[논문]화점높이 변화에 따른 Pool Fire의 연소특성

박형주; 차종호

doi:10.5762/kais.2010.11.11.4671

화점높이 변화에 따른 Pool Fire의 연소특성
Combustion Characteristics of Pool Fire by Height of Fire Source 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.11, 2010년, pp.4671 - 4676

초록
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화점높이 변화에 따른 풀 화재의 연소특성을 알아보기 위하여 인화성액체인 메탄올과 노르말 헵탄을 $100mm{\times}100mm{\times}50mm$ 크기의 사각형 용기에 내에 넣고 연소실험을 하였다. 용기의 재질은 스테인레스를 사용하였다. 연소시간, 질량감소속도, 화염온도, 화염높이 및 외부에서 화염으로의 공기유입속도 등을 측정하였으며 연소시 화염의 거동은 비디오카메라를 이용하여 촬영하였다. 실험을 통해서 화점의 높이가 증가할수록 외부에서 화염으로 유입되는 차가운 공기의 유입량이 증가하여 풀 화재의 연소특성이 감소함을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is intended to understand flame behavior of the pool fire by height of fire source. Liquid fuels were methanol and n-Heptane which are used in many studies of pool fire. Size of vessel was $100mm{\times}100mm{\times}50mm$ and the vessel was made by stainless steel. Combustion time, mass loss rate, flame temperature, flame height and air entrainment rate from the outside to flame were measured, and flame behavior was visualized with video camera. Based on the experiment, it was found that combustion characteristics of pool fire was decreased according to increase of height of fire source because entrainment volume of relative cold air was increased from the outside to flame.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연소성상과 연소속도를 정상적으로 갖는 것이 용이한 소형 풀화재를 이용하여 화원의 높이를 변화시켰을 경우의 연소특성 즉, 연소시간(combustion time), 질량감소속도(mass loss rate), 화염온도(flame temperature), 화염높이(flame height) 및 외부로부터 화염으로의 공기유입속도(air entrainment rate) 등의 변화를 측정하고 해석하여 화원의 높이 변화가 가연성 액체 풀 화재의 연소특성에 어떠한 영향을 미치는가를 실험적으로 고찰하고자 하였다.
본 연구에서는 인화성 액체 연료인 메탄올과 노르말 헵탄을 시료로 하여 화점높이의 변화에 따른 풀 화재 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

그림 7과 8은 화점높이 변화에 따른 메탄올과 노르말 헵탄의 화염중심부의 평균온도를 나타낸 것으로 시료용기의 표면에서 수직방향으로 15, 30, 45, 60 그리고 75㎝ 의 위치에 설치한 ∅1.0㎜의 열전대(K-type)를 이용하여 측정하였다.
01g의 분해능을 갖는 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 연소시간은 초시계를 이용하여 착화 후 연소 종료까지의 시간을 측정하였다. 또한 비디오 카메라를 이용하여 화염을 촬영한 후 이 영상 자료를 근거로 화염의 형상과 높이 그리고 와류(vortex shedding) 생성주기를 분석하였다. 연소시간 동안 화염온도와 화염 주변의 온도변화, 열방출율, 화원 주변의 공기유입속도 변화 그리고 질량연소속도는 매 1초 간격으로 측정하였으며, 이 모든 데이터는 데이터 이력 기록장치(data logger)를 이용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 한 후 분석에 사용하였다.
또한 비디오 카메라를 이용하여 화염을 촬영한 후 이 영상 자료를 근거로 화염의 형상과 높이 그리고 와류(vortex shedding) 생성주기를 분석하였다. 연소시간 동안 화염온도와 화염 주변의 온도변화, 열방출율, 화원 주변의 공기유입속도 변화 그리고 질량연소속도는 매 1초 간격으로 측정하였으며, 이 모든 데이터는 데이터 이력 기록장치(data logger)를 이용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 한 후 분석에 사용하였다.
35㎝의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90㎝의 높이로 4개를 설치하여 측정하였다. 질량감소속도는 0.01g의 분해능을 갖는 전자저울을 이용하여 측정하였으며, 연소시간은 초시계를 이용하여 착화 후 연소 종료까지의 시간을 측정하였다. 또한 비디오 카메라를 이용하여 화염을 촬영한 후 이 영상 자료를 근거로 화염의 형상과 높이 그리고 와류(vortex shedding) 생성주기를 분석하였다.
표 4는 화점높이 변화에 따른 메탄올과 노르말 헵탄의 화염높이를 비디오 카메라로 화염의 형상을 촬영한 후이 영상자료를 근거로 측정한 것으로 각 시료의 총 연소 시간의 중간에서 6초 동안 1/30s의 시간단위로 측정한 평균, 최대, 최소의 화염높이를 나타낸 것이며, 평균 화염높이에의 분산과 표준편차를 산출하였다.
화염온도와 화염주변의 온도변화를 측정하기 위해 ∅1.0㎜의 열전대(K-type)를 바닥면을 기준으로 15㎝의 간격으로 8개씩 설치하여 연소시간 동안 측정하였다.
0㎜의 열전대(K-type)를 바닥면을 기준으로 15㎝의 간격으로 8개씩 설치하여 연소시간 동안 측정하였다. 화원 주변의 공기유입속도 변화는 다점풍속측정기(Kanomax system 6242, multichannel anemomaster Model 1550)을 화원으로부터 35.35㎝의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90㎝의 높이로 4개를 설치하여 측정하였다. 질량감소속도는 0.
0㎜ 두께의 스테인레스강으로 100㎜×100㎜×50㎜ 크기의 사각형 용기로 제작하여 사용하였다. 화점높이의 변화는 바닥면을 기준으로 0㎝, 5㎝, 15㎝, 30㎝ 그리고 50㎝의 높이로 변화를 주었으며, 각 조건에서 3회 이상 반복 실험을 실시하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 시료는 선행 연구자들에 의해 풀 화재의 연소특성 연구에 자주 이용되고 있는 메탄올 (methanol)과 노르말 헵탄(n-Heptane)으로 국내 시판 중인 제품을 별도의 정제 없이 사용하였다. 1회 실험당 시료의 양은 각각 100g을 기준으로 하였으며, 이를 부피로 환산하면 메탄올 128.
실험장치의 구성도는 그림 1과 같으며 실험에 사용된 시료용기의 재질은 1.0㎜ 두께의 스테인레스강으로 100㎜×100㎜×50㎜ 크기의 사각형 용기로 제작하여 사용하였다.

