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표제지

목차

제1장 연소 개론 14

제1절 연소학의 역사적 배경 14

1. 연소학의 역사 14

제2절 연소학의 적용 분야 16

제3절 연소 현상의 종류 19

제4절 연소물질 21

제5절 연소 메카니즘 22

제6절 연소학의 대상과 현상 23

제7절 연소학과 소방기술 24

1. 화재예방 25

2. 초기소화 27

3. 화재의 확대저지 27

4. 소화설비에 의한 소화 29

제8절 연소학의 과학적 해석 30

1. 자연과학으로서의 연소학 31

2. 연소학에서 이용하는 실험적 방법 32

3. 연소학에서 이용하는 이론적인 방법 37

제2장 연소학의 기초 43

제1절 연소반응과 특성 43

제2절 반응의 충돌 이론 45

1. Maxwell(Maxwull)-Boltzmann속도 분배 법칙 46

2. 충돌 빈도(collision frequency) 48

3. 가스 온도의 함수로서의 분자속도 49

4. 충돌이론의 합성 52

5. 평균자유행정의 길이 (mean free path length) 53

6. 충돌인자에 대한 의견(comments on the collision factor) 53

제3절 반응속도 및 평형 56

1. 반응속도 56

2. 평형 58

제4절 소반응과 연쇄반응 60

제5절 연소반응 속도에 영향을 미치는 요인 61

1. 반응속도에 미치는 압력의 영향 62

2. 단순 반응속도에 미치는 온도의 영향 63

제3장 연소의 형태와 종류 68

제1절 연소에 따른 화염의 분류 68

1. 화염형태에 의한 분류 68

2. 화염형상과 연소상태 69

제2절 예혼합연소 70

1. 예혼합 화염의 구조와 성질 70

2. 연소 속도 74

3. 예혼합 정재화염과 그 안정성 84

4. 전파화염 89

5. 연소파와 폭굉파 92

제3절 확산연소 97

1. 확산화염의 구조와 성질 98

2. 평행류 확산화염 101

3. 대향류 확산화염 103

4. 경계층에 형성되는 확산화염 104

5. 난류확산화염 108

제4절 특이한 연소 현상 110

1. 화염중의 이온 110

2. 선택 확산 112

3. 화염에서의 난류의 증폭 114

4. Soret 효과와 Dufour 효과 115

제5절 화재시의 연소형태 117

1. 화재의 경과 117

2. 연기의 발생과 거동 122

3. 화염으로부터 복사열과 화재의 확대 124

4. 특수한 물질의 화재 126

제4장 연소계산 128

제1절 이론산소량 및 이론 공기량의 계산 128

제2절 혼합비와 혼합기체 농도 표시법 132

1. 혼합비 (air-fuel ratio A/F) 132

2. 연공비(fuel-air ratio : F/A) 133

3. 당량비 (equivalence ratio) 134

4. 공기비 135

제3절 발열량 136

제4절 연소가스의 발생량과 조성 139

제5절 연소관리를 위한 공기비의 계산 144

제6절 연소온도 146

1. 단열 화염 온도 146

2. 손실을 동반한 경우의 연소온도 149

3. 연소가스의 열역학적 성질 151

제7절 불완전 연소 손실과 연소효율 155

제5장 착화와 소염 157

제1절 착화현상 157

1. 착화과정 157

2. 열착화 이론 161

3. 연쇄착화이론 166

4. 각종 착화원에 의한 착화 169

5. 착화 지연시간 174

제2절 착화의 조건 176

1. 연소범위 176

2. 최소착화에너지와 착화온도 179

3. 착화에 미치는 압력과 온도의 영향 183

4. 착화에 미치는 첨가물질의 영향 185

5. 인화온도 187

제3절 소염현상 189

1. 소염과정의 개요 189

2. 소염현상의 검토방법 191

3. 각종 소염 현상 193

제4절 소염의 조건 194

1. 고체벽에 의한 열과 활성기의 손실 195

2. 물질의 첨가 199

3. 화염신장(火焰伸長) 201

제6장 기체 연료의 연소 205

제1절 층류 예혼합 연소 205

1. 화염 이론 205

2. 버너화염의 blowoff와 역화 212

제2절 난류 예혼합연소 217

