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연료전지 수소재순환 이젝터 성능 해석
Performance Analysis on a Hydrogen Recirculation Ejector for Fuel Cell Vehicle 원문보기

한국전산유체공학회 2008년도 춘계학술대회논문집, 2008 Mar. 26, 2008년, pp.256 - 259  

남궁혁준 (현대로템 기술연구소) ,  문종훈 (현대로템 기술연구소) ,  장석영 (현대로템 기술연구소) ,  홍창욱 (현대로템 기술연구소) ,  이경훈 (현대로템 기술연구소)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ejector system is a device to transport a low-pressure secondary flow by using a high-pressure primary flow. Ejector system is, in general, composed of a primary nozzle, a mixing section, a casing part for suction of secondary flow and a diffuser. It can induce the secondary flow or affect the secon...

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문제 정의

  • Grid System은 사각형 Mesh와 삼각형 Mesh를 사용한 Hybrid Grid System을 구축하였고 해석에 사용된 격자수는 약 65만개로서 벽면에 대한 경계층 및 점성 효과를 모사하기 위해서 Y+값이 100이하로 Prism 격자를 생성시켰다. 격자는 3차원 전 영역을 계산함으로써 수소가스 및 흡입 혼합가스가 디퓨저 벽면에 충돌 후 발생할 수 있는 2차 유동 효과까지 계산하여 결과의 정확도를 향상시키고자 하였다.
  • 본 연구를 통해 수소재순환 이젝터에 적용하기 위한 공력 설계 Code를 개발하였으며 시험 및 CFD해석 결과를 통해 검증하였다. 공력 설계 Code를 활용한 이젝터 최적 형상 설계를 수행하였다.
  • 연료전지 스택으로 공급되는 압력을 일정하게 유지하면서 흡입 유량 (m2)를 크게 하고 이젝터 크기를 최소화할 수 있는 설계안을 도출하였다. 상품성과 외부 환경에 따른 운용이 용이한 수소 재순환이젝터의 적용 가능성을 파악하기 위하여 블로어와 이젝터가 동시에 사용되는 하이브리드 방식의 수소공급시스템의 통합 설계/제어 기술을 개발 중에 있으며 이와 관련하여 이젝터 설계 평가 기술을 확보하였다. 또한 이젝터의 탈 설계 성능을 향상시켜 수소공급시스템의 효율을 높이기 위한 기본 틀을 확립하였으며, 멀티 이젝터 및 가변 수소 유량/압력 조절을 통해 하이브리드 운전 범위를 확대하고, 이젝터만을 장착한 수소공급시스템의 설계안을 도출할 계획이다.
  • 그림 1은 본 연구에서 개발하고자 하는 하이브리드 방식의 수소재순환 시스템을 보여주고있다. 이젝터와 수소재순환 블로워를 동시에 사용하여 연료전지 차량의 운전 조건을 안정적으로 만족시키고자 하였다. 버스용 연료전지 수소재순환장치에 활용되는 이젝터가 하이브리드 운전 조건에서는 이젝터의 구동압력비가 비교적 낮으므로, 1차 노즐 출구에서 유동은 아음속이거나 음속상태로 설계하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
아음속 및 음속 이젝터의 유동과 성능평가에 관한 연구자료가 많지 않은 이유는? 현재까지 아음속 및 음속 이젝터 유동에 관한 연구결과는 많지 않으며, 이젝터의 성능평가나 실용적 설계를 위한 연구자료는 매우 부족한 실정에 있다. 이것은 이젝터가 아음속 상태로 운전되는 경우, 이젝터 내부에서 발생하는 1차유동 및 2차유동의 혼합특성, 배기성능 및 진공성능 등의 이젝터 유동 특성들은 이젝터의 구동압력비에 강하게 의존하게 되므로, 단순한 이론적 수단으로 아음속/음속 이젝터의 성능을 평가하는 것은 용이하지 않기 때문이다. 또 부분적으로는 이젝터의 성능에 밀접하게 관계하는 1차노즐의 직경, 이젝터의 목직경, 혼합부의 길이, 디퓨저의 길이 등 초음속 이젝터 유동에 비하여 많은 유동 특성길이가 존재하게 되므로, 아음속 이젝터 유동장을 해석하는 것은 매우 곤란하다. 본 연구에서는 1차원 기체역학 이론에 1, 2차 유동의 압축비, 디퓨저의 손실계수, 2차 유동의 손실계수 및 디퓨저의 팽창비를 적용하였다.
이젝터란 무엇인가? 일반적으로 이젝터 (ejector)는 고압의 유체를 노즐로 분출시켜, 그 분류 주변의 저압기체와 운동량 교환을 통하여 저압의 유체를 보다 높은 압력까지 압축하여 수송하는 장치이다. 이젝터는 노즐(nozzle), 혼합부(mixing section) 및 디퓨저(diffuser)로 구성되어 있으며, 이젝터 시스템 전체에 어떤 회전부분이나 활동 부분을 가지지 않는 유체기계이므로 고장이 적고, 소형임에도 불구하고 대용량의 유체를 압축 또는 수송 할 수 있는 특징을 가지고 있다.
이젝터의 구성 요소는? 일반적으로 이젝터 (ejector)는 고압의 유체를 노즐로 분출시켜, 그 분류 주변의 저압기체와 운동량 교환을 통하여 저압의 유체를 보다 높은 압력까지 압축하여 수송하는 장치이다. 이젝터는 노즐(nozzle), 혼합부(mixing section) 및 디퓨저(diffuser)로 구성되어 있으며, 이젝터 시스템 전체에 어떤 회전부분이나 활동 부분을 가지지 않는 유체기계이므로 고장이 적고, 소형임에도 불구하고 대용량의 유체를 압축 또는 수송 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이젝터는 1차 노즐로부터 방출되는 유동이 아음속(subsonic), 음속(sonic) 그리고 초음속(supersonic)인 경우 각각 아음속, 음속 및 초음속 이젝터로 분류된다.
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