수소는 온실가스 배출을 저감하기 위한 미래 에너지로 고려되고 있지만, 폭발위험에 대한 문제점을 지니고 있다. 따라서 수소가 미래 에너지로 사용되기 위해서는 폭발위험에 대한 연구가 충분히 이루어져야 한다. 폭발위험은 폭발충격에 대한 이해 즉, 폭발과정에서 압력 상승속도에 대한 분석과 밀접한 관계가 있다. 본 연구에서는 폭발에 영향을 미치는 변수, 즉 연소 전후의 비열비, 화학평형상태에서 최대폭발압력, 그리고 연소속도, 이들 변수가 압력 상승속도에 미치는 영향을 살펴보았다. 화학평형상태에서 최대폭발압력과 연소속도는 압력 상승곡선에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, 미연소 가스의 비열비는 초기압력 상승속도보다 최종압력 상승속도에 더욱 영향을 미치고, 연소가스의 비열비는 반대로 초기압력 상승속도에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 연소속도는 실험 데이터로부터 구하였으며 밀폐공간에서 수소가스 폭발에서는 폭연에서 폭굉으로 전이가 일어나기에는 연소속도가 매우 느림을 알 수 있었다.
수소는 온실가스 배출을 저감하기 위한 미래 에너지로 고려되고 있지만, 폭발위험에 대한 문제점을 지니고 있다. 따라서 수소가 미래 에너지로 사용되기 위해서는 폭발위험에 대한 연구가 충분히 이루어져야 한다. 폭발위험은 폭발충격에 대한 이해 즉, 폭발과정에서 압력 상승속도에 대한 분석과 밀접한 관계가 있다. 본 연구에서는 폭발에 영향을 미치는 변수, 즉 연소 전후의 비열비, 화학평형상태에서 최대폭발압력, 그리고 연소속도, 이들 변수가 압력 상승속도에 미치는 영향을 살펴보았다. 화학평형상태에서 최대폭발압력과 연소속도는 압력 상승곡선에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었고, 미연소 가스의 비열비는 초기압력 상승속도보다 최종압력 상승속도에 더욱 영향을 미치고, 연소가스의 비열비는 반대로 초기압력 상승속도에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 연소속도는 실험 데이터로부터 구하였으며 밀폐공간에서 수소가스 폭발에서는 폭연에서 폭굉으로 전이가 일어나기에는 연소속도가 매우 느림을 알 수 있었다.
Hydrogen is considered to be the most important future energy carrier in many applications reducing significantly greenhouse gas emissions, but the explosion safety issues associated with hydrogen applications need to be investigated and fully understood to be applicable as the carrier. The risk ass...
Hydrogen is considered to be the most important future energy carrier in many applications reducing significantly greenhouse gas emissions, but the explosion safety issues associated with hydrogen applications need to be investigated and fully understood to be applicable as the carrier. The risk associated with a explosion depends on an understanding of the impacts of the explosion, particularly the pressure-time history during the explosion. This work provides the effects of explosion parameters, such as specific heat ratio of burned and unburned gas, equilibrium maximum explosion pressure, and burning velocity, on the pressure-time history with flame growth model. The pressure-time history is dominantly depending on the burning velocity and equilibrium maximum explosion pressure of hydrogen-air mixture. The pressure rise rate increase with the burning velocity and equilibrium maximum explosion pressure. The specific heat ratio of unburned gas has more effect on the final explosion pressure increase rate than initial explosion pressure increase rate. However, the specific heat ratio of burned gas has more influence on initial explosion pressure increase rate. The flame speeds are obtained by fitting the experimental data sets. The flame speeds for hydrogen in air based on our experimental data is very low, making a transition from deflagration to detonation in a confined space unlikely under these conditions.
