본 연구에서는 촉매를 활용한 간접 가열 방식의 메탄 분해 태양열 반응기 개발에 초점을 두고 있다. 이를 위해 캐비티 형상에 따른 광학 특성, 열 전달, 화학 반응의 성능을 수치적으로 분석하였다. 결과적으로, Full-cavity 모델은 Semi-cavity 모델에 비해 고온 상황에서도 열손실이 약 \(12.5\%\) 감소하였으며, 반응기 내부의 온도가 \(1,000^{\circ}C\) 이상인 영역이 약 \(88\%\) 증가하여 메탄 전환율이 \(33.5\%\) 상승하였다. 이러한 결과를 통해 캐비티 형상 설계는 대류 및 복사손실 감소를 통해 반응기 성능 향상에 중요한 역할을 하는 것으로 확인되었고, 향후 개구부 및 캐비티 형상의 최적화를 통해 더 나은 성능을 얻을 수 있을 것으로 예상하였다.
<h2>\( 4.2 \) 메탄 전환 반응</h2> <p>Semi-cavity 모델에서 반응기 입구로부터 출구까지의 거리에 따른 온도 및 메탄 전환율을 Fig. \(10 \)과 Fig. \(11 \)에 나타내었다. \( \mathrm { BP } -2000 \) 촉매 특성상 촉매 온도가 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \), 체류시간이 \(4 \) 초일 때 메탄의 전환율은 \( 97 \% \) 이상이다. 반응기내에서 메탄의 체류시간은 \( 3.9 \) 초 이지만 반응기 거리 \( 60 \sim 120 \mathrm { ~mm } \) 구간에서 대부분 온도가 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 미만이라 이로 인해 전환율은 \( 10 \% \) 보다 낮다. 실질적으로 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상으로 유지되는 영역은 \( 180 \sim 300 \mathrm { ~mm } \) 구간이며 여기서부터 촉매가 점진적으로 활성화되어 최종적으로 출구에서의 메탄 전환율은 \( 66.5 \% \) 이다.</p> <p>Full-cavity 모델에서 반응기 입구로부터 출구까지의 거리에 따른 온도 및 메탄 전환율은 Fig. \(12 \)와 Fig. \(13 \)과 같다. 거리 \( 60 \mathrm { ~mm } \) 에서 중심부를 제외한 직경 \( 110 \mathrm { ~mm } \) 이상 구간부터 온도가 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상으로 상승하며 내벽의 온도가 약 \( 1,100 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 로 유지된다. 여기서 메탄 분해도 약 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 인 영역부터 발생하여 평균 메탄 전환율은 \( 26.8 \% \) 이다. 이후 나머지 구간의 촉매온도도 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상으로 유지되고 거리 \( 240 \mathrm { ~mm } \) 에서 대부분의 메탄이 전환된다. 최종적으로 출구에서의 메탄 전환율은 \( 99.99 \% \) 이다.</p> <h1>5. 결 론</h1> <p>본 논문에서는 촉매를 이용하는 간접가열 방식의 메탄분해 태양열 반응기 개발을 위해 광학특성, 열전달, 화학반응에 대한 성능을 캐비티 형상에 따라 수치적으로 계산하였다. 캐비티 형상은 Full-cavity, Semi-cavity로 나뉘며 동일한 공급열원 및 외기조건에서 두 모델에 대한 열손실 및 메탄 전환률을 비교하였다. 결과적으로 \( 5 \mathrm { Nm } ^ { 3 } / \mathrm { h } \) 의 메탄이 반응기로 공급될 때, Full-cavity 및 Semi-cavity에서의 복사 및 대류에 의한 손실은 각각 \( 15.29 \mathrm { ~kW } , 17.48 \mathrm { ~kW } \) 이며 메탄 전환율은 각각 \( 99.99 \%, 66.5 \% \) 이다. Full-cavity 모델이 Semi-cavity 모델보다 고온 환경임에도 열손실이 \( 12.5 \% \) 감소하였고 반응기 내부 온도 \( 1,000 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 이상인 영역이 기존 대비 약 \( 88 \% \) 확대됨으로 인해 메탄 전환율이 \( 33.5 \% \) 증가하였다.</p> <p>따라서 대류와 복사손실 감소를 위한 캐비티 형상 설계가 반응기 성능 향상에 미치는 영향이 큼을 알 수 있었으며 향후 개구부 최적화, 캐비티 형상 최적화 등을 통하여 좀더 나은 결과를 얻을 거라 기대된다. 또한 광학계산 결과로부터 경계조건을 찾고 이를 반응계산에 활용하는 수치적 연구가 가능함에 따라 다양한 조건에 대한 선제적 연구를 통해 실험적 연구 단계로 진행할 때 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단한다. 실험적으로 Semi-cavity 내의 위치한 실제 반응기의 \( 0.3 \mathrm { Nm } ^ { 3 } / \mathrm { h } \) 의 메탄을 공급했을 때 전환율은 \( 97.6 \% \) 이다. 이는 유량이 수치 계산시 적용된 유량 \( 5 \mathrm { Nm } ^ { 3 } / \mathrm { h } \) 의 \( 6 \% \) 에 불과하기 때문에 열손실을 제외하고도 메탄 분해를 위한 열량이 반응기에 충분히 공급됐기 때문이라 판단된다. 향후 해석결과를 기반으로 캐비티 형상을 보완하고 유량을 단계적으로 증가시키며 실험을 수행할 계획이다.</p>