[논문]아임계 및 초임계 탄화수소 연료 액적의 기화 특성 연구

이경재; 이봉수; 김종현; 구자예

doi:10.5139/jksas.2003.31.7.085

아임계 및 초임계 탄화수소 연료 액적의 기화 특성 연구
Vaporization of Hydrocarbon Fuel Droplet in Supercritical Environments 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.31 no.7, 2003년, pp.85 - 93

이경재 (한국항공대학교 대학원) , 이봉수 (한국항공대학교 대학원) , 김종현 (경원전문대학 자동차학과) , 구자예 (한국항공대학교 항공우주및기계공학부)

초록
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주위 압력변화에 따른 공기중에 놓인 탄화수소 연료 액적의 기화에 관한 수치적 연구를 일차원 기화모델을 사용하여 수행하였다. 주위 압력은 대기압에서 임계압력이상까지 변화시켰다. 높은 압력에서 실기체 효과를 고려하기 위해 수정 Soave-Redich-Kwong상태 방정식을 사용하였으며 임계온도 근방과 초임계상태에서는 비이상기체 열역학 및 전달 물성치를 고려하였다. 계산의 타당성을 위해 계산 결과와 사토의 실험결과를 비교하였고 비교적 잘 일치하였다. 아임계 온도에서는 압력증가에 따라 액적수명은 증가하였으며 초임계온도에서는 압력증가에 따라 액적수명은 감소하였다. 고압에서는 액상에 용해되는 질소의 용해도는 무시할 수 없고 온도와 압력이 높을수록 용해도는 증가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Droplet vaporization at various ambient pressures is studied numerically by formulating one dimensional evaporation model in the mixture of hydrocarbon fuel and air. The ambient pressure ranged from atmospheric conditions to the supercritical conditions. The modified Soave-Redlich-Kwong state equation is used to account for the real gas effects in the high pressure condition. Non-ideal thermodynamic and transport properties at near critical and supercritical conditions are considered. Some computational results are compared with Sato's experimental data for the validation of calculations. The comparison between predictions and experiments showed quite a good agreement. The droplet lifetime increases with increasing pressure at temperature lower than the critical temperature, however, it decreases with increasing pressure at temperature higher than the critical temperature. The solubility of nitrogen can not be neglected in the high pressure and it becomes higher as the temperature and the pressure go up.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

일반적으로잘 알려진 d?-법칙에 따르면 액적의 기화시간은주위 압력에는 무관하고 온도에만 영향을 받지만실제 탄화수소 연료의 기화에서는 압력에 따라기화시간이 영향을 받는다. 본 연구에서는 압력변화에 따른 기화특성을 연구하였다.
실기체 효과를 고려한 상태방정식을 사용하여아임계 및 초임계 영역에서의 탄화수소 연료액적의 기화에 관한 수치적 연구를 수행하여 다음과같은 결론을 얻었다.

가설 설정

계산에 사용된 탄화수소 연료액적은 n-Heptane 이고 주위 공기는 산소(21%)와 질소 (79%)의 혼합기로 가정하였다. 계산은 연료 액적의 초기직경을 0.
무한한 공간에서의 액적 주위의 가스는 액체 연료 액적의 질량전달이 이루어지는 반경 방향을 제외하고는 정지상태라 가정한다. 가스와 액적 사이의 상대속도는 매우 작고 부력은 무시한다.
따라서 전체 에너지 계산은 단순히 내부에너지와 같다고 할 수 있다. 복사와 점성 소산은 무시하고 중력은 없다고 가정한다.
기화는 (d/%)2이 16%일 때를 멈춤 조건으로 하였다. (d/do)?이 16% 일 때의 액적의 질량은 초기 질량의 약 6.4%정도이고 본연구에서는 이 때까지의 시간을 액적 수명이라정하였다. 표 1은 계산에 사용된 화학종들의 임계 물성치 이다.

제안 방법

혼합기로 가정하였다. 계산은 연료 액적의 초기직경을 0.7mm, 액적의 초기 온도를 300K 로 하고, 주위 온도 및 압력 등의 조건을 변화시켜 가면서 액적의 기화현상에 대한 액적수명, 기화열, 경계면에서의 화학종의 분포 등의 데이터를 구하였다. 기화는 (d/%)2이 16%일 때를 멈춤 조건으로 하였다.
구형대칭을 가정하였으므로 1차원으로 격자를생성하고, 액상인 연료와 기상인 액체를 구분하여 계산을 한다. 경계면을 중심으로 액상과 기상으로 나누어 각각 초기에 설정한 수만큼의 격자를 생성한다.
원래 액상은 밀도가 상대적으로 높은 유체가 되고, 기상은 밀도가 상대적으로 낮은 유체가 됩니다. 본 연구에서는 액적표면 온도가 임계점에 도달하면 온도를 고정시키고계속하여 밀도가 상대적으로 높은 유체와 낮은유체로 구분하여 계산을 수행하였다. 일반적으로잘 알려진 d?-법칙에 따르면 액적의 기화시간은주위 압력에는 무관하고 온도에만 영향을 받지만실제 탄화수소 연료의 기화에서는 압력에 따라기화시간이 영향을 받는다.
연구의 타당성을 검증하기 위해 Sato에 의해 수행된 n-heptane의 기화 실험data와 연구결과를 비교하였다[13-14]. 그림 2는 n-heptane연료의 임계 점을 기준으로 아임 계 온도, 초임계 온도에 서의 압력 변화에 따른 실험결과와 비교한 것이다.

이론/모형

상압에서의 점성및 혼합기의 점성을 계산하는데는 Wilke[5-6]의공식을 사용한다. 고압에서는 Dean과 Stiel의 공식을 사용한다[7]. 상압에서 혼합기에 대한 열전도율을 구하기 위해서 Eucken의 식[8]을 사용하고 이때 혼합기에 대한 비열은 이상기체 값을 사용한다.
고압에서는 Stiel과 Thodos의 식 [9]을 사용한다. 기상의 상압 질량 확산계수는 Fuller, et al의 식 [10]을 사용하고 고압에서는 Takahashi가제안한 식으로 얻을 수 있다[11]. 액상의 질량확산에 대한 이원 확산계수는 Wilke와 Chang의식]을 사용한다.
기화되는 과정은 시간 스텝에 따른 수치 수렴의 제한이 없으므로 내재적 유한체적법을 사용하여계산한다. 따라서 온도, 압력, 화학포텐셜은 독립변수에 대해서 선형화 되어야 한다.
본 연구에서는 고압상태에서의 증발을 다루기 위해 실제 기체 효과를 고려한 수정된 Soave-Redlich-Kwong 상태 방정식을 사용한다.
고압에서는 Dean과 Stiel의 공식을 사용한다[7]. 상압에서 혼합기에 대한 열전도율을 구하기 위해서 Eucken의 식[8]을 사용하고 이때 혼합기에 대한 비열은 이상기체 값을 사용한다. 고압에서는 Stiel과 Thodos의 식 [9]을 사용한다.
확산계수의 경우에는 기상과 액상을 구분하여 계산을 수행한다. 상압에서의 점성및 혼합기의 점성을 계산하는데는 Wilke[5-6]의공식을 사용한다. 고압에서는 Dean과 Stiel의 공식을 사용한다[7].
기상의 상압 질량 확산계수는 Fuller, et al의 식 [10]을 사용하고 고압에서는 Takahashi가제안한 식으로 얻을 수 있다[11]. 액상의 질량확산에 대한 이원 확산계수는 Wilke와 Chang의식]을 사용한다.

성능/효과

1) 아임계 및 초임계영역에서는 실제가스 상태방정식과 비이상 열역학 및 전달 물성치를 사용하여야 하며 수치계산 결과와 실험 결과와의 비교를 통해 계산의 타당성을 확인하였다.
2) 기화열과 확산계수와의 상관관계를 통해 아임계 온도에서는 압력이 증가할수록 액적 수명이증가하는 반면 초임계 온도 및 초임계 상태에서는 압력이 증가할수록 액적 수명이 감소하였다.
3) 액상에 용해되는 산소의 양은 미미하였지만주위 압력이 높을수록 액상내에 용해되는 질소가스의 몰 분율은 증가하였다.
4) 초임계조건에서 기화열은 거의 영으로 감소하고 초임계조건에서 액상과 기상의 몰분율은 일치하였다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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