화염전파 현상

연소 방식의 분류

기체 연료의 연소 방식은 버너 연소와 용기내 연소로 크게 나누어 진다. 전자는 정상적인 정지화염을 만드는 것을 목적으로 하고, 후자는 이동 또는 전파화염에 의해 용기속에 봉입된 가연혼합기를 연소시키는 것을 목적으로 하고 있다.

또한 연소방식을 다른 관점에서 분류하면, 예혼합 연소, 부분 예혼합 연소, 확산연소 등으로 나뉜다. 예혼합연소는 연료와 공기를 균등한 질로 혼합한 다음 연소시키는 것으로, 화염이 예혼합기 속을 자력으로 전파하는 것이 큰 특색이다. 이에 대해 확산 연소는 연료류와 공기류, 도는 연료 가스 덩어리와 공기 덩어리와의 경계에서 연료와 산소사 접촉함으로써 연소하는 것으로, 따라서 이 화염에는 전파하는 성질이 없다. 부분 예혼합 연소는 양자의 중간에 위치하며, 연료를 가연소 밤위 밖의 과농혼합기로 대치한 것이다.

화염 부근의 가스 흐름이 흥류나 난류냐에 따라 층류 연소와 난류 연소로 나뉜다. 흐름이 층류에서 난류로 바뀌면, 화염의 성질이 크게 변화하여 화염대 두께가 증가함과 동시에 예혼합연소에서는 화염의 전파속도가 가속되고, 확산 연소에서는 화염 단위 면적당의 연소율이 높아 진다. 이상 세 종류의 분류를 정리하면 다음과 같다.

상특성	전파특성	혼합특성	유동특성
균일연소	버너 연소	예혼합 연소 부분예혼합연소	층류연소
불균일 연소	용기내 연소	확산연소	난류연소

 

층류 예혼합 화염의 구조

가장 전형적인 층류 예혼합화염은 분젠버너에 의해 만들어지는 일그러지지 않는 원추형 화염인데 대기압하에서는 그 두게가 0.01~0.1mm로 매우 얇다. 화염의 법선 방향으로 x축을 잡고 x축을 따라서의 온도와 가스 조성의 분포 상황을 도시하면 그림과 같다.

미연소 혼합기의 속도는 Su, 온도 Tu 로 화염대로 들어가고, 속도 Sb, 온도 Tb로 화염대를 빠져 나간다. Tb는 단열 평현 연소 가스의 온도와 비슷하나 연소가스가 화염대 출구에서 완전하게 평형 상태에는 이르지 못하고, 또한 복사 손실이 있어 그 만큼 온도가 낮아진다. 온도곡선에서는 변곡점이 존재하나 변곡점 좌측은 반응으로 인한 발생 열량이 현열의 증가분을 밑돌고 있어, 미연소 혼합기가 우측 반응대로부터 열공급을 받아 예열되는 예열대로 볼수 있다.

한편 반응 물질(산소 또는 연료)의 농도는 예열대에서는 주로 분자 확산에 의해, 반응대에서는 화학 반응과 분자 확산에 의해 농도가 저하되고, 출구에서는 대략 평형 연소가스 조성에 도달한다. 중간 생성물의 농도는 반응대 중간 정도에서 피크를 이루어 거의 반응 속도에 대응하고 있다.

온도 곡선의 뱐곡점의 온도 Tu는 착화 온도라고 하나, 착화 온도 측정에 의한 측정값과는 다르며, 그 보다 꾀 높은 값이다. 화염대 출구의 압력차 (Pu-Pb)는 Pu의 1% 이하로서 거의 정압 과정으로 볼 수 있다.

   

연소 속도와 화염전파 속도

위의 그림과 같은 구조의 화염은 열전도나 분자확산과 급속한 화학 반응을 원동력으로 하여자력으로 전파하는 성질을 가지고 있다.

여기서 정지공간(관찰자)에 상대적인 화염의 이동 속도를 화염전파 속도라고 하며, 화염 전방(상류)의 미연소 혼합기에 상대적인 화염전파 속도의 화염면 법선 방향의 분속도를 연소 속도라고 한다.

연소 속도는 반위 면적의 화염면이 단위 시간에 소비하는 밍녀소 혼합기의 체적(부피)이라고 정의를 고치는 편이 이해하기 쉽다. 화염 전파속도가 연소 가스의 유동이나 화염 형상의 영향을 받는데 대해서 층류예혼합화염의 연소 속도는 연료의 종류와 혼합기의 조성, 온도, 압력에 대한 고유값을 가지며, 이것을 층류 연소 속도라 한다.

층류연소속도의 측정법은 여러가지가 고안되어 있으나 비교적 널리 이용되는 방법으로는 1. 슬롯 버어너 법, 2. 비누 거품법, 3. 평면 화염 버어너 법, 4. 쌍화염핵법, 5. 분제 버너어법 등이 있다.

슬롯 버어너법은 가로 세로의 비가 3 이상인 장방형 노즐로부터 본합기를 분출시켜 텐트 모양의 화염을 만드는 것으로서, 긴 변쪽 중앙부에서의 흐름의 모양을 그리면 아래 그림과 같다. 연소 속도는 미연소 혼합기류의 법선 방향 속도가 Su 가

이므로 미연소 혼합기의 유속 Uu[m/s], 및 유선과 화염면을 이루는 각 a 를 측정하면 연소 속도가 결정된다.

   

분젠 버어너법에 있어서도 같은 방법으로 연소속도를 결정할 수 있으나, 단위 화염, 단위 면적당 소비되는 미연소 혼합기의 부피라는 제2의 연소 속도의 정의를 사용하여,

Su=V/Af [m/s]

에서 연소 속도를 결정하는 것이 보통이다. 여기서 V는 미연소 혼합기의 체적 유량[m3/s], Af는 화염의 사진에서 축회전면으로 계산된 화염 면적[m2]이다. 15~20%의 오차가 생기기는 하나 손쉽게 높은 연소 속도를 측정 할 수 있어 편리하다.

   

위 그림은 1.~5.의 여러가지 방법으로 측정된 층류 연소 속도의 값을 나타낸 것이다. 메탄, 에틸렌, 프로판 등의 탄화수소계 연료에는 당량비 1.1 부근에 연소 속도의 피크가 오나, 일산화탄소나 수소의 경우에는 당량비 2 이상인 곳에 피크가 온다. 이와 같은 여소 속도의 변동은 단열 평형 가스 온도의 변동과 매우 잘 대응하고 있다. 따라서 미연소 혼합기의 온도를 높이면(혼합기 예열) 간열 평형 연소가스 온도가 상승하여 연소속도도 증가한다. 또한 공기의 산소 분압을 높이는 경우도 연소 속도는 빨라진다.