1. 난류의 성질 217

2. 난류 예혼합 화염의 구조와 전파기구 220

제3절 보염 225

1. 파일롯 화염 225

2. 순환류 225

3. 대향분류 230

4. 가열고체면 230

5. 촉매 231

6. 다공판과 허니콤 231

7. 예열 연소실 231

제4절 확산연소 232

1. 확산화염의 형태 232

2. 분류확산화염의 Blowoff와 Blowout 233

3. 대향분류 확산화염 236

제5절 기체 연료의 특징 및 종류 237

1. 기체 연료의 종류 238

제7장 액체연료의 연소 244

제1절 액체연료의 연소형태 244

1. 액면 연소 244

2. 등심연소 246

3. 증발연소 247

4. 분무연소 248

제2절 가연성액체 액면 연소 248

1. 표면에서의 연소확대 248

2. 용기 내의 액체 연소 252

제3절 액체연료의 미립화 255

1. 미립화의 방법 255

2. 분무기의 미립화 특성 259

3. 분무특성의 표시법 261

제4절 유적의 증발과 연소 264

1. 현상의 개요 264

2. 유적의 온도상승과 증발 266

3. 유적의 착화 267

4. 유적의 연소 268

제5절 분무의 연소 273

1. 유적군 연소 273

2. 오일 버너에서의 연소 275

3. 분무의 착화 277

제6절 액체연료의 특징 및 종류 281

1. 액체 연료의 특징 281

2. 액체 연료의 종류 281

제8장 고체연료의 연소 289

제1절 고체연료의 연소형태와 연소방식 289

제2절 고체표면에서의 연소확대 291

제3절 고체조각의 연소 294

제4절 부유고체 미립자의 연소 295

제5절 석탄입자의 연소 297

1. 분해연소 297

2. 표면 연소 300

제6절 고체의 연소 기술 303

1. 화격자연소 303

2. 유동층연소 305

3. 미분탄연소 307

4. 석탄의 특수한 연소기술 308

제7절 고체 연료의 종류와 특징 310

1. 고체 연료의 특징 310

2. 고체 연료의 종류 311

참고자료 318

판권기 319

표목차

〈표 1.1〉 연소의 지식을 필요로 하는 주된 분야와 이용할 수 있는 사례 17

〈표 1.2〉 연소학에서 이용하는 주된 무차원수2 41

〈표 2.1〉 메탄＝공기혼합기 (당량비＝1.0)가 연소후 1527℃가 됐을 때의 조성 59

〈표 3.1〉 가연성 기체-공기 혼합기에서 층류연소속도의 최대값과 그 때의 가연성 기체농도(대기압, 실온) 79

〈표 3.2〉 폭굉파의 C-J특성값 (초기값 p1＝1 atm, Ti＝25 ℃) 96

〈표 3.3〉 각종의 가연성 기체를 공기중으로 유출시킨 경우에 형성되는 확산화염의 임계 레이놀드 수 Rec 110

〈표 4.1〉 연소 계산 시 사용하는 공기의 조성 129

〈표 4.2〉 연료구성 원소의 완전 연소표 130

〈표 4.3〉 건조공기의 조성 131

〈표 4.4〉 단일가스의 완전연소표 131

〈표 4.5〉 연소가스 성분의 발생량 141

〈표 4.6〉 연소가스 성분의 발생량 143

〈표 4.7〉 완전연소가스 성분의 T0(＝298.15K)~T[K]사이의 평균정압비열 148

〈표 4.8〉 이론 단열 연소온도의 계산 150

〈표 4.9〉 혼합기의 단열화염 온도 155

〈표 5.1〉 가연성기체-공기혼합기의 연소한계(대기압·실온방향 화염전파) 177

〈표 5.2〉 공기 중에서의 각종 가연성물질의 최저착화온도 182

〈표 5.3〉 메탄의 연소범위의 경우 화염전파 방향에 대한 의존성 185

〈표 5.4〉 주요 가연성 물질의 인화온도 188

〈표 5.5〉 각종 화합물의 피크농도 199

〈표 5.6〉 각종 가연성 물질에 대한 각종 소화약제의 소염농도 200

〈표 6.1〉 Suo, α, β의 값 209

〈표 6.2〉 기체 연료의 일반 성질 238

〈표 6.3〉 각종 천연 가스의 성분 239

〈표 6.4〉 액화 석유 가스의 품질 표시(JIS K 2240-1980) 240

〈표 6.5〉 각종 제조 가스의 일례 241

〈표 7.1〉 석유 탄화수소의 각종 종류와 구조 282

〈표 7.2〉 석유제품의 일반적 상태 283

〈표 7.3〉 납사의 종류와 용도 283

〈표 7.4〉 경유 규격 성상(JIS K 2204-1983) 285

〈표 7.5〉 중유의 규격 성상(JIS K 2205-1980) 286

〈표 7.6〉 젯트 연료의 종류와 성질 287

〈표 8.1〉 미분탄 화염에서 그을음 발생량 300

〈표 8.2〉 고체 연료의 성상 311

〈표 8.3〉 국내 탄소 분류표(JIS M 1002-1978) 313

〈표 8.4〉 코크스의 분석치 315

〈표 8.5〉 고에너지 밀도 연료의 발열량 317

그림목차

[그림 1.1] 연소학과 연소학에 관련된 다른 학문 분야와의 관계 개요 32

[그림 1.2] 기초 실험용 버너의 예(보기) 33

[그림 1.3] 슐리랜 장치 배치도 34

[그림 1.4] 3개의 수감부를 가진 이온 프로브 36

[그림 2.1] 연쇄반응에서 분기에 의한 활성기의 증가와 반응의 가속 상태 45

[그림 2.2] 상이한 온도에서의 분자속도의 확률 46

[그림 2.3] E보다 큰에너지를 갖는 분자의 분율 48

[그림 2.4] 충돌직경 49

[그림 2.5] 상자속의 분자운동 50

[그림 2.6] 분자가 벽에서 튕겨나갈 때 운동량 전달 50

[그림 3.1] 예혼합화염 구조의 개략(산화제가 약간 과잉인 경우) 70

[그림 3.2] 소반응을 고려하여 계산한 메탄올 화염의 구조 72

[그림 3.3] 화염면이 유동에 대해 경사진 경우 화염 부근에서의 유동장 75

[그림 3.4] 정지된 가연조건에 있는 기상(기체상)의 1점에서 착화시킨 경우의 화염의 거동 76

[그림 3.5] 가연성 기체-공기혼합기의 층류연소속도의 당량비에 따른 변화 78

[그림 3.6] 층류연소속도의 압력 및 온도의존성 80

[그림 3.7] 메탄올-공기-수증기 혼합기의 연소속도 81

[그림 3.8] 일산화탄소-산소혼합기 및 일산화탄소-공기혼합기의 연소속도 81

[그림 3.9] 난류화염면의 양상과 그 부근의 평균적인 흐름 82

[그림 3.10] 프로판-공기혼합기의 난류연소속도 83

[그림 3.11] 다양한 예혼합 정재화염 85

[그림 3.12] 경계속도 구배에 의한 예혼합 화염의 안정성 설명도 86

[그림 3.13] 경계속도구배로 정리된 메탄-공기예혼합 버너화염의 안정범위 87

[그림 3.14] 예혼합화염에서 신장의 보기 88

[그림 3.15] 대향류 예혼합 화염(그림 3.15(h) 참조)의 신장에 의한 소염 89

[그림 3.16] 층상의 혼합기 내부를 전파하는 화염의 개념 90

[그림 3.17] 구형(밀폐) 용기 내부를 메탄-공기화염(φ＝1.0)이 전파할 때의 온도분포 계산에 의한 예측결과 93

[그림 3.18] Hugoniot 곡선 95

[그림 3.19] 관내에서 폭굉파로의 전이를 도시한 x-t선도 97

[그림 3.20] 각종의 확산화염 98

[그림 3.21] 확산화염의 구조에 대한 개략 99

[그림 3.22] Burke-Schumann 문제의 확산화염 모델 102

[그림 3.23] 대향류 확산화염의 구조 해석결과의 개요 104

[그림 3.24] 평판경계층에 형성된 메탄-공기확산 화염의 구조 105

[그림 3.25] 원주전방 정체점에 형성된 확산화염의 구조 107

[그림 3.26] 례이놀즈 수에 의한 분류 확산화염의 변화 상태 109

[그림 3.27] 분류의 속도에 의한 분류 확산화염의 길이 변화(도시가스) 109

[그림 3.28] 프로판-공기의 2차원 노즐 버너 화염 부근의 양이온 농도분포 111

[그림 3.29] 선택확산의 개요 설명도 113

[그림 3.30] 화염면에 대한 확산의 증폭기구 114

[그림 3.31] 실내화재의 과정 118

[그림 3.32] 개구부에 대한 기체 흐름상태 120

[그림 3.33] 실내화재시 가연성물질의 질량감소 속도의 개구 및 가연성 물질표면적에 대한 의존성 121

[그림 3.34] 실내화재에 있어서 화원 위의 기류 123

[그림 3.35] 직경 30m의 용기 내에서 등유연소실험에서 발광부의 발생빈도분포(점화 후 255~284초) 126

[그림 5.1] 가연조건에 있는 기체의 착화과정 158

[그림 5.2] 가연성액체가 착화하기까지의 과정 159

