[논문]혼합 액체연료의 화학반응차수 계측에 관한 실험적 연구

최효현; 임준석; 김철진; 손채훈

혼합 액체연료의 화학반응차수 계측에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on Measurement of the Reaction Order of a Liquid Fuel with Various Components 원문보기

최효현 (세종대학교 대학원 기계공학과) , 임준석 (세종대학교 대학원 기계공학과) , 김철진 (세종대학교 대학원 기계공학과) , 손채훈 (세종대학교 기계항공우주공학부)

본 연구에서는 열분석법을 이용하여 혼합 액체연료의 수치해석에 필요한 여러 가지 인자를 측정하였다. 이러한 열분석법에는 열중량 분석방법(TGA, Thermo-Gravimetric Analyzer)과 시차 주사열량 측정법(DSC, Differential Scanning Calorimetry)이 있다. 열중량 분석방법을 통한 비등온 실험(non-isothermal experimental) 결과를 토대로 Freeman Carroll의 수학적인 후처리 방법을 이용하여 미지의 액체연료의 구성 성분에 대한 동역학적 변수인 활성화 온도와 반응차수로 각각 6128.2 K와 1.4를 얻었다. 그 외 다양한 수학적 처리 방법에 따른 동역학적 변수의 값을 구해보았고, 계산 결과는 처리방법에 따라 약간의 차이를 보였다.

Thermal Analyses are conducted to measure various factors of a liquid fuel required for numerical analysis. Thermal Analyses are divided into two different methods of TGA (Thermo Gravimetric Analysis) and DSC (Differential Scanning Calorimetry). Non-isothermal experimental results are analyzed using by TGA. The results are filtered by a Freeman Carroll method. At the same time, chemical parameters of unknown liquid fuel, activation temperature and reaction order are measured to 6128.2 K and 1.4, respectively. Furthermore, the parameters can be obtained by various mathematical methods. It is found that tha parameters depend on the processing method.

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문제 정의

본 연구에서 연구 대상으로 삼은 액체 연료는 구성성분이 정확히 알려지지 않은 물질로써, 미지의 혼합 액체로 그 내부 액체의 열적 특성이 명확하지 않고, 대부분 문헌에도 잘 나와 있지 않기 때문에 수치해석과 실험을 수행하는데 큰 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 혼합 액체연료의 성분분석 및 기초 데이터를 획득하기위하여 열중량 분석법(TGA, Thermo-Gravimetric Analyzer) 및 시차주사열량 측정법(DSC, Differential Scanning Calorimetry)을 활용하여 액체연료의 무게 변화로 인해 열에 의한 변화 상태를 분석하고, 그때의 혼합물 성분 구성 및 자연 발화 가능한 온도 및 시간을 예측하였다. 또한 열중량 분석법을 통해 활성화 온도와 반응차수를 획득하였다.
본 연구는 연소기에 사용되는 탄화수소계열의 미지의 혼합 액체 연료의 화학적 인자를 계측하기 위한 연구로서 이를 바탕으로 향후 수치 해석 및 실험적 연구를 수행하기 위한 선행 연구이다. 열중량 분석법을 통해 수치해석을 위한 여러 가지 인자값을 도출하였고, 수학적인 후처리 방법을 통해 이러한 값들을 비교하였다.
본 연구에서는 여러 성분으로 구성된 액체연료의 여러 가지 화학적 인자들의 값을 측정하고자 한다. 본 연구에서는 성분이 알려져 있지 않은 액체연료를 시험 분석하여, 혼합 액체연료의 중요한 성분들의 정체를 파악하였다. 또한 본 연구를 통하여 액체연료의 열역학적, 화학적 물성치를 측정하였다.
본 연구에서는 여러 성분으로 구성된 액체연료의 여러 가지 화학적 인자들의 값을 측정하고자 한다. 본 연구에서는 성분이 알려져 있지 않은 액체연료를 시험 분석하여, 혼합 액체연료의 중요한 성분들의 정체를 파악하였다.

