[논문]열선에 의한 파이프라인내의 수소/공기 혼합기의 착화온도

김동준

doi:10.7731/kifse.2014.28.4.008

열선에 의한 파이프라인내의 수소/공기 혼합기의 착화온도
Ignition Temperature of Hydrogen/Air Mixture by Hot Wire in Pipeline 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.28 no.4, 2014년, pp.8 - 13

김동준 (경일대학교 소방방재학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 수소 네트워크 설비의 안전성 확보를 위한 기초연구로 파이프라인 내부에서의 수소/공기혼합기의 착화온도를 조사하였다. 착화원으로는 순간적으로 고온이 된 후 일정한 온도를 유지하는 열선을 사용하였다. 수소농도와 열선의 온도를 변화시키며 실험한 결과, 수소농도의 감소에 따라 최저착화온도도 감소하는 경향이 확인되었다. 착화를 위한 열선의 최저온도는 수소 농도 10 vol.%에서 가장 낮음이 확인되었다. 이러한 경향은 열선주변의 부력에 의한 영향이라 생각된다. 또한, 혼합기의 습도는 착화온도, 화염온도에 큰 영향을 미치는 않는 것이 확인되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to improve safety for hydrogen network infrastructure, the ignition temperature by hot wire was investigated for different hydrogen compositions in pipelines. The result shows that minimum temperature for ignition decreased with decreasing hydrogen composition. The minimum temperature was confirmed at a hydrogen composition of approximately 10 vol.%. The one of the reasons is supposed that buoyancy force should generate the convection of gas mixture. It was also found that humidity had a little effect on ignition temperature, flame temperature.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 최근 수소 네트워크 구축에 필요한 안전성확보를 위한 기초연구로, 수소 네트워크 구축 시에 사용할 가능성이 있는 파이프의 직경과 같은 직경을 가진 파이프를 대상으로, 만일의 사고로 수소/공기혼합기가 파이프 내부에 형성되었다고 가정하여, 농도 변화에 따른 최저착화 온도의 변화를 실험적으로 조사하였다. 또한 대기중의 공기는 습도를 포함하기 때문에 습도의 영향도 조사하였다.
본 연구에서는 열선 온도의 신뢰성을 높이기 위해 다른 방법으로도 열선 온도를 추정하여 데블체크 하였다. 전압과 전류에 의해 측정된 열선의 저항치를 가지고, 열선의 재료인 니켈의 온도변화에 따른 저항변화를 조사한 문헌치와의 비교를 통해 온도를 추정하였다.
08초까지 기재하였다. 본 연구에서는 일정한 저항치를 나타내는 구간의 평균값을 고온시의 저항값(R_NI.P)으로 정하였다. 또한 착화의 유무는 방전전류치의 변화와 나중에 설명하는 착화전극으로부터 80 mm 떨어진 위치에 있는 열전대에서 측정된 온도변화에 의해 판단하였다.

가설 설정

따라서, 수소농도가 높아짐에 따라 보다 많은 체적의 혼합기가 고온이 되어 부력이 커지며, 점성이 낮아 이동이 쉬워, 결론적으로 상층부로의 이동속도가 빠르게 증가할 것이다. 역으로, 수소농도가 낮아지면 상승속도가 작아질 것이다. Figure 6에 의하면 수소농도가 높아질수록 본 실험결과와 Kumar의 연구결과의 차이가 커지며, 낮은 수소농도에서 본 실험결과와 Kumar의 연구결과와 가깝다.
열선의 저항치는 순간적으로 설정 저항치에 도달한 후 유지되고 있기 때문에(Figure 3 참조), 본 연구에서는 열선의 온도(T_NI)가 불연속적으로 설정온도까지 도달한 한 후 일정온도를 유지한다고 가정하여, 온도보상을 계산하였다⁽¹⁸⁾. 열선의 온도(T_NI)와 열전대의 온도(T)와의 관계는 다음 식 (1)과 같다⁽¹⁹⁾.