Hydrogen is considered to be the most important future energy carrier in many applications reducing significantly greenhouse gas emissions, but the explosion safety issues associated with hydrogen applications need to be investigated and fully understood to be applicable as the carrier. The risk associated with a explosion depends on an understanding of the impacts of the explosion, particularly the pressure-time history during the explosion. This work provides the effects of explosion parameters, such as specific heat ratio of burned and unburned gas, equilibrium maximum explosion pressure, and burning velocity, on the pressure-time history with flame growth model. The pressure-time history is dominantly depending on the burning velocity and equilibrium maximum explosion pressure of hydrogen-air mixture. The pressure rise rate increase with the burning velocity and equilibrium maximum explosion pressure. The specific heat ratio of unburned gas has more effect on the final explosion pressure increase rate than initial explosion pressure increase rate. However, the specific heat ratio of burned gas has more influence on initial explosion pressure increase rate. The flame speeds are obtained by fitting the experimental data sets. The flame speeds for hydrogen in air based on our experimental data is very low, making a transition from deflagration to detonation in a confined space unlikely under these conditions.
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문제 정의
본 논문에서는 액화수소의 안전을 검토함에 있어서 누출된 액화가스가 증발하여 가스운을 형성하고, 가스운이 형성된 다음 반 밀폐공간에서 폭발위험성과 안전설계의 기초자료를 확보하기 위하여 수소와 공기의 혼합가스에 대한 폭발에 따른 압력 상승과정에 중점을 두었다. 따라서 이론적으로 밀폐공간에서 폭발압력 축적과정과 폭발특성을 결정지을 수 있는 열역학적 변수들을 살펴보고, 실험을 통하여 폭발해 석에서 중요한 특성인 화염속도를 살펴보고자 한다.
본 논문에서는 액화수소의 안전을 검토함에 있어서 누출된 액화가스가 증발하여 가스운을 형성하고, 가스운이 형성된 다음 반 밀폐공간에서 폭발위험성과 안전설계의 기초자료를 확보하기 위하여 수소와 공기의 혼합가스에 대한 폭발에 따른 압력 상승과정에 중점을 두었다. 따라서 이론적으로 밀폐공간에서 폭발압력 축적과정과 폭발특성을 결정지을 수 있는 열역학적 변수들을 살펴보고, 실험을 통하여 폭발해 석에서 중요한 특성인 화염속도를 살펴보고자 한다.
수소가스는 폭발범위가 넓고, 폭발 화염 전파속 도가 매우 빠른 가연성 가스로, 제조, 수송, 저장시 누출, 확산, 점화 및 폭발 등의 위험성을 갖고 있으 므로, 이를 에너지 매개체로 효율적으로 이용하고, 실용화하기 위해서는 수소가스의 물리화학적 폭발 특성을 이해하는 것은 무엇보다 중요하다. 본 연구 에서는 폭발특성에 열역학적인 변수들이 어떻게 영향을 미치는지 살펴보았다. 폭발에 영향을 미치는 열역학 변수는 연소 전후의 비열비 그리고 화학평형 상태에서 최대폭발압력이고, 연소특성 변수로는 화염전파 속도가 있다.
제안 방법
1과 같은 20리터 구형 폭발 반응기 에서 수소-공기 혼합가스의 폭발실험을 실시하였다. 모든 실험은 상온․상압에서 수행하였으며, 반응기 내부의 연소생성물을 제거하기 위하여 고순도 질소로 여러 번 진공․가압 퍼지 한 다음 고순도 산소및 고 순도 수소 가스를 반응기에 주입하여 원하는 조성을 맞추었다. 폭발 반응기에 혼합가스의 농도는 주입 가스의 분압을 고정밀도를 갖는 압력측정기 (정밀도 : 0.
본 실험은 Fig. 1과 같은 20리터 구형 폭발 반응기 에서 수소-공기 혼합가스의 폭발실험을 실시하였다. 모든 실험은 상온․상압에서 수행하였으며, 반응기 내부의 연소생성물을 제거하기 위하여 고순도 질소로 여러 번 진공․가압 퍼지 한 다음 고순도 산소및 고 순도 수소 가스를 반응기에 주입하여 원하는 조성을 맞추었다.
