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문제 정의
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 실제 규모의 ISO 9705 표준 화재실에서 넓은 범위의 이론 발열량을 갖는 액체연료를 대상으로 화재실험을 수행하였다. 이를 통해 화재의 전반적인 특성을 나타내는 총괄연소효율과 구획 내부에서 측정된 국부연소효율의 차이점을 확인하고, 국부연소효율이 갖는 물리적인 의미를 모색하고자 한다.
- (3) 국부연소효율을 통해 얻어진 구획 내부의 반응 비율은 구획 내부의 연소특성을 보다 정확히 예측하는데 유용한 변수임을 확인하였다. 추가적으로 구획 내부에서의 온도 및 CO 등을 예측하기 위한 기존의 상사법의 문제점을 보완할 수 있는 중요한 변수가 될 수 있음을 논의하였다.
제안 방법
- 실규모 ISO 9705 표준 화재실에서 헵탄, 톨루엔 및 이소프로판올 액체 연료에 대한 화재 실험이 수행되었으며, 총괄 연소효율과 구획 내부의 국부 연소효율 개념에 대한 비교 검토가 이루어졌다. 주요 결과는 다음과 같다.
- 5mm의 비드 직경을 갖는 R-type 열전대와 샘플링 탐침(sampling probe)이 설치되었다. 채취된 연소가스에 대하여 산소 농도는 상자성(paramagnetic) 분석기, 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도는 NDIR(non- dispersive infrared) 분석기, 그리고 잔존 탄화수소연료의 농도는 FID(flame ionization detector)를 이용하여 측정되었다. 모든 결과는 준정상(quasi-steady) 상태의 조건에서 시간 평균된 값으로 제시되었다.
- 총괄연소효율을 구하기 위하여 ∆Hc는 구획 외부의 배기 후드에 설치된 산소소모열량계에 의해 측정된 실제 발열량으로 대체되었다. 또한 ∆Hc, ideal는 단위 질량당 이론 연소열(kJ/kg)과 연료 소모율(kg/s)의 곱으로 표현되었다.
- 7m의 정사각형 팬(pan)이 사용되었다. 팬에 일정한 양의 연료를 채우고 점화시키는 방법(pool pan)과 팬 위에 연료 분사 장치를 설치하여 연료를 계속적으로 공급하는(spraying on the pan) 두 가지 연료 공급 방식이 각각 사용되었다. 연료를 분사하는 방법을 사용할 경우 한 번의 실험에서 다양한 크기의 화재를 구현할 수 있다는 장점이 있었다.
대상 데이터
- 실제 규모의 구획화재 실험을 위하여 Figure 1(a)와 같이 2.4m × 2.4m × 3.6m의 크기를 갖는 ISO 9705 표준 화재실이 제작되었다.
- 0m의 출입구가 설치되었다. 연료는 다양한 연소열과 그을음 생성량을 갖도록 헵탄(C7H16), 톨루엔(C7H8) 그리고 이소프로판올(iso-propanol)의 3가지 액체연료가 사용되었다. 화원으로는 0.
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 실제 규모의 ISO 9705 표준 화재실에서 넓은 범위의 이론 발열량을 갖는 액체연료를 대상으로 화재실험을 수행하였다. 이를 통해 화재의 전반적인 특성을 나타내는 총괄연소효율과 구획 내부에서 측정된 국부연소효율의 차이점을 확인하고, 국부연소효율이 갖는 물리적인 의미를 모색하고자 한다.
성능/효과
- (1) 완전 및 불완전연소의 척도로 인식되는 CO2 및 CO의 발생은 구획 내부와 외부에서 이론 발열량 증가에 따라 정량적 및 정성적으로 매우 다른 특성을 보여주고 있다. 이는 배기 후드 근처의 외부 화재특성과 구획 내부의 화재특성에 큰 차이가 있음을 의미한다.
- (2) 모든 연료는 총괄당량비가 증가함에 따라 총괄 연소효율은 선형적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 반면에 국부연소효율은 총괄당량비 증가에 따라 2차 함수의 곡선 형태로 급격하게 감소됨을 확인하였다.
- (3) 국부연소효율을 통해 얻어진 구획 내부의 반응 비율은 구획 내부의 연소특성을 보다 정확히 예측하는데 유용한 변수임을 확인하였다. 추가적으로 구획 내부에서의 온도 및 CO 등을 예측하기 위한 기존의 상사법의 문제점을 보완할 수 있는 중요한 변수가 될 수 있음을 논의하였다.
- 1) 이로 인해 인체에 치명적인 일산화탄소(CO)를 포함한 미연탄화수소(unburned hydrocarbon), 그을음(soot) 등이 다량으로 발생되어 심각한 인명피해를 초래하게 된다.2) 화재의 현상적 측면에서 환기부족화재는 구획 외부에 생성된 화염의 존재 여부를 통해 정성적으로 판단될 수 있다. 또한 구획 내부의 연료 및 산소의 공급유량을 통해 예측되는 총괄당량비3)를 이용하여 정량적으로 분석될 수 있다.
- 화재의 발열량을 측정하는 방법으로서 대부분의 탄화수소계 연료가 연소될 때 소모된 산소량에 대하여 일정량의 열이 발생된다는 가정이 적용된 Huggett의 산소소모 열량계가 가장 널리 사용되고 있다.4,5) 그 결과 화재에서의 연소효율은 연료의 이론 발열량(또는 연소열)과 배기 후드에서 측정된 발열량의 비를 통해 산출될 수 있다. 이러한 총괄연소효율(global combustion efficiency)은 화재의 전반적인 특성을 예측할 수 있으며, 불완전 연소의 척도로서 화재의 위험성을 평가하는 중요한 인자로 인식되고 있다.
