[논문자료] 충격 하중 조건에서의 Type IV 수소 압력용기 구조건전성 분석

출처: 픽사베이

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범 세계적으로 화석 연료로 인한 환경 오염이 심화되면서 이를 규제하기 위하여 국제적 협약인 기업평균 연비 (CAFÉ)와 같은 제도를 만들었으며, 동시에 화석 연료를 대체할 대체 연료의 필요성이 강조되어 수소 에너지를 활용 한 연구가 각광받고 있다. 환경 오염으로부터 자유로우며, 대체 에너지로써의 가능성이 매우 높은 수소 에너지를 원료로 연료전지 차량의 개발이 가속화되고 있다.

 

연료 전지 차량에서 수소를 저장하는 수소 압력용기의 경우 수소의 낮은 에너지 밀도를 해결하기 위해 매우 높은 압력으로 수소를 압축하여 저장하기 때문에 폭발 등의 위험으로부터 운전자를 보호하고 안전성을 확보하고자 일반적인 금속 재료가 아닌 비강성, 비강도가 높은 고가의 탄소섬유 복합재료를 활용하여 제작하고 있다.

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO201616553238577

본 논문에서는 Type IV 수소 압력용기 시제품에 FBG 센서를 삽입하여 충격하중에 대한 용기의 구조 건전성 변화를 분석하였다.

FBG 센서를 삽입할 위치를 선정하기 위하여 플라이 모델링 기법과 국부 좌표계 적용을 통하여 복합 재료의 이방성 물성을 정확하게 구현한 해석을 수행하였다. 해석을 통해 실린더 부, 실린더와 돔의 연결부, 돔 부, 총 세개의 취약부를 선정하였으며, 취약부는 모두 헬리컬과 고 헬리컬 와인딩에 속한 복합재료부인 것을 확인하였다. 선정된 취약부에 센서를 삽입하기에 앞서 참고문헌 조사와 FBG 센서 및 변형률 게이지와 신장계를 동시에 부착한 실제 시편실험을 통해 FBG 센서를 비직교 방향으로 삽입시 FBG 센서의 측정 신뢰성을 확인하였다. 필라멘트 와인딩 특성상 ±θ로 와인딩이 수행되기 때문에 이후 실제 용기에도 동일한 방식으로 해당 와인딩 층의 비직교 방향으로 삽입을 수행하였다. 센서 삽입 후 실험을 수행한 결과 비충격 가압 실험에서 변형률 경향은 해석과 동일한 거동을 보였다. 충격 가압 실험에서는 충격 횟수가 증가할수록 수소 압력용기의 충전시간이 증가하였으며, 이는 충격 하중으로 인한 구조 건전성 저하에 의한 결과로 분석된다. 각 충 격실험에서의 피로 실험 데이터 중 무작위로 결과를 추출하여 충전률을 분석한 결과 전체적으로 감소하는 경향이 보임을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 용기에 이상이 발생함을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

 

본 연구결과는 수소 압력용기의 구조물 건전성 모니터링에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

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압력용기 C-clamp Type

압력용기 소개와 종류

 

압력용기란 일정한 압력을 받는 용기를 말하며, 반응기, 열교환기, 조정고등 산업용부터 대형용기까지 고온, 고압을 견딜 수 있습니다. 생산 공정에 따라서 다양한 압력용기로 분류가 됩니다. 일신오토클레이브는 ASME(미국기계기술자 협회 안전 규정)에 맞추어 설계 및 제작이 진행되고 있습니다. 또한 한국 가스 안전공사 및 산업안전관리공잔 인증을 통한 제작을 하고 있습니다.

 

압력용기는 대기압외에 압력의 액체,기체를 보관하는 용기를 말합니다. 흔히 보일러를 일컫는 말이기도 하지만, 압력 용기는 열기,증기등 다양한 환경속에서 내용물의 가열, 반응의 공정을 진행하거나 고온, 고압의 유체를 축척하는 역할을 합니다.

구분	종류
기능에 의한 분류	가열 목적 : 열 교환기, 온수 가열기, 정련기, 다단식 취사기 등 반응 목적 : 반응기, 반응탑 등 성분 분리 목적 : 증발기, 증류탑, 추출기 등 고온의 유체 보유 : 플래시 탱크, 탈기기, 스팀어큐뮬레이터 등
형상에 의한 분류	열 교환기 : 서로 온도가 다른 두 유체 사이에서 열 교환을 수행하는 장치 탑조류 : 비등점의 차이가 있는 액체 혼합물을 가열, 기화시켜 각 성분을 분리하기 위한 장치 반응기 : 반응 물질을 투입하여 원하는 화합물로 변화시키기 위한 용기 저장용기 : 액체저장 용기, 기체 저장용기 구형 탱크 : 내압력에 대한 강도가 커 경제적이며 압축가스나 저온액화가스 저장용으로 사용

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