개념 한 쪽
연소는 가연물이 산소와 반응하면서 열과 빛을 내는 빠른 산화반응이다. 연소가 일어나려면 가연물, 산화제, 열이 함께 있어야 하며, 점화와 연소범위, 유동 상태, 열전도는 연소의 난이도와 효율을 바꾼다.
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출제기준 단원 「연소 및 열전달 이론」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 난류 연소 상태 판단 | 1 | 난류 유동에서 혼합과 화염 길이 및 열효율의 관계를 판별한다 |
| 미분탄 연소 방식 구분 | 1 | 미분탄 연소와 고정층 연소의 방식 차이를 판별한다 |
| 최소 점화에너지 영향 요인 | 1 | 연소속도와 열전도가 최소 점화에너지에 미치는 영향을 판별한다 |
연소는 가연물이 산소와 결합하여 열과 빛을 방출하는 산화반응이다. 연소가 시작되기 위한 필요 충분 조건은 가연물, 산화제, 열이며 시간은 연소 발생의 필수 조건으로 보지 않는다. 폭발은 밀폐 공간에서 급격한 압력 상승을 동반하고, 폭굉은 연소 속도가 음속을 넘어 충격파가 생기는 현상이다.
인화점은 가연성 액체나 고체가 가열되어 발생한 증기가 공기와 혼합한 뒤 외부 불꽃과 접촉할 때 연소가 일어나는 최저 온도이다. 발화점 또는 착화점은 외부 불꽃 없이 물질 스스로 타오르기 시작하는 온도이며 인화점보다 높다. 이슬점은 수증기가 물방울로 변하는 온도이므로 연소의 점화 온도와 구분한다.
최소 점화에너지는 가연성 혼합기체를 점화시키는 데 필요한 최소한의 에너지이다. 산소 농도가 높거나 압력이 증가하면 연소가 쉬워져 필요한 에너지는 줄어든다. 반면 연소속도가 크거나 열전도가 크면 열이 주변으로 빠르게 퍼져 점화 부위의 온도를 유지하기 어려우므로 더 큰 에너지가 필요하다.
연소범위는 가연성 가스가 공기 중에서 점화원에 의해 불이 붙을 수 있는 농도 범위이다. 온도가 높아지면 분자 운동이 활발해져 점화에 필요한 에너지가 줄어들므로 연소범위는 넓어진다. 유동이 난류이면 가스와 공기의 혼합이 원활해져 연소가 잘 일어나고 화염이 짧아지며 열효율이 높아진다. 층류는 혼합이 느려 화염이 길고 윤곽이 명확하며 연소 효율이 낮다.
고체연료인 미분탄은 석탄을 미세한 가루로 만들어 공기와 함께 분사하고 공기 중 부유 상태로 연소하는 방식이다. 고정층 연소는 덩어리 석탄을 쌓아 공기를 통과시키는 방식이므로 미분탄 연소와 구분한다. 메탄은 고온에서 수증기와 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성하는 개질 반응을 일으키고, 공기 중 폭발 한계는 약 5~15%이며 가연성 가스에 해당한다.
메탄 2m³를 완전연소시키는 데 필요한 공기량을 구한다. 메탄의 연소 반응은 CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O이므로 메탄 1부피당 산소 2부피가 필요하다. 메탄 2m³에는 산소 4m³가 필요하고, 공기 중 산소가 20vol%이므로 공기량은 4m³ × 5 = 20m³가 된다.
최소 점화에너지에서는 열전도의 방향을 판단한다. 열전도가 크면 열이 주변으로 빠르게 빠져나가 점화 부위의 온도를 유지하기 어려우므로 최소 점화에너지는 커진다. 열전도가 작으면 열이 잘 보존되어 점화가 쉬워지므로 최소 점화에너지는 작아진다.
가스연료와 공기의 흐름이 난류일 때 연소상태로서 옳은 것은?
정답 ④ · 문제는 난류에서의 연소 거동이 층류에 비해 어떻게 다른지를 묻고 있다. 난류는 혼합이 활발하여 연료와 산소가 잘 섞이므로 연소가 잘 일어나고 화염 길이가 짧아지는 특징을 보인다.
난류 유동은 혼합이 원활하여 연소가 잘 일어나고 화염이 짧아지며, 층류보다 열효율이 높습니다.
다음 고체연료의 연소방법 중 미분탄 연소에 관한 설명이 아닌 것은?
정답 ② · 문항은 미분탄 연소의 특징들 중 사실과 다른 항목을 찾는 것이다. 미분탄 연소는 미세 입자가 공기 중에 분무되어 부유 상태에서 연소하는 2상류(유상류) 방식이며 가스화 속도가 낮아 연소완료에 시간과 거리가 필요하고, 낮은 공기비로도 효율이 높은 특성이 있다.
미분탄은 분쇄된 입자를 공기와 함께 분사하여 공기 중부유 상태로 연소하는 유상류 방식이다.
최소 점화에너지에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ① · 문항은 최소 점화에너지(MIE)에 관한 옳지 않은 설명을 찾는 문제이다. MIE는 가연성 혼합물을 점화시키는 데 필요한 최소 에너지로, 산소농도나 압력 증가 시 감소하는 경향이 있고 방전시 점화에너지는 전압의 제곱에 비례한다.
연소속도가 빠르고 열전도가 크면 열 손실이 커져 최소 점화에너지는 감소한다.
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