PEMFCTABLE OF CONTENTSTABLE OF CONTENTS ---------------------------------ⅠLIST OF FIGURES -------------------------------------ⅡLIST OF TABLES -------------------------------------Ⅱ1. INTRODUCTION ------------------------------------11.1 PEMFC ------------------------------------------11.1.1 PEMFC의 장점 ----------------------------------21.2 수소 생산 ----------------------------------------21.2.1 Reforming -------------------------------------21.2.2 WGS------------------------------------------31.2.3 PROX -----------------------------------------31.3 촉매 -------------------------------------------42. DESIGN -------------------------------------------62.1 가정 --------------------------------------------62.1.1 가정1 Reforming --------------------------------62.1.2 가정2 WGS ------------------------------------72.1.3 가정3 PROX ------------------------------------72.2 Calculation ---------------------------------------82.2.1 Reforming 계산 ---------------------------------82.2.2 WGS 계산 -----------------ameter -------------------------------10Table 5.SR반응 양론표 -----------------------------------11Table 6.Reactor2 parameter ------------------------------12Table 7.WGS 양론표 -------------------------------------12Table 8.Reactor3 parameter -------------------------------14Table 9.PROX 양론표 ------------------------------------15Table 10Polymath 결과(Reforming) --------------------------17Table 11Polymath 결과(WGS) ------------------------------19Table 12Polymath 결과(PROX) -----------------------------201. INTRODUCTION1.1 PEMFCPEMFC(Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell), 고분자 전해질 막 연료 전지는 고분자를 전해질로 사용하는 연료전지이며, 100°C 이하에서 운전되며, 주로 사용되는 운전온도는 상온에서 80°C 정도이다. 연료 극(Anode)에서 생산된 수소이온(H+)은 전해질을 통해서 공기 극(Cathode)으로 이동하고, 공기 극에서 산소와 반응하여 물을 생성하면서 전기를 발생시킨다. 고분자 전해질을 사용하는 연료전지는 일반적으로 말하는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)와 직접 메탄올 연료전지(Direct Methanol Fuel Cell, DMFC)가 있으며, 이 두 형태의 연료전지가 모두 프로톤 교환막을 사용하기 때문에 이 둘을 합하여 프로톤 교환 막 연료전지(Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC)라고도 한다. 일반적으로는 고분자 전해질 연료전지(PEFC)는 수소를 연료로 사용하는 경우40-400개 정도의 평행으로 배열된 관으로 이루어져 있으며 촉매로는 주로 Ni/Al2O3가 사용된다. 