제안 방법

본 연구에서는 TGA 분석을 통해 얻은 결과를 이용하여 Freeman-Carroll이 제시한 미분법[1]의 후처리 방법을 이용하여 동역학적 변수(활성화에너지, 반응차수, 빈도인자)값을 구하고, 또한 다양한 수학적 처리 방법에 따른 결과 값을 비교하였다. 그리고 TGA분석을 통해 액체연료의 무게 변화로 인해 열에 의한 변화 상태를 분석하고, 그때의 혼합물 성분 구성 및 자연발화 가능한 온도 및 시간을 예측하였다. 열 무게 측정 곡선으로부터 반응 속도를 구하는 방법은 식 (1)과 같은 속도식을 이용한다.
본 연구에서는 성분이 알려져 있지 않은 액체연료를 시험 분석하여, 혼합 액체연료의 중요한 성분들의 정체를 파악하였다. 또한 본 연구를 통하여 액체연료의 열역학적, 화학적 물성치를 측정하였다. 이를 통해 점화/연소 수치해석에 필요한 여러 가지 인자들이 파악될 수 있다.
따라서 본 연구에서는 혼합 액체연료의 성분분석 및 기초 데이터를 획득하기위하여 열중량 분석법(TGA, Thermo-Gravimetric Analyzer) 및 시차주사열량 측정법(DSC, Differential Scanning Calorimetry)을 활용하여 액체연료의 무게 변화로 인해 열에 의한 변화 상태를 분석하고, 그때의 혼합물 성분 구성 및 자연 발화 가능한 온도 및 시간을 예측하였다. 또한 열중량 분석법을 통해 활성화 온도와 반응차수를 획득하였다.
본 연구에서는 TGA 분석을 통해 얻은 결과를 이용하여 Freeman-Carroll이 제시한 미분법[1]의 후처리 방법을 이용하여 동역학적 변수(활성화에너지, 반응차수, 빈도인자)값을 구하고, 또한 다양한 수학적 처리 방법에 따른 결과 값을 비교하였다. 그리고 TGA분석을 통해 액체연료의 무게 변화로 인해 열에 의한 변화 상태를 분석하고, 그때의 혼합물 성분 구성 및 자연발화 가능한 온도 및 시간을 예측하였다.
본 연구에서는 열중량 분석법과 함께 시차주사열량 측정법(DSC, Differential scanning calorimetry)을 이용하여 시료를 분석하고 두 결과를 비교 분석하였다. DSC는 시차열분석(DTA, Differential Thermal Analysis) 방법을 응용한 것이다.
본 연구는 연소기에 사용되는 탄화수소계열의 미지의 혼합 액체 연료의 화학적 인자를 계측하기 위한 연구로서 이를 바탕으로 향후 수치 해석 및 실험적 연구를 수행하기 위한 선행 연구이다. 열중량 분석법을 통해 수치해석을 위한 여러 가지 인자값을 도출하였고, 수학적인 후처리 방법을 통해 이러한 값들을 비교하였다. 수학적인 후처리 방법에 따라 값의 차이를 보이나, 수치해석시 화학적 인자를 알 수 없는 미지의 연료에 대한 대략적인 값의 획득을 통해 향후 수치해석시 필요한 정보를 제공할 수 있을 것이다.

이론/모형

또한 DTG(Derivative Thermogravimetry)곡선의 최대분해 속도인 극점에서의 세 특성값인 극점 온도, 극점 높이, 극점 전화율을 이용하여 동역학적 변수를 결정하는 방법인 PPM(Peak Property Method)을 이용하였다.[7] 이 방법을 이용하여 얻은 반응차수, n은 약 1.

성능/효과

DSC로 분석한 결과로써 본 연구 대상의 혼합액체 연료는 총 5가지 성분(peak의 개수)으로 구성되어 있음을 알 수 있다. 액체연료의 온도 변화에 대한 중량변화, 기체연료의 산화반응으로 인한 열유속(heat flow), 액체연료의 온도 변화를 알 수 있다.
또한 TGA 분석 결과를 통해 여러 가지 동역학적 특성 중 활성화 에너지 값은 Chatterjee-Conrad법과 Coats-Redfern법을 제외하고는 유사한 값을 얻었다. 그리고 수학적인 후처리 방법을 통해 얻은 동역학적인 값은 특징에따라 활성화 에너지, 반응차수, 빈도인자 값을 모두 도출 할 수 있는 방법도 있으나 그렇지 않은 방법도 있다.
이러한 TGA를 이용한 열 중량 실험은 우선 고정된 온도에서 수행하는 등온 실험(isothermal experimental)과 실험온도 범위를 정한 후, 승온 속도를 일정하게 유지하여 설정된 온도까지 상승 시키는 비등온 실험(non-isothermal experimental) 방법으로 나눌 수 있다. 위와 같은 실험 결과 값을 미분법과 적분법이라는 수학적인 후처리 방법을 통해 열분해 과정에서 일어나는 반응 상수, 전지수 인자 및 활성화에너지 값을 계산할 수 있다. 수학적인 후처리 방법인 미분법에는Freeman-Carroll[1], Chatterjee-Conrad[2], Friedman[3] 등이 제시한 방법이 있고, 적분법에는 Flynn-wall[4], Ozawa[5], Coats-Redfern[6] 등이 제시한 방법이 있다.

후속연구

열중량 분석법을 통해 수치해석을 위한 여러 가지 인자값을 도출하였고, 수학적인 후처리 방법을 통해 이러한 값들을 비교하였다. 수학적인 후처리 방법에 따라 값의 차이를 보이나, 수치해석시 화학적 인자를 알 수 없는 미지의 연료에 대한 대략적인 값의 획득을 통해 향후 수치해석시 필요한 정보를 제공할 수 있을 것이다. 또한 시차주사 열량 측정방법을 통해 혼합 연료의 각 성분을 파악알 수 있다.

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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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