[연소공학_연소]연소의 형태(고체,액체,기체)

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[21년 기출]

[이산화탄소 106]

(1) 개요 ① 연소란 가연물과 공기 중의 산소가 반응하여 점화원에 의해서 발화되어 열과 빛을 내면서 산화하는 현상이다.  ① 연소란 가연물, 산소, 점화원에 의해서 빛과 열을 수반하는 산화현상이다.  ② 연소는 불꽃이 있는 연소와 불꽃이 없는 연소로 구분된다.  ② 연소의 형태는 고체연소, 액체연소, 기체연소로 크게 분류된다. (가연물의 상태에 따른 연소의 형태)

(2) 고체의 연소 (고체물질의 연소, 고체연소) 표. 분. 증.  자  1) 표면연소 ① 정의  ㄱ. 고체 가연물이 열분해나 증발하지 않고 공기 중의 산소가 고체 표면에 확산되어 연소하는 현상을 말하며 직접연소라고도 한다.  ㄴ. 고체 가연물을 공기 중에 방치하면 그 표면에 질소나 산소 등의 기체 분자가 흡착되어 고체의 표면은 가연물의 분자와 산화제의 분자가 혼합계를 이르며, 여기에 발화에너지를 주면 반응을 하는 것이다.  ② 특징  ㄱ. 표면에서 반응이 일어나고 심부로 타들어가는 형태를 나타낸다.  ㄴ. 가연성 증기가 발생하지 않고, 연기도 발생하지 않는다. ㄷ. 고체 가연물의 표면에서 산소와 반응하여 연소하는 현상으로 불꽃이 없다. (무염연소) ③ 종류: 목탄, 코크스, 금속분 등의 연소  숯, 코크스, 목탄, 금속분, 흑연  목탄. 코크스. 숯. 금속분 같이 가연성 가스 배출없이 작열하여 연소 (작열연소, 훈소)  고체 가연물의 표면에서 산소와 반응하여 연소하는 현상으로 불꽃이 없음  직접연소 또는 무염연소  * 표면화재 (불꽃연소) *표면연소(훈소화재, 심부화재) [이산화탄소 106]

2) 분해연소  ① 정의  ㄱ. 고체 가연물에 열을 가하면 연료의 일부가 분해되고 가연성 기체가 발생되고, 공기와 혼합하여 가연성 혼합기가 형성되어 연소하게 되는 현상을 말한다.  ㄴ. 연소가 일단 발생하게 되면 연소열에 의해 고체의 열분해는 계속 일어나고 가연물이 없어질 때까지 계속된다.  ㄷ. 열분해 반응을 일으켜 생성된 가연성 증기와 공기가 혼합하여 연소하는 형태  ② 특징  ㄱ. 열 흡수에 의해 고체 가연물의 분해가 선행되어야 한다.  ㄴ. 가열에 의해 열분해된 휘발하기 쉬운 성분이 표면으로부터 떨어진 곳에서 연소하는 현상으로 불꽃을 수반한다.  ③ 종류: 목재, 종이류, 플라스틱, 석탄 등  고무류

3) 증발연소  ① 정의  ㄱ. 고체를 가열하면 열분해 되기 전에 그대로 증발하여 증기가 연소되거나 먼저 융해된 액체가 기화하여 증기가 된 다음 연소하는 현상을 말한다. ㄴ. 열분해 없이 그대로 증발하여 연소  ㄷ. 가연성 증기와 공기가 혼합된 상태에서 연소하는 형태 ㄹ. 고체가 증발되고 산소화 혼합되어 연소  ㅁ. 황. 나프탈렌. 왁스. 파라핀 등과 같이 고체를 가열하면 열분해는 일어나지 않고 고체가 액체로 되어 일정온도가 되면 액체가 기체로 변화하여 기체가 연소하는 현상  ② 특징  열흡수에 의하여 가연성 혼합 증기가 선행 후에 연소가 진행된다.  ③ 종류: 파라핀계, 양초, 황, 나프탈렌 가열에 의한 연소  황, 나프탈렌, 파라핀(양초), 유지, 왁스

4) 자기연소 (내부연소) ① 정의   . 열분해에 의하여 가스와 산소를 동시에 발생하여 공기 중의 산소를 필요로 하지 않고 자신의 분자 속에 포함되어 있는 산소에 의해 연소하는 방식이다.  . 산소 없이 자신 스스로 연소 (5류 위험물)  . 가연성이면서 자체 내에 산소를 함요하고 있어 산소가 필요하지 않는 연소 형태  . 제5류 위험물인 나이트로셀룰로스, 질화면 등 가연물과 산소를 동시에 가지고 있는 가연물이 연소하는 현상  ② 특징  ㄱ. 자체적으로 산소를 함유하고 있어 항상 열에 의하여 가연성 혼합기 형성이 쉬워진다.  ㄴ. 자체적으로 산소를 함유하고 있어 질식소화에는 효과가 없다.  ③ 종류: 니트로 셀룰로이드, 셀룰로이드 등

