비행체 속도를 증가시키기 위한 극초음속 항공기 기술 연구가 그동안 진행되어 왔다. 하지만 비행체의 속도증가는 비행체 구조의 변형을 유발할 수 있는 열적부하를 야기한다. 이러한 열적부하 처리를 위해 탄화수소형 흡열연료를 이용한 비행체 냉각에 대한 연구가 미국, 프랑스, 러시아 등 선진국에서 이루어지고 있다. 흡열연료(Endothermic fuels)는 열분해 또는 촉매분해와 같은 흡열반응(Endothermic reaction)을 통해 열을 흡수하는 액체 탄화수소 비행체 연료이다. 본 연구에서는 흡열연료의 모델연료로써 methylcyclohexane, n-octane, n-dodecane을 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 실험조건은 흡열연료가 사용되는 각 연료의 초임계 조건이며 온도별 분해율 분석, 열분해 생성물분석, 흡열량 계산을 수행하였다. 본 연구의 목표는 모델연료의 흡열특성을 규명함으로써 실제 비행체에 널리 사용되는 케로신 연료의 흡열특성 예측에 기여하는 것이다.
비행체 속도를 증가시키기 위한 극초음속 항공기 기술 연구가 그동안 진행되어 왔다. 하지만 비행체의 속도증가는 비행체 구조의 변형을 유발할 수 있는 열적부하를 야기한다. 이러한 열적부하 처리를 위해 탄화수소형 흡열연료를 이용한 비행체 냉각에 대한 연구가 미국, 프랑스, 러시아 등 선진국에서 이루어지고 있다. 흡열연료(Endothermic fuels)는 열분해 또는 촉매분해와 같은 흡열반응(Endothermic reaction)을 통해 열을 흡수하는 액체 탄화수소 비행체 연료이다. 본 연구에서는 흡열연료의 모델연료로써 methylcyclohexane, n-octane, n-dodecane을 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 실험조건은 흡열연료가 사용되는 각 연료의 초임계 조건이며 온도별 분해율 분석, 열분해 생성물분석, 흡열량 계산을 수행하였다. 본 연구의 목표는 모델연료의 흡열특성을 규명함으로써 실제 비행체에 널리 사용되는 케로신 연료의 흡열특성 예측에 기여하는 것이다.
Researches on hypersonic aircraft technologies have been carried out to increase flight speeds. However, increase in flight speeds causes heat loads that could lead structural change of aircraft's component. Researches on cooling technologies using endothermic fuels are progressing in the USA, Franc...
Researches on hypersonic aircraft technologies have been carried out to increase flight speeds. However, increase in flight speeds causes heat loads that could lead structural change of aircraft's component. Researches on cooling technologies using endothermic fuels are progressing in the USA, France and Russia to treat the heat loads. Endothermic fuels are liquid hydrocarbon aircraft fuels which are able to absorb the heat loads by undergoing endothermic reactions, such as thermal and catalytic cracking. In this study, methylcyclohexane, n-octane, and n-dodecane were selected as model endothermic fuels and experiments in endothermic properties were implemented. Experimental conditions were supercritical condition of each model fuels in which actual endothermic fuels were exposed. The object of this study is to identify endothermic properties of the model endothermic fuels and to predict endothermic properties of actual fuels such as kerosene fuels.
Researches on hypersonic aircraft technologies have been carried out to increase flight speeds. However, increase in flight speeds causes heat loads that could lead structural change of aircraft's component. Researches on cooling technologies using endothermic fuels are progressing in the USA, France and Russia to treat the heat loads. Endothermic fuels are liquid hydrocarbon aircraft fuels which are able to absorb the heat loads by undergoing endothermic reactions, such as thermal and catalytic cracking. In this study, methylcyclohexane, n-octane, and n-dodecane were selected as model endothermic fuels and experiments in endothermic properties were implemented. Experimental conditions were supercritical condition of each model fuels in which actual endothermic fuels were exposed. The object of this study is to identify endothermic properties of the model endothermic fuels and to predict endothermic properties of actual fuels such as kerosene fuels.
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문제 정의
일반적으로 케로신연료는 다양한 탄화수소들이 혼합되어 있기 때문에 흡열 특성을 해석하기가 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 케로신연료에 포함되어 있는 주요 물질들을 모델연료로 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 본 연구의 목표는 모델연료의 흡열특성을 규명함으로써, 실제 비행체에 널리 사용되는 케로신연료의 흡열특성을 예측하는 데에 기여하는 것이다.
