극초음속 항공기 기술의 발전은 비행체 속도를 증가시키기 위해 진행되어 왔다. 하지만 비행체의 속도가 증가할수록 엔진에서 발생되는 열과 공기와의 마찰열이 증가하게 된다. 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.
극초음속 항공기 기술의 발전은 비행체 속도를 증가시키기 위해 진행되어 왔다. 하지만 비행체의 속도가 증가할수록 엔진에서 발생되는 열과 공기와의 마찰열이 증가하게 된다. 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.
Hypersonic aircraft technologies have been developed with increase in flight speeds. As hypersonic flight speeds increase, heat loads on an aircraft and it's engine increase. Researches on cooling technologies using endothermic fuels are progressing in the USA, France, and Russia to treat the heat l...
Hypersonic aircraft technologies have been developed with increase in flight speeds. As hypersonic flight speeds increase, heat loads on an aircraft and it's engine increase. 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 phase 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.
Hypersonic aircraft technologies have been developed with increase in flight speeds. As hypersonic flight speeds increase, heat loads on an aircraft and it's engine increase. 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 phase 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 흡열특성을 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 흡열연료의 흡열특성 연구를 수행하였다. 실제 비행체에 사용되는 탄화수소 연료는 흡열특성해석이 어렵기 때문에 단순한 구조이거나, 케로신 연료에 포함되어 있는 주요물질들을 대상연료(MCH, n-octane, n-dodecane)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 Reaction heat는 Sensible heat + Reaction heat의 포인트와 Sensible heat(실선)의 차이를 통해 확인할 수 있다. 데이터는 각 온도 조건에서 10 시간동안 진행된 실험의 생성물 분석결과를 바탕으로 계산되었고, 반응열은 실험이 수행된 조건에서 반응물과 생성물의 엔탈피차이를 통하여 계산하였다. 흡열연료를 통해 얻을 수 있는 실제적인 총괄흡열량은 Sensible heat와 Reaction heat의 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.
첫째는 링 구조의 탄화수소(MCH)와 선형구조 탄화수소(n-alkane)의 흡열특성을 비교하기 위한 것이고, 둘째는 선형탄화수소에서 사슬의 길이에 따른 흡열특성을 비교하기 위함이다. 본 연구에서 수행된 모델연료의 흡열특성 연구는 온도별 분해율 분석, 열분해 생성물분석, 흡열량 계산이다.
본 연구에서는 비행체 냉각에 이용되는 흡열연료의 흡열특성 연구를 수행하였다. 실제 비행체에 사용되는 탄화수소 연료는 흡열특성해석이 어렵기 때문에 단순한 구조이거나, 케로신 연료에 포함되어 있는 주요물질들을 대상연료(MCH, n-octane, n-dodecane)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.
탄화수소의 열분해 반응은 수십에서 수백개의 액상생성물이 생성되기 때문에 액상생성물분석에서는 탄소수에 따라 생성물을 분류하여 시간에 따른 조성변화를 연구하였다.
대상 데이터
본 연구에 선정된 모델 연료는 Table. 1에 나와있는 것과 같이 methylcycl-ohexane(MCH), n-octane, n-dodecane이고 위와 같은 물질을 모델연료로 선정한 이유는 다음과 같다. 첫째는 링 구조의 탄화수소(MCH)와 선형구조 탄화수소(n-alkane)의 흡열특성을 비교하기 위한 것이고, 둘째는 선형탄화수소에서 사슬의 길이에 따른 흡열특성을 비교하기 위함이다.
데이터처리
모델연료의 흡열량 계산은 NIST(미국표준기술연구소)에서 개발한 SUPERTRAPP 프로그램을 이용하여 계산하였다. SUPERTRAPP프로그램은 다양한 탄화수소들의 열역학적 물성과 물리적 물성 데이터를 온도 및 압력조건에 따라 계산하여주는 프로그램이다.
성능/효과
9에는 MCH 열분해 생성물의 탄소수에 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 cyclopentane링에 side chain이 붙어있는 구조의 1,1-dimethylcyclopentane, 1,2-dimethylcyclopentane, 1,3-dimethylcyclopentane, ethylcyclopentane과 같은 4가지의 MCH 이성질화 반응 생성물이었다.
분해율이 43%인 405 ℃가 되었을 때 비교적 많은 양의 생성물이 생성되었다. n-dodecane의 열분해반응 실험에서 수행된 모든 온도조건에서 C9 탄화수소의 조성이 가장 높게 나타났으며, 선형구조인 n-dodecane의 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-octane의 열분해반응 실험에서 수행된 모든 온도조건에서 C6 탄화수소의 조성이 가장 높게 나타났으며, 선형구조인 n-octane의 열분해 반응에서는 선형구조의 탄화수소가 많이 생성됨을 확인하였다.
445℃ 액상생성물에서도 C7, C6 탄화수소가 가장 많이 생성되었으며 주로 링구조를 이루는 탄화수소였다. 결과적으로 MCH 열분해에서 온도가 증가할수록 다양한 탄화수소가 생성되며 모든 온도 범위에서 생성된 탄화수소는 주로 cyclopentane링과 cyclohexane링을 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-alkane의 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, C5 등의 탄화수소도 생성되어 다양한 종류의 탄화수소가 생성됨을 확인할 수 있었다. 425 ℃에서 역시 주로 cyclopentane링과 cyclohexane링을 갖는 탄화수소 물질이 생성되었다.
온도별 분해율 분석에서 링구조를 갖는 MCH의 분해온도가 가장 높게 나타났다. 또한 같은 선형구조의 n-octane과 n-dodecane에서는 사슬 길이가 짧은 n-octane의 분해온도가 더 높게 나타남을 확인하였다.
본 연구가 수행된 조건에서 n-octane, n-dodecane의 열분해반응의 생성물에는 기상과 액상 모두 단일결합을 갖는 선형구조의 포화탄화수소가 많이 생성되었다. 하지만 높은 반응열을 유도하기 위해서는 불포화결합을 갖는 탄화수소의 생성이 필요하다[4].
n-octane의 sensible heat은 MCH보다 동일한 온도에서 20-25 kJ/mol 정도 크게 나타났다. 온도가 증가할수록 Reaction heat은 증가하였지만, MCH와 마찬가지로 Reaction heat는 Sensible heat에 비해 매우 작은 것으로 나타났다. Fig.
온도별 분해율 분석에서 링구조를 갖는 MCH의 분해온도가 가장 높게 나타났다. 또한 같은 선형구조의 n-octane과 n-dodecane에서는 사슬 길이가 짧은 n-octane의 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-alkane의 초임계 분해반응에서는 불포화결합을 갖는 올레핀계 탄화수소의 생성보다 포화결합을 갖는 파라핀계 탄화수소의 생성이 더 많다는 것을 확인할 수 있었다.
흡열량 계산에서는 코킹이 생기기 전의 온도 범위에서 3가지 모델연료에 대해 Reaction heat은 Sensible heat보다 작게 나타났다. 연료의 Reaction heat을 증가시키기 위해서는 생성물의 엔탈피를 높이는 것이 중요하다.
후속연구
연료의 Reaction heat을 증가시키기 위해서는 생성물의 엔탈피를 높이는 것이 중요하다. 본 연구를 기초로 하여 향후 높은 분해반응열을 갖는 반응을 유도할 수 있는 촉매개발 연구를 진행할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
원활한 초음속 비행체 작동을 위해 냉각기술이 요구되는 이유는?
하지만 비행체의 속도가 증가할수록 엔진에서 발생되는 열과 공기와의 마찰열이 증가하게 된다. 이러한 열적부하는 시스템구조물의 변형을 일으킬 수 있기 때문에 원할한 초음속 비행체 작동을 위해서는 냉각기술이 요구된다.
비행체의 속도가 증가할수록 발생하는 문제는?
극초음속 항공기 기술개발은 비행체의 속도를 증가시키기 위해 진행되어 왔다. 하지만 비행체의 속도가 증가할수록 엔진에서 발생되는 열과 공기와의 마찰열이 증가하게 된다. 이러한 열적부하는 시스템구조물의 변형을 일으킬 수 있기 때문에 원할한 초음속 비행체 작동을 위해서는 냉각기술이 요구된다.
흡열연료를 이용한 냉각법인 직접냉각과 간접냉각은 무엇인가?
1에서와 같이 직접냉각(Direct cooling)과 간접냉각(Indirect cooling) 두 가지 방식이 있다[1]. 직접냉각은 연료가 연소되기 전 노즐벽면 내 유로를 흐르는 동안 가열된 시스템을 냉각하는 방식으로써 재생냉각(Regenerative cooling)방식과 비슷하지만 상변화와 흡열반응을 수반한다는 점이 다르다. 간접냉각은 가열된 시스템 외부에 열교환기가 설치되어, 흡열연료는 열교환기 내에서 분해반응을 통해 시스템냉각을 위해 사용된 냉각제를 냉각시킨다.
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