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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이러한 배경들을 바탕으로 LPG를 시료로 사용하여 가스 주입구 노즐의 직경과 주입 가스량을 변화 시키면서 불균일 농도 상황을 만들고, 밀폐 또는 파열면이 발생되는 조건에서의 폭발실험을 통하여 불균일 농도 상태에서의 가스 폭발 특성을 정성적으로 고찰하고 이러한 특성들이 이차적으로 가져올 수 있는 화재로의 전이 위험성을 예측하고자 하였다.
제안 방법
- 폭발틍의 정면은 폭발화염의 전파과정을 가시화하고 화염의 거동을 관찰하기 위해 투명 폴리카보네이트로 창을 만들었으며 뒷면에는 압력 센서와 진공펌프를 부착할 수 있도록 하였고 우측면에는 점화원과 시료가스 주입 노즐을 부착하도록 만들었다. 그리고 좌측면에는 파열견을 부착하거나 철판으로 밀폐시킬 수 있도록 하였다.
- 불균일 농도를 만들기 위해 LPG를 노즐을 통해 폭발용기 내에 직접 주입하였으며 불균일 정도를 다르게 하기 위하여 노즐 직경을 2mm, 4mm, 6mm, 8mm, 10 mm의 5종류로 하였고, 가스 주입속도는 1분에 각각 1Z, 21, 31, 4/의 종류로 변화시키면서 실험하였다. 시료로 사용된 LPG는 분자량이 44g/mole로 공기보다 무거운 프로판이 97% 이상인 것을 사용하였고, LPG의 주입량은 적산 유량계를 이용하여 농도 4.
- 밀폐조건의 실험을 할 경우는 이 측면 판을 철판으로 교체하였다. 시료가스의 주입은 니들밸브와 압력조정기를 통해 실험에 맞는 유량으로 조절되면 적산유량계를 거쳐 용기에 주입하였으며 주입시 뒷면 좌측 상부에 있는 밸브를 개방하여 용기 내 압력상승을 방지하였으며 일정량 가스주입이 끝나면 모든 밸브를 잠그고 1분경과 후에 점화시켰다. 점화원은 10KV의 점화용 변압기의 방전 불꽃을 사용하였으며 이 에너지는 연소범위 내의 모든 농도의 혼합 가스를 착화시키기에 충분한 크기이다.
- 실험은 대기압 실온 조건에서 실시하였으며 실온은 20±3℃ 정도였다. 실험 결과는 용기 뒷면 중앙에 설치된 strain형 압력센서를 이용한 폭발특성의 측정과, 용기 전면에 설치된 카메라를 이용하여 폭발 화염의 거동을 300s로 촬영하여 고찰하였다.
- 5 vol% 에 상당하는 양을 주입하였는데 이는 완전 혼합시 최대 폭발압력을 나타내는 농도에 해당된다. 점화원의 위치는 가정에서 점화원이 될 가능성이 있는 전기 콘센트 및 스위치 등을 고려하여 용기의 바닥으로부터 각각 5 cm(B), 22 cm(C), 40cm(A)로 변화시 키면서 용기 내 주입된 가스의 확산상태와 점화위치에 따른 폭발특성의 변화 등을 측정하였다. 파열면이 발생되는 조건에서 파열면의 크기는 가로 세로가 40cm×20cm이며 파열면은 약간 강도가 있는 아트지를 사용하였다.
- 1과 같다. 폭발통의 크기는 가로 세로 높이가 각각 100 cm, 60 cm, 45 cm로서 소형 아파트의 거실 크기를 길이 단위로 약 1/5로 축소한 형태로 하였다. 폭발틍의 정면은 폭발화염의 전파과정을 가시화하고 화염의 거동을 관찰하기 위해 투명 폴리카보네이트로 창을 만들었으며 뒷면에는 압력 센서와 진공펌프를 부착할 수 있도록 하였고 우측면에는 점화원과 시료가스 주입 노즐을 부착하도록 만들었다.
- 폭발통의 크기는 가로 세로 높이가 각각 100 cm, 60 cm, 45 cm로서 소형 아파트의 거실 크기를 길이 단위로 약 1/5로 축소한 형태로 하였다. 폭발틍의 정면은 폭발화염의 전파과정을 가시화하고 화염의 거동을 관찰하기 위해 투명 폴리카보네이트로 창을 만들었으며 뒷면에는 압력 센서와 진공펌프를 부착할 수 있도록 하였고 우측면에는 점화원과 시료가스 주입 노즐을 부착하도록 만들었다. 그리고 좌측면에는 파열견을 부착하거나 철판으로 밀폐시킬 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 시료로 사용된 LPG는 분자량이 44g/mole로 공기보다 무거운 프로판이 97% 이상인 것을 사용하였고, LPG의 주입량은 적산 유량계를 이용하여 농도 4.5 vol% 에 상당하는 양을 주입하였는데 이는 완전 혼합시 최대 폭발압력을 나타내는 농도에 해당된다. 점화원의 위치는 가정에서 점화원이 될 가능성이 있는 전기 콘센트 및 스위치 등을 고려하여 용기의 바닥으로부터 각각 5 cm(B), 22 cm(C), 40cm(A)로 변화시 키면서 용기 내 주입된 가스의 확산상태와 점화위치에 따른 폭발특성의 변화 등을 측정하였다.