본 연구에서는 비행체 냉각에 이용되는 흡열 연료의 흡열특성 연구를 수행하였다. 실제 비행체에 사용되는 탄화수소 연료는 흡열특성해석이 어렵기 때문에 단순한 구조이거나, 케로신 연료에 포함되어 있는 주요물질들을 대상연료(메틸사이클로헥산, n-옥탄, n-도데칸)로써 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다.
따라서 본 연구에서는 케로신연료에 포함되어 있는 주요 물질들을 모델연료로 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 본 연구의 목표는 모델연료의 흡열특성을 규명함으로써, 실제 비행체에 널리 사용되는 케로신연료의 흡열특성을 예측하는 데에 기여하는 것이다.
제안 방법
12-14에서 반응열은 각 온도에서 현열+반응열(포인트)과 현열 (실선)의 차이를 통해 확인할 수 있다. 데이터는 각 온도조건에서 10 시간동안 진행된 실험의 생성물 분석결과를 바탕으로 계산되었고, 반응열은 실험이 수행된 조건에서 반응물과 생성물의 엔탈피차이를 통하여 계산하였다. 흡열연료를 통해 얻을 수 있는 실제적인 흡열량(Heat sink) 현열과 반응열의 합이다.
금속표면은 탄화수소의 열분해 반응에서 촉매역할을 하기 때문에 모델연료와 금속표면과의 접촉을 방지하는 것이 흡열특성을 연구하기 위해서는 중요하다. 따라서 본 연구에서는 Fig. 2에서와 같이 반응기 내부에 설치할 수 있는 석영(Quartz) 기구를 제작하여 연료와 금속표면과의 접촉을 방지하였다.
본 연구에서는 대상 연료의 온도별 분해율 분석, 생성물분석, 흡열량 계산을 동시에 수행하여, 반응 경로와 연료의 흡열특성을 동시에 연구하였다.
본 연구에서는 비행체 냉각에 이용되는 흡열 연료의 흡열특성 연구를 수행하였다. 실제 비행체에 사용되는 탄화수소 연료는 흡열특성해석이 어렵기 때문에 단순한 구조이거나, 케로신 연료에 포함되어 있는 주요물질들을 대상연료(메틸사이클로헥산, n-옥탄, n-도데칸)로써 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 실험조건은 흡열연료가 사용되는 각 연료의 초임계 조건이며 온도별 분해율 분석, 열분해 생성물분석, 흡열량 계산을 수행하였다.
실제 비행체에 사용되는 탄화수소 연료는 흡열특성해석이 어렵기 때문에 단순한 구조이거나, 케로신 연료에 포함되어 있는 주요물질들을 대상연료(메틸사이클로헥산, n-옥탄, n-도데칸)로써 선정하여 흡열특성 연구를 진행하였다. 실험조건은 흡열연료가 사용되는 각 연료의 초임계 조건이며 온도별 분해율 분석, 열분해 생성물분석, 흡열량 계산을 수행하였다.
연료는 반응기 내부의 고온·고압조건에서 초임계상태(Supercritical phase)이기 때문에 샘플링한 반응생성물은 냉각하여 기상과 액상으로 분리하고 기상은 GC/FID, 액상은 GC/MS를 이용하여 조성분석을 수행한다.
대상 데이터
본 연구에 선정된 모델 연료는 Table 1에 나와 있는 것과 같이 메틸사이클로헥산(methylcyclohexane, MCH), n-옥탄(n-octane), n-도데칸(n-dodecane) 이고 위와 같은 물질을 모델연료로 선정한 이유는 다음과 같다. 첫째는 링구조의 탄화수소 (MCH)와 선형구조 탄화수소(n-alkane)의 흡열특성을 비교하기 위한 것이고, 둘째는 선형탄화수소에서 사슬의 길이에 따른 흡열특성을 비교하기 위함이다.
데이터처리
모델연료의 흡열량 계산은 미국표준기술연구소(NIST)에서 개발한 SUPERTRAPP 프로그램을 이용하여 계산하였다. SUPERTRAPP 프로그램은 다양한 탄화수소들의 열역학적 물성과 물리적 물성 데이터를 온도 및 압력조건에 따라 계산하여주는 프로그램이다.