점화 후 초당 1,000회에서 50,000회까지 속도로 압력변화를 실험조건에 따라서 변화시키며 측정하여 컴퓨터에 저장하였고, 화염의 형상을 눈으로 관찰할 수 있도록 사이드 창을 만들었다. 수소가스 용기와 산소가스 용기로 상호 역류하는 것을 방지하기 위하여 역류방지 밸브를 각각 부착하였으며, 또한 폭발사고를 예방하기 위하여 폭발 반응기에 파열판과 안전변을 부착하였다. 폭발반응 실험 후에는 폭발반응기의 압력을 0.
폭발 반응기 중간에 위치 하는 길이 10mm의 퓨즈와이어에 약 10J의 전기에 너지를 순간적으로 공급하여 순간적으로 퓨즈를 승화시켜 가연성 혼합가스에 점화하였다. 점화 후 초당 1,000회에서 50,000회까지 속도로 압력변화를 실험조건에 따라서 변화시키며 측정하여 컴퓨터에 저장하였고, 화염의 형상을 눈으로 관찰할 수 있도록 사이드 창을 만들었다. 수소가스 용기와 산소가스 용기로 상호 역류하는 것을 방지하기 위하여 역류방지 밸브를 각각 부착하였으며, 또한 폭발사고를 예방하기 위하여 폭발 반응기에 파열판과 안전변을 부착하였다.
모든 실험은 상온․상압에서 수행하였으며, 반응기 내부의 연소생성물을 제거하기 위하여 고순도 질소로 여러 번 진공․가압 퍼지 한 다음 고순도 산소및 고 순도 수소 가스를 반응기에 주입하여 원하는 조성을 맞추었다. 폭발 반응기에 혼합가스의 농도는 주입 가스의 분압을 고정밀도를 갖는 압력측정기 (정밀도 : 0.005 psia)를 이용한 피드백 제어를 통하여 혼합가스의 농도오차를 0.1% 이하로 제어할 수있도록 하였고, 혼합가스의 조성을 미국 GTI에 분석을 의뢰하여 검정하였다. 폭발 반응기 중간에 위치 하는 길이 10mm의 퓨즈와이어에 약 10J의 전기에 너지를 순간적으로 공급하여 순간적으로 퓨즈를 승화시켜 가연성 혼합가스에 점화하였다.
수소가스 용기와 산소가스 용기로 상호 역류하는 것을 방지하기 위하여 역류방지 밸브를 각각 부착하였으며, 또한 폭발사고를 예방하기 위하여 폭발 반응기에 파열판과 안전변을 부착하였다. 폭발반응 실험 후에는 폭발반응기의 압력을 0.3 psia이하로 진공을 만든 다음 일정한 시간 동안 반응기에서 누설 가능성을 점검한 후에 다음 실험을 실시하였다.
화염전파 속도는 실험 데이터와 화염성장 모델로 부터 구하였다. 화염전파 속도는 화학 당량비인 29.
성능/효과
화학평형상태에서 최대폭발압력과 연소속도는 폭발압력 상승곡선에 큰 영향을 미치는 것을 알 수있었다. 미연소 가스의 비열비는 초기압력 상승속도보다 최종압력 상승속도에 더욱 영향을 미치고, 연소가스의 비열비는 반대로 초기압력 상승속도에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
이것은 화염경계면이 폭발 반응기 표면에 도달할 때 전체전인 연소율과 관계된다. 즉, 실제 실험에서는 폭발반응기가 클수록 화염 경계면이 반응기 표면에 도달할 때 연소율이 높은 것을 알 수 있다.
