화재안전 관점에서 화재확산속도를 예측하기 위해 고체 가연물의 점화특성에 대한 연구는 매우 중요한 정보로 활용된다. 규격화 된 콘 칼로리미터(ISO-5660, ASTM e 1354)를 이용하여 대표적인 고체가연물(Acrylic, PMMA)을 대상으로 점화특성에 대한 연구가 수행되었다. 화재초기 성장 단계에 해당되는 과환기 화재조건에서 복사열유속에 따른 가연물의 점화특성과 환기부족 화재 조건에서 밀폐된 챔버의 내부 공기유량에 따른 가연물의 점화특성 연구가 수행되었다. 그리고 ...
개방 및 밀폐형 콘 칼로리미터를 이용한 고체가연물의 점화특성 연구
화재안전 관점에서 화재확산속도를 예측하기 위해 고체 가연물의 점화특성에 대한 연구는 매우 중요한 정보로 활용된다. 규격화 된 콘 칼로리미터(ISO-5660, ASTM e 1354)를 이용하여 대표적인 고체가연물(Acrylic, PMMA)을 대상으로 점화특성에 대한 연구가 수행되었다. 화재초기 성장 단계에 해당되는 과환기 화재조건에서 복사열유속에 따른 가연물의 점화특성과 환기부족 화재 조건에서 밀폐된 챔버의 내부 공기유량에 따른 가연물의 점화특성 연구가 수행되었다. 그리고 수치해석을 위해 NIST에서 개발된 FDS가 사용되었으며, 문헌에 제시된 다양한 물성치를 적용하여 고체가연물의 점화특성을 예측하였다. 고체가연물의 연소시 중력에 의해 발생되는 부력으로 공기가 공급되는 개방형 콘 칼로리미터에서 자기착화 조건과 불꽃점화 조건을 대상으로 실험이 수행되었다. 복사 열유속은 20 ~ 60 kW/m2의 범위에서 수행되었으며, 자기착화 조건에서는 재연성이 관측되는 40 kW/m2 이상의 조건에서 수행되었다. 복사열유속이 증가함에 따라서 고체가연물의 점화시간은 감소하였지만 발열량, 질량소모율, CO2, CO, Soot 생성량은 증가하였다. FDS에서 예측된 점화시간은 50 kW/m2에서 실험 측정값과 정확히 일치하였으며, 낮은 복사열유속에서는 차이를 보였지만 높은 복사열유속에서는 유사한 점화시간과 일치하는 경향을 확인하였다. 그리고 점화되는 순간 가연물의 표면온도를 측정한 결과 자기착화조건에서는 복사열유속이 증가함에 따라 측정된 온도가 증가하였지만, 불꽃 점화조건에서는 측정된 온도가 방사된 복사 열유속에 따라 일정한 경향을 보이지 않았다. 이러한 이유는 열전대의 설치 위치와 짧은 점화시간으로 발생된 결과로 판단된다. 복사열유속이 변화함에 따라 정상상태의 구간을 선정하여 CO2 및 CO의 평균 생성율은 각각 2.36 g/g, 0.0058 g/g이 측정되었지만, 복사열유속이 감소함에 따라서 Soot 생성율도 감소되었다. 배기덕트의 유량이 가연물에 미치는 점화특성을 확인하기 위해 공기유량을 24 ~ 86 L/s의 범위에서 실험이 수행되었다. 배기덕트의 유량이 증가함에 따라서 후드와 콘 히터 근처의 유속은 증가하였지만, 반면에 가연물 근처에서는 유속 차이가 거의 발생하지 않았으며, 또한 일정한 복사열유속이 제공된 조건에서도 점화시간의 차이가 발생하지 않았다. FDS를 통해 측정된 유속과 비교해본 결과 조건에 따라 실험에서 측정된 유속과 유사한 예측 값을 보였으며, 가연물의 점화시간이 배기덕트 유량에 상관없이 일정한 점화시간을 예측하였다. 밀폐형 콘 칼로리미터에서 복사열유속을 50 kW/m2로 고정시키고 챔버 내부의 공기유량을 100 ~ 190 L/min의 범위에서 변화 시켰을 때, 불꽃 점화조건에서는 공기 유량에 상관없이 개방형 콘 칼로리미터와 같은 점화시간을 보였다. 하지만 자기착화 조건에서는 170 L/min 조건에서 개방형 콘 칼로리미터에서 측정된 점화시간과 일치하였으며, 공기유량 증감에 따라서 점화시간은 다시 증가하는 것을 확인하였다. FDS에서 예측된 점화시간은 불꽃점화 조건에서 정량적으로 약간의 차이가 있지만, 공기의 유량에 상관없이 일정한 점화시간을 예측하였다. 그리고 자기착화 조건에서 실험에서 측정된 결과와 다르게 일정한 점화시간을 예측하였다.