성능/효과
Figure 9에는 메틸사이클로헥산 열분해 생성물의 탄소 수에 따른 시간별 조성변화를 나타내었다. 405 ℃에서 시간별 샘플링을 통한 조성분석 결과 C7, C6, C8의 탄화수소 생성물이 생성되었으며, C7, C6의 탄화수소가 주요 생성물이었다 (그래프 왼쪽 위의 범례에서 위에서부터 조성이 큰 물질). 이 온도범위에서 생성된 물질은 주로 링구조를 가지는 탄화수소들이었으며, 특히 C7 탄화수소는 사이클로펜탄(cyclopentane)링에 가지(Side chain)가 달린 구조의 디메틸사이클로펜탄(1,1-dimethylcyclopentane, 1,2-dimethylcyclopentane, 1,3-dimethylcyclopentane)과 에틸사이클로펜탄(Ethylcyclopentane)과 같은 4가지의 메틸사이클로헥산 이성질화 반응 생성물이었다.
분해율이 43%인 405 ℃가 되었을 때 비교적 많은 양의 생성물이 생성되었다. n-도데칸의 열분해반응 실험에서 수행된 모든 온도조건에서 C9 탄화수소의 조성이 가장 높게 나타났으며, 선형구조인 n-도데칸의 열분해 반응에서는 선형구조의 탄화수소가 많이 생성됨을 확인하였다.
분해율이 약 1%에 불과한 405 ℃에서 385 ℃보다는 다양한 탄소수의 탄화수소가 생성되었으나, 그 양이 매우 미미하였고, 분해율이 47%인 425 ℃가 되었을 때 비교적 많은 양의 생성물이 생성되었다. n-옥탄의 열분해반응 실험에서 수행된 모든 온도조건에서 C6 탄화수소의 조성이 가장 높게 나타났으며, 선형구조인 n-옥탄의 열분해 반응에서는 선형구조의 탄화수소가 많이 생성됨을 확인하였다.
탄화수소가 가장 많이 생성되었으며 주로 링구조를 이루는 탄화수소였다. 결과적으로 메틸사이클로헥산 열분해에서 온도가 증가할수록 다양한 탄화수소가 생성되며 모든 온도 범위에서 생성된 탄화수소는 주로 사이클로펜탄(Cyclopentane)링과 사이클로헥산(cyclohexane)링을 갖는 C7, C6 탄화수소임을 확인하였다. 앞서 언급하였듯이 연료의 분해반응열을 증가시키기 위해서는 생성물의 엔탈피를 높이는 것이 중요하다.
두 모델연료의 모든 온도 범위에서 주요 기상생성물은 에탄(C2H6)인 것으로 확인되었으며, 다음으로 프로판(C3H8)과 메탄(CH4)순으로 많이 생성되었다. 기상생성물에서 불포화결합을 갖는 물질 중에는 프로필렌(C3H6)이 가장 많이 생성되었으며, 에틸렌(C2H4)은 거의 생성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 즉, n-알칸(n-alkane)의 초임계 분해반응에서는 불포화결합을 갖는 올레핀계 탄화수소의 생성보다 포화결합을 갖는 파라핀계 탄화수소의 생성이 더 많다는 것을 확인할 수 있었다.
8에 나타내었다. 두 모델연료의 모든 온도 범위에서 주요 기상생성물은 에탄(C2H6)인 것으로 확인되었으며, 다음으로 프로판(C3H8)과 메탄(CH4)순으로 많이 생성되었다. 기상생성물에서 불포화결합을 갖는 물질 중에는 프로필렌(C3H6)이 가장 많이 생성되었으며, 에틸렌(C2H4)은 거의 생성되지 않는 것을 확인할 수 있었다.
425 ℃에서도 405 ℃ 결과와 비슷하게 C7, C6 탄화수소가 주로 생성되었다. 또한 405 ℃에서 생성되지 않았던 C10, C9, C5등의 탄화수소도 생성되어 다양한 종류의 탄화수소가 생성됨을 확인할 수 있었다. 425 ℃에서 역시 주로 사이클로펜탄(Cyclopentane)링과 사이클로헥산(cyclohexane)링을 갖는 탄화수소 물질이 생성되었다.
