[논문]연성해석을 이용한 CNG 차량 압력 용기용 밸브의 안전성 평가

이효렬; 안중환; 김복만; 김화영

doi:10.7735/ksmte.2014.23.2.103

연성해석을 이용한 CNG 차량 압력 용기용 밸브의 안전성 평가
Safety Evaluation of a Cylinder Valve for Compressed Natural Gas Vehicle Pressure Vessels using Fluid-structure Interaction Analysis 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.23 no.2, 2014년, pp.103 - 108

이효렬 (Intelligent Control and Automation in the School of Mechanical Engineering, Pusan National University) , 안중환 (School of Mechanical Engineering, Pusan National University and ERC) , 김복만 (YOUNGDO INC. Co., Ltd.) , 김화영 (Research Institute of Mechanical Technology, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Growing concerns about environmental pollution have led to an increase in the demand for compressed natural gas (CNG) vehicles in recent years. CNG vehicles are equipped with a cylinder valve installed in a high-pressure vessel to control the CNG flow. The cylinder valve must meet high quality safety standards because the pressure vessel stores high-pressure CNG. Therefore, safety evaluation of the cylinder valve is necessary to ensure the safety of CNG vehicles. In this study, fluid-structure interaction analysis for the structural integrity of the cylinder valve were conducted using a commercial finite element analysis code(ANSYS WORKBENCH V14). The CFD analysis was performed using a steady-state technique according to the inlet and outlet pressures in order to predict the pressure distribution. Structural analysis was performed by a static structure technique at the maximum working pressure to evaluate the structural integrity of the cylinder valve. From the results, the safety factor of the valve component is between 1.57 and 21.5.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 솔레노이드를 추가함에 있어서 유로가 복잡해지고 부품수가 많아져 고압에서의 안전성 검토가 요구된다. 따라서 본 논문에서는 용기용 밸브의 유동 - 구조 연성 해석을 통해 용기용 밸브가 구조적으로 안전한지 검증하였다.
본 논문에서 유동 - 구조 연성해석을 이용해 압축 천연가스 차량의 연료 저장용기에 부착되는 용기용 밸브의 안전성을 검증 하기 위해 ECE R110 시험 규격에 의거하여 동작 이상의 고압인 39 MPa를 수압 장치를 이용하여 가압하고 밸브 외형의 파단, 깨짐, 변형이 없는지 육안으로 검사를 진행하였다. 이때 밸브에서 파열식 압력해제 장치는 제거하고 3개의 시제품을 제작하여테스트하였다.
본 논문에서는 유동 - 구조 연성해석을 이용해 압축 천연가스 차량의 연료 저장용기에 부착되는 용기용 밸브의 안전성을 검토하였다. 먼저 유동해석에서는 용기용 밸브 최대 사용 압력인 26 MPa에서 용기용 밸브 유동장 내부의 압력 분포를 구하였다.

가설 설정

구조해석에 소요되는 시간과 자원을 고려하여 용기용 밸브 구성품 중 압축 천연 가스의 압력을 받지 않는 솔레노이드 코일을 포함하는 몸체 부분과 핸드 휠 일부를 제거하여 구조해석용 밸브를 모델링하였다. 구조 해석에서는 부품간의 접촉조건을 설정하는 것이 중요하며 나사로 체결되는 부분을 bonded 조건을 설정하였고, 핸드 휠, 솔레노이드, 과류차단장치와 같이 밸브 내부에서 구동하는 부품의 경우 Frictional 조건을 설정하였고 마찰 계수는 0.2로 가정하였다. 그리고 용기용 밸브가 압력 용기에 체결되는 부분을 Fixed 으로 두고 용기용 밸브의 유동해석에서 도출한 압력 분포 데이터를 입력하여 구속 조건을 설정하고 구조해석을 진행하였으며 이를 Fig.
9 MPa로 설정하였다. 그리고 천연가스에 대한 온도 조건은 입구에서 20℃로 가정하였으며, 모든 벽에 단열조건과 No-slip 조건을 적용하였다. 난류 모델로는 표준 k-ɛ 모델을 사용하고 표준 벽 함수(Standard wall function)를 적용하였고 해석조건과 해석 결과를 Table 1, Fig.

