화염전파실험

목차

층류 화염 전파 실험
[1] 실험 목적 및 개요
[2] 기초 이론
2-1 Propane
2-1 Methane
[3] 실험 방법
[4] 참고 자료

층류 화염 전파 실험 결과
● 화염의 전파속도
● 오차 원인 분석 및 고찰

본문내용

23.8
2.9
0.023
28
0.545
4.46
4.55
1.10
0
395
2
1185
4.66
4
1106
4.52
6
1037
1.1
21.64
3.5
0.025
28
0.545
4.66
4.98
1.00
0
400
2
1147
5.38
4
1100
4.90
6
1000
1.2
19.83
4.1
0.027
28
0.545
5.10
5.68
0.88
0
455
2
1040
6.15
4
1060
5.78
6
1052
1.3
18.31
5
0.030
28
0.545
8.13
8.33
0.60
0
414
2
615
4
1030
6
1030
8.54
8
1000
10
890
12
730
14
610
8.31
16
430
18
380
20
350
위의 그래프에서 볼 수 있듯이 당량비가 0.9-1.1 까지는 불꽃이 바닥으로부터 올라감에 따른 온도 분포 형태가 거의 동일하다. 이 경우에는 불꽃의 온도는 바닥에서부터 점점 증가해서 약 바닥에서 2cm 정도에서 불꽃의 온도가 1160℃에서 최고를 이룬후에 다시 불꽃의 온도가 감소하여 6cm 높이의 불꽃에서 1040℃ 의 온도를 보였다. 당량비가 1.2 인 경우에는 불꽃이 바닥에서 4cm 높이에서 가장 높은 온도를 보이고 있으며, 당량비가 0.9-1.1 인 불꽃에 비하면 불꽃의 높이에 따른 온도 변화가 상대적으로 적음을 볼 수 있다. 마지막으로 당량비가 1.3 인 경우에는 당량비가 1.2 일때와 거의 동일하게 4cm 높이의 불꽃에서 최고 온도인 1030℃를 보이며, 그 보다 불꽃의 높이가 낮아지면 온도가 꾸준히 감소한다. 당량비가 1.3 인 경우에는 불꽃이 길고 또한 불꽃이 긴 만큼 불꽃의 끝 지점인 20cm 높이의 불꽃은 그것의 바닥지점의 온도와 비슷한 불꽃 온도를 보였다.
화염현상 관찰
왼쪽 사진은 당량비(0.9) 인 경우이다. 파란색 불꽃을 보이며 이는 예혼합 화염특징이다. 그림에서 보듯이 불꽃이 짧고 뭉툭하게 형성된다. 또한 불꽃이 불안정 하여서 흔들거리는 모습을 보였다. 불꽃의 최고온도는 그림에서 보이는 불꽃색이 밝은 부분에서 발생하는데 이 경우 그 지점은 바닥에서 약 2cm 부근이 된다.
왼쪽 사진은 당량비가 1.0 인 경우이다.
불꽃을 살펴보면 밑부분 밝은 부분과 나머지윗부분이 구분됨을 알 수 있다. 이 중 윗부분의 불꽃은 타고 남은 Propane 이
주변의 공기와 반응하여 나타내는 형상이다. 앞의 당량비가 0.9 인 경우보다 불꽃이 안정화 된 모습을 보인다. 불꽃의 모습은 타원모양을 하고 있으며 불꽃의 최고 온도 지점은 당량비가 0.9 인 경우와 마찬가지로 바닥에서 약 2cm 부근에서 나타난다. 그 지점은 이미 언급한 대로 밝은 빛을 내는 부분이다. 또한 전체의 불꽃 높이가 당량비가 0.9 인 경우보다 약간 상승하였다.