(3) 액체의 연소(액체물질의 연소)    증.  분 1) 증발연소 (액면연소)  ① 정의   용기 내에 담긴 액체 표면에서 증발된 가연성 증기가 공기와 혼합하여 가연성 혼합기가 형성되고 열원에 의해서 연소하는 현상  액체 표면에서 발생된 증기가 연소하는 형태  아세톤, 휘발유, 등유, 경유와 같이 액체를 가열하면 증기가 되어 증기가 연소하는 현상  휘발유, 등유, 경유, 알코올 등 증발가스가 연소  ② 특징  ㄱ. 경질유는 열방출률이 높아 연소속도가 빠르고 화재의 성장은 연속적이다.  ㄴ. 중질유는 열방출률이 경질유에 비해 낮고 연소속도가 느리기 때문에 화재의 성장은 불연속적이다.  ③ 종류:경질유, 중질유 등 석유류 화재

2) 분해연소 ① 액체 가연물 중 비중이 크거나 점도가 높은 비휘발성인 경우 비점보다 열분해 온도가 높아 증발 이후에 열분해 작용에 의해 가연성 기체를 발생  . 벙커 C유, 윤활유, 기어유 등 분해가스가 연소  . 비휘발성 유체인 경우 열분해된 분해가스와 공기가 혼합하여 연소하는 형태.  . 벙커C유와 같이 휘발성이 적은 가열물의 열분해 반응 시 생성되는 가연성 가스와 공기와 혼합하여 연소하는 현상  ② 종류 : 벙커오일, 타르, 글리세린 등

3) 등심연소  ① 정의   석유스토브와 같이 연료를 모세관 현상에 의해 심지로 빨아올려 심지 표면에서 증발시켜 확산연소를 시키는 것이다.  ② 종류: 석유스토브 연소 등

4) 분무연소  ① 정의   액체연료를 수백 마이크론의 액적으로 미립화하여 증발 표면적을 증가시켜 연소시키는 방향으로 가스 터빈과 석유스토브의 일부에 사용한다.  점도가 높고 휘발성이 낮은 액체를 가열을 통해 점도를 낮추어 분무형태의 미립자로 분무  ② 종류 : 공업용 보일러의 버너 연소, 가스터빈 연소 등

(3) 기체물질의 연소 [21년 기출] . 기체의 연소형태는 불꽃연소 또는 발염연소 형태를 띈다.  . 불꽃연소는 확산연소(예열대 없음)와 예혼합연소 (예열대 존재, 화염을 자력 수반함)로 구분한다.  1) 확산연소  . 가연성 혼합기가 농도에 따라 이동하며 연소 (촛불연소) ① 정의   연료가스와 산소의 농도 차에 따른 확산 현상으로, 높은 농도에서 낮은 농도로 Fick's Law에 따라 확산되어 연소하는데, 산소는 반응에 의하여 농도가 0이 되는 반응영역으로 이동하고, 연료는 반대방향에서 농도가 0이 되는 반응영역으로 이동하면서 연소하는 현상  . 가연성 혼합기가 농도에 따라 이동하며 연소 (촛불연소)  . 수소, 아세틸렌, 프로판, 부탄 등 화염의 안정범위가 넓고 조작이 용이하며 역화의 위험이 없는 연소로서 발염연소 또는 불꽃연소라 한다.  . 연료와 산소가 반응대를 중심으로 서로 반대방향으로 이동하여 연소하는 형태  . 가연성 가스와 산소가 반응에 의해 농도가 0이 되는 화염 쪽으로 이동되는 "확산"이라는 과정을 통한 연소(FIck's Law)  . 자연화재의 대부분이 확산화염이고, 건물화재, 산림화재, 액면화재 및 성냥화염이나 양초화염, 액면화재의 화염, 제트화염 등이 해당  ② 종류 :  ㄱ. 층류확산연소: 연료와 공기를 혼합시키지 않고 연료만 버너로부터 분출시켜 연소에 필요한 공기는 모두 화염의 주변에서 확산에 의해 연료와 서서히 혼합시키면서 연소시키는 방식  ㄴ. 난류확산연소: 난류확산연소는 공기의 난류를 이용하여 강제적으로 혼합해 가면서 연소시키는 것이다. 버너연소에는 거의 난류확산연소가 사용된다.  ③ 종류: 버너연소, 자연화재, 성냥화재, 양초화재, 액면화재 등  ④ 확산화염의 특징  . 연료가스와 산소의 농도 차이에 따라 반응영역으로 이동하는 연소과정이다.  . 대부분 자연화재이며 액면화재의 화염, 산림화재의 화염, 양초 화염 등이 있다.  . 층류확산화염은 양초화염으로, 분자확산에 의해 지배되는 화염이다.  . 난류확산화염은 산림화재의 화염으로, 화염 내에서 가시성 와류에 의한 유체의 기계적인 불안정성에 따라 일어나는 화염이다.

