[논문]고속 비행체 냉각을 위해 사용되는 액체연료의 흡열량 측정연구

김중연; 박선희; 현동훈; 전병희; 김성현; 정병훈; 한정식

doi:10.6108/kspe.2014.18.2.010

고속 비행체 냉각을 위해 사용되는 액체연료의 흡열량 측정연구
Heat Sink Measurement of Liquid Fuel for High Speed Aircraft Cooling 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.18 no.2, 2014년, pp.10 - 15

김중연 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 박선희 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 현동훈 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 전병희 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 김성현 (Department of Chemical & Biological Engineering, Korea University) , 정병훈 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defense Development) , 한정식 (Advanced Propulsion Technology Center, Agency for Defense Development)

초록
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극초음속 비행체는 속도가 증가할수록 공기와의 마찰열과 엔진열이 증가한다. 이러한 열적부하는 비행체 구조물의 변형을 야기하고 오작동을 유발할 수 있다. 흡열연료는 액체 탄화수소 연료로써 열분해 반응, 촉매분해 반응과 같은 흡열반응을 통해 열을 흡수할 수 있는 연료이다. 본 연구에서는 methylcyclohexane을 모델연료로써 선정하여 흡열특성을 측정하는 연구를 수행하였다. 반응열을 향상시키기 위해 제올라이트를 적용하였고 HZSM-5가 흡열량 향상에 가장 효과적인 것을 확인하였다. 본 연구의 목적은 흡열량 향상에 미치는 촉매의 영향을 연구하는 것이다. 이 촉매는 케로신연료를 흡열연료로써 사용하는 시스템에 적용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

For hypersonic aircraft, increase of flight speeds causes heat loads that are from aerodynamic heat and engine heat. The heat loads could lead structural change of aircraft's component and malfunctioning. Endothermic fuels are liquid hydrocarbon fuels which are able to absorb the heat loads by undergoing endothermic reactions, such as thermal and catalytic cracking. In this study, methylcyclohexane was selected as a model endothermic fuel and experiments on endothermic properties were implemented. To improve heat of endothermic reaction, we applied zeolites and confirmed that HZSM-5 was the best catalyst for the catalytic performance. The objective is to investigate catalytic effects for heat sink improvement. The catalyst could be applied to system that use kerosene fuel as endothermic fuel.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

물리적 흡열인 현열은 시스템의 온도와 압력 조건이 결정되면 고정되기 때문에 변화시킬 수 없다. 따라서 본 연구에서는 화학적 흡열인 반응열을 향상시키기 위해 촉매를 사용한 실험이 진행되었다. 여러 가지 촉매를 사용하여 흡열량을 측정하였고, 흡열량 향상에 우수한 촉매를 확인하였다.
본 연구에서는 비행체 냉각에 이용되는 흡열 연료로써 MCH를 선정하고 흡열량 측정 연구를 수행하였다. 또한 흡열량 및 냉각능력 향상을 위해 촉매를 적용하였다.
본 연구의 목적은 모델연료를 실제 극초음속 비행체 조건과 유사한 조건에서 흡열반응 시켜 온도별 전환율 분석, 생성물분석, 흡열량 측정을 수행하여, 실제 비행체에 널리 사용되는 케로신 연료의 흡열량 예측에 기여하는 것이다.

