가습기의 특성을 고찰하기 위해 단순 해석 모델을 구성하고, 막 가습기의 성능에 영향을 미치는 설계 및 운전변수에 대해 민감도 해석을 수행하였다. 민감도 해석을 통해서 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 연료전지에 적용되고 있는 다양한 가습기 종류 중에서 신뢰성이 높고 소요 동력이 필요없는 대향류 원통형 막 가습기에 대한 단순 열 및 물질 교환기 모델을 개발하고자 한다. 모델은 고온 습공기에서 저온 건조공기로의 열 및 물질 전달을 예측하기 위한 것으로, 막에서의 습증기 모델을 구체화 하였으며, shell side 에서의 열전달 계수 산정 시 입구 효과를 고려하였다.
열교환 성능의 경우 건공기 출구 온도가 습공기 입구 온도에 매우 근접하는 것을 볼 수 있으며 본 연구에서 해석하는 원통형 막 가습기는 주어진 기준조건에서 어느정도 최적화 되었다고 생각할 수 있다. 이에 비해 이슬점 접근온도가 상대적으로 높은 것은 아직 최적화의 여지가 많이 남아 있는 것으로 볼 수 있으며 다음장부터 매개변수를 변화시켜 가면서 설계 최적화를 이룰 수 있는 방안을 찾고자 한다.

가설 설정

튜브 다발 외부의 경우에는 실제적으로 각 튜브사이의 간섭이 없다고 가정하였으며 다음의 관계식을 적용하여 수력직경을 구하였다.⁽⁶⁾

제안 방법

해석에서는 습공기의 온도, 습도 및 건공기의 습도를 고정하고 건공기 입구 온도 변화에 따른 습공기 수송률과 열교환율을 관찰하였다. 건공기 온도를 증가시킬 때 건공기 습도에 의한 영향을 제거하기 위해 상대습도는 0.1%로 고정하였다.
관 내부의 열전달 계수는 입구 구경에 대한 관길이가 충분히 길기 때문에 입구효과를 무시하였으며 본 가습기의 적용대상인 1kw 급 연료전지 시스템의 공기 공급량에 관한 운전조건에서는 튜브 내의 유동을 층류로 가정할 수 있으므로, 수분 교환막의 온도를 입출구단의 평균온도로 정의하고 다음 식을 적용하였다.
모델은 고온 습공기에서 저온 건조공기로의 열 및 물질 전달을 예측하기 위한 것으로, 막에서의 습증기 모델을 구체화 하였으며, shell side 에서의 열전달 계수 산정 시 입구 효과를 고려하였다. 또한, 습증기 증발과 온도 강하 관계를 이용하여 수증기의 액화에 대한 단순 모델을 포함하였다. 개발된 모델을 이용하여 설계 및 운전 인자에 대한 막 가습기의 성능을 검토함으로써, 향후 막가습기 개발에 적용하고자 한다.
막 가습기는 막의 습증기 수송 특성에 따라 가습 성능이 결정되기 때문에 사용되는 막의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다. 막의 습증기 수송 특성을 다른 조건의 변화로부터 독립시키기 위해 건공기와 습공기 온도를 일정하게 유지한 상태에서 습증기 수송 특성을 확인하였다. 양단의 온도가 같은 경우 막의 수송 특성은 양단 온도차에 의한 열전달 효과를 배제시킬 수 있으며 습증기 농도차에 의해서만 결정되며, Fig.
본 연구에서는 연료전지에 적용되고 있는 다양한 가습기 종류 중에서 신뢰성이 높고 소요 동력이 필요없는 대향류 원통형 막 가습기에 대한 단순 열 및 물질 교환기 모델을 개발하고자 한다. 모델은 고온 습공기에서 저온 건조공기로의 열 및 물질 전달을 예측하기 위한 것으로, 막에서의 습증기 모델을 구체화 하였으며, shell side 에서의 열전달 계수 산정 시 입구 효과를 고려하였다. 또한, 습증기 증발과 온도 강하 관계를 이용하여 수증기의 액화에 대한 단순 모델을 포함하였다.
즉, 습공기가 물질전달에 의해 튜브측(side1)으로 전달되는 영향, 열전달에 의해 출구 온도가 감소하는 영향, 그리고 온도 강하에 따른 수증기 응축이 발생할 수 있기 때문에 이러한 현상들에 의해 물질전달량이 영향을 받게 된다. 수증기의 응축현상을 간략히 모델링 하기 위해 출구에서의 포화 증기 관계를 이용하였다. 만약 셸측의 온도가 충분히 낮아서 수증기의 액화가 일어나게 되면, 주어진 온도에서의 수증기의 증기압은 증기압곡선에서 구할 수 있으므로,
2 절 이후에 사용되는 도식에서는 매개 변수 변화에 대한 건공기 출구 이슬점의 변화를 나타내었다. 열교환 성능의 경우 설계변수 중에서는 막의 두께, 튜브의 내경, 튜브 및 셸의 길이 등을 해석변수로 설정하고 이에 대한 가습성능을 건공기의 온도를 증가시켜가면서 비교하였다. 해석 결과, 건공기 입구 온도가 낮은 영역에서는 막의 두께를 변화시킬 때 이슬점이 가장 크게 영향을 받는 것을 알 수 있었으며 Fig.
운전변수는 실제 가습기를 연료전지와 연결시켜 운전할 때 가습기의 성능을 결정짓는 변수로, 여기서는 습공기 습도, 유량, 압력 등을 운전변수로 정하고 이에 대한 영향을 살펴보았다.
원통형 막 가습기의 외관은 셸 & 튜브 형 열교환기와 유사하나 설계 도면상 나와 있는 내부구조에서는 배플(baffle)이 존재하지 않으므로 본 연구에서는 원통형 막가습기의 열교환 해석을 위해 대향류형 열 및 물질 교환 관계식을 적용 하였다.
접근온도(approaching temperature)는 통상 냉각탑의 성능을 나타내는데 사용되며 본 연구에서는 가습성능을 나타내기 위해 또 다른 성능 변수인 이슬점 접근온도(approaching dew point temperature)를 적용하여 기준조건에서의 가습기의 성능을 Fig. 6에 도시하였다. 접근온도는 습증기 입구온도와 건공기 출구 온도의 차이로 접근온도가 낮을수록 열교환기로서 밀집도(compactness)가 우수함을 보여주며, 이슬점 접근 온도가 낮을수록 물질교환 밀집도가 우수함을 보여준다.
해석에서는 습공기의 온도, 습도 및 건공기의 습도를 고정하고 건공기 입구 온도 변화에 따른 습공기 수송률과 열교환율을 관찰하였다.