제안 방법

ECE R110 규격에 따라 핸드 휠, 솔레노이드, 과류차단장치(Excess Flow Limiting Device), 가용전식 압력 해제 장치(Fusible Metal Type Pressure Relief Device 이하 F-PRD), 파열판식 압력 해제 장치(Rupture Disk Type Pressure Relief Device 이하 R-PRD), 밸브 몸체로 구성되는 용기용 밸브를 설계하고 이를 Fig. 1에 나타내었다. 핸드 휠은 수동으로, 솔레노이드는 전자식으로 유로를 개 폐하며 둘 중 어느 하나라도 닫혀있으면 엔진으로 연료공급이 차단된다.
구조해석에 소요되는 시간과 자원을 고려하여 용기용 밸브 구성품 중 압축 천연 가스의 압력을 받지 않는 솔레노이드 코일을 포함하는 몸체 부분과 핸드 휠 일부를 제거하여 구조해석용 밸브를 모델링하였다. 구조 해석에서는 부품간의 접촉조건을 설정하는 것이 중요하며 나사로 체결되는 부분을 bonded 조건을 설정하였고, 핸드 휠, 솔레노이드, 과류차단장치와 같이 밸브 내부에서 구동하는 부품의 경우 Frictional 조건을 설정하였고 마찰 계수는 0.
2로 가정하였다. 그리고 용기용 밸브가 압력 용기에 체결되는 부분을 Fixed 으로 두고 용기용 밸브의 유동해석에서 도출한 압력 분포 데이터를 입력하여 구속 조건을 설정하고 구조해석을 진행하였으며 이를 Fig. 3에 나타내었다. Table 2는 해석에 사용된 밸브 구성품의 재질과 물성치를 나타낸 것이다.
그리고 파열식 압력해제장치의 작동을 확인을 위해 Fig. 17과 같이 장치를 구성하고 압력을 점점 증가시키면서 파열식 압력해제 장치가 동작하는 압력을 테스트하였다. 총 2개의 시제품을 제작하여 테스트하였으며 파열압력은 각각 35.
따라서 유동해석에서는 용기용 밸브 구성품의 안전성을 검토하기 위해 밸브 입구 압력을 26 MPa로 설정하였고 출구 압력은 유동장 내부에서 유동이 발생하도록 입구 압력보다 0.1 MPa작은 25.9 MPa로 설정하였다. 그리고 천연가스에 대한 온도 조건은 입구에서 20℃로 가정하였으며, 모든 벽에 단열조건과 No-slip 조건을 적용하였다.
본 논문에서는 유동 - 구조 연성해석을 이용해 압축 천연가스 차량의 연료 저장용기에 부착되는 용기용 밸브의 안전성을 검토하였다. 먼저 유동해석에서는 용기용 밸브 최대 사용 압력인 26 MPa에서 용기용 밸브 유동장 내부의 압력 분포를 구하였다. 구조해석에서는 유동해석에서 구해진 압력 분포값을 이용하여 용기용 밸브의 구성품의 응력값을 구하였으며 안전율의 최소값은 1.
본 논문에서 유동 - 구조 연성해석을 이용해 압축 천연가스 차량의 연료 저장용기에 부착되는 용기용 밸브의 안전성을 검증 하기 위해 ECE R110 시험 규격에 의거하여 동작 이상의 고압인 39 MPa를 수압 장치를 이용하여 가압하고 밸브 외형의 파단, 깨짐, 변형이 없는지 육안으로 검사를 진행하였다. 이때 밸브에서 파열식 압력해제 장치는 제거하고 3개의 시제품을 제작하여테스트하였다. 실험 구성을 Fig.
이를 검증하기 위해 과압 테스트와 파열식 압력해제장치의 파열압 측정 실험을 실시하였다. 밸브의 과압 테스트 후 육안으로 검사 하였을 때 밸브의 변형이나 파단이 발생하지 않았으며 이는 구조해석의 압력조건 보다 가혹한 조건에서 실험한 결과로 안전성을 확인할 수 있었다.
파열식 압력해제 장치는 ECE R110 규격에 의하면 34 MPa +10% 범위에서 파열이 발생해야한다고 규정하고 있다. 파열판의 파열특성을 알아보기 위해 Fig. 12에서 압력의 영향을 받는 파열판 (Rupture disk), 와셔(R-PRD washer), 패킹(R-PRD Packing)을 따로 분리하여 해석을 진행하였다. 해석 시간을 단축하기 위해 symmetry 조건을 주어 1/4 모델을 생성하였으며, 밸브 몸체와 접촉하는 패킹 면과 파열식 압력 해제 장치 몸체와 접촉하는 와셔면을 고정으로 두었고, 파열식 압력 해제 장치열판에 0∼33 MPa 압력을 단계적으로 인가하여 파열이 발생하는지 확인하였으며 이를 Fig 13에 나타내었다.
해석 시간을 단축하기 위해 symmetry 조건을 주어 1/4 모델을 생성하였으며, 밸브 몸체와 접촉하는 패킹 면과 파열식 압력 해제 장치 몸체와 접촉하는 와셔면을 고정으로 두었고, 파열식 압력 해제 장치열판에 0∼33 MPa 압력을 단계적으로 인가하여 파열이 발생하는지 확인하였으며 이를 Fig 13에 나타내었다.

