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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 연소기 설계 및 성능구현 시에 중요하게 생각되는 요소 중의 하나인 연료의 점화지연특성을 확인하기 위하여, 바이오 항공유와 석유계항공유를 일정한 비율로 혼합한 각 항공유의 점화지연시간을 Combustion Resea rch Unit(CRU) 장비를 사용하여 측정하였으며, 그 결과를 토대로 점화지연특성에 관해 분석하였다.
- A-1 이다. 외국 바이오항공유 중에서도 10PO SF6308을 실험대상으로 선정한 이유는, 자체 개발한 바이오항공유의 제조 공정인 HRJ(Hydro-processed Renewable Jet)와 동일한 공정으로 제조된 연료이기 때문에 향후 자체 개발한 바이오 항공유의 점화지연특성과 비교 가능한 기초 데이터를 얻기 위함이다.
제안 방법
- Bio-6308, Jet A-1 그리고 두 항공유를 50:50(v:v) 으로 혼합한 시료의 점화지연시간은 700 K부터 850 K까지 총 4개의 온도 조건에서 측정하였으며, 압력 조건은 기존의 점화지연 시간 관련 연구들의 조건과 동일한 21 atm 으로 설정하였다. 또한, 바이오항공유의 함량 변화에 따른 점화 지연 특성 분석을 수행하기 위하여, Jet A-1 과 Bio-6308을 100:0, 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100(v:v)의 비율로 혼합하여 818 K, 21 atm의 조건에서 측정하였다.
- Bio-6308과 Jet A-1 을 혼합하였을 때, 점화지연 특성이 어떻게 변화하는지 확인하기 위하여 Jet A-1:Bio-6308 = 100:0, 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100(v:v)의 비율로 혼합하여 818 K, 21 atm 의 단일 온도 및 압력 조건에서 점화지연 시간을 측정하였으며, 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 혼합한 바이오항공유의 함량이 증가할수록 점화지연 시간은 짧아지는 것을 확인할 수 있다.
- 점화지연시간은 연소가 끝난 후 기록된 최고 압력의 10%에 도달했을 때의 시간인 MCD(Main Combustion Delay) 의 평균값을 사용하여 얻었다. 각 시료의 점화지연시간 측정이 끝난 후에는 Methyl Alcohol(DUKSAN, EP, Korea) 을 사용하여 3초간 3번의 세척을 하였다. 실험 대상 연료의 점화지연특성을 분석하기 위한 추가 데이터로써, 각 연료와 일정한 비율로 혼합된 연료들의 온도에 따른 표면장력을 Force tensiometer(K11, KRUSS) 장비를 사용하여 측정하였고, 측정값의 신뢰성을 확보하기 위해 5번의 측정을 통해 평균값을 구하였다.
- 각 항공유의 점화지연특성을 확인하기 위해 바이 오항공유(Bio-6308), 석 유계 항공유(Jet A-1), 그리고 두 항공유를 50:50(v:v) 의 비율로 혼합한 시료의 온도별 점화지연시간을 측정하였고, 그 결과를 Fig. 2와 Table 2에 나타내었다. 온도 조건은 CRU 장비를 사용하여 측정 가능한 온도 범위 내에서 총 4개의 point를 선정하였으며, 압력은 기존의 점화지연시간 관련 연구들과 동일한 조건인 21 atm 으로 설정하였다.
- 실험 대상 연료의 점화지연특성을 분석하기 위한 추가 데이터로써, 각 연료와 일정한 비율로 혼합된 연료들의 온도에 따른 표면장력을 Force tensiometer(K11, KRUSS) 장비를 사용하여 측정하였고, 측정값의 신뢰성을 확보하기 위해 5번의 측정을 통해 평균값을 구하였다. 각 항공유의 정성 및 정량적인 자료를 얻기 위해 GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spectrometer, Agilent 7890) 장비를 사용하였고, 유출시간에 따른 스펙트럼 intensity 의 피크에 해당하는 화합물을 확인하였다. 또한, GC-MS의 결과를 토대로 각 항공유를 구성하는 성분의 화학구조가 점화지연 특성에 미치는 영향에 대해 분석하기 위하여, 탄소수가 7개이며 파라핀 구조인 n-heptane (SAMCHUN, GR, >99.
