[논문]SOEC에 과열기의 고온 스팀을 공급하는 Interface의 열전달에 관한 전산해석

변현승; 한단비; 박성룡; 조종표; 백영순

doi:10.7316/khnes.2020.31.2.169

Abstract ▼ AI-Helper

There is a growing interest in hydrogen energy utilization since an alternative energy development has been demanded due to the depletion of fossil fuels. Hydrogen is produced by the reforming reaction of natural gas and biogas, and the electrolysis of water. An solid oxide electrolyte cell (SOEC) i...

There is a growing interest in hydrogen energy utilization since an alternative energy development has been demanded due to the depletion of fossil fuels. Hydrogen is produced by the reforming reaction of natural gas and biogas, and the electrolysis of water. An solid oxide electrolyte cell (SOEC) is reversible system that generates hydrogen by electrolyzing the superheated steam or producing the electricity from a fuel cell by hydrogen. If the water can be converted into steam by waste heat from other processes it is more efficient for high-temperature electrolysis to convert steam directly. The reasons are based upon the more favorable thermodynamic and electrochemical kinetic conditions for the reaction. In the present study, steam at over 180℃ and 3.4 bars generated from a boiler were converted into superheated steam at over 700℃ and 3 bars using a cylindrical steam superheater as well as the waste heat of the exhaust gas at 900℃ from a solid refuse fuel combustor. Superheated steam at over 700℃ was then supplied to a high-temperature SOEC to increase the hydrogen production efficiency of water electrolysis. Computational fluid dynamics (CFD) analysis was conducted on the effects of the number of 90° elbow connector for piping, insulation types and insulation layers of pipe on the exit temperature using a commercial Fluent simulator. For two pre-heater injection method of steam inlet and ceramic wool insulation of 100 mm thickness, the highest inlet temperature of SOEC was 744℃ at 5.9 bar.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Schematics of solid oxide electrolyzer cell hydrogen production
그림 Fig. 2. Schematic of solid refuse fuel (SRF) furnace, second furnace, and superheater
그림 Fig. 3. Superheater shape for one preheater (L) and two pre-heater (R)
그림 Fig. 4. Dimensions, materials and temperatures of steam pipe with three layer insulation. (a) Vacuum, (b) ceramic wool, and (c) vacuum
그림 Fig. 5. Secondary combustion chamber, superheater and interface geometry.
표 Table 1. Inlet temperature of solid oxide electrolyte cell, h and R values according to pipe insulation type
표 Table 2. Boundary condition of exhaust gas and steam inlet
표 Table 3. Physical properties of insulation and piping materials
그림 Fig. 6. Various configuration of steam pipe to connect 90° elbow between steam superheater outlet and solid oxide electrolyte cell inlet.
그림 Fig. 7. Temperature distribution of interface with super heater (L) and pipe (R) from Computational Fluid Dynamics (CFD) simu-lation
표 Table 4. Effect of various configuration of steam pipe on steam inlet temperature and pressure of solid oxide electrolyte cell
그림 Fig. 8. Effect of the number of 90° elbow with pipe on steam out-let temperature of pipe
표 Table 5. Steam outlet temperature and pressure with triple pipe connection
표 Table 6. Steam outlet temperature and pressure as steam flow rate increases in triple pipe connection
표 Table 7. Various types of insulation pipe with three layers
표 Table 8. Temperature and pressure of solid oxide electrolyte cell inlet according to various types of insulations pipe with three layers

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 고형연료(solid refuse fuel, SRF) 연소로의 900℃ 연소가스로부터 180℃, 3.4 bar, 100 kg/h 유량으로 공급되는 스팀을 과열기에 의해 얻은 700℃ 이상으로 생산한 고온 스팀을 3중관 인터페이스로 연결하여 SOEC 시스템에 공급하고자 한다. 과열기에서 나온 700℃ 이상의 스팀을 SOEC에 공급하기 위해 3중 단열배관에서 이론 해석을 하였으며, 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 시뮬레이터인 Fluent를 사용하여 3중관 인터페이스의 온도 및 압력, 인터페이스의 90° elbow 연결 형태 변경, 3중 단열배관의 진공단열 직경 변경에 대한 시뮬레이션을 하였으며, 이로부터 3중 단열 배관을 SOEC에 연결하여 700℃ 이상, 3 bar 이상의 압력으로 고온 스팀을 공급할 수 있도록 하였다.