이와 같은 시스템으로 구성된 MSR 반응은 흡열 가역 반응으로서 반응 완결 상태의 전화율은 평형 상태에 의하여 결정된다. 따라서 높은 전화율을 얻기 위해서는 높은 온도로 반응기를 유지하거나 반응 생산물을 연속적으로 제거함으로써 평형을 생성물 쪽으로 이동시켜 준다.일반적으로 탄화수소의 개질은 다음과 같이 표현된다. [1]Reforming : CH4 + H2O → CO + 3H2 △H= +207.9 kJ/mol - (4)1.2.2 WGS증기개질 반응에서 생성된 합성가스 중에 CO 조성은 일반적으로 약 7-12%로서 상당히 높은 수준이므로 이를 낮추기 위한 반응 공정으로서 수성가스 전이(water gas shift) 반응이 필요하다. 이 반응은 일차로 생성된 일산화탄소가 수증기와 반응함으로써 이산화탄소로 전환됨과 동시에 수소 농도를 증가시키게 되며 반응식은 다음과 같다.WGS : CO + H2 △H= -41.9kJ/mol - (5)위 반응은 온화한 발열반응으로서 평형상수가 온도증가에 따라 감소하게 되므로, 높은 전화율을 위해서는 저온반응이 유리하며 압력에는 영향을 받지 않는다. 이러한 열역학적 제한을 줄이기 위한 보편적인 방법으로 반응기를 2단(고온전이공정(HTS)-저온전이공정(LTS))으로 운영하게 되는데 전자는 반응속도를 높이는 것이 주 목적이며 후자는 높은 전화율을 얻기 위함이다. [2]1.2.3 PROX수성가스 전이 반응기를 거쳐서 배출되는 개질 수소연료에는 일반적으로 일산화탄소가 약 0.5-1% 정도 포함되어 있다. 그런데 이는 연료전지 음극(Pr)에 강하게 흡착하여 피독시킴으로써 스택성능을 저하시키게 되는 요인이 된다. 따라서 사전에 수소소모량을 최소한으로 유지하면서 이산화탄소를 선택적으로 제거하는 것이 중요하며, 고분자 연료 전지에 있어서 요구되는 CO 허용농도는 10ppm 이하이다. 즉 선택적 촉매 산화반응(preferential oxidation)지 Cu, Zn, Al계 촉매가 활성도가 높은 것으로 평가되고, 자연발화가 장애요인이기는 하나 아직도 Cu-Zn 촉매가 연료 전지용 개질 촉매를 위해서는 가장 안정적이 촉매로 평가된다. 합성가스 제조에 사용되는 촉매는 반응성이 높고 유황성분에 대한 저항력이 높은 것이 요구된다. 귀금속 촉매는 많은 장점이 있기는 하나 알칼리금속 촉매에 비하여 가격이 비싸다는 것이 단점이며 이를 극복하기 위해서는 3-4배의 활성도 증가가 요구된다. [2]Table 1. 촉매의 주요 물리화학적 특성 및 반응조건2. DESIGN2.1 가정설계를 위해 Reforming, WGS와 PROX에 다음과 같은 몇 가지 가정을 세웠다.2.1.1 가정1 Reforming먼저 팔라듐 막 PBR 반응기를 사용한다고 가정하고 반응온도는 723K(=450°C)로, 초기 압력은 0.01MPa로 가정한다. 반응 영역에서 촉매는 Ni/Al2O3 11g이 채 워지며, 반응물 유입 유량은 162SCCM이며 운반 가스의 유입 유량은 40SCCM으로 가정한다. 마지막으로 LNG는 90%의 메탄으로 구성되어 있다고 가정한다.Figure 2. Reactor 1 : Pd Membrane packed bed reactor2.1.2 가정2 WGS반응기의 종류는 팔라듐 막 PBR을 사용하며 반응온도는 595K(=322℃)로 진행 되고 압력은 101.325KPa로 유지될 때 압력강하는 없다고 가정하며 반응 영역에는 Pd촉매의 양은 9.64g으로 가정 한다. 여기서 CO 유입 몰유량은 0.3389mol/h이고, CO2 유입 몰유량은 0.1546mol/h, H2O 유입 몰유량은 1.2121mol/h이라고 가정한다. 이 때의 유입 몰유량은 Reforming reaction을 통해 나온 양이며 Reactor2에서 생성된 수소는 분리공정이 이루어지는데, 분리공정이 일어나지 않을 경우 수소 역시 산화되어서 CO의 선택도가 낮아지므로 꼭 필요한 가정이다.Figure 3. Reactor 2 : Pd Membrane reactor12.1.3 +CO2 + 7H2Table 5. SR반응 양론표SpeciesSymbolInitialChangeRemainNoteCH4AFAO-FAOXFA=FAO(1-X)X = XCH4 = 0.378FAO = 1.24 mol/hH2OBFBO = ΘBFAO-3FAOXFB=FAO(ΘB-3X)ΘB = 1.5COCFCO = ΘCFAOFAOXFC=FAO(ΘC+X)ΘC = 0.000081CO2DFDO = ΘDFAOFAOXFD=FAO(ΘD+X)ΘD = 0.000081H2EFEO = ΘEFAOFAOXFE=FAO(ΘE+X)ΘE = 0.00812.2.2 WGS 계산WGS 반응은 식 (19)와 같이 일어나며 속도식은 식 (20)와 같이 나타내어진다.