제안 방법

Kumar의 연구에서는 부력의 영향을 최소화하기 위해 고온 표면적을 크게 하여 상승기류의 영향을 억제하면서 실험을 수행하였으며, 수치계산에서도 부력을 고려하지 않았다. 그에 비해, 본 실험은 직경 40 mm의 파이프 내부에 직경 0.05 mm인 열선을 수평하게 설치하여 착화하였다. 이로 인해, 공간이 차지하는 면적에 비해 열선이 차지하는 면적은 매우 작다.
때문에 열선의 중심 온도를 직접 측정한 값이 열선 전체의 평균 저항치로 부터 구한 온도보다 높게 나타난다고 생각된다. 따라서, 본 연구에서는 직접 온도를 측정한 결과를 이용하여 Figure 5에서 나타낸 선형근사한 결과(Fitted line)를 가지고 저항치의 변화에 따른 열선의 온도를 계산하였다.
열선의 체적저항율과 온도와는 일정한 관계가 있기 때문에 R_NI는 저항온도계수가 큰 니켈을 열선으로 사용하였으며, R_C의 재료는 온도변화시 저항변화가 거의 없는 콘스탄탄선을 사용하였다. 따라서, 저항 R₁, R₂, R_C의 저항을 제어하여 R_NI의 저항치, 다시말해 열선의 온도를 제어하였다.
본 연구는 최근 수소 네트워크 구축에 필요한 안전성확보를 위한 기초연구로, 수소 네트워크 구축 시에 사용할 가능성이 있는 파이프의 직경과 같은 직경을 가진 파이프를 대상으로, 만일의 사고로 수소/공기혼합기가 파이프 내부에 형성되었다고 가정하여, 농도 변화에 따른 최저착화 온도의 변화를 실험적으로 조사하였다. 또한 대기중의 공기는 습도를 포함하기 때문에 습도의 영향도 조사하였다.
P)으로 정하였다. 또한 착화의 유무는 방전전류치의 변화와 나중에 설명하는 착화전극으로부터 80 mm 떨어진 위치에 있는 열전대에서 측정된 온도변화에 의해 판단하였다.
혼합용기의 내부의 압력은 1기압 보다 높게 충전한 후, 진공상태의 반응기로 유입하는 혼합기의 유량을 조절하여 반응기 내부가 1기압이 되도록 제어하였다. 반응기내부의 농도는 수소농도측정기(Riken keiki, FI-21)를 사용하여, 혼합용기에서의 농도와 동일함을 확인하였다. 습도의 영향을 파악하기 위한 실험에서는 혼합용기에서 일정한 농도로 혼합한 후, 물속에서 버블링하여 상대습도를 높인 후, 반응기에 유입하였다.
본 연구에서는 열선의 온도를 정확히 파악하기 위해 열선 중앙부분의 온도변화를 극세선 열전대(K-type, 소선직경 0.013 mm)를 이용하여 직접 측정하였다. R_C, R₁, R₂에 의해 결정된 설정 저항치를 변화시키며, 열선의 온도를 측정한 결과의 예를 Figure 4(A)에 나타낸다.
%인 혼합기가 착화시, 착화원에서 80 mm 거리에 위치한 열전대에서 측정된 온도변화를 나타낸다. 비교의 편리함을 위해 시간의 기준은 화염도착에 의해 온도가 상승하는 순간을 기준으로 하였다. 수소농도 20 vol.
수소 네트워크를 구성함에 있어, 필수불가결한 안전성 확보를 위한 연구의 첫걸음으로 파이프내의 수소/공기혼합기를 극세선 열선으로 착화하여 착화온도를 농도변화에 따라 조사하였다.
반응기내부의 농도는 수소농도측정기(Riken keiki, FI-21)를 사용하여, 혼합용기에서의 농도와 동일함을 확인하였다. 습도의 영향을 파악하기 위한 실험에서는 혼합용기에서 일정한 농도로 혼합한 후, 물속에서 버블링하여 상대습도를 높인 후, 반응기에 유입하였다.
열전대에서 출력되는 기전력은 보상도선을 통하여 디지털 오실로스코프(GR-7000, Kyence)에 입력하였다. 실험은 재현성의 확인을 위해 각 농도에서 여러차례 반복하여 실험을 실시하였다.
열선주변의 혼합기에 온도분포가 생기게 되어 혼합기가 착화하는 순간에는 부력에 의해 열선 주변 혼합기는 일정한 속도로 상승하고 있음이 생각된다. 열선주변 혼합기의 상승속도를 직접 측정하는 것이 바람직하나 현실적으로 여러 어려움이 있어 아래와 같이 몇가지 방법으로 착화온도에 미치는 부력의 영향을 검토하였다.
본 연구에서는 열선 온도의 신뢰성을 높이기 위해 다른 방법으로도 열선 온도를 추정하여 데블체크 하였다. 전압과 전류에 의해 측정된 열선의 저항치를 가지고, 열선의 재료인 니켈의 온도변화에 따른 저항변화를 조사한 문헌치와의 비교를 통해 온도를 추정하였다. Figure 5에 R_NI.
수소와 건조공기는 각 저장탱크에서 진공상태의 혼합용기에 주입하였다. 혼합용기에서의 각각의 분압은 압력측정기기(MKS Baratron, 222BA)를 사용하여 분압조절을 통해 혼합기의 농도를 제어하였다. 혼합용기의 내부의 압력은 1기압 보다 높게 충전한 후, 진공상태의 반응기로 유입하는 혼합기의 유량을 조절하여 반응기 내부가 1기압이 되도록 제어하였다.
혼합용기에서의 각각의 분압은 압력측정기기(MKS Baratron, 222BA)를 사용하여 분압조절을 통해 혼합기의 농도를 제어하였다. 혼합용기의 내부의 압력은 1기압 보다 높게 충전한 후, 진공상태의 반응기로 유입하는 혼합기의 유량을 조절하여 반응기 내부가 1기압이 되도록 제어하였다. 반응기내부의 농도는 수소농도측정기(Riken keiki, FI-21)를 사용하여, 혼합용기에서의 농도와 동일함을 확인하였다.

