In this study, thermochemical degradation by pyrolysis-liquefaction of cellulose, the effects of reaction time, reaction temperature, conversion yield, degradation properties and degradation products were investigated . Experiments were performed in a tube reactor by varying reaction time from 20 to 80 min at $200{\sim}500^\circ{C}$. Combustion heating value of liquid products from thermochemical conversion processes of cellulose was in the range of 6,920~6,960cal/g. After 40min of reaction at $400^\circ{C}$ in pyrolysis-liquefaction of cellulose, the energy yield and mass yield was as high as 54.3% and 34.0g oil/100g raw material, respectively. The liquid products from pyrolysis-liquefaction of cellulose contained various kinds of ketones, phenols and furans. ketones and furans could be used as high-octane-value fuels and fuel additives. However, phenols are not valuable as fuels.
Proceedings of the Korean Society of Propulsion Engineers Conference
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2008.03a
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pp.346-357
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2008
Endothermic fuels are known as a probable fuel for hypersonic atmospheric flight vehicles and advanced propulsion systems, as well as cryogenic fuels. Especially, from the standpoint of the advanced regenerative cooling use, they are quite useful as a coolant fuel because of their large heat sink due to their chemical decompositions; so-called endothermic cooling effect. However, no heat transfer equations have been proposed taking into account such endothermic reactive behaviors concretely. This paper describes an analytical method for evaluation of the heat transfer rates between endothermic reacting coolant fuel and coolant-side wall in the regenerative cooling passages. Heat transfer mechanism is indicated based on a classical transport-phenomenological approach. A new relational expression of Nusselt number ratio for forcedconvective heat transfer with such endothermic reactions is also proposed by theoretical approaches using some classical hypotheses. Its applicability is assessed provisionally by comparison with confirmed results of heated tube tests for supercritical JP-7 fuel carried out at NASA Lewis Research Center, using its heat sink characteristics evaluated by United Technologies Research Center(UTRC). As a result, it has been suggested that the proposed relational equation is applicable to the evaluation of enhancement of Nusselt numbers due to such reactions in developed turbulent flows such as in the regenerative cooling passages.
In this study, a mixture fraction analysis was performed to investigate the characteristics of chemical species production in compartment fires burning hydrocarbon fuels such as methane, heptane, and toluene. A series of fire experiments was conducted in the ISO 9705 standard room, and gas species concentration and soot fraction were measured at two locations in the upper layer of the compartment. The mass fractions of measured chemical species, such as unburned hydrocarbons (UHC), carbon monoxide (CO), carbon dioxide ($CO_2$), oxygen ($O_2$), and soot were presented as a function of mixture fraction and compared with state relationships based on the idealized reaction of hydrocarbon fuels. The mixture fraction analysis made it possible to rearrange hundreds of species measurements, which were done under various fire conditions and at two locations of the upper layer, in term of the unified parameter, i.e. the mixture fraction. The results also showed that inclusion of soot in the mixture fraction calculation could improve the performance of analysis, especially for the sooty fuels such as heptane and toluene.
Thermal deterioration of fuel due to long-term storage influences engine performance and causes malfunctions. Fuel stability is usually evaluated via heat resistance and thermal stability during a brief heat shock at high temperature; storage stability in this scenario means that there is very little change in the quality of the fuel during long-term storage. In addition, rubber-based products such as oil seals, O-rings, and rubber hoses can influence the quality of the fuel. When these rubber products are in contact with fuel, they can swell, mechanically weaken, and occasionally crack, thus leaking low molar weight rubber and additives including plasticizer and antioxidant into the fuel to degrade its properties and shorten its useful lifetime. This study determines the thermal stabilities of three kinds of synthetic fuels by evaluating their low temperature kinematic viscosities, chemical composition changes via GC analyses, gross heat of combustion, and color changes. We evaluate the compression set of O-rings by immersing one NBR and two FKM rubber O-rings in the three synthetic fuel samples in airtight containers at variable storage temperatures for six months; from this, we estimate the lifetimes of the O-rings using the Power law model. There were very little changes in the chemical compositions and gross heat of combustion after six months of the experiment. The lifetimes are thus dependent on the materials of the rubber products, and in particular, the FKM O-ring was calculated to have a theoretical lifetime of 200 to 5,700 years. These results indicate that the synthetic fuels maintain their physical properties even after long-term storage at high temperatures, and the FKM O-ring is suitable for long-term sealing of these fuels.
