• 한국추진공학회지
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• 제26권6호
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• pp.10-20
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• 2022

본 연구에서는 케로신 다단연소사이클 엔진용 예연소기를 설계하기 위해, 고압의 산화제 과잉 조건에서 예연소가스를 계산하고 냉각유로에서 극저온 유체의 복합열전달 및 수력 특성을 해석할 수 있는 설계코드를 개발하였다. 사용자 편의성과 범용성을 가진 오픈 소스 라이브러리 Cantera를 활용하였으며, 실제유체의 열역학/전달 상태량을 정확히 계산하기 위해 관련 소스 코드들을 새로 작성하여 Cantera에 추가하였다. 현재 예비설계 중인 100톤급 부스터 엔진용 예연소기에 적용하였으며, CFD 해석결과와 비교를 통해 설계코드로서의 예측 정확도와 활용성을 확인하였다.

• 한국항해항만학회:학술대회논문집
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• 한국항해항만학회 2022년도 춘계학술대회
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• pp.213-213
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• 2022

본 논문은 슬로싱(Sloshing) 거동에 놓인 극저온 액체수소 화물창의 BOG 예측을 위한 CFD 해석 절차를 다루고 있다. 특히, 적재율(Filling Ratio)에 따라 달라지는 열 유입과 그에 따른 액체수소의 기화 경향을 파악하기 위한 목적으로 수행되었다. 액체수소와 기체수소의 혼재에 의한 다상 열유동(Multiphase-Thermal flow) 특성을 반영하고 유동에 따른 강제 대류 현상을 열유속에 반영하기 위한 CFD 해석을 수행하였다. 다상 유동 모델의 정확성을 검증하기 위하여 슬로싱 실험의 압력 계측 값과 해석의 압력 값 및 자유수면(Free surface) 형상을 비교하였다. 소형 C-Type 독립형 액화수소 탱크를 대상으로 슬로싱 유동과 BOG 발생을 수치적으로 예측하였다. 해석 과정에서 VOF(Volume of fraction) 모델과 Eulerian 모델을 모두 적용하여, 액체수소에 유입되는 열 유속(Heat flux)의 예측 정확성을 비교하였다. 슬로싱 유무에 따라 액체수소에 유입되는 열 유속을 비교하여 슬로싱 유동의 포함 여부에 따른 BOG 발생량의 변화를 제시하였으며, 최종적으로 액체수소의 충전율(Filling ratio) 별로 BOG 발생량의 경향성을 제시하였다.

• 한국재료학회지
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• 제31권9호
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• pp.519-524
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• 2021

The impact properties of two austenitic Fe-23Mn-0.4C steels with different Al contents for cryogenic applications are investigated in this study. The 4Al steel consists mostly of austenite single-phase microstructure, while the 5Al steel exhibits a two-phase microstructure of austenite and delta-ferrite with coarse and elongated grains. Charpy impact test results reveal that the 5Al steel with duplex phases of austenite and delta-ferrite exhibits a ductile-to-brittle transition behavior, while the 4Al steel with only single-phase austenite has higher absorbed energy over 100 J at -196 ℃. The SEM fractographs of Charpy impact specimens show that the 4Al steel has a ductile dimple fracture regardless of test temperature, whereas the 5Al steel fractured at -100 ℃ and -196 ℃ exhibits a mixed fracture mode of both ductile and brittle fractures. Additionally, quasi-cleavage fracture caused by crack propagation of delta-ferrite phase is found in some regions of the brittle fracture surface of the 5Al steel. Based on these results, the delta-ferrite phase hardly has a significant effect on absorbed energy at room-temperature, but it significantly deteriorates low-temperature toughness by acting as the main site of the propagation of brittle cracks at cryogenic-temperatures.

• 대한조선학회논문집
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• 제58권2호
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• pp.66-72
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• 2021

As the demand for natural gas that satisfies environmental regulations increases, the quantities of natural gas cargo that carrier can load is also increasing. Natural gas is transported in a liquefied state at -163 ℃ to increase loading efficiency. Among several LNG CCS types, MARK-III types are generally adopted in terms of loading efficiency. The secondary barrier adhesives of the MARK-III, nevertheless, is subjected to tensile stress due to thermal contraction and tension in the environment. In terms of these reasons, local analysis of the adhesive to evaluate the stress state must be carried out. According to previous studies, local analysis is unavailable since material properties for secondary barrier adhesives have not been reported. Thus, in this study, the cryogenic tensile test and coefficient of thermal expansion of epoxy and polyurethane (PU15, PU45), which are most widely used at cryogenic temperatures, were experimentally analyzed. At cryogenic temperature, the mechanical behavior of the polyurethane adhesive was better than epoxy of the adhesive. the joint of FSB and epoxy adhesive of the secondary barrier has the maximum coefficient of thermal expansion difference at 25 ℃ and minimum at -150 ℃, respectively.

