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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김정철
- 발행연도
- 2023
- 저작권
- 과학기술연합대학원대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수14
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전 세계의 연구자들이 수소사회를 구축하기 위한 다양한 연구를 추진하고 있다. 이러한 노력의 일환으로, 낮은 밀도를 극복하기 위해 수송방식을 기체수소에서 액체수소로 전환하고 있다. 이러한 변화의 최전선에는 on-site cryo-reservoir에 저장된 액체수소를 on-board 수소 저장탱크로 수송하는 중추적인 역할을 하는 액체수소 충전소가 있다. 본 논문에서 저자는 액체수소 충전소의 핵심 부품인 극저온 및 고압 왕복펌프에 초점을 맞춘다.
독일의 LINDE AG는 90 MPa, 100 kg/h, 20 K 액체수소 극저온 고압 왕복동 펌프라는 최첨단 기술을 개발하여 세계 최고 수준으로 평가받고 있다. 그러나, 국내 기술로는 최대 압력이 30 MPa에 이르며, 현재 액체수소용 펌프는 존재하지 않는다. 따라서 본 논문은, 세계적 선도 기술인 90 MPa 액화수소 극저온 고압 왕복동 펌프를 개선에 필요한 핵심 기술이면서, 동시에 국내 구현이 가능한 기술을 제시하고자 한다. 이러한 기준을 충족하는 핵심 기술이 priming 기술과 상용 1-D CFD 시뮬레이션 기술이다. 따라서 본 논문에서 저자는, 극저온 고압 왕복동 펌프를 위한 priming 기술과 상용 1-D CFD 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 기술을 제시하고자 한다.
본 연구 과정은 크게 세 단계로 나뉘어 진행되었다. 1 단계는 극저온 고압 실험으로서, 2단계와 3단계를 위한 사전연구 단계이다. 1 단계에서는 극저온 고압 왕복동 펌프 시스템의 개념 설계, priming을 위한 상세 설계, priming 실험 및 극저온 고압 실험을 수행하였다. 2 단계는 본 논문의 목적 중 하나인 priming의 체계화에 관한 연구 단계이다. 2단계에서는 1 단계의 실험을 통해 얻은 경험으로 failure case report를 작성하여 priming을 체계화하였다. 마지막으로, 3 단계는 본 논문의 또다른 목적 중 하나인 1-D CFD 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 연구 단계이다. 3 단계에서는 상용 1-D CFD 소프트웨어인 Simulation X를 사용하여 극저온 고압 왕복동 펌프 시스템을 모사하였다.
저자는 1단계 연구를 통해 압력 priming의 수치해석 결과가 priming 실험 결과와 평균절대오차가 6.5%인 정도로 근접하다는 것을 확인하였고, 압력 priming으로 액체를 99% 이상 사용할 수 있는 조건을 도출하였다. 또한, 0.6 ~ 4.0 MPa의 고압을 달성했고, 모든 경우에 걸쳐 약 5.8 LPM의 유량을 확인했다. 성공적인 가압과 일정한 유량은 priming이 성공적으로 수행되었다는 증거이다. 2 단계 연구를 통해 저자는 1 단계에서 겪었던 시행착오를 기록하여 failure caser report를 작성하였고, 이를 토대로 순도, 온도, 압력, 액면높이에 대한 문제 및 해결방안을 제시하였다. 또한, 미숙련 현장작업자도 priming이 가능하도록 priming 과정을 algorithm으로 체계화하였다. 마지막 3단계 연구를 통해 저자는, library에 없는 극저온 레저버, 배관, 챔버, 밸브 등을 모델링 하였다. 또한, 예냉이 되어있는 상황에서는 시뮬레이션이 합리적일 수 있다는 것과, 1 단계의 고압 실험결과가 3 단계의 시뮬레이션 결과가 유사한 경향을 나타내는 것을 확인하였다.
독일의 LINDE AG는 90 MPa, 100 kg/h, 20 K 액체수소 극저온 고압 왕복동 펌프라는 최첨단 기술을 개발하여 세계 최고 수준으로 평가받고 있다. 그러나, 국내 기술로는 최대 압력이 30 MPa에 이르며, 현재 액체수소용 펌프는 존재하지 않는다. 따라서 본 논문은, 세계적 선도 기술인 90 MPa 액화수소 극저온 고압 왕복동 펌프를 개선에 필요한 핵심 기술이면서, 동시에 국내 구현이 가능한 기술을 제시하고자 한다. 이러한 기준을 충족하는 핵심 기술이 priming 기술과 상용 1-D CFD 시뮬레이션 기술이다. 따라서 본 논문에서 저자는, 극저온 고압 왕복동 펌프를 위한 priming 기술과 상용 1-D CFD 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 기술을 제시하고자 한다.
본 연구 과정은 크게 세 단계로 나뉘어 진행되었다. 1 단계는 극저온 고압 실험으로서, 2단계와 3단계를 위한 사전연구 단계이다. 1 단계에서는 극저온 고압 왕복동 펌프 시스템의 개념 설계, priming을 위한 상세 설계, priming 실험 및 극저온 고압 실험을 수행하였다. 2 단계는 본 논문의 목적 중 하나인 priming의 체계화에 관한 연구 단계이다. 2단계에서는 1 단계의 실험을 통해 얻은 경험으로 failure case report를 작성하여 priming을 체계화하였다. 마지막으로, 3 단계는 본 논문의 또다른 목적 중 하나인 1-D CFD 소프트웨어를 활용한 시뮬레이션 연구 단계이다. 3 단계에서는 상용 1-D CFD 소프트웨어인 Simulation X를 사용하여 극저온 고압 왕복동 펌프 시스템을 모사하였다.
저자는 1단계 연구를 통해 압력 priming의 수치해석 결과가 priming 실험 결과와 평균절대오차가 6.5%인 정도로 근접하다는 것을 확인하였고, 압력 priming으로 액체를 99% 이상 사용할 수 있는 조건을 도출하였다. 또한, 0.6 ~ 4.0 MPa의 고압을 달성했고, 모든 경우에 걸쳐 약 5.8 LPM의 유량을 확인했다. 성공적인 가압과 일정한 유량은 priming이 성공적으로 수행되었다는 증거이다. 2 단계 연구를 통해 저자는 1 단계에서 겪었던 시행착오를 기록하여 failure caser report를 작성하였고, 이를 토대로 순도, 온도, 압력, 액면높이에 대한 문제 및 해결방안을 제시하였다. 또한, 미숙련 현장작업자도 priming이 가능하도록 priming 과정을 algorithm으로 체계화하였다. 마지막 3단계 연구를 통해 저자는, library에 없는 극저온 레저버, 배관, 챔버, 밸브 등을 모델링 하였다. 또한, 예냉이 되어있는 상황에서는 시뮬레이션이 합리적일 수 있다는 것과, 1 단계의 고압 실험결과가 3 단계의 시뮬레이션 결과가 유사한 경향을 나타내는 것을 확인하였다.
목차
국문 초록 - IAbstract - IIIList of Tables - VIIList of Figures - VIII1. Introduction - 12. Experiment - 222.1 Conceptual design - 222.2 Detailed design for priming - 382.3 Experiment of priming - 722.4 Experiment of cryo high pressure - 923. Priming systemization - 1054. Simulation of cryo high pressure - 1185. Conclusions - 145
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