[국내논문]복사열을 이용한 소나무와 굴참나무 낙엽의 연소특성 분석 A Combustion Characteristic Analysis of Quercus Variabilis and Pinus Densiflora Fallen Leaves Using Radiation Heat Flux원문보기
본 연구에서는 지표화의 연소물질인 소나무와 굴참나무 낙엽에 대해 일정한 외부 복사열에 의한 연소특성을 분석하였다. 일정한 외부 복사열에 노출된 낙엽의 착화시간, 착화온도, 임계열유속, 질량감소속도를 측정하기 위해 낙엽의 종류별로 5개의 시료를 사용하였으며, 낙엽에 복사열을 노출시키기 위해 Mass loss calorimeter를 사용하였다. 시료 용기의 크기는 $100\;mm{\times}100\;mm{\times}12\;mm$로 소나무와 굴참나무 낙엽을 건조 후 분쇄하여 사용하였다. 연구결과, 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽의 시료에서 외부 복사열이 $9\;kW/m^2$ 미만에서는 착화가 발생하지 않았다. 또한, 연소시간 동안 표면온도 변화는 굴참나무 낙엽에 비해 소나무 낙엽이 더 오랜 시간동안 고온을 유지함을 알 수 있었으며, 최대질량감소속도와 평균질랑감소속도에 있어서는 굴참나무 낙엽이 소나무 낙엽 보다 더 빠르게 진행됨을 알 수 있었다. 향후, 연소특성에 대한 구체적인 연소반응 특성에 대한 실험연구가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 지표화의 연소물질인 소나무와 굴참나무 낙엽에 대해 일정한 외부 복사열에 의한 연소특성을 분석하였다. 일정한 외부 복사열에 노출된 낙엽의 착화시간, 착화온도, 임계열유속, 질량감소속도를 측정하기 위해 낙엽의 종류별로 5개의 시료를 사용하였으며, 낙엽에 복사열을 노출시키기 위해 Mass loss calorimeter를 사용하였다. 시료 용기의 크기는 $100\;mm{\times}100\;mm{\times}12\;mm$로 소나무와 굴참나무 낙엽을 건조 후 분쇄하여 사용하였다. 연구결과, 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽의 시료에서 외부 복사열이 $9\;kW/m^2$ 미만에서는 착화가 발생하지 않았다. 또한, 연소시간 동안 표면온도 변화는 굴참나무 낙엽에 비해 소나무 낙엽이 더 오랜 시간동안 고온을 유지함을 알 수 있었으며, 최대질량감소속도와 평균질랑감소속도에 있어서는 굴참나무 낙엽이 소나무 낙엽 보다 더 빠르게 진행됨을 알 수 있었다. 향후, 연소특성에 대한 구체적인 연소반응 특성에 대한 실험연구가 필요할 것으로 판단된다.
The combustion characteristics of surface forest fire fuels was analysed using variable external irradiation level. The characteristics such as ignition time, ignition temperature, critical heat flux and mass loss rate were measured. Fuel samples were exposed to incident heat fluxes from 8 to $...
The combustion characteristics of surface forest fire fuels was analysed using variable external irradiation level. The characteristics such as ignition time, ignition temperature, critical heat flux and mass loss rate were measured. Fuel samples were exposed to incident heat fluxes from 8 to $50\;kW/m^2$. For the measurement of various combustion characteristics, the size of specimen holder was $100\;mm{\times}100\;mm{\times}12\;mm$ and the fuel samples grinded by electric mill were the fallen leaves of Quercus variabilis and Pinus densiflora. As results, the occurrence of ignition is possible to the heat flux more than $9\;kW/m^2$. The fuel of Pinus densiflora keeps its high temperature longer than that of Quercus variabilis during the combustion process. The results of measurement shows that the maximun and average mass loss rate of Quercus variabilis larger than that of Pinus densiflora.
The combustion characteristics of surface forest fire fuels was analysed using variable external irradiation level. The characteristics such as ignition time, ignition temperature, critical heat flux and mass loss rate were measured. Fuel samples were exposed to incident heat fluxes from 8 to $50\;kW/m^2$. For the measurement of various combustion characteristics, the size of specimen holder was $100\;mm{\times}100\;mm{\times}12\;mm$ and the fuel samples grinded by electric mill were the fallen leaves of Quercus variabilis and Pinus densiflora. As results, the occurrence of ignition is possible to the heat flux more than $9\;kW/m^2$. The fuel of Pinus densiflora keeps its high temperature longer than that of Quercus variabilis during the combustion process. The results of measurement shows that the maximun and average mass loss rate of Quercus variabilis larger than that of Pinus densiflora.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 산불의 종합위험등급화와 산불위험예보에 필요한 산불 위험지수 산정에 있어 매우 중요한 인자인 연료에 대한 특성 기초 Data를 제공하기 위해 침엽수종인 소나무와 활엽수종인 굴참나무 낙엽에 대하여 산불확산시 열전달 중 복사열에 대한 영향을 평가하기 위해 Mass Loss Calorimeter# 이용하여 일정한 외부 복사열이 존재하는 상태에서 각 시료에 대한 착화시간(Ignition time), 임계 열유속(Critical heat flux), 착화온도(Ignition temperature), 질량감소속도(Mass loss rate) 등에 대한 연소특성을 측정하였다.
