KR102026863B1 - 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기 - Google Patents

연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기 Download PDF

Info

Publication number
KR102026863B1
KR102026863B1 KR1020180048418A KR20180048418A KR102026863B1 KR 102026863 B1 KR102026863 B1 KR 102026863B1 KR 1020180048418 A KR1020180048418 A KR 1020180048418A KR 20180048418 A KR20180048418 A KR 20180048418A KR 102026863 B1 KR102026863 B1 KR 102026863B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
reactor
endothermic
amount
fuel
flow
Prior art date
Application number
KR1020180048418A
Other languages
English (en)
Inventor
정병훈
한정식
김성현
이태호
Original Assignee
국방과학연구소
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 국방과학연구소 filed Critical 국방과학연구소
Priority to KR1020180048418A priority Critical patent/KR102026863B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102026863B1 publication Critical patent/KR102026863B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/001—Controlling catalytic processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J3/00—Processes of utilising sub-atmospheric or super-atmospheric pressure to effect chemical or physical change of matter; Apparatus therefor
    • B01J3/008—Processes carried out under supercritical conditions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/008—Details of the reactor or of the particulate material; Processes to increase or to retard the rate of reaction
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00026—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2208/00035—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2208/0007—Pressure measurement
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00106—Controlling the temperature by indirect heat exchange

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

본 발명은 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 전압측정기, 전류측정기 및 복수의 온도측정기를 포함하고, 촉매가 주입되어 있는 반응기;를 포함하고, 흡열 연료가 상기 반응기를 통과하며 상기 촉매와 반응함에 따라 발생하는 물리적 흡열량 및 총 흡열량을 계산하여 상기 흡열 연료의 화학적 흡열량을 측정하는 것이고, 상기 화학적 흡열량은, 상기 총 흡열량과 상기 물리적 흡열량의 차이인 것인, 흐름형 반응기에 관한 것이다.

