[논문]환기 조건에 따른 화재거동 연구

김성찬

doi:10.3795/ksme-b.2008.32.5.367

환기 조건에 따른 화재거동 연구
On the Fire Behavior Due to the Ventilation Condition in the Fire Compartment 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B. B, v.32 no.5 = no.272, 2008년, pp.367 - 373

Abstract ▼ AI-Helper

A series of fire experiments has been conducted to provide an improved understanding of the fire structure of under-ventilated compartment fires. A comprehensive and quantitative assessment of gaseous species from the fire was made in the upper layer of fire in a 40 % reduced scale ISO 9705 fire compartment. The global equivalence ratio (GER) concept was used to characterize the fire behavior for various fire sizes, fuel types and ventilation conditions. The oxygen concentration in the upper layer reached to zero near the global equivalence ratio of $0.4{\sim}0.6$ while the carbon monoxide concentration increases with increasing the global equivalence ratio. Classification parameters of ISO19706 were also compared with the reduced scale experimental data for under ventilation fire.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 화재실 내부의 환기조건에 따른 연소가스 생성에 관한 물리적 이해를 도모하고 환기부족 화재에 대한 기준조건을 검토하기 위하여 모형 실험을 통해 화재실내부의 연소 특성을 분석하였다. 실험을 통해 얻은 결론은 아래와 같이 요약된다.
81 m 이다. 본 연구에서는 외부에서 유입되는 외기의 영향을 파악하기 위하여 표준 출입구 폭을 절반으로 줄인 0.24 m 인 경우에 대한 추가적인 실험을 수행하였다. 환기 부족화재의 경우 화재실내부 온도가 최고 1000 ℃이상 유지되기 때문에 화재실을 지지하고 변형을 최소화 하기 위하여 강철 프레임을 제작하였으며 프레임 내부는 내화재료인 마그네슘 보드와 마리나이트(marinate) 보드를 혼용하였다.
본 연구에서는 화재 공간 내에서 당량비에 따른 연소가스의 생성을 실험적으로 파악하여 환기부족 화재에 대한 화재거동을 이해하고 환기적정화재와 환기부족화재를 구분하기 위한 설정 조건을 측정된 실험결과를 통하여 검토하고자 한다. 이러한 실험자료를 바탕으로 관련분야의 응용연구를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 축소 모형실험은 환기특성에 따른 제한된 공간 내에서 연소생성물의 특성을 파악하기 위한 연구로써 실제규모의 실험과의 비교검증을 통하여 상사관계를 파악할 필요가 있다. 이러한 연구를 통하여 환기조건에 따른 화재 특성을 이해하고 수치 해석이나 관련 연구를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 연구에서는 화재 공간 내에서 당량비에 따른 연소가스의 생성을 실험적으로 파악하여 환기부족 화재에 대한 화재거동을 이해하고 환기적정화재와 환기부족화재를 구분하기 위한 설정 조건을 측정된 실험결과를 통하여 검토하고자 한다. 이러한 실험자료를 바탕으로 관련분야의 응용연구를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
본 축소 모형실험은 환기특성에 따른 제한된 공간 내에서 연소생성물의 특성을 파악하기 위한 연구로써 실제규모의 실험과의 비교검증을 통하여 상사관계를 파악할 필요가 있다. 이러한 연구를 통하여 환기조건에 따른 화재 특성을 이해하고 수치 해석이나 관련 연구를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

제안 방법

환기 조건에 따른 연소생성물의 거동을 파악하기 위하여 화재실 상층부의 2 군데 위치에서 연소가스의 농도 및 온도를 측정하였다. 출입구에 인접한 전면부 측정위치는 출입구 벽에서 10 cm, 측면 벽에서 29 cm, 천정아래 10 cm 지점이고 후면부 측정위치는 뒤쪽 벽에서 29 cm, 측면 벽에서 29 cm, 천정아래 10 cm 지점의 가스 농도를 분석하였다. 산소 농도의 측정은 상자성 산소 분석기(para-magnetic oxygen analyzer)를 이용하였고 이산화 탄소와 일산화탄소의 농도는 비분산 적외선 가스 분석기(NDIR gas analyzer)에 의해 측정된다.
환기 조건에 따른 연소생성물의 거동을 파악하기 위하여 화재실 상층부의 2 군데 위치에서 연소가스의 농도 및 온도를 측정하였다. 출입구에 인접한 전면부 측정위치는 출입구 벽에서 10 cm, 측면 벽에서 29 cm, 천정아래 10 cm 지점이고 후면부 측정위치는 뒤쪽 벽에서 29 cm, 측면 벽에서 29 cm, 천정아래 10 cm 지점의 가스 농도를 분석하였다.

