홍라이프 계산기연소 공기량 계산기 쉽게 이해하기 — 개념과 원리
버너, 보일러, 엔진은 연료를 완전히 태우기 위해 정해진 양의 공기가 필요합니다. 이 계산기는 연료를 CxHyOz로 나타내고 원하는 과잉공기율을 더해 필요 산소량, 연료 1몰당 공기량, 질량 기준 공연비, 건조 배기가스의 O₂·CO₂ 농도를 구합니다. 송풍기 용량을 정하거나 배기가스 분석값을 확인할 때 쓸 수 있습니다.
계산 방법
- 완전연소 반응: CxHyOz + (x + y/4 − z/2) O₂ → x CO₂ + (y/2) H₂O
- 이론 산소량: O₂ = x + y/4 − z/2 (연료 1몰당 몰수)
- 실제 공기량: 공기 = O₂ ÷ 0.2095 × (1 + 과잉공기율/100). 건조 공기의 산소 부피 비율이 20.95%이기 때문입니다.
- 질량 공연비: 공기 × 28.965 ÷ (12.011x + 1.008y + 15.999z)
- 건조 배기가스 = CO₂(x) + 질소·아르곤(공기 × 0.7905) + 남은 O₂(O₂ × 과잉공기율/100)이며, 각 성분을 이 합으로 나누어 농도를 구합니다.
원리
탄소 원자 1개는 O₂ 1몰과 만나 CO₂가 되고, 수소 원자 4개는 O₂ 1몰과 만나 물 2몰이 되며, 연료 속 산소는 그만큼 필요량을 줄입니다. 공기에는 O₂ 1몰마다 약 3.77몰의 불활성 기체가 따라 들어오므로 배기가스의 대부분은 질소입니다. 실제 버너는 연료와 공기를 완벽히 섞지 못해 일산화탄소와 그을음을 막으려고 공기를 조금 더 넣습니다. 그러나 과잉공기가 너무 많으면 데워진 질소와 산소가 굴뚝으로 빠져나가 연료가 낭비됩니다.
예제 풀이
- 기본 연료는 메탄(CH₄)으로 x = 1, y = 4, z = 0, 과잉공기 15%입니다.
- O₂ = 1 + 4/4 − 0 = 2 mol/mol 연료입니다.
- 공기 = 2 ÷ 0.2095 × 1.15 = 10.98 mol/mol 연료입니다(과잉공기가 없으면 9.55).
- 메탄 몰질량은 12.011 + 4 × 1.008 = 16.043 g/mol이므로 공연비 = 10.9785 × 28.965 ÷ 16.043 = 19.82입니다(이론 공연비는 17.24).
- 건조 배기가스 = CO₂ 1 + 질소·아르곤 8.679 + O₂ 0.3 = 9.979 mol입니다.
- O₂ = 0.3 ÷ 9.979 = 3.01%, CO₂ = 1 ÷ 9.979 = 10.02%입니다.
| 산소 원자 수 z | 이론 산소량 (mol/mol 연료) |
|---|---|
| 0 | 2 |
| 1 | 1.5 |
| 2 | 1 |
| 3 | 0.5 |
| 4 | 0 |
| 5 | -0.5 |
| 6 | -1 |
결과 해석
메탄을 과잉공기 없이 태우면 건조 배기가스의 CO₂는 약 11.7%, O₂는 0%입니다. 과잉공기가 늘수록 O₂는 오르고 CO₂는 내려가므로 둘 중 하나만 보아도 연소가 얼마나 희박한지 알 수 있습니다. 기체 연료는 공기와 잘 섞여 액체·고체 연료보다 적은 과잉공기로 운전하는 것이 보통입니다.
흔한 실수
- 공기를 O₂ 21%, N₂ 79%로 반올림한 값으로 정밀 분석값과 비교하는 경우
- 건조 기준 농도를 습윤 기준 측정값과 비교하는 경우
- 알코올이나 바이오매스처럼 연료 속 산소가 필요 공기량을 줄인다는 점을 잊는 경우
자주 묻는 질문
메탄의 이론 공연비는 얼마인가요?
메탄 1 kg당 공기 약 17.2 kg입니다.
혼합 연료는 어떻게 입력하나요?
몰분율로 가중한 평균 원자 수를 넣습니다. 메탄 90%, 에탄 10%라면 x = 1.1, y = 4.2입니다.
배기가스의 CO₂가 100%가 될 수 없는 이유는 무엇인가요?
공기와 함께 들어온 질소가 건조 배기가스의 대부분을 차지하기 때문입니다.
출처: Turns, S. R. An Introduction to Combustion: Concepts and Applications. McGraw-Hill. · Perry's Chemical Engineers' Handbook, combustion section. McGraw-Hill.