연소범위는 어떻게 구하는 것일까?

잘 알려진 가연성 가스의 연소범위는 인터넷에서 검색하면 얻을 수 있다. 이들은 시험을 통해 연소범위가 구해져 있기 때문이다. 그런데 잘 알려지지 않은 것들의 연소범위는 찾을 수 없다. 그럴때는 공식을 통해 연소하한계와 연소상한계를 구해야 한다. 시험을 통해 연소범위를 구하는 방법과 공식을 통해 구하는 방법에 대해 알아보자.

시험을 통한 연소범위(Flammability Range) 측정 방법

가. 시험기기 구성

연소범위는 실험에 의해 측정한다. 그중 전문기술 서적에서 언급하고 있는 미국 광산국에서의 측정방법을 소개한다. 먼저 내경이 5cm이고 길이가 1.5m인 긴 원통형 수직관을 설치한다. 해당 수직관은 아래는 개방되어 있고 상단부는 막혀져 있는 상태이다. 내경이 5cm인 관을 사용하는 이유는 그 이하로 구경이 더 작아지면 화염의 열기가 관 벽에 의해 손실이 발생하기 때문이다. 그래서 연소에 영향을 미치지 않는 최소구경의 관경을 사용하는 것이다. 이때 연소범위(폭발범위) 측정시의 기준 온도는 25℃이다.

 

나. 연소범위 측정 방법

수직관에 가연성 가스, 산화제, 희석제의 혼합가스를 채운 후 하단에서 불꽃으로 혼합기체를 점화시킨다. 점화가 되지 않는 경우 점점 가연성 가스의 농도를 올려가면서 시도한다. 점화가 된 경우 불꽃이 위로 전파되는 것을 측정하여 수직관의 중간을 넘어 전파되는지를 확인한다. 불꽃이 중간 이상으로 전파되었을 때의 혼합기체 농도를 연소 범위로 인정한다. 이 시점의 농도가 해당 가연성 가스의 연소하한계 농도이다.

 

 

Jone’s 식을 통해 연소한계를 구하는 방법

가. Jone’s 공식은 언제 필요한가?

인터넷에서 검색할 수 있는 가연성 가스에 대해서는 위 표로 알려주었지만, 사실 수많은 가연성 가스 전체에 대해서는 알려져 있지 않다. 그래서 계산식을 통해 연소상한계와 연소하한계를 구하는 식을 알아야 한다. 대표적인 것인 Jone’s 식을 사용하는 것인데 이 식에서는 당량비와 화학적 양론농도가 등장한다.

 

연소범위를 구하는 Jone's 식

나. 당량비

Jone’s 식에서 연소하한계의 0.55 그리고 연소상한계의 3.50이 당량비에 해당한다. 당량비란 연소시 연료-공기의 비율을 알기 위한 것으로서, 공기 대비 연료의 과부족량을 나타낸 비율이라고 볼 수 있다. 일정량의 공기에 대하여 화학양론비의 몇 배에 해당하는 연료가 공급되었는가를 나타낸 비율로 해석하면 된다. 당량비가 1이면 최상이고, 1보다 크면 공기는 부족하고 연료과다이므로 환기지배형 화재, 1보다 작으면 공기는 많은데 연료부족이므로 연료지배형 화재 상태로 본다.

 

다. 화학양론농도 Cst

화학양론농도 Cst는 화학양론조성비라고도 부르는데 상온 및 상압 하에서 가연성 가스가 완전 연소되기 위한 연료와 증기의 농도비율을 말한다. 다시 말하면, 물질의 반응이 가장 잘 일어나는 완전연소의 혼합비를 말한다.

혼합가스의 연소한계를 구하기 위한 르샤틀리에 공식

가. 어떤 경우에 르샤틀리에 공식을 사용하는가?

Jone’s 식은 가연성 가스 하나의 물질에 대한 연소상한계와 연소하한계를 구하는 것이다. 그런데 여러 가지 가연성가스가 섞여있는 혼합가스인 경우에는 연소한계가 당연히 변하게 된다. 혼합가스의 연소한계가 어떻게 변하는가를 알아보기 위해서는 르샤틀리에(Le Chatelier) 공식을 적용해야 한다.

 

나. 혼합기체의 연소하한계를 구하는 공식

 

혼합기체의 연소하한계를 구하는 르샤틀리에 공식

L은 연소하한계인 LFL(Lower Flammability Limit)을 의미한다. L1, L2, L3는 각 가연성 가스의 연소하한계(%)를 적용한다. V는 각 가연성 가스의 체적 분포를 의미한다. 그러므로 V1, V2, V3는 전체 100%의 체적 중에 각 기체가 몇 %씩 구성되어 있는가를 적용하면 된다. V1/L1 의미는 A 기체의 용적(%)/연소하한계(%) 라는 의미이다. 예를 들어 혼합기체 중 메탄이 20%의 체적을 차지하고 있다면 연소하한계가 5%이므로, V1/L1은 20/5를 적용한다.

 

다. 혼합기체의 연소상한계를 구하는 공식

 

혼합기체의 연소상한계를 구하는 르샤틀리에 공식

U는 연소상한계인 UFL(Upper Flammability Limit)을 의미한다. U1, U2, U3는 각 가연성 가스의 연소상한계(%)를 적용한다. V는 각 가연성 가스의 체적 분포를 의미한다. 그러므로 V1, V2, V3는 전체 100%의 체적 중에 각 기체가 몇 %씩 구성되어 있는가를 적용하면 된다. V1/U1 의미는 A 기체의 용적(%)/연소상한계(%) 라는 의미이다. 예를 들어 혼합기체 중 메탄이 30%의 체적을 차지하고 있다면, 메탄의 연소상한계가 15%이므로 V1/U1은 30/15를 적용한다.

Jone’s 식과 Le Chatelier 공식의 차이

Jone’s 식과 Le Chatelier 공식 모두 가연성 가스의 연소한계를 구하는 것이다. 하나의 물질에 대해 연소한계를 알고 싶으면 Jone’s 식을 적용하고, 여러 가연성 가스가 혼합된 경우의 연소한계를 알고 있으면 르샤틀리에 공식을 사용한다. 다만, 르샤틀리에 공식을 활용하기 위해서는 혼합된 각 가연성 가스의 연소하한계 또는 연소상한계를 미리 알고 있어야 가능하다. 각각의 가연성 가스에 대해 Jone’s 식을 통해 연소한계를 구하고 난 후, Le Chatelier 공식을 통해 혼합가스의 연소한계를 구한다.

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

연소범위 측정방법(실험)에 대해 자세한 내용을 아시는 분은 댓글을 통해 알려주시면 감사하겠습니다. 최소한 관련 자료가 있는 곳이나 동영상이 있는 링크라도 알려주셔서 저도 배울 수 있게 해 주세요.