제안 방법

3중 단열 배관의 길이 5 m와 단열재 두께 50 mm 기준으로 하여 SOEC 입구의 스팀 온도와 압력에 대한 영향을 이론적 해석과 시뮬레이션으로부터 다음과 같은 결과를 얻었다.
과열기에서 나온 700℃ 이상의 스팀을 SOEC에 공급하기 위해 3중 단열배관에서 이론 해석을 하였으며, 전산유체역학(computational fluid dynamics, CFD) 시뮬레이터인 Fluent를 사용하여 3중관 인터페이스의 온도 및 압력, 인터페이스의 90° elbow 연결 형태 변경, 3중 단열배관의 진공단열 직경 변경에 대한 시뮬레이션을 하였으며, 이로부터 3중 단열 배관을 SOEC에 연결하여 700℃ 이상, 3 bar 이상의 압력으로 고온 스팀을 공급할 수 있도록 하였다.
과열기와 SOEC 시스템과의 배관 연결 형태에 따라 과열기로부터 나온 스팀의 온도와 압력에 미치는 영향을 알아보기 위해서 Fig. 6과 같이 6가지로 변경하여 시뮬레이션을 수행하였다. 배관 길이는 5 m 단열 3중관으로 하였으며, Table 4와 같이 스팀의 온도와 압력을 얻었다.
단열 3중관을 기본으로 하여 스팀 과열기 출구로부터 SOEC 시스템 입구까지 연결하는 5 m 배관을 Fig. 6과 같이 90° 곡관을 6가지 형태로 변경하여 시뮬레이션을 수행하였다.
배관의 단열방법에 따른 스팀 출구온도에 미치는 영향을 알아보기 위해 Table 7과 같이 단열재와 진공의 두께를 3가지 경우로 변경하여 배관 내 온도와 압력을 시뮬레이션 하였다.
3과 같이 설치하여 시뮬레이션한 결과, 과열기 출구의 스팀온도는 각각 709℃와, 750℃를 얻을 수 있었다. 이 결과로부터 SOEC에 연결되는 인터페이스(과열기와 배관 포함)를 SOEC에 공급되는 수증기의 온도와 압력에 관한 이론해석과 시뮬레이션을 수행하였다.

대상 데이터

SRF 연소로는 Fig. 2와 같으며, 길이 2.065 m, 직경 1.28 m의 크기를 지닌 원통형 연소로이다. 50 kg/h 의 SRF 연료(low heating value ≒ 4,557 kcal/kg)를 공기비 1.
배관의 단열재는 단열이 우수한 ceramic wool, 배관의 재질은 SUS310을 사용하였으며, 그들의 재질 물성은 Table 3에 나타내었다.

이론/모형

연소실과 과열기의 내부 유동에 대한 시뮬레이션 은 CFD 상용코드인 ANSYS Fluent 19.2 version을 사용하여 수행하였으며, Fluent 난류 모델은 K-ε Standard 모델, 복사 모델은 discrete ordinates를 사용 하였다.

성능/효과

1) 이론적 해석으로부터 진공단열 배관의 압력 1,330 pa에서 one preheater injector와 two preheater injector 조건에서 SOEC에 공급되는 스팀온도는 각 각 698℃, 738℃를 얻었다. 이는 동일한 조건에서 시뮬레이션으로부터 얻은 696-698℃, 736-738℃의 값과 잘 일치한 것으로 나타났다.
2) Interface (과열기 입구에서 SOEC 입구까지 배관)를 흐를 때와 배관(과열기 출구에서 SOEC 입구까지)에만 흐르는 경우에서의 스팀 온도와 압력에 대한 시뮬레이션 결과는 유사한 값을 얻을 수 있었으며, 90° 곡관의 개수에 따라 열 손실량이 약 0.5℃/개로 거의 일정하게 나타났으며, 90° 곡관 개수가 증가함에 따라 압력손실은 증가하였다.
3) 3중 단열관에서 진공 두께의 영향은 거의 없으며, ceramic wool의 단열 두께 50 mm에서 100 mm 로 증가할 때 744℃로 약 6℃ 높게 나타났으며, 압력은 약 6 bar로 가장 적게 나타났다. 따라서 스팀 배관은 ceramic wool로 단열 두께 100 mm의 3중 단열관에 two preheater injector의 스팀 공급 방법으로 744℃를 얻는 것이 가장 최적의 조건으로 사료된다.
배관 길이는 5 m 단열 3중관으로 하였으며, Table 4와 같이 스팀의 온도와 압력을 얻었다. 결과에서 보듯이 과열기에서 나온 가장 높은 스팀 온도는 직관(a)으로 one preheater injector에서는 698℃, two preheater injector는 738℃ 로 나타났다.
그림에서 보듯이 과열기의 스팀 출구 온도와 상관없이 곡관의 개수에 따라 열 손실되는 양은 약 0.5℃/개로 거의 일정하게 나타났으며, 압력은 90° 곡관 개수가 증가함에 따라 압력손실은 증가하였다.
또한 3중 단열관에서의 스팀 유량 증가에 따른 출구온도 및 압력 영향에 대해서 시뮬레이션하여 Table 6에 나타내었다. 표에서 보듯이 one preheater injector와 two preheater injector에서 100 kg/h씩 유량이 증가할수록 약 90℃ 이상의 열 손실이 발생하였고 압력손실도 유량의 증가로 2배 이상 증가하였다.
2, 3중 단열 직관(5 m)을 연결하여 스팀의 출구온도 및 압력 영향을 알아보기 위해 시뮬레이션 하여 Table 5에 나타내었다. 표에서 보듯이 one preheater injector와 two preheater injector의 경우에 2, 3중 단열 직관에서 열손실은 동일하게 발생하였고, 압력은 3중 단열 직관에서 약 1.6 bar 정도 증가하였다. 이는 insulation의 단열 영향으로 외부와의 열전달을 줄이기 때문에 3중관에서의 진공관은 열손실이 발생하지 않은 것으로 사료된다.

후속연구

결과에서 보듯이 SOEC 에 공급하는 온도는 698℃로 동일하게 얻었으며, 압력도 비슷한 결과를 얻었다. 과열기의 출구온도를 경계조건으로 배관에만 흐르는 스팀 형상으로 시뮬레이션을 하는 것이 무방할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	태양광과 풍력에너지 같은 재생에너지의 문제점은?	화석 연료를 대체할 수 있는 재생 에너지원은 태양광과 풍력에너지이다5-7). 이러한 재생에너지는 불규칙적이고 불안정한 공급으로 신뢰성이 낮아 배터리 저장장치를 사용하고 있지만 배터리의 저장 용량 한계, 짧은 장비 수명, 많은 폐기물이 발생되는 문제점을 가지고 있다. 한편, 물의 전기분해로 생산되는 수소에너지는 친환경적이나 수소에너지의 대부분은 천연 가스의 증기 개질반응으로부터 생산되고 있어서 다량의 CO2가 동반하여 발생되고 있다8) .
	양방향 수전해 기술이란 무엇인가?	최근 관심을 받고 있는 양방향 수전해 기술(solid oxide electrolyzer cell, SOEC)은 Fig. 1과 같으며, 물을 전기분해하여 수소를 생산하고 연료전지로부터 전기를 생산하는 양방향 수전해 시스템이다11). 이 시스템에 활용되는 재생에너지는 태양광, 풍력, 폐열 등이 사용되고 있으며, 특히 태양광과 풍력의 수송과 저장의 문제점을 해결할 수 있는 장점을 지니고 있다.
	3중 단열 배관의 길이 5 m와 단열재 두께 50 mm 기준으로 하여 SOEC 입구의 스팀 온도와 압력에 대한 영향을 이론적 해석과 시뮬레이션하였다, 이에 대한 연구결과는 무엇인가?	1) 이론적 해석으로부터 진공단열 배관의 압력 1,330 pa에서 one preheater injector와 two preheater injector 조건에서 SOEC에 공급되는 스팀온도는 각 각 698℃, 738℃를 얻었다. 이는 동일한 조건에서 시뮬레이션으로부터 얻은 696-698℃, 736-738℃의 값과 잘 일치한 것으로 나타났다. 2) Interface (과열기 입구에서 SOEC 입구까지 배관)를 흐를 때와 배관(과열기 출구에서 SOEC 입구까지)에만 흐르는 경우에서의 스팀 온도와 압력에 대한 시뮬레이션 결과는 유사한 값을 얻을 수 있었으며, 90° 곡관의 개수에 따라 열 손실량이 약 0.5℃/개로 거의 일정하게 나타났으며, 90° 곡관 개수가 증가함에 따라 압력손실은 증가하였다. 90° 곡관 3회의 경우에서 약 2℃의 열손실로 가장 크게 나타났다. 3) 3중 단열관에서 진공 두께의 영향은 거의 없으며, ceramic wool의 단열 두께 50 mm에서 100 mm 로 증가할 때 744℃로 약 6℃ 높게 나타났으며, 압력은 약 6 bar로 가장 적게 나타났다. 따라서 스팀 배관은 ceramic wool로 단열 두께 100 mm의 3중 단열관에 two preheater injector의 스팀 공급 방법으로 744℃를 얻는 것이 가장 최적의 조건으로 사료된다.

참고문헌 (13)

A. A. AlZahrani and I. Dincer, "Thermodynamic and electrochemical analyses of a solid oxide electrolyzer for hydrogen production", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 42, No. 33, 2017, pp. 21404-21413, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.03.186.

