당량비 (Equivalence Ratio)
쉽게 풀면
어떤 연료가 완전히 타려면 정해진 양의 공기가 필요합니다. 그 '딱 맞는' 비율을 1로 놓고, 실제 섞여 있는 연료와 공기의 비율이 그보다 연료 쪽으로 치우쳤는지(1 초과), 공기 쪽으로 치우쳤는지(1 미만)를 숫자 하나로 나타낸 것이 당량비입니다. 당량비 1.5는 '연료가 필요한 양보다 50% 더 많다'는 뜻이고, 이런 상태에서는 산소가 모자라 불완전연소와 매연이 늘어납니다.
왜 중요한가
당량비는 연소의 화학 상태를 가장 간결하게 표현하는 변수입니다. 화염온도, 연소속도, 일산화탄소와 매연 생성량, 연소범위가 모두 당량비의 함수로 정리되기 때문에, 연소 실험 결과를 비교하거나 화재 시뮬레이션에서 연소 모델을 설정할 때 기준 변수로 쓰입니다. 구획화재에서 상부 가스층의 당량비가 1을 넘어서면 환기지배형으로 전환되어 독성가스 생성이 급증하는데, 이 판정에도 당량비가 직접 활용됩니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
구획화재에서 당량비와 독성가스 생성의 관계를 제시한 예문입니다.
연소 특성이 당량비에 따라 변하는 양상을 서술한 예문입니다.
조금 더 깊게 보면
당량비 φ = (F/A)_actual / (F/A)_stoich로 정의되며, 공기과잉률 λ(또는 공기비)와는 역수 관계(φ = 1/λ)입니다. 확산화염에서는 연료와 공기가 미리 섞여 있지 않으므로 국소 당량비가 위치마다 다르고, 화염면은 φ≈1인 면을 따라 형성됩니다. 구획화재 연구에서는 Beyler와 Gottuk 등이 상부층 가스를 대상으로 정의한 '총괄 당량비(global equivalence ratio)' 개념을 도입해, 배출되는 CO·탄화수소·매연 수율을 당량비의 함수로 상관시켰습니다. FDS 같은 화재 시뮬레이터의 혼합분율 연소모델도 국소 당량비에 따라 연소 생성물 조성을 결정하는 구조입니다.
주의할 점
당량비는 연료와 산화제의 '질량비' 또는 '몰비' 중 어느 것으로 정의했는지에 따라 숫자가 달라지지 않지만(비율의 비이므로), 산화제를 순산소로 보느냐 공기로 보느냐는 명확히 해야 합니다. 또한 구획화재의 총괄 당량비는 시간과 공간에 따라 크게 변하는 값이므로 단일 수치로 화재 전체를 대표시키는 데 한계가 있습니다.