기계실험 - 예혼합 연소 실험

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기계실험 - 예혼합 연소 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

연소의 실현
②연료선택의 다양성
③고속에 의한 빠른 열전달 특성
④넓은 운전비 및 공연비 유지가능
⑤저과잉 공기조건에서의 완전연소
⑥안정된 화염형성
⑦저공해 연소실현
⑧다양한 용도이용
고속화염버너는 에너지 및 환경분야에서 탁월한 기능을 갖고 있다. 에너지, 환경, 열처리 기능의 우수성으로 인하여 고속화염버너의 수요는 빠른 속도로 증가하고 있으며 다른 버너가 차지하고 있던 영역까지 잠식하게 될 것이다. 산업용 버너로서 많이 쓰이는 열용량은 100,000~200,000kcal/hr급 소형버너, 400,000~500,000kcal/hr급 중형버너 및 1,000,000~2,000 ,000kcal/hr급 대형버너로 크게 구분되며 이외에도 5,000,000kcal/hr급 이상의 초대형 버너도 있다.
3)노즐혼합버너
노즐혼합식 라디안트 버너는 버너의 노즐부로 분출된 기체연료와 공기의 분류에 연소가스의 혼입이 방지될 수 있는 구조로 함으로서 기체연료와 공기의 혼합속도를 증진시켜 급속연소를 실현하고 버너의 복사 방열 면적을 증대시켜 환원 가열능력이 향상되도록 한다. 일반적으로 라디안트 버너는 소재의 표면을 산화시키지 않고 소정의 온도까지 가열하는 무산화로에서 사용되며, 소재의 가열능력과 환원능력에 따라 버너의 성능이 좌우된다. 소재의 가열은 주로 적열된 버너타일의 복사열로 이루어지는데, 기체연료와 공기의 연소반응으로 생성된 고온의 연소가스에 의하여 버너타일이 적열되고, 이 적열된 타일면으로부터 복사열의 방출에 의하여 소재가 가열된다. 따라서 이러한 버너에서는 소재 가열능력을 향상시키기 위하여 방열면적을 넓게 하기 위하여 버너타입의 확대각을 크게하여 주로 컵모양의 형상을 하고 있다.
또한 라디안트 버너에서는 소재가열능력과 함께 가열과정에 있어서 소재표면의 산화방지가 대단히 중요하다. 소재를 연소가스 분위기 속에서 직접적으로 가열하는 경우에 소재의 표면은 가열시간, 소재의 온도 그리고 연소가스의 화학적 조성에 따라 산화되거나 환원되는데, 이 3가지 요인 중에서 연소가스의 화학적 조성이 가징 큰 영향을 미치게 된다.
연소가스는 화학적으로 평형인 상태에서는 완전연소된 경우에 N2, CO2 그리고 H2O로 이루어지며, 실제의 연소상태에서는 유리 산소와 함께 CO와 H2 등과 같은 미연분이 존재하게 된다. 또한 이러한 화학적 평형조성과 함께 이온이나 라디칼 등이 연소과정이 존재하게 된다. 평형조성의 관점에서 보면 소재표면은 연소가스 중의 CO2, H2O 그리고 O2에 의하여 산화되며 CO와 H2에 의하여 환원되는데 산화화 환원의 정도는 이러한 산화성 또는 환원성 가스 성분의 분률에 의하여 결정된다. 직화 가열식 버너에서는 소재의 산화를 방지하기 위하여 이론 공기량보다 적은 양의 공기로 기체연료를 연소시킴으로써 연료가스 중에 잔존가스가 존재할 수 없도록 함과 동시에 미연가스인 CO와 H2의 농도를 높여주는 연소방식, 즉 부족공기 연소를 행하고 있다. 연소가스 분위기에서 소재표면의 산화, 환원 반응은 전술한 평형조성과 함께 연소중간 생성물인 이온 또는 라디칼의 농도에 의하여도 크게 영향을 받고 있는데 이러한 중간 생성물의 농도가 높을수록 연소가스의 환원능력은 증가된다. 연소가스 중의 이온 또는 라디칼의 농도는 연소속도와 관련이 있는 것으로 급속연소가 일어날수록 그 농도는 증대된다.
연료의 연소는
①기체연료와 공기의 혼합
②기체연료-공기혼합기의 화학반응의 2단계로 이루어지는데, 연소속도는 상기①의 단계에서는 버너의 유동특성에 따른 난류강도에 의하여 지배되며,
②의 단계에서는 연소반응 속도에 의하여 지배된다.
연속반응속도는 혼합속도와 비교할 때 아주 빠르기 때문에 연소속도는 기체연료와 공기 혼합속도에 의하여 결정된다. 따라서 직화식 버너에 있어서, 급속연소를 통하여 무산화 가열능력을 향상시키기 위해서는 기체연료와 공기의 혼합속도를 증대시키는 것이 필수적이다.
하향연소식 보일러 내부의 버너의 형상
4. 실험 장치 및 실험 방법
(유량계와 전체연소필터덕트) (공기와 연료의 혼합부)
(가스 유량계)
*탄화수소(메탄)의 화학반응식
이며,
연소에 영향을 미치지 않는 질소를 제화한 식은
이다.
이론 반응 공연비의 계산식은
이며,
식으로써 당량비를 구할 수 있다.
1.실험장치의 연결을 한다.
2.공기의 주입량을 일정하게 맞춘다.
3.연료(메탄)을 주입하여 버너를 점화를 시킨다.
4.연료(메탄)의 주입량을 변화시켜 화염의 형태를 파악한다.
5. 실험 결과
(녹염) (황염)
(청염) (lift-off)
화염의종류
연료량
공기량
이론공기량
질량기준공연비
부피기준공연비
질량기준당량비
부피기준
당량비
lift-off
7
15
14
18.6
2.1
0.93
0.93
청염
7.5
15
15
17.4
2
1
1
적염
12.5
15
25
10.4
1.2
1.67
1.67
녹염
15
15
30
8.7
1
2
2
6. 고찰
일반적으로 관찰되는 화염은 기체 또는 기화한 가연성 물질과 산화제, 즉 가연성 기체와 기체 산화제에 의해 형성되는 것이다. 가연성 기체와 산화제가 미리 혼합한 후 연소하는 경우에 형성되는 예혼합 화염과 각 측에서 화염에 공급되면서 형성되는 확산 화염이 있으며 이들의 성질은 많이 다르다.
예혼합 화염은 혼합기 을 전파하는 일종의 연소파이고, 이 속도는 화학 반응속도와 온도 전도율에 의존한다. 그러나 확산 화염은 화염에의 가연성 기체와 산화제의 확산에 의해 유지되며, 연소 반응 강도는 이들의 확산 속도에 의존한다.
내연기관의 SI엔진과 CI엔진의 차이도 바로 예혼합 화염과 확산화염의 차이이다.
화염의 효율을 증가 하는데 고나련된 것은 공기와 연료를 흡입하는 흡기부, 연료와 공기가 섞이게 만드는 연소실 의 형상을 잘 설계하면 난류의 영향으로 스월이 유도 되면서 연료와 공기가 잘 섞이게 된다.
연료와 공기가 충분히 혼합되어 연소가 될수 있게 스월을 유도 하는것도 연소의 효율을 증가 시킬 수 있다. 공기와 연료가 혼합이 되고 버너아래에 다단으로 만든 망(필터)는 연료와 공기가 혼합이 되게 만들어주는 장치이다. 실험장치에 스월모터를 설치하여 연료와 공기의 혼합을 도울 수도 있다.

키워드

예혼합,   가연물,   연소