상전이 물질이 함침된 활성탄의 열적 특성 평가

배지열,김광수 대한환경공학회 2019 대한환경공학회지 Vol.41 No.10

목적: 열의 흡수 및 방출능력이 있는 상전이 물질을 에너지 매체로 사용하는 연구는 꾸준히 진행되어왔으며 캡슐형태로 주로 적용되었다. 하지만 제조공정이 복잡하고 환경오염물질이 발생되어 생산비의 대부분이 오염물질 제거에 사용되는 문제점이 있다. 본 연구에서는 활성탄을 상전이 물질의 충전매체로 사용하여 보다 간단하고 효과적인 열저장매체를 개발하고자 한다. 활성탄의 세공에 상전이 물질이 모세관 현상으로 흡착되는 원리를 이용하여 상전이 물질을 충전하는 방법을 개발하고 개발 소재의 열흡수 및 방출에 대한 특성을 알아보고자 한다. 방법: 본 실험에 사용한 상전이 물질은 지방산 물질인 Caprylic acid, 수화물 무기염으로는 Mn(NO3)2・4H2O, Mn(NO3)2・6H2O, Zn(NO3)2・6H2O, 그리고 알칸계 탄화수소류로는 n-hexadecane을 이용하였다. 활성탄 세공에 상전이 물질을 다음과 같이 충전하였다. 상전이 물질에 활성탄을 주입하여 혼합한 후 10기압의 고압반응기에서 약 10시간을 유지시킨다. 마지막으로 10℃에서 50℃ 범위 안에서 개발 소재의 열의 흡수/방출 능력을 알아보았다. 결과 및 토의: 온도에 따른 상전이 물질의 부피변화를 확인한 결과 유기산 및 수화물 염은 온도가 내려가면서 분자 간 평균거리가 감소하여 부피가 감소함을 알 수 있다. 각 상전이 물질의 열 흡수 방출특성을 평가한 결과 Caprylic acid는 약 17℃에서 근처에서 그리고 n-Hexadecane은 약 15℃ 근처에서 열흡수 및 방출이 일어남을 보여주고, Mn(NO3)2・4H2O 및 Zn(NO3)2・6H2O 은 약 35℃ 근처에서 그리고 Mn(NO3)2・6H2O 약 25℃ 근처에서 열의 흡수 및 방출 즉, 잠열이 있음을 보여주고 있다. 특히 열을 흡수하는 과정은 서서히 진행되는 반면 열을 방출하는 과정은 매우 급격하게 진행되었으며 Mn(NO3)2・4H2O 및 Zn(NO3)2・6H2O의 경우 열의 방출과정에서 두 번의 변곡점을 보여주고 있어 상전이 시 액체상태와 고체의 불안한 상태를 유지하는 과냉각(super cooling) 현상 때문인 것으로 사료되었다. 혼합 상전이 물질을 평가한 결과 Mn(NO3)2・4H2O/Mn(NO3)2・6H2O 혼합물과 Mn(NO3)2・4H2O/Zn(NO3)2・6H2O 혼합물의 경우 열 흡수와 방출 2개의 변곡점을 보여주었으며 반복실험에서도 비슷한 경향을 나타내었다. 반면에 Mn(NO3)2・6H2O과 Zn(NO3)2・6H2O을 혼합한 경우는 열흡수 및 방출실험을 반복할수록 재현성이 저하되었다. 충전된 상전이 충진된 활성탄의 열 흡수 및 방출특성을 평가한 결과 Caprylic acid, Mn(NO3)2・6H2O, Zn(NO3)2・6H2O 모두 열의 흡수 및 방출이 진행되었으며 각각의 녹는점 및 어는점은 원료물질 그대로의 온도에서 재현되었으며 특히 수화물 염의 가장 단점인 과냉각현상을 극복할 수 있었다. 활성탄 세공에 충전된 상전이 물질을 적층시켜 열흡수 및 방출특성을 평가한 결과 열의 흡수의 경우 하부에서부터 상부까지 점진적으로 진행되며 특히 상부에서 열의 흡수가 많음을 확인하였다. 반면에 열 방출의 경우 상부보다는 하부에서 많이 진행됨을 보여주고 있다. 각각의 상전이 물질을 균일하게 혼합하였을 경우 광범위 온도에서 균일한 분포로 일어났으며, 반복 실험에서도 비슷한 양상을 보여주어서 활성탄세공에 상전이 물질을 충진하여도 안정된 열 충전 매체로 사용할 수 있음을 확신할 수 있었다. 결론: 1) 상전이 물질중 acprylic acid, n-hexadecane은 과냉각 현상이 없었으나 무기성 상전이 물질은 과냉각 현상이 발생하였다. 2) 과냉각 현상은 열을 방출하는 냉각과정에 ... Objectives: The use of phase change materials (PCMs) with the ability to absorb and release heat as an energy medium has been extensively studied where encapsulated material was used. Though these heat storage systems seem efficient but practical application suffers due to their high manufacturing cost, complexity in the manufacturing process, and eco-unfriendly nature. In this study, we developed an affordable, simpler and more efficient heat storage media by using activated carbon as a filling medium for PCM. The purpose of this study is to develop a method for caging a PCM by using the adsorption phenomenon where the PCM is adsorbed by the capillary phenomenon in the pores of activated carbon. The heat absorption and releasing characteristics of PCM embedded-activated carbon composite was investigated to comment on the applicability of the composite. Methods: The PCM used in this experiment were caprylic acid (CH3(CH2)8COOH), Mn(NO3)2・4H2O, Mn(NO3)2・6H2O, Zn(NO3)2・6H2O, and n-hexadecane. The PCM embedded-activated