화염전파 속도는 실험 데이터와 화염성장 모델로 부터 구하였다. 화염전파 속도는 화학 당량비인 29.5%의 수소농도에서 최대값을 보이는 것이 아니라 당량비 보다 높은 약 40%의 수소농도에서 400 cm/sec의 최대값을 가지게 됨을 알 수 있었다. 따라서 밀폐공간에서 수소가스폭발에서는 폭연에서 폭굉으로 전이가 일어나기에는 연소속도가 매우 느림을 알 수 있었다.
화학평형상태에서 최대폭발압력과 연소속도는 폭발압력 상승곡선에 큰 영향을 미치는 것을 알 수있었다. 미연소 가스의 비열비는 초기압력 상승속도보다 최종압력 상승속도에 더욱 영향을 미치고, 연소가스의 비열비는 반대로 초기압력 상승속도에 더욱 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
후속연구
따라서 밀폐공간에서 수소가스폭발에서는 폭연에서 폭굉으로 전이가 일어나기에는 연소속도가 매우 느림을 알 수 있었다. 수소 경제 및 우주개발 시대를 볼때 액화수소 취급 및 증발 수소가스의 안전관리를 위하여 본 연구결과가 유용하게 활용될 수 있을 것으로 사료된다.
이들 변수를 이용하여 수소가스 이용 시스템을 보수적으로 설계할 수 있으며, 경우에 따라서는 연소속도는 매우 빠르기 때문에 폭연지수에 근거하여 폭발피해 완화를 위한 안전밸브 설계가 불가능할 수 있다. 지금까지 문헌에 보고되고 있는 수소가 스의 폭연지수는 편차가 크므로 방출구 설계할 때오류를 범할 수 있으므로 이에 대한 연구검토가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수소가스의 안전성을 살펴볼 때 수소물성에 의한 고유한 특성 뿐 만 아니라 수소이용 시스템 적인 측면에서 검토하여야 하는 이유는 무엇인가?
수소는 물성적인 측면에서 타 연료 즉 천연가스 또는 휘발유에 비하여 폭발범위가 넓고, 점화에너지가 매우 낮기 때문에 상대적으로 위험한 물질로 볼수 있다[1]. 그러나 시스템적인 측면에서는 수소가 스의 특성인 가볍고, 확산속도가 빠른 점을 이용하여 위험을 잘 제어하는 경우에는 기존의 에너지 이용시스템 보다 경제적이고, 안전할 수 있을 것이다.
수소를 상대적으로 위험한 물질로 보는 이유는 무엇인가?
수소는 물성적인 측면에서 타 연료 즉 천연가스 또는 휘발유에 비하여 폭발범위가 넓고, 점화에너지가 매우 낮기 때문에 상대적으로 위험한 물질로 볼수 있다[1]. 그러나 시스템적인 측면에서는 수소가 스의 특성인 가볍고, 확산속도가 빠른 점을 이용하여 위험을 잘 제어하는 경우에는 기존의 에너지 이용시스템 보다 경제적이고, 안전할 수 있을 것이다.
폭연지수는 어떤 요소에 영향을 받는가?
위 식에서 볼 수 있듯이 폭연지수는 연소가스 및미연소가스의 비열비, 화학평형상태의 폭발압력, 초기압력, 그리고 혼합가스의 연소속도에 영향을 받게된다. 일반적으로 혼합가스의 경우 가스의 종류에 따라 크게 변하는 변수는 연소속도이다.
참고문헌 (5)
Crowl, D. A., and Jo, Y-D., "The hazards and risk of hydrogen" Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 20, 158-164, (2007)
Kenneth L., Cashdollar, I. A., Zlochower, G.M. Green, R.A. and Thomas, M.H., "Flammability of methane, propane, and hydrogen gases", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 13, 327-340, (2000)
Metghalchi, M. and Keck J. I., "Laminar burning velocity of propane-air mixtures at high temperature and pressure.", Combustion and Flame. 38, 143-154, (1980)
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