제안 방법

제올라이트는 Zeolyst사로부터 ZSM-5 (CBV2314), Y (CBV720), Beta (CP814E), Mor (CBV21A), Fer (CP914C) 타입을 확보하였다. Cation form이 Ammonium 으로 되어있는 ZSM-5, Beta, Mor, Fer는 550℃, 6 h동안 소성하여 HZSM-5, HBeta, HMor, HFer로 만들어 활성을 갖게 하였으며, Cation form이 Hydrogen인 Y는 120℃, 12 h동안 건조하여 HY를 만들어 활성을 갖게 하였다. 제올라이트에 의한 흡열반응은 제올라이트에 존재하는 산점 (Acid sites)에서 발생하게 되는데, 이러한 산점 특성을 확인하기 위하여 NH3-TPD (AmmoniaTemperature Programmed Desorption) 분석을 수행하여 fig.
본 연구에서는 비행체 냉각에 이용되는 흡열 연료로써 MCH를 선정하고 흡열량 측정 연구를 수행하였다. 또한 흡열량 및 냉각능력 향상을 위해 촉매를 적용하였다. 흡열량 측정과 함께 전환율 분석, 생성물 분포 분석을 통해 흡열량을 향상에 미치는 촉매의 역할을 파악하고, 촉매의 특성을 분석하였다.
예열기에서 나온 연료는 촉매가 설치된 반응기를 통과한다. 반응 후 나온 생성물들은 분리조를 통하여 분리하고, 기상은 GC/FID, GC/TCD, 액상은 GC/MS를 이용하여 조성분석을 수행한다. 흡열량의 정량적 수치는 미국표준기술연구소(NIST)에서 개발한 SUPER-TRAPP 프로그램을 이용하여 계산하였다.
흡열량의 정량적 수치는 미국표준기술연구소(NIST)에서 개발한 SUPER-TRAPP 프로그램을 이용하여 계산하였다. 반응기 입구와 출구에서의 온도차와 MCH의 비열을 통해 흡열량을 측정하였다. (SUPERTRAPP 은 다양한 탄화수소들의 열역학적 물성과 물리적 물성 데이터를 온도 및 압력조건에 따라 계산하여주는 프로그램이다.
케로신연료는 다양한 탄화수소들이 혼합되어 있기 때문에 흡열 특성을 해석하기가 복잡하다. 본 연구에서는 케로신연료에 포함되어 있는 주요 물질인 Methylcyclohexane (MCH)을 모델연료로 선정하여 흡열량 측정 연구를 진행하였다. MCH에 대한 연구는 촉매를 이용한 탈수소화반응 연구가 주로 이루어졌지만[4,5], 이들 연구는 반응경로와 생성물분포에 관해서 주로 다루었고 비행체 냉각을 위한 흡열특성은 고려하지 않았다.
따라서 본 연구에서는 화학적 흡열인 반응열을 향상시키기 위해 촉매를 사용한 실험이 진행되었다. 여러 가지 촉매를 사용하여 흡열량을 측정하였고, 흡열량 향상에 우수한 촉매를 확인하였다.
Cation form이 Ammonium 으로 되어있는 ZSM-5, Beta, Mor, Fer는 550℃, 6 h동안 소성하여 HZSM-5, HBeta, HMor, HFer로 만들어 활성을 갖게 하였으며, Cation form이 Hydrogen인 Y는 120℃, 12 h동안 건조하여 HY를 만들어 활성을 갖게 하였다. 제올라이트에 의한 흡열반응은 제올라이트에 존재하는 산점 (Acid sites)에서 발생하게 되는데, 이러한 산점 특성을 확인하기 위하여 NH3-TPD (AmmoniaTemperature Programmed Desorption) 분석을 수행하여 fig. 4 에 나타내었다. Table 2는 각 제올라이트의 기공구조 분석결과로써 BET surface area, Mesopore (2 nm 이상), Micropore (2 nm 이하) 결과이다.
또한 흡열량 및 냉각능력 향상을 위해 촉매를 적용하였다. 흡열량 측정과 함께 전환율 분석, 생성물 분포 분석을 통해 흡열량을 향상에 미치는 촉매의 역할을 파악하고, 촉매의 특성을 분석하였다. 여러 촉매 중에서 흡열량은 HZSM-5 촉매를 사용하였을 때 가장 높게 나타났는데, 이는 HZSM-5를 적용한 흡열반응의 경우 전환율이 높고, 생성물 중 저분자 탄화수소인 C1-C4의 비율이 높은 것으로부터 비롯되었다.

