플라즈마를 이용한 천연가스 전환공정 기술개발

조원일(Wonihl Cho),이승호(Seung-Ho Lee),백영순(Young Soon Baek) 대한기계학회 2005 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2005 No.5

Recently the direct conversion of methane, which is main component of natural gas, using various plasma technologies has widely been studied in order to obtain synthesis gas or hydrogen-rich gas without CO₂ emission. In the recent efforts for thermal plasma decomposition of organic composites, much attention has been directed toward simultaneous production of hydrogen and solid-phase carbonaceous materials from natural gas. Thermal plasmas have been suggested as optimal heat and radical sources for the thermal decomposition of methane due to their high temperature property and flexibility in their generation. This report was found that hydrogen and carbon black were produced at the mole ratio of 2:1, and carbon black of around 30 ㎚ was produced, which is comparable to classical furnace black. In a study of catalyst effect, Pt-loaded catalysis showed higher activities than a non catalystic reaction for the conversion of methane by plasma catalytic process. The productivity of carbon black was improved by hybrid thermal plasma catalytic reaction up to 3 wt%.

CFD 분석을 통한 열플라즈마 측정법 향상

이종철(Jong-Chul Lee),허중식(Joong-Sik Heo),김윤제(Youn-Jae Kim) 대한기계학회 2008 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2008 No.5

The thermal plasma measuring method with a Langmuir probe can disturb plasma flows and change its characteristics quite a little because the probe should be inserted into thermal flowing plasmas. In this study, we calculated the characteristics of thermal plasmas with and without the probe into an atmospheric argon free-burning arc numerically. It was found that thermal and flow disturbances happened to both sides of the probe, before and behind, seriously. Therefore, thermal and flow disturbances caused by the probe insertion should be considered to increase the reliability of the probe diagnostics and the thermal plasma measuring method.

우주비행체 열차폐재료 연구를 위한 아크 플라즈마 특성 평가

김호석,최채홍,오필용,문세연,홍봉근 한국항공우주학회 2014 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2014 No.11

0.4 MW 급 분절형 아크 히터 플라즈마 풍동이 전북대학교 고온플라즈마 응용연구센터에 구축되어 있으며, 분절형 아크 플라즈마 토치는 마하 3 의 속도에서 13MJ/kg 이상의 엔탈피를 갖는 초음속 플라즈마 유동을 발생시킬 수 있도록 설계되었다. 플라즈마 유동 특성을 연구하기 위해 10g/s ~ 16g/s 의 가스 유량과 200A ~ 350A 의 입력전류 조건을 변화하면서 실험하였다. 본 플라즈마 풍동 시설은 10MW/㎡ 이상의 열유속을 발생하여 우주 비행체의 열차폐재료의 성능 시험에 이용한다. 0.4 MW class arc-heated plasma wind tunnel has been constructed at Chonbuk National University (CBNU) in Korea. A segmented arc plasma torch was designed to produce a supersonic plasma flow with enthalpy above 13 MJ/kg at a velocity of Mach 3. With flow rate of the gas in the range of 10 g/s to 16 g/s and the input current in the range of 200 A to 350 A, characteristics of the plasma flow were investigated. It is shown that this facility can produce high heat flux above 10 MW/㎡ relevant for the study of a heat shield material for aerospace application.

0.4 MW급 플라즈마 풍동을 이용한 우주용 내열재료의 삭마 시험

오필용(Philyong Oh),최정철(Jung Chul Choi),문세연(Se Youn Moon),홍봉근(Bong Guen Hong) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.5

