확산 연소 (Diffusion Combustion) 의 개념과 원리

확산연소

수소, 아세틸렌, LPG 등의 가연성 가스가 관 입구에서 공기 중으로 유출될 때, 확산에 의해 가연성가스가 공기와 혼합하여 연소하는 현상을 확산 연소(Diffusion Combustion)라고 한다. 확산연소는 층류 확산 연소와, 난류 확산 연소로 나뉜다. 연소는 이런 확산이나 기체 분자의 분자 확산에 의해 연료가스와 공기 중 연소가 혼합하고, 가연성의 혼합기체가 된 장소에 화염이 형성된다. 그리고 일반적인 확산과정은 화학반응이나 화염의 전파과정보다 늦게 진행되어, 확산속도로 인해 연소속도가 지배되는 특성을 갖는다.

 

Fick's Law

Fig.1 반응영역쪽으로 가연물과 산화되고, 연소가 발생한다.

 

확산연소는 위의 Fig.1처럼 반응영역 쪽으로 가연물과 산소가 확산되고, 폭발하한에 도달하게 되는 경우 연소가 발생하게 된다. 이때 연소속도는 가연물과 산소가 반응 영역으로 확산되는 속도에 의존하게 되는데, 「기체의 확산속도는 농도에 비례하다」는 Fick’s Law를 따른다.

 

확산연소의 종류는 층류 확산 연소와, 난류 확산 연소로 나뉠 수 있으며 이 특성은 다음과 같다.

층류 확산연소의 경우 분출 속도가 작은 곳, 즉 레이놀즈 수(Nre, 점성력에 대한 관성력의 비로 이 값이 2100 미만이면 층류)가 낮은 곳에서 발생하며, 분출속도가 증가하여 레이놀즈 수가 일정한 값에 도달하면 화염의 길이가 약 30cm 정도 유지된다.

 

Fig.2 분출속도에 따른 화염높이

난류 확산 연소에서 전이 영역(Nre가 2100~4000)에서는 화염의 길이는 감소하고, 난류(Nre가 4000 초과) 영역에서는 화염면에 굴곡이 생기고 화염 면적이 넓어진다. 고체나 액체 화재의 경우 화재가 성장하면 온도가 높아진 가스가 생기면서 자체 부력에 의해 상승하면 불안정한 난류 기류가 생성된다. 이때 기존에 층류 확산 화염에서 난류 확산 화염으로 전환되게 된다.

 

확산연소는 가연성 기체를 대기 중에 분출 확산시켜 연소하는 것으로 기체 연료의 연소가 이에 해당된다. 그러나 액체연료가 증발해서 생기는 증기나, 고체연료가 분해되며 생기는 가스등이 공기와 혼합하여 연소가 발생하는 과정도 확산 연소로 볼 수 있다.

 

확산연소는 예혼합 연소에 비해 반응 대가 비교적 넓고, 불완전연소로 인한 생성분(매연 등)을 생성하기 쉽다. 이 매연은 다시 강한 광원이 되며 열원으로 복사열의 이용도 할 수 있다.

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연소와 관련된 사항은 아래 링크에서 참고하면 된다.

연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.1(연소의 3요소)

연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.2(연소의 특성)

연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.3(불완전연소)

연소 (Combustion) 정의 및 개념 Part.4(연소생성물)

예혼합 연소 , 혼합기 연소 (Premixed Combustion) 의 개념과 원리

증발 연소 (Evaporating Combustion) 의 개념과 원리

분해 연소 와 표면 연소 의 개념과 원리

자기 연소 (내부 연소) 의 개념과 원리

분무 연소 (액적 연소, Spray Combustion) 의 개념과 원리

액면 연소 와 등심 연소 (심지 연소) 의 개념과 원리

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