carbon composites were prepared and studied by adopting a standard protocol. After adding and mixing the degassed activated carbon in a beaker containing a PCM, it was maintained in a high-pressure reactor of 10 atm to push the PCM into the pores of the activated carbon. The heat absorption/release capacity of the PCM embedded-activated carbon was examined within the range of 10℃ to 50℃. Results and Discussion: The organic acid and the hydrated salt decreased the volume by decreasing the average distance between molecules as the temperature decreased. The heat absorption and release temperature of caprylic acid and n-Hexadecane was ~17℃ and ~15℃, respectively. Also, for Mn(NO3)2・4H2O and Zn(NO3)2・6H2O, the absorption and release of heat, i.e., latent heat was ~35℃ and ~25℃, respectively. In particular, the process of absorbing heat proceeds slowly while the process of heat release proceeds very rapidly. Moreover, Mn(NO3)2・4H2O and Zn(NO3)2・6H2O showed two inflection points in the heat release process. It was probably due to the supercooling phenomenon where the liquid and solid phase coexisted during the phase transition. From the evaluation of the mixed PCM, the inflection point of heat absorption and emission was given for the mixture of Mn(NO3)2・4H2O/Mn(NO3)2・6H2O and Mn(NO3)2・4H2O/Zn(NO3)2・6H2O. Similar trends were observed in repeated experiments. On the other hand, when Mn(NO3)S・6H2O and Zn(NO3)2・6H2O with higher water molecules content were mixed, reproducibility decreased in the subsequent heat absorption and release cycles. The heat absorption and emission characteristics of caprylic acid, Mn(NO3)2・6H2O and Zn(NO3)2・6H2O embedded activated carbon was found reproducible in multiple melting and freezing cycles and the overcooling phenomenon was overcome. The heat absorption and release characteristics of laminated PCM embedded activated carbon showed that the absorption of heat proceeded gradually from the bottom to the top, and the absorption of heat was significantly high at the top. On the contrary, heat dissipation was observed to proceed more at the bottom than at the top. The homogeneous mixing of various PCM embedded activated carbon composites resulted in a uniform distribution over a wide range of temperatures. Dozens of repeated experiments showed a similar pattern, which ensured that the activated carbon can be used as a stable thermal charging medium even with a PCM. Conclusions: 1) Caprylic acid and n-hexadecane did not have the supercooling phenomena, but the hydrate-containing inorganic phase change material showed the supercooling phenomenon where both the liquid and solid phases coexisted. 2) The supercooling phenomena occurred during the cooling process that released the heat, especially when the hydrated water content was higher. On the other hand, when the phase change material is filled into the activated carbon pores, the supercooling ph...