우주비행체의 지구 재진입시 고엔탈피 압축성 유동에 의한 공력 마찰로 인해 비행체는 표면으로부터 10 MW/㎡ 이상의 열유속이 발생한다. 이로 인한 우주용 내열재료의 평가가 필요하며, 열차폐체는 비행시험에 사용 되기전 지상에서의 성능시험이 필수적으로 요구된다. 고엔탈피 플라즈마 풍동은 초음속 비행과 우주 비행체의 지구 재진입 조건 등 극한 환경의 모사가 가능하므로 열차폐체 평가 및 고온재료의 성능시험에 적용할 수 있다. 고온삭마 재료 중 탄소섬유강화 복합재 [4-5] 는 강한 산화 저항성과 높은 열기계적 성능이 우수해 우주용 내열재료로 사용된다. 극한 공력가열에 노출되는 우주용 내열재료의 평가를 위해 전북대학교 고온플라즈마응용연구센터에 구축된 0.4 MW급 분절형 아크 히터 플라즈마 토치를 이용하여 내열 삭마시험을 하였다. 분절형 아크 히터 풍동은 초음속의 고온 플라즈마 유동을 통해 내열재료의 삭마 거동을 살펴보았으며, 시편의 노출 시간, 표면 온도, 표면 침식율, 질량 감소율 등을 관찰하였다. 아크 플라즈마 풍동의 열유속은 5 ~ 10 MW/㎡ , 속도는 마하 3의 조건에서 실험하였다. Space vehicles reentering the earth"s atmosphere at high speed face a high enthalpy supersonic plasma flow induced by aerodynamic heating of the vehicle"s surface [1-3], which can transfer a heat flux above 10 W/m2 to a vehicle"s surface, necessitating the development of reliable thermal protection systems (TPS). A segmented arc plasma torch was designed to produce a supersonic plasma flow with enthalpy above 13 MJ/kg at a velocity of Mach 3. With flow rate of the gas in 16 g/s and the 195 input current in, we investigate evaluation of Heat Shield Materials for Aerospace Applications using a 0.4 MW class segmented arc plasma.

열차폐 코팅층의 고온 열충격 시험후 ECT를 이용한 결함 평가

허태훈(Tae Hoon Heo),조윤호(Younho Cho),이준현(Joon Hyun Lee),오정석(Jeong Seok Oh),이구현(Koo Hyun Lee) 한국비파괴검사학회 2009 한국비파괴검사학회지 Vol.29 No.5

열차폐 코팅 시편에 대하여 열충격을 주기적으로 가한 후 발생하는 결함을 관찰하였다. 실험에 사용된 열차폐 코팅 시편은 인코넬-738로 제작된 모재 위에 CoNiCrAlY 본드 코팅층과 ZrO₂-8wt%Y₂O₃ 세라믹탑 코팅층이 플라즈마 용사 방법으로 올려진 형태로 되어있다. 열충격 시험은 1000℃의 고온으로 가열했다가 상온으로 급격하게 냉각시키는 가혹한 조건으로 실행되었고, 사이클 수가 증가함에 따라 열충격의 피로도 또한 증가하였다. 시험후 시편 내부의 미세 조직 변화와 결함을 전자현미경으로 관찰하고, 시편의 기계적인 특성을 측정하여 그 변화 양상을 살펴보았다. 열충격 주기실험후 본드 코팅층과 세라믹 탑 코팅층 사이에 발생하는 TGO 산화물층에 대한 변화 양상과 이에 대한 와전류 신호를 측정하여 TGO층 성장 거동의 비파괴적인 평가를 위한 실험을 진행하였다. 본 연구를 통하여 마이크로 단위의 TGO층에 대한 와전류검사의 적용 가능성을 확인하고 열차폐 코팅의 수명을 예측할 수 있는 가능성을 제시하였다. Periodical thermal shock can introduce defects in thermal barrier coating made by layers of CoNiCrAlY bond coating(BC) and ZrO₂-8wt%Y₂O₃ ceramic top coating(TC) on Inconel-738 substrate using plasma spraying. Thermal shock test is performed by severe condition that is to heat until 1000℃ and cool until 20℃. As the number of cycle is increased, the fatigue by thermal shock is also increased. After test, the micro-structures and mechanical characteristics of thermal barrier coating were investigated by SEM, XRD. The TGO layer of Al₂O₃ is formed between BC and TC by periodical thermal shock test, and its change in thickness is inspected by eddy current test(ECT). By ECT test, it is shown that TGO and micro-crack can be detected and it is possible to predict the life of thermal barrier coating.

연성해석을 통한 열파퍼 플라즈마 챔버의 아크현상 이력에 관한 연구

이종철(Jong Chul Lee),허중식(Joong Sik Heo),김윤제(Youn Jea Kim) 대한기계학회 2007 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2007 No.5

The coupled simulation is performed to find out the interaction of arc plasmas with surrounding materials in a thermal puffer plasma chamber. In order to be more realistic, PTFE nozzle ablation and Cu electrode evaporation, which are caused by high temperature of arc plasmas, are considered together. Pressure rise and temperature inside the chamber generated during the whole arcing history are investigated with the applied currents. It is very important to define how thermal flow and mass transfer are processing between the arc plasma and surrounding materials for further understanding complex physics inside the chamber. It is concluded that the result might be very useful to understand the mechanism happened inside and to design thermal puffer plasma chambers, but further experimental studies are required to verify the results for the more practical applications.

