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문제 정의
- 기존의 액체연료 모델로 널리 알려진 Pool fire 모델에서 측정되는 온도분포, 화염높이에 따른 열방출 속도, 연소 질량감소 속도, 지표화 연료 상부의 열 유체속도 둥을 중심으로 연소 특성을 분석하였다. 따라서 본 논문에서는 열량 분석과 연소특성 분석에 관한 실험방법 및 측정 시스템을 제시하였으며, 실험방법을 통하여 얻어진 데이터는 지표화의 위험성 및 산불확산 예측에 있어서 이를 활용하고자 한다.#
제안 방법
- 굴참나무 낙엽과 소나무 낙엽을 분쇄기를 이용하여 분쇄 후 시료로 사용하여 측정한 것이며, 그 이외의 잎, 그물망, 꼭지는 낙엽에서 분리 후 2mm 의 크기로 절단하여 사용하였다. 시료는 0.
- 을 실시하였다. 기존의 액체연료 모델로 널리 알려진 Pool fire 모델에서 측정되는 온도분포, 화염높이에 따른 열방출 속도, 연소 질량감소 속도, 지표화 연료 상부의 열 유체속도 둥을 중심으로 연소 특성을 분석하였다. 따라서 본 논문에서는 열량 분석과 연소특성 분석에 관한 실험방법 및 측정 시스템을 제시하였으며, 실험방법을 통하여 얻어진 데이터는 지표화의 위험성 및 산불확산 예측에 있어서 이를 활용하고자 한다.
- 원통형 바스켓을 사용하였다. 바스켓별 시료는 20 cm인 경우 50 g, 70 g, 30 cm인 경우 150 g, 200 g로 변화시켜 가면서 수종별, 바스켓 지름별, 중량별로 각각 3 회씩 실험한 평균값을 이용하였다. 2006년 산불피해저감을 위한 진화기술 개발 보고서에 의하면 낙엽층 두께는 6~8cm로 되어 있으며, 인근 산림 내 현장 답사 시 낙엽층 두께는 대략 5~10cm로 지형과 계절에 따라서 큰 차이를 보이고 있으며, 밀도 또한 계곡과 능선 등의 지형에 따라 큰 차이를 보이고 있다.
- 산불의 주요 인자이다. 본 논문에서는 연료인 자를 분석하기 위한 실험방법에 대하여 중점을 두었으며, 형태, 크기, 밀도에 따라 연소 형태가 다르게 나타나며, 지형인자의 경우 산불의 진행방향과 확산속도에 중요한 영향을 준다. 또한 기상인자는 강우량, 바람, 습도, 온도 둥의 인자로 연료의 연소현상에 영향을 준다.
- 본 연구에서는 산불의 발생 초기의 형태인 지표화에 대한 체계적인 연구를 위해 산림 내에 존재하는 가연물(낙엽, 고사목, 초본류, 임목)중에서 산불연료형별 조사 결과 연소물량이 많은 두 종류의 침엽수종과 활엽수종 낙엽을 선정, TGA, Oxygen Bomb Calorimeter를이용하여 열량분석#을 실시하였다. 기존의 액체연료 모델로 널리 알려진 Pool fire 모델에서 측정되는 온도분포, 화염높이에 따른 열방출 속도, 연소 질량감소 속도, 지표화 연료 상부의 열 유체속도 둥을 중심으로 연소 특성을 분석하였다.
- 화염의 높이는 비디오카메라를 이용하여 점화와 동시에 측정을 시작하여 불꽃이 완전히 없어지는 시점까지 측정하였으며 , 5 cm간격으로 1 sec단위로 재생 분석 하였다. 온도변화는 DAQ(Data Acquisition)를 이용하여 기록하였고, 기체유속 및 전자저울은 별도의 인터페이스 Program을 이용하여 데이터를 1초 간격으로 자동으로 저장하였다.
- 위해 32개의 열전대를 배치하였다. 이중 T1 는 바스켓 중심 바닥면에, T2는 바스켓 중앙부분(5 cm), T3는 바스켓 상부에 설치하였으며, T6~T11는 수직 중심축에 25 cm 간격으로 01.6 mm K-type 열전대를 설치하였다. 바스켓 주위에는 20개(T12~T31)의 일반 실드 처리된 열전대를 사용 하였으며, 주위온도를 측정하기우해 T32를 설치하였다.
- 질량감소량은 전자저울을 이용하여 1초 간격으로 측정 분석하였다. 점화는 바스켓 시료표면에 점화봉을 이용하여 약 3~5초 동안 유지하였으며, 점화 후 연소가 시작되면, 화염의 수직과 수평 온도를 측정하였으며, 기체의 유속을 측정하기 위해유속 0~50m/s, 온도 0~500°C의 측정범위를 갖는 기체 유속계를 바스켓의 직상부 1.5 m에 설치하였다. 화염의 높이는 비디오카메라를 이용하여 점화와 동시에 측정을 시작하여 불꽃이 완전히 없어지는 시점까지 측정하였으며 , 5 cm간격으로 1 sec단위로 재생 분석 하였다.
- 바스켓 주위에는 20개(T12~T31)의 일반 실드 처리된 열전대를 사용 하였으며, 주위온도를 측정하기우해 T32를 설치하였다. 질량감소량은 전자저울을 이용하여 1초 간격으로 측정 분석하였다. 점화는 바스켓 시료표면에 점화봉을 이용하여 약 3~5초 동안 유지하였으며, 점화 후 연소가 시작되면, 화염의 수직과 수평 온도를 측정하였으며, 기체의 유속을 측정하기 위해유속 0~50m/s, 온도 0~500°C의 측정범위를 갖는 기체 유속계를 바스켓의 직상부 1.