2) 예혼합연소 . 미리 혼합된 가연성 혼합기와 연소(분젠식 버너)  . 밀폐된 용기에 기체연료를 미리 공기와 혼합시켜 놓고 점화하여 연소하는 현상으로 전1차 공기식 연소법, 분젠식 연소법, 세미분젠식 연소법이 있다.  . 가연성 혼합기가 형성되어 있는 상태에서 연소하는 형태  . 가연물과 공기가 미리 혼합된 상태로 점화원에 의해 연소되거나 스스로 연소하는 것  ① 정의   ㄱ. 가연성 기체가 지연성 기체 (산소)와 미리 혼합된 상태에서의 연소이고, 화염대가 온도곡선의 변곡점(Ti)을 기준으로 예열대와 반응대로 분리  ㄴ. 예열대는 미연혼합기가 반응대 유입 직전의 영역으로 화염은 없으나, 온도만 상승하는 영역이고,  반응대에서는 발화와 연소반응이 발생하며, 연소생성물이 생기기 시작하는 곳이다.  ② 특징  ㄱ. 필요한 공기를 적당량 포함하고 있기 때문에 연소 반응이 신속하게 진행된다.  ㄴ. 화염은 짧고 고온으로 된다.  ㄷ. 연소 특성상 고부하 연소가 용이하고 연소실 용적이 작아도 되는 이점이 있다.  ㄹ. 역화(Flashback)의 위험성이나 부상 화염(Lifed Flame)으로 되기 쉬운 결점이 있다.보일러의 경우 예혼합 연소는 점화 버너에 채용되는 정도이다.  ㅁ. 확산화염은 화염만의 전파가 없으나, 예혼합 화염에서는 화염만의 전파가 수반되어 폭발적으로 연소가 빠르마. 또한 충분한 압력이 주어지면 화염면에 충격파가 형성되어 폭발로 이어진다.  ㅂ. 예혼합 화염에서는 층류예혼합 화염과 난류예혼합 화염이 있으며, 어느 것이나 화염면이 스스로 전파하는 성질을 가지고 있다.  . 기체연료와 공기를 인위적으로 조정할 수 있다.  . 화염면의 전파가 수반되며, 밀폐된 공간에서는 압력이 충분히 전파되는 화염 다음에 축적되어 화염면에 충격파를 형성할 수 있다.  . 예혼합화염은 휘발유 엔진의 화염, 아세틸렌과 산소용접기의 토치의 화염, 분젠식 가스버너의 화염 등이 있다.  ③ 화재의 예: 분젠버너 연소

3) 폭발연소  ① 정의   가연성 기체와 공기의 혼합가스가 밀폐용기 안에 있을 때 폭발적으로 연소하는 현상을 말한다.  ② 특징 ㄱ. 연료와 공기로 된 혼합기의 미연소 부분이 급격히 연소  ㄴ. 압력과 온도의 이상상승을 일으켜 특수한 금속음 발생  ③ 종류: ㄱ. 메틸에틸이나 아세틸렌의 용기 내 연소  ㄴ. 내연기관의 연소

4) 분해연소

 

[16년 기출] 표면연소 (작열연소)에 관한 설명으로 옳지 않은 것은? ① 흑연, 목탄 등과 같이 휘발분이 거의 포함되지 않은 고체연료에서 주로 발생한다. ② 불꽃 연소에 비해 일산화탄소가 발생할 가능성이 크다. ③ 화학적 소화만 소화효과가 있다. ④ 불꽃연소에 비해 연소속도가 느리고, 단위시간당 방출열량이 적다.

답 ③ 해설 표면연소 1) 불꽃이 없는 연소로서 연쇄반응이 없고, 연소속도가 느리며, 온도가 낮다 2) 종류: 숯, 목탄, 코크스, 금속분, 흑연  3) 소화방법: 물리적 소화

 

[21년 기출] 08. 연소 매커니즘에서 확산연소와 예혼합연소에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?  ① 확산연소는 열방출속도가 높고, 예혼합연소는 열방출속도가 낮다. ② 예혼합연소에서 화염면의 압력이 전파되면 충격파를 형성한다. ③ 예혼합연소에는 분젠버너 연소, 가정용 가스기기연소, 가스 폭발 등이 있다. ④ 확산연소에는 성냥연소, 양초연소, 액면연소 등이 있다.

답 ①  예혼합연소는 확산연소보다 열방출속도가 빠르다.

[모예 07] 연소에 대한 설명 중 틀린 것은?  ① 예혼합 연소는 가연성 기체와 공기가 미리 혼합된 상태에서 연소가 진행된다.  ② 확산연소는 기체의 연소이다.  ③ 예혼합연소는 밀폐된 배관 등에서 발생한다.  ④ 확산연소는 폭발로 전이된다.

답 ④ 확산연소는 폭연을 거침 (확산연소-> 폭연-> 폭굉-> 폭발)