대상 데이터

본 연구에서는 흡열반응 향상을 위한 촉매로서 제올라이트 촉매를 사용하였다. 제올라이트는 Zeolyst사로부터 ZSM-5 (CBV2314), Y (CBV720), Beta (CP814E), Mor (CBV21A), Fer (CP914C) 타입을 확보하였다.
본 연구에서는 흡열반응 향상을 위한 촉매로서 제올라이트 촉매를 사용하였다. 제올라이트는 Zeolyst사로부터 ZSM-5 (CBV2314), Y (CBV720), Beta (CP814E), Mor (CBV21A), Fer (CP914C) 타입을 확보하였다. Cation form이 Ammonium 으로 되어있는 ZSM-5, Beta, Mor, Fer는 550℃, 6 h동안 소성하여 HZSM-5, HBeta, HMor, HFer로 만들어 활성을 갖게 하였으며, Cation form이 Hydrogen인 Y는 120℃, 12 h동안 건조하여 HY를 만들어 활성을 갖게 하였다.

데이터처리

반응 후 나온 생성물들은 분리조를 통하여 분리하고, 기상은 GC/FID, GC/TCD, 액상은 GC/MS를 이용하여 조성분석을 수행한다. 흡열량의 정량적 수치는 미국표준기술연구소(NIST)에서 개발한 SUPER-TRAPP 프로그램을 이용하여 계산하였다. 반응기 입구와 출구에서의 온도차와 MCH의 비열을 통해 흡열량을 측정하였다.

성능/효과

HY의 생성물 분포를 보면 저분자 탄화수소 생성량이 HZSM-5를 제외하고 가장 크지만, MCH와 같은 탄소수의 C7과 C8 이상의 탄화수소의 생성량도 상당히 많다는 것을 볼 수 있다. HBeta, HMor, HFer의경우 MCH와 같은 C7 탄화수소와 C8 이상의 탄화수소의 비율이 높은 것을 확인할 수 있다. 촉매를 사용하지 않은 경우 MCH와 같은 C7 탄화수소가 주요 생성물이다.
대체적으로 흡열반응 생성물로써 저분자 탄화수소의 비율이 높으면 반응열이 증가하는 것으로 나타난다[1,7]. Table 2를 통해 알 수 있듯이 제올라이트 중 HZSM-5의 Micropore volume이 높은 것으로 보아 미세기공이 가장 잘 발달한 제올라이트라는 것을 알 수 있고, 그 결과 저분자 탄화수소 생성량이 다른 제올라이트에 비해 크게 나타난 것으로 보인다. HY와 HZSM-5의 전환율의 차이가 크지 않지만, 흡열량의 차이가 크게 나타난 것을 통해서 저분자 탄화수소의 생성이 흡열량 향상에 기여하는 바가 크다는 것을 알 수 있다.
반면에 HZSM-5, HY, HBeta의 경우 Linear/Branched hydrocarbons의 비율이 높은 것을 볼 수 있다. 생성물의 탄소수별 분포에서 C1-C4의 비율이 높은 것으로 확인되었다. 따라서 HZSM-5, HY, HBeta의 경우 MCH의 고리 구조가 해리되는 반응이 많이 발생하여 저분자 생성되는 반응이 중요하다는 것을 알 수 있다.
HMor, HFer을 적용한 경우 주요 생성물이 MCH와 같은 Cycloalkanes/Cycloalkenes이다. 생성물의 탄소수별 분포에서 HMor과 HFer을 적용한 흡열반응은 C7탄화수소와 C8이상의 탄화수소의 비율이 높은 것을 확인하였다. 따라서 HMor, HFer의 흡열반응에 의해 생성되는 생성물은 MCH의 고리구조가 해리되는 반응보다는 고리구조에 가지가 달리거나, 다른 고리가 결합되는 반응이 더 중요하다는 것을 알 수 있다.
흡열량 측정과 함께 전환율 분석, 생성물 분포 분석을 통해 흡열량을 향상에 미치는 촉매의 역할을 파악하고, 촉매의 특성을 분석하였다. 여러 촉매 중에서 흡열량은 HZSM-5 촉매를 사용하였을 때 가장 높게 나타났는데, 이는 HZSM-5를 적용한 흡열반응의 경우 전환율이 높고, 생성물 중 저분자 탄화수소인 C1-C4의 비율이 높은 것으로부터 비롯되었다. HZSM-5는 암모니아 TPD분석결과 흡열반응의 활성점이 다른 촉매에 비해 많기 때문에 흡열반응 전환율이 높다.