- (19)- (20)또한 Mole balance는 아래 식 (21)과 같이 나타내어지며,- (21)Fractional Pressure는 식 (22)로 표현되고 압력강하는 이다.- (22)위 가정과 결합하여 정리하면 WGS 반응이 일어나는 Reactor2에서 반응기 온도는 595K이며 촉매의 질량은 9.64g, 압력은 101.325KPa이며 CO의 유입유량은 0.3389mol/h이고 H2O의 유입 유량은 1.2121mol/h, CO2의 유입유량은 0.1546mol/h이다.그리고 전화율은 다음과 같은 함수 형태로 나타낸다.-(23)Table 6. Reactor2 parameterParametersValues반응기 온도 (K)595촉매 질량 (g)9.64 (문헌값)전압력 (KPa)101.325촉매의 Ergun 계수, α1.75반응기 부피 (㎤)7.54 (문헌값)유입 유량 (mol/h)CO0.3389H2O1.2121CO20.1546WGS Overall reaction ; CO + H2O ⇔ CO2 + H2Table 7. WGS 양론표SpeciesSymbolInitialChangeRemainNoteCOAFCO = FAO-FAOXFA=FAO(1-X)X = XCO = 0.9FAO = 0.339 mol/hH2OBFBO = ΘBFAO-FAOXFB=FAO(ΘB-X)프
전달현상론-설계과제-2010년도 제 1 학기 전달현상론 설계과제 (1학점)1. 목적학생들이 거주하는 각자의 집에 대하여 수돗물 급수 시 펌프동력과 온돌난방을 할 경우에 보일러와 난방 배관 설계를 통한 유체역학과 열전달의 개념을 이해2. 조건- 모든 학생들의 집은 보일러가 설치되었고, 온돌난방으로 시공되었다.- 사용된 난방용 파이프는 구리관(지름 12mm)이다.- 배관시 간격은 벽에서 20cm, 파이프간격도 20cm로 시공한다.- 난방용 열원은 시판되는 가스 또는 기름이다.- 학생들의 집은 지면에서 최소 10m 이상 높이에 위치해 있다.- 난방은 중온수 난방(80℃~120℃)이다.3. 과제1) 각자 집에 수도관(일반 가정용)으로 물을 공급할 때 필요한 펌프의 동력 계산2) 온돌난방 배관 시에 사용되는 구리관의 길이와 개수 계산하고 90엘보 수를 합한 전체 배관 재료비(시판되는 가격)3) 각자의 집은 난방순환 속도가 0.5m/sec, 보일러 출구온도가 80℃, 들어오는 온도 5 0℃, 0.1kg/sec일 때 최적의 방안 온도가 유지된다. 이 경우에 각자 집에 설치된 보일 러를 설계하고 하루 5시간 보일러를 작동시킬 때의 난방비를 계산하라. 보일러 가열부 의 길이는 15cm이내 이다.1. 각자 집에 수도관(일반 가정용)으로 물을 공급할 때 필요한 펌프의 동력 계산Figure 1. 펌프에서 공급되는 수도의 경로? 계산하기에 앞서 가정한 내용① 수도에 쓰이는 관은 보통 강관(Commercial steel)으로 가정(?=0.045 × 10-3m)② 관의 직경은 2 in Schedule No.80(=0.05m)로 가정③ 물의 유속은 0.5m/s로 가정④ 물의 밀도는 상온(20°C)의 밀도(1)로 가정⑤ 물의 점도는 상온(20°C)의 점도(1CP)로 가정⑥ 펌프의 효율은 60%로 가정⑦ 마찰손실은 직관과 90°-Elbow(kf=0.9)에만 작용한다고 가정⑧ u1은 속도변화가 적어 0m/s로 가정, P1과P2는 대기압으로 동일하다고 가정? Calculation1) 에너지수지식u1 : 1번 지점에서의 속도, u2 : 2번 지점에서의 속도z1 : 1번 지점에서의 높이, z2 : 2번 지점에서의 높이p1 : 1번 지점에서의 압력, p2 : 2번 지점에서의 압력wp : 가해진 일의 양 ,: 마찰손실⇒2) 마찰손실 :- 마찰손실을 구하기 위해 먼저 레이놀즈 수(Re) 계산따라서, Re=25000이므로 난류- 흐름이 난류이므로 상대조도 계산- 마찰손실계수 fF : 레이놀즈 수(Re) vs 상대조도()의 그래프에서 찾아보면fF = 0.0065- 직관과 90°-Elbow의 마찰손실에 대해 길이 총 합은3) 에너지수지식에 대입⇒⇒4) 펌프의 동력- 질량유속- 펌프의 동력2. 온돌난방 배관 시에 사용되는 구리관의 길이와 개수 계산하고 90엘보 수 를 합한 전체 배관 재료비(시판되는 가격)Figure 2. 