Voloxidation is a process for converting $UO_2$ into $U_3O_8$ while removing some volatile products in spent fuels (SF). Various oxidative gas conditions including air and mixture of Ar and $O_2$ could be adopted for the process. The gas flows into a reactor under high temperature ($>500^{\circ}C$) and components of SF are reacted with the gas. SF is composed of various components such as actinides, lanthanides, and alkali metals. Therefore, it is of significance to understand their behavior during the reactions for process development. However, due to the limit of available experiments, phase diagram analysis should be preceded. TPP diagram is constructed with respect to temperature-pressure-pressure. It shows a stable phase depending on partial pressures of gas components as well as temperature. In this work, we investigated TPP diagrams for actinides, lanthanides and other oxides to determine stable oxide forms under different gas conditions. The results would be used to set up a material balance under a pyroprocessing scheme of SF and compare the gas conditions for the optimization of fission products removal.
Cellulose, consisted of 45 wt% in wood, is usable as fuels and heavy oil additives if depolymerized to monomer unit, because the chemical structures are similar to high octane materials found in gasoline. In this study, thermochemical degradation by solvolysis reaction of cellulose such as the effect of reaction temperature, reaction time and type of solvent on conversion yield and degradation products were investigated. It was found that the effectiveness of the solvent on the sovolysis reaction was as follows; acetone>n-butanol>tetralin. When acetone was used as a solvent, the highest cellulose conversion was observed to be 91.8% at 500$^{\circ}C$, 40min. Combustion heating value of liquid products from thermochemical conversion processes was in the range of 7,330${\sim}$7,410cal/g. The energy yield and mass yield in acetone-solvolysis of cellulose was as high as 66.8% and 37.0 g oil/100g raw material after 40min of reaction at 400$^{\circ}C$. Various aliphatic and aromatic compounds were detected in the cellulose solvolysis products. The major components of the solvolysis products, that could be used as fuel, were mesityl oxide, mesitylene, isophorone.
Laminar burning velocities of propane- and iso-octane-air mixtures have been numerically modelled over a wide range of equivalence ratio, pressure and temperature. These correlations are applicable to the modelling of stratified charged combustion like that of lean bum and GDI engine combustion. The numerical models are based on the results calculated by PREMIX code with Sloane's detailed chemical reaction mechanism for propane and FlameMaster code with Peters' for iso-octane. Laminar burning velocity for two fuels showed a pressure and temperature dependence in the following form, in the range of $0.1{\sim}4MPa$, and $300{\sim}1000K$, respectively. $S_L={\alpha}\;{\exp}[-\xi({\phi}-{\phi}_m)^2-{\exp}\{-{\xi}({\phi}-{\phi}_m)\}-{\xi}({\phi}-{\phi}_m)]$ where ${\phi}_m=1.07$, and both of ${\alpha}$ and ${\xi}$ are functions of pressure and temperature. Compared with the results of the existing models, those of the present one showed the good agreement of the recent experiment data, especially in the range of lean and rich sides. Judging from the calculated results of the stratified charged combustion by using STAR-CD, the above modelling prove to be more suitable than the other ones.
Theory-based models and high performance simulations are briefly reviewed starting with atomistic methods, such as Electronic Structure calculations, Molecular Dynamics, and Monte Carlo, continuing with meso-scale methods, such as Dislocation Dynamics and Phase Field, and ending with continuum methods that include Finite Element and Finite Volume. Special attention is paid to relating thermo-mechanical and chemical properties of the fuel to reactor parameters. By inserting atomistic models of point defects into continuum thermo-chemical calculations, a model of oxygen diffusivity in $UO_{2+x}$ is developed and used to predict point defect concentrations, oxygen diffusivity, and fuel stoichiometry at various temperatures and oxygen pressures. The simulations of coupled heat transfer and species diffusion demonstrate that including the dependence of thermal conductivity and density on composition can lead to changes in the calculated centerline temperature and thermal expansion displacements that exceed 5%. A review of advanced nuclear fuel performance codes reveals that the many codes are too dedicated to specific fuel forms and make excessive use of empirical correlations in describing properties of materials. The paper ends with a review of international collaborations and a list of lessons learned that includes the importance of education in creating a large pool of experts to cover all necessary theoretical, experimental, and computational tasks.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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