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관 내 삽입 인젝터와 사이클론을 이용한 공기 가습
Humidification of Air Using Water Injector and Cyclonic Separator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.34 no.5 = no.296, 2010년, pp.491 - 498  

김범준 (서울대학교 기계항공공학부) ,  김성일 (서울대학교 기계항공공학부) ,  변수영 (한국지역난방공사 지역난방기술연구소) ,  김민수 (서울대학교 기계항공공학부) ,  김현유 ((주) 현대-기아자동차 연구개발총괄본부) ,  권혁률 ((주) 현대-기아자동차 연구개발총괄본부)

초록
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연료전지 자동차는 성능과 수명 측면에서, 전해질막의 가습이 필요하며, 이를 위해 반응기체인 공기, 수소의 높은 가습이 요구된다. 본 연구에서는 내경 75 mm공기공급관 내에 직접 삽입된 인젝터(노즐)과 액적제거를 위한 사이클론을 통한 가습장치를 고안하여 실험을 수행하였다. 충돌형 노즐 3 종류를 이용하여 분사압력, 공기 유량, 분사방향각도를 달리하여 실험을 수행하였다. 가습 성능을 분석하기 위해, 가습효율이라는 개념을 정의하였다. 별도의 외부 열공급원 없이 분사되는 물과 공기의 엔탈피가 자체 기화열 공급원으로, 분사되는 물의 양이 가습에 가장 중요한 변수임을 볼 수 있었다. 사이클론은 높은 공기유량에서 재비산이 발생되는 것을 볼 수 있었다. 노즐타입 PJ24, 분사방향 각도 90도, 분사압력 1200 kPa, 공기 유량 6000 nlpm에서 절대습도 $21.29\;kJ/kg_{da}$, 가습 효율 86.57%를 얻을 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Humidification of PEM fuel cells is necessary for enhancing their performance and lifetime. In this study, a humidification system was designed and tested; the system includes an air-supply tube (inner diameter: 75 mm) through which a nozzle can be directly inserted and a cyclonic separator for the ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 지식경제부 및 현대기아자동차의 지원으로 이루어졌으며 이에 감사드린다. 또한 마이크로열시스템연구센터 및 정밀기계설계공동연구소의 지원에도 감사드린다.
  • 본 연구에서는 인젝터 가습장치의 부피를 줄이고자 직경이 75 mm인 원관 내에 직접 삽입된 인젝터로 분사 가습하는 실험을 수행하였다. 3종류의 인젝터 노즐을 가지고 분사압력, 분사방향각도, 공기유량을 변화시켜 가며 실험을 수행하였다.
  • 본 연구의 목적은 공간이 제약된 시스템에서 공기공급기 관 내에 직접 삽입된 인젝터를 통해 가습효율을 높이고, 사이클론을 통해 기화되지 못한 액적을 효율적으로 제거하는 것이다.
  • 연료전지 차량의 공간은 제약되어 있기 때문에 본 연구에서는 공기 공급관에 인젝터를 직접 삽입하여 분사하는 방식을 적용하였고 분사 방향 및 압력에 따라 최대 분사 효율, 가습효율을 얻기 위한 실험을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
인젝터는 어떤 장치인가? 인젝터는 분사되는 액체를 미크론 단위의 액적으로 미립화시키는 장치로서 액체의 표면적을 크게 하여 열 및 물질 전달을 촉진시킬 수 있다. 인젝터를 이용한 액체 분사는 건물의 공기 냉각이나 가습, 산화 가스등의 기체흡착, 미세분진 제거 등 다양한 분야에서 이용되고 있다.
인젝터를 이용한 액체 분사는 어떤 분야에서 이용되고 있는가? 인젝터는 분사되는 액체를 미크론 단위의 액적으로 미립화시키는 장치로서 액체의 표면적을 크게 하여 열 및 물질 전달을 촉진시킬 수 있다. 인젝터를 이용한 액체 분사는 건물의 공기 냉각이나 가습, 산화 가스등의 기체흡착, 미세분진 제거 등 다양한 분야에서 이용되고 있다. 분사되는 액적이 얼마나 미세한 지가 인젝터 효율의 지표이고, 인젝터 노즐의 크기, 분사 압력, 혼합부의 설계 등을 통해 효율을 높이고 있다.
인젝터 효율에 있어서 공간이 제약된 시스템의 가습 및 냉각에서는 어떤 것이 중요한가? 분사되는 액적이 얼마나 미세한 지가 인젝터 효율의 지표이고, 인젝터 노즐의 크기, 분사 압력, 혼합부의 설계 등을 통해 효율을 높이고 있다. 특히 공간이 제약된 시스템의 가습 및 냉각에서는 분사되는 입자의 크기가 매우 중요하다.
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참고문헌 (9)

  1. Jung, S. H., Kim, S. L., Kim M. S., Park, Y. S. and Lim, T. W., 2007, “Experimental Study of Gas Humidification with Injectors for Automotive PEM Fuel Cell Systems,” J. of Power Sources, Vol. 170, Issue 2, pp. 324-333. 

  2. Yoo, S. Y. and Kwon, H. K., 2004, “An Experimental Study on the Performance of Air/Water Direct Contact Air Conditioning System,” J. of Mechanical Science and Technology, Vol. 18, No. 6, pp. 1002-1009. 

  3. Sureshkumar, R., Kale, S.R. and Dhar, P.L., 2008, “Heat and Mass Transfer Processes Between a Water Spray and Ambient Air I. Experimental Data,” Applied Thermal Engineering, Vol. 28, Issues 5-6, pp. 349-360. 

  4. Sureshkumar, R., Kale, S.R. and Dhar, P.L., 2008, “Heat and Mass Transfer Processes Between a Water Spray and Ambient Air II. Simulations,” Applied Thermal Engineering, Vol. 28, Issues 5-6, pp. 361-371. 

  5. Xu, Z. and Wang, Y., c, “Experimental and Theoretical Studies on Air Humidification by a Water Spray at Elevated Pressure,” Applied Thermal Engineering, Vol. 27, Issues 14-15, pp. 2549-2558. 

  6. Bruckner, A. P. and Mattick, A. T., 1984, “High Effectiveness Liquid Droplet/Gas Heat Exchanger for Space Power Applications,” Acta Astronautica, Vol. 11, Issues 7-8, pp. 519-526. 

  7. Rosa, E. S., Franca, F. A. and Ribeiro, G. S., 2001, “The Cyclone Gas Liquid Separator: Operation and Mechanistic Modeling,” J. of Petroleum Science and Engineering, Vol. 32, Issues 2-4, pp. 87-101. 

  8. Polyakov, L. E., 1968, “Cyclone Separators for Gas-Liquid Mixtures,” Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 4, No. 6, pp. 6-8. 

  9. American Society of Heating, Refrigerating, Air-Conditioning Engineers, 2005, “ASHRAE Handbook Fundamentals,” Chap. 6. 

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