에너지 위기 시대를 맞이하여 수소에너지가 가장 가능성 있는 대체에너지 중의 하나로 고려되고 있다. 액체수소는 기체수소와 비교하여 단위 부피당 에너지 밀도가 월등히 높으며 수소에너지의 탁월한 저장 방법으로 간주되고 있다. 본 연구에서는 2 상 모델에 기초를 둔 Navier-Stokes 식을 전산유체역학 프로그램을 이용하여 풀었으며, 초저온 냉각 튜브를 통과하면서 기체수소가 액화되는 과정을 분석하였다. 열전도율이 높은 구리관을 초저온 냉각을 위한 관의 재질로 가정하였다. 기체수소의 유입속도를 5 cm/s, 10 cm/s, 20 cm/s로 변화시키면서 냉각튜브 내 유체 온도분포, 축방향 및 반경방향 유체 속도, 기체 및 액체 수소 부피분율 분포를 각각 분석하였다. 본 연구 결과는 향후 액체수소 제조를 위한 기체수소 초저온 냉각기의 설계 및 제작을 위한 기초자료로 활용이 될 것으로 기대된다.
에너지 위기 시대를 맞이하여 수소에너지가 가장 가능성 있는 대체에너지 중의 하나로 고려되고 있다. 액체수소는 기체수소와 비교하여 단위 부피당 에너지 밀도가 월등히 높으며 수소에너지의 탁월한 저장 방법으로 간주되고 있다. 본 연구에서는 2 상 모델에 기초를 둔 Navier-Stokes 식을 전산유체역학 프로그램을 이용하여 풀었으며, 초저온 냉각 튜브를 통과하면서 기체수소가 액화되는 과정을 분석하였다. 열전도율이 높은 구리관을 초저온 냉각을 위한 관의 재질로 가정하였다. 기체수소의 유입속도를 5 cm/s, 10 cm/s, 20 cm/s로 변화시키면서 냉각튜브 내 유체 온도분포, 축방향 및 반경방향 유체 속도, 기체 및 액체 수소 부피분율 분포를 각각 분석하였다. 본 연구 결과는 향후 액체수소 제조를 위한 기체수소 초저온 냉각기의 설계 및 제작을 위한 기초자료로 활용이 될 것으로 기대된다.
Under the era of energy crisis, hydrogen energy is considered as one of the most potential alternative energies. Liquid hydrogen has much higher energy density per unit volume than gas hydrogen and is counted as the excellent energy storage method. In this study, Navier-Stokes equations based on 2-p...
Under the era of energy crisis, hydrogen energy is considered as one of the most potential alternative energies. Liquid hydrogen has much higher energy density per unit volume than gas hydrogen and is counted as the excellent energy storage method. In this study, Navier-Stokes equations based on 2-phase model were solved by using a computational fluid dynamics program and the liquefaction process of gaseous hydrogen passing through a cryogenic cooling tube was analyzed. The copper with high thermal conductivity was assumed as the material for cryogenic cooling tube. For different inlet velocities of 5 m/s, 10 m/s and 20 m/s for hydrogen gas, the distributions of fluid temperature, axial and radial velocities, and volume fractions of gas and liquid hydrogens were compared. These research results are expected to be used as basic data for the future design and fabrication of cryogenic cooling tube to transform the hydrogen gas into liquid hydrogen.
Under the era of energy crisis, hydrogen energy is considered as one of the most potential alternative energies. Liquid hydrogen has much higher energy density per unit volume than gas hydrogen and is counted as the excellent energy storage method. In this study, Navier-Stokes equations based on 2-phase model were solved by using a computational fluid dynamics program and the liquefaction process of gaseous hydrogen passing through a cryogenic cooling tube was analyzed. The copper with high thermal conductivity was assumed as the material for cryogenic cooling tube. For different inlet velocities of 5 m/s, 10 m/s and 20 m/s for hydrogen gas, the distributions of fluid temperature, axial and radial velocities, and volume fractions of gas and liquid hydrogens were compared. These research results are expected to be used as basic data for the future design and fabrication of cryogenic cooling tube to transform the hydrogen gas into liquid hydrogen.
