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수소 고압 부품 평가장비용 안전밸브에 관한 해석적 연구
이준호(Junho Lee),정현지(Hyunji Jung),한상욱(Sangwook Han),양정직(Jeongjik Yang),오진식(Jinsik Oh) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
수소와 관련된 산업이 지속적으로 확장하고 있어 관련부품을 평가하는 장비 활용이 많아지고 있으나, 최근 트렌드에 맞는 고압조건을 고려하지 않고 설계된 경우가 많아 실제 평가 시 평가장비의 내구성이 문제가 되는 경우가 많다. 수소의 특성상 문제 발생시 대형사고로 이어질 수 있기 때문에 기존 시스템에 대한 안전성 보완 등에 대한 문제가 대두되고 있으며, 이에 정부에서 적극적으로 지원하고 있는 수소 관련 정책과 맞물려 고압수소 부품평가에 적합한 국산 전용 장비개발이 진행되고 있다. 현재 수소부품 평가장비에서 가장 빈번하게 발생하는 문제는 부품의 내구평가 진행 시 고압(공압/수압) 유동에 의해 평가 장비의 압력 제어 시스템이 누적 하중을 견디지 못하고 파손되는 것으로, 고압용 안전밸브를 활용하여 시스템 오작동에 따른 고압발생 시 압력을 바깥으로 배출하여 시스템 및 기타장치를 보호하고, 압력 배출이 후 설정된 압력 이하로 유지시키고 있다. 본 논문의 내용은 고압용 수소부품 평가장비 개발의 핵심 연구내용 중 하나인 수압평가 장비에 적용 가능하도록 설계된 안전밸브의 유량계수를 수치해석을 통해 예측한 연구이다. 해당 안전밸브 모델은 허용 압력을 초과하는 고압 발생 시 유체 압력에 의해 플러그가 이동하여 유로가 개방되는 구조로 최대 20,000psi까지 적용가능한 밸브이다. 플러그가 6mm 이동했을 때 유로가 모두 개방된 상태로 볼 수 있어 플러그의 위치별로 1.5mm, 3mm, 4.5mm, 6mm 조건에 대하여 해석을 수행하였다. Polyhedral mesh를 150만개 사용하여 해석을 진행하였고, 해석결과플러그가 1.5mm 이동했을 때 유량계수는 약 0.25 수준이었고, 플러그가 6mm 이동하여 최대로 열렸을 경우에 유량계수는 1.31 수준으로 예측되었다.