방의 구조Figure 3. 방의 구조에 따른 배관 및 각 방의 면적1) 거실의 구리관 길이 계산Figure 4. 거실의 배관 구조 및 길이? 각 길이에 따른 구리관의 개수- 거실의 세로길이(5.1m관을 제외한 길이) 6.28m를 파이프의 두께 0.012m와 각 파이프사이의 길이 0.2m를 더한 값으로 나누어 주면 파이프의 개수(29개)를 알 수 있다. 따라서 0.2m파이프와 4.88m 파이프가 각각 29개씩 사용됨.구리관 길이(m)개수(개)총 길이(m)6.316.35.115.14.8829141.520.2295.8합계60158.72Table 1. 거실의 구리관 길이 및 개수? 거실에 필요한 90°-Elbow 개수- 각 관에 대해 90°-Elbow가 2개씩(30*2) 사용되므로 60개임을 알 수 있다.2) 큰방의 구리관 길이Figure 5. 큰방의 배관 구조 및 길이? 각 길이에 따른 구리관의 개수- 큰방의 세로길이(3.6m관을 제외한 길이) 4.28m를 파이프의 두께 0.012m와 각 파이프사이의 길이 0.2m를 더한 값으로 나누어 주면 파이프의 개수(20개)를 알 수 있다. 따라서 0.2m파이프와 3.38m 파이프가 각각 20개씩 사용됨. 여기에 보일러실에서 큰방까지의 구리관의 길이를 포함해야 되는데 그 길이는 약4.5m이다.구리관 길이(m)개수(개)총 길이(m)4.314.33.613.63.382067.60.22044.514.5합계4384Table 2. 큰방의 구리관 길이 및 개수? 큰방에 필요한 90°-Elbow 개수- 각 관에 대해 90°-Elbow가 2개씩(21*2) 사용되므로 42개임을 알 수 있다. 또한보일러실에서 오는 과정에 1개가 더 추가된다. 따라서 총 43개가 사용된다.3) 작은방1의 구리관 길이Figure 6. 작은방1의 배관 구조 및 길이? 각 길이에 따른 구리관의 개수- 작은방1의 세로길이(3.6m관을 제외한 길이) 2.78m를 파이프의 두께 0.012m와 각 파이프사이의 길이 0.2m를 더한 값으로 나누어 주면 파이프의 개수(13개)를 알 수 있다. 따라서 0.2m파이프와 3.38m 파이프가 각각 13개씩 사용됨. 여기에 보일러실에서 작은방1까지의 구리관의 길이를 포함해야 되는데 그 길이는 약11(4.5+6.5)m이다.구리관 길이(m)개수(개)총 길이(m)2.812.83.613.63.381343.940.2132.66.516.54.514.5합계3063.94Table 3. 작은방1의 구리관 길이 및 개수? 작은방1에 필요한 90°-Elbow 개수- 각 관에 대해 90°-Elbow가 2개씩(14*2) 사용되므로 28개임을 알 수 있다. 또한보일러실에서 오는 과정에 1개가 더 추가된다. 따라서 총 29개가 사용된다.4) 작은방2의 구리관 길이Figure 7. 작은방2의 배관 구조 및 길이? 각 길이에 따른 구리관의 개수- 작은방2의 세로길이(2.1m관을 제외한 길이) 2.78m를 파이프의 두께 0.012m와 각 파이프사이의 길이 0.2m를 더한 값으로 나누어 주면 파이프의 개수(13개)를 알 수 있다. 따라서 0.2m파이프와 1.88m 파이프가 각각 13개씩 사용됨. 여기에 보일러실에서 작은방2까지의 구리관의 길이를 포함해야 되는데 그 길이는 6.5m이다.구리관 길이(m)개수(개)총 길이(m)2.812.82.112.11.881324.440.2132.66.516.5합계2938.44Table 4. 작은방2의 구리관 길이 및 개수? 작은방2에 필요한 90°-Elbow 개수- 각 관에 대해 90°-Elbow가 2개씩(14*2) 사용되므로 28개임을 알 수 있다.5) 구리관 가격 계산방총 길이(m)90°-Elbow개수거실158.7260큰방8443작은방163.9429작은방238.4428합계345.1160Table 5. 방에 따른 구리관의 총 길이와 90°-Elbow개수Figure 8. 인터넷에 판매되는 구리관의 가격? 현재 판매되는 1m-15A가격이 7,300원 정도로 하는 걸로 보아 이번 설계에 사용되는 직경은 약 1m-12A로 대략 7,000원으로 가정한다.-구리관의 총길이는 345.1m 이므로 총 가격은⇒6) 90°-Elbow 가격 계산? 아래 그림에서 보면 현재 판매되는 90°-Elbow의 가격은 개당 590원으로 이번 설계에 사용된 90°-Elbow의 개수는 160개이므로⇒Figure 9. 