상세보기
C. Mansilla, J. Sigurvinsson, A. Bontemps, A. Marechal, and F. Werkoff, "Heat management for hydrogen production by high temperature steam electrolysis" Energy, Vol. 32, No. 4, 2007, pp. 423-430, doi: https://doi.org/10.1016/j.energy.2006.07.033.

상세보기
C. K. Lim, Q. Liu, J. Zhou, Q. Sun, and S. H. Chan, "Hightemperature electrolysis of synthetic seawater using solid oxide electrolyzer cells", J. Power Sources, Vol. 342, 2017, pp. 79-87, doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.12.019.

상세보기
D. Ferrero, A. Lanzini, M. Santarelli, and P. Leone, "A comparative assessment on hydrogen production from lowand high-temperature electrolysis", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 38, No. 9, 2013, pp. 3523-3536, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.01.065.

상세보기
M. Mehrpooya, M. Kalhorzadeh, and M. Chahartaghi, "Investigation of novel integrated air separation processes, cold energy recovery of liquefied natural gas and carbon dioxide power cycle", J. Clean. Prod., Vol. 113, 2016, pp. 411-425, doi: https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2015.12.058.

상세보기
M. Mehrpooya, H. Hemmatabady, and M. H. Ahmadi, "Optimization of performance of Combined Solar Collector-Geothermal Heat Pump Systems to supply thermal load needed for heating greenhouses", Energy Convers. Manag., Vol. 97, 2015, pp. 382-392, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.03.073.

상세보기
M. Aghaie, M. Mehrpooya, and F. Pourfayaz, "Introducing an integrated chemical looping hydrogen production, inherent carbon capture and solid oxide fuel cell biomass fueled power plant process configuration", Energy Convers. Manag., Vol. 124, 2016, pp. 141-154, doi: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2016.07.001.

상세보기
S. Yolcular, "Hydrogen production for energy use in european union countries and turkey", Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, Vol. 31, No. 15, 2009, pp. 1329-1337, doi: https://doi.org/10.1080/15567030802089615.

상세보기
M. Ni, M. K. H. Leung, K. Sumathy, and D. Y. C. Leung, "Potential of renewable hydrogen production for energy supply in Hong Kong", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 31, No. 10, 2006, pp. 1401-1412, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.11.005.

상세보기
M. Ni, M. K. H. Leung, D. Y. C. Leung, and K. Sumathy, "A review and recent developments in photocatalytic watersplitting using $TiO_2$ for hydrogen production", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Vol. 11, No. 3, 2007, pp. 401-125, doi: https://doi.org/10.1016/j.rser.2005.01.009.

상세보기
G. Vialetto, M . Noro, P. Colbertaldo, and M. Rokni, "Enhancement of energy generation efficiency in industrial facilities by SOFC - SOEC systems with additional hydrogen production" Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 44, No. 19, 2019, pp. 9608-9620, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.08.145.

상세보기
M. Ni, M. K. H. Leung, and D. Y. C. Leung, "Technological development of hydrogen production by solid oxide electrolyzer cell (SOEC)", Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 33, No. 9, 2008, pp. 2337-2354, doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.02.048.

상세보기
Y. J. Kim, S. R. Park, C. P. Cho, G. I. Yeom, and Y. S. Baek, "CFD-simulation-based optimization of superheater for steam production from waste heat of SRF combustor" Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, Vol. 41, No. 23, 2019, pp. 2944-2955, doi: https://doi.org/10.1080/15567036.2019.1643949.

상세보기

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

SOEC에 과열기의 고온 스팀을 공급하는 Interface의 열전달에 관한 전산해석
A CFD Analysis on Heat Transfer of High Temperature Steam through Interface with Superheater and SOEC for Hydrogen Production 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (16)

표/그림 (16)

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

SOEC에 과열기의 고온 스팀을 공급하는 Interface의 열전달에 관한 전산해석 A CFD Analysis on Heat Transfer of High Temperature Steam through Interface with Superheater and SOEC for Hydrogen Production 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

표/그림 (16) 모든 표/그림 보기

표/그림 (16) 슬라이드로 보기

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (13)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

한단비 (14) 박성룡 (34) 조종표 (9) 백영순 (79)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

연관된 기능

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

SOEC에 과열기의 고온 스팀을 공급하는 Interface의 열전달에 관한 전산해석
A CFD Analysis on Heat Transfer of High Temperature Steam through Interface with Superheater and SOEC for Hydrogen Production 원문보기

표/그림 (16)

표/그림 (16)

AI 본문요약
AI-Helper