Enhanced Hules type 아크가열 플라즈마 풍동의 열유속 측정

오필용(Philyong Oh),김호석(Ho Seok Kim),최성만(Choi Seong Man),홍성민(Seong Min Hong) 한국추진공학회 2019 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2019 No.11

Synthesis of the Carbon Nano/micro Coils Applicable to the Catalyst Support to Hold the Tiny Catalyst Grain

Chan-Ho Park(박찬호),Sung-Hoon Kim(김성훈) 한국진공학회(ASCT) 2013 Applied Science and Convergence Technology Vol.22 No.6

아세틸렌과 수소기체를 원료기체로 하고 육불화황을 첨가기체로 하여 열화학 기상 증착하에서 탄소코일을 합성하였다. 이 때 산화실리콘 기판위의 니켈막을 탄소코일 성장의 촉매로 사용하였다. 성장된 탄소코일의 생성밀도, 형상, 기하구조 등을 수소플라즈마 전처리의 유무에 따라 조사하였다. 상대적으로 짧은 시간(1분)의 수소 플라즈마 전처리는 탄소 마이크로 코일을 우세하게 성장시켰다. 긴 시간(30분)동안의 수소플라즈마 전처리는 탄소마이크로 성장 축을 따라 수많은 탄소 나노코일이 들어붙어 있는 특이한 구조를 보였다. 이 특이한 구조는 매우 작은 니켈 촉매의 알갱이를 효과적으로 지지할 수 있는 촉매 지지대로서의 역할을 할 수 있을 것으로 예견되었다. Carbon coils could be synthesized using C₂H₂/H₂ as source gases and SF? as an incorporated additive gas under thermal chemical vapor deposition system. The Ni layer on the SiO₂ substrate was used as a catalyst for the formation of the carbon coils. The characteristics (formation densities, morphologies, and geometries) of the as-grown carbon coils on the substrate with or without the H₂ plasma pretreatment process were investigated. By the relatively short time (1 minute) H₂ plasma pretreatment on the Ni catalyst layered-substrate prior to the carbon coils synthesis reaction, the dominant formation of the carbon microcoils on the substrate could be achieved. After the relatively long time (30 minutes) H₂ plasma pretreatment process, on the other hand, we could obtain the noble-shaped geometrical nanostructures, namely the formation of the numerous carbon nanocoils along the growth of the carbon microcoils. This noble-shaped geometrical nanostructure seemed to play a promising role as the good catalyst support for holding the very tiny Ni catalyst grains.

0.4 MW 급 아크가열 플라즈마 풍동의 성능특성

오필용(Philyong Oh),Rajesh Kumar Chinnaraj,홍성민(Seong Min Hong),신의섭(Eui Sup Shin),최성만(Seong Man Choi) 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.5

Thermal protection materials (TPMs) are very crucial for the survival of any re-entry space vehicles. One of the systems used for rigorous validation of TPMs is an enhanced Huel type segmented arc-heated plasma wind tunnel. A 0.4 MW class arc-heated plasma wind tunnel has been constructed at Chonbuk National University which is capable of producing high enthalpy supersonic flow. In this paper we have studied the characteristics of plasma flow according to power and mass flow parameters.

열 플라즈마를 이용한 뼈 폐기물 소각 기술

김우형(Woo-Hyung Kim),김봉수(Bong-Soo Kim),한상원(Sang-Won Han),기호범(Ho-Beom Ki),채재우(Jae-Ou Chae) 한국연소학회 2006 KOSCOSYMPOSIUM논문집 Vol.- No.-

The meat consumption produces a lot of bone waste everyday. Dumping bone waste without treatment results into environmental hazards. Conventional treatment by pyrolysis is slow, inefficient and produces hazardous by-products. In the work, an investigation of bone waste incinerated using thermal plasma technology is presented. A high temperature arc plasma torch operated at 33 ㎾ was employed for the experiments. Bone waste was incinerated to remove the infectious organic matter and to vitrify the inorganic matter using plasma torch. Bone waste was reduced its 2/3 weight after the treatment. The process was highly efficient, economical, convenient, and fuel free. This method could be used as an alternative method for disposal of bone waste, small infectious animals, hazardous hospital waste, etc.