Description

연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기 {FLOW-TYPE REACTOR CAPABLE OF MEASURING HEAT SINK OF FUEL}
본 발명은 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기에 관한 것으로서, 더욱 자세하게는, 탄화수소계 연료의 촉매 분해시 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기에 관한 것이다.
초음속 비행체나 발사체는 보통 마하 5 이상의 속도로 운행하기 때문에 공기와의 마찰과 엔진에서 발생하는 열부하가 매우 크다. 운행 시 발생되는 열로 인해 비행체의 온도가 상승하게 되는데, 발생한 열은 엔진의 구조 변화와 기능 저하를 야기 시켜 비행체 오작동을 유발할 수 있다. 따라서 이를 방지하기 위해 엔진의 열을 냉각시킬 수 있는 냉각시스템의 개발이 중요하다.
초음속비행체의 열 관리를 위한 냉각기술로는 공기를 이용한 공냉각식 냉각법과 액체 메탄이나 액체 수소와 같은 극저온 연료 사용법이 있다. 그러나 공냉각식 냉각법은 극초음속 비행에서 공기와의 마찰열을 더 증가시키고, 극저온 연료는 낮은 밀도로 인하여 저장을 위한 거대한 기계장치가 필요하고, 비용이나 안전 등의 문제가 있다.
따라서 최근에는 열적 부하 증가로 인한 극초음속 비행체를 냉각시키기 위한 방법으로 탄화수소형 흡열 연료가 대안으로 주목 받고 있다. 흡열 연료란 극초음속 비행체 냉각을 위해 열분해반응 또는 촉매분해반응을 통해 열을 흡수하면서 분해가 되는 특성을 지닌 연료를 말한다. 흡열 연료로부터 얻을 수 있는 흡열량은 물리적인 흡열과 화학적인 흡열로 나뉜다. 물리적 흡열이란 연료의 온도 상승을 통해 흡수되는 현열(Sensible heat)이고 화학적 흡열은 연료의 화학 반응에 의해 흡수되는 반응열(heat of reaction)이다. 연료의 물리적 흡열량은 온도에 따라 정해져 있는 값이므로 총 흡열량을 증가시키기 위해서는 화학적 흡열을 향상시켜야 한다.
기술의 발전에 따라 비행체의 속도가 점점 빨라짐에 따라 공기 마찰과 엔진에서 발생하는 열이 크게 증가되고 있어 흡열 연료의 분해반응에 의한 반응열을 향상시키기 위하여 최근에는 촉매를 이용한 분해 반응이 많이 활용되고 있다.
흡열 연료의 촉매 분해에 의한 흡열량을 극대화하기 위해서는 촉매 분해 반응기의 구성과 흡열량을 정확하게 측정해야만 한다. 특히, 초음속 비행체에서 발생되는 열부하 문제를 해결하기 위해서는 흡열량이 높은 흡열 연료 선택하고, 초음속 비행체의 흡열 연료 분해 장치 설계, 제작 및 운전 시 흡열량을 정확하게 측정하는 것은 매우 중요하다.
기존의 흐름형 반응기의 경우, 촉매에 의한 액체연료 분해반응에 의한 흡열량 측정은 열손실을 최소화하기 위하여 촉매 반응기를 진공 챔버내에 설치한 후 촉매 분해반응시 반응기내의 온도변화를 측정하고, 적분식을 이용하여 총 흡열량을 계산하고 현열을 제외하는 방식을 통해 흡열량을 계산하였다, 그러나 실제로는 반응기와 진공챔버의 연결 부위에서 열손실로 인해 정확한 흡열량을 측정할 수 없었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은, 음속 비행체의 실제 운전과 유사한 조건에서, 촉매에 의한 흡열 연료 분해반응 시 흡열량을 정확하게 측정할 수 있는 흐름형 반응기를 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 해당 분야 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흐름형 반응기는, 전압측정기, 전류측정기 및 복수의 온도측정기를 포함하고, 촉매가 주입되어 있는 반응기;를 포함하고, 흡열 연료가 상기 반응기를 통과하며 상기 촉매와 반응함에 따라 발생하는 물리적 흡열량 및 총 흡열량을 계산하여 상기 흡열 연료의 화학적 흡열량을 측정하는 것이다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기는 흐름 방향을 따라 5 내지 8개의 열전대로 구분되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 5 내지 8개의 열전대는 상기 반응기 내 흐름 방향을 따라 등간격으로 형성되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기 내부로 주입되는 공기 및 상기 흡열 연료의 온도를 조절하는 예열기; 및 상기 반응기 내부의 압력을 조절하는 압력조절기;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기와 상기 예열기 사이에 위치하는 온도 센서;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기 내부는 초임계 상태로 유지되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 초임계 상태는, 상기 예열기 및 상기 압력조절기를 통해 유지되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 화학적 흡열량은, 상기 총 흡열량과 상기 물리적 흡열량의 차이인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 총 흡열량은, 상기 흡열 연료의 흡열 반응시 반응기의 전력량과 상기 반응기의 열손실량의 차이인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 흡열 연료의 흡열 반응시 반응기의 전력량은. 