[논문]전산유체해석을 이용한 열교환형 수증기 개질기의 디자인 파라미터 연구

양찬욱; 이율호; 박상현; 양충모; 박성진

doi:10.7316/khnes.2016.27.1.001

전산유체해석을 이용한 열교환형 수증기 개질기의 디자인 파라미터 연구
Study on the Design Parameters of a Heat Exchange Steam Reformer (HESR) using CFD 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.27 no.1, 2016년, pp.1 - 12

양찬욱 (홍익대학교 기계공학과 동력 및 에너지 기술 연구실) , 이율호 (홍익대학교 기계공학과 동력 및 에너지 기술 연구실) , 박상현 (포스코 에너지 연료전지 연구소) , 양충모 (포스코 에너지 연료전지 연구소) , 박성진 (홍익대학교 기계공학과 동력 및 에너지 기술 연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, CFD model for a Heat Exchange Steam Reformer (HESR) used for a 10kW SOFC system is developed for the design optimization of the HESR. The model is used to explore the effect of design parameters on the performance of the HESR. In the HESR, heat is delivered from the hot gas channel to the fuel channel to supply the heat required for the fuel reforming. In the fuel channel where the fuel is reformed, thermo-fluid dynamics, heat transfer, and chemical reaction are considered to predict the performance of the reformer. The model is validated with experimental data within 2~3% error. The validated model is used for the parametric study of the HESR design. Channel length, channel diameter, and flow direction are selected as the design parameters. The effects of the HESR design parameters on the outlet temperature, outlet H2 mole fraction, and pressure drop across the reformer are presented using the model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

하지만 벽면 온도를 일정온도로 가정해 실제 개질기 내 온도 변화에 의한 영향을 반영하지 못하는 한계를 가지고 있다^6-7). 따라서 본 논문에서는 전산유체해석을 통하여 고온 가스와 연료와의 열교환에 의한 채널 벽면 온도변화의 영향을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 이 모델은 시험 결과를 통하여 검증을 하였고, 이 모델을 통하여 개질기의 지름, 길이, 그리고 유동 방향의 변화에 따른 성능 변화를 예측하였다.
본 논문에서는 10kW 급 SOFC 시스템에 사용되는 열교환형 개질기 모델을 개발하였다. 실제 열교환형 개질기는 Fig.
모듈화된 개질기에 대한 연구가 많이 이루어져 있지만,³⁾ 고온의 기체를 열원으로 한 열교환형 개질기에 대한 연구는 많이 이루어져 있지 않다. 본 논문에서는 10kW급 고체 산화물 연료전지(SOFC) 시스템에서 사용되는 열교환형 수증기 개질기를 다루었다.
본 논문에서는 CFD(COMSOL®) 기반으로 고온의 기체와 개질 연료가 열교환하는 열교환형 수증기 개질기의 특성을 해석을 통해 파악하였다.
형상 변화가 열교환형 수증기 개질기에 미치는 영향을 분석하기 위해서 CFD 모델을 개발하였고, 이에 대한 검증을 진행하였다. 모델 검증을 위해서 온도와 몰분율 실험 데이터를 이용해 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다.