- 각 항공유의 정성 및 정량적인 자료를 얻기 위해 GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spectrometer, Agilent 7890) 장비를 사용하였고, 유출시간에 따른 스펙트럼 intensity 의 피크에 해당하는 화합물을 확인하였다. 또한, GC-MS의 결과를 토대로 각 항공유를 구성하는 성분의 화학구조가 점화지연 특성에 미치는 영향에 대해 분석하기 위하여, 탄소수가 7개이며 파라핀 구조인 n-heptane (SAMCHUN, GR, >99.0%, Korea)과 탄소수가 7 개이며 aromatic 구조인 Toluene(SIGMA-ALDRICH, anhydrous, 99.8%, U.S.A.) 을 각각 100:0, 75:25, 50:50, 25:75, 0:100의 비율로 혼합하여 818 K, 21 atm에서의 점화지연시간을 측정하였다.
- 또한, 바이오항공유의 함량 변화에 따른 점화 지연 특성 분석을 수행하기 위하여, Jet A-1 과 Bio-6308을 100:0, 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100(v:v)의 비율로 혼합하여 818 K, 21 atm의 조건에서 측정하였다. 이 때, 장비로 공급되는 산화제인 air의 압력은 30 bar, purging에 사용되는 질소의 압력은 4 bar로 설정하였으며, 챔버 주위에 공급되는 항온수의 온도는 50 ℃로하였다.
- 존재하는 것을 확인하였다. 또한, 항공유 내에 방향족 화합물의 비율이 증가할수록 비교적 반응에 대한 안정성이 좋은 benzyl radical의 생성이 증가하게 되어, 점화지연시간이 길어지는 것을 n-heptane/Toluene 의 점화지연시간 측정을 통해 확인하였다.
- 본 연구에서는 UOP 사에서 tallow 를 원료로 하여 제조한 바이오항공유 (Bio-6308) 와 기존에 상용 중인 석유계항공유 (Jet A-1) 를 혼합하였을 때 점화지연특성이 변화하는 경향을 측정하여 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 시료 측정 시에는 3번의 pre-injection 을 통해 노즐의 끝부분까지 연료가 가득 차게 하였으며, 연소가 진행되는 동안 증가한 압력을 10번씩 측정하였다. 점화지연시간은 연소가 끝난 후 기록된 최고 압력의 10%에 도달했을 때의 시간인 MCD(Main Combustion Delay) 의 평균값을 사용하여 얻었다.
- 2와 Table 2에 나타내었다. 온도 조건은 CRU 장비를 사용하여 측정 가능한 온도 범위 내에서 총 4개의 point를 선정하였으며, 압력은 기존의 점화지연시간 관련 연구들과 동일한 조건인 21 atm 으로 설정하였다.
- 이와 같은 사실을 검증하기 위하여 탄소수가 7개로 동일하고 화학구조가 paraffin 과 aromatic 으로 다른 n-heptane과 Toluene을 각각 100:0, 7 5:25, 50:50, 25:75, 0:100 (v:v) 의 비율로 혼합하여 818 K, 21 atm의 조건에서 점화지연시간을 측정하였으며, 결과는 Fig. 5 ~ 6과 같다. 혼합한 Tol uene 의 비율이 높아질수록 점화지연시간은 길게 측정되었으며, 100%의 Toluene 은 측정한 온도와 압력 조건에서 점화조차 되지 않음을 확인하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 항공유는 UOP 사에서 Tall ow 를 원료로 하여 제조한 바이오항공유인 10PO SF6308( 이하 Bio-6308) 과 기존의 석유계항공유인 Jet A-1 이다. 외국 바이오항공유 중에서도 10PO SF6308을 실험대상으로 선정한 이유는, 자체 개발한 바이오항공유의 제조 공정인 HRJ(Hydro-processed Renewable Jet)와 동일한 공정으로 제조된 연료이기 때문에 향후 자체 개발한 바이오 항공유의 점화지연특성과 비교 가능한 기초 데이터를 얻기 위함이다.
데이터처리
- 각 항공유의 정성 및 정량적 자료를 통한 추가 해석을 위해 GC-MS 분석을 실시하였으며, 그 결과를 Fig. 4에 나타내었다. 또한, 분석 결과 데이터에서 Abundance 가 높은 순서로 10개의 성분을 선정하여 Table 4.
- 각 시료의 점화지연시간 측정이 끝난 후에는 Methyl Alcohol(DUKSAN, EP, Korea) 을 사용하여 3초간 3번의 세척을 하였다. 실험 대상 연료의 점화지연특성을 분석하기 위한 추가 데이터로써, 각 연료와 일정한 비율로 혼합된 연료들의 온도에 따른 표면장력을 Force tensiometer(K11, KRUSS) 장비를 사용하여 측정하였고, 측정값의 신뢰성을 확보하기 위해 5번의 측정을 통해 평균값을 구하였다. 각 항공유의 정성 및 정량적인 자료를 얻기 위해 GC-MS(Gas Chromatography-Mass Spectrometer, Agilent 7890) 장비를 사용하였고, 유출시간에 따른 스펙트럼 intensity 의 피크에 해당하는 화합물을 확인하였다.