상기 흡열 연료가 상기 반응기 내부를 통과하며 흐르는 동안 측정되는 온도, 전압 및 전류를 측정하여 온도에 따른 전력량(전압 X 전류)을 측정하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기의 열손실량은, 상기 반응기 내부로 상기 흡열 연료가 흐르지 않는 상태에서 측정되는 온도, 전압 및 전류를 측정하여 온도에 따른 열손실량(전압 X 전류)을 측정하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 물리적 흡열량은, 상기 흡열 연료가 상기 반응기 내부를 통과하며 흐르는 동안 상기 흡열 연료의 엔탈피 변화에 따라 계산되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 흐름형 반응기는, 전압측정기, 전류측정기 및 복수의 온도측정기를 포함하고, 촉매가 주입되어 있는 반응기를 포함함으로써, 촉매에 의한 흡열 연료 분해반응 시 흡열량을 정확하게 측정할 수 있는 흐름형 반응기를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 흐름형 반응기는, 반응기 내부로 주입되는 공기 및 상기 흡열 연료의 온도를 조절하는 예열기; 및 상기 반응기 내부의 압력을 조절하는 압력조절기;를 더 포함함으로써, 음속 비행체의 실제 운전과 유사한 조건에서, 촉매에 의한 흡열 연료 분해반응 시 흡열량을 정확하게 측정할 수 있는 흐름형 반응기를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 흐름형 반응기를 통해 흡열량을 정확하게 측정함으로써, 다양한 종류의 흡열 연료에 대한 흡열량 데이터 확보할 수 있어 이를 바탕으로 (1)초음속 고속비행체의 안정적 운전을 구현할 수 있고, (2) 종류가 다른 초음속 고속 비행체에 적합한 흡열 연료 선정할 수 있으며, (3) 초음속 고속비행체의 촉매 흡열 반응시스템의 설계 및 제작에 활용할 수 있다.
도 1은 바람직한 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름형 반응기를 도시한 도면이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 흐름형 반응기에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
도 1은 바람직한 본 발명의 일 실시예에 따른 흐름형 반응기를 도시한 도면이다. 이하 도 1을 참조하여 본 발명의 흐름형 반응기를 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 흐름형 반응기는, 전압측정기(80), 전류측정기(90) 및 복수의 온도측정기를 포함하고, 촉매가 주입되어 있는 반응기(70);를 포함하고, 흡열 연료가 상기 반응기(70)를 통과하며 상기 촉매와 반응함에 따라 발생하는 물리적 흡열량 및 총 흡열량을 계산하여 상기 흡열 연료의 화학적 흡열량을 측정하는 것이다.
본 발명에 따른 흐름형 반응기는, 전압측정기, 전류측정기 및 복수의 온도측정기를 포함하고, 촉매가 주입되어 있는 반응기(70)를 포함함으로써, 촉매에 의한 흡열 연료 분해반응 시 흡열량을 정확하게 측정할 수 있는 흐름형 반응기를 구현할 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기(70)는 흐름 방향을 따라 5 내지 8개의 열전대(120)로 구분되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 5 내지 8개의 열전대(120)는 상기 반응기 내 흐름 방향을 따라 등간격으로 형성되는 것일 수 있다.
바람직하게는, 흐름 방향에 따른 반응기(70)의 온도를 정확하게 측정하기 위하여 6개의 열전대(121, 122, 123, 124, 125, 126)에 온도 측정기가 형성되는 것일 수 있으며, 반응기(70)로 주입되는 흡열 연료의 온도를 측정하기 위한 열전대(127)가 추가로 형성되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 반응기(70)의 단면은 흐름방향에 따라 주입되는 열플럭스(Heat flux)를 일정하게 유지하기 위하여 판형으로 형성되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기 내부로 주입되는 공기 및 상기 흡열 연료의 온도를 조절하는 예열기(60); 및 상기 반응기 내부의 압력을 조절하는 압력조절기;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기(70)와 상기 예열기(60) 사이에 위치하는 온도 센서;를 더 포함하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기 내부는 초임계 상태로 유지되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 초임계 상태는, 상기 예열기(60) 및 상기 압력조절기를 