카본/페놀계(C/P) 내열재의 내부 열반응상수 측정

배지열(Ji-Yeul Bae),박슬기(Sulki Park),김태환(Taehwan Kim),송지운(Jiwoon Song),함희철(Heecheol Ham),배주찬(Ju Chan Bae),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

로켓 설계에서 내열 설계는 공력 설계와 더불어 매우 중요하다. 내열 설계에 있어 노즐 표면에 임무 시간동안 노즐형상을 유지할 수 있는 내열재를 추가하게 되는데 이때 내열재의 추가는 시스템 중량을 상승시켜 성능 하락을 유발할 수 있다. 따라서 내열재를 적절하게 설계해 노즐에 적용하는 것이 중요한데 이를 위해서 내열재의 정확한 물성을 아는 것이 매우 중요하다. 이때 가장 중요한 물성이 열분해율을 결정하는 열반응상수와 활성화에너지이다. 따라서 본 연구에서는 탄소/페놀릭 내열재의 열반응상수를 측정하는 실험을 진행하였다. 아음속에서 소형 모터를 이용해 실험한 온도 분포로 열반응상수를 역으로 도출하였고 이는 선행 문헌의 결과와 유사하였다. In rocket design process, thermal design is one of the most important aspect. In order to protect nozzle, adequate amount of heat protection material is added to nozzle for required mission time. However adding heat protection material increase the system weight and reduce overall performance. Therefore optimization of heat protection material is important and it requires accurate properties of heat protection material. Among the properties of materials, kinetic constant and activation energy that govern decomposition process are the most important. Thus kinetic constant measurement is done with small test motor experiment in subsonic region.

수치해석 통합기법을 이용한 노즐 내열재 표면의 열전달 해석

배지열,배형모,류진,함희철,조형희 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.1

1차원 등엔트로피 모델과 통합된 경계층 적분법은 초음속 노즐의 설계과정에서 내열재 표면의 열전달을 예측하는데 효과 적으로 사용되고 있지만 노즐 목과 같이 2차원 효과와 경계층과 노즐 코어유동의 상호작용이 발생하는 지점에서는 경계층 외부유동 해석의 부정확성으로 해석의 정확도가 감소한다. 따라서 본 연구에서는 경계층 적분법을 이용한 열전달 예측의 정 확도를 향상시키기 위해 CFD를 이용하여 2차원 효과와 노즐 코어유동의 상호작용이 고려된 경계층 외부유동 조건을 도출 하고 이를 경계조건으로 하는 해석기법을 개발하였다. 오일러 모델과 SST k-ω 모델을 CFD로 해석하여 경계조건으로 적용 했으며 계산방법을 검증하기 위해 선행문헌의 실험노즐에 대해 해석을 수행하였다. 계산 결과 CFD를 통해 경계층 외부유동 조건을 도출한 해석에서 노즐 열전달의 정확도가 향상되는 것을 확인하였으며 특히 노즐 목 후방과 팽창부에서의 차이가 크 게 나타났다. SST k-ω모델로 도출된 계산결과는 1차원 등엔트로피 모델과 비교 시 팽창부에서 실험결과와의 오차가 16% 감소하였다. 본 연구에서 개발된 해석기법은 향후 로켓노즐의 내열설계에 유용하게 사용될 것으로 평가된다. A boundary layer integral combined with a 1-D isentropic core flow model has been successfully used to determine heat transfer rate on the surface of a supersonic nozzle. However its accuracy is affected by the core flow condition which is used as a boundary condition for the integral calculation. Because flow behavior near a nozzle throat deviates from 1-D isentropic condition due to 2-D flow turning and interaction between core flow and boundary layer, accuracy of heat transfer calculation decreases at a nozzle throat. Therefore, CFD is adopted to deduce improved core flow condition and increase accuracy of boundary layer integral at nozzle throat in this research. Euler model and SST k-ω model is solved by CFD code and used as a boundary condition for boundary layer integral. Developed code is tested in the supersonic nozzle from the previous research and improvement in accuracy is observed, especially at nozzle throat and diverging section of the nozzle. Error between experimental result and calculation result reduced by 16% when a calculation is made based on the SST k-ω model. Method developed in this research is expected to be used in thermal design of the rocket nozzle.

일차원 내열재 열분해식과 CFD통합을 통한 노즐 열해석

배지열(Ji-Yeul Bae),이연주(Yeonjoo Lee),배형모(HyungMo Bae),함희철(Heecheol Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

페놀릭 수지가 첨가되어 열분해 반응이 일어나는 내열재 카본/페놀 내열재가 적용된 노즐을 해석하기 위해 일차원 내열재 열분해식과 CFD 유동장을 통합해석하는 기법을 연구하였다. 일차원 내열재 열분해식은 전도로만 발생하는 고체 내의 화학반응의 특성을 고려하여 아레니우스 식을 이용한 화학반응율과 화학반응으로 발생한 가스가 숯층으로 통과하는 것을 고려하였다. 그리고 이차원 축대칭으로 이루어지는 CFD 해석에 일차원 열분해식을 통합하기 위하여 내열재의 체적을 표면에 할당하기 위한 고체체적 분류기법을 적용하였다. 노즐에 대한 검증결과로 내열재 내의 각 체적이 표면에 잘 할당됨을 확인하였으며 일차원 내열재 열분해식이 문제없이 적용됨을 확인하였다. Conjugate method to simulate carbon/phenolic thermal protection material including thermal decomposition of material is developed in this research. Developed method uses CFD solver in conjunction with 1-dimensional thermal decomposition program written in User Defined Function of Ansys Fluent. The thermal decomposition program embedded includes Arrhenius expression of thermal decomposition and thermal effect of decomposition gas inside material. Major consideration is made to extend 1-dimensional thermal decomposition program to incorporate 2-dimensional axisymmetric nozzle geometry where CFD simulation is being carried out. Solid volume categorizing method is developed in this research successfully assigned 2-dimensional solid volume into 1-dimensional algebraic equation.