온도별 분해율 분석에서 링구조를 갖는 메틸 사이클로헥산의 분해온도가 가장 높게 나타났다. 또한 같은 선형구조의 n-옥탄과 n-도데칸에서는 사슬길이가 짧은 n-옥탄의 분해온도가 더 높게 나타남을 확인하였다.
본 연구가 수행된 조건에서 n-옥탄, n-도데칸의 열분해반응의 생성물에는 기상과 액상 모두 단일결합을 갖는 선형구조의 포화탄화수소가 많이 생성되었다. 하지만 높은 반응열을 유도하기 위해서는 불포화결합을 갖는 탄화수소의 생성이 필요하다[9].
온도별 분해율 분석에서 링구조를 갖는 메틸 사이클로헥산의 분해온도가 가장 높게 나타났다. 또한 같은 선형구조의 n-옥탄과 n-도데칸에서는 사슬길이가 짧은 n-옥탄의 분해온도가 더 높게 나타남을 확인하였다.
기상생성물에서 불포화결합을 갖는 물질 중에는 프로필렌(C3H6)이 가장 많이 생성되었으며, 에틸렌(C2H4)은 거의 생성되지 않는 것을 확인할 수 있었다. 즉, n-알칸(n-alkane)의 초임계 분해반응에서는 불포화결합을 갖는 올레핀계 탄화수소의 생성보다 포화결합을 갖는 파라핀계 탄화수소의 생성이 더 많다는 것을 확인할 수 있었다.
후속연구
이를 위해서는 저분자량 물질을 생성하는 크래킹반응과 불포화결합물질을 생성하는 탈수소화 반응을 유도할 수 있는 촉매가 필요하다. 따라서 본 연구를 기초로 하여 향후 크래킹 및 탈수소화 반응을 유도할 수 있는 촉매개발 연구가 진행될 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
흡열연료는 무엇인가?
고온에서 열분해반응 또는 촉매분해 반응을 통해 열을 흡수하면서 분해가 되는 특성을 지닌 연료를 흡열연료라고 하며, 흡열연료로부터 얻을 수 있는 흡열량(Heat sink)은 물리적인 흡열과 화학적인 흡열에서 비롯된다. 물리적 흡열은 연료의 온도 상승에 수반되는 현열(Sensible heat) 이고, 화학적 흡열은 연료의 분해반응에 수반되는 반응열(Heat of reaction)로서 촉매에 의해 극대화 될 수 있다[2].
고속비행체의 냉각을 위해 기존에 이용되고 있는 냉각방법은 무엇이 있었는가?
고속비행체의 냉각을 위해 기존에 이용되고 있는 기술로써 공냉방식 냉각법과 극저온 연료 (액체수소, 액체메탄)를 이용한 냉각법이 있었다. 그러나 극초음속 비행에서 공기는 오히려 비행체와의 마찰열을 야기시키고, 극저온 연료는 부피가 크고 저온저장이 요구되기 때문에 운용성에서 문제가 있다[1].
흡열연료로부터 얻을 수 있는 흡열량 중 물리적 흡열은 무엇에 의해 수반되는가?
고온에서 열분해반응 또는 촉매분해 반응을 통해 열을 흡수하면서 분해가 되는 특성을 지닌 연료를 흡열연료라고 하며, 흡열연료로부터 얻을 수 있는 흡열량(Heat sink)은 물리적인 흡열과 화학적인 흡열에서 비롯된다. 물리적 흡열은 연료의 온도 상승에 수반되는 현열(Sensible heat) 이고, 화학적 흡열은 연료의 분해반응에 수반되는 반응열(Heat of reaction)로서 촉매에 의해 극대화 될 수 있다[2].
참고문헌 (11)
D. R. Sobel et al., "Hydrocarbon Fuel Cooling Technologies for Advanced Propulsion," J. Eng. Gas. Turb. Power., Vol. 119, 1997, pp.344-351
Y. Wang et al., "Pure Hydrogen Production by Partial Dehydrogenation of Cyclohexane and Methylcyclohexane over Nanotube-Supported Pt and Pd Catalysts," Energy & Fuels, Vol. 18, No. 5, 2004, pp.1429-1433
A. A. Shukla et al., "Efficient Hydrogen Supply through Catalytic Dehydrogenation of Methylcyclohexane over Pt/metal Oxide Catalysts," Int. J. Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 9, 2010, pp.4020-4026
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