- 점화지연시간은 연소가 끝난 후 기록된 최고 압력의 10%에 도달했을 때의 시간인 MCD(Main Combustion Delay) 의 평균값을 사용하여 얻었다. 각 시료의 점화지연시간 측정이 끝난 후에는 Methyl Alcohol(DUKSAN, EP, Korea) 을 사용하여 3초간 3번의 세척을 하였다.
성능/효과
- 1) Bio-6308, Jet A-1 그리고 두 항공유를 50:50 (v:v) 로 혼합한 시료의 온도에 따른 점화지연 시간을 측정하였으며, 모든 온도 조건에서 Bio-630 8의 점화지연시간이 Jet A-1 보다 짧게 나타나는 것을 확인하였다.
- 2) Jet A-1과 Bio-6308을 각각 100:0, 80:20, 60:40, 50:50, 40:60, 20:80, 0:100 (v:v)으로 혼합하여 점화지연 시간을 측정하였으며, 혼합한 시료의 점화지연 시간은 Bio-6308 의 함량이 증가할수록 짧아지는 것을 확인하였다.
- 3) 각 항공유의 점화지연특성의 차이를 분석하기 위해 온도별 표면장력을 측정하였고, 모든 측정온도에서 Bio-6308의 표면장력이 Jet A-1 보다 작은 것을 확인하였다. 표면장력은 연료의 분무 입경에 영향을 주며, 표면장력이 작아질수록 분무 입경이 감소하여 산소와 닿는 비표면적이 증가하게 되므로, 연료의 점화지연이 짧아질 수 있다.
- 4) 각 항공유의 정성 및 정량적 자료를 통한 추가 분석을 위해 GC-MS 분석을 실시하였고, Jet A-1 에 Bio-6308 에는 함유되지 않은 방향족 화합물이 존재하는 것을 확인하였다. 또한, 항공유 내에 방향족 화합물의 비율이 증가할수록 비교적 반응에 대한 안정성이 좋은 benzyl radical의 생성이 증가하게 되어, 점화지연시간이 길어지는 것을 n-heptane/Toluene 의 점화지연시간 측정을 통해 확인하였다.
- 경향을 보인다. 또한, 모든 온도 조건에서 점화지연 시간은 Bio-6308이 가장 짧고 Jet A-1 이 가장 길게 측정되었으며, 온도가 높아질수록 각 시료의 점화지연시간의 차이가 작아지는 것을 확인할 수 있다.
- [3]. 연료의 분무입경이 작아지면 산소와 접촉하는 비표면적이 커지게 되어 점화지연이 더 짧아질 것으로 예측할 수 있으몌4], 따라서 모든 측정 온도에서 표면장력 값이 가장 작게 측정된 Bio-6308의 점화지연시간이 가장 짧게 나타나는 것으로 유추할 수 있다.
- 88% 존재함을 확인할 수 있다. 참고 사항으로 실험에 사용한 두 항공유의 성적서에 의하면, Jet A-1은 방향족 함량이 21.03%이며, Bio-6308은 2.58%인 것으로 확인되어 본 연구에서 얻은 데이터와는 다소 차이가 있음을 확인하였다.
- 에 정리하였다. 항공유를 구성하는 성분의 종류를 기준으로 하였을 때, Jet A-1 에는 Bio-6308에 없는 Benzene, Xylene 등의 방향족 화합물이 약 6.88% 존재함을 확인할 수 있다. 참고 사항으로 실험에 사용한 두 항공유의 성적서에 의하면, Jet A-1은 방향족 함량이 21.
- 5 ~ 6과 같다. 혼합한 Tol uene 의 비율이 높아질수록 점화지연시간은 길게 측정되었으며, 100%의 Toluene 은 측정한 온도와 압력 조건에서 점화조차 되지 않음을 확인하였다.
후속연구
- 방향족 화합물의 존재 여부와 마찬가지로 paraffin 화합물의 분자구조 또한 항공유의 점화지연 특성에 영향을 줄 수 있으며, 이에 관련한 분석은 향후 수행할 연구에서 추가로 분석이 필요할 것으로 판단된다.
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