- 실험장치는 크게 폭발통과 계측 장비들로 구성되어 있으며 개략적인 구성도는 Fig. 1과 같다. 폭발통의 크기는 가로 세로 높이가 각각 100 cm, 60 cm, 45 cm로서 소형 아파트의 거실 크기를 길이 단위로 약 1/5로 축소한 형태로 하였다.
- 점화원의 위치는 가정에서 점화원이 될 가능성이 있는 전기 콘센트 및 스위치 등을 고려하여 용기의 바닥으로부터 각각 5 cm(B), 22 cm(C), 40cm(A)로 변화시 키면서 용기 내 주입된 가스의 확산상태와 점화위치에 따른 폭발특성의 변화 등을 측정하였다. 파열면이 발생되는 조건에서 파열면의 크기는 가로 세로가 40cm×20cm이며 파열면은 약간 강도가 있는 아트지를 사용하였다. 밀폐조건의 실험을 할 경우는 이 측면 판을 철판으로 교체하였다.
성능/효과
- 노즐 직경에 따른 폭발특성의 변화와 가스의 주입 유량에 따른 폭발특성 측정 결과의 비교를 통해 알 수 있는 것은 가연성가스의 누출에 의한 공기와의 혼합과 폭발 과정에서 누출가스의 유속이 큰 경우는 빠른 속도로 혼합이 진행되어 폭발 위험성이 커지게 되며, 가스의 혼합속도에 영향을 미치는 주된 요소는 가스의 주입속도 즉 유속과 주입시간 임을 알 수 있었다.
- 됨을 알 수 있었다. 또한 누출가스의 폭발특성 실험 결과 불균일 정도가 클수록 폭발압력 및 압력상승속도는 낮아지게 되지만 밀폐된 공간 내에서 폭발이 될 경우는 폭발압력이 약 3kg/cm2 이상이 되어 여전히 건물을 파괴할 만큼의 위험성을 갖고 있었다. 불균일이 심한 경우 화염의 체류시간이 증가하여 폭발화염의 복사열에 의한 폭발 후 화재로의 전이 위험성은 증가하게 됨을 알 수 있었다.
- 개구부가 발생하는 경우와 같은 경향으로 노즐의 직경이 증가할수록 폭발압력과 압력상승속도가 감소하는 현상을 나타내고 있다. 본 실험 용기에서 LPG 의 농도가 4.5 vol%로 균일하게 혼합된 경우2,3) 폭발압력은 7~8kg/cm이고 압력상승속도는 20-30 kg/cm2/s인 것과 비교하면 큰 차이가 나는 것을 알 수 있다. 특히 압력 상승 속도의 경우 균일농도에서의 값보다 1/3-1/10 이하로 낮아지고 연소반응 시간은 크게 길어져 용기 내에 화염의 체류시간이 길어짐을 볼 수 있는데 이러한 현상들은 불균일 농도 폭발시 화재로의 전이 위험성의 증가 원인이 된다.
- 본 연구는 불균일 혼합가스의 폭발실험으로 실험값의 편차가 크기 때문에 일관성 있는 결과를 얻기는 어려웠으나 실험적인 연구를 통해서 어떤 공간내에 가스가 누출될 경우 내부 가스의 혼합정도는 누출구의 크기 및 누출속도에 따라서 영향을 받게 되며 누출속도가 작은 경우는 유체 역학적인 운동에 의한 확산보다 누출가스의 밀도 등 물리적 성질 등에 의해 영향을 받게 됨을 알 수 있었다. 또한 누출가스의 폭발특성 실험 결과 불균일 정도가 클수록 폭발압력 및 압력상승속도는 낮아지게 되지만 밀폐된 공간 내에서 폭발이 될 경우는 폭발압력이 약 3kg/cm2 이상이 되어 여전히 건물을 파괴할 만큼의 위험성을 갖고 있었다.
- 또한 누출가스의 폭발특성 실험 결과 불균일 정도가 클수록 폭발압력 및 압력상승속도는 낮아지게 되지만 밀폐된 공간 내에서 폭발이 될 경우는 폭발압력이 약 3kg/cm2 이상이 되어 여전히 건물을 파괴할 만큼의 위험성을 갖고 있었다. 불균일이 심한 경우 화염의 체류시간이 증가하여 폭발화염의 복사열에 의한 폭발 후 화재로의 전이 위험성은 증가하게 됨을 알 수 있었다.
- 가스 사고에 대비한 기술의 발달과 안전의식의 향상 등으로 국내 가스 폭발 사고의 건수는 95년과 96년을 정점으로 감소하고 있는 경향을 보이고는 있으나 아직도 많은 사고들이 발생되고 있다. 사고통계에 따르면1) 98년부터 2002년까지 최근 5년간 사용 장소별 가스사고 현황으로 주택과 요식업소 등 최종 사용 장소에서의 사고가 60~70%를 차지하고 있으며, 또한 같은 기간에 발생한 가스 사고를 형태별로 분석한 결과 폭발 및 화재 사고가 전체 건수의 60~70%를 차지하고 있음을 볼 수 있는데 이를 피해액으로 환산하면 이보다 더 높은 비율을 차지하고 있다는 것을 알 수 있다. 또한 2002년을 기준으로 가스별 사고를 분석한 결과, 메탄이 주성분인 공기보다 가벼운 도시가스가 약 20%이고, 프로판이 주성분인 공기보다 무거운 LPG가 75% 이상으로 나타나 있다.
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