대상 데이터

05 mm, 길이 6 mm)은 반응기 우측내부중심에 수평하게 설치하였다. 열선은 순간적으로 설정온도까지 가열되고 가열완료 후에는 일정온도를 유지하는 것이 이상적이므로 본 실험에서는 이와 같은 목적으로 이전 연구⁽¹⁷⁾에 사용한 적이 있는 Figure 2와 같은 온도제어회로를 이용하였다. 그 원리는 다음과 같다.
이 피드백의 효과에 의해 열선의 저항치(R_NI)를 일정하게 유지하는 것이 가능하게 된다. 열선의 체적저항율과 온도와는 일정한 관계가 있기 때문에 R_NI는 저항온도계수가 큰 니켈을 열선으로 사용하였으며, R_C의 재료는 온도변화시 저항변화가 거의 없는 콘스탄탄선을 사용하였다. 따라서, 저항 R₁, R₂, R_C의 저항을 제어하여 R_NI의 저항치, 다시말해 열선의 온도를 제어하였다.
화염 검출을 위한 극세선열전대(K-type, 소선 직경 0.025 mm)를 열선으로부터 80 mm의 거리에, 반응기 내부 면에서부터 3 mm가 돌출되도록 설치하였다. 열전대에서 출력되는 기전력은 보상도선을 통하여 디지털 오실로스코프(GR-7000, Kyence)에 입력하였다.

성능/효과

1. 수소/공기 혼합기가 착화하는 경우의 열선의 온도는 650℃에서 770℃의 분포를 나타내며, 연소범위내의 수소/공기 혼합기의 착화온도는 650℃에서 770℃의 분포를 나타내며, 수소농도의 증가에 따라 착화온도가 높아지는 경향을 가졌다. 최저착화온도를 가지는 특정의 농도를 결정하는 것은 어렵지만, 이론혼합비보다 낮은 수소농도 10 vol.
2. 혼합기의 상대습도의 변화는 착화온도, 화염온도에 미치는 영향이 크지 않음이 확인되었다.
5배가 된다. 따라서, 수소농도가 높아짐에 따라 보다 많은 체적의 혼합기가 고온이 되어 부력이 커지며, 점성이 낮아 이동이 쉬워, 결론적으로 상층부로의 이동속도가 빠르게 증가할 것이다. 역으로, 수소농도가 낮아지면 상승속도가 작아질 것이다.
반응기 내부의 상대습도는 습도온도측정기(Vaisala, HMT337)를 이용하여 측정하여 건조한 혼합기는 상대습도가 0%이고, 상대습도가 높은 혼합기는 90% 이상이 되는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 초기(0~10 ms)의 온도상승을 최소자승오차법으로 선형근사하여 시정수를 구한 결과, 약 15 ms가 되었다. Figure 4(B)에 시정수를 고려하여 온도보상을 한 결과를 나타낸다.
종래의 연구⁽¹¹⁾에서 상대습도가 수소/공기혼합기의 착화에너지에 미치는 영향이 크지 않다고 보고되고 있다. 상대습도의 변화는 착화에너지 뿐만이 아니라, 착화온도에도 크게 영향을 미치지 않음이 확인되었다.
수치계산: 간단한 수치계산을 통해, 부력에 의한 상승속도를 예측한 결과, 정지상태의 공기는 600℃의 고온표면체에 의해 0.3초 내에, 60 cm/s까지 도달하는 것이 확인되었다. 수소는 공기보다 점성이 작기 때문에 수소농도의 증가에 따라 속도는 이보다 커질 것이다.
검정색 막대그래프(■)가 건조한 혼합기를 대상으로 한 실험결과이다. 실험결과, 착화온도는 650℃에서 770℃까지 분포하며, 수소농도의 증가에 따라 착화온도가 높아지는 경향을 나타낸다. 최저착화온도를 가지는 특정의 농도를 결정하는 것은 어렵지만, 수소의 최저 착화온도는 이론혼합비보다 훨씬 낮은 농도인 10 vol.
계산결과에 의하면, 화염온도가 당량비에 의존하는 경향이 있으며, 이론 혼합비보다 높은 경우에는 수증기에 의해 수십도 정도 낮아지는 경향이 있다. 실험결과는 열전대 고유의 시정수에 의한 영향 등으로 계산결과보다 낮은 온도를 나타내고 있지만, CEA 결과와 크게 모순되지 않음을 알 수 있으며, 상대습도가 화염온도에 미치는 영향이 크지 않음을 알 수 있다.
이상의 검토결과, 착화시에 열선 주변에 상당한 속도의 상승기류가 존재하여 그로 인해 Kumar보다 수소농도의 증가에 따라 차이가 증가한다는 생각은 타당하다고 생각된다.