후속연구

또한 미세기공의 분포가 다른 제올라이트에 비해 높기 때문에 저분자 탄화수소를 생성하는데 유리한 조건을 갖추고 있다. 이 결과는 실제 비행체에 많이 이용되는 케로신연료를 흡열연료로써 사용하는 경우에 그 기초자 료로써 활용될 가치가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	흡열연료란 무엇인가?	이러한 열적부하는 비행체 구조물의 변형을 야기하고 오작동을 유발할 수 있다. 흡열연료는 액체 탄화수소 연료로써 열분해 반응, 촉매분해 반응과 같은 흡열반응을 통해 열을 흡수할 수 있는 연료이다. 본 연구에서는 methylcyclohexane을 모델연료로써 선정하여 흡열특성을 측정하는 연구를 수행하였다.
	고속비행체의 열적부하 처리를 위해 기존에 이용되고 있는 냉각기술에는 무엇이 있는가?	고속비행체의 열적부하 처리를 위해 기존에 이용되고 있는 냉각기술로써 공냉방식 냉각법과 극저온 연료(액체수소, 액체메탄)를 이용한 냉각법이 있다. 하지만 극초음속 비행에서 공기는 오히려 비행체와의 마찰열을 야기시키고, 극저온 연료는 부피가 크고 저온저장이 요구되기 때문에 운용성에서 문제가 있다[1].
	극초음속 비행체의 열적부하는 어떤 문제를 야기하는가?	극초음속 비행체는 속도가 증가할수록 공기와의 마찰열과 엔진열이 증가한다. 이러한 열적부하는 비행체 구조물의 변형을 야기하고 오작동을 유발할 수 있다. 흡열연료는 액체 탄화수소 연료로써 열분해 반응, 촉매분해 반응과 같은 흡열반응을 통해 열을 흡수할 수 있는 연료이다.

참고문헌 (7)

Sobel, D.R. and Spadaccini, L.J., "Hydrocarbon Fuel Cooling Technologies for Advanced Propulsion," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 119, No. 2, pp. 344-351, 1997.

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Kim, J., Park, S.H., Chun, B.H., Kim, S.H., Jeong, B.H. and Han, J.S., "A Technical Review of Endothermic Fuel Use on High Speed Flight Cooling," Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 14, No. 2, pp. 71-79, 2010.
Petley, D., Jones, S. and Dziedzic, W., "Analysis of Cooling Systems for Hyersonic Aircraft," AIAA third international aerospace planes conference, ORLANDO, FL., U.S.A., Dec. 3-5, AIAA-91-5063, 1991.
Wang, Y., Shah, N. and Huffman, G.P., "Pure Hydrogen Production by Partial Dehydrogenation of Cyclohexane and Methylcyclohexane over Nanotube-Supported Pt and Pd Catalysts," Energy & Fuels, Vol. 18, No. 5, pp. 1429-1433, 2004.

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Shukla, A.A., Gosavi, P.V., Pande, J.V., Kumar, V.P., Chary, K.V.R. and Biniwale, R.B., "Efficient Hydrogen Supply through Catalytic Dehydrogenation of Methylcyclohexane over Pt/metal Oxide Catalysts," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 9, pp. 4020-4026, 2010.

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Huang, H., Spadaccini, L.J. and Sobel, D.R., "Fuel-Cooled Thermal Management for Advanced Aeroengines," Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, Vol. 126, No. 2, pp. 284-293, 2004.

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Kim, J., Park, S.H., Chun, B.H., Jeong, B.H., Han, J.S. and Kim, S.H., "Improvement of the Heats of Reaction in endothemic Reactions of Methylcyclohexane with Zeolites," Catalysis Today, Vol. 185, No. 1, pp. 47-53, 2012.

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저자의 다른 논문 :

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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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