2012-05-04
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윤영설(yys0924)
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안녕하세요.
궁금한 게 하나 있어서 전문가들께 문의 올립니다.
가스 또는 기름을 연소시키면 화학에너지가 빛, 운동에너지로 변환되어 퍼지는데요, 이 에너지는 복사, 전도, 대류에 의해서 주변으로 전달되는 것으로 알고 있습니다(직접 눈으로 보지를 못해서....^^)
예를 들어 완전 밀폐된 석영관에 적당량의 공기와 가스를 넣어서 연소시킨다면 바깥으로 나오는 에너지는 빛에너지만 복사 형태로 나올 것으로 생각되는데요. 이 에너지의 양 또는 비율이 어느정도 되는지 궁금합니다.
혹시 이론적 또는 실험적으로 알고 계시다면 저에게도 알려주시길 부탁드립니다.
미리 감사드립니다.
- 연소
- 복사에너지
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각 분야 한인연구자와 현업 전문가분들의 답변을 기다립니다.
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답변 1
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답변
이응신님의 답변
2012-05-07- 4
연소과정 자체가 비평형 열역학 분야이므로 문제가 아주 까다롭습니다. 연소에 관련된 논문은 연소공학회에서 나오는 논문이나 기밀 해제가 된 논문들이 있습니다.(군사용인 경우 아직도 기밀 해제가 되지 않은 논문들이 상당수 있을 것으로 예상) 본 문제는 여러 가지 가정을 적절히 하면 근사적인 방법으로 대략 알아볼 수는 있을 듯 합니다. 먼저 연소가 삽시간에 일어나서 일정 온도를 연소실 안에서 유지한다고 가정합니다. (실제 연소는 연료와 공기가 어떻게 섞여서 발화가 이동되는가에 따라 다양하므로 연소된 기체가 일정 온도를 유지하지 못합니다) 연소실 안에서 기체로 완전히 변해 일정 온도를 유지한다면 (연료의 종류에 따라 최종 온도가 다 다르겠지요) 정상 상태(stationary)를 유지하고 에너지는 복사와 전도를 통해 외부로 나가겠지요. 여기서 다시 가정을 하기를 연소실 내부는 어느 정도 시간이 흘러 에너지가 빠져나가도 일정 온도를 유지한다고 다시 가정합니다. (에너지가 빠져나가면 온도가 내려가겠지요) 이제 석영관의 양단에 경계온도를 정하고 (내부는 연소가 끝난 기체의 온도, 외부는 300 K 정도) 전도로 나가는 전도열을 계산합니다. 1 제곱미터의 면적을 가정하고 단위 시간 당 빠져나가는 에너지를 계산할 때 (에너지 플럭스를 구하는 과정) 퓨리에 열전달 공식을 이용해서 계산합니다. 1계 미분방정식이므로 경계조건을 알고 석영의 열전도도를 알면 에너지 플럭스를 계산할 수 있습니다. 석영은 격자구조를 가져 열전달이 아주 좋으므로 (금속의 약 1/10 정도) 많은 양의 에너지가 전도로 빠져나갑니다. 복사로 빠져나가는 에너지 계산은 상당히 까다롭습니다. 1 제곱미터의 면적이 서로 마주보는 평판이라고 가정하면 형상계수를 구해서 복사열이 나가는 비례계수를 정할 수 있습니다. 이렇게 하고 복사열 에너지를 교환하는 공식에다 넣고 에너지 플럭스의 교환량을 계산합니다. (한쪽은 연소실의 온도에 따른 에너지, 다른쪽은 300 K에 해당하는 복사에너지) 자세한 내용은 열전달 교재에서 복사열 계산하는 부분에 나옵니다. 양쪽 평면 사이에 석영이라는 매질이 있으므로 온도에 따른 흡수 계수를 구합니다. 당연히 연소실 내의 온도에 따라 흡수 계수가 다르게 나오겠지요. 만약 연소실의 온도가 일정하지 않고 어떤 온도 분포를 가진다면 각 온도에 따른 흡수 계수를 적분을 이용해서 계산해줍니다. 복사에너지의 흡수에 따른 매질의 온도 상승은 전도에너지 계산에 영향을 주므로 미분방정식을 다시 수정하거나 보정을 해야 되겠지요. 이렇게 여러 가지 가정을 하면 정상상태에서 복사에너지와 전도에너지의 비율을 계산할 수는 있을 것입니다. 참고 서적은 시중에 나와있는 열전달 책이나 인터넷에서 논문을 검색해보면 찾을 수 있습니다.