연소공학 핵심 정리

연소공학 핵심정리

1) 연 소 형 태

   

1. 표면연소

고체연료인 목탄, 코오크스, 석탄 등이 고온이 되면 고체표면이 빨갛게 빛을 내면서

반응하는 연소를 말한다.

   

2. 분해연소

장작, 석탄, 중유 등이 열분해 하여 발생한 증기와 함께 연소초기에 불꽃을 내면서

반사하는 연소를 말한다.

   

3. 증발연소

액체연료인 휘발유, 등유, 알콜, 벤젠 등이 기화하여 증기가 되어 연소하는 반응이다.

   

4. 확산연소

기체연료인 프로판 가스, LPG 등이 공기의 확산에 의하여 반응하는 연소를 증발연소와

분해연소가 여기에 속한다.

   

5. 자기연소(내부연소)

니트로 글리세린 등은 공기 중 산소를 필요로 하지 않고, 분자자신 속의 산소에 의해서

연소하는 반응이다.

   

6. 혼합가스 연소

기체연료와 공기를 알맞은 비율로 혼합(AFR) 하여, 혼합기에 넣어 연소하는 반응이다.

여기서 AFR(Air Fuel Ratio, 공기연료비)은 공기와 연료의 혼합비율을 말한다.

   

7. 공기비가 클 때 연소에 미치는 영향

① 연소실내의 연소온도가 저하한다.

② 통풍력이 강하여 배기가스에 의한 열손실이 많아진다.

③ 연소가스 중에 SO 의 함유량이 많아져서 저온부식이 촉진된다.

④ 불완전 연소가 일어난다.

   

8. 공기비가 작을 때 연소에 미치는 영향

① 불완전 연소가 되어 매연 발생이 심하다.

② 미연소에 의한 열손실이 증가한다.

③ 미연소 가스로 인한 폭발사고가 일어나기 쉽다.

   

9. 발화점에 영향을 미치는 인자

공기비, 산소농도, 열전달계수, 온도, 압력

10. 연소온도에 영향을 미치는 인자

연료의 저위발열량, 공기비, 산소농도, 열전달계수

   

11. 예혼합연소(혼합기연소)

가연성 기체를 미리 공기와 혼합시켜 연소하는 방식

   

12. 폭발

격렬한 연소의 한 형태로서 급격한 압력의 발생, 행방의 결과로서 격렬한 음향과

폭풍을 수반하는 팽창현상

   

13. 폭연

충격파가 음속보다 느린 경우, 가솔린과 공기혼합물이 1/300초 내에 완전연소하는

경우 압력은 수기압 정도이며 폭굉으로 발전할 수 있음

   

14. 폭굉

데토네이션이라고 하며, 가스중의 음속보다도 화염전파속도가 큰 경우.

(마하수 : 3~5배, 압력 : 15~40atm, 폭파속도 : 1,000~3,500m/s)

   

15. 폭굉유도거리(DID)

완만한 연소가 폭굉으로 발전하는 거리이다. 짧을수록 위험하다.

(정상연소 속도가 클수록, 관속에 장애물이 있거나 지름이 작을수록, 고압일수록,

점화원의 에너지가 강할수록 짧아진다)

   

   

2) 연료의 특징

   

1. 고체연료의 특징

(1) 장점

① 연소시 분무 등으로 인한 소음이 없다.

② 역화 또는 폭발 등 사고가 없다.

③ 수송이 편리하다.

④ 화염에 의한 국부가열을 일으키지 않는다.

(2) 단점

① 사용전 전처리가 필요하다.

② 발열량이 낮다.

③ 연소시 다량의 공기가 필요하다.

④ 연소 후 잔재물이 남는다.

⑤ 연소조절이 곤란하고 큰 열손실을 필요로 한다.

⑥ 연소시 매연 발생이 많다.

   

2. 액체연료의 특징

(1) 장점

① 연소 효율 및 열효율이 높다.

② 저장 및 운반이 용이하다.

③ 저장중의 변질이 적다.