[그림 5.3] 가연성고체가 착화하기까지의 과정 160

[그림 5.4] 계에 대한 발열속도(-q1)와 방열속도(-q2)의 평형 설명도(이미지참조) 162

[그림 5.5] 원주용기 내의 수소-산소혼합기의 착화온도(1기압) 166

[그림 5.6] 각종의 x＝(f-g)/b의 수치에 따른 반응속도의 변화상태 168

[그림 5.7] 이론혼합비의 수＝산소혼합기의 착화한계 168

[그림 5.8] 전기 불꽃 발생 후 온도분포 변화의 개요 170

[그림 5.9] 열선에 의한 발화의 과정 171

[그림 5.10] 혼합기와 접촉된 고온고체표면 부근의 온도 분포 171

[그림 5.11] 열입자에 의해 착화에 이르는 과정 173

[그림 5.12] 수평면 착화와 수직면 착화의 비교 175

[그림 5.13] 연소열과 연소하한계 농도의 관계 178

[그림 5.14] 측정에 의한 최소착화에너지를 구하는 방법 180

[그림 5.15] 가연성기체-공기혼합기의 최소착화에너지(대기압, 실온) 180

[그림 5.16] 수소-공기혼합기의 연소범위의 온도의존성 183

[그림 5.17] 천연가스의 연소범위의 압력 의존성 184

[그림 5.18] 파라핀계 탄화수소-공기혼합기의 경우 연소하한계 농도의 온도의존성 이것을 식으로 표현하면 다음과 같다. 184

[그림 5.19] 기체 첨가물의 혼입에 따른 연소범위 변화 186

[그림 5.20] 아세틸렌의 분해연소 범위에 미치는 첨가 물질의 경향 187

[그림 5.21] 아세톤-공기 확산화염에 있어서 최고온도의 Damkohler수에 의존성(이미지참조) 192

[그림 5.22] 자연 대류하의 원주 및 구의 PMMA 하방 정체점에 형성된 확산화염의 온도와 시험편 크기와의 관계 192

[그림 5.23] 가연성 기체-공기혼합기의 소염거리 195

[그림 5.24] 소염거리와 최소착화에너지의 관계 196

[그림 5.25] 다공원통전방 정체점에서 화염의 안정성 198

[그림 5.26] 가연성고체편의 길이와 그 저면 연소에서 표면 후퇴 속도의 관계 198

[그림 5.27] 알루미나(Al2O3)입자를 첨가했을 경우 연소속도의 변화와 소염 201

[그림 5.28] 평판 상단 상방에 형성되는 예혼합화염 부착점에 대한 Damkohler 수(제1)와 비화(이미지참조) 202

[그림 5.29] 다공원통 전방 정체점에 형성된 연료과잉의 프로판-공기 예혼합화염의 화염온도와 화염위치 203

[그림 5.30] 원관상 화염위치가 가연성기체 농도로의 의존성 모두 대향류 형식 버너에 기인한다.(유입속도 : 10cm/s) 203

[그림 5.31] 메탄-공기 혼합기의 연소범위에 대한 난류의존성 204

[그림 6.1] 층류 예혼합화염의 열이론 모델 206

[그림 6.2] 각종 탄화수소 화염에 대한 압력 지수 208

[그림 6.3] 엄밀한 이론에서 예상되는 수소-공기화염의 구조 212

[그림 6.4] Slot bunner 화염의 유동장 212

[그림 6.5] 경계층 속도구배에 의한 화염의 부착기구 213

[그림 6.6] 과농화염의 부착기구 214

[그림 6.7] 버너화염의 거동 214

[그림 6.8] 신장 Blowout의 기구 215

[그림 6.9] 상관계수와 난류의 스케일 218

[그림 6.10] 난류 연소속도의 측정법 221

[그림 6.11] 각종 난류화염의 구조 222

[그림 6.12] ST/SL와 RT와의 관계 224

[그림 6.13] 보염기 주위의 유동장 226

[그림 6.14] 원주형 보염기의 Blowout 한계 228

[그림 6.15] Recess형 버너 228

[그림 6.16] 확대노즐로부터의 선회분류 230

[그림 6.17] 대향분류에 의한 화염의 안정화 230

[그림 6.18] 가스터빈의 악형 연소기 232

[그림 6.19] Single toroidal burner 232

[그림 6.20] 확산화염의 여러 형태 233

[그림 6.21] 동축분류 확산화염의 Blowoff limit와 Blowout limit 234

[그림 6.22] 주위의 공기류에 선회를 준 동축분류 확산화염의 Blowoff 한계와 Blowout 한계 235

