[논문]50 MPa급 대용량 수소압축기 사이클 해석

송병희; 명노석; 장선준; 권정태

doi:10.5762/kais.2020.21.2.66

초록
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현재 개발되고 있는 수소 압축 사이클에서는 압축기를 통해 초고압으로 압축된 수소를 고압용기 내에 저장하여 사용한다. 이러한 충전과정 중 용기내의 수소의 압력 및 온도 상승으로 인하여 고압용기에서 열응력이 발생할 수 있다. 고압용기의 신뢰성을 확보하기 위해서는 용기내의 수소의 온도를 예측하고 제어하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 이러한 고압용기의 신뢰성 해석을 위하여 50 MPa급 수소압축시스템에서 고압용기를 충전하는 과정에서의 압력상승에 따른 용기 내의 수소온도 변화 및 외부와의 열평형까지 걸리는 시간, 감압밸브를 지날 때의 수소온도 변화, 고압용기 냉각을 위한 열교환기의 요구능력 등에 대하여 이론적인 방법과 수치적인 방법으로 해석을 수행하였다. 이론해석 결과, 고압용기의 내부 온도는 충전하기 전에 40 ℃에서 충전 후 1^st cycle, 2^nd cycle에서 평균적으로 126.675 ℃, 62.1 ℃가 증가하였다. 또한, 고압용기의 충전량은 1^st cycle, 2^nd cycle에서 각각 7.9 kg, 8.9 kg으로 계산되었다. 본 연구의 결과는 수소충전소와 같이 수소압축시스템이 필요한 현장의 인프라 설계 및 구축 등에 유용하게 활용 될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the hydrogen compression cycle, which is currently being developed, hydrogen is compressed to a very high pressure using a compressor, and then stored and used in a high-pressure vessel. This shows that an increase in the temperature of hydrogen in the vessel due to a pressure rise during the fil...

In the hydrogen compression cycle, which is currently being developed, hydrogen is compressed to a very high pressure using a compressor, and then stored and used in a high-pressure vessel. This shows that an increase in the temperature of hydrogen in the vessel due to a pressure rise during the filling process and the pressure fatigue due to the repeated cycle may cause problems in the reliability of the vessel. In this paper, for the entire processes in a 50 MPa hydrogen compression system, theoretical and numerical methods were conducted to analyze the following: the temperature increase of hydrogen in the vessel and the time required to reach thermal equilibrium with the surroundings, the change in temperature of hydrogen passing through the pressure reducing valve, and the required capacity of the heat exchanger for cooling the vessel. The results will be useful for the design and construction of hydrogen compression systems, such as hydrogen charging stations.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Hydrogen compressor system
그림 Fig. 2. Modeling of a hydrogen pressure vessel
그림 Fig. 3. Pressure reducing valve
그림 Fig. 4. Counter flow heat exchanger
그림 Fig. 5. Schematic diagram of the simplified high pressure vessel model
그림 Fig. 6. Difference between the inner and outer wall temperatures of the vessel
그림 Fig. 7. Hydrogen temperature change at pressure reducing valve
표 Table 1. Results of 1^st cycle of high pressure tank and buffer tnak
표 Table 2. Results of 2^nd cycle of high pressure tank and buffer tank
표 Table 3. Result of 1^st cycle hydrogen temperature change through pressure reducing valve
표 Table 4. Result of 2^nd cycle hydrogen temperature change through pressure reducing valve
표 Table 5. Heat exchanger performance required in 1^st cycle
표 Table 6. Heat exchanger performance required in 2^nd cycle

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 50 MPa급 수소압축기 시스템에서의 충전 중 온도상승 현상 및 요구되는 열교환기 성능에 대 하여 수학적 모델을 제시하였고, 수치적인 해석 방법을 통하여 감압밸브을 지나는 수소의 온도 변화 값을 예측하였다.

가설 설정

본 논문은 충전이 이루어지는 과정동안 단열조건으로 가정하였으며, 충전이 완료된 후 주변과의 열전달 조건은 전도와 대류만을 고려하여 해석을 수행하였다. 단열조건 이 아닌 비정상열전달 과정인 것과 복사 열전달을 고려 하면 열평형이 이루어지는 시간은 달라질 것으로 판단되 어진다.
수소는 열교환기를 통해 냉각수와의 열교환 작용이 일어나며, 열교환기를 지난 수소의 온도 T_ho은 30 ℃로 일정하다. 열교환기를 통한 열전달률은 작동유체인 수소와 냉각수에서 동일한 값을 가진다. 열교환기에서의 열전달률은 식(8)를 통해 얻을 수 있다.

제안 방법

본 논문에서는 수소를 압축하여 고압용기를 충전하는 과정에서의 압력상승에 따른 용기 내의 온도상승 현상에 대한 수학적 모델을 제시하고, 수치 해석적인 방법을 통하여 용기 내의 온도상승 값을 예측하고, 고압용기에 충전되는 수소의 질량, 주변온도까지 냉각될 때까지의 걸리는 시간, 그리고, 요구되는 열교환기의 성능 등에 대하여 해석하였다.

데이터처리

305 W/m²K이다. 이중관 열교환기에서 온도차 △T는 양쪽 끝단에서의 두 유체 온도차를 이용한 로그평균온도차 (LMTD: Log Mean Temperature Difference)를 이용하여 구한다.

이론/모형

Fig. 4와 같이 열교환기의 형상을 이중관 열교환기로 하였으며, 로그평균온도차(LMTD: Log Mean Temperature Difference) 법을 이용하여 목표치의 온도에 도달하기 위한 필요 용량을 구하였다.
일반적으로 유체는 압력이 낮아짐에 따라 온도가 낮아지게 되지만, 네온, 수소, 헬륨은 반전온도(inversion temperature)가 매우 낮아 감압밸브를 지나면서 온도가 상승하게 된다. 감압밸브를 지나는 수소의 온도변화 값을 얻기 위하여 공정 설계 프로그램인 pro/Ⅱ process engineering program을 이용하였다.
15 K의 온도를 적용하였다. 또한 수소의 물성치는 미국표준연구소(NIST: National Institue of Standards and Technology)에서 제작하여 공급하는 프로그램인 REFPROP을 통해 각각의 조건 별 해당하는 온도 및 압력 값들을 입력하여 물성값들을 구한 후 이용하였다.

후속연구

향후에는 보다 정확한 온도 및 열평형 시간 파악을 위해 위 사항들을 고려하고자 한다. 본 연구 결과는 수소압축시스템이 필요한 산업현장에서 시스템 설계 및 운용 등에 유용하게 활용될 것이다.
단열조건 이 아닌 비정상열전달 과정인 것과 복사 열전달을 고려 하면 열평형이 이루어지는 시간은 달라질 것으로 판단되 어진다. 향후에는 보다 정확한 온도 및 열평형 시간 파악을 위해 위 사항들을 고려하고자 한다. 본 연구 결과는 수소압축시스템이 필요한 산업현장에서 시스템 설계 및 운용 등에 유용하게 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고압용기의 신뢰성을 확보하기 위해서 중요한 것은?	이러한 충전과정 중 용기내의 수소의 압력 및 온도 상승으로 인하여 고압용기에서 열응력이 발생할 수 있다. 고압용기의 신뢰성을 확보하기 위해서는 용기내의 수소의 온도를 예측하고 제어하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 이러한 고압용기의 신뢰성 해석을 위하여 50 MPa급 수소압축시스템에서 고압용기를 충전하는 과정에서의 압력상승에 따른 용기 내의 수소온도 변화 및 외부와의 열평형까지 걸리는 시간, 감압밸브를 지날 때의 수소온도 변화, 고압용기 냉각을 위한 열교환기의 요구능력 등에 대하여 이론적인 방법과 수치적인 방법으로 해석을 수행하였다.
	현재 개발 중인 수소 압축 사이클이란?	현재 개발 중인 수소 압축 사이클에서는 압축기를 통해 초고압으로 압축된 수소를 고압용기 내에 저장하여 사용한다. 이러한 경우 충전 과정 중 압력상승으로 인하 여 용기 내 수소의 온도상승 및 반복 사이클에 의한 압력 피로가 축적되어 고압용기의 안전성에 있어서 문제가 발생할 수 있음을 보여준다.
	고압용기의 신뢰성을 확보하기 위한 해석에서 고려해야할 요인들은?	고압용기의 신뢰성을 확보하기 위해서는 용기내의 수소의 온도를 예측하고 제어하는 것이 중요하다. 본 논문에서는 이러한 고압용기의 신뢰성 해석을 위하여 50 MPa급 수소압축시스템에서 고압용기를 충전하는 과정에서의 압력상승에 따른 용기 내의 수소온도 변화 및 외부와의 열평형까지 걸리는 시간, 감압밸브를 지날 때의 수소온도 변화, 고압용기 냉각을 위한 열교환기의 요구능력 등에 대하여 이론적인 방법과 수치적인 방법으로 해석을 수행하였다. 이론해석 결과, 고압용기의 내부 온도는 충전하기 전에 40 ℃에서 충전 후 1st cycle, 2nd cycle에서 평균적으로 126.

참고문헌 (6)

J. Wellnitz, "Hydrogen Storage Systems for Automotive Applications", International Journal of Sustainable Design, Vol.1, No.1, pp.93-109, 2008. DOI: https://doi.org/10.1504/ijsdes.2008.017059
K. M. Jang, S. H. Eom, I. C. Kim, S. C. Choi, C. K. Kim, "A Study on the Temperature Increasing of NGV cylinders during fast filling", The Korean Society of Mechanical Engineers, pp.482-485, Nov. 2012.
T. L. Bergman, A. S. Lavine, F. P. Incropera, D. P. Dewitt, "Fundamental of Heat and mass Transfer 7th ed", p.1048, Wiley, pp.8-10.
H. R. Lee, J. H. Ahn, H. Y. Kim, Y. G. Kim, "A Study on Temperature Characteristics of Automatic Valve for High Pressure Cylinder of FCV", Journal of the Korean Institute of Gas, Vol.22, No.1, pp.1-8, Feb. 2018. DOI: https://doi.org/10.7842/KIGAS.2017.22.1.1

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S. Y. Kim, B. H. Kang, "Thermal Analysis of a Liquid Hydrogen Vessel", Journal of the Korean Hydrogen Energy Society, Vol.8, No.2, pp.57-65, Jun. 1997.
C. K. Kim, D. H. Kim, "A Safety Study on the Stress Characteristics of a Composite Pressure Cylinder for a Use of 70MPa Hydrogen Gas Vehicle", Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, Vol.21, No.1, pp.1-6, Feb. 2012. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2012.21.1.001

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