기본적인 화염의 특성
일상에서 가연물질은 기체, 액체, 고체상태로 존재하지만 일반적으로 화염을 동반한 급 격한 연소반응은 대부분 기체상태에서 반응이 이루어진다. 액체의 경우 증발과정을 통해, 고체의 경우 열분해(pyrolysis)를 통해서 기체상태인 연료증기(fuel vapor)를 형성한다.
In daily life, combustible substances exist in gaseous, liquid, and solid states, but most rapid combustion reactions accompanied by flames generally occur in the gaseous state. For liquids, fuel vapor is formed through an evaporation process, and for solids, gaseous fuel vapor is formed through pyrolysis.
따라서 기체상태의 연료에 대한 연소특성을 이해하는 것이 화재발생으로 인한 화염특성을 이 해하는 기본이 된다. 그러나 연소현상에 대한 전반적이고 상세한 내용은 화재역학과 분리된 어 다루어지며 본 절에서는 화재역학의 이해에 기초가 되는 화염형태인 예혼합화염과 확산 화염의 특성에 대한 간단히 소개한다.
Therefore, understanding the combustion characteristics of gaseous fuel is the basis for understanding the flame characteristics resulting from a fire. However, the overall and detailed information on combustion phenomena is dealt with separately from fire mechanics, and this section briefly introduces the characteristics of premixed flame and diffusion flame, which are the flame types that are the basis for understanding fire mechanics.
예혼합 화염 (Premixed flame)
[그림 3-8]에서 보는바와 같이 분젠버너에서 형성되는 예혼합화염은 가연성 연료와 산화 제가 점화이전에 미리 잘 혼합되어 있는 상태에서 점화가 이루어지는 것으로 화염이 급속 히 전파되는 특징을 가진다.
점화를 위해서는 충분한 외부 에너지(전기스파크, 작은 화염)가 제공되어야 하고 연소속도가 빠르고 연료와 산화제의 혼합과정보다는 연료와 산화제의 화 학반응기구에 더 많이 의존한다. 일반적으로 예혼합 화염은 가연한계(flammability limt)를 가지는데 공기/연료의 혼합물 이 연소가 일어날 수 있는 연료의 농도를 의미하고 25oC에서 체적 퍼센트로 표시한다.
예를 들어 메탄의 경우, 25oC에서 점화가 일어날 수 있는 연료의 농도범위는 5%~15% 사이에서만 점화가 일어난다. 여기서 점화가 일어나는 최소농도를 가연하한(lower flammability limit)이라하고 점화가 일어나는 최대농도를 가연 상한(upper flammability limit)이라 한다.
[그림 3-9]은 대표적인 연료의 가연한계를 도식적으로 나타낸다. 예혼합화염은 화염부근에서 유체유동이 난류인지 층류인지에 따라 층류예혼합화염과 난 류예혼합화염으로 구분된다. 일반적으로 혼합기(연료+산화제)의 유동이 난류와 됨에 따라 화염의 두께와 화염전파 속도가 증가한다.
[그림 3-10]과 같이 관내 연료와 산화제가 혼합되어 연소 중인 예혼합화염의 구조를 파악해 보면 화염영역은 예열영역(preheating zone)과 반응영역(reaction zone)으로 구분되며 화염의 두께는 약 0.1~1mm 정도이다. 온도가 Tu인 혼합기체가 예열영역으로 들어가면 반응영역으로부터 열을 받아 온도가 상 승하기 시작하고 반응영역에서는 본격적인 연소반응이 일어남에 따라 반응열에 의한 급격 한 온도상승이 이루어진다
예열영역에서의 연료의 농도는 산화반응이 일어남에 따라 서서히 감소하고 반응영역에서 는 연소반응이 진행되어 연료의 농도가 급격히 감소한 후 반응의 종료와 함께 연료는 소진 된다.
