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초저온 냉각튜브 내 수소기체의 액체수소로의 상변환 분석
Analysis of Gas-to-Liquid Phase Transformation of Hydrogen in Cryogenic Cooling Tube 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.56 no.1, 2018년, pp.49 - 55  

이대원 (강원대학교 화학공학과) ,  홍하이응우엔 (강원대학교 화학공학과) ,  소명기 (강원대학교 나노응용공학과) ,  나인욱 (한국과학기술연구원 녹색도시기술연구소) ,  박동화 (인하대학교 화학공학과) ,  김교선 (강원대학교 화학공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

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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.
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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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