소형 시험모터의 노즐 열전달 및 삭마 통합해석

배지열,김태환,김지혁,함희철,조형희 한국전산구조공학회 2017 한국전산구조공학회논문집 Vol.30 No.2

Ablative material in a rocket nozzle is exposed to high temperature combustion gas, thus undergoes complicated thermal/chemical change in terms of chemical destruction of surface and thermal decomposition of inner material. Therefore, method for conjugate analysis of thermal response inside carbon/phenolic material including rocket nozzle flow, surface chemical reaction and thermal decomposition is developed in this research. CFD is used to simulate flow field inside nozzle and conduction in the ablative material. A change in material density and a heat absorption caused by the thermal decomposition is considered in solid energy equation. And algebraic equation under boundary layer assumption is used to deduce reaction rate on the surface and resulting destruction of the surface. In order to test the developed method, small rocket nozzle is solved numerically. Although the ablation of nozzle throat is deduced to be higher than the experiment, shape change and temperature distribution inside material is well predicted. Error in temperature with experimental results in rapid heating region is found to be within 100 K.

유한요소해석을 통한 쿼츠/페놀릭 5매 주자직 재료의 비등방 열전도도 평가

배형모(Hyung Mo Bae),배지열(Ji-Yeul Bae),배주찬(Ju Chan Bae),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2016 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2016 No.5

섬유 복합재는 열전도도가 서로 다른 섬유와 충전제로 구성되어 있고, 이에 의해 비등방 열전도도를 지닌다. 비등방 열전도도는 소재의 설계에 있어 중요한 물리적인 특성으로, 수치해석을 통한 비등방 열전도도의 예측이 필요하다. 본 연구는 비등방 열전도도를 예측하는 해석기법을 확립하고, 기존에 공개되어있지 않은 쿼츠/페놀릭 5매 주자직의 열전도도를 도출하였다. 해석기법을 확립하기 위해 공개되어 있는 탄소/에폭시 평직 복합재의 열전도도의 실험값과 유한요소해석 결과와의 비교 검증을 수행하였고 유한요소해석 결과는 실험결과가 잘 일치함을 확인하였다. 검증된 유한요소해석 기법을 이용하여 실제 레이돔 제작에 사용되는 쿼츠/페놀릭 5매 주자직의 비등방 열전도도를 예측하였고, 섬유체적비가 복합재의 면외 방향 열전도도에 미치는 영향을 평가하였다. Fiber composites are composed of fiber and matrix, and it causes orthogonal thermal conductivity of materials. Evaluation of orthogonal thermal conductivity is important research with respect to thermal design of materials. The purpose of this study is to establish finite element method to expect orthogonal conductivity of fiber composite and to evaluate orthogonal conductivity of quartz/phenolic 5 harness satin. Validation between results of this study and results of precedent experiment is carried out, and the results have good agreement. Orthogonal conductivity of quartz/phenolic 5 harness satin is obtained and the effect of volume fraction of fiber is studied.

공력가열되는 물체의 비정상 열응답 예측을 위한 해석기법 연구

배형모(Hyung Mo Bae),배지열(Ji-Yeul Bae),이연주(Yeonjoo Lee),함희철(HeeChul Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

