[논문]수소용 다이어프램 압축기의 작동유 특성에 따른 수치해석

박현우; 신영일; 이영준; 송주헌; 장영준; 전충환

문제 정의

본 연구는 상용 유동 및 구조해석 프로그램인 ANSYS를 사용하여 다이어프램 압축기의 연성해석을 수행하고 이로부터 작동유의 특성에 따라 압축기 성능인자인 오일과 가스의 압력 및 다이어프램의 변형특성을 살펴보고자 한다.
압축기 특성에 영향을 주는 많은 설계변수들이 있지만 본 연구에서는 작동유의 체적탄성계수가 압축기에 미치는 영향을 알아보기 위하여 작동유의 체적탄성계수가 2*10⁹, 4.52*10⁹, 7*10⁹인 3가지 모델에 대해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 압축기가 압축하는 과정에 대해서만 수행하였고, 다이어프램이 변형되지 않는 위치에 도달하는 시점을 해석의 시작위치로 정하여 압축이 끝나는 시점까지 해석을 수행하여 가스 및 작동유의 압력과 다이어프램의 수직변위를 살펴보았다.

가설 설정

수치해석은 압축기가 압축하는 과정에 대해서만 수행하였고, 다이어프램이 변형되지 않는 위치에 도달하는 시점을 해석의 시작위치로 정하여 압축이 끝나는 시점까지 해석을 수행하여 가스 및 작동유의 압력과 다이어프램의 수직변위를 살펴보았다. 또한 실제 압축기와는 다르게 본 연구에서는 가스의 토출은 없다고 가정하여 해석을 수행하였다.
압축기 내부의 유동은 압축성 난류유동으로 가정하였으며, 내부압력을 계산하기 위해서 사용된 지배방정식은 연속방정식과 운동량 및 에너지 보존 방정식이 사용되었다. 난류모델은 압축점성 유동을 다루는데 적절하고 이미 공학적으로 타당성을 검증받은 κ－ε 모델을 사용하였다.

제안 방법

초기압력을 계산하기 위하여 식 (1)을 사용하여 초기압력을 145bar로 정하였다.⁸⁾ 유동해석의 경계조건은 유체의 흡입․토출이 없기 때문에 모두 벽으로 설정하고, 열전달이 없는 단열조건을 적용하였다. 피스톤 헤드에 해당하는 면은 움직일 수 있도록 설정하여, 그림 2와 같은 시간에 따른 위치변화를 따라 움직일 수 있도록 하였다.
격자생성 프로그램인 ICEM-CFD를 이용하여 그림 3, 4와 같이 약 15만개, 5만개의 격자를 생성하여 유동해석과 구조해석에 사용하였다. 연성 해석의 용이성을 위하여 구조해석에서의 다이어 프램 면의 노드와 이에 접하는 유동해석의 가스및 오일의 접촉면의 노드를 동일하게 하였다.
피스톤 헤드에 해당하는 면은 움직일 수 있도록 설정하여, 그림 2와 같은 시간에 따른 위치변화를 따라 움직일 수 있도록 하였다. 구조해석에서는 각 다이어프램 면과 캐비티 곡면이 해석과정 중 접촉하기 때문에 마찰조건으로 설정하였고 가스와 오일이 접촉하는 다이어프램 면은 유동해석으로압력이 전달될 수 있도록 하며, 다른 영역은 모델이 움직이지 않도록 고정조건으로 하였다. 해석결과는 수치해석 각 단계에서 종속변수들의 잔류값이 10^-4이하에 도달하면 수렴한 것으로 간주하여 다음 단계로 넘어가도록 설정하였다.
다이어프램 압축기 작동유의 체적탄성계수가 2*10⁹ , 4.52*10⁹ 및 7*10⁹인 3가지로 변화할 때, 수치해석을 수행하여 가스 및 작동유의 압력변화, 다이어프램의 수직변위를 살펴보았다. 체적탄성계수가 7*10⁹인 모델에서 가장 큰 수직변위, 가스 및 작동유의 압력이 나타나며, 2*10⁹인 모델에서 가장 작은수직변위, 가스및작동유압력이나타나는것 일 볼 수 있었다.
다이어프램이 변형되지 않는 위치의 상태조건을 해석의 초기조건으로 하였다. 초기압력을 계산하기 위하여 식 (1)을 사용하여 초기압력을 145bar로 정하였다.
그림 5 다이어프램 중심에서의 수직변위를 보여주고 있다. 수직변위는 가스헤드의 최대높이인 Y_0,gas로 나누어 무차원화 하였고, 시간은 해석시간을 기준으로 무차원화 하였다. 그림 6은 압축 종료시의 다이어프램 반경방향의 수직변위이다.
52*10⁹, 7*10⁹인 3가지 모델에 대해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 압축기가 압축하는 과정에 대해서만 수행하였고, 다이어프램이 변형되지 않는 위치에 도달하는 시점을 해석의 시작위치로 정하여 압축이 끝나는 시점까지 해석을 수행하여 가스 및 작동유의 압력과 다이어프램의 수직변위를 살펴보았다. 또한 실제 압축기와는 다르게 본 연구에서는 가스의 토출은 없다고 가정하여 해석을 수행하였다.
격자생성 프로그램인 ICEM-CFD를 이용하여 그림 3, 4와 같이 약 15만개, 5만개의 격자를 생성하여 유동해석과 구조해석에 사용하였다. 연성 해석의 용이성을 위하여 구조해석에서의 다이어 프램 면의 노드와 이에 접하는 유동해석의 가스및 오일의 접촉면의 노드를 동일하게 하였다.
압축기는 500rpm으로 구동하고, 작동유체로 가스는 수소, 오일은 글리세롤을 사용하였다. 해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2 만을 모델링 하였다. 다이어프램의 재질은 부식과 산화에 뛰어난 특성을 보이는 300계열의 스테인리스 스틸 중에서 301을 사용하였으며,⁶⁾ 다이어프램 3장을 적층하여 해석하였다.