통해 유지되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 흐름형 반응기는, 반응기 내부로 주입되는 공기 및 상기 흡열 연료의 온도를 조절하는 예열기(60); 및 상기 반응기 내부의 압력을 조절하는 압력조절기;를 더 포함함으로써, 음속 비행체의 실제 운전과 유사한 조건에서, 촉매에 의한 흡열 연료 분해반응 시 흡열량을 정확하게 측정할 수 있는 흐름형 반응기를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 흐름형 반응기를 통해 흡열량을 정확하게 측정함으로써, 다양한 종류의 흡열 연료에 대한 흡열량 데이터 확보할 수 있어 이를 바탕으로 (1)초음속 고속비행체의 안정적 운전을 구현할 수 있고, (2) 종류가 다른 초음속 고속 비행체에 적합한 흡열 연료 선정할 수 있으며, (3) 초음속 고속비행체의 촉매 흡열 반응시스템의 설계 및 제작에 활용할 수 있다.
일 측면에 따르면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 흐름형 반응기의 운전 순서는, 먼저 반응기(70)의 압력을 흡열 연료의 초임계 이상의 기압으로 상승시키는 단계가 수행된다. 이는, 음속 비행체의 실제 운전과 유사한 조건을 형성하기 위한 단계로서, 더욱 자세하게는 고압질소 실린더(10)의 질소를 이용하여 반응기(70) 내부로 질소를 5분 내지 10분간 흘려보내 퍼징한 후, 압력조절기를 사용하여 내부압력을 연료의 초임계 압력 이상인 40 bar 내지 50 bar 기압으로 조절하는 것일 수 있다.
그 후, 예열기(60)와 반응기(70) 내부의 온도를 초음속 비행체의 운전 조건인 초임계상태의 온도로 상승시키는 단계가 수행된다.
그 후, 연료저장탱크(30)에 있는 흡열 연료를 고압용 펌프(50)를 통해 예열기(60)에 주입하여 예열기 출구에서 흡열 연료의 온도를 300 ℃ 내지 400 ℃까지 상승시켜 준 후, 반응기(70)에서 흡열 연료의 온도를 400 ℃ 내지 800 ℃로 가열하여 흡열 연료가 촉매에 의해 분해반응이 진행되도록 한다.
그 후, 반응기(70)에서 나오는 반응생성물을 응축기(130) 및 필터(140)에 통과시킨 후, 기액 분리기(160)를 통해 기상 생성물질과 액상 생성물질로 분류하여 기상 생성물질은 가스 크로마토 그래피(170))에 의하여 분석하고 액상 생성물질은 GC-MS 분석을 위하여 샘플링한다.
일 측면에 따르면, 상술한 모든 과정에서 주입되는 연료의 주입량은 유량제어 밸브(40)로 측정되는 것일 수 있고, 총 흡열량을 측정하기 위한 전압과 전류는 전압계(80)와 전류계(90)로 실시간으로 측정되는 것일 수 있으며, 반응기(70) 내부의 압력은 압력계(110)로 실시간으로 측정되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 위치에 따른 예열기 및 반응기의 온도는 예열기 및 반응기에 설치된 열전대(121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128)의 온도측정기를 통하여 측정되는 것일 수 있고, 실시간으로 측정된 반응기 온도, 전압, 전류는 자동프로그램에 의하여 컴퓨터에 저장되는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 화학적 흡열량은, 상기 총 흡열량과 상기 물리적 흡열량의 차이인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 총 흡열량은, 상기 흡열 연료의 흡열 반응시 반응기의 전력량과 상기 반응기의 열손실량의 차이인 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 흡열 연료의 흡열 반응시 반응기의 전력량은. 상기 흡열 연료가 상기 반응기 내부를 통과하며 흐르는 동안 측정되는 온도, 전압 및 전류를 측정하여 온도에 따른 전력량(전압 X 전류)을 측정하는 것일 수 있다. 바람직하게는, 촉매가 주입된 반응기 내부로 흡열 연료가 흐르는 경우 반응기 벽면에 설치된 열전대를 통하여 여섯 개 지점(121, 122, 123, 124, 125, 126)의 온도와 그때의 전압과 전류를 측정하여 전압과 전류의 곱에 의하여 반응기의 전력량을 산정하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 반응기의 열손실량은, 상기 반응기 내부로 상기 흡열 연료가 흐르지 않는 상태에서 측정되는 온도, 전압 및 전류를 측정하여 온도에 따른 열손실량(전압 X 전류)을 측정하는 것일 수 있다. 즉, 흡열 연료가 촉매와 반응하지 않으면서 순수하게 반응기에서 손실되는 열량을 측정할 수 있다. 바람직하게는, 반응기 내부로 흡열 연료가 흐르지 않는 상태에서 반응기의 온도를 설정 한 후 반응기 벽면에 설치된 열전대를 통하여 여섯 개 지점(121, 122, 123, 124, 125, 126)의 온도와 그때의 전압과 전류를 측정하여 열손실량을 계산하는 것일 수 있다. 반응기 벽면의 여섯 개 외부 지점에서 측정한 온도의 평균 값과 전력 값을 그래프를 그린 후, 그래프에 맞는 식을 도식하여 실제 촉매 열분해 흡열 반응에서 해당온도의 열손실량을 구하는 것일 수 있다.