대상 데이터

본 연구에서 해석하고자 하는 원통형 막 가습기는 Perma Pure 사의 FC150-480 모델로 기본적인 성능을 해석하기 위해 Table 1 과 같은 기준조건에 대해 해석을 수행하였다. 해석에서는 습공기의 온도, 습도 및 건공기의 습도를 고정하고 건공기 입구 온도 변화에 따른 습공기 수송률과 열교환율을 관찰하였다.

이론/모형

개발된 원통형 열 및 물질 전달 막 가습 모델은 Ahluwalia 등⁽⁷⁾ 이 제시한 실험결과를 이용하여 보정하였다. 본 연구에서 작성된 모델은 집중용량법을 적용한 0 차원 모델로 유동 특성이나 기하학적 형상 변화에 대한 영향은 보기 어렵지만, Fig.
그러므로, 본 연구에서는 이를 반복변수로 설정하고 이 반복변수를 수렴시키는 해석법인, Ridder’s method 를 사용하였다.
식 (5) 과 (6)의 열전달량 qconv 를 결정하기 위해 ε-NTU 법을 이용하였다.
실제 단순 막가습기 해석 모델은 FORTRAN Code 로 작성되었으나, 향후 시스템 모델과의 연동 및 시스템 거동에 의한 막가습기 성능 영향 등을 살펴보기 위해 최종적인 작동은 Matlab/Simulink® 의 s-function 기능을 이용하였으며 Fig. 2 에는 시뮬레이터의 운전모습을 모여주고 있다.

