Methane-based rocket propellant is gaining traction as a green technology with advantages in sustainability, cost-effectiveness, and performance. However, under high temperatures found in rocket nozzle cooling channels, methane can undergo thermal decomposition known as methane pyrolysis, resulting in the generation of hydrogen and solid carbon. This poses challenges to rocket engine performance and can eventually cause engine failure. Understanding and predicting the composition of evolved gases in rocket engine processes is therefore crucial. This thesis focuses on quantifying the production of hydrogen in the exhaust stream. To achieve this objective, a correlational measurement method utilizing sensors was developed and experimentally investigated. This approach involved the detailed mapping of sensor responses to variations in gas composition, temperature, and pressure, which were compared and validated against theoretical data derived from REFPROP; a widely used software tool for calculating gas properties. The sensors employed in this study enabled direct measurements of the speed of sound (SOS) and thermal conductivity (TCD) of the gas. The SOS measurements exhibited strong agreement with theoretical predictions in response to changes in hydrogen content. In contrast, the TCD measurements showed lower sensitivity to hydrogen. It was observed that temperature exhibited a substantial influence on both SOS and TCD compared to pressure. However, the implementation of experimental and theoretical correction coefficients effectively compensated for these effects. The resulting calibration curves demonstrated an absolute deviation of 0.2-0.3%vol in hydrogen concentration, which demonstrates the effectiveness of the developed method of quantifying hydrogen in gas mixtures. Lastly, the occurrence of methane pyrolysis was tested and confirmed. / Metan-baserat raketbränsle är en attraktiv grön teknologi med fördelar inom hållbarhet, kostnadseffektivitet och prestanda. Dock kan metan vid höga temperaturer funna i kylningskanalerna av raketmunnstycken undergå termisk sönderfallning via en process som kallas för metanpyrolys, vilket resulterar i produktionen av vätgas och fast kol. Detta medför utmaningar för prestandan av raketmotorn och kan i slutändan förstöra motorn. Det är därför mycket viktigt att kunna förstå och förutsäga sammansättningen av de gaser som bildas i processerna i raketmotorer. Detta examensarbete fokuserar på att kvantifiera produktionen av vätgas i avgasströmmen. För att uppnå detta mål utvecklades och experimentellt undersöktes en korrelationsmätmetod som använder sensorer. Detta tillvägagångssätt innebar en detaljerad kartläggning av sensorernas svar på variationer i gassammansättning, temperatur och tryck, som sedan jämfördes och validerades mot teoretiska data från REFPROP; ett välkänt programverktyg för beräkningen av gasegenskaper. De sensorer som användes i denna studie möjliggjorde direkta mätningar av ljudhastigheten (SOS) och värmeledningsförmågan (TCD) hos gasen. SOS-mätningarna visade en stark överensstämmelse med teoretiska förutsägelser som svar på förändringar i vätgasinnehållet. TCD-mätningarna visade däremot lägre känslighet för väte. Det observerades att temperaturen hade en betydande inverkan på både SOS och TCD jämfört med trycket. Implementeringen av experimentella och teoretiska korrigeringskoefficienter kompenserade dock effektivt för dessa effekter. De resulterande kalibreringskurvorna visade en absolut avvikelse på 0.2-0.3%vol i vätgaskoncentration, vilket betonar effektiviteten hos den utvecklade metoden för att kvantifiera väte i gasblandningar. Slutligen testades och bekräftades förekomsten av metanpyrolys.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-336829 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Ly, Jennifer |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2023:545 |
Page generated in 0.0025 seconds