일 측면에 따르면, 상기 물리적 흡열량은, 상기 흡열 연료가 상기 반응기 내부를 통과하며 흐르는 동안 상기 흡열 연료의 엔탈피 변화에 따라 계산되는 것일 수 있다.
더욱 자세하게, 물리적 흡열량인 현열은 반응 전 반응물인 연료의 엔탈피와 반응 후 반응 생성물의 엔탈피 차이로부터 계산 할 수 있다. 반응물과 반응생성물의 엔탈피는 각 성분의 비열(
Figure 112018041529060-pat00001
)로부터 계산할 수 있으며, 물리적 흡열량은 하기 수학식 1과 같이 미분해 반응물에 흡열과 분해 생성물들에 의한 흡열로 구분할 수 있다.
Figure 112018041529060-pat00002
(여기서
Figure 112018041529060-pat00003
은 물리적 흡열, N은 계산을 위한 총 열전대의 수, Zf는 반응 생성물의 분율,
Figure 112018041529060-pat00004
는 연료의 비열,
Figure 112018041529060-pat00005
은 반응생성물 각 성분의 비열,
Figure 112018041529060-pat00006
는 총 반응 생성물 중 각 성분의 분율,
Figure 112018041529060-pat00007
는 각 열전대의 온도 증가량이다.)
연료와 반응 생성물의 물리적 성질들은 미국 표준과학연구원(NIST) NIST Chemistry Web Book [1]의 자료들을 활용하였다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
실시예
도면 1에 도시한 흐름형 반응기를 이용하여 탄화수소계 액체연료인 엑소-테트라하이드로디사이클로펜타디엔(exo-tetrahydrodicyclopentadiene: exo-THDCP)의 총 흡열량, 물리적 흡열량, 화학적 흡열량을 측정하였다.
1) 반응기의 열손실
반응기 내부에 아무것도 흐르지 않는 상태에서 반응기 설정온도를 400 ℃, 450 ℃, 480 ℃ 및 500 ℃로 설정 한 후, 반응기 외부 여섯 개 지점의 온도와 그때의 전압과 전류를 측정하여 열손실 전력을 측정한 결과 값을 하기 표 1에 나타내었다.
평균 온도 (℃) 열손실 전력 (J/sec)
404.3 55.03
452.0 67.32
501.1 77.69
550.6 89.49
상기 표 1의 값을 이용하여 반응기의 온도에 따른 열손실량을 그래프로 나타낸 후 이를 근거로 하기 수학식 2를 구하여 열량 측정시 해당 반응온도에서 열손실 값을 계산하였다.
Figure 112018041529060-pat00008
(Y는 열손실량 (J/sec) X는 온도(℃)이다.
2) 총 흡열량
제올라이트 촉매의 흡열량 측정 실험조건은 유량 2 ml/min, 반응온도 500 ℃, 압력 50 bar, 76.6 hr-1(WHSV)에서 수행되었다. 촉매가 주입된 반응기의 내부로 연료가 흘러가는 과정에서 측정한 전류, 전압 값을 서로 곱하여 전력 값을 구한 후, 반응온도 500 ℃에서 상기 수학식 2에 의한 열손실 값을 빼어 주면 흡열반응에 의한 흡열 연료의 흡열량을 측정하였다.
상기조건(유량 2 ml/min, 반응온도 500 ℃, 압력 50 bar)에서 흡열 연료(exo-THDCP)가 촉매에 의하여 분해될 경우 측정된 열량은 174.4 J/sec 이고 상기 수학식 2를 통해 계산되는 500 ℃에서 반응기의 열손실은 78.2 J/sec 이므로 흡열량은 (174.4 J/sec - 78.2 J/sec = 96.2 J/sec) 96.2 J/sec이고 유량으로 나누어 주면 총 흡열량 423.1 kJ/mol을 얻을 수 있다.
3) 물리적 흡열량
물리적 흡열량은 상술한 것과 같이 수학식 1을 이용하여 측정하였다. 대상 연료(exo-THDCP)를 다음의 반응조건(유량 2 ml/min, 반응온도 500 ℃, 압력 50 bar)에서 촉매반응을 진행한 후 반응 생성물 중 탄소수가 4 미만인 탄화수소계 가스상 생성물은 가스크로마토그래프(GC)로 액상 생성물은 GC-MS로 분석하여 각 성분의 함량이 0.1% 이상의 물질을 탄소수별로 분류하였다. 그 후, 각각의 반응 생성물을 종류별로 수학식 1에 대입하여 물리적 흡열량을 계산하여 물리적 흡열량 273.7 kJ/mol을 얻을 수 있다.
4) 화학적 흡열량
상기에서 구한 총 흡열량(423.1 kJ/mol)에서 물리적 흡열량(273.7 kJ/mol)값을 빼면 촉매에 의해 흡열 연료인 exo-THDCP 가 분해될 시 얻어지는 화학반응열은 149.4 kJ/mol인 것을 알 수 있다.
상술한 것과 같이, 본 발명에 따른 흐름형 반응기를 통해 흡열량을 정확하게 측정함으로써, 다양한 종류의 흡열 연료에 대한 흡열량 데이터 확보할 수 있어 이를 바탕으로 (1)초음속 고속비행체의 안정적 운전을 구현할 수 있고, (2) 종류가 다른 초음속 고속 비행체에 적합한 흡열 연료 선정할 수 있으며, (3) 초음속 고속비행체의 촉매 흡열 반응시스템의 설계 및 제작에 활용할 수 있다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
10: 고압질소 실린더
30: 연료저장탱크
40: 유량제어 밸브
50: 고압용 펌프
60: 예열기
70: 반응기
80: 전압계
90: 전류계
110: 압력계
120, 121, 121, 122, 123, 124, 125, 126, 127, 128: 열전대
130: 응축기
140: 필터
160: 기액 분리기
170: 가스 크로마토 그래피