인터넷에 판매되는 90°-Elbow의 가격7) 총 비용( 구리관+90°-Elbow)? 2,415,700+94,400 = 2,510,100원3. 각자의 집은 난방순환 속도가 0.5m/sec, 보일러 출구온도가 80℃, 들어오는 온도 50℃, 0.1kg/sec일 때 최적의 방안 온도가 유지된다. 이 경우에 각자 집에 설치된 보일러를 설계하고 하루 5시간 보일러를 작동시킬 때의 난방비를 계산하라. 보일러 가열부의 길이는 15cm이내 이다.Figure 10. 보일러 구조? 계산하기에 앞서 가정한 내용① 수증기의 온도는 280°C로 일정 하다고 가정.② 보일러 가열부의 길이는 15cm로 가정.③ 보일러 내부 관사이의 간격은 2cm씩이며, 보일러와 관의 간격은 1cm로 가정.④ 관의 평균직경 12mm, 배관의 두께 2.5mm, 구리의 열전도도 397w/mk로 가정.1) 열전달량Uav : 총괄 열전달 계수, Aav : 평균면적, △Tav : 평균 온도차- 평균면적 계산⇒여기에서 파이프의 길이(L)와 개수(N)를 결정해야 하는데, 보일러 가열부의 길이를 15cm, 보일러와 관의 간격은 1cm, 관사이의 간격을 2cm로 했으므로 파이프의 길이가 13cm로 6개가 사용된다.- 평균 온도차 계산⇒- 총괄 열전달 계수 계산h1:수증기의 경막계수, h3:물의 경막계수l2:구리배관의 두께 , k2:구리관의 열전도도d1:14mm , d3:10mm, dav:12mm⇒? 수증기의 경막계수 :? 물의평균온도? 물65°C에서의 점도와 밀도 ⇒여기에서 물의 경막계수를 구하기 위해 레이놀즈수(Re)를 계산.⇒따라서, Re=15953이므로 난류? 관내에 난류가 흐를 경우
공정제어 설계(온수 조절 시스템)TABLE OF CONTENTS1.INTRODUCTION1.1설계 문제............11.2문제 인식............21.3문제 해결............21.4설계문제 가정............22.P&ID2.1P&ID............33.Block Diagram3.1Block Diagram............44.DISCUSSION4.1경제성............54.2안전성............64.3신뢰성............6LIST OF FIGURESFigure 1.설계문제인식....1Figure 2.P&ID....3Figure 3.Block Diagram....4Figure 4.온도조절기(HSC-220 온오프/보급형)....5Figure 5.3-way thermostaticmixer valve....51.INTRODUCTION1.1. 설계 문제아파트나 주택에서의 현재 사용 하는 배관 시스템은 크게 두 갈래로 갈라져서 공급된다. 하나는 물탱크에서 바로 집으로 들어오는 물이 되고, 다른 하나는 보일러를 거쳐 물이 데워져서 온수가 되거나 그렇지 않은 물은 그대로 집안에 공급된다. 이처럼 보일러에 데워진 온수는 주방이나 욕실로 하나의 배관을 통해서 온수 분배기로 나뉘어 공급이 된다. 따라서 한쪽에서 따뜻한 물을 사용하고 있을 때 다른 곳에서 따뜻한 물을 사용하게 되면 한쪽으로만 공급되는 온수가 두 곳으로 나뉘어서 공급되기 때문에 물의 온도가 떨어져서 미지근해지거나 차가워 질 수 있다. 이러한 현상은 하나의 배관에서 여러 개의 배관을 통해 공급했기 때문에 이 부분에서 유량의 변화가 발생하기 때문이다. 또한 냉수에서도 똑같은 현상이 일어나게 되어 온도가 올라가게 되어 미지근해지거나 따뜻해 질 수 있다. 만약 욕실에서 샤워를 하던 도중 변기 물을 내리거나 집안에서 물을 사용할 때 물의 유량이 바뀌어 샤워하는 물의 온도가 변하게 된다. 이는 유량에 의해 온도차가 발생하기 때문이고 이로 인해 샤워를 하던 도중 물의 온도 변화로 몸이 놀랄 수 있다. 이러한 점들을 고려하여 유량과 온도조절 시스템을 통해 샤워를 하던 도중 놀라지 않게 온도차를 줄여서 일정한 온도로 물이 공급될 수 있도록 하는 것이 이번 설계의 문제이자 목적이다.1.2. 문제 인식Figure 1. 설계문제인식위의 그림을 통해 이번 설계에 대한 문제 인식을 나타냈다. 첫 번째 그림을 보면 사람이 샤워를 하고 있는 장면이다. 다음 두 번째 그림을 보면 샤워기 외의 다른 곳 예를 들어 변기, 주방, 세탁 등에서 물을 사용하는 그림이다. 여기서 알 수 있는 것은 샤워기 이외에 다른 곳에서 물을 사용했기 때문에 물의 유량이 바뀌었다는 것이고, 유량이 바뀌어서 물의 온도가 바뀐 다는 점이다. 