• 대한금속재료학회지
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• 제49권4호
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• pp.321-328
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• 2011

The 30 nm-thick Ni layers was deposited on a flexible polyimide substrate with an e-beam evaporation. Subsequently, we deposited a Si layer using a catalytic CVD (Cat-CVD) in a hydride amorphous silicon (${\alpha}$-Si:H) process of $T_{s}=180^{\circ}C$ with varying thicknesses of 55, 75, 145, and 220 nm. The sheet resistance, phase, degree of the crystallization, microstructure, composition, and surface roughness were measured by a four-point probe, HRXRD, micro-Raman spectroscopy, FE-SEM, TEM, AES, and SPM. We confirmed that our newly proposed Cat-CVD process simultaneously formed both NiSi and crystallized Si without additional annealing. The NiSi showed low sheet resistance of < $13{\Omega}$□, while carbon (C) diffused from the substrate led the resistance fluctuation with silicon deposition thickness. HRXRD and micro-Raman analysis also supported the existence of NiSi and crystallized (>66%) Si layers. TEM analysis showed uniform NiSi and silicon layers, and the thickness of the NiSi increased as Si deposition time increased. Based on the AES depth profiling, we confirmed that the carbon from the polyimide substrate diffused into the NiSi and Si layers during the Cat-CVD, which caused a pile-up of C at the interface. This carbon diffusion might lessen NiSi formation and increase the resistance of the NiSi.

• 대한설비공학회지:설비저널
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• 제29권4호
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• pp.48-54
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• 2000

자성재료에 자기장을 걸어주변 가열되고 자기장을 제거하면 냉각되는 성질이 있는데, 이를 자기열량효과(magnetocaloric effect)라고 하며, 이것을 이용해서 저온을 생성시키는 방법을 자기냉동(magnetic refrigeration)이라고 한다. 큐리 온도(Curie temperature) 부근의 강자성체에 자 기장이 가해지면 전자례도내에서 쌍을 이루지 않은 전자들의 자기모벤트들이 자기장에 평행 하게 배열되는데, 이로 인해 열역학적 무질서의 척도인 엔트로피는 낮아지고 이러한 손실을 보상하기 위해 재료의 온도가 올라가게 된다.반대로 자기장이 제거되면 자기모벤트가 본래의 무질서한 상태로 돌아오며, 엔트로피가 증가하 고 재료의 온도는 떨어지게 되는 것이다. 역사적으로 보면 1881년에 Warburg가 큐리온도 부근의 철에서 자기열량효과를 처음 발견하였으며. 1926년과 1927년에 Debye와 Giauque가 각각 단열소자볍 (adiabatic demagnetization)을 제안함으로써 실용화되기 시작하여 주로 극저온을 얻는 방법으로 이용되어 왔다. 1950년도 이전의 연구는 절대온도 영도(OK)에 도달하고 자 하는 순수과학적인 노력으로서 개방사이클(open cycle)을 이용한 단열냉각 방식을 추구하 였으나, 1950년 이후부터는 공학적인 응용을 목적으로 밀폐사이클(closed cycle)을 형성하는 자기냉동기에 관한 연구가 진행되었다. 1976년에 Brown은 희토류(rare earth) 금속인 가돌리늄(Gd)을 사용하여 유체(물 80%와 에틸 알코올 20%)를 재생시킴으로써 상온에서 작동 하는 자기냉동기를 보고한 바 있다. 그는 7 T의 큰 자장을 이용하였으며, 고온부와 저온부의 온도는 각각 $46^{\circ}C와\;-1^{\circ}C로서\;47^{\circ}C$의 온도간격을 얻었다. 자기냉동에 있어서의 또 하나의 중요한 진전은 1978년과 1982년에 Steyert와 Barclay에 의해서 능동자기재생기(active magnetic r regenerator)의 개념이 소개되고 개발된 것으로, 이는 자성재료가 냉매로서 뿐만 아니라 열전달 유체의 재생기로도 사용되는 방식이다. 이상과 같은 자기냉동기술의 발달에 이어서 1997년에 미국의 Astronautics사(Wisconsin주 Madison시 소재)와 Ames 연구소(Iowa주 Ames 시 소재)의 공동연구팀이 발표한 두 가지의 새로운 진전으로 인해 공기조화 및 냉동분야에 적용할 수 있는 자기냉동기의 실용화 가능성이 한층 높아졌다. 이들의 연구결과는 (1) 자기냉동이 실온에서도 실현 가능한 기술이며 증기압 축식 냉동에 필적할 만하다는 것을 보인 것과 (2) 이미 알려져 있던 자기냉동재료보다 자기 열량효과가 훨씬 큰 새로운 재료를 발견한 것이다. 이로써 자기냉동에 대한 관심과 기대가 한결 커지고 있다. 본 원고에서는 자기냉동의 원리가 되는 자기열량효과와 이를 이용한 자기냉동의 방법 그리고 최근에 이루어진 새로운 진전에 대해 소개하고 공기조화 및 냉동분야에의 적용 가능성을 전망해 보고자 한다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제29권1호
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• pp.53-60
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• 2016