Claims (9)

  1. 전압측정기, 전류측정기 및 복수의 온도측정기를 포함하고, 촉매가 주입되어 있는 반응기;를 포함하고,
    흡열 연료가 상기 반응기를 통과하며 상기 촉매와 반응함에 따라 발생하는 물리적 흡열량 및 총 흡열량을 계산하여 상기 흡열 연료의 화학적 흡열량을 측정하는 것이고,
    상기 화학적 흡열량은, 상기 총 흡열량과 상기 물리적 흡열량의 차이인 것이며,
    상기 총 흡열량은, 상기 흡열 연료의 흡열 반응시 반응기의 전력량과 상기 반응기의 열손실량의 차이인 것이고,
    상기 흡열 연료의 흡열 반응시 반응기의 전력량은 상기 흡열 연료가 상기 반응기 내부를 통과하며 흐르는 동안 측정되는 온도, 전압 및 전류를 측정하여 온도에 따른 전력량(전압 X 전류)을 측정하는 것인,
    흐름형 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응기는 흐름 방향을 따라 5 내지 8개의 열전대로 구분되는 것인,
    흐름형 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 5 내지 8개의 열전대는 상기 반응기 내 흐름 방향을 따라 등간격으로 형성되는 것인,
    흐름형 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응기 내부로 주입되는 공기 및 상기 흡열 연료의 온도를 조절하는 예열기; 및
    상기 반응기 내부의 압력을 조절하는 압력조절기;를 더 포함하는 것인,
    흐름형 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 반응기와 상기 예열기 사이에 위치하는 온도 센서;를 더 포함하는 것인,
    흐름형 반응기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 반응기 내부는 초임계 상태로 유지되는 것이고,
    상기 초임계 상태는, 상기 예열기 및 상기 압력조절기를 통해 유지되는 것인,
    흐름형 반응기.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 열손실량은,
    상기 반응기 내부로 상기 흡열 연료가 흐르지 않는 상태에서 측정되는 온도, 전압 및 전류를 측정하여 온도에 따른 열손실량(전압 X 전류)을 측정하는 것인,
    흐름형 반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 물리적 흡열량은,
    상기 흡열 연료가 상기 반응기 내부를 통과하며 흐르는 동안 상기 흡열 연료의 엔탈피 변화에 따라 계산되는 것인,
    흐름형 반응기.
KR1020180048418A 2018-04-26 2018-04-26 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기 KR102026863B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180048418A KR102026863B1 (ko) 2018-04-26 2018-04-26 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180048418A KR102026863B1 (ko) 2018-04-26 2018-04-26 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102026863B1 true KR102026863B1 (ko) 2019-11-04