세 번째 그림에서는 샤워를 하던 도중 물의 온도가 바뀌어 사람이 놀라는 장면을 나타낸 것이다. 마지막 그림은 샤워를 마친 사람이 왜 물의 온도가 바뀌었는지에 대해 고민을 하는 장면으로 이번 설계의 문제 인식이 된다.1.3. 문제 해결이번 설계 문제는 하나의 배관을 통해서 나뉘어 공급되는 온수나 냉수가 나뉘어져 공급되기 때문에 한쪽에서 사용하는 물의 온도가 변하게 되는 것을 방지하여 일정한 온도로 물이 공급되게 하는 것이다.지금 현재 온수/냉수 조절 시스템은 따뜻한 물과 차가운 물 두 가지로 온도가 조절 되고 있다. 그렇기 때문에 다른 곳에서 물을 사용 했을 때 물의 유량변화로 인해 공급되는 물의 온도가 변하여 온도차가 많이 발생한다. 이를 제어하기 위해 설계방법을 생각해 보았는데 기존에 사용되는 온수와 냉수 조절 시스템을 온수와 냉수 그리고 온수와 냉수가 섞여 생긴 미온수를 같이 사용하여 물의 온도 차를 좀 더 줄일 수 있다고 생각 했다. 온수와 냉수로만 조절 하는 것보다는 미온수 배관을 하나 더 추가하여 온수를 사용하다가 다른 곳에서 온수를 사용했을 때 냉수가 나올 경우 미온수가 같이 섞여 물의 온도차를 적게 하는 시스템이다. 반대로 냉수를 사용 했을 때도 미온수를 같이 섞어 사용한다면 온도차가 적게 될 것이다. 이를 바탕으로 하여 설계를 해결방안을 고안해 보았다.1.4. 설계문제 가정집으로 들어오는 배관 시스템은 현재 사용되고 있는 아파트나 주택의 시스템과 똑같다고 가정했고, 보일러를 통해 데워지는 온수의 온도는 일정 하다고 가정했다. 미온수 배관으로 들어가는 온수와 냉수의 유량은 각각 일정하다고 했고, 욕실 이외에 물이 사용되는 곳은 주방과 변기, 세탁에 사용되는 물만 가정했다.2.P&ID2.1 P&IDFigure 2. P&ID먼저 원하는 온도(Set point)를 지정하면, Controller에서 (보일러와 연결되어 온수가 나오는 관을 Hot tank, 냉수가 나오는 관을 Cold tank라고 표시하였다.) Hot tank와 Cold tank의 3-way thermostatic mixer밸브에 전기적 신호를 주어 유량을 조절해 Mix tank1과 Mix tank2에 물을 공급한다. 여기서 Mix tank1, Mix tank2는 실제로 냉수와 온수가 섞이는 관을 의미한다. Mix tank1은 냉수와 온수가 섞이는 관이고 여기에서 나온 물과 냉수, 온수가 섞이는 관은 Mix tank2이다. Controller는 Mix tank2의 온도를 측정해 자동밸브에 신호를 보내 온도를 조절한다. 샤워기에 공급되는 물은 수동밸브를 이용해 조절되고, 만약 다른 곳에서 물을 사용해 Mix tank2의 온도가 변하면 Controller에 연결된 온도 센서가 변화된 온도를 감지해 Hot tank와 Cold tank의 자동밸브에 변화된 신호를 주게 된다. Controller는 응답속도가 빠른 것을 사용하여, 온도변화를 빨리 감지하고 빠르게 신호를 주어 온도변화가 빠르게 일어날 수 있도록 설계하였다.3.Block Diagram3.1 Block DiagramFigure 3. Block Diagram위의 Block Diagram에서 온수, 냉수 조절기에서 수온의 set point(X1, X2)를 설정한다. 설정한 적정온도는 각각 Tc1과 Tc2로 보내지고, 온수와 냉수의 유량 Controller(Fc1, Fc2)에 신호를 보내서 온수, 냉수의 전체 유량을 조절 하도록 하였다. 그리고 이 온수와 냉수의 유량을 조절하여 뜨거운 물, 찬 물, 그리고 찬물과 뜨거운 물이 섞인 물의 3가지 물의 온도를 이용하여 set point의 온도에 도달하도록 설계하였다. 만약 샤워기가 아닌 다른 곳에서 찬물이나 뜨거운 물을 사용하면 찬물이나 뜨거운 물의 유량이 줄어들 것이다. 그러면 찬물과 뜨거운 물의 유량을 적당히 조절하여 물이 섞이게 하여 set point가 유지되도록 하였다. 이 시스템을 사용한다면 샤워기에서 물을 사용하고 있을 때 다른 곳에서도 동시에 사용해도 온도 변동과 유량변동이 적어 샤워나 세면을 쾌적하게 할 수 있을 것이다.
[양론설계 레포트]I G C C(Integrated Gasification Combined Cycle)목 차1.이 론 ......11.1.IGCC ..11.1.1.IGCC의 원리 및 특징 .......11.1.2.IGCC의 장단점 ..............21.1.3.IGCC의 미래와 현황 .......31.1.4.석탄가스화 발달과정 및 기술 개발 ..........51.2.IGCC의 구성 ..........61.2.1.석탄가스화기 ................61.2.2.탈황장치와 집진장치 ........71.2.3.공기압축기 및 가스터빈 연소기 ............101.2.4.가스터빈과 증기터빈 ........111.2.5.폐수회수 보일러 ..............131.2.6.공기분리장치 ...131.3.가스화공정 .............161.3.1.Prenflo(에 국한되는 것은 아니며 어떠한 화석연료에도 적용될 수 있다. 더욱이, 매우 장기적인 관점에서 가장 중요한 원료가 될 수 있는 바이오매스, 폐기물에도 적용할 수 있다. 어쩌면 지금의 화석연료가 하는 역할을 바이오매스나 폐기물이 “지속가능한 미래”에서 해야만 할 것이다. 거의 언급하지 않았지만, “지속가능한 세계”에서도 에너지만 필요한 것은 아니며, 플라스틱과 같은 유기화합물도 필요하다. 폐기물 가스화가 이러한 요구의 일부를 충족할 수 있지만, 나머지는 바이오매스로부터 가져와야 할 것이다. 이상적인 “지속가능한 세계”에서 이용 가능한 유일한 농축된 탄소원은 바이오매스이기 때문이다. 폐기물이나 바이오매스에서 유기화합물을 생산하는 유일한 방법은 먼저 이것들은 가스화하여 합성가스로 만드는 것이다. 지금까지의 폐기물이나 바이오매스 가스화 기술은 연료가스나 전력 생산이 주목적이기 때문에 아직까지는 유기화합물 생산에 효율적인 공정이 개발되지는 않았다. 재생에너지로 전기와 수소가 생산되는 지속가능한 세계에서도, 유기화합물 생산을 위해 적어도 폐기물, 바이오매스 가스화기술은 필요한 것이다. 기존의 납사 크래킹 방식으로 에틸렌이나 프로필렌을 생산하는 대신 합성가스를 이용하는 방법이 실증되고 있다. 석탄에서 에틸렌을 생산하는 상용급 플랜트가 중국에서 2009년경 운전을 목표로 건설 중에 있다.결론적으로, 가스화 기술은 향후 상당기간동안 전력생산 및 화합물 생산에 매우 중요한 역할을 할 수 있고, 할 것이다. 보다 장기적으로는 유기화합물을 생산할 수 있는 가장 중요한 기술로 발전할 것이다.1.1.4 석탄가스화 발달과정 및 기술 개발석탄가스화 기술과 가스터빈/증기터빈의 복합싸이클을 조합한 종합적인 전력생산 시스템으로 구성된 석탄가스화 복합발전(IGCC) 기술은 종래 미분탄 화력방식에 비해 발전 효율이 높고 환경보전성과 경제성이 우수한 새로운 발전방식이다. IGCC 발전의 핵심기술이라 할 수 있는 석탄가스화기술(Coal Gasification Technology)은 현재까지 세계적으로에 이르게 된다. 이와 같이 집진과 탈진이 반복적으로 이루어짐에 따라 최적의 잔류 분진층이 형성케고 나면 필터의 표면 기공 막힘은 더 이상 이루어지지 않는 상태로 집진장치를 계속 운전할 수 있게 된다. 그러하게운전 조건의 변동 등으로 인하여 배출분진의 성상 (크기, 물성, 카본함량 등)이 변하게 되면 불안정한 집진 및 탈진에 의하여 잔류 압력 (△PR)이 계속 상승하게 되어 필터의 수명을 단축시키게 된다. 필터를 이용한 집진 및 탈진 운전 메커니즘필터를 이용하여 많은 유량의 합성가스를 정제하기 위해서는 필터 표면에서 일정한 여과속도를 유지하기 위하여 유량에 비례하는 필터의 개수가 요구된다. 예로써, 네덜란드 Buggenum의 집진장치에는 864개의 세라믹 캔들 필터가 48개의 필터로 이루어진 18개의 번들로 설치되어 있다. 각 번들에는 대형 벤츄리가 설치되어 원활한 필터의 탈진이 가능하게 설계되어 있다.1.2.3. 공기압축기 및 가스터빈 연소기1.2.3.1. 공기압축기공기압축기는 공기를 압축 생산하여 높은 공압으로 저장하였다가 이것을 필요에 따라서 각 공압 공구에 공급해 주는 기계이다. 통상의 가공 현장에서 사용되고 있는 공기압축기는 압축기 본체와 압축 공기를 저장해 두는 탱크로 구성되어 있다.공기압축기의 사양은 매분 당 공기 토출 량(단위:NL/min)와 탱크 용량으로 표시되는 경우가 많다. 압축한 공기는 칩의 청소 등에 사용되는 에어건 등에 쓰인다. 또한, 공기를 압축할 때 공기 중의 수분이 응축되어 압축 공기 중에 물이 고이는 경우가 있다. 그래서 수분을 제거할 필요가 있을 때는 공기압축기에 드라이어(건조기)를 접속하는 경우가 있다.공기압축기는 압축 공기를 생산하는 방식에 따라 피스톤식과 베인식으로 분류된다. 피스톤식은 1, 2차 실린더에서 생산된 압축 공기를 냉각기로 보내 냉각 팬으로 냉각시킨 다음 이것을 3차 고압 실린더로 보내 다시 압축하는 방식이다. 베인식은 여과기를 통해서 저압 펌프로 들어가 압축된 공기를 냉각기로 보내 냉각시켜서 고압 펌프로 보 상부로 배출되는 고순도질소는 열교환기(PHX)에서 가열되어 플랜트내 요구처에 가압 공급된다.한편, 압축기나 산소플랜트의 Trip시를 대비하여 산소 Back-up System이 필요하며, 액체 저장탱크 및 기체 저장탱크가 설치된다.1.3. 가스화공정1.3.1. Prenflo(Uhde) 석탄 가스화 공정1) 현황Krupp-Koppers사에서 개발한 Prenflo 공정은 Shell 공정과 유사한 가압상향류 방식의 분류층 슬래깅가스화 공정으로서 Shell사와 공동으로 개발된 Koppers-Totzek 공정을 토대로 하므로 Shell 공정과 매우 유사한 특성을 갖는다.고압 분류층 가스화기에 대한 연구개발은 1973년경부터 시작되었으며, 1978년에 독일 함부르크에 Shell사와 공동으로 고압 분류층 가스화기인 150 톤/일급 Shell-Koppers 공정의 플랜트를 건설하여 운전하였다. Krupp- Koppers사는 1981년부터 고압 분류층 가스화기를 독자적인 Prenflo 공정으로 개발하기 시작하였으며, 그 후 독일 MFRT(Minsitry for Research and Technology)와 CEC(Commision of European Communities)의 자금 지원 하에 1986년 독일 Fuerstenhausen에 최초의 48 톤/일급 Prenflo 가스화기 실증 설비를 건설하여 총 10,000시간의 운전경험을 축적하였다.최근 Elcogas의 주도하에 스페인, 프랑스, 포르투갈 기업들이 컨소시엄 형태로 참여하여 스페인의 Puertollano에 본 공정을 적용한 300 MWnet급 IGCC 플랜트를 설치하여 1997년부터 실증시험이 진행 중에 있다. 은 이러한 Prenflo 가스화 공정의 대표적인 추진 실적을 나타낸 것이다. Prenflo IGCC 플랜트의 대표적인 추진 현황사업명소유주시설용량사용연료운전개시년도Furstenhausen파일럿 플랜트GKT48 톤/일석탄 및석유코크스1986PuertollanoElcogas300 MW석탄 및석유코크스19972) 설처리Lock hopper 방식(주기적 배출)냉가스 공급 여부사용촤 재순환 여부선택 사항산소 요구량비교적 낮음버너 위치측면 (양방향)가스화기 벽보호 방식수냉벽합성가스 흐름방향상향고온 합성가스냉각장치복사형 냉각기필요 없음대류형 냉각기사용냉각원고압 급수증기의 질고압 포화 증기특 징탄종의 제한이 적음높은 냉가스 효율높은 탄소전환율대표적인 운전경험 : SCGP-1 및 Buggenum 플랜트 shell 석탄 가스화 공정 특성3) 가스화 및 운전특성Shell 가스화기는 석탄을 미분, 건조한 상태에서 공급하므로 탄종의 적용 범위가 매우 넓으나, 가스화기 개조 없이는 액체연료를 사용하기 어려운 점이 있다. 또한, 석탄을 건조 상태로 가스화기에 공급하므로 가스화 반응 시 잉여 수분이 적고, 산소소모량이 적으며 그 결과 일산화탄소 함량이 높고 이산화탄소의 함량이 낮은 양질의 가스가 발생된다. 250 톤/일급 실증 플랜트인 SCGP-1에서 수행한 연료 탄별 성능시험 결과, 가스화 반응 시 탄소전환율은 약 90% 이상의 높은 수준을 기록하였으며, 냉가스효율은 78~83%의 범위로서 습식 가스화기에 비하여 우수하다.? 건식 및 습식 가스화 공정 비교?건식(Shell)습식(GE, CoP)연료공급연료+질소, 건식슬러리(연료+물), 습식가스화기수냉벽(수명: 25년 이상)내화재(수명: 1~2년)합성가스 냉각가스퀜칭 &대류형 냉각기워터퀜칭 &복사형 or 대류형 냉각기집진드라이 필터워터 스크러버버너 수명24개월2~6개월?수처리간단복잡합성가스 조성(CO+H2) 90%(CO+H2) 70%탄소전환율99% 이상낮음냉가스효율78~83%65~75%1.4. 가스화 기술1.4.1. 건식 석탄가스화가스화는 지금까지 석탄 등 연료를 활용하는 방식이었던 연소방식과는 근본 화학반응 자체가 다르다. 연소 방식는 근본적으로 원료 내의 탄소성분을 100% CO2로 전환하는 것을 최대 목표로 발전되어 온 기술인데 비하여, 가스화는 CO2 대신에 CO와 수소로 변환시킴으로써 원유가 현재 사용되고 있는 모든 과정에 대체 사용될용한다.
난방 및 보일러 설계
