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문제 정의
- 본 논문에서는 수소의 발생량과 효율을 향상시키기위해 상용수산소혼합가스 발생기(20Nm3/h) 셀의 설계변경과 부가적인 장치에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 논문에서는 철강재료 제조생산 분야에서 수산소 혼합가스를 이용한 철강재료 가공에 적용 가능하도록 기존의 20Nm3/h 용량의 수산소 혼합가스발생기를 40m3/h의 대용량으로 늘리기 위한 설계 및 제작에 관한 내용으로 철강산업현장의 적용성을 넓히고자 하였다.
제안 방법
- (2) 전기분해시 셀의 내부 온도를 조절하기 위해 냉각장치를 사용하였으며 전기분해 촉매제(K0H) 순환에 사용되는 2 마력 순환 PUMP와 열교환기, SUS계열의 순환 배관을 사용하여 순환 냉각부 및 배관설계 제작하였다.
- 40Nn?/h의 수산소혼합가스가 발생되도록 셀을 나열하면 많은 공간을 차지하며, 철강재료 가공현장의 특성상 높이의 제약 보다는 가로, 세로의 공간이 부족하여 공장 상황에 맞도록 셀의 크기를 변경 하여 발생량을 증가 시키고 좀 더 컴펙트한수산소 혼합가스 발생기를 개발하였다. Fig.
- 5는 최종 설계된 3D 조립도면을 보여주고 있다. 기존 개발된 콘드롤러에서 얻어진 데이터를 기반으로 SCR 의용량을 재선정 하고 제어 유닛을 재구성하여 고효율 셀의 전력제어가 가능하도록 하였으며 과전류 감지 및 기타 정전압 기능과 정전류 기능을 할 수하도록 제어 프로그램을 구성하였다. 또한 셀 당 온도와 KOH의 비중 그리고 전압과 전류의 조절을 통하여 시스템의 효율을 최대한 발휘 할 수 있도록 프로그램을 구성하였다.
- 따라서, 보다 정확한 효율을 측정하기 위해서는 장시간동안 지속적으로 전력량과 수산소 혼합가스의 유량을 측정하여 평균값을 이용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다. 따라서 보다 정확한 효율을 측정하기 위해서 1시간동안 연속적으로 전력량과 수 산소 혼합가스의 유량을 측정하여 반복 평균값을 이용 하였다. 효율계산은 다음과 같다.
- 기존 개발된 콘드롤러에서 얻어진 데이터를 기반으로 SCR 의용량을 재선정 하고 제어 유닛을 재구성하여 고효율 셀의 전력제어가 가능하도록 하였으며 과전류 감지 및 기타 정전압 기능과 정전류 기능을 할 수하도록 제어 프로그램을 구성하였다. 또한 셀 당 온도와 KOH의 비중 그리고 전압과 전류의 조절을 통하여 시스템의 효율을 최대한 발휘 할 수 있도록 프로그램을 구성하였다. Fig.
- 2에 나타낸 바와 같이 일반적인 전기분해장치와 달리 분리격막이 없으며, 전극 간의 거리를 최적화 하여 효율을 증대시켰으며, 양 전극 사이에 형성되는 저항을 최소화하였고, 전기분해 속도를 향상하여 효과적인 실용화장치를 개발하였다. 또한 전기분해시 발생하는 열을 최소화하여 효율을 극대화 하였다. 수산소혼합가스는 수소와 산소의 혼합가스로서 일반적인 열현상에서 보이는 보편적인 폭발현상이 나타나지 않으며 대신에 독특한 내폭 현상이 발생한다.
- 8mm로 확장 하였고, 길이를 2배로 하여 발생면적을 증가 시켜 셀당 수산소혼합가스의 발생량 증가시켰다. 또한 전류 흐름과 최적화된 전압은 발생효율 극대화와 전류 소모량을 최소화 할 수 있기 때문에 셀의 전류 흐름 및 변경 셀의 특성에 맞게 최적화된 전압을 선정 하였다. 이러한 설계변경 결과 기존 셀 대비 약 8% 정도의 유량이 증가 하는 것을 확인 하였으며 트랜스의 변경 및 전력제어 컨트롤에 의한 효율을 테스트를 진행하였다.