왼쪽 사진은 당량비가 1.1 인 경우이다. 불꽃의 전체적인 모양은 당량비가 1.0 인 경우와 마찬가지로 타원 형상을 하고 있다. 또한 불꽃온도가 최고로 나타나는 지점은 역시 밝은 빛을 내는 부분 즉, 바닥에서 2cm 부근 지점이다. 불꽃의 전체적인 높이는 당량비가 1.0 인 경우보다 약간 상승하였다. 이는 당량비가 1.1 인 경우가 1.0 인 경우보다 예혼합 연료의산소 함유량이 적고 그에 따라서 타고 남은 연료가 주변의 공기와 반응하는 정도가 커지기 때문에 길이가 길어지는 것이다.
왼쪽 사진은 당량비가 1.2 인 경우이다.
우선 앞의 당량비가 1.1 인 경우 보다 밝은 빛을 내는 내부 불꽃부분의 높이가 약간 상승한 것을 관찰할 수 있다. 불꽃의 최고온도 지점을 측정해 본 결과 역시 밝은 빛을 내는 부분에서 전체 불꽃의 최고 온도가 측정되었으며 그 지점은 바닥에서 약 4cm 지점에서 발생한다.
왼쪽 그림은 당량비가 1.3 인 경우이다
우선 불꽃의 길이가 앞의 경우들에 비해서 많이 길어진 것을 볼 수 있다. 앞의 여러 당량비에 따른 불꽃형상을 볼 때
당량비가 증가 할 수록 불꽃의 높이가 길어지며 너비는 조금씩 줄어드는 경향을 관찰할 수 있었다. 이 경우도 전체 불꽃의 최고 온도 지점은 앞의 당량비가 1.2 인 경우와 마찬가지로 4cm 부근에서 나타난다. 또한 불꽃이 불안정하여 불꽃의 끝부분이 불안정적으로 흔들거리는 것을 관찰 할 수있었다.
화염의 전파속도
위 그래프에서 볼 수 있듯이 Propane의 화염전파속도는 당량비가 1.0 일때 최고값인 1.10m/s를 가진다. 그리고 당량비가 1.0 인 지점을 정점으로 당량비가 증가함에
따라 화염의 전파속도는 감소하는 경향을 보인다.
오차 원인 분석 및 고찰
이번에 한 실험은 예혼합화염의 화염형태 관찰, 온도 측정 및 화염 전파속도 측정 이었다. 화염 전파 속도 측정시에 오차가 발생할 수 있는 요인을 살펴보면, 세명의 실험자가 각각 초시계를 재고 다른 한명은 점화직전 공기와 연료조절 밸브를 동시에 잠그며 또 다른 이는 점화 스위치를 누르는 역할을 분답하였기에 모든 과정이 정확히 동시에 일어났다고 볼 수가 없다는 데에 있다. 실험 데이터 분석 결과 Propane 의 경우 당량비가 1.0 일때 가장 우수한 화염 전파속도를 나타냄을 알 수 있었다. 그리고 예혼합 화염의 각 부분의 온도를 측정 할때 온도계의 수치가 약 5초 간격으로 약 50℃ 내지는 100℃정도 위 아래로 왔다갔다 변화하여서 정확한 수치를 알아내기는 거의 불가능 할 정도였다. 따라서 이로 인해 불꽃의 온도 측정 데이터의 신뢰도가 떨어질 수 밖에 없었다. 불꽃 형상을 관찰해 본 결과 불꽃은 예혼합 화염의 특징중 하나인 파란색 화염을 형성하였다. 또한 예혼합 화염에서 연료의 산소함유량이 적을 경우에 타고 남은 연료가 주변의 공기와 반응하는 정도가 커져서 화염도 역시 길게 나타남을 알 수 있다. 구체적인 데이터로 살펴보면 당량비가 0.9 일때 불꽃 전체가 안정된 형상을 유지하지 못하고 많이 흔들거렸으며, 당량비가 1.3 인 경우에는 불꽃이 길게 형성되고 불꽃의 위쪽 끝부분이 안정하게 유지되지 못 하였다. 당량비가 1.0, 1.1, 1.2 인 경우에는 불꽃은 안정된 타원형을 유지하였다. 마지막으로 당량비가 1.0 인 경우에 완전연소가 일어나서 flame temperature 가 가장 높게 된다.

키워드

층류 ,   화염 ,   Propane,   Methane,   기계실험,   보고서,   고찰