참고문헌 (21)

D. H. Kim, C. H. Jeong and C. H. Han, "Economic Efficiency of Using Existing Pipe Line in Hydrogen Network", Korean Chem. Eng. Res., Vol. 46. No. 3, pp. 598-603 (2008).
K. O'Hashi, M. Hirata and W. C. Leighty, "Proposal for a Northeast Asian Hydrogen Highway: From a Naturalgas- based to a Hydrogen-based Society", 16th world hydrogen energy conference, Lyon (2006).
Wietschel, "The Future of Hydrogen - Opportunities and Challenges", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 615-627 (2009).

상세보기
M. Konda, N. Shah and N. P. Brandon, "Optimal Transition Towards a Large-scale Hydrogen Infrastructure for the Transport Sector: The Case for the Netherlands", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 36, pp. 4619-4635 (2011).

상세보기
G. A. Papadakis, "Major Hazard Pipelines: A Comparative Study of Onshore Transmission Accidents", J. Loss Prevention in the Process Industries, Vol.12, pp. 91-107 (1999).

상세보기
M. H. Alencar and A. T. Almeida, "Assigning Priorities to Actions in a Pipeline Transporting Hydrogen Based on a Multicriteria Decision Model", Vol. 35, pp. 3610-3619 (2010).

상세보기
P. H. C. Lins and A. T. de Almeida, "Multidimensional Risk Analysis of Hydrogen Pipelines", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 37, pp. 13545-13554 (2012).

상세보기
http://hysut.or.jp/business/2011/02/index.html.
A. Daniel and Y. Jo, "The Hazard and Risks of Hydrogen", J. of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 20, No.1, pp. 58-164 (2007).
O. Kwon and G. Faeth, "Flame/Stretch Interactions of Premixed Hydrogen-fueled Flames", Combustion and Flame, Vol. 124, pp. 590-5610 (2001).

상세보기
R. Ono, M. Nifuku, S. Fujiwara, S. Horiguchi and T. Oda, "Minimum Ignition Energy of Hydrogen-air Mixture: Effects of Humidity and Spark Duration", J. of Electrostatics, Vol. 65, pp. 87-93 (2007).

상세보기
T. Mogi, D. J. Kim, H. Shiina and S. Horiguchi, "Selfignition and Explosion During Discharge of High-pressure Hydrogen", J. of Loss Prevention, Vol. 21, pp. 199-204 (2008).

상세보기
T. Imamura, T. Mogi and Y. Wada, "Control of the Ignition Possibility of Hydrogen by Electrostatic Discharge at a Ventilation Duct Outlet", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 2815-2823 (2009).

상세보기
D. Srivastava, M. Weinrotter, K. Iskra, A. Ayarwal and E. Wintner, "Characterisation of Laser Ignition in Hydrogenair Mixtures in a Combustion Bomb", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, pp. 2475-2482 (2009).

상세보기
R. K. Kumar, "Ignition of Hydrogen-Oxygen-Diluent Mixtures Adjacent to a Hot, Nonreactive Surface", Combustion and Flame, Vol. 75, pp. 197-215 (1989).

상세보기
D. Kiu and R. MacFarlane, "Laminar Burning Velocities of Hydrogen-air and Hydrogen-air-steam Flames", Combustion and Flame, Vol. 49, pp. 59-71 (1983).

상세보기
H. Kim, H. Enomoto, H. Kato, M. Tsue and M. Kono, "The Effect of Catalytic Reaction on Hot Surface Ignition", Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers, Vol. 63, pp. 2539-2544 (1997) (in Japanese).

상세보기
D. J. Kim, "Measurements on the Propagation Characteristics of the Hydrogen Flame by Ultra Fine Thermocouple", Journal of Korean Institute of Gas, Vol. 14, No. 3, pp. 8-13 (2010).
H. H. Potter and H. H. Wills, "The Electrical Resistance of Ferromagnetics", Proc. Phys. Soc., Vol. 49, pp. 671-678 (1937).
A. Gaydon and H. Wolfhard, "Flames - Their Structure, Radiation and Temperature", 4th Edition, Chapmanand Hall, p. 320 (1979).
http://cearun.grc.nasa.gov, (accessed : 31 - Semptember - 2012) (online).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증