성능/효과

(2) 설계변수를 변화 시킬 때 저온 건공기의 경우 두께에 의한 영향이 4.8K 로 가장 컸으며 고온 건공기의 경우 튜브 길이에 따라 건공기 이슬점을 최대 5.2K 까지 올릴 수 있다는 것을 확인하였다. 하지만, 튜브 길이를 늘리는 경우, 유체의 압손이 더 증가하므로 설계시 이를 적절히 최적화 시킬 필요가 있다.
(3) 운전변수 중 건공기 출구 성능에 가장 영향이 큰 변수는 습공기 입구 습도로 운전조건에 따라 최대 19.4K 까지 감소하는 것을 알 수 있었다. 그리고 운전압의 경우 상대적으로 영향이 적었으며, 습공기 입구 유량을 증가시킨 경우도 가습 및 열전달 성능이 안좋은 고온 영역에만 약 0.
본 연구에서 해석모델로 채용한 Perma-Pure 사의 FC150-480 모델의 경우, 이미 양산을 위해 충분한 최적화가 진행되었을 것으로 예측하였으나, 실제에 있어서는 아직도 가습기 성능을 개선할 수 있다는 점은 다소 고무적이다. 하지만, 튜브직경을 증가시키는 것과는 달리 튜브 길이를 변화시키게 되면 튜브를 통과하면서 유체에 의해 발생되는 압력손실도 증가하기 때문에 반드시 길이에 대한 성능 최적화기 필요할 것으로 생각된다.
습공기 유량을 증가시키게 되면 건공기 출구 이슬점이 상대적으로 크게 영향을 받을 것으로 생각되었지만, 해석 결과 건공기 입구온도가 낮은 경우에는 유량 증가의 영향이 무시할 만한 수준이며, 건공기 입구 온도가 높은 경우에 있어서도 Fig. 13에서 보여지듯이 약 1K 미만의 증가를 관측할 수 있었다. 하지만, 전체적으로는 습공기 습도가 포화 상태를 유지하기 때문에 습공기 질량유량의 증가에 대해 건공기 이슬점에 큰 변화가 없었다.
접근온도보다 이슬점 접근 온도의 경우가 건공기 변화에 대해 더 완만하게 변화하는 것을 볼 수 있다. 열교환 성능의 경우 건공기 출구 온도가 습공기 입구 온도에 매우 근접하는 것을 볼 수 있으며 본 연구에서 해석하는 원통형 막 가습기는 주어진 기준조건에서 어느정도 최적화 되었다고 생각할 수 있다. 이에 비해 이슬점 접근온도가 상대적으로 높은 것은 아직 최적화의 여지가 많이 남아 있는 것으로 볼 수 있으며 다음장부터 매개변수를 변화시켜 가면서 설계 최적화를 이룰 수 있는 방안을 찾고자 한다.
6에 도시하였다. 접근온도는 습증기 입구온도와 건공기 출구 온도의 차이로 접근온도가 낮을수록 열교환기로서 밀집도(compactness)가 우수함을 보여주며, 이슬점 접근 온도가 낮을수록 물질교환 밀집도가 우수함을 보여준다. 이러한 열 및 물질교환기 성능은 건공기 온도가 습공기 온도와 가까워지게 되면 떨어지는 것을 보여주고 있다.

후속연구

또한, 습증기 증발과 온도 강하 관계를 이용하여 수증기의 액화에 대한 단순 모델을 포함하였다. 개발된 모델을 이용하여 설계 및 운전 인자에 대한 막 가습기의 성능을 검토함으로써, 향후 막가습기 개발에 적용하고자 한다. 본문 2 장에서는 막가습기 해석 모델 유도 과정에 대해 설명하고, 3 장에서는 운전 및 설계 변수에 대한 막 가습기 운전 특성에 대해 검토할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기하학적 변수와 운전 변수의 변화에 따라 막 가습기의 성능 변화를 보는 방법으로는 건공기와 습공기의 입구 온도를 고정하고 유량을 변화시키는 방법과 습공기의 온도와 유량 및 건공기의 유량을 고정시키고 건공기의 온도를 변화시키는 방법이 있는데 각각의 특성은 무엇입니까?	기하학적 변수와 운전 변수의 변화에 따라 막 가습기의 성능 변화를 보는 방법으로는 건공기와 습공기의 입구 온도를 고정하고 유량을 변화시키는 방법과 습공기의 온도와 유량 및 건공기의 유량을 고정시키고 건공기의 온도를 변화시키는 방법이 있다. 전자의 경우 운전 변수 변화에 따른 특성을 보는데 유리하지만, 설계점(정격조건)에서의 특성이 주관심사일 경우 어려움이 있는 반면 후자의 경우 정격조건에서의 설계 변수와 운전변수에 대한 특성을 볼 수 있다. 그러므로, 본 연구에서는 운전점을 정격운전점으로 고정하고 건공기 온도를 변화시켜 가면서 열 및 물질 전달 특성을 보고자 하였다.
	원통형 막 가습기란 무엇입니까?	원통형 막 가습기는 열 및 물질교환기로 투수성이 우수함과 동시에 가스의 침투를 막는 고분자 분리막을 건공기와 습공기 사이에 설치하여, 수분이 습공기로부터 건공기쪽으로 전달되도록 한 가습장치이다. 원통형 막 가습기에서는 전달면을 극대화시켜 가습 성능을 극대화 시키기 위해 가습기 내부에 건공기가 흐르는 수백개의 튜브 다발을 설치하고, 이 튜브 다발 사이로 습공기가 대향류로 흐르도록 한 구조를 띄고 있다.
	원통형 막 가습기의 구조는 어떠합니까?	원통형 막 가습기는 열 및 물질교환기로 투수성이 우수함과 동시에 가스의 침투를 막는 고분자 분리막을 건공기와 습공기 사이에 설치하여, 수분이 습공기로부터 건공기쪽으로 전달되도록 한 가습장치이다. 원통형 막 가습기에서는 전달면을 극대화시켜 가습 성능을 극대화 시키기 위해 가습기 내부에 건공기가 흐르는 수백개의 튜브 다발을 설치하고, 이 튜브 다발 사이로 습공기가 대향류로 흐르도록 한 구조를 띄고 있다. 연료전지 공기극에 설치되는 가습기의 경우, 통상 블로워를 통해 공급되는 공기는 저온 건조한 상태로 막 가습기의 튜브다발을 통과하게 된다.

참고문헌 (8)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

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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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