[논문]고압형 메탄올 수증기 개질기 압력용기의 내부 유동 개선을 위한 전산 해석

유동진; 지현진; 유상석

doi:10.7316/khnes.2020.31.5.411

고압형 메탄올 수증기 개질기 압력용기의 내부 유동 개선을 위한 전산 해석
Computational Analysis for Improving Internal Flow of High Pressure Methanol Steam Reformer Pressure Vessel 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.31 no.5, 2020년, pp.411 - 418

유동진 (충남대학교 대학원 기계공학과) , 지현진 (국방과학연구소) , 유상석 (충남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A reformer is a device for producing hydrogen used in fuel cells. Among them, methanol steam reformer uses methanol as fuel, which is present as a liquid at room temperature. It has the advantage of low operating temperature, high energy density, and high hydrogen production. The purpose of this study is to improve the internal flow of the pressure vessel when a bundle of methanol steam reformer in the pressure vessel goes out to a single outlet. An analysis of equilibrium reaction to methanol steam reforming reaction was conducted using Aspen HYSYS® (Aspen Technology Inc., Bedford, USA), and based on the results, computational analysis was conducted using ANSYS Fluent® (ANSYS, Inc., Canonsburg, USA). For comparison of the results, the height of the pressure vessel, outlet diameter, and fillet was set as variables, and the optimum geometry was selected by comparing the effects of gravity and the amount of negative pressure.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. (a) Schematic diagram and (b) mesh profile
표 Table 1. Geometry parameter and boundary conditions
표 Table 2. Different cases of pressure vessel
표 Table 3. Mixture properties
그림 Fig. 2. Streamline of pressure vessel (a) Case 1 (b) Case 3 (c) Case 5
그림 Fig. 3. Streamline of pressure vessel (a) Case 2 (b) Case 4 (c) Case 6
그림 Fig. 5. Negative pressure in outlet of referent case
그림 Fig. 4. Max. and min. static pressure in different cases
그림 Fig. 6. Max. and min. static pressure in different filleted cases

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 3차원 전산 해석을 통해 각각의 튜브형 메탄올 수증기 개질기가 압력용기에 모일 때, 서로의 유동에 미치는 영향을 파악하며, 이에 따라 발생하는 문제점을 개선하기 위해 압력용기의 높이, 단일 출구의 지름, 출구에서 필렛 유무를 변수로 설정하였다. 그 결과를 바탕으로 압력용기 내부의 유선(streamline) 과 정압(static pressure)을 비교하여 최적의 형상을 선정하기 위한 목적을 가지고 있다.
본 연구는 3차원 전산 해석을 통해 각각의 튜브형 메탄올 수증기 개질기가 압력용기에 모일 때, 서로의 유동에 미치는 영향을 파악하며, 이에 따라 발생하는 문제점을 개선하기 위해 압력용기의 높이, 단일 출구의 지름, 출구에서 필렛 유무를 변수로 설정하였다. 그 결과를 바탕으로 압력용기 내부의 유선(streamline) 과 정압(static pressure)을 비교하여 최적의 형상을 선정하기 위한 목적을 가지고 있다.

가설 설정

형상 제작과 격자 형성 및 해석 진행을 위해 상용 프로그램인 ANSYS Fluent® (ANSYS Inc., Canonsburg, USA)를 사용하였으며, 정상상태, 비압축성 난류 유동을 가정하였다.

제안 방법

기준 케이스(Case 1)인 필렛이 없으며 단일 출구의 직경이 22 mm, 압력용기의 높이가 50 mm인 형상을 바탕으로 격자를 형성하였다. 격자 수렴 테스트를 위해 격자 크기에 따른 출구의 면적 가중 평균 속도(area weighted average velocity)를 비교하였다. 격자의 크기를 2 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm로 설정하여 해석을 진행한 결과, 각 1.
Table 2에는 압력용기의 여러 가지 케이스에 대해나타냈다. 기준 케이스를 바탕으로 KS 강관 규격에 따라 단일 출구의 지름을 증가시켰으며, 각 지름에 따른 압력용기의 높이를 변화시켜 그 영향을 관찰하였다. 또한 가장 원활한 유동 현상을 보인 케이스를 선정하여 필렛을 추가하였으며, 그 크기에 따른 비교 해석을 진행하였다.
유동 해석을 진행하기 위해, 대표적인 난류 모델이며 내부 유동에 대한 원활한 해석을 진행할 수 있는 standard k-epsilon 모델을 사용하였다. 또한 hybrid initialization을 통해 속도, 압력 및 온도의 체적 평균값의 변화와 residual이 10^-6이하로 떨어지는 경우를 수렴 판정 기준으로 설정하였다. 지배방정식은 다음과 같다.
기준 케이스를 바탕으로 KS 강관 규격에 따라 단일 출구의 지름을 증가시켰으며, 각 지름에 따른 압력용기의 높이를 변화시켜 그 영향을 관찰하였다. 또한 가장 원활한 유동 현상을 보인 케이스를 선정하여 필렛을 추가하였으며, 그 크기에 따른 비교 해석을 진행하였다. 유동 해석을 진행하기 위해, 대표적인 난류 모델이며 내부 유동에 대한 원활한 해석을 진행할 수 있는 standard k-epsilon 모델을 사용하였다.
본 연구에서 사용하는 압력용기의 작동 유체의 물성을 설정하기 위해, Aspen HYSYS® (Aspen Technology Inc., Bedford, USA)를 이용하여 steam reforming (SR), water gas shift (WGS), methanol decomposition (MD)에 대한 메탄올 수증기 개질의 평형 반응 해석을 진행하였다.
필렛의 유무에 대한 효과를 비교하기 위해 최적화된 형상을 선정하였다. 압력 차이가 가장 작게 나타나는 직경과 유체의 간섭이 가장 적게 나타나는 높이인 Case 6 (D=36.2 mm, H=100 mm)을 기준으로 필렛 크기를 변화시켜 비교하였다.
정확도 높은 해석을 위해 메탄올 수증기 개질기 압력용기의 작동압력을 2,980 kPa로 설정한 후, 출구에서의 계기압력을 0 Pa로 설정하여 해석을 진행하였다. 그 결과는 Fig.
지금까지 주어진 형상의 단일 출구의 직경과 압력용기의 높이 그리고 출구에서 필렛 형상에 따른 메탄올 수증기 개질기 내부 유동 변화에 대한 해석 및 비교를 진행하였다. 본 연구를 통해 내린 결론은 다음과 같다.
필렛이 없는 경우, 출구의 직경과 높이에 대한 변화에 따른 해석을 진행하였다. Fig.
, Bedford, USA)를 이용하여 steam reforming (SR), water gas shift (WGS), methanol decomposition (MD)에 대한 메탄올 수증기 개질의 평형 반응 해석을 진행하였다. 화학 반응 결과를 이용하여 생성물의 평균 밀도, 비열, 열 전도도 및 점성을 계산하였다. 메탄올 수증기 개질 반응의 화학반응 식¹⁸⁾과 혼합물의 상태량을 다음 식과 Table 3에 나타냈다.

대상 데이터

기준 케이스(Case 1)인 필렛이 없으며 단일 출구의 직경이 22 mm, 압력용기의 높이가 50 mm인 형상을 바탕으로 격자를 형성하였다. 격자 수렴 테스트를 위해 격자 크기에 따른 출구의 면적 가중 평균 속도(area weighted average velocity)를 비교하였다.
본 연구에서 사용되는 메탄올 수증기 개질기 형상은 내부 직경이 4.55 mm인 19개의 입구를 가지며, 압력용기를 통해 단일출구로 나가는 형상을 가지고 있다. 또한, 원통형 벽면을 가지고 있으며, 천장은 타원형 형태이며 단열되어 있다.
위에서 언급한 문제를 해결하기 위한 방법은 출구의 도입부에 필렛 형상을 적용하는 것이다. 필렛의 유무에 대한 효과를 비교하기 위해 최적화된 형상을 선정하였다. 압력 차이가 가장 작게 나타나는 직경과 유체의 간섭이 가장 적게 나타나는 높이인 Case 6 (D=36.

이론/모형

또한 가장 원활한 유동 현상을 보인 케이스를 선정하여 필렛을 추가하였으며, 그 크기에 따른 비교 해석을 진행하였다. 유동 해석을 진행하기 위해, 대표적인 난류 모델이며 내부 유동에 대한 원활한 해석을 진행할 수 있는 standard k-epsilon 모델을 사용하였다. 또한 hybrid initialization을 통해 속도, 압력 및 온도의 체적 평균값의 변화와 residual이 10^-6이하로 떨어지는 경우를 수렴 판정 기준으로 설정하였다.

