CFD를 이용한 SOFC용 10kW급 열교환식 개질기 내부 열유동 해석 = Study on a Heat Exchanger Type Steam Reformer for 10kW Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) using CFD

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

(Abstract)
Analysis and study of the reformer is global warming, due to the depletion of resources and environmental issues such as smog have been more concerned about the actual efficiency in a situation where the attention model to the hydrogen production unit, and small, the light weight and economy studies are underway to secure. For this reason, the shape of the reformer is becoming smaller and more complex. The need of CFD (Computational Fluid Dynamics) can be used widely in predicting the shape of the reformer and functions. But so far, but this paper on the interpretation and reaction models for many reformers ever released as a result of using a real reformer interpreted hagieneun is difficult to predict the exact outcome la. This is the actual operating conditions in the process of applying the scheme through a variety of analysis parameters are compared with the actual reformer reaction according to the shape and operating condition of the reformer considered error occurring due to a difficult problem in the application of a number of other variables would be there. Inside of which the temperature distribution is not considered by the state of exactly one of the heat transfer coefficient of the catalyst inside the reformer filled with a catalyst for the temperature condition of the heat exchanger, the chemical reaction for the chemical reaction and the other model of the actual reformer CFD analysis of shows the differences between the analytical model. In this paper, we proceed to compare the analytical model considering the heat transfer coefficient for the Nickel Catalysts filled the inside of the cylindrical model more chewy and reputation model.
This study analyzes the cylindrical and planar steam reformer through computational fluid dynamics simulations. Installing the device in a number of holes distributed uniformly to the fluid flowing into the inlet to the analysis was performed. When the number of holes through the middle of the standard deviation 6x4 block flow can be confirmed that the most uniform.
Fluid-structure is increased with an increased flow rate through the inlet of the thermal stress analysis and to determine that the FSI less than one have a significant impact to the wall thickness of the thermal stress.
Reforming well plate reformer model used three kinds of chemical reactions (SR: steam, DSR reform: Mercury gas: Direct steam is WGS reforms) are considered as Arrhenius model and Xu. The purpose of this study was to precisely predict the hydrogen generation rate according to different inlet and the wall temperature condition. As the hydrogen generation was confirmed by the fact that the hydrogen concentration is increased at the outlet, water vapor, methane and the steam exhausted and the mass fraction decreases. A reforming reaction actively occurs along the high temperature region in the vicinity of the heat exchange surface. Parallel flow conditions was found to show a big stress distribution compared to Counter flow. Flatbed reformer outside temperature distribution through the internal reforming reaction analysis 900℃~700℃ in the condition was confirmed that it has the best modification efficiency. For a plate-like shape that is complementary emulsion heat transfer effect is significantly visible, but the flow of the fluid by not smooth for the shape to improve the flow of fluid seems to need.

국문 초록 (Abstract)

(초록)
지구온난화, 스모그 등의 환경문제와 자원고갈 문제로 인하여 연료전지와 수소 개질기는 현재 많은 관심을 받고 있다. 특히 수소 개질기는 고효율화 및 안정성 확보 뿐만 아니라 소형화, 경량화 등을 위해서 많은 연구가 진행되고 있다.
CFD(Computational Fluid Dynamics)는 개질기 형상설계 및 성능예측을 위해 최근 폭넓게 사용되어 왔다. 그러나 현장의 개질반응을 정확하게 해석하기에는 해결해야 할 많은 문제들이 남아 있는 현실이다.
본 논문에서는 기존에 널리 사용되어 왔던 원통형 개질기와 단위 체적당 전열면적특성이 우수한 판형 개질기를 대상으로 연구를 진행하였다. 판형 개질기 설계에서는 원통형 개질기와는 달리 각각의 평판 열교환기 채널로 유동을 균등하게 분배하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 개질기의 입구에 장착된 천공된 두 평판을 이용하여 개질기 채널별로 균일한 유량을 공급할 수 있는 형상을 CFD를 이용하여 최적화하였다.
구조해석과 유동해석을 동시에 진행하는 FSI(Fluid Structure Interaction) 해석을 수행하여, 원통형 개질기의 열응력을 예측하였다. 해석결과 고온 공기측과 저온 공기측의 온도차가 큰 평행류에서 대향류에 비해 큰 열응력이 발생함을 확인하였다.
현재 가장 널리 사용되는 Xu 개질반응 모델을 이용하여 판형 개질기내부의 화학반응을 해석하였다. 해석결과 벽면 온도를 800℃ 이상으로 유지할 경우 평행류와 대향류 운전조건과 상관없이 약 86% 이상의 메탄이 소모되고 약 74% 이상의 출구 수소 몰분율을 얻을 수 있음을 확인하였다. 반면, 개질가스가 입구부터 수소로 변환되는 특성에 의하여 평행류가 400℃∼900℃ 해석 구간에서 전반적으로 대향류에 비해 우수한 메탄전환율 과 출구 수소몰분율 특성을 보임을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• Ⅰ. 서 론 1
• 1. 연구개요 1
• 2. 문헌조사 9
• 3. 연구범위 11
• Ⅱ. 유동분배해석 12
• 1. 난류모델 이론적 고찰 12
• 2. 형상모델 15
• 3. 해석조건 16
• 4. 해석결과 18
• Ⅲ. 열전달해석 21
• 1. 다공성 유체 모델링 21
• 2. 형상모델 22
• 3. 해석조건 23
• 4. 해석결과 24
• Ⅳ. FSI해석 28
• 1. FSI 28
• 2. 형상모델 28
• 3. 해석조건 29
• 4. 해석결과 29
• Ⅴ. 개질반응해석 39
• 1. 이론적 고찰 39
• 2. 수치해석 모델 41
• 3. 형상모델 및 경계조건 44
• 4. 해석결과 46
• Ⅵ. 결 론 62
• ■ 참 고 문 헌 63
• ■ Abstract 65