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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 LPG와 공기와의 혼합가스 폭발을 이용하여 실내에서 폭발에 의한 화재 전이 현상을 만들어 가스 폭발로부터 화재로의 전이에 대한 메커니즘을 고찰하고, 가스폭발에 의해 화재로 전이되는 것을 방지하기 위한 소화시스템에 대하여 고찰하였다.
- 또한 시료의 설치방향을 화염진행 방향과 수직으로 고정시켜 고체 가연물 시료의 착화 과정을 고찰하므로서 화염과 가연물과의 접촉 및 열전에 의한 화재로의 전이 현상을 규명하고자 하였다. 가스 폭발 후 화재로의 전이를 방지하기 위해서는 폭발, 공간 내에 열기류의 온도를 냉각하거나 불활성 기체에 의한 질식으로 소화를 시켜야 하는데 본 연구에서논 이산화탄소를 이용한 질식소화 방법을 이용하였고, 폭발 후화재로 전이되는 현상을 가시화한 결과를 분석하여 폭발용 기내 초기 가스의 농도에 따라 착화 후 소화 약제가 방출되는 시간을 결정하였으며 약제 탱크에는 co2 를 약 6kg/cm2으로 충진하여 CC>2의 방출시간은 약 0.
제안 방법
- lPG를 이용하여 가연성 가스의 폭발에 따른 가연물로의 화재 전이현상을 실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 시료의 설치방향을 화염진행 방향과 수직으로 고정시켜 고체 가연물 시료의 착화 과정을 고찰하므로서 화염과 가연물과의 접촉 및 열전에 의한 화재로의 전이 현상을 규명하고자 하였다. 가스 폭발 후 화재로의 전이를 방지하기 위해서는 폭발, 공간 내에 열기류의 온도를 냉각하거나 불활성 기체에 의한 질식으로 소화를 시켜야 하는데 본 연구에서논 이산화탄소를 이용한 질식소화 방법을 이용하였고, 폭발 후화재로 전이되는 현상을 가시화한 결과를 분석하여 폭발용 기내 초기 가스의 농도에 따라 착화 후 소화 약제가 방출되는 시간을 결정하였으며 약제 탱크에는 co2 를 약 6kg/cm2으로 충진하여 CC>2의 방출시간은 약 0.2 초 이내가 되도록 하였다.
- 하였다. 가스를 혼합한 후 점화원 반대쪽을 종이로 된 diaphrag m 으로 대체하여 폭발압력에 의해 diaphrag m이 파열되므로 전면의 관측창이 파괴되는 것을 방지하였다. 혼합가스는 10KV의 전기 방전불꽃을 이용하여 점화하였다.
- 가연물 시료의 위치는 개구부 파열면으로부터 약 30cm, 50on, 70cm씩 각각 떨어진 위치에 고정시키면서 실험하여 외부공기의 유입에 의한 가연물 착화의 영향을 살펴보도록 하였고, 앞에서 설명한 것처럼 개구부의 크기를 변경해 가면서 실험하므로서 폭발 후 연소 가스의 방출 및 외부 공기의 유입 거동이 가스폭발 후 화재로의 전이에 어떻게 영향을 미치눈지를 관찰하였다. 또한 시료의 설치방향을 화염진행 방향과 수직으로 고정시켜 고체 가연물 시료의 착화 과정을 고찰하므로서 화염과 가연물과의 접촉 및 열전에 의한 화재로의 전이 현상을 규명하고자 하였다.
- 본 실험에서는 LPG의 농도를 3%, 3.5%, 4% 4.5%, 5%, 6%로 하였다. 가연물로는 신문용지, 골판지, 순수목면 및 폴리에스테르가 60% 섞인 혼방 천을 준비하였으나 예비실험을 통해 화재 전이 현상의 실험에는 신문용지가 적합한 것을 확인하였고, 가연물의 크기는가로, 세로가 각각 30cmX20cm로 하였다.
- 실험방법은 고체 가연물인 신문 용지를 용기 내부일정 위치에 설치하고 다른 가스폭발 실험의 경우와 마찬가지로 용기 내부를 진공으로 만든 다음 일정량의 시료 가스를 주입하고 밸브를 열어 나머지 부피는 공기가 채워져 용기내부가 균일한 농도가 되게 하였다. 가스를 혼합한 후 점화원 반대쪽을 종이로 된 diaphrag m 으로 대체하여 폭발압력에 의해 diaphrag m이 파열되므로 전면의 관측창이 파괴되는 것을 방지하였다.