본 연구는 NO96 화물창의 BOG(boil off gas), BOR(boil off rate)을 감소시키기 위한 노력으로 단열재료 및 단열층을 변화시켜서 개발된 NO96-GW, NO96-L03의 방열구조에 대해서 BOG, BOR 값을 계산하고 단열성능을 비교 평가하였다. 두가지의 변형된 NO96 모델을 기존의 NO96 방열과 단열층 및 단열재료의 차이점을 비교하고, 각각의 열저항 및 BOG/BOR 값의 비교 결과를 제시하였다. 열저항 값은 유한요소해석법을 이용하여 계산되었으며, 준정적 열평형 상태를 가정하여 열유속과 온도분포를 통하여 단열성능을 비교하였다. 계산에 사용된 화물창의 모든 재료물성치는 온도 의존값으로서 반영하여 $-163^{\circ}C$에서의 극저온 상태에서 특성을 반영되었다. 각 화물창의 BOG, BOR 계산은 국부 열전달 해석을 통해 방열판에서 발생하는 열유속을 계산하고, 등가모델을 적용하여 계산하는 과정으로 수행되었으며, 그 결과를 각 화물창의 단열성능을 비교 평가하기 위해서 검토하였다.

• 한국추진공학회지
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• 제22권4호
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• pp.108-116
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• 2018

한국형발사체의 1단 및 2단 엔진으로 사용될 75톤급 액체로켓엔진의 연소시험이 엔진 연소시험설비에서 수행되었다. 이 엔진은 산화제로 극저온 유체인 액체산소를 사용하므로, 연소시험을 위해서는 필수적으로 설비의 공급 배관 및 엔진의 예냉과정이 진행되어 주어진 엔진 입구 온도 및 압력 요구조건이 만족되어야 한다. 따라서 향후 효율적인 시험 운용을 위해서는 시험 시 설비와 엔진에서의 예냉특성 및 예냉과정에서 소모되는 액체산소의 양을 파악하는 것이 중요하다. 이 논문에서는 75톤급 액체로켓엔진의 연소시험에서 예냉과정의 고찰을 통하여 런탱크 가압 전, 후 각 단계에서의 설비배관 및 엔진의 예냉특성을 평가하였으며, 시험 시 소모되는 액체산소의 양을 평가하였다.

• 한국수소및신에너지학회논문집
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• 제33권5호
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• pp.534-540
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• 2022

Liquid hydrogen has the best storage capacity per unit mass and is economical among storage methods for using hydrogen as fuel. As the demand for hydrogen increases, the need to develop a storage and supply system of liquid hydrogen is emphasizing. In order to liquefy hydrogen, it is necessary to pre-cool it to a maximum inversion temperature of -253℃. The Gifford-McMahon (GM) refrigerator is the most reliable and commercialized refrigerator among small-capacity cryogenic refrigerators, which can extract high-efficiency hydrogen through liquefied hydrogen production and boil of gas re-liquefaction. Therefore, in this study, the optimal conditions for liquefying gas hydrogen were sought using the GM cryocooler. The process was simulated by PRO/II under various cooling capacities of the GM refrigerator. In addition, the flow rate of hydrogen was calculated by comparing with specific refrigerator capacity depending on the pressure and flow rate of a refrigerant medium, helium. Simulations were performed to investigate the optimal values of the liquefaction flow rate and compression pressure, which aim for the peak refrigeration effect. Based on this, a liquefaction system can be selected in consideration of the cycle configuration and the performance of the refrigerator.

• Korean Chemical Engineering Research
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• 제59권1호
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• pp.60-67
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• 2021

본 연구에서는 CO2 포집을 포함하는 500 MWe 급 전기를 생산하는 순산소 석탄화력발전소에 대한 공정흐름도를 제시하였고, 기술경제성 평가를 수행하였다. 이 석탄화력발전소는 순환 유동층 보일러(CFB), 초초 임계 증기 사이클 증기 터빈, 보일러에서 배출되는 배기가스내 수분과 오염물질을 제거하는 배기가스 정제 장치(FGC), 산소 분리 초저온 공정(ASU), 이산화탄소를 분리하는 극저온 공정(CPU)을 포함한다. 건식 배기가스 재순환(FGR)은 CFB연소기내 온도 제어와 고농도 CO2 배출을 위하여 사용되었다. 이 순산소 석탄화력발전소의 열효율을 증가시키기 위하여 FGR 흐름에 대한 열교환, ASU에서 배출되는 질소 흐름에 대한 열교환, 그리고 CPU 내 기체 압축기의 열 회수를 고려하였다. FGR열교환기의 온도차(ΔT)의 감소는 배기가스의 더 많은 폐열 회수를 의미하며, 전기 및 엑서지 효율을 증가시켰다. FGR열교환기의 ΔT가 10 ℃ 에서 FGR과 FGC 주변의 연간 비용이 최소가 되었다. 이때, 전기 효율은 39%, 총투자비는 1371 M$, 총생산비용은 90 M$, 그리고 투자수익률은 7%/y, 그리고 투자회수기간은 12년으로 예측되었다. 본 연구를 통하여 순산소 석탄화력발전소의 열효율 향상을 위한 열교환망이 제시되었고, FGR 열교환기의 최적 운전 조건이 도출되었다.