[그림 6.23] 대향분류 확산화염 236

[그림 6.24] 대향분류 확산화염의 안정범위 237

[그림 6.25] 대향분류 확산화염의 형상 237

[그림 7.1] 포트연소 245

[그림 7.2] 경계층연소 245

[그림 7.3] 전파연소 245

[그림 7.4] 포트연소의 연소속도 245

[그림 7.5] 포트버너 245

[그림 7.6] 경계층연소에서의 연소속도 246

[그림 7.7] 등심연소 247

[그림 7.8] 등심화염의 높이 247

[그림 7.9] 심지상하식 버너 247

[그림 7.10] 증발형 연소기 247

[그림 7.11] 가압식버너 247

[그림 7.12] 메탄올 표면을 따라 확산 연소되는 화염의 속도 249

[그림 7.13] 메탄올 표면을 따라 연소확산이 일어나는 화염의 거동 250

[그림 7.14] 가연성액체 표면을 따라서 일어나는 연소 확산시 화염선단부근 상태의 개략 251

[그림 7.15] 메탄올 표면을 따라 연소 확산되는 화염속도의 주위 공기류 속도에 따른 변화 251

[그림 7.16] 용기내의 가연성액체 연소시에 가연성액체의 표면강하속도 252

[그림 7.17] 직경 30m인 용기내의 등유연소 실험에서 발광부분의 형상과 움직이는 상태에 대한 예 253

[그림 7.18] 단순분공분사밸브 256

[그림 7.19] 선회분사밸브 256

[그림 7.20] 외부혼합식 2유체분사밸브 257

[그림 7.21] 반내부혼합식 2유체분사밸브 257

[그림 7.22] 내부혼합식 2유체분사밸브 258

[그림 7.23] 회전체분무기 258

[그림 7.24] 초음파분무기 259

[그림 7.25] 정전식분무기 259

[그림 7.26] 회전컵 분무기 261

[그림 7.27] 입도분포의 도식표시법 262

[그림 7.28] 가스와의 상대 속도에 따른 유적의 연소상태의 변화 264

[그림 7.29] 착화·연소하는 유적의 d2의 변화 265

[그림 7.30] n-헵탄 유적의 착화지연(유적직경 1.2~2.7mm) 268

[그림 7.31] 유적주도의 온도장과 농도장 269

[그림 7.32] 예혼합분무화염의 괴상구조(등유, 1000구/s 통내화염) 273

[그림 7.33] 유적집단연소의 네 가지 형태 274

[그림 7.34] 유적 집단연소의 영역 275

[그림 7.35] 선회분류중에 분사된 분무 276

[그림 7.36] 분무각이 화염의 길이와 형상에 미치는 영향 276

[그림 7.37] 분무화염의 길이 277

[그림 7.38] n-헵탄 분무의 고온분위기 착화 279

[그림 7.39] n-헵탄 분무의 고온기류착화(직각분사) 280

[그림 8.1] 가연성고체의 연소과정(공기가 산화제인 경우) 289

[그림 8.2] 고체표면을 따라서 발생하는 연소확대일 때 화염선단부근의 현상 개요 291

[그림 8.3] PMMA판 표면을 따라서 발생하는 하방 및 수평연소확대속도와 시료 두께의 관계 292

[그림 8.4] PMMA판 표면을 따라 일어나는 하방향 연소확대시의 열이동 양상 292

[그림 8.5] PMMA판 표면을 따라 상방향으로 연소 확대되는 경우 열분해 영역이 확대되는 속도 293

[그림 8.6] 외부로부터의 복사열을 가해주었을 때 고체조각의 질량연소속도 294

[그림 8.7] 공기중에서 연소하고 있는 탄소편 표면부근의 온도 및 기체성분의 분포 개요 295

[그림 8.8] 공기중에 부유하는 분진의 연소하한계 농도와 평균입자 직경의 관계 296

[그림 8.9] 연소에 필요한 시간과 석탄입자 직경과의 관계 296

[그림 8.10] 석탄입자의 열분해속도(직경 20㎛, 휘발분 37%) 297

[그림 8.11] 석탄의 열분해 성분 299

[그림 8.12] 석탄입자 휘발분의 연소시간 299

[그림 8.13] 탄소입자의 표면연소 모델 301

[그림 8.14] Graphite의 표면반응속도 303

[그림 8.15] 화층의 구조 304

[그림 8.16] 화염이동속도와 가스화속도 305

[그림 8.17] 유동층연소 305

[그림 8.18] 고체연료의 3원도 312

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