연소속도와 화염전파

Flame Speed and Propagation

연소속도는 화염면이 미연 혼합기 속으로 번지는 속도예요. 당량비에 따라 속도가 크게 달라 역화·날림과 연결돼요. 화염 안정 운전의 핵심 감각이에요. 당량비를 바꿔 연소속도 변화를 따라가 봐요.

불꽃은 얼마나 빨리 번지는가

연소속도는 화염면이 미연소 혼합기 속으로 번져 들어가는 속도입니다. 이 속도는 연료와 공기의 섞인 비율, 즉 당량비 φ에 크게 좌우됩니다. 너무 묽어도(희박) 너무 진해도(과농) 느려지고, 양론비 부근에서 가장 빠릅니다.

👀 당량비 φ란

①φ = (실제 연료·공기비) ÷ (이론 연료·공기비)

②φ<1: 공기과잉(희박), φ=1: 이론(양론), φ>1: 연료과잉(과농)

③연소속도는 φ가 1보다 약간 큰(약간 과농) 지점에서 최대

당량비를 바꿔 연소속도 추적하기

당량비 φ1.05

현재 연소속도

S_L = 40.0 cm/s

당량비 φ=1.05

최대 지점

φ ≈ 1.05

양론비보다 약간 과농측에서 최대

💡 연소속도에 영향을 주는 인자

①혼합비: 양론비 부근에서 최대(당량비 1 근처)

②온도: 미연소 혼합기 온도가 높을수록 빨라진다

③압력: 대체로 압력이 높으면 느려진다(탄화수소)

④연료 종류: 수소는 매우 빠르고 탄화수소는 느리다

화염이 관 속을 전파하는 모습

⚡ 역화·선화(리프팅)

①역화(백파이어): 연소속도 > 혼합기 유속 → 화염이 버너 안으로 거꾸로 들어감

②선화(리프팅): 유속 > 연소속도 → 화염이 버너에서 떨어져 들뜸

③블로오프: 유속이 더 커지면 화염이 꺼진다

④안정 연소는 연소속도와 유속의 균형에서 유지된다

핵심 공식

당량비

φ = 실제 연료/공기비이론 연료/공기비

φ=1이 이론(양론) 혼합. 1보다 크면 과농

화염면 열·물질 균형

유속 = 연소속도 → 정상 화염

유속과 연소속도가 같아야 화염이 제자리에 선다

화염전파

미연소 혼합기 → 예열 → 반응 → 연소가스

화염면이 앞쪽 혼합기를 예열하며 스스로 번진다

핵심 정리와 시험 포인트

🎯 시험 포인트

①연소속도는 당량비 1(양론) 부근, 실제로는 약간 과농측(φ≈1.05)에서 최대

②탄화수소의 최대 층류 연소속도는 대략 40 cm/s 수준, 수소는 훨씬 빠르다

③연소속도 증가 인자: 혼합기 온도 상승, 활성 라디칼, 난류

④역화(연소속도>유속) vs 선화·리프팅(유속>연소속도) 구분

⑤화염면은 앞쪽 미연소 혼합기를 예열하며 전파한다

📝 대표 기출문제

①[기출유형] 층류 연소속도가 최대가 되는 당량비는? (답: 약 1(양론비) 부근)

②[기출유형] 연소속도가 혼합기 유속보다 빨라 화염이 버너 안으로 들어가는 현상은? (답: 역화/백파이어)

③[기출유형] 연소속도를 크게 하는 인자 하나를 쓰시오. (답: 혼합기 온도 상승 등)

④[기출유형] 유속이 연소속도보다 커서 화염이 들뜨는 현상은? (답: 선화/리프팅)