이론 연소온도(단열 화염온도)는 연료가 낸 열이 바깥으로 새지 않고 배기가스만 데운다고 볼 때 오를 수 있는 가장 높은 온도다. 같은 열을 나눠 받는 배기가스량이 많을수록 낮아지므로, 공기비를 키우면 내려가고 공기를 예열하면 올라간다. 그림은 중유 기준(Hl ≒ 10,325 kcal/kg)으로 그린 공기비-화염온도 곡선이고, 흐린 선은 예열하지 않은 경우예요. 공기비 m 슬라이더는 곡선 위의 점을, 공기예열온도 t₀ 슬라이더는 주황 곡선 전체의 높이를 옮겨요.
발열량이 배기가스를 데운다
연료가 낼 수 있는 모든 열이 바깥으로 빠져나가지 않고 배기가스 자신을 데우는 데만 쓰인다고 보면, 오를 수 있는 가장 높은 온도가 나온다. 이것이 이론 연소온도(단열 화염온도)이다. 배기가스량이 많을수록 같은 열을 나눠 받으므로 온도는 낮아진다.
👀 단열 화염온도의 뜻
①연소로 생긴 열이 전부 배기가스를 데우는 데 쓰인다고 본다
②열손실과 해리(고온에서 분해)를 무시한 이상적인 최고 온도다
③분모의 배기가스량 G가 크면 온도가 낮아져요
④실제 화염온도는 열손실과 해리 때문에 이보다 낮다
공기비와 예열 온도로 화염온도 따라가기
1.2
200 °C
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t = Hl/(G·Cp) + t₀. 공기비↑ → 배기량 G↑ → 온도↓. 공기 예열↑ → 화염온도↑.
공기비에 따른 이론 화염온도 곡선. 공기비가 커지면 배기가스량이 늘어 온도가 떨어지고, 공기 예열은 곡선 전체를 위로 밀어 올린다
💡 화염온도를 높이는 방법
①공기비를 낮춰 과잉공기로 배기가 묽어지는 것을 줄인다
②연소용 공기를 예열한다(배기 폐열 회수)
③발열량이 큰 연료를 쓴다
④수분과 불활성분이 적은 연료가 유리해요
왜 공기비를 마냥 낮출 수 없나
공기비를 낮추면 배기량이 줄어 화염온도는 올라간다. 하지만 m이 1에 너무 가까우면 공기와 연료가 고루 섞이지 못해 불완전 연소가 생기고, CO와 매연으로 나가는 손실이 커져 오히려 손해다. 지금 조건에서 화염온도는 약 2189°C, 배기량 G = 13.66 Nm³/kg이다.
🔑 알맞은 공기비 찾기
①너무 크면 배기 열손실이 늘고 화염온도가 떨어져요
②너무 작으면 불완전 연소로 CO · 매연 · 미연 손실이 생긴다
③실무에서는 CO가 나오지 않는 범위에서 O₂를 가장 적게 하는 지점을 찾아요
④공기 예열은 화염온도를 올리면서 연료도 아낀다
핵심 공식
이론 연소온도
t = HlG · Cp + t0
Hl 저위발열량 · G 배기량 · Cp 평균 비열 · t₀ 기준 · 예열 온도
배기가스량
G = G0 + (m - 1)A0
공기비가 커질수록 분모 G가 커져 온도가 떨어짐
예열 효과(어림)
Δt ≈ t0
공기와 배기의 열용량이 비슷하다고 보면 예열한 만큼 화염온도가 대략 올라감
정리와 시험에서 묻는 것
🎯 시험에서 묻는 것
①이론 연소온도 t = Hl/(G·Cp) + t₀(단열 · 해리 없음 가정)
②공기비 m↑ → 배기량 G↑ → 화염온도↓(반비례 경향)
③공기나 연료를 예열하면 화염온도가 올라가요
④실제 온도 < 이론 온도(열손실 · 고온 해리 때문)
⑤저위발열량을 기준으로 계산한다(수증기 잠열은 이미 빠져 있다)
📝 대표 기출유형
①[기출유형] Hl = 10,000, G = 12 Nm³/kg, Cp = 0.35일 때 이론 연소온도는?(t₀ = 0) (답: 10000/(12×0.35) ≒ 2,381°C)