초음속 혹은 극초음속 환경의 비행체는 공력가열 문제로 인하여 이를 대비한 열설계가 필수적이다. 열설계 시 CFD를 이용한 비정상 열응답 해석을 통해 비행체 표면에서 발생한 공력가열로 인해 침투된 열을 예측할 수 있다. 비정상 열응답 해석을 완전 비정상적 해석을 이용하여 수행할 경우 과도한 계산시간 요구되므로 일반적으로 초음속 혹은 극초음속 환경에서의 비정상 열응답 해석은 연성 연계 해석을 이용한다. 그러나 연성 연계 해석시 해석 구간의 기준이 되는 시간 전진폭을 결정하는 알고리즘은 현재 확립되어 있지 않는 상황이다. 따라서 본 연구는 무딘 물체의 정체점에서의 열유속을 이용하여 시간 전진 폭을 결정하는 방법을 고안하였다. 결정된 시간 전진 폭으로 준 비정상적 해석을 진행하였다. 완전 비정상 해석과 준 비정상 해석으로 해석 하였을 때 침투된 열의 양을 비교하였을 때 5 % 미만의 차이가 발생하는 것을 확인하였다. Aerodynamic heating problem is the major problem in hypersonic space shuttle. The Thermal response analysis using CFD is widely studied to predict heat which comes from harsh aerodynamic heating. Loosely coupled method is generally used for predicting thermal response considering computing power. Time step size has decisive effects on accuracy of numerical analysis in loosely coupled method, however there is no exact algorithm to determine time step size. The research suggests the method to determine time step size using heat flux at stagnation point. The difference between data from full-transient analysis and quasi-transient analysis using determined time step size is less than 5 %.

수처리용 PES 나노섬유 멤브레인의 합성 및 수처리 성능 평가

배지열,박호식,최희철 한국고분자학회 2014 한국고분자학회 학술대회 연구논문 초록집 Vol.2014 No.4

설계형상이 동체 공력가열 특성에 미치는 영향 연구

배지열,김태환,김태일,함희철,조형희 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

항공기의 형상 설계요소가 중적외선 신호에 미치는 영향을 알아보기 위해 항공기의 표면 온도를 수치해석 하였다. 표면 온도의 도출을 위하여 CFD로 계산된 열유속을 적외선 해석 프로그램인 Radtherm IR과 통합해석하여 항공기의 표면 온도를 도출하였다. 각 형상 설계요소의 영향을 파악하기 위해 현재 운용 중인 전투기 형상에 대해 해석을 수행하였다. 수치해석을 진행한 결과 항공기의 노즈, 캐노피, 공기 흡입구, 주 날개 및 꼬리날개가 온도 회복 및 공력가열로 인해 고온으로 나타났다. 또한 기종별로 표면 온도를 달라지게 하는 주요 요소는 공기 흡입구 및 꼬리날개와 주 날개의 후퇴각인 것으로 나타났으며 스트레이크의 영향도 나타나는 것을 확인하였다. In order to verify the effect of structural design element on aircraft infrared signal, numerical simulation to get surface temperature of aircraft is conducted. CFD is coupled with Radtherm IR to get accurate distribution of surface temperature. Three model aircraft is simulated with varying flight Mach number and altitude in order to understand the effect of design parameter. As a result, nose, canopy, air intake, main winglet and tail wing showed high temperature, turned out to be most significant part. And factors that have most influence on surface temperature turned out to be shape of air intake, vertical tail wing and sweep angle of the main wing, while strake also have minor influence on the temperature.

내열재 숯층 내 분해가스의 이차원 거동모델 연구

배지열(Ji-Yeul Bae),황기영(Ki-Young Hwang),함희철(Heechoel Ham),조형희(Hyung Hee Cho) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.5

고체추진기관에 사용되는 탄소/페놀릭 내열재는 고온에서 내부의 수지성분이 분해되는 열분해 과정을 거치며, 이때 발생하는 분해가스는 다공성 숯층을 통해 표면으로 분출되어 표면 열전달양을 감소시키고 숯층을 냉각하므로 가스 거동을 예측하는 것이 매우 중요하다. 이에 본 연구에서는 내열재 내부가스 거동을 2차원으로 모델링하고 이를 CFD와 통합할 수 있는 해석 모델을 개발하였다. 본 모델에서는 User Defined Scalar (UDS) 보존식과 Darcy’s law를 활용하여 가스압력을 모사해 해석에 적용하였다. 해석 모델을 적용해 노즐을 해석한 결과 축방향과 반경방향 속도성분이 잘 예측됨을 확인했다. 본 연구의 해석 모델은 향후 노즐 유동 및 내열재 열반응의 2차원 통합해석에도 적용될 것이다. A carbon/phenolic material usually used in a solid rocket motor, undergoes a thermal decomposition process as it is exposed to a high temperature environment. As a decomposition gases cools the porous char layer and the material surface by a transpiration effect, proper modeling of the gas behavior is essential. Therefore, a two-dimensional model of the gas behavior inside the material is developed considering integration into CFD software. User Defined Scalar(UDS) transport equation and Darcy’s law are utilized to calculate a pore pressure and resulting gas velocity. Results showed a good prediction of both axial and radial velocity distribution inside the char layer. The model developed in this research will be implemented for fully coupled simulation of nozzle flow and material behavior.