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에너지관리기사 연소설비 · 연소속도와 화염전파

Flame Speed and Propagation

연소속도는 화염면이 아직 타지 않은 혼합기 속으로 번져 들어가는 속도이고, 연료와 공기의 비율을 나타내는 당량비에 따라 크게 달라진다. 이 속도가 혼합기 유속보다 빠르면 화염이 버너 안으로 거꾸로 들어가고(역화), 느리면 버너에서 떨어져 뜬다(선화). 첫 그림은 당량비에 따른 층류 연소속도 곡선이며, 당량비 슬라이더를 움직이면 곡선 위의 점과 속도 값이 함께 바뀌어요. 둘째 그림은 관 속의 화염면이고, 전파 버튼을 누를 때마다 화염면이 미연소 혼합기 쪽으로 한 칸씩 나아가요.

불꽃은 얼마나 빨리 번지는가

연소속도는 화염면이 미연소 혼합기 속으로 번져 들어가는 속도다. 이 속도는 연료와 공기가 섞인 비율, 곧 당량비 φ에 크게 좌우되어 너무 묽어도(희박) 너무 진해도(과농) 느려지고, 양론비보다 조금 진한 쪽에서 가장 빠르다.

👀 당량비 φ란
①φ = (실제 연료/공기비) ÷ (이론 연료/공기비)
②φ < 1이면 공기 과잉(희박), φ = 1이면 이론 혼합(양론), φ > 1이면 연료 과잉(과농)이다
③층류 연소속도는 φ가 1보다 조금 큰 쪽(약간 과농)에서 가장 빨라요

당량비를 바꿔 연소속도 따라가기

1.05
현재 연소속도
SL = 40.0 cm/s
당량비 φ=1.05
최대 지점
φ ≈ 1.05
양론비보다 조금 과농 쪽에서 최대
💡 연소속도에 영향을 주는 인자
①혼합비: 당량비 1 근처에서 가장 빠르다
②온도: 미연소 혼합기의 온도가 높을수록 빨라진다
③압력: 탄화수소의 층류 연소속도는 압력이 높으면 대체로 느려진다
④연료 종류: 수소는 탄화수소보다 훨씬 빨라요

화염이 관 속을 번져 가는 모습

⚡ 역화 · 선화(리프팅)
①역화(백파이어): 연소속도 > 혼합기 유속이면 화염이 버너 안으로 거꾸로 들어간다
②선화(리프팅): 유속 > 연소속도이면 화염이 버너 끝에서 떨어져 뜬다
③블로오프: 유속이 더 커지면 화염이 날려 꺼져요
④안정 연소는 연소속도와 유속이 균형을 이룰 때 유지돼요

핵심 공식

당량비
φ = 실제 연료/공기비이론 연료/공기비
φ = 1이 이론(양론) 혼합이고, 1보다 크면 과농이다
정지 화염 조건
유속 = 연소속도 → 정상 화염
화염면에 수직인 유속 성분이 연소속도와 같아야 화염이 제자리에 선다
화염전파
미연소 혼합기 → 예열 → 반응 → 연소가스
화염면이 앞쪽 혼합기를 예열하면서 스스로 번져 나간다

정리와 시험에서 묻는 것

🎯 시험에서 묻는 것
①층류 연소속도는 양론 혼합보다 조금 과농한 쪽(φ ≈ 1.05)에서 가장 빠르다
②탄화수소의 최대 층류 연소속도는 약 40 cm/s이고, 수소는 이보다 훨씬 빠르다
③연소속도를 키우는 인자는 혼합기 온도 상승 · 활성 라디칼 · 난류다
④역화는 연소속도 > 유속, 선화(리프팅)는 유속 > 연소속도일 때 일어나요
⑤화염면은 앞쪽 미연소 혼합기를 예열하며 번진다
📝 대표 기출유형
①[기출유형] 층류 연소속도가 가장 빠른 당량비는? (답: 1(양론비) 부근, 조금 과농한 쪽)
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)
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