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가설 설정
다른 금속과 비교하여 열전도율이 높은 구리를 냉각관 튜브의 재질로 선택하였고 모델링에 사용된 구리 튜브 냉각관의 전체적인 기하학적인 구조를 Fig. 1과 같이 가정하였다. 구리튜브의 전체 축거리는 50 cm, 벽의 두께는 0.
본 수치모사에서의 초기조건으로 초저온 냉각튜브 입구에서 들어오는 수소기체의 300 K의 온도로 일정한 속도분포를 가지고 들어오는 것으로 가정하였다. 또한 구리튜브 외부 주위와 외벽 사이의 열전달 계수는 15 W/m2 ·K, 구리튜브 외부 주위온도를 10 K으 로 각각 설정하였다.
본 연구에서는 Navierstokes 식에 기초를 둔 전산유체 프로그램을 사용하여 기체수소가 액체수소로 상변환 되는 과정을 분석하였다. 열전도율이 높은 구리를 초저온 냉각튜브의 재료로 가정하였고, 축거리 및 반경거리 변화에 따른 유체온도 분포, 축방향 및 반경방향 유체속도 분포, 기체 및 액체 수소의 부피 분율 분포에 대한 결과를 얻었다. 특히 구리 냉각 튜브 통과하는 기체수소의 유입속도를 각각 5 cm/s, 10 cm/s, 20 cm/s 로 변화시켰을 때의 전선모사 결과를 비교 분석하였다.
또한 구리튜브 외부 주위와 외벽 사이의 열전달 계수는 15 W/m2 ·K, 구리튜브 외부 주위온도를 10 K으 로 각각 설정하였다. 초저온 냉각튜브 내부 벽에서의 경계조건으로 수소 기체 물질전달속도는 튜브 내벽에서의 응축 속도와 같으며 유체의 축 방향 속도는 0으로 가정하였다. 초저온 수소 냉각 튜브에서 내부 벽과 수소사이의 열전달을 통해 일어나는 수소 액화공정 및 유동 현상을 분석하기 위하여 축 거리 변화에 따른 수소의 온도, 축방향속도, 반경방향속도, 기체 및 액체수소의 부피분율 변화를 계산하였다.
제안 방법
구리튜브 내부와 외부 환경과의 열이 이동하는 경우 두 계면간의 열전달이 발생하고 계면열전달에 따른 기체수소의 냉각 과정을 확인하였다. 구리튜브와 외부 환경 사이의 열전달 및 유체와 구리튜브 사이에서의 열전달로 인해 300 K의 기체수소가 초저온 구리튜브를 통과하면서 냉각 및 액화가 진행되는데 이 과정을 전산유체프로그램을 통하여 분석하였다.
구리튜브 내부와 외부 환경과의 열이 이동하는 경우 두 계면간의 열전달이 발생하고 계면열전달에 따른 기체수소의 냉각 과정을 확인하였다. 구리튜브와 외부 환경 사이의 열전달 및 유체와 구리튜브 사이에서의 열전달로 인해 300 K의 기체수소가 초저온 구리튜브를 통과하면서 냉각 및 액화가 진행되는데 이 과정을 전산유체프로그램을 통하여 분석하였다. 본 전산유체모사에서는 냉각튜브가 Fig.
또한 구리튜브 외부 주위와 외벽 사이의 열전달 계수는 15 W/m2 ·K, 구리튜브 외부 주위온도를 10 K으 로 각각 설정하였다.
본 연구진은 선행 연구로써 단상모델을 이용한 수치모사에 의해 300 K의 기체수소를 25 K로 냉각시킬 때의 냉각 튜브 내 기체의 온도분포, 기체 유속분포 변화에 관련된 유동현상에 대한 연구결과를 발표하였다[13]. 본 연구에서는 300 K의 기체수소를 냉각관을 이용하여 10 K로 냉각시킬 때, 기체수소가 액체수소로 상변환 되는 과정에서의 유동현상 변화 및 상변환율에 대한 수치해석을 전산유체프로그램을 이용하여 수행하였다. 특히 기체수소의 유입속도 변화에 따른 냉각관에서의 유동현상 변화 및 액화과정 변화에 대하여 분석하였다.
