수소-산소 예혼합화염의 점화초기 스트레치 및 막스테인 길이에 관한 연구

Study on the Initial Ignition Stretch and Makstein Length of Hhydrogen-Oxygen Premixed Flames

글로벌 주요 국가는 기후변화의 위험성에 대해 인지하고 기후변화에 대응하기 위한 구체적인 목표를 제시하 고 있다. 대한민국은 2020년 탄소 중립 관련 계획과 전략을 수립하였으며, 탄소 중립 실천을 위한 10대 핵심기술 을 선정하였다. 핵심기술에는 태양광, 풍력을 비롯하여 수소 등이 포함되어 있다. 핵심기술로 수소 활용 기술이 선정된 만큼 수소의 생산 및 취급 규모는 지속해서 증가할 것으로 판단된다. 수소를 에너지원으로 활용되는 방식은 연료전지로 사용하는 방식과 수소를 직접 연료로 사용하는 형태가 대표적이다. 수소를 연료로 직접 사용할 경우 친환경 연료로서의 장점과 함께 폭발 위험성이 상존하게된다. 2019년 강릉 수소 저장탱크의 폭발 사고와 같이 수소-산소가 혼합된 가연물은 낮은 점화 에너지로도 점화될 수 있다. 이러한 수소 폭발 사고를 예방하고 안전하게 사용하기 위해서는 점화 에너지에 대한 고려가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 본 연구의 목적은 점화 에너지 및 수소-산소 가면 혼합물의 체적백분율이 화염의 스트레치와 막스테인길에 미치는 영향을 확인하는 것이다. 실험은 약 350 ml의 정적연소기를 이용하였고, 수소-산소 가면 혼합물의 수소 체적백분율 및 점화 에너지를 변경시켜 가며 수소 화염이 확산하는 과정을 초고속카메라로 촬영하였다. 촬영된 이미지를 이미지분석툴인 Matrox inspector를 이용하여 화염 핵(flame kernel)이 생성된 이후 시간에 따른 화염직 경을 확인하였으며, 측정된 화염 직경을 이용하여 막스테인 길이를 계산하였고, 점화 에너지 및 수소-산소 체적백분율이 수소 화염의 막스테인길이에 미치는 영향을 분석 및 고찰하였다. 실험에서 촬영된 이미지를 이용해 막스테인 길이를 분석해 본 결과 수소 산소 가연혼합물의 체적백분율이 일정한 경우 점화 에너지가 증가할수록 막스테인 길이는 감소하였다. 또한 수소 산소 가연혼합물의 수소 체적백분율이 낮은 경우 점화 에너지 따른 막스테인 길이 변화폭이 수소 산소 가연혼합물의 수소 체적백분율이 높은 경우보다 크게 나타났다.