Family

ID=68578055

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180048418A KR102026863B1 (ko) 2018-04-26 2018-04-26 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102026863B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230131305A (ko) 2022-03-03 2023-09-13 국방과학연구소 초임계 조건에서 메틸시클로헥산의 흡열 촉매 분해 반응이 개선된 물결 모양의 구조를 갖는 h-zsm-5 제올라이트 또는 활성탄 코팅 마이크로채널 반응기 및 이를 포함하는 흡열 냉각 시스템

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001172001A (ja) * 1999-12-13 2001-06-26 Akinori Tanaka 水素の製造方法と装置
KR101625521B1 (ko) * 2016-04-07 2016-05-30 국방과학연구소 흡열 연료를 이용한 고속 추진체 냉각시스템

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001172001A (ja) * 1999-12-13 2001-06-26 Akinori Tanaka 水素の製造方法と装置
KR101625521B1 (ko) * 2016-04-07 2016-05-30 국방과학연구소 흡열 연료를 이용한 고속 추진체 냉각시스템

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
김중연 외 5명, "고속 비행체 연료의 초임계조건에서 열분해반응 연구", J. Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 15(5), pp. 1-9, 2011* *
김중연 외 6명, "고속 비행체 냉각을 위해 사용되는 액체연료의 흡열량 측정연구", J. Korean Society of Propulsion Engineers, Vol. 18(2), pp. 10-15, 2014.* *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230131305A (ko) 2022-03-03 2023-09-13 국방과학연구소 초임계 조건에서 메틸시클로헥산의 흡열 촉매 분해 반응이 개선된 물결 모양의 구조를 갖는 h-zsm-5 제올라이트 또는 활성탄 코팅 마이크로채널 반응기 및 이를 포함하는 흡열 냉각 시스템

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dahm et al. Experimental and modelling investigation of the thermal decomposition of n-dodecane
Rao et al. Thermal cracking of JP-10: Kinetics and product distribution
Wang et al. Molecular-level modeling investigation of n-decane pyrolysis at high temperature
Xu et al. Modeling and simulation of supercritical-pressure turbulent heat transfer of aviation kerosene with detailed pyrolytic chemical reactions
Zhou et al. Energy absorption and reaction mechanism for thermal pyrolysis of n-decane under supercritical pressure
Gosiewski et al. Effect of the intraparticle mass transport limitations on temperature profiles and catalytic performance of the reverse-flow reactor for the partial oxidation of methane to synthesis gas
Feng et al. Coupling relationship analysis between flow and pyrolysis reaction of endothermic hydrocarbon fuel in view of characteristic time correlation in mini-channel
Kabo et al. Thermodynamic properties of organic substances: Experiment, modeling, and technological applications
Pyl et al. A comprehensive study of methyl decanoate pyrolysis
Namysl et al. A first evaluation of butanoic and pentanoic acid oxidation kinetics
Ding et al. Thermal rate constants of the pyrolysis of n-heptane
Sun et al. Effects of molecular structures on the pyrolysis and anti-coking performance of alkanes for thermal management
Zyada et al. Ethanol kinetic model development and validation at wide ranges of mixture temperatures, pressures, and equivalence ratios
Shrestha et al. Fuel pyrolysis in a microflow tube reactor–Measurement and modeling uncertainties of ethane, n-butane, and n-dodecane pyrolysis
Jaatinen et al. Hydrogen solubility in furfural and 2-propanol: Experiments and modeling
MacDonald et al. Decomposition measurements of RP-1, RP-2, JP-7, n-dodecane, and tetrahydroquinoline in shock tubes
KR102026863B1 (ko) 연료의 흡열량 측정이 가능한 흐름형 반응기
Lele et al. Experimental and chemical kinetic modeling investigation of methyl butanoate as a component of biodiesel surrogate
Vargas et al. Experimental and theoretical study of the thermal decomposition of ethyl acetate during fast pyrolysis
Walter et al. Experimental error assessment of laminar flame speed measurements for digital chemical kinetics databases
Kershenbaum et al. Kinetics of the nonisothermal pyrolysis of propane
Sudholt et al. Laminar flow reactor experiments for ignition delay time and species measurements at low temperatures: Linear alkanes and dimethyl ether
Liang et al. A comparative single-pulse shock tube experiment and kinetic modeling study on pyrolysis of cyclohexane, methylcyclohexane and ethylcyclohexane
Casselberry et al. Correlation of combustor lean blowout performance to supercritical pyrolysis products
Konda et al. Regenerative cooling capacity of hydrogenated carene under supercritical environment

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant