[논문]도데케인 연료액적의 초임계 상태 기화 특성

고정빈; 이관형; 구자예; 전창수; 문희장

도데케인 연료액적의 초임계 상태 기화 특성
Vaporization Characteristics of Dodecane Fuel Droplet in Supercritical Condition 원문보기

Characteristics of droplet vaporization at high ambient pressures and temperatures which are supercritical conditions is studied numerically by formulating one dimensional vaporization model in liquid dodecane and air. Modified Soave-Redlich-Kwong state equation is used to condider real gas effect. Non-ideal behavior of properties at near critical and supercritical conditions is considered in the high pressure condition. Characteristic spatial distribution of properties with various conditions of pressure and temperature is evaluated in order to understand vaporizing evolution.

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문제 정의

연료의 임계 온도 및 압력을 고려하여 아임계와 초임계 상태의 현상이 잘 나타나도록 주위 조건을 주었다. 주위 압력 및 온도 변화가 연료 액적의 기화에 어떠한 영향을 미치는지 알아보았다.

가설 설정

15 mm, 액적의 초기 온도를 300K로 하고, 주위 온도 및 압력 둥의조건을 변화시켜 가면서 액적의 기화 현상에 대한 액적수명, 기화열, 경계면에서의 화학종의 분포 등의 데이터를 구하였다. 기화는 액적의 체적이 초기 체적의 2.7% 일 때를 충분히 기화된 상태로 멈춤 조건으로 가정하였다. 본 연구에서는 이 때까지의 시간을 액적 수명이라 가정하겠다.
7% 일 때를 충분히 기화된 상태로 멈춤 조건으로 가정하였다. 본 연구에서는 이 때까지의 시간을 액적 수명이라 가정하겠다.
액적을 구형대칭으로 가정하였음으로 1차원으로 격자를 생성하였다. 액상과 기상을 동시에 풀어야 하므로 액상인 연료 액적과 정지한 주위 기체를 따로 분리하여 푼다.
해석에 사용된 도데케인 연료 액적은 주위를 공기라 가정하였고 공기의 성분은 질소와 산소로 구성되어 있다고 가정하였다. 계산은 연료 액적의 초기직경을 0.

제안 방법

계산은 연료 액적의 초기직경을 0.15 mm, 액적의 초기 온도를 300K로 하고, 주위 온도 및 압력 둥의조건을 변화시켜 가면서 액적의 기화 현상에 대한 액적수명, 기화열, 경계면에서의 화학종의 분포 등의 데이터를 구하였다. 기화는 액적의 체적이 초기 체적의 2.
본 연구에서는 각 화학종의 물성치 변화, 고압에 의한 실제기체효과를 고려한 비정상 모델을 사용하여 아임계 및 초임계 조건에서의 도데케인 연료액적의 기화를 구현하였다. 연료의 임계 온도 및 압력을 고려하여 아임계와 초임계 상태의 현상이 잘 나타나도록 주위 조건을 주었다.
아임계 및 초임 계 조건에서 의 압력, 온도 변화에 대한 기화 현상을 수치해석 하였고 두 영역에서 모두 약간의 오차는 있지만 도데케인 연료 액적의 기화 특성을 예측하였다.
그러나 각 물성치를 상수로 하고, 고압에서의 기체용해도를 무시하였다. 아임계압과 초임계압 모두에서 액적 기화 현상을 해석하였다.
이를 이용하여 임계 온도 압력을 기준으로 초임계와 아임계를 비교하였다.
정상상태 기화를 해석하는데 액적 내부의 온도가 일정하고, 초기 가열 기간을 무시한 준정상 모델에서 고압에 의한 실제기체의 효과를 고려하여 계산을 하였다. 그러나 각 물성치를 상수로 하고, 고압에서의 기체용해도를 무시하였다.

이론/모형

고압에서의 열전도도는 Stiel and Thodos의 식 [4]을 사용하였다. 표면에서 외기로 증가하다가 어느 지점에 이르면 더 이상 증가하지 않는다.
해야한다. 상압에서의 점성은 Wilke의 공식 [5]을 사용하여 계산하였으며 상압에서의 열전도율을 구하기 위해서 Eucken의 식[6]을 사용하였다.
정지상태의 초임계 기화는 유한체적법을 사용하여 풀었다.

성능/효과

1. 아임계 온도에서는 압력이 높을수록 액적 수명이 길어지며 반대로 초임계 온도에서는 압력이 높을수록 액적 수명이 짧아진다.
2. 초임계 온도에서 기화 확산 계수는 압력이 높을수록 증가한다.
3. 열전도도와 비열은 임계압력보다 큰 압력에서, 온도에 비례하여 증가한다.
또한 계산 결과에 의해서 비교하여보면 열전달이 발생하여 액적의 기화에 영향을 미치게 되고 이러한 열전달효과는 기준 압력에서 액적의 직경이 작을수록 그리고 주위 온도가 높을수록 크게 작용하였다.[1]
시간이 지남에 따라 액적 내부로 온도가 침투하여 액적 내의 비열의 변화를 일으킨다. 액적 중심부의 비열의 변화가 큰 것으로 보아 내부 온도의 변화가 크다는 것을 알 수 있으며 온도가 점차 증가하여 외기의 비열과 같아지는 것을 알 수 있다. 정상 상태에서 표면에서의 변화를 보면 비열의 압력에 의한 변화보다는 온도에 의한 변화가 크다는 것을 알 수 있다.
액적 중심부의 비열의 변화가 큰 것으로 보아 내부 온도의 변화가 크다는 것을 알 수 있으며 온도가 점차 증가하여 외기의 비열과 같아지는 것을 알 수 있다. 정상 상태에서 표면에서의 변화를 보면 비열의 압력에 의한 변화보다는 온도에 의한 변화가 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 임계 온도 이후의 변화는 그 이전 보다 작다는 것을 결과를 통해 알 수 있다.
표면 온도가 증가함에 따라 액적의 기상의 상태의 비율이 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉, 연료 액적의 몰 비율은 온도의 증가와 함께 감소하며 외기와의 상호 열 전달에 의해 기상과 액상의 몰 비율이 변화하는 결과를 나타내었다.

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