④ 회분이 거의 없다.

⑤ 점화, 소화 및 연소의 조절과 계량, 기록이 비교적 용이하다.

⑥ 균일한 품질의 것을 구매할 수 있다.

(2) 단점

① 화재, 역화 등의 위험이 크며 연소 온도가 높기 때문에 국부 가열을 일으키기 쉽다.

② 사용버너의 종류에 따라서는 연소시에 소음을 발생한다.

③ 중질유는 많은 황분을 함유하고 있어 연소시 SO 를 발생시킨다.

   

3. 기체연료의 특징

(1) 장점

① 연소조절이 용이하다.

② 적은 과잉 공기로 완전연소가 된다.

③ 연소효율이 높다.

④ 회분 및 매연 등의 오염물 생성량이 거의 없다.

⑤ 황성분이 거의 없다.

⑥ 발열량이 매우 높다.

(2) 단점

① 저장이 곤란하다.

② 설비 및 연료가 많이 든다.

③ 다른 연료에 비해 방사열이 적다.

※ 수분이 많은 연료 : 점화가 어렵고 열효율 저하한다.

회분이 많은 연료 : 발열량이 낮고 클링커 발생으로 통풍력 저하

휘발분이 많은 연료 : 점화는 쉬우나 발열량 저하

고정탄소가 많은 연료 : 발열량이 높고 매연 감소, 연소속도가 늦어진다.

연료의 시험방법

   

1. 고체

① 시료채취 - 계통시료채취, 층별시료채취, 이단시료채취

② 수분측정 - (석탄 107±2℃, 코오크스 150±5℃)감량된 무게로 측정

③ 석탄의 고정탄소% = 100-{수분%+회분%+휘발분%} → 항습베이스

④ 코오크스의 고정탄소% = 100-{회분%+휘발분%} → 무수베이스

⑤ 원소분석 - 탄소, 황, 질소, 인, 수소, 산소

   

2. 액체

① 황분측정법 : 램프식(용량법, 중량법), 봄브식, 연소관식(공기법, 산소법)

② 인화점 : 팬스키미아텐스식, 에맬펀스키식, 크리메란드식, 타크식 산화에 의한

온도상승을 측정

③ 착화점 - 산화에 의한 탄산가스 생성을 측정, 산화에 의한 중량변화를 측정

   

3. 기체

① 비중측정 : 유출법, 분젠시링법, 라이트법

[유출법] 그래함 법칙 : 유출속도는 밀도의 평반근에 반비례한다. 즉, 유출시간은

가스밀도의 평반근에 비례한다.

② 시료채취

ㆍ1차여과기 : 내열성이 좋고, 제진효과가 좋은 아람단이나 카보람단

ㆍ2차여과기 : 계기직전에 석면, 면, 유리솜

   

3) 연 소 계 산

고위발열량과 저위발열량

   

1. 고체 액체

(1) 고위발열량

8,100C+34,000

+2,500S(kcal/kg)

ㆍ고위발열량(Hh총발열량) : 연료가 연소될 때 연소가스 중에 수증기의 응축잠열을

포함한 열량

ㆍH = H -H = H +600(9H+W)

(2) 저위발열량

8,100C+28,600

+2,500S(kcal/kg)-600(9H+W)

ㆍ저위발열량(HL진발열량) : 연료가 연소될 때 연소가스 중에 수증기의 응축잠열을

뺀 열량

ㆍH =H -H (480) H -600(9H+W)

   

2. 기체

H = H +480(H +2CH +4C H +5C H

…)kcal/Nm

   

   

   

   

   

   

   

   

산 소 량

   

1. 액체 고체

V(부피) :

1.87C+5.6

+0.7S(m /kg)

W(질량) : 2.67C+8

+S(kg/kg)

   

2. 기체

H +

CO+2CH +2

C H +5C H +6

C H

-O (Nm /Nm )

공 기 량

   

1. 액체고체

V(부피) : 8.89C+26.67H+3.33S(m /kg)

W(질량) : 11.49C+34.5H+4.35(kg/kg)

   

2. 기체

(Nm /Nm )

연소생성 수증기량

   

1. 액체 고체

11.2H+1.25W(m /kg)

1.25×(9H+W)(m /kg)

   

2. 기체

H +2CH +4C H +5C H

(Nm /Nm )

공 기 비 (m)

m =

= 1+

=

=

=

A = mAo, 과잉공기율 % = (m-1)×100

   

   

연 소 가 스 량

   

1. 이론연소가스량

G = (1-0.21)A +생성가스량

여기서 G

: 이론건연소가스량

G

: 이론습연소가스량 → 생성수증기차

   

2. 실연소가스량

G+(m-0.21)A +생성가스량

여기서 G : 실연소가스량

G

: 실제습연소가스량 → 생성수증기차

※ G-G = 과잉공기

탄산가스최대량

   

CO max =

(완전연소시)

=

(불완전연소시)

※ 이론공기량으로 연소시 최대가 된다.

착화온도

   

ㆍ발열량이 클수록 감소한다.

ㆍ분자구조가 복잡할수록 감소한다.

ㆍ산소량 증가시 감소한다.

ㆍ압력이 높을 때 감소한다.

   

1. 탄소량 증가시

① 액체, 기체 연료의 발열량 감소, 매연증가

② 고체연료는 발열량 증가, 매연감소

   

2. 발화점에 영향을 미치는 인자

온도, 압력, 조성, 용기의 크기 및 형태(탄화수소에서 탄소수 증가시 감소한다)

   

3. 연소반응속도

① 활성화에너지가 작을수록 빨라진다.

② 분자의 충돌회수가 많을수록 반응온도가 높을수록(10℃ 상승에 따라서 2배씩 증가)

   

   

4) 단 위 해 설

   

1. 연소율(kg/m h)

화격자 단위면적에 1시간 동안에 연소시킬 때의 중량으로, 화격자 부화율이라고도

한다.

   

2. 열발생율(kcal/m h)

열손실 용적당 1시간에 발생하는 열량이며 연소시 열부하 또는 열발생율이라고도

한다.

   

3. 화격자 열발생율(kcal/m h)

화격자 단위면적당 발생하는 열량

   

4. 보일러 용량(kg/g)

단위시간당 발생시킬 수 있는 최대 증발량

   

5. 보일러효율

=

=

여기서 Gf : 시간당 연료 소비량(kg/h)

H : 저위발열량(kcal/h)

Ga : 시간당 증기발생량(kg/h)

Ge : 상당증발량(kg/h)

   

6. 전열면 열부하(kcal/m h)

전열면 1m 당 시간당 통과열량

   

7. 보일러 마력

급수온도 37.8℃, 압력 4.9kg/cm 에서 시간에 13.6kg의 증기를 발생시키는 능력,

상당증발량으로 환산시 15.65kg/h

※ 보일러 마력 :

보일러 효율 :

=

c×

h

(

c : 연소효율,

h : 전열효율)

   

   

A급	일반화재	백색	주수기
B급	유류화재	황색	포말소화기
C급	전기, 가스	청색	분말소화기
D급	금속화재	X	건조사
LPG화재시 = 중탄산소오다, 분말소화기

8. 화재, 소화

5) 전 열

열의 이동을 전열이라고 한다. 단위시간에 열이 이동하는 양, 즉 전열량은 온도차에

비례하고 열저항에 반비례한다. 열은 온도차에 의해 이동하고 열의 이동에는 저항이

있으며, 이 저항을 이겨내고 열이 이동하기 위해 온도차가 필요하다.

Q ∝

여기서 Q : 전열량

: 온도차

W : 열저항

   

1. 전도(Conduction)

고체내부에서의 열의 이동을 말한다.

(1) 열전도율(

: kcal/mh℃)

1변이 1m의 입방체의 4면을 단열하여 나머지 2변을 온도차 1℃로 할 때 1시간 동안

양면간을 흐르는 열량

(2) 시간당 전열량(kcal/h)

전열면적(m )과 온도차(℃)에 비례하고 길이(두께 : m)에 반비례한다.

Q =

ㆍFㆍ

여기서 Q : 시간당 전열량(kcal/h)

t : 고체의 고온측의 온도(℃)

l : 길이(m)

F : 전열면적(m )

t : 고체의 저온측의 온도(℃)

=

=

= kcal/mh℃

   

2. 전달

유체와 고체간의 열의 이동

(1) 열전달율(표면전열률, 격막계수, a : kcal/m h℃)

1변 1m의 표면에 1℃의 유체와의 사이에 1시간 동안 전달되는 열량

(2) 시간당 전열량(kcal/h)

Q = aㆍFㆍ(t -t )

a =

= kcal/m ℃

여기서 Q : 시간당 전열량(kcal/h)

t : 유체의 온도(℃)

F : 전열면적

a : 열전달율(a : kcal/m h℃)

t : 고체표면의 온도(℃)

3. 통과

고체를 사이에 둔 유체간의 열의 이동

(1) 열통과율(열관류율, 전열계수 : K, kcal/m h℃)

고체를 사이에 둔 양 유체간의 평균온도차가 1℃인 경우 1m 의 면적에 1시간동안

통과하는 열량

(2) 시간당 전열량(kcal/h)

전열면적(m )과 온도차(℃)에 비례한다.

Q = KㆍFㆍ

tm

K =

= kcal/m h℃

여기서 Q : 시간당 전열량(kcal/h)

K : 열통과율(kcal/m h℃)

: 평균온도차(℃)

[평균온도차 (

)]

ㆍ산술평균온도차

   

4. 이상기체의 내부에너지는 온도만의 함수

ㆍdH = C dT

ㆍdU = C dT(C = C +AR)

   

   

   

   

6) 냉동사이클

   

1. Pi 선도

P

c b

d a

i

① a→b 압축과정(저온 저압의 증기가 고온 고압의 과열증기가 된다)

② b→c 응축과정(고온 고압의 증기가 고온 고압의 액이 된다)

③ c→d 팽창과정(고온 고압의 액이 저온저압의 액이 된다)

④ d→a 증발과정(저온 저압의 액이 저온 저압의 증기가 된다)

※ 열-흡수 : 증발기

열-방출 : 응축기

등엔탈피과정 : 팽창시

등엔트로피과정 : 압축시

냉동기효율 COP =

   

2. P-V 선도 P Q

① 1→2 : 단열팽창 1 4

② 2→3 : 등압흡열 단열 단열

③ 3→4 : 단열압축 팽창 압축

④ 4→1 : 등압방출 2 Q 3

3. T-S선도

T 1

2

3 4

S

① 4→1 : 등온압축

② 2→3 : 등온팽창

   

4. 랭킨사이클

2

   

   

터빈

   

   

보일러 3

펌프 4

복수기

   

=

×100 1 2

   

4

   

[예제] 30kg/cm 의 건조포화증기를 배기압 0.5kg/cm 까지 작용시키는 랭킨사이클에서

이론적 효율?

ㆍ과열증기의 엔탈피 : 670kcal/kg

ㆍ0.5kg/cm 의 포화수의 엔탈피 : 81kcal/kg

ㆍ0.5kg/cm 의 단열팽창시킨 증기의 엔탈피 : 513kcal/kg

ㆍ효율 =

   

5. 오토사이클

= 1-

= 1-

[예제] 오토사이클에서 압축비가 5일 때 열효율은 몇 %인가?

(단, 비열비 : 1.4, 압축비 : 5)

1-5

= 0.475 = 47.5%

   

6. 냉동기 성적 계수

=

=

=

   

7. 열펌프 성적 계수

=

=

=

   

8. 열효율

=

=

여기서 Q : 증발기에서 흡수한 열량(kcal)

Q : 응축기에서 방출한 열량(kcal)

Aw : 압축기에서 소비한 열량

T : 증발온도( K)

T : 응축온도( K)

ㆍ단열압축시 : 엔트로피 일정

ㆍ단열팽창시 : 엔탈피 일정

= K C = C +AR

   

9. 비열비(K)

정압비열과 정적비열의 비

K =

> 1

10. 일

힘×힘이 작용한 방향으로 움직인 거리 [kgfㆍm] F.L

   

11. 동력

단위시간마다 한 일의 비율(공률)

= 일/시간 = 힘×거리/시간 = 힘×속도

동력의 단위 : HP, PS, kW, kgㆍm/s, ftㆍ1b/s

ㆍ1PS(meter계) = 75kgㆍm/sec = 0.7355kW = 632.5kcal/h

ㆍ1HP(영국계) = 76kgㆍm/sec = 0.7457kW = 641.6kcal/h

ㆍ1kW(SI계) = 102kgㆍm/sec = 1.36HP = 860kcal/h

ㆍ1W = 1J/s = 10 erg/s

   

7) 위험 및 운전성 평가(Hazard and Operability-HAZOP)

   

1. 설명

공정에 존재하는 위험요소들과 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 운전상의 문제점을

찾아내어 그 원인을 제거하는 정상적인 안전성 평가기법

   

2. 구간의 분리

장치의 경계, 격리된 밸브, 압력방출밸브의 출구, 부지의 경계, 공정장치, 목적을

변경하는 곳, 프로젝트가 끝나는 지점.

① 특수변수 - 유량, 온도, 압력, 조성

② 일반적 변수 - 시험, 계측, 압력배출, 부식, 유틸리티, 운영

   

3. 정압기의 추가보완책

운전 및 보수절차에 대한 훈련 및 교육강화, 가스누설 경보감지기의 2중설치,

RTU 유지관리 개선, 정압기 보수점검 프로그램

   

   

   

   

이상위험도 분석 (Failure Modes, Effects&Criticality Analysis=RMECA)

   

공정 및 설비의 고장의 형태 및 영향, 고장 형태별 위험도 순위등을 결정하는 기법

   

1. 고장영향분석(FMEA : Failure Modes & Effects Analysis)

① 서브 시스템 위험분석이나 시스템 위험분석을 위하여 일반적으로 사용되는

전형적인 정성적, 귀납적 분석기법으로 시스템에 영향을 미치는 모든 요소의

고장을 형태별로 분석하여 그 영향을 검토하는 것이다.

② 개로 또는 개방고장, 폐로 또는 폐쇄고장, 기동고장, 운전계속의 고장,

오동작고장 등

   

2. 고장형태와 영향 해석

항목은 기계계, 유체계, 전기계 등으로 나눈다. 여기에 항목간의 접속 부분 고장형태도

고려한다.

① 전기계 - 개방, 잡음, 단락, drift, 입출력 불량, 절연불량 등

② 유체계 - 누설, 부식, 폐쇄 등

   

3. 고장등급의 평가

각 항목의 고장형태가 어느정도 치명적인가를 종합적으로 평가, 중요도 혹은 치명도 C

C = C ㆍC ㆍC ㆍC ㆍC

여기서 C : 고장영향의 중대도

C : 고장의 발생빈도

C : 고장검출의 곤란도

C : 고장방지의 곤란도

C : 고장시정시간의 여유도

   

4. 고장영향의 중대도 평가(C 평가)

① 위험등급 I (치명적) : 시스템이나 기기의 완전한 손실, 인원의 사망을 야기하는

고장

② 위험등급 II (중대적) : 임무수행이 불가능하게 될 시스템, 기기의 손실,

인원의 중증을 야기하는 고장

③ 위험등급 III (한계) : 임무수행기능 저하를 초래하는 경미한 기기손실,

사람 경상을 야기하는 고장

④ 위험등급 IV (무시가능) : 기기의 손해, 인원부상의 야기 정도는 아니지만

보수, 수리를 요하는 경미한 고장

   

5. 고장 형태 발생빈도의 평가(C 평가)

① 레벨 A : 운용기간 내에 대단히 자주 일어난다. 발생확률 0.2 이상

② 레벨 B : 보통 일어날 수 있다. 발생확률은 0.1~0.2

③ 레벨 C : 작지만 때때로 일어날 수 있다. 발생확률은 0.1~0.01

④ 레벨 D : 드물에 일어난다. 발생확률은 0.01~0.001

⑤ 레벨 E : 일어나기 어렵다. 발생확률은 0.001 이하

   

안전관리체계

   

SMS(Safety Management System)는 안전관리 활동 전반에 존재하는

위해 요인을 찾아내 그 성격을 분석 평가하고 사전에 필요한 조치를 강구함으로써

사고를 근원적으로 예방하기 위한 제도

   

1. 안전성평가서

공정위험특성, 잠재위험의 종류, 사고빈도 최소화 및 사고시의 피해 최소화

대책, 안전성 평가 세부 내용, 안전성평가 수행자 명단

   

   

2. 안전운전계획

안전운전지침서, 설비점검 검사 및 보소 유지계획 및 지침서 안전작업허가,

협력업체 안전관리계획, 종사자의 교육계획, 자체검사 및 사고조사계획,

변경요소 관리계획

   

3. 안전성평가기법

(1) 체크리스트법

공정 및 설비의 오류, 결함상태, 위험상황 등을 작성하여 경험적으로 비교함으로써

위험성을 정성적으로 파악하는 기법

(2) 결함수분석(FAT)법

결함수분석(fault tree analysis) 기법은 사고를 일으키는 장치의 이상이나 운전자

실수의 조함을 연역적으로 분석하는 정량적 평가기법이다.

(3) 사건수분석(ETA)법

사건수분석(Event Tree Analysis) 기법은 초기사건으로 알려진 특정한 장치의

이상이나 운전자의 실수로부터 발생되는 잠재적인 사고결과를 평가하는 정량적

평가기법이다.

(4) 상대위험 순위결정 기법

상대위험 순위결정(Dow And Indices) 기법은 설비에 존재하는 위험에 대하여

구체적으로 상대위험 순위를 지표화하여 그 피해정도를 나타내는 상대적 위험 순위를

안전성평가기법을 말한다.

(5) 작업자 실수분석(HEA) 기법

작업자 실수분석(Human Error Analysis) 기법은 설비의 운전원, 정비보수원, 기술자

등의 작업에 영향을 미칠만한 요소를 평가하여 그 실수의 원인을 파악하고 추적하여

정량적으로 실수의 상대적 순위를 결정하는 안전성평가기법을 말한다.

(6) 사고 예상질문 분석 기법

사고 예상질문 분석(WHAT-IF) 기법은 공정에 잠재하고 있으면서 원하지 않는 나쁜

결과를 초래할 수 있는 사고에 대하여 예상질문을 통해 사전에 확임함으로써 그 위험과

결과 및 위험을 줄이는 방법을 제시하는 정상적 안전성평가기법을 말한다.

(7) 위험과 운전분석(HAZOP) 기법

위험과 운전분석(Hazard And Operablity Studies) 기법은 공정에 존재한 위험

요소들과 공정의 효율을 떨어뜨릴 수 있는 운전상의 문제점을 찾아내어 그 원인을

제거하는 정상적인 안전성평가기법을 말한다.

(8) 이상위험도 분석(FMECA) 기법

이상위험도 분석(Failure Modes, Effects, and Criticality Analysis) 기법은

공정 및 설비의 고장의 형태 및 영향, 고장형태별 위험도 순위 등을 결정하는

기법을 말한다.

(9) 원인결과 분석(CCA) 기법

원인결과분석(Cause-Consequence Analysis, CCA) 기법은 잠재된 사고의 결과와

이러한 사고의 근본적인 원인을 찾아내고 사고 결과와 원인의상호관계를 예측ㆍ평가

하는 정량적 안전성 평가기법을 말한다.