제안 방법
Heat fluxe Mass loss calorimeter controller를 이용하여 설정온도까지 상승시킨 후 설정온도에서 방출되는 복사열량을 Heat flux meter를 이용하여 측정한다. Cone heater로부터 방출되는 복사열량(8~50 kW/n?)이일 정해 지면 100 mmX 100nunX 12 mm 크기의 시료 .
시료에 대한 칙화는 Cone heater 하부와 시료 상부의 중간 위치에서 점화 스파크를 이용하여 실시하였다. 또한 착화온도와 화염의 온도 변화를 측정하기 위해 시료 표면과 상부(시료 표면으로부터 100 mm, 200 mm)의 온도변화를 K-type(01.Onun)의열전대를 이용하여 매 1초 간격으로 온도를 측정하였으며, 시험시간 동안 시료의 중량변화는 매 1초 간격으로 Load cell을 이용하여 측정하였다. 이때 각종 Data 는 Data logger를 이용하여 Computer0]] 자동으로 저장된다.
산불확산의한 형태인 지표화의 주요 연소물질인 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽을 야산에서 채집하고, 45℃ 의 건조기에서 168 h 동안 건조시킨 후 전동 밀(electric mil)을 이용하여 분쇄하고, mesh를 사용하여 분류한 후사용하였다. Mass loss calorimeter!- 이용한 일정한 Heatflux에서 각 시료에 대한 연소특성을 측정하기 위해 사용된 시료의 크기는 710-150um이이며, 함수율은 굴참나무 낙엽은 3.
0mm(약 1 inch)의 위치에 놓고 초시계를 이용하여 착화시간, 화염유지시간, 소염 후 연소 시간 등을 측정하였다. 시료에 대한 칙화는 Cone heater 하부와 시료 상부의 중간 위치에서 점화 스파크를 이용하여 실시하였다. 또한 착화온도와 화염의 온도 변화를 측정하기 위해 시료 표면과 상부(시료 표면으로부터 100 mm, 200 mm)의 온도변화를 K-type(01.
Cone heater로부터 방출되는 복사열량(8~50 kW/n?)이일 정해 지면 100 mmX 100nunX 12 mm 크기의 시료 .용기에 측정하고자 하는 시료를 넣고 Cone heater 하부로부터 25.0mm(약 1 inch)의 위치에 놓고 초시계를 이용하여 착화시간, 화염유지시간, 소염 후 연소 시간 등을 측정하였다. 시료에 대한 칙화는 Cone heater 하부와 시료 상부의 중간 위치에서 점화 스파크를 이용하여 실시하였다.
착화온도는 주어진 외부 복사열에서 시험 시료의 노출된 표면 위에 위치한 1.0mm의 직경을 갖는 K type 의 열전대를 이용하여 점화가 되는 순간의 온도를 측정하였다.
대상 데이터
이용하여 분쇄하고, mesh를 사용하여 분류한 후사용하였다. Mass loss calorimeter!- 이용한 일정한 Heatflux에서 각 시료에 대한 연소특성을 측정하기 위해 사용된 시료의 크기는 710-150um이이며, 함수율은 굴참나무 낙엽은 3.74%, 소나무 낙엽은 3.72%이다. 이때 낙엽에 대한 함수율은 식 (1)의 방법으로 측정하였다.
측정한다. Cone heater로부터 방출되는 복사열량(8~50 kW/n?)이일 정해 지면 100 mmX 100nunX 12 mm 크기의 시료 .용기에 측정하고자 하는 시료를 넣고 Cone heater 하부로부터 25.
일정한 Heat flux에서의 복사열에 의한 연소특성은 Figure 1에 나타낸 Mass loss calorimeter# 이용하여 측 정하였으며, 시료는 건조 후 분쇄한 굴참나무 낙엽과 소나무 낙엽을 각각 28 g씩 사용하였다
데이터처리
1에 나타내었다. 착화시간은 각 외부 복사열의 단계에서 electric spark에 의해 시료 표면에서 착화가 발생할 때까지의 시간으로 3회의 측정 결과에 대한 평균가을 사용하였다. Table 1에 나타낸 바와 같이 두 가지 '시료 모두 9kW/m2 미만의 외부 복사열에서는 착화가 발생하지 않았으며, 소나무 낙엽에 비해 굴참나무 낙엽이 외부 복사열에 의한 착화시간이 더 길게 측정되었으나, 두 시료간의 큰 차이는 보이지 않았다.
이론/모형
일정한 Heat Flux(8~50kW/m2)에서 각 시료에 대한 착화 시간(ignition time), 임계 열유속(critical heat flux), 착화온도(ignition temperature), 질량감소속도(mass loss rate) 등의 연소특성을 측정하기 위해 Figure 1과 같이ISO 5660(Fire tests - Reaction to Fire, part 1)을 만족하는 Mass Loss Calorimeter(FTT사)를 사용하였다.
성능/효과
1) 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽의 시료에서 외부 복사열이 9 kW/m2 미만에서는 점화되지 않았다.
2) 외부 복사열의 변화에 따른 착화시간의 그래프로부터 예측된 임계열유속은 소나무 낙엽의 경우 6.04 kW/ m2, 활엽수 낙엽의 경우 4.49kW/m2로 나타났다.
3) 외부 복사열이 증가함에 따라 착화온도가 낮아짐을 알 수 있으나, 굴참나무 낙엽의 경우 16kW/m2, 소나무 낙엽의 경우 10kW/m2 미만에서 착화온도가 낮아지는 현상을 관찰할 수 있다.
4) 시료의 표면온도를 측정한 결과 소나무가 밀집되어 있는 곳에서 발생한 산불의 온도와 그 지속시간이 굴참나무가 밀집되어 있는 곳에서 보다 더 길어질 수 있다는 것을 예측할 수 있다.
5) 질량감소속도를 측정한 결과 같은 조건하에서 굴참나무 낙엽이 소나무 낙엽보다 연소현상이 더 빠르게 진행된다는 것을 알 수 있었다.
두 시료에 대한 질량감소속도를 비교해보면 활엽수종인 굴참나무 낙엽에서 최대질량감소속도는 0.1331 g/s이고, 평균질 량감소는 0.(用7 g/s인데 반하여 침 엽 수종인 소나무 낙엽의 경우에는 최대질량감소속도가 0.1114g/s 이고, 평균질량감소속도는 0.0423 g/s로 측정 되었다. 이로부터 같은 조건하에서 소나무 낙엽 보다 굴참나무낙엽에서 연소현상이 빠르게 진행된다는 것을 알 수 있다.
Table 1에 나타낸 바와 같이 두 가지 '시료 모두 9kW/m2 미만의 외부 복사열에서는 착화가 발생하지 않았으며, 소나무 낙엽에 비해 굴참나무 낙엽이 외부 복사열에 의한 착화시간이 더 길게 측정되었으나, 두 시료간의 큰 차이는 보이지 않았다. 일반적으로 침엽수종인 소나무 낙엽보다 활엽수종인 굴참나무 낙엽의 표면적이 크기 때문에 동일한 외부 복사열에서 더 빨리 착화가 발생할 것으로 예상되었으나, 실험결과는 소나무 낙엽에서 조금 더 빠르게 착화가 된 것을 알 수 있었다. 이는 건조 후 분쇄과정을 통해 거의 동일한 입도 분포를 갖는 시료를 사용함에 따라 낙엽들의 표면적이 거의 일정해지기 때문인 것으로 판단된다.
만족하면 electric spark에 의해 착화가 일어나는 것을 알 수 있다. 즉, 외부 복사열이 어느 일정 수치보다 높아지면 시료의 표면온도는 정상치를 얻지 못하고 착화가 발생하며, 외부 복사열이 증가할수록 착화에 이르는 시간이 짧아짐을 알 수 있다. 이 현상은 착화 여부가 온도에 관한 정상상태의 존재에 의하여 특정 지울 수 있음을 의미한다.
참고문헌 (11)
이시영, 원명수, 한상열, '산불발화지점의 임상 및 지형특성을 이용한 산불 발생 위험지수 개발', 한국화재소방학회 논문지, Vol. 19, No. 4, pp.75-79(2005)
이시영, '환경인자가 산불의 온도 및 진행속도에 미치는 영향', 동국대학교 석사학위논문(1990)
W. T. Simpson, 'Drying and Control of Moisture Content and Dimensional Changes', Wood Handbook - Wood as an Engineering Material, Forest Product Laboratory U.S.D.A. Forest Service Madison, Wisconsin, Chapter 12, pp.1-21(1987)
J. S. Michael, 'Predicting the Ignition and burning Rate of Wood in the Cone Calorimeter Using an Integral Model', NIST GCR 99-775, pp.47-66(1999)
G. H. H. Silcock and Shields, T. J., 'A Protocol for Analysis of Time-to-ignition Data from Bench Scale Tests', Fire Safety Journal, Vol. 24, pp.75-95(1995)
Hyung Ju Park, 'The Analysis on Combustion Characteristics of Flame Retardant Treated Wood Using an Integral Model', Ph.D. Dissertation, Hoseo Uni.(2004)
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