연소속도 영향인자

연소속도란

연소속도는 불에 탄 면이 탄 적 없는 가스 쪽으로 나아가는 속도다.

정식으로는 미연소 혼합기에 대한 화염면의 법선 방향 전파속도다.

단위는 m/s이며, 기준이 되는 값은 층류연소속도 S_L이다.

층류와 난류

연소속도는 흐름 상태에 따라 층류와 난류로 나뉜다.

층류연소속도는 연료 고유의 물성에 가까워 반응 메커니즘 검증에 쓴다.

난류연소속도는 화염면이 주름져 면적이 늘어난 상태의 속도로, 화재 해석에 쓴다.

네 묶음 영향인자

연소속도 영향인자는 조성, 상태, 유동, 희석의 네 묶음으로 나누어 본다.

조성은 당량비가 화학양론 근처에서 최대이고, 연소한계 쪽으로 갈수록 줄어든다.

온도가 오르면 열확산도 α와 반응률 ω가 함께 커져 층류연소속도가 증가한다.

난류는 화염면을 주름지게 해 실제 면적을 늘리므로 속도를 높인다.

불활성 가스는 산소 농도를 낮추고 열용량을 키워 속도를 줄인다.

계산 예와 압력 상승

가상의 예로, 밀폐 용기 안에서 화염이 중심에서 구형으로 퍼진다고 가정한다.

구형 화염의 면적은 A=4πr²이고, 단위 시간의 미연 가스 소비량은 ρu·S_L·A다.

r=0.05 m, ρu=1.2 kg/m³, S_L=0.4 m/s를 대입하면 소비량은 0.0151 kg/s다.

미연 가스가 연소 생성물로 바뀌며 6배 팽창하므로 압력이 빠르게 오른다.

연소속도가 클수록 단위 시간당 가스 생성이 커져 압력 상승이 빨라진다.

직접 풀기

직접 풀어 보자. 방금 배운 난류의 영향을 적용한다.

정답은 화염면 주름으로 실제 면적이 늘어나 연소속도가 빨라지는 것이다.

헷갈리는 점

시험에서 자주 틀리는 지점을 짚는다.

최대 연소속도는 화학양론비보다 약간 농후한 쪽에서 나타난다.

층류 값은 물성이고 난류 값은 유동에 따라 달라진다는 차이를 먼저 밝힌다.

불활성 가스는 산소 농도를 낮추고 열용량을 키워 화염온도를 떨어뜨린다.

정리

마지막으로 인자별 방향을 정리한다.

당량비는 화학양론 근처에서 최대이고, 온도가 오르면 속도는 증가한다.

난류는 속도를 높이고, 불활성 가스는 속도를 낮춘다.

압력은 조건에 따라 방향이 달라지므로 답안에 조건을 함께 쓴다.