- 5 m에 설치하였다. 화염의 높이는 비디오카메라를 이용하여 점화와 동시에 측정을 시작하여 불꽃이 완전히 없어지는 시점까지 측정하였으며 , 5 cm간격으로 1 sec단위로 재생 분석 하였다. 온도변화는 DAQ(Data Acquisition)를 이용하여 기록하였고, 기체유속 및 전자저울은 별도의 인터페이스 Program을 이용하여 데이터를 1초 간격으로 자동으로 저장하였다.
대상 데이터
- 6 mm K-type 열전대를 설치하였다. 바스켓 주위에는 20개(T12~T31)의 일반 실드 처리된 열전대를 사용 하였으며, 주위온도를 측정하기우해 T32를 설치하였다. 질량감소량은 전자저울을 이용하여 1초 간격으로 측정 분석하였다.
- 시료에 대한 지표화 상부의 열 유체속도, 연소온도, 화염높이에 따른 열방출 속도, 연소 질량감소 속도 등에 대한 연소특성 분석에 사용된 측정 시스템의 개략도는 Figure 2와 같으며, 바스켓 중심축과 주위 온도를 측정하기 위해 32개의 열전대를 배치하였다. 이중 T1 는 바스켓 중심 바닥면에, T2는 바스켓 중앙부분(5 cm), T3는 바스켓 상부에 설치하였으며, T6~T11는 수직 중심축에 25 cm 간격으로 01.
- 시료의 용기는 지름이 20 cm, 30 cm, 높이가 10 cm 인 두 종류를 사용하였으며, 이때 격자의 크기는 5x5 mm 인 원통형 바스켓을 사용하였다. 바스켓별 시료는 20 cm인 경우 50 g, 70 g, 30 cm인 경우 150 g, 200 g로 변화시켜 가면서 수종별, 바스켓 지름별, 중량별로 각각 3 회씩 실험한 평균값을 이용하였다.
- 0g씩 사용하였다. 점화선의 재질은 Nickel(길이 10cm)이며, 고압 Bomb 내에 충전되는 산소의 순도는 99.95%이며, 압력은 30kg/cm2으로 설정한 후 3회 실험하였다.
- 지표화 연료에 대한 열량 분석에 사용된 시료는 침엽수종인 소나무 낙엽과 활엽수종인 굴참나무 낙엽을 자연 상태에서 채집, 시료의 동일한 함수율 조건을 맞추기 위해 45#(2의 건조기에서 168 h 동안 건조시킨 후 사용하였으며, 건조 직후 함수율은 소나무 낙엽은 7.1%, 굴참나무 낙엽은 8.7%이다. 이들 시료에 대한 함수율측정은 105#(2의 건조기에서 장시간 건조시키면서 시료의 중량을 4시간 간격으로 측정하여 더 이상의 중량변화가 없을 때까지 측정하고, 다음의 식(1)을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 1) 지표화에 대하여 열량 및 연소 특성을 Pool fire와 동일 분석 방법으로 측정한 결과 액체와 고체 연료의 차이가 있음에도 불구하고 유사한 특성을 관찰할. 수 있었으나, 열량이나 온도가 액체 연료만큼 높은 효율을 나타내지는 못하고 있다.
- 2) TGA 분석에서 10%의 열 중량 손실에서는 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽에서의 열분해 온도는 거의 동일하였으나, 50%의 열 중량 손실 비율에서는 소나무 낙엽의 전체와 잎이 굴참나무 낙엽의 전체와 잎에 비해 약 20°C 정도 낮음을 알 수 있었다. 산불에 의해 굴참나무 낙엽보다는 소나무 낙엽에서 보다 빠른 열분해가 발생될 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 3) 소나무 낙엽의 연소열은 5, 231 cal/g이고, 굴참나무 낙엽에 대한 연소열은 4, 850 cal/g이다. 단위 중량당 연소열은 큰 차이가 남을 알 수 있었다.
- 4) 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽의 질량 감소속도를 알고 발열량을 구하였으며 화염높이와의 상관관계를 알 수 있었다.
- 5) 화염의 주위의 수직 및 수평 온도분포를 알 수 있었다.
- 6) 동일한 조건에서 침엽수종인 소나무 낙엽이 활엽수종인 굴참나무 낙엽에 비해 빠른 질량감소 속도를 나타내어 지표화에서는 빠른 전파속도를 보이고 있다.
- 7) 수관화로의 전이 메카니즘을 이해하기 위하여 화염 높이 및 온도분포는 중요한 데이터로 활용이 가능하다.
- 6°C 굴참나무 낙엽의 경우 163.SC에서 시작되었으며, 10% 의 열 중량 손실에서는 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽에서의 열분해 온도는 거의 동일하였으나, 50%의 열중량 손실 비율에서는 소나무 낙엽의 전체와 잎이 굴참나무 낙엽의 전체와 잎에 비해 약 2UC 정도 낮음을 알 수 있었다. 굴참나무 낙엽은 550°C, 소나무 낙엽은 490。(3에서 더 이상 열 중량 손실이 일어나지 않아, 최대 600。(2까지 승온 실험 측정하였다.
- 98 g/s로 측정되었다. 또한 동일한 조건에서 침엽수종인 소나무 낙엽이 활엽수종인 굴참나무 낙엽에 비해 빠른 질량감소속도를 나타내었으며, 이는 두 시료 간의 평균 열량값의 차이에서 기인된 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 기상인자는 강우량, 바람, 습도, 온도 둥의 인자로 연료의 연소현상에 영향을 준다. 본 논문은 국내 대표적인 수종인 침엽수종(소나무) 및 활엽수종(굴참나무)을 선택하여 실험방법을 제시하였고, 추후에는 다른 종류를 대상으로 확대 실시 할 계획이 다.
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