반응기시스템의 메탄분해 반응을 계산하기 위해 상용 프로그램인 Ansys Fluent 19.0을 사용하였으며 공급 열량의 분포를 보면 전체 태양광선 중 약 \( 70 \% \) 는 반응기에 분포하고 나머지 약 \( 30 \% \) 는 캐비티 좌, 우측 내벽에 분포하게 되고 공급 열량의 분포를 보면 전체 태양광선 중 약 \( 70 \% \) 는 반응기에 분포하고 나머지 약 \( 30 \% \) 는 캐비티 좌, 우측 내벽에 분포하게 된다.
<p>두 캐비티 모델에서 초점거리가 \( 100 \mathrm { ~mm } \) 일 때 반응기 및 반응기 좌, 우측에 인접한 캐비티 내벽으로 도달하는 태양광 분포는 Fig. 7과 같다. 계산을 위해 각 모델당 약 2백만개의 태양광선(ray)이 사용되었다. 두 모델 모두 개구부의 크기가 초점에서 집광면적보다 크므로 차단되는 태양광선이 없이 반응기와 캐비티로 전달된다. 공급 열량의 분포를 보면 전체 태양광선 중 약 \( 70 \% \) 는 반응기에 분포하고 나머지 약 \( 30 \% \) 는 캐비티 좌, 우측 내벽에 분포하게 된다. 두 모델은 반응기 형상, 초점 거리 및 캐비티 측면 내벽의 형상이 동일하기 때문에 전체 열량 및 각 부위별 열량은 Table 3과 같이 거의 같다. Semi-cavity 모델을 기준으로 전체 열량 \( 24.71 \mathrm { ~kW } \) 중 반응기에는 \( 16.88 \mathrm { ~kW } \), 좌, 우측 캐비티 내벽에는 각각 \( 3.60 \mathrm { ~kW } \) 의 열량이 집광된다. 이 결과를 열전달 및 화학 반응 시뮬레이션을 위해 3차원 열유속 분포로 변환하였다.</p> <h2>3.2 반응해석</h2> <p>반응기시스템의 메탄분해 반응을 계산하기 위해 상용 프로그램인 Ansys Fluent 19.0을 사용하였다. 전체 도메인의 크기는 반응기 시스템의 10배 이상인 \( 6 \mathrm { ~m } \times 6 \mathrm { ~m } \times 6 \mathrm { m } \) 로 설정하였다. 약 7,000,000개의 tetrahedral mesh가 계산을 위해 사용되었다. 격자의 skewness는 평균값 0.25, 최대값은 0.85 이며 orthogonal quality는 평균값 0.85, 최소값은 0.20이다.</p> <p>광학해석을 통해 얻은 반응기 표면에서의 3 차원 열량 분포를 Fluent 해석을 위한 입력값으로 사용하였다. 또한 고온의 반응기 및 캐비티에서 대류 및 복사로 인한 열손실을 계산하기 위해 외기 온도와 바람의 방향 및 풍속을 설정하였다. 캐비티는 태양로 내부에 위치에 있어 블라인드를 제외한 주위가 모두 막혀있는 공간이기 때문에 일반적인 실내 기준을 적용하여 풍속은 \( 1 \mathrm { ~m } / \mathrm { s } \) 정도의 저속으로 가정하였으며 풍향은 상대적으로 열손실이 높을 수 있는 측면방향으로 하였다. 이때 외기온도는 \( 25 ^ {\circ } \mathrm { C } \) 로 설정 하였다. 반응기는 중심축을 기준으로 실제 시스템과 동일하게 \( 2.54 \mathrm { rad } / \mathrm { s } \) 의 속도로 일정하게 회전하도록 하였다. 반응기 내부에는 공극율이 0.76 인 BP-2000 촉매가 채워진 것으로 설정하였다. 메탄 분해를 위해 반응기 입구로 \( 25 ^ {\circ } \mathrm { C } \), 실험유량과 동일한 \( 5 \mathrm { Nm } ^ { 3 } / \mathrm { h } \) 의 메탄이 공급된다. 반응기 내/외부의 난류 유동장의 계산을 위해 standard k-epsilon 모델을 사용하였다.</p>