- 세 조건 모두 유사한 초기 연료질량(20 ± 4kg)을 갖도록 설정한 풀(pool) 화재의 결과이다. Tables 1과 2를 통해 확인할 수 있듯이 유사한 연료량이 공급되더라도 각 연료의 연소열이 다르기 때문에헵탄, 톨루엔 및 이소프로판올의 이론 발열량은 각각 1817kW, 1567kW 및 1269kW이며, 이때 산소소모열량계에서 측정된 발열량은 각각 1460kW, 1209kW 및 1111kW로 상당한 차이를 보임을 확인할 수 있다. 물론 이론 및 실제 발열량의 차이는 필요 공기량을 포함한 연료의 다양한 연소특성과 밀접하게 관련되어진다.
- 물론 이론 및 실제 발열량의 차이는 필요 공기량을 포함한 연료의 다양한 연소특성과 밀접하게 관련되어진다. 그 결과 각 연료의 전반적인 연소특성을 표현할 수 있는 총괄당량비는 헵탄, 톨루엔 및 이소프로판올에 대해 각각 2.1, 1.8 및 1.5로서 상당한 차이를 보이게 된다. 각 연료의 비정상적 발열량 경향을 살펴보면, 세가지 연료에 대한 발열량 변화 추이가 유사한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 즉 외부로 배출되는 일부의 미연탄화수소는 배기 후드에 도달하기 이전에 급격한 산화반응을 경험하게 된다. 그 결과 구획내부의 국부연소효율(local combustion efficiency)은 일반적인 총괄연소효율과 많은 차이를 보일 것으로 예상된다. 특히 선행연구를 통해 확인되었듯이 환기부족화재는 매우 복잡한 내부 유동구조를 갖고 있으며, 그 결과 산소 및 CO의 분포 역시 3차원적인 공간분포를 보이고 있다.
- 0보다 작은 과환기 조건에서 헵탄의 경우 거의 100%의 연소효율을 보이고 있으며 톨루엔의 경우도 약 93%의 연소효율을 보여주고 있다. 그러나 모든 연료는 GER이 증가함에 따라 총괄연소효율은 거의 선형적으로 감소하는 것을 알 수 있으며 이소프로판올의 경우 GER = 2.2에서 약 75%, 헵탄의 경우 GER = 2.8에서 약 73%, 톨루엔의 경우 GER = 3.3에서 약 55%의 연소효율을 보이고 있다.
- 채취된 연소가스에 대하여 산소 농도는 상자성(paramagnetic) 분석기, 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도는 NDIR(non- dispersive infrared) 분석기, 그리고 잔존 탄화수소연료의 농도는 FID(flame ionization detector)를 이용하여 측정되었다. 모든 결과는 준정상(quasi-steady) 상태의 조건에서 시간 평균된 값으로 제시되었다. 또한 모든 화학종에 대한 정보는 습기준(wet-basis)에 의해 보고되었다.
- (2) 모든 연료는 총괄당량비가 증가함에 따라 총괄 연소효율은 선형적으로 감소하는 경향을 나타낸다. 반면에 국부연소효율은 총괄당량비 증가에 따라 2차 함수의 곡선 형태로 급격하게 감소됨을 확인하였다. 이러한 차이는 국부연소효율은 구획 내부의 연소반응만을 고려하는 반면, 총괄연소효율은 구획 내·외부에서 진행되는 모든 연소반응을 고려하기 때문이다.
- 본 연구에서 제안한 국부연소효율과 총괄연소효율을 함께 분석함으로써 구획 내·외부의 연소특성에 대한 보다 구체적인 특성을 파악할 수 있다.
- 그러나 이 과정에서 발생하는 구체적인 메커니즘을 분석하기 위해서는 보다 상세한 측정이 필요할 것으로 생각된다. 위 결과로부터 완전 및 불완전 연소의 척도로 인식되고 있는 CO2 및 CO의 생성특성이 구획 내부와 외부에서 발열량에 따라 매우 다른 특성을 보이고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 특히 선행연구를 통해 확인되었듯이 환기부족화재는 매우 복잡한 내부 유동구조를 갖고 있으며, 그 결과 산소 및 CO의 분포 역시 3차원적인 공간분포를 보이고 있다.6) 따라서 구획 내부에서 측정된 국부연소효율은 환기부족화재의 내부 구조를 이해하는데 매우 유용할 것으로 기대된다.
- 그 결과 CO 및 그을음을 포함한 미연탄화수소의 예측 정확도는 많은 문제점을 노출하고 있다.8) 따라서 환기부족화재에서 구획 내부의 정확한 국부 연소효율의 측정은 FDS를 통한 구획내부의 화재구조의 검증 및 해석에 매우 중요한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
- 특히 환기부족화재에서 나타나는 내부와 외부에서의 반응 비율을 고려하지 못하기 때문에 구획 내부에서의 온도 및 CO의 생성량은 기존 상사방법으로는 예측되지 못하고 있다. 따라서 국부연소효율을 통한 내부 반응비율의 추가적인 도입은 상사에 따른 구획화재 현상 예측 정확도를 크게 개선시킬 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구에서 검토되는 국부연소효율을 이용한 내부 반응비율은 구획화재의 상사(similarity) 과정에 매우 중요한 변수로 사용될 수 있을 것으로 기대된다. 현재 일반적으로 사용되고 있는 구획화재의 상사는 구획 내부로의 공기 유입량과 총괄당량비를 기준으로 이루어지고 있다.
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