- 8은 개구부 크기가 27cmX20cm인 경우 가스의 농도에 따른 용기내 고체 가연물 시료의 착화지연 시간을 보여주고 있다. 착화지연시간은 혼합가스의 착화에서부터 폭발용기내 가연물 시료의 착화까지의 시간을 의미하는 것으로 가스폭발 후 가연물 시료의 착화과정을 가시화하여 분석하였다. 분석결과 농도가 낮은 경우가 높은 경우보다 짧게 나타나고 있논데 이는 농도가 당량비(<p=l)보다 낮은 경우는 용기 내부의 가연성 가스가 완전히 연소하여도 완전히 소모되지 않은 산소가 남아 있기 때문에 폭발화염에 의해 생성된 가연물의 열분해 가스가 열분해와 동시에 착화되는 것이며, 농도가 당량비 p=l) 보다 높은 경우는 용기 내에 이미 연료의 농도가 높기 때문에 혼합 가스 폭발 시용기 내 산소가 완전히 소모되어 폭발 화염.
- 폭발용기 의 전면은 폭발 화염과 화재로의 전이 과정을 가시화하기 위하여 투명한 폴리카보네이트로 하였으며, 점화원 반대면은 폭발 후 파열되는 격막을 설치하였으며 격막의 크기는 폭발 용기 부피에 대한 개구부의 비가 1/3000 cm~l/ 250 cm까지 5종류가 되도록 하였다. 폭발 압력은 strain 형 압력센서를 이용하여 디지털 오실로스코프로 측정하였으며 폭발화염 가시화는 30us의 속도가 되도록 촬영하여 분석하였고 혼합 가스의 점화원은 10KV 전기 방전불꽃을 사용하였다
- 1과 같으며 실험에 사용된 폭발용기의 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 100 cm, 60 cm, 45 cm로 부피는 270 Z이다. 폭발용기 의 전면은 폭발 화염과 화재로의 전이 과정을 가시화하기 위하여 투명한 폴리카보네이트로 하였으며, 점화원 반대면은 폭발 후 파열되는 격막을 설치하였으며 격막의 크기는 폭발 용기 부피에 대한 개구부의 비가 1/3000 cm~l/ 250 cm까지 5종류가 되도록 하였다. 폭발 압력은 strain 형 압력센서를 이용하여 디지털 오실로스코프로 측정하였으며 폭발화염 가시화는 30us의 속도가 되도록 촬영하여 분석하였고 혼합 가스의 점화원은 10KV 전기 방전불꽃을 사용하였다
대상 데이터
- 소화약제 용기는 직경 20 cm에 높이 22 .5 cm의 부피 7Z 용기를 사용하였다.
- 실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같으며 실험에 사용된 폭발용기의 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 100 cm, 60 cm, 45 cm로 부피는 270 Z이다. 폭발용기 의 전면은 폭발 화염과 화재로의 전이 과정을 가시화하기 위하여 투명한 폴리카보네이트로 하였으며, 점화원 반대면은 폭발 후 파열되는 격막을 설치하였으며 격막의 크기는 폭발 용기 부피에 대한 개구부의 비가 1/3000 cm~l/ 250 cm까지 5종류가 되도록 하였다.
성능/효과
- 1. 가스 폭발 후 화재로의 전이 현상은 혼합가스의 농도에 따라 다른 양상을 볼 수 있는데 당량비 보다 낮은 경우는 폭발화염에 의한 열분해와 함께 착화되었으며 당량비보다 높은 경우는 산소의 부족으로 폭발 화염과 연소가스 분출 후 재 유입되는 공기의 공급과 함께 착화하였다.
- 2. 당량비보다 높은 농도의 혼합가스 폭발인 경우 착화지연 시간은 연소가스의 방출 후 용기내부로 외부 공기가 유입되는 시간과 관계가 있으며 외부공기의 유입이 빠를수록 착화지연시간이 짧아짐을 알 수 있었다.
- 3. 개구부의 크기가 작을수록 용기내의 폭발압력은 증가하여 개구부에서의 연소가스 방출속도는 빠르나 방출 유량이 작아 전체적으로 유출되는 시간이 많이 소요되므로 착화지연시간이 길어졌으며, 개구부가 클 경우는 용기내부압력이 낮기 때문에 연소가스 방출속도가 느려 결국 외부공기 유입속도가 늦어져 점화지연 시간이 증가하였다.
- 4. 가스폭발 후 화재로의 전이에 영향을 미치는 주요 인자는 혼합가스의 농도, 개구부에 따른 공기 유동 및 폭발화염의 복사열임을 알 수 있다.