- 본 논문에서의 수산소 혼합가스 발생은 Fig. 2에 나타낸 바와 같이 일반적인 전기분해장치와 달리 분리격막이 없으며, 전극 간의 거리를 최적화 하여 효율을 증대시켰으며, 양 전극 사이에 형성되는 저항을 최소화하였고, 전기분해 속도를 향상하여 효과적인 실용화장치를 개발하였다. 또한 전기분해시 발생하는 열을 최소화하여 효율을 극대화 하였다.
- 4은 극관의 설계변경 도면을 보여주고 있다. 셀 외피와 관련 된 보완 설계는 반응 면적을 넓이기 위해 L96Mpa 압력에 견디도록 설계 되어있는 8극관을 10극관으로 변경하였으며 외피의 직경은 113.4mm 에서 139.8mm로 확장 하였고, 길이를 2배로 하여 발생면적을 증가 시켜 셀당 수산소혼합가스의 발생량 증가시켰다. 또한 전류 흐름과 최적화된 전압은 발생효율 극대화와 전류 소모량을 최소화 할 수 있기 때문에 셀의 전류 흐름 및 변경 셀의 특성에 맞게 최적화된 전압을 선정 하였다.
- 현재 개발된 것은 약 20 Nm3/h 미만으로 설계 되었으며 철강재료 가공 시 평균 28~35 Nn?/h의 소모 노즐을 사용하므로 역화 방지기의 개발이 필요하다. 역화 방지기는 Fig. 8과 같이 체크밸브일체형으로 설계하고 28~35Nm3/h의 수산소 혼합가스가 통과 하도록 설계 적용하였다. 현장에서 적용이 가능하게 최대한 슬립하게 제작하며 연결 토치와의 채결 성을 고려하여 제작하였다.
- 유입되는 전력량은 SCOPE Meter 199C/438을 이용하여 계측하였으며, 또한, 최종 발생되는 수산소 혼합가스의 유량은F-133AC-HGD-99V와 VORTEX유량계 M22로 측정하였다.
- 8과 같이 체크밸브일체형으로 설계하고 28~35Nm3/h의 수산소 혼합가스가 통과 하도록 설계 적용하였다. 현장에서 적용이 가능하게 최대한 슬립하게 제작하며 연결 토치와의 채결 성을 고려하여 제작하였다. Table 1에서는 기존의 발생기 제원과 대용량 수산소 혼합가스발생기 40 M-H(40Nm3/h)의 제원 및 변경되는 내용을 비교하여 나타내었다.
대상 데이터
- 또한 전기분해시 셀의 내부온도가 상승하는데 온도가 너무 상승하게 되면 수산소 혼합가스의 발생량이 줄어들며 전력 제어 시에 영향을 주게 된다. 이러한 온도를 조절하기 위해 냉각장치를 사용하였으며 전기분해 촉매제(KOH) 순환에 사용되는 2마력 순환 펌프와 열교환기, SUS계열의 순환 배관을 사용하였다. Fig.
성능/효과
- (1) Cell 외피는 기존의 1.96Mpa의 압력에 견디도록 설계 되어 있는 8극관을 10극관 하고 외피의 직경은 113.4mm에서 139.8mm로 확장 하였으며, 길이를 2배로 하여 cell 당 수소 발생량 증가시켰으며 기존 셀 대비 약 8% 정도의 유량이 증가 하는 것을 확인 하였다.