가설 설정

Xu & Froment는 개질 반응에서 일어날 수 있는 11가지 반응식을 제시하였고 그 중에 수증기 개질 반응(Steam Reforming, SR), 수성 가스 전환 반응(Water Gas Shift, WGS), 직접 수증기 개질 반응(Direct Steam Reforming, DSR) 이 3가지의 반응이 결정적인 역할을 한다고 가정하였다.
고온 기체부 모델에서 적용된 지배방정식에 대한 경계 조건은 Table 1에 정리하였다. 고온 개질부 바깥쪽 벽면은 대칭유동이라 가정하여 경계 조건을 단열로 하였다.
2와 같이 개질기 쉘 내부에 관군이 엇갈림 배열되어 있다. 모델에서 관다발 사이의 유동은 대칭적이라 가정하여 고온 기체 유동 단면을 정육각형으로 설정하였다. 하나의 채널만을 모델링 하였을 때 온도결과는 비교적 유사하지만, 압력차는 헤더와 배플에서도 발생하기 때문에 이에 대해서 연구가 필요하다.
본 연구에서는 고온 기체 채널의 유동이 균일하다고 가정하였고, 연료 채널은 연료가 튜브에 유입될때 균일하다고 가정하여 하나의 채널만을 모델링 하였다. 그리고 튜브 벽 두께를 무시하여 형상을 모델링 하였다.
연료 개질부에 대한 지배방정식은 질량보존 방정식, Darcy의 법칙, 에너지 평형 방정식, 그리고 종 보존 방정식으로 구성되어 있다. 속도와 압력은 Darcy 의 법칙과 질량보존 방정식을 통해서 구할 수 있고, 기체는 모두 이상기체로 가정하였다. Darcy의 법칙과 질량보존 방정식은 다음과 같다.
연료 개질부는 튜브 내부에 다공성 촉매 매질로 채워져 있고, 이 촉매는 개질 반응을 유도한다. 해석에 이용된 모델에서 연료 개질부는 단일관의 다공성 매질 유동으로 가정하였다. 연료 개질부 모델은 화학 반응, 질량보존, Darcy 법칙, 그리고 에너지 평형 방정식으로 구성된다.

제안 방법

모델 검증을 위해서 온도와 몰분율 실험 데이터를 이용해 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다. 검증된 모델을 이용하여 설계 인자의 영향을 살펴보았고, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 고온 기체 채널의 유동이 균일하다고 가정하였고, 연료 채널은 연료가 튜브에 유입될때 균일하다고 가정하여 하나의 채널만을 모델링 하였다. 그리고 튜브 벽 두께를 무시하여 형상을 모델링 하였다. Fig.
유동배열을 대향류 유동에서 평형 유동으로 바꾸기 위해 고온 기체부의 입구와 출구의 경계조건을 뒤바꿔 해석하였다. 설계 인자에 따른 성능의 변화를 알기 위해서 연료 개질부의 출구 H₂몰분율의 변화를 비교하였다. H₂몰분율은 H₂, H₂O, CH₄, CO, CO₂로 구성된 연료에 대한 몰분율이다.
열교환형 수증기 개질기의 설계 인자에 따른 성능 변화에 미치는 영향을 파악하기 위해 연료개질부의 튜브 길이, 튜브 지름 그리고 유동배열을 변화시켰다. 고온 기체부와 연료 개질부의 입구조건과 유동방향은 Table 4의 Case 3을 기준으로 하였다.
4 mm이다. 유동배열을 대향류 유동에서 평형 유동으로 바꾸기 위해 고온 기체부의 입구와 출구의 경계조건을 뒤바꿔 해석하였다. 설계 인자에 따른 성능의 변화를 알기 위해서 연료 개질부의 출구 H₂몰분율의 변화를 비교하였다.
따라서 본 논문에서는 전산유체해석을 통하여 고온 가스와 연료와의 열교환에 의한 채널 벽면 온도변화의 영향을 예측할 수 있는 모델을 개발하였다. 이 모델은 시험 결과를 통하여 검증을 하였고, 이 모델을 통하여 개질기의 지름, 길이, 그리고 유동 방향의 변화에 따른 성능 변화를 예측하였다. 전산유체 모델 개발을 위해 화학반응, 열교환, 유체유동에 대한 다중 물리 해석이 가능한 상용 소프트웨어인 Comsol Multiphysics를 이용하였다.
보통 수증기 개질기는 수증기 개질 반응을 유도하기 위해 연소열을 열원으로 이용한다. 이를 위해 수증기 개질기는 개질기와 버너 또는 개질기와 연소촉매를 모듈화하여 제작한다. 모듈화된 개질기에 대한 연구가 많이 이루어져 있지만,³⁾ 고온의 기체를 열원으로 한 열교환형 개질기에 대한 연구는 많이 이루어져 있지 않다.
튜브 내부 중심 부분의 온도는 튜브 한 개에 대한 데이터인데, 이 튜브는 셸-앤드-튜브 열교환형 개질기의 중심부와 가장 가까운 튜브이다. 한편 동일 형상의 모델을 입구 온도에 따라 4가지 Case로 분류하여 검증하였다. 4가지의 Case는 Table 4에 나타내었다.

대상 데이터

4에 나타내었다. 고온 기체부의 실험데이터는 셸-앤드-튜브 열교환형 개질기 매니폴드의 출구 온도 데이터이다. 연료 개질부의 실험 데이터는 셸-앤드-튜브 열교환형 개질기 매니폴드의 출구 몰분율 데이터와 튜브 내부 중심부분의 온도데이터이다.
5에 나타내었다. 실제 다공성 매질에 들어간 연료는 H₂, H₂O, CH₄, CO, CO₂로 구성되었지만, 실험 데이터가 있는 H₂, CH₄, CO, CO₂로 검증하였다. CO를 제외한 나머지 몰분율의 오차는 10%내외로 전체적으로 비슷한 경향을 나타내었다.
고온 기체부의 실험데이터는 셸-앤드-튜브 열교환형 개질기 매니폴드의 출구 온도 데이터이다. 연료 개질부의 실험 데이터는 셸-앤드-튜브 열교환형 개질기 매니폴드의 출구 몰분율 데이터와 튜브 내부 중심부분의 온도데이터이다. 튜브 내부 중심 부분의 온도는 튜브 한 개에 대한 데이터인데, 이 튜브는 셸-앤드-튜브 열교환형 개질기의 중심부와 가장 가까운 튜브이다.
해석에 사용된 채널의 메쉬의 개수는 122,000개로 설정하였다. 튜브 벽면에 열교환이 일어나 온도가 변화하기 때문에 표면 부분의 메쉬를 조밀하게 설정하였다.

데이터처리

모델 검증을 위해서 온도 실험 데이터와 몰분율 실험 데이터를 이용하였고, 이를 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다. 고온 기체부와 연료 개질부의 시뮬레이션 값은 단면적 평균값으로 나타내었다.
형상 변화가 열교환형 수증기 개질기에 미치는 영향을 분석하기 위해서 CFD 모델을 개발하였고, 이에 대한 검증을 진행하였다. 모델 검증을 위해서 온도와 몰분율 실험 데이터를 이용해 시뮬레이션 결과와 비교하여 검증하였다. 검증된 모델을 이용하여 설계 인자의 영향을 살펴보았고, 그 결과는 다음과 같다.

이론/모형

개질 반응을 해석하기 위하여 Xu & Froment가 제시한 수증기-메탄 반응 매커니즘을 사용하였다8).
기체의 속도와 압력은 질량보존 방정식과 Navier – Stokes 방정식을 통해 구할 수 있다.
해석에 이용된 모델에서 연료 개질부는 단일관의 다공성 매질 유동으로 가정하였다. 연료 개질부 모델은 화학 반응, 질량보존, Darcy 법칙, 그리고 에너지 평형 방정식으로 구성된다.
이 모델은 시험 결과를 통하여 검증을 하였고, 이 모델을 통하여 개질기의 지름, 길이, 그리고 유동 방향의 변화에 따른 성능 변화를 예측하였다. 전산유체 모델 개발을 위해 화학반응, 열교환, 유체유동에 대한 다중 물리 해석이 가능한 상용 소프트웨어인 Comsol Multiphysics를 이용하였다.

성능/효과

1) 튜브 길이를 증가시키면 일정 길이 이상에서는 열교환이 어느 정도 이루어져서 연료 개질부의 출구 온도는 크게 변하지 않고, 출구의 H₂몰분율의 증가도 수렴한다. 그러나 길이가 길어지면 압력강하가 선형적으로 증가하기 때문에 설계시 성능과 압력 강하 사이의 트레이드 온도를 고려해야 한다.
2) 튜브 지름을 증가시킬 때, 연료 개질부의 출구 온도는 증가한다. 한편 연료 개질부의 출구 H₂몰분율은 지름의 크기가 커질수록 증가하지만, 증가량은 수렴한다.
3) 평형유동의 경우 출구의 H₂몰분율은 대향류 유동의 경우보다 1% 이상 크게 나온다. 이는 본 연구에서 사용한 열교환형 수증기 개질기의 모델에 따르면 중심부의 온도는 열교환 하는 중간 부분에서 평형유동의 경우가 대향류 유동의 경우보다 더 높기 때문에 출구의 H₂몰분율의 차이가 발생한다.
2까지 변하는 경우에 따른 출구의 온도 결과를 나타낸 것이다. 지름이 커질수록 고온 기체부 출구의 온도가 감소하였고, 연료 개질부의 출구 온도는 근소하게 증가하였다. 이는 연료 개질부의 튜브 지름이 커질수록 열교환 면적이 커지고, 같은 입구조건에서 지름이 커질수록 연료 개질 부의 유속이 느려져 열교환량이 더 커졌기 때문이다.

후속연구

모델에서 관다발 사이의 유동은 대칭적이라 가정하여 고온 기체 유동 단면을 정육각형으로 설정하였다. 하나의 채널만을 모델링 하였을 때 온도결과는 비교적 유사하지만, 압력차는 헤더와 배플에서도 발생하기 때문에 이에 대해서 연구가 필요하다. 한편 연료 채널은 튜브 내부에 다공성 매질의 촉매층으로 채워져 있어 연료가 공급될 때 튜브 안에서 개질 반응이 일어난다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연료전지는 어떻게 구성되어 있는가?	메탄을 대체에너지로서 활용하기 위해 유럽과 일본 등은 에너지 효율이 높은 연료전지에 대한 연구를 진행하고 있다. 연료전지는 크게 스택, 열 교환기, 버너, 블로워, 그리고 개질기로 구성되어 있는데, 그중 개질기는 탄화수소를 수소로 변환하기 위해 사용한다.
	탄화수소 연료 개질 반응법 중 자연 개질 반응은 무엇인가?	탄화수소 연료 개질 반응법으로는 크게 세 가지가 있는데, 자열 개질, 부분산화 개질, 수증기 개질 반응이 있다2) . 자열 개질 반응은 반응에 의한 열을 이용해 수증기 개질 반응하는 것이다. 부분산화 개질 반응은 산소를 이용하여 산화시켜 개질 시키는 반응이다.
	탄화수소 연료 개질 반응법은 무엇이 있는가?	탄화수소 연료 개질 반응법으로는 크게 세 가지가 있는데, 자열 개질, 부분산화 개질, 수증기 개질 반응이 있다2) . 자열 개질 반응은 반응에 의한 열을 이용해 수증기 개질 반응하는 것이다.

참고문헌 (10)

Patric O. Graf et al. 3, "Comparative study of steam reforming of methane, ethane and ethylene on Pt, Rh and Pd supported on yttrium-stabilized zirconia", Applied Catalysis : General 332, 2007.
O'Hayre, R.P., Cha, S., Colella, W., "Fuel cell fundamentals", Wiley Press.
James Larminie, Andrew Dicks, "Fuel cell Systems explained" John Wiley & Soms, LTD, 2000.
D. H. Shin, H. G. Seo, H. C. Lim, S. D. Lee, "Computational Fluid Dynamics Analysis of Plate Type Reformer for MCFC" Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, 2006, v.17 no.4.
J. S. Lee, K. H. Lee, S. S Yu, K. Y. Ahn, S. G. Kang, "Numerical Analysis of Steam methane Reforming Reaction for Hydrogen Generation using Catalytic Combustion" Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, 2013, v.24 no.2.
Mohammad Irani et al. 4, "CFD modeling of hydrogen production using steam reforming of methane in monolith reactors : Surface or volumebase reaction model?", International Journal of Hydrogen Energy 36 , 2011.

상세보기
J. G. Park, S. K Lee, S. K. Lim and J. M. Bae, "Numerical Study on Operating Parameters and Shapes of a Steam Reformer for Hydrogen Production from Methane", Trans. Korean Soc. Mech. Eng. B, 2008, v.33.
J. Xu, G. F. Froment, "Methanation and Water-Gas Shift: 1. Intrinsic Kinetics" Journal of AiChE., 1989, Vol. 35 No. 1.
D. L. Hoang, S. H. Chan, and O. L. Ding, "Kinetic and Modeling Study of Methane Steam Reforming Over Sulfide Nickel Catalyst on a Gamma Alumina Support," Journal of Chemical Engineering, 2005, Vol 112 No. 1/3, pp. 1-11.

상세보기
Keyur S. Patel, Aydin K. Sunol, "Dynamic behavior of methane heat exchange reformer for residential fuel cell power generation system", Journal of Power Sources 161, 2006.

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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].

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