수소에너지의 액체 수소 저장법은 다양한 다른 저장방법에 비하여 단위 부피당 에너지가 월등히 높은 장점을 가지고 있기 때문에 세계 각지에서 꾸준한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 Navierstokes 식에 기초를 둔 전산유체 프로그램을 사용하여 기체수소가 액체수소로 상변환 되는 과정을 분석하였다. 열전도율이 높은 구리를 초저온 냉각튜브의 재료로 가정하였고, 축거리 및 반경거리 변화에 따른 유체온도 분포, 축방향 및 반경방향 유체속도 분포, 기체 및 액체 수소의 부피 분율 분포에 대한 결과를 얻었다.
과포화도는 어떤 온도에서 용해도에 해당하는 양보다 많은 양의 용질을 포함하고 있는 상태를 말하며 실제 증기압과 포화증기압의 비로 수식화할 수 있다. 본 연구에서의 적용은 불포화 상태인 기체수소를 냉각하면 과포화도가 증가하면서 실제 증기압이 포화 증기압 이상에 도달할 때 균질 핵화에 의해 기체상에 새로운 미립 자가 생성되며 또한 새로운 미립자는 비균질 응축에 의해 미립자 성장이 일어나면서 기상에서 기체수소의 액체수소로 변환된다. 또 한 일정량의 기체수소는 초저온으로 유지되고 있는 냉각관 벽에 확산되어 응축되면서 액체수소로 변환되고 있다[11,12].
구리튜브와 외부 환경 사이의 열전달 및 유체와 구리튜브 사이에서의 열전달로 인해 300 K의 기체수소가 초저온 구리튜브를 통과하면서 냉각 및 액화가 진행되는데 이 과정을 전산유체프로그램을 통하여 분석하였다. 본 전산유체모사에서는 냉각튜브가 Fig. 1과 같은 기하학적 구조를 가지고 있을 때, 기체수소의 유입속도를 각각 20 cm/s, 10 cm/s, 5 cm/s 로 변경시키면서 다양한 축 및 반경 거리에 따라 기체수소의 온도, 축방향속도, 반경방향속도, 기 체 및 액체수소의 부피분율 변화에 대하여 비교 분석하였다.
수소 액화를 위한 구리튜브를 들어오는 기체수소의 유입속도가 20 cm/s 일 때 전산유체모사 결과를 통하여 다양한 축 거리에서의 온도, 축방향 및 반경방향유체속도, 기체및 액체수소의 부피분율에 대하여 각각 계산하였다.
초저온 냉각튜브 내부 벽에서의 경계조건으로 수소 기체 물질전달속도는 튜브 내벽에서의 응축 속도와 같으며 유체의 축 방향 속도는 0으로 가정하였다. 초저온 수소 냉각 튜브에서 내부 벽과 수소사이의 열전달을 통해 일어나는 수소 액화공정 및 유동 현상을 분석하기 위하여 축 거리 변화에 따른 수소의 온도, 축방향속도, 반경방향속도, 기체 및 액체수소의 부피분율 변화를 계산하였다.
특히 구리 냉각 튜브 통과하는 기체수소의 유입속도를 각각 5 cm/s, 10 cm/s, 20 cm/s 로 변화시켰을 때의 전선모사 결과를 비교 분석하였다.
본 연구에서는 300 K의 기체수소를 냉각관을 이용하여 10 K로 냉각시킬 때, 기체수소가 액체수소로 상변환 되는 과정에서의 유동현상 변화 및 상변환율에 대한 수치해석을 전산유체프로그램을 이용하여 수행하였다. 특히 기체수소의 유입속도 변화에 따른 냉각관에서의 유동현상 변화 및 액화과정 변화에 대하여 분석하였다. 본 모델 연구는 기체수소로부터 액체수소로 변환시킬 때, 초저온 냉각관의 설계변수를 변화시키면서 최적 설계변수 조건을 도출하는데 활용될 수 있으며, 추후 시스템 제작에 있어서 비용 및 시간 절감의 효과가 지대할 것으로 기대된다.
이론/모형
구리튜브를 통과하는 기체수소의 액화과정을 전사유체프로그램 (Fluent)를 이용하여 수치모사 하였으며 유체에서의 전달현상식인 Navier-Stokes 식을 풀었다 [14]. 냉각관에서 기체수소가 냉각에 의해 액체수소로 변환될 때의 다상계에서의 Navier-Stokes 식은 다음과 같이 표현될 수 있다.
성능/효과
구리튜브를 통과하는 기체수소의 튜브 입구에서의 유입속도가 10 cm/s 일 때 기체온도, 축방향 및 반경방향 기체속도, 기체 및 액체수소의 부피분율을 계산하였으며 전체적인 계산결과는 20 cm/s의 유입속도를 가진 기체수소의 전산유체모사 결과와 정성적으로 유사한 경향성을 보였다.
특히 구리 냉각 튜브 통과하는 기체수소의 유입속도를 각각 5 cm/s, 10 cm/s, 20 cm/s 로 변화시켰을 때의 전선모사 결과를 비교 분석하였다. 기체수소의 액체수소로의 상변환율분석결과에서 기체수소의 유입속도가 20 cm/s 일 때는 냉각튜브 출구에서의(축거리=50 cm) 상변화율이 약 2%였 지만, 기체수소의 유입속도를 10 cm/s, 5 cm/s로 감소시킨 결과 축 거리가 각각 47 cm, 20 cm에서 액체수소로의 상변환율이 100%로 나타났다. 본 모델 결과는 에너지 위기에 액체수소를 상용화하여 사용하게 될 경우, 기체수소를 액화하여 액체수소 제조를 위한 냉각기의 설계 및 제작을 위한 기초자료로 충분히 활용이 될 것으로 기대된다.
냉각기 초기에서는 안쪽으로 흐르는 반경방향 기체속도에 의해 반경방향으로의 열전달속도가 현저하게 증대될 수 있음을 보이고 있다. 또한 반경방향 기체속도가 튜브 벽과 튜브 중앙에 서는 0 cm/s 나타나서 두 지점에서 요구되는 경계조건을 만족시키고 있음을 확인할 수 있었으며, 튜브 벽과 중앙 사이에서 최댓값을 가지고 있음을 보이고 있다. 기체속도 분포가 튜브 내의 parabolic 속도분포로 변화되고 냉각이 거의 완료된 냉각기 후반부에서는 반경방향 기체속도가 거의 0으로 나타나고 있다.
액체수소는 기체 수소가 비등점 이하로 냉각되어 과포화된 상태에서 균질 핵화 및 비균질 응축 과정을 거쳐서 액체로 변환되는데, 이 때 액체수소 분율은 균질 핵화 속도 및 비균질 응축 속도와 과포화 상태에 머문 시 간에 의존하게 되며, 튜브 벽에 가까운 지점의 축방향 유체 속도가 튜브 센터 쪽에서보다 느리기 때문에 튜브 벽에 가까운 지점의 유체는 과포화 상태에 머문 체류시간이 길기 때문에 액체수소분율이 크게 나타나고 유체속도가 빠른 튜브 중앙 쪽에서는 액체수소 분율이 낮게 나타나게 된다. 또한 축거리가 증가할수록 수소가 냉각되면서 수소의 액화가 일어나므로 유체 내 액체수소의 부피분율은 증가하는 반면에 기체수소의 부피분율은 감소하는 것을 보이고 있다. 본 전산유체모사 조건에서 구리튜브의 길이인 50 cm 까지 통과할 때까지 약 2%의 기체수소가 액화되는 것을 보이고 있다.
후속연구
본 모델 결과는 에너지 위기에 액체수소를 상용화하여 사용하게 될 경우, 기체수소를 액화하여 액체수소 제조를 위한 냉각기의 설계 및 제작을 위한 기초자료로 충분히 활용이 될 것으로 기대된다. 구체적으로 수소액화를 위한 냉각 시스템을 제작하기 전에 본 연구에 기초를 둔 전산유체프로그램을 사용하여 시스템 설계 결과를 미리 예측함으로써 실제 냉각 시스템 제작에 있어서의 시행착오를 줄일 수 있으며 이에 따른 시간 및 비용 절감에 큰 효과가 있을 것으로 기대할 수 있다.