- 5. 가스 폭발 후 화재로의 전이를 방지하기 위한 소화약 제의 방출시간은 폭발화염의 열 및 외부공기의 유입을 고려하여 설정하여야 하며 적어도 1초 이내에 감지하여 약제를 방출시키는 시스템이 유효할 것으로 판단된다.
- LPG 농도가 4.5%이고 가스 폭발 후 화재로 전이되는 현상을 방지하기 위해 점화원에 의해 용기 내 혼합가스가 폭발한 후 600 ms에 CO가 방사되도록 설정하여 실험한 결과 시료인 신문용지에 363ms에 착화가되었으나 가스폭발 후 627 ms COP} 방사되면서 소염되는 것을 확인할 수 있었다.
- 5%, 5%, 6%로 하였다. 가연물로는 신문용지, 골판지, 순수목면 및 폴리에스테르가 60% 섞인 혼방 천을 준비하였으나 예비실험을 통해 화재 전이 현상의 실험에는 신문용지가 적합한 것을 확인하였고, 가연물의 크기는가로, 세로가 각각 30cmX20cm로 하였다.
- 7과 관련하여 볼 때 개구부가 작을수록 내부압력이 크기 때문에 연소 가스의 방출 속도가 빠르고 착화지연시간이 짧아질 것으로 예측하였으나, 개구부가 작은 경우 압력이 높아 개구부에서의 방출 유속은 크지만 전체가 빠져나가는 데는 시간이 많이 소요되기 때문에 외부공기의 유입시간도 늦어져 착화지연시간이 길어졌으며, 개구부의 크기가 큰 40cmX27cm의 경우는 용기내부의 압력이 낮기 때문에 개구부에서의 방출 유속이 낮아서 연소가스의 방출에 많은 시간이 소요되어 외부공기의 유입 시간이 늦어져 착화지연시간이 길어진 것으로 나타났다. 가장 긴 지연시간과 짧은 경우 약 0.3초의 차이로 큰 의미가 없어 보이지만 개구부의 크기에 따른 폭발 후 연소 가스의 방출과 외부공기의 유입이 화재 전이에 영향을 미치는 현상을 확인할 수 있었다.
- 11에서 보는 바와 같이 가스폭발 후 759ms에 시료에 착화되었고 폭발 후 825 ms에 공기가 방출되었으나 고체 시료에 착화된 화염이 소염되지 않고 더욱 화염이 확산되는 것을 볼 수 있었다. 따라서 약제의 방출압력보다는 CO의 질식효과에 의해 화염이 소염되는 것을 확인할 수 있었다.
- 및 열에 의해 열분해 된 가스가 점화되지 못하고 폭발 가스가 용기 밖으로 방출된 후 부압에 의해 외부공기가 다시 용기 내부로 들어올때 산소의 공급과 더불어 연소가 시작되기 때문임을 알 수 있었다. 따라서 폭발 공간 내의 가연성가스의 농도에 따라 가스폭발 후 화재로 의전이 과정이 달라짐을 알 수 있었다.
- 또 Fig. 6은 폭발통의 개구부가 파열되는 vented explosion0] 일어나는 현상에서 용기내부의 압력을 측정한 것으로 내부의 압력은 파열면에 부착된 diaphrag m 의 강도에 의해서 절대적인 압력은 영향을 받게 되며, 시료의 위치나 방향보다는 가스의 농도에 의해 영향을 받게 됨을 나타냈으며 화염전파속도와 같이 당량혼합비보다 10% 정도 높은 4.5%에서 최대값을 나타내고 당량혼합비보다 높아지거나 낮아질수록 폭발압력이 감소하고 있어 폭발압력 역시 농도에 따라 큰 영향을 받게 됨을 알 수 있었다.
- 본 실험을 통해서 가스 폭발 후 화재로의 전이를 방지하기 위해서는 가스폭발에 의해 연소가스가 밖으로 방출되고 외부공기가 내부로 유입되는 시점에 맞추어 소화 약제가 방출될 경우 가스폭발에 의한 화재로의 전이를 방지할 수 있음을 알 수 있으며 폭발 공간의 크기에 따라 폭발화염의 방출과 외부공기의 유입 시간이 다르기는 하지만 적어도 1초 이내에 소화약제를 방출할 수 있는 시스템이 갖추어지면 가스 폭발 후 화재로의 전이는 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
- 5% 농도보다 느리게 외부로 방출되었다가 다시 공기가 유입되면서 신문용지에 착화된 화염이 발생하는 현상 올 보여주고 있다. 위의 3가지 경우는 가스의 농도가 당량혼합비보다 낮은 경우, 거의 같은 경우, 높은 경우에 대하여 측정된 결과로 가스 폭발 후 전이 과정이 각각 다르게 나타남을 알 수 있었다.
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