대상 데이터

Table 2는 해석에 사용된 밸브 구성품의 재질과 물성치를 나타낸 것이다. 구조해석에 사용된 해석 격자는 밸브의 형상이 복잡하여 비정렬 격자(Tetra)를 사용하였으며 격자수는 1,916,870개, 노드수는 2,790,678개이다.
해석에 사용된 격자는 비정렬 격자(Tetra)와 정렬 격자(Hexa)를 혼합하여 생성하였고, 생성된 격자 수는 415,015개, 노드 수는 340,650개 이고 수렴 조건으로는 잔류항이 10^-5 이하가 될 때까지 반복계산을 수행하였다.

이론/모형

그리고 천연가스에 대한 온도 조건은 입구에서 20℃로 가정하였으며, 모든 벽에 단열조건과 No-slip 조건을 적용하였다. 난류 모델로는 표준 k-ɛ 모델을 사용하고 표준 벽 함수(Standard wall function)를 적용하였고 해석조건과 해석 결과를 Table 1, Fig. 2에 각각 나타내었다^[4].

성능/효과

9는 과류차단 장치와 이를 고정시키는 너트의 해석 결과를 나타낸 것이다. 과류 차단장치와 고정 너트의 재질은 C3604BD이며 각각의 최대 응력값은 106.7 MPa, 144.3 MPa으로 나타났고, 안전율 값은 2.86, 2.11로 나타났다.
먼저 유동해석에서는 용기용 밸브 최대 사용 압력인 26 MPa에서 용기용 밸브 유동장 내부의 압력 분포를 구하였다. 구조해석에서는 유동해석에서 구해진 압력 분포값을 이용하여 용기용 밸브의 구성품의 응력값을 구하였으며 안전율의 최소값은 1.57, 최대값은 21.5로 나타났다. 또한 파열판식 압력 해제 장치의 경우 최대사용 압력 26 MPa에서는 파열이 발생하지 않고 ECE R110 규격의 34 MPa+10% 범위에서 파열이 발생하는 결과를 보였다.
5로 나타났다. 또한 파열판식 압력 해제 장치의 경우 최대사용 압력 26 MPa에서는 파열이 발생하지 않고 ECE R110 규격의 34 MPa+10% 범위에서 파열이 발생하는 결과를 보였다.
이를 검증하기 위해 과압 테스트와 파열식 압력해제장치의 파열압 측정 실험을 실시하였다. 밸브의 과압 테스트 후 육안으로 검사 하였을 때 밸브의 변형이나 파단이 발생하지 않았으며 이는 구조해석의 압력조건 보다 가혹한 조건에서 실험한 결과로 안전성을 확인할 수 있었다. 다만 해석 결과에서의 안전율 값이 다소 낮게 측정된 것은 밸브 형상 중 응력 집중이 발생하는 부분에서의 등가응력 최대값을 기준으로 안전율을 계산하는 방법에서 비롯된것이라 생각된다.
핸드 휠은 수동에 의한 회전을 전달하는 스핀들과 스핀들을 밸브 몸체에 고정시키는 스핀들 너트, 밸브 몸체에 가공된 나사산에 의해 스핀들의 회전 운동을 직선운동으로 변환시키는 Stem, 누설 방지를 위한 Stem disk로 구성되어 있다. 스핀들의 최대 응력 값은 36.7 MPa 안전율은 8.31, 스핀들 너트의 최대 응력 값은 10.0 MPa 안전율은 21.5, stem의 최대 응력 값은 138.1 MPa 안전율은 2.21로 나타났다.
Fig 14, 15는 인가 압력에 따른 파열판의 최대 응력 값 그래프와 33 MPa에서 등가응력 분포를 나타낸 것이다. 인가 압력이 26 MPa일 때 최대 응력값은 495.8 MPa로 파열이 발생하지않으나 33 MPa 일 때 최대 응력 값은 571.3 MPa로 극한 응력 값 550 MPa보다 높아 파열이 발생함을 확인할 수 있다.
17과 같이 장치를 구성하고 압력을 점점 증가시키면서 파열식 압력해제 장치가 동작하는 압력을 테스트하였다. 총 2개의 시제품을 제작하여 테스트하였으며 파열압력은 각각 35.1 MPa, 34.8 MPa에서 파열이 발생함을 확인하였다.