- (3) 역화방지기는 사용 유량 28〜35Nm3/h에 적합한 체크밸브일체형으로 설계하고 현업에 적용이 가능하게 최대한 슬립하게 제작하여 연결 토치와의 체결성을 최대한 고려하였다. m,
- (4) 제작된 발생기의 최소 유량은 31Nm3/h, 효율은 84%로서철강재료가공 현장에서 대량 가공이 가능하게 제작되어 현장의 적용성을 확대하고 현재 사용되고 있는 LPG 및 에틸렌 가스의 대체 재원으로 손색이 없을 것으로 사료된다.
- 배출유량은 31, 000L/h〜32, 500L/h가 됨을 상기 계측기를 통해 확인하였다. 단, 측정된 전력량과 수산소 혼합가스 배출 유량은 물펌프의 작동 등 시스템의 동작과 연관이 되어 측정량 과수산소 혼합가스 배출유량은 물펌프의 작동 등 시스템의 동작과 연관이 되어 측정중에 완전한 정상상태(Steady State)가 되지 못하기 때문에 단일 값을 갖지 못함을 확인하였다. 따라서, 보다 정확한 효율을 측정하기 위해서는 장시간동안 지속적으로 전력량과 수산소 혼합가스의 유량을 측정하여 평균값을 이용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 다음과 같은 결과를 통하여 최종 수산소 혼합가스 발생기를 완성하였으며, 현장에서 사용함이 불편함이 없는 40m3/h의 용량으로 개발에 성공하였고, 효율은 84%로 측정되어 에너지 절약 측면에서도 만족할 만한 성과를 보여 주었다.
- 본 연구에서 수산소 혼합가스의 성분은 물을 전기분해해서이론적으로 얻을 수 있는 수소 66.67%, 산소 33.33%로 하였다. 참고로 수산소 혼합가스의 정확한 성분은 한국표준과학연구원에 성분분석을 의뢰한 결과 불순물의 성분은 매우 미소하여 이론치와 거의 유사함을 확인하였다.
- 수산소 혼합가스 발생기의 정격 운전시 시스템에 공급되는 전력량은 82kW〜87kW정도에 이르며, 이때 수산소 혼합가스의 배출유량은 31, 000L/h〜32, 500L/h가 됨을 상기 계측기를 통해 확인하였다. 단, 측정된 전력량과 수산소 혼합가스 배출 유량은 물펌프의 작동 등 시스템의 동작과 연관이 되어 측정량 과수산소 혼합가스 배출유량은 물펌프의 작동 등 시스템의 동작과 연관이 되어 측정중에 완전한 정상상태(Steady State)가 되지 못하기 때문에 단일 값을 갖지 못함을 확인하였다.
- 또한 전류 흐름과 최적화된 전압은 발생효율 극대화와 전류 소모량을 최소화 할 수 있기 때문에 셀의 전류 흐름 및 변경 셀의 특성에 맞게 최적화된 전압을 선정 하였다. 이러한 설계변경 결과 기존 셀 대비 약 8% 정도의 유량이 증가 하는 것을 확인 하였으며 트랜스의 변경 및 전력제어 컨트롤에 의한 효율을 테스트를 진행하였다. Fig.
- 33%로 하였다. 참고로 수산소 혼합가스의 정확한 성분은 한국표준과학연구원에 성분분석을 의뢰한 결과 불순물의 성분은 매우 미소하여 이론치와 거의 유사함을 확인하였다.
후속연구
- 단, 측정된 전력량과 수산소 혼합가스 배출 유량은 물펌프의 작동 등 시스템의 동작과 연관이 되어 측정량 과수산소 혼합가스 배출유량은 물펌프의 작동 등 시스템의 동작과 연관이 되어 측정중에 완전한 정상상태(Steady State)가 되지 못하기 때문에 단일 값을 갖지 못함을 확인하였다. 따라서, 보다 정확한 효율을 측정하기 위해서는 장시간동안 지속적으로 전력량과 수산소 혼합가스의 유량을 측정하여 평균값을 이용하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다. 따라서 보다 정확한 효율을 측정하기 위해서 1시간동안 연속적으로 전력량과 수 산소 혼합가스의 유량을 측정하여 반복 평균값을 이용 하였다.
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