기체수소의 액체수소로의 상변환율분석결과에서 기체수소의 유입속도가 20 cm/s 일 때는 냉각튜브 출구에서의(축거리=50 cm) 상변화율이 약 2%였 지만, 기체수소의 유입속도를 10 cm/s, 5 cm/s로 감소시킨 결과 축 거리가 각각 47 cm, 20 cm에서 액체수소로의 상변환율이 100%로 나타났다. 본 모델 결과는 에너지 위기에 액체수소를 상용화하여 사용하게 될 경우, 기체수소를 액화하여 액체수소 제조를 위한 냉각기의 설계 및 제작을 위한 기초자료로 충분히 활용이 될 것으로 기대된다. 구체적으로 수소액화를 위한 냉각 시스템을 제작하기 전에 본 연구에 기초를 둔 전산유체프로그램을 사용하여 시스템 설계 결과를 미리 예측함으로써 실제 냉각 시스템 제작에 있어서의 시행착오를 줄일 수 있으며 이에 따른 시간 및 비용 절감에 큰 효과가 있을 것으로 기대할 수 있다.
특히 기체수소의 유입속도 변화에 따른 냉각관에서의 유동현상 변화 및 액화과정 변화에 대하여 분석하였다. 본 모델 연구는 기체수소로부터 액체수소로 변환시킬 때, 초저온 냉각관의 설계변수를 변화시키면서 최적 설계변수 조건을 도출하는데 활용될 수 있으며, 추후 시스템 제작에 있어서 비용 및 시간 절감의 효과가 지대할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수소의 생산하는 방법은 무엇인가?
수소에너지는 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 에너지자원 고갈 문제와 지구온난화의 주범이 되는 이산화탄소 배출에 따른 지구환경적인 문제를 해결하기 위한 미래대체 에너지로 꾸준한 관심을 받고 있다. 현재 수소는 천연가스인 메탄을 고온과 고압에서 증 기로 분해하는 증기메탄개질 방법[1]으로 절반가량이 생산되고 있고 물의 전기분해 방법[2]을 통한 생산도 가능하다. 하지만 증기메탄개질 방법은 이산화탄소의 발생 문제, 물의 전기분해는 전기를 생산하기 위한 다른 에너지원 소모해야하며 이에 따른 폐기물 및 환경오염 문제가 발생할 수 있다.
수소에너지의 특징은 무엇인가?
수소에너지는 화석연료의 무분별한 사용으로 인한 에너지자원 고갈 문제와 지구온난화의 주범이 되는 이산화탄소 배출에 따른 지구환경적인 문제를 해결하기 위한 미래대체 에너지로 꾸준한 관심을 받고 있다. 현재 수소는 천연가스인 메탄을 고온과 고압에서 증 기로 분해하는 증기메탄개질 방법[1]으로 절반가량이 생산되고 있고 물의 전기분해 방법[2]을 통한 생산도 가능하다.
고압수소 저장 방법의 단점을 보완하기위해 어떤 노력을 하고있는가?
현재 고압수소 저장 방법을 통해 수소에너지를 자동차 연료에 사용하도록 시도하고 있으며, 저장용기의 체적과 무게의 제한 때문에 자동차의 용기 경량화가 필요한 상황이다. 이를 개선하기 위해 단위 부피당 에너지 밀도가 월등히 높아 우수한 저장 시스템 효율을 가지고 있는 액체수소 저장 방법에 관심이 높아지고 있으며, 현재 이를 미래 자동차산 업에 적용하기 위한 연구가 증가하고 있다. 특히 세계적으로 액체 수소를 자동차 연료[8]와 양성자 교환막 연료전지[9]에 적용하기 위한 연구 등이 꾸준히 진행되고 있으며, 국내에서는 KIST에서 페 로브스카이트 촉매를 활용한 수소액화 시스템 개발 및 저장용기에 관한 연구 결과를 발표하였다[10].
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