주제어 : 콘 칼로리미터, 열분해, 점화특성, 수치해석
개방 및 밀폐형 콘 칼로리미터를 이용한 고체가연물의 점화특성 연구
화재안전 관점에서 화재확산속도를 예측하기 위해 고체 가연물의 점화특성에 대한 연구는 매우 중요한 정보로 활용된다. 규격화 된 콘 칼로리미터(ISO-5660, ASTM e 1354)를 이용하여 대표적인 고체가연물(Acrylic, PMMA)을 대상으로 점화특성에 대한 연구가 수행되었다. 화재초기 성장 단계에 해당되는 과환기 화재조건에서 복사열유속에 따른 가연물의 점화특성과 환기부족 화재 조건에서 밀폐된 챔버의 내부 공기유량에 따른 가연물의 점화특성 연구가 수행되었다. 그리고 수치해석을 위해 NIST에서 개발된 FDS가 사용되었으며, 문헌에 제시된 다양한 물성치를 적용하여 고체가연물의 점화특성을 예측하였다. 고체가연물의 연소시 중력에 의해 발생되는 부력으로 공기가 공급되는 개방형 콘 칼로리미터에서 자기착화 조건과 불꽃점화 조건을 대상으로 실험이 수행되었다. 복사 열유속은 20 ~ 60 kW/m2의 범위에서 수행되었으며, 자기착화 조건에서는 재연성이 관측되는 40 kW/m2 이상의 조건에서 수행되었다. 복사열유속이 증가함에 따라서 고체가연물의 점화시간은 감소하였지만 발열량, 질량소모율, CO2, CO, Soot 생성량은 증가하였다. FDS에서 예측된 점화시간은 50 kW/m2에서 실험 측정값과 정확히 일치하였으며, 낮은 복사열유속에서는 차이를 보였지만 높은 복사열유속에서는 유사한 점화시간과 일치하는 경향을 확인하였다. 그리고 점화되는 순간 가연물의 표면온도를 측정한 결과 자기착화조건에서는 복사열유속이 증가함에 따라 측정된 온도가 증가하였지만, 불꽃 점화조건에서는 측정된 온도가 방사된 복사 열유속에 따라 일정한 경향을 보이지 않았다. 이러한 이유는 열전대의 설치 위치와 짧은 점화시간으로 발생된 결과로 판단된다. 복사열유속이 변화함에 따라 정상상태의 구간을 선정하여 CO2 및 CO의 평균 생성율은 각각 2.36 g/g, 0.0058 g/g이 측정되었지만, 복사열유속이 감소함에 따라서 Soot 생성율도 감소되었다. 배기덕트의 유량이 가연물에 미치는 점화특성을 확인하기 위해 공기유량을 24 ~ 86 L/s의 범위에서 실험이 수행되었다. 배기덕트의 유량이 증가함에 따라서 후드와 콘 히터 근처의 유속은 증가하였지만, 반면에 가연물 근처에서는 유속 차이가 거의 발생하지 않았으며, 또한 일정한 복사열유속이 제공된 조건에서도 점화시간의 차이가 발생하지 않았다. FDS를 통해 측정된 유속과 비교해본 결과 조건에 따라 실험에서 측정된 유속과 유사한 예측 값을 보였으며, 가연물의 점화시간이 배기덕트 유량에 상관없이 일정한 점화시간을 예측하였다. 밀폐형 콘 칼로리미터에서 복사열유속을 50 kW/m2로 고정시키고 챔버 내부의 공기유량을 100 ~ 190 L/min의 범위에서 변화 시켰을 때, 불꽃 점화조건에서는 공기 유량에 상관없이 개방형 콘 칼로리미터와 같은 점화시간을 보였다. 하지만 자기착화 조건에서는 170 L/min 조건에서 개방형 콘 칼로리미터에서 측정된 점화시간과 일치하였으며, 공기유량 증감에 따라서 점화시간은 다시 증가하는 것을 확인하였다. FDS에서 예측된 점화시간은 불꽃점화 조건에서 정량적으로 약간의 차이가 있지만, 공기의 유량에 상관없이 일정한 점화시간을 예측하였다. 그리고 자기착화 조건에서 실험에서 측정된 결과와 다르게 일정한 점화시간을 예측하였다.
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