성능/효과

1) 압력용기 내부의 유체 거동은 단일 출구의 직경보다는 압력용기의 높이와 관계가 깊으며, 높이가 증가하면 중력에 의해 유체의 운동에너지가 감소하여 서로 다른 유체의 간섭이 감소한다.
2) 압력용기의 단일 출구 직경이 커질수록 출구의 도입부에서 발생하는 부압의 크기는 압력용기 높이가 50 mm인 경우 각 50.57%, 15.84%로 감소하며, 높이가 100 mm인 경우 각 44.66%, 23.12%로 감소한다. 출구 직경이 증가함에 따라 부압의 크기는 감소하지만, 부압의 감소량은 줄어들게 된다.
3) 출구 도입부에 5 mm 크기의 필렛 형상을 추가하는 경우, 부압의 크기는 약 23.725%로 감소한다. 그 크기를 10 mm로 증가시킬 경우, 필렛이 없는 형상보다 부압의 크기는 약 9.
4) 작동 유체의 온도인 553.14 K에서 수증기의 포화 압력은 약 6415.49 kPa이며, 압력용기 내부에서 증가하는 압력은 포화압력에 도달하지 못한다. 따라서, 압력 변화에 의한 압력용기 내부 수증기 응축 현상은 발생하지 않는다.
격자 수렴 테스트를 위해 격자 크기에 따른 출구의 면적 가중 평균 속도(area weighted average velocity)를 비교하였다. 격자의 크기를 2 mm, 3 mm, 5 mm, 10 mm로 설정하여 해석을 진행한 결과, 각 1.56 m/s, 1.57 m/s, 1.60 m/s, 1.75 m/s로 격자의 크기를 2 mm와 3 mm 로 설정하였을 때 차이는 약 0.64%로 미미하였다. 하지만 격자의 수는 격자의 크기를 3 mm로 설정하였을 때 2,318,462개, 2 mm인 경우 5,464,245개였으며, 이는 약 2.
결과적으로, 출구가 입구로부터 멀리 떨어져 있으며, 단일 출구 직경이 가장 크고 필렛 형상이 추가되어 있는 Case 7과 Case 8이 유체의 간섭을 줄이고 부압 형성을 억제하는 효과를 가질 것이다.
36배 증가한 값이다. 결과적으로, 해석 속도 향상을 위해 격자의 크기를 3 mm로 설정하였다.
57%로, 계산 결과가 신뢰성 있다고 판단하였다. 해석 결과, 출구의 직경이 증가할수록 속도는 감소하였지만 유선에서는 큰 차이를 보이지 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	개질기에 주로 사용되는 연료는?	하지만 수소는 자연에서 직접 얻을 수 없는 2차 에너지로, 연료전지에 사용되는 수소를 양산하기 위해선 개질 기(reformer)가 필요하다. 개질기는 사용하는 연료에따라 메탄, 메탄올, 에탄올 등 그 종류가 다양하며, 그중에서도 메탄과 메탄올이 주로 사용되고 있다10). 메탄올 개질기의 경우, 메탄 개질기에 비해 작동 온도가 낮아11,12) 발전 장치의 열적 피로를 감소시킬 수 있으며, 별도의 연소기가 필요하지 않다는 장점을 가지고 있다.
	연료전지를 종래의 발전 방식과 비교하면?	이러한 문제점들을 해결하기 위해 자원이 풍부하며, 환경오염을 줄일 수 있는 신재생에너지에 대한 활발한 연구들이 세계적으로 진행되고 있다1,2). 그중 연료의 화학 에너지를 전기 에너지로 직접 변환시키는 연료전지3)는 열 혹은 운동 에너지로 인한 에너지 손실을 발생시키는 종래의 발전 방식에 비해 높은 효율을 가지고 있으며4), 환경오염물질의 배출이 적다는 장점을 가지고 있다5).
	수소를 연료로 사용하는 것의 단점은?	대부분의 연료전지는 수소를 연료로 사용하며6,7), 수소는 물에서 얻을 수 있어 풍부하고 에너지 저장과 이송이 가능하다는 장점을 가지고 있다8,9). 하지만 수소는 자연에서 직접 얻을 수 없는 2차 에너지로, 연료전지에 사용되는 수소를 양산하기 위해선 개질 기(reformer)가 필요하다. 개질기는 사용하는 연료에따라 메탄, 메탄올, 에탄올 등 그 종류가 다양하며, 그중에서도 메탄과 메탄올이 주로 사용되고 있다10).

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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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