대상 데이터

해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2 만을 모델링 하였다. 다이어프램의 재질은 부식과 산화에 뛰어난 특성을 보이는 300계열의 스테인리스 스틸 중에서 301을 사용하였으며,⁶⁾ 다이어프램 3장을 적층하여 해석하였다.⁷⁾
본 연구에 사용된 해석모델은 53bar의 수소를 450bar로 압축하는 시스템이다. 압축기는 500rpm으로 구동하고, 작동유체로 가스는 수소, 오일은 글리세롤을 사용하였다.
본 연구에 사용된 해석모델은 53bar의 수소를 450bar로 압축하는 시스템이다. 압축기는 500rpm으로 구동하고, 작동유체로 가스는 수소, 오일은 글리세롤을 사용하였다. 해석의 용이성을 위하여 압축기의 1/2 만을 모델링 하였다.

이론/모형

난류모델은 압축점성 유동을 다루는데 적절하고 이미 공학적으로 타당성을 검증받은 κ－ε 모델을 사용하였다.

성능/효과

5) 이를 위하여 수소 스테이션의 핵심기기인 수소압축기는 700bar 보다 높은 압축성능이 필요 하다. 다이어프램 수소압축기는 왕복동식 압축기의 변형된 형태로 왕복동식 압축기보다 압축용량이 작다는 단점이 있지만 700bar이상의 고압 압축이 가능하고, 수소 · 연료전지 자동차가 요구하는 99.
체적 탄성계수는 압축계수의 역수로 체적탄계수가 클수록 압축계수는 작아진다. 또한 압력이 상승할수록 압축계수에 의한 영향이 커지며, 따라서 체적탄성계수가 가장 큰 7*10⁹인 모델에서 작동유의 부피감소가 가장 작아서 다이어프램의 변형이 가장 크게 나타난다고 사료된다.
52*10⁹ 및 7*10⁹인 3가지로 변화할 때, 수치해석을 수행하여 가스 및 작동유의 압력변화, 다이어프램의 수직변위를 살펴보았다. 체적탄성계수가 7*10⁹인 모델에서 가장 큰 수직변위, 가스 및 작동유의 압력이 나타나며, 2*10⁹인 모델에서 가장 작은수직변위, 가스및작동유압력이나타나는것 일 볼 수 있었다. 반면에 작동유의 밀도는 2*10⁹인모델에서 가장 큰 값을 가지며, 7*10⁹인 모델에서 가장 작은 것을 볼 수 있었다.

후속연구

이러한 이유는 체적 탄성계수는압축계수의역수로체적탄성계수가작으면 압축계수가 커져 작동유의 압축성이 커져 피스톤에 의해 생성된 힘이 작동유의 압축에 소모되어 다이어프램의 변형에 미치는 힘이 적어지고, 이에 따른 가스압력 손실로 이어질 수 있음을 알 수 있었다. 이상의 결과들은 다이어프램 압축기 설계에 있어 중요한 자료로 활용할 수 있을 것으로 사료된다.

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

수소용 다이어프램 압축기의 작동유 특성에 따른 수치해석
Numerical Analysis on a Dependence of Hydrogen Diaphragm Compressor Performance on Oil Characteristics 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

수소용 다이어프램 압축기의 작동유 특성에 따른 수치해석 Numerical Analysis on a Dependence of Hydrogen Diaphragm Compressor Performance on Oil Characteristics 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

수소용 다이어프램 압축기의 작동유 특성에 따른 수치해석
Numerical Analysis on a Dependence of Hydrogen Diaphragm Compressor Performance on Oil Characteristics 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper