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

예혼합연소와 혼합기연소

기체 연료 또는 액체의 증기와 연소에 필요한 공기 또는 산소를 미리 혼합시킨 후 점화시켜 연소시키는 것을 예혼합 연소라고 한다. 화염면이라고 하는 고온의 반응면이 형성되어 자력으로 전파해나가는 특징이 있다. 예혼합 가스가 연소되려면 공기와 연료의 혼합비(Mixture Ratio)가 적당한 범위 폭발 한계에 있어야 한다. 주로 분젠(Bunsen) 화염의 연소와 가솔린 엔진의 연소가 이에 속한다.

 

예혼합 연소는 화염이 반응면에서 예열면으로 자동적으로 이동하기 때문에, 연소 속도가 가속되는 특성을 가지고 있으므로 확산 화염보다 훨씬 빠른 속도로 진행된다. 화염면이 자동으로 이동하며 온도도 급속히 상승하기 때문에 밀폐공간에서는 급격한 압력 상승에 의한 피해가 발생할 수 있다.

 

Fig.1 시간에 따른 온도,농도 곡선

 

예혼합연소도 확산 연소와 마찬가지로 층류 예혼합 연소와 난류 예혼합 연소로 나눠진다.

 

층류 예혼합 연소

층류 예혼합 연소는 폭연으로 발전할 수 있다. 예혼합 연소에서 화염대는 예열대와 반응대로 분리된다. 예열대는 반응대에서 연소반응에 의한 발열로 온도만 상승하는 영역이며, 반응대의 연소열에 의한 전도, 대류, 복사에 의해 화염면이 예열대로 이동한다.

 

난류 예혼합 연소

난류 예혼합 연소는 폭굉으로 발전할 수 있다. 난류에 의해 화염면이 증가하기 때문에 층류 예혼합 연소에 비해 연소 속도가 빠르다는 특성을 가지고 있다. 연소시 발생하는 충격파는 반응하지 않은 혼합물을 단열 압축시켜 점화원의 역할을 하게 되어 연소되지 않은 가스의 연소를 촉진시키게 된다.

 

Fig.2 혼합기연소와 확산연소 예시

 

분젠버너(Bunsen Burner)는 기체연료를 작은 구멍으로 분출시켜 그 속도에 의해 주변의 공기와 혼합하며 버너관을 통과하게 되고, 관의 선단에서 화염을 생성한다. 가스가 관에서 예혼합이 완료된 상태로 분출되는 것으로 별도의 공기공급이 없이 혼합기체만으로 연소가 진행된다. 혼합기체의 화염전파속도와 버너 출구로부터의 혼합기의 분출 속도가 평형이 되는 곳에는 내부 원추 화염(내염)이 생기고, 산소가 부족한 부분은 그 외부에 확산되어 연소가 진행되며 외부 원추 화염(외염)이 생기게 된다. 이때 발생하는 불꽃을 “혼합 기염” 또는 “예혼염”이라고 한다.

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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)

확산 연소 (Diffusion 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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