대상 데이터

산소 농도의 측정은 상자성 산소 분석기(para-magnetic oxygen analyzer)를 이용하였고 이산화 탄소와 일산화탄소의 농도는 비분산 적외선 가스 분석기(NDIR gas analyzer)에 의해 측정된다. 측정위치에서의 수집된 연소가스는 1 단계로 드라이아이스와 유리비드, 2 단계로 얼음용기와 유리섬유 필터를 통과하며 수분과 불순물을 제거하고 2.3 L/min 의 유량으로 각각의 가스 분석기로 공급된다. 연소가스의 온도는 외부 복사열전달의 영향을 최소화하기 위해 이중 차폐관을 가진 흡입식 열전대(aspiration thermocouple)를 이용하였으며 흡입유량은 25 L/min 이다.
화원은 화재의 크기에 상관없이 화재실의 중앙부에 위치하고 사용된 연료는 메탄(methane), 헵탄(heptane), 폴리스틸렌(polystyrene) 고형분(pellets)을 이용하였다. 메탄과 헵탄 화재의 면적은 각 변의 길이가 25 cm 인 정사각형 버너와 풀(pool)을 각각 이용하였으며 헵탄 풀 화재의 경우 외부에서 지속적으로 연료를 공급하여 연료의 표면적과 깊이를 일정하게 유지하였다.
2 는 실험에 사용된 화재실의 주요 치수 및 측정위치를 나타내고 있다. 화재 공간의 크기는 ISO-9705 표준화재실의 40% 축소 모형으로써 길이 1.46 m, 폭 0.98 m, 높이 0.98 m 이며 표준 출입구의 크기는 폭 0.48 m, 높이 0.81 m 이다. 본 연구에서는 외부에서 유입되는 외기의 영향을 파악하기 위하여 표준 출입구 폭을 절반으로 줄인 0.

이론/모형

주어진 화원에 대한 발열량 측정은 한 변의 길이가 3 m 인 정사각형 후드를 가진 산소소모 열량계에 의해 측정되며 측정가능 최대 발열량은 약 1 MW 정도이다. 발열량은 배기 덕트에서의 배기가스의 질량유량과 농도에 의해 산정되는 산소소모법(oxygen consumption principle)에 의해 계산된다.⁽⁸⁾
출입구에 인접한 전면부 측정위치는 출입구 벽에서 10 cm, 측면 벽에서 29 cm, 천정아래 10 cm 지점이고 후면부 측정위치는 뒤쪽 벽에서 29 cm, 측면 벽에서 29 cm, 천정아래 10 cm 지점의 가스 농도를 분석하였다. 산소 농도의 측정은 상자성 산소 분석기(para-magnetic oxygen analyzer)를 이용하였고 이산화 탄소와 일산화탄소의 농도는 비분산 적외선 가스 분석기(NDIR gas analyzer)에 의해 측정된다. 측정위치에서의 수집된 연소가스는 1 단계로 드라이아이스와 유리비드, 2 단계로 얼음용기와 유리섬유 필터를 통과하며 수분과 불순물을 제거하고 2.
일반적으로 화재실 내부의 연소상태는 화원의 크기, 연료의 종류, 출입구의 크기 등에 의해 직접적인 영향을 받기 때문에 본 연구에서는 총괄당량비(GER, global equivalence ratio, Φ) 개념을 이용하여 화재실내에 연료와 공기의 비를 정의한다.

성능/효과

(1) 총괄당량비를 이용하여 화재실내부의 환기 상태를 파악하였으며 연료에 따라 다소 차이는 있지만 총괄 당량비가 0.4~0.6 정도에서 상층부산소농도는 거의 0 이 된다. 또한 상층부에서의 이산화탄소 농도는 총괄당량비가 약 0.
(2) 화재실의 상층부 평균 온도는 총괄당량비가 약 0.4~0.6 정도에서 최대 약 1400 K 까지 상승하고 이후 당량비 증가에 따라 환기부족상태가 되면 화재실 상층부의 온도는 감소하는 경향을 보인다.
(3) 본 실험결과와 ISO 의 환기부족화재에 대한 분류 기준을 비교해보면 환기부족화재에 대해 ISO 기준은 CO/CO₂ 농도 비에 대해서는 비교적 타당한 기준 값을 제공하고 있으나 상층부의 온도나 당량비에 대해서는 다소 차이를 보이고 있다. 따라서 이러한 구획화재에 대한 많은 실험 자료를 기반으로 하여 환기부족화재에 대한 보다 타당한 설정 기준을 제공해야 할 것으로 판단된다.
6 사이에서 급격히 증가하는 경향을 보인다. 따라서 환기부족 화재의 기준이 본 연구에서는 총괄당량비를 기준으로 0.4~0.6 이상에서 화재실 내부는 환기부족상태에 도달하게 됨을 파악할 수 있다. 이러한 결과를 ISO 의 환기부족화재에 대한 분류 기준과 비교해보면 ISO 기준은 환기부족화재에 대해 CO/CO₂ 농도 비는 비교적 타당한 범위 값을 가지고 있으나 상층부의 온도는 지나치게 낮고 당량비는 과도하게 설정하고 있는 경향을 보인다.
본 연구결과를 요약하면 총괄당량비가 약 0.4~0.6 사이에서 상층부의 산소농도는 거의 0 에 도달하고 이산화탄소의 생성 및 상층부 온도가 최대가 된다. 또한 CO/CO₂의 농도 비는 총괄당량비가 0.
폴리스틸렌이나 PVC 등과 같은 물질은 환기량이 충분한 경우에도 높은 일산화탄소 생성률을 보이는 것으로 알려져 있는데⁽¹³⁾ 본 연구에서도 환기량이 충분한 경우에 있어서도 화재실의 상층부에서 CO/CO₂ 비가 약 5% 이상을 나타내고 있다. 전체적으로 연료의 종류에 관계없이 총괄당량비가 0.4 정도에서 10%를 정도를 나타내고 발열량 증가에 따라 꾸준히 증가함을 보여준다. 총괄당량비 증가에 따른 CO/CO₂ 비는 가스계 연료인 메탄화재에서 상대적으로 낮고 헵탄과 폴리스틸렌 화재에서 상대적으로 높게 나타났다.
4 정도에서 10%를 정도를 나타내고 발열량 증가에 따라 꾸준히 증가함을 보여준다. 총괄당량비 증가에 따른 CO/CO₂ 비는 가스계 연료인 메탄화재에서 상대적으로 낮고 헵탄과 폴리스틸렌 화재에서 상대적으로 높게 나타났다. 메탄 화재를 제외하고는 총괄당량비가 1 보다 작은 값에서 CO/CO₂ 의 비가 0.

후속연구

농도 비에 대해서는 비교적 타당한 기준 값을 제공하고 있으나 상층부의 온도나 당량비에 대해서는 다소 차이를 보이고 있다. 따라서 이러한 구획화재에 대한 많은 실험 자료를 기반으로 하여 환기부족화재에 대한 보다 타당한 설정 기준을 제공해야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화재실 내부의 가연 연료가스의 존재는 어떤 문제를 야기시키는가?	이러한 화재실 내부의 가연 가스 연료의 존재는 최성기 화재(flashover), 역화(backdraft), 화재폭발(fireball) 등과 같은 화염으로 인한 열적피해뿐만 아니라 불완전 연소과정 중에 발생하는 유독가스인 일산화탄소(CO), 염화수소(HCl), 시안화수소(HCN)등으로 인한 질식이나 다량의 매연(soot)으로 인하여 거주자들의 가시거리 감소를 유발하여 많은 인명피해를 야기하게 된다. 이러한 유독가스(toxic gases)에 대한 예측은 화재 위험도를 평가하는데 있어서 주요 변수로 인식되고 있으며 실제로 대부분의 화재 인명피해가 이러한 유독가스에 의한 질식과 관련이 있다.
	화재 공간 내부의 화재거동은 무엇에 크게 영향을 받는가?	화재공간 내부의 화재거동은 주변 외기의 환기 상태에 따라 크게 영향을 받게 된다. 일반적으로 외부에서 유입되는 공기의 양은 화원특성에 관계 없이 개구부의 기하학 적인 형상에 의존하는 것으로 알려져 있다.
	일반적으로 화재 발생시 외부에서 유입되는 공기의 양은 무엇에 의존하는 것으로 알려져 있는가?	화재공간 내부의 화재거동은 주변 외기의 환기 상태에 따라 크게 영향을 받게 된다. 일반적으로 외부에서 유입되는 공기의 양은 화원특성에 관계 없이 개구부의 기하학 적인 형상에 의존하는 것으로 알려져 있다. Fig.

참고문헌 (13)

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상세보기
Purser, D. A., 2002, “Toxicity Assessment of Combustion Products,” SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3rd Edition
Hull, T. R., Lebek, K., Pezzani, M. and Messa, S., 2007. “Comparison of Toxic Product Yields of Burning Cables in Bench and Large-scale Experiments,” Fire Safety Journal, In Press
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상세보기
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Bryant, R. A., Ohlemiller, T. J., Johnsson, E. L., Hamins, A., Grove, B. S., Guthrie W. F., Maranghides, A. and Mulholland, G., 2003, “NIST 3Megawatt Quantitative Heat Release Rate Facility,” NIST, SP 1007, Gaithersburg, MD
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Drysdale, D., 1998, “An Introduction to Fire Dynamics,” 2nd Edition, Wiley, UK
Gottuk, D. T. and Lattimer, B. Y., “Effect of Combustion Conditions on Species Production,” SFPE Handbook of fire Protection Engineering, 3rd Edition
Andersson, P., Rossel, L., Simonson, M, and Emanuelsson, V., 2004, “Small and Large Scale Fire Experiments with Electric Cables Under Wellventilated and Vitiated Conditions,” Fire Technology, Vol. 40, pp. 247-62

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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