또한 솔레노이드가 off 되었을 때 연료의 누설을 방지하기 위한 실링 부품(Sol seal)과 이를 고정하기위한 부품(Sol seat)으로 구성되어 있다. 해석결과 플런저 A의 최대 응력 값은 141.9 MPa 안전율은 2.15, 플런저 B의 최대응력값은 183.1 MPa 안전율은 1.69, Sol guide의 최대 응력값은 179.2 MPa 안전율은 1.73, Sol seat의 최대 응력값은 175.0 MPa 안전율은 1.74로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	천연 가스 차량의 실용화를 위해 해결되어야 할 과제는 무엇인가	특히 천연가스는 석유, 석탄에 비하여 연소 시 발생하는 이산화탄소 및 아황산가스 등과 같은 공해물질의 발생량이 적어 운송수단의 연료로 사용되는 비율이 증가하고 있는 추세이다. 천연 가스 차량의 실용화에 있어 해결되어야할 과제는 연료의 저장과 공급에 관한 기술이다. 천연가스는 -162℃ 이하의 온도에서 액화되므로 현재 사용되고 있는 천연 가스 차량의 경우 20 MPa 정도의 고압으로 연료를 저장하여 운행하고 있다.
	천연가스가 운송수단의 연료로 사용되는 비율이 증가하는 이유는 무엇인가?	특히 천연가스는 석유, 석탄에 비하여 연소 시 발생하는 이산화탄소 및 아황산가스 등과 같은 공해물질의 발생량이 적어 운송수단의 연료로 사용되는 비율이 증가하고 있는 추세이다. 천연 가스 차량의 실용화에 있어 해결되어야할 과제는 연료의 저장과 공급에 관한 기술이다.
	용기용 밸브에서 과류차단장치가 장착되는 이유는 무엇인가	핸드 휠은 수동으로, 솔레노이드는 전자식으로 유로를 개 폐하며 둘 중 어느 하나라도 닫혀있으면 엔진으로 연료공급이 차단된다. 과류차단장치는 고압가스 배관의 파열로 인해 연료가 한꺼번에 방출되어 발생하는 사고를 방지하기위해 장착된다. 가용전식 압력 해제 장치는 납 합금 등의 가용 합금이 내장되어 있으며 압축 천연가스 용기가 화재에 노출되어 설정온도(110℃±10)에 이르면 가용 합금이 녹아 용기 내부의 연료를 외부로 배출하는 역할을 한다.

참고문헌 (5)

Yeo, M. K., Park, T. J., Song, M. G., Kang, B. R., 2006, Flow Analysis of Check Valve for CNG Vehicle Fuel Supply Line, 2006 Proceedings of the KSME Spring Annual Meeting 159-164.
United Nations Economic Commission for Europe, 2009, CNG Equipment-Part 1: Approval of specific components of motor vehicles using compressed natural gas (CNG) in their propulsion system, Part 2: Vehicles with regard to the installation of specific components of an approved type for the use of compressed natural gas (CNG) in their propulsion system Regulation, 110:2, United Nations.
Kim, Y. S., Kim, L. H., Lee, J. H., 2009, A Study on Performance of Pressure Relief Devices of CNG Cylinder Valves, Journal of the Korean Institute of Gas 13:4 33-39.
Park, K. T., Hwang, Y. G., Kang, B. R., 2007, Analysis of Thermal and Flow Characteristics of Regulator for CNG Vehicle, 2007 Proceedings of the KSPE Autumn Annual Meeting 383-384.
Matweb, LLC. n.d., viewed by 29 January 2014, Material Property Data .

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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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