The concentration of the fuel in the preheating zone gradually decreases as the oxidation reaction occurs, and in the reaction zone, the combustion reaction proceeds and the concentration of the fuel decreases rapidly, and then the fuel is exhausted upon completion of the reaction.
반면에 연소생성물의 농도를 살펴보면 연소반응이 이루어지기 이전에는 연료와 산화 제만 존재하기 때문에 연소생성물의 농도는 0 이 되지만 반응영역에서의 급격한 연소반응으로 인해 다양한 연소생성물과 반응기(radicals)가 생성된다. 연료와 공기의 혼합기체는 화염영역에서 온도상승에 의한 체적팽창이 이루어지기 때문에 가스의 속도는 증가하게 된다(Vb). 정상상태일 경우 혼합기체가 소모되는 속도는 화학반응 속도 (연소속도)와 같게 된다.
On the other hand, looking at the concentration of combustion products, since only fuel and oxidizer exist before the combustion reaction occurs, the concentration of combustion products becomes 0, but various combustion products and reactors (radicals) are generated due to the rapid combustion reaction in the reaction area. . Because the volume of the mixed gas of fuel and air expands due to the temperature rise in the flame area, the speed of the gas increases (Vb). In normal conditions, the rate at which the mixed gas is consumed is equal to the chemical reaction rate (combustion rate).
확산화염 (Diffusion flame)
확산화염은 연료와 산화제가 미리 섞여있지 않고 연료와 산화제가 경계를 이루는 위치에 서 확산에 의해 형성된 화염형태를 의미한다. 일반적으로 연료와 산화제사이의 화학반응은 분자단위에서 발생하기 때문에 화학반응의 속도는 매우 빠르지만 연소속도는 혼합과정 (mixing process)에 의해 제한되기 때문에 상대적으로 느리며 연료와 산화제의 혼합과정 이 확산화염에서의 중요한 메커니즘이 된다.
Diffusion flame refers to a flame form formed by diffusion at a location where the fuel and oxidizer form a boundary, rather than mixing the fuel and oxidizer in advance. Generally, the chemical reaction between fuel and oxidizer occurs at the molecular level, so the speed of the chemical reaction is very fast, but the combustion speed is relatively slow because it is limited by the mixing process, and the mixing process of fuel and oxidizer is a diffusion flame. becomes an important mechanism in
따라서 연소반응이 일어나는 화염의 두께가 매 우 얇고 화염두께가 거의 없다고 가정하고 반응속도는 무한히 빠르다고 가정하는 방법이 널리 이용된다. [그림 3-11]는 화염면의 위치나 온도, 화염높이등과 같은 확산화염의 구조를 보여준다. 가운데 노즐 부분에서는 연료만 공급되고 외부에서는 산화제만 유입되기 때문에 연료농도는 노즐의 중앙에서 가장 높고 화염면에서 연소되어 소멸된다.
반면에 산화제의 농도는 외부에 서 가장 높고 화염대에서 연료와 반응하여 소멸되기 때문에 화염내부에는 산화제가 존재하 지 않는다. 연료와 산화제가 만나 적절한 혼합기를 생성하는 위치에서 화학반응이 가장 활 발하게 일어나고 반응률이 높은 곳에서 연소반응이 활발하기 때문에 화염의 온도가 높다.
On the other hand, the concentration of the oxidizer is highest outside, and because it reacts with the fuel and disappears in the flame zone, the oxidizer does not exist inside the flame. The chemical reaction is most active at the location where the fuel and oxidizer meet to create an appropriate mixture, and the combustion reaction is active at the location where the reaction rate is high, so the temperature of the flame is high.
연소생성물의 농도는 산화반응이 일어나는 곳에서 높게 나타난다. [그림 3-12]은 일반적으로 연소반응에 의해 발생되는 빛에 의해 화염으로 인식되는 부분, 즉 확산화염의 미세 화 염편(flame sheet) 내부에서의 주요 화학종의 생성, 소멸과 최대온도 위치를 보여준다