성능/효과

결국 화점의 높이가 증가할수록 외부에서 화염으로 유입되는 차가운 공기의 유입량이 증가하여 풀 화재의 연소특성이 감소함을 확인할 수 있었다.
31㎜/s로 감소하였다. 따라서 화점의 높이가 증가할수록 바닥부분으로부터 유입되는 공기의 량이 증가함을 알 수 있었다.
이는 시료의 점화 후 화염의 형상과 와류생성주기 및 화염의 안정성에 기인한 것으로 메탄올에 비해 노르말 헵탄의 화염높이가 큰 반면에 안정성에 있어서는 낮음을 알 수 있다. 또한 메탄올과 노르말 헵탄이 평균 화염온도의 비교에 있어서 노르말 헵탄의 화점높이 0㎝의 화염중심 15㎝를 제외하고 모는 화점높이에서 온도가 높음을 알 수 있는데 이는 노르말 헵탄이 메탄올에 비해 화염으로부터 방출되는 열량이 많다는 것을 알 수 있다.
또한, 메탄올과 노르말 헵탄에 있어서 화점높이 변화에 따른 연소시간은 모든 높이에서 노르말 헵탄이 메탄올에 비해 높은 연소시간을 나타냄을 알 수 있었다. 이는 선행연구와는 반대되는 결과로 연구에 사용된 시료량의 기준 차이에 기인한 것으로 판단된다.
화염높이의 경우 화점이 높아질수록 감소하는 경향을 나타내었으며, 화염의 안정성은 증가함을 알 수 있었다. 또한, 화점의 높이가 증가할 수록 화염높이의 진폭과 와류의 형성이 감소하였으며, 화염의 폭이 감소하는 경향을 나타내었다. 외부에서 화염으로 유입되는 공기유입속도는 바닥면으로부터 10㎝ 위치에서는 증가한 반면, 30㎝의 위치에서는 감소함을 알 수 있었다.
또한, 화점의 높이가 증가할 수록 화염높이의 진폭과 와류의 형성이 감소하였으며, 화염의 폭이 감소하는 경향을 나타내었다. 외부에서 화염으로 유입되는 공기유입속도는 바닥면으로부터 10㎝ 위치에서는 증가한 반면, 30㎝의 위치에서는 감소함을 알 수 있었다.
외부에서 화염으로의 공기유입속도를 다점풍속기를 이용하여 측정한 결과 메탄올의 경우 화점높이가 증가할 수록 바닥면으로부터 10㎝ 위치에서의 풍속은 12.80㎜/s에서 29.64㎜/s로 증가한 반면, 30㎝ 위치에서는 풍속은 39.75㎜/s에서 29.64㎜/s로 감소하였다. 노르말 헵탄의 경우 화점높이가 증가할수록 바닥면으로부터 10㎝ 위치에서의 풍속은 9.
평균질량감소속도는 화점높이가 0㎝ 일 때 메탄올의 경우 17.36g/㎡·sec, 노르말 헵탄의 경우 11.53g/㎡·sec로 최대값을 나타낸 후 화점높이가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
평균 화염온도의 경우 메탄올에 있어서는 화염 중심부의 수직거리 15㎝을 제외하고는 큰 차이를 보이지 않은 반면에 노르말 헵탄에 있어서는 화점 높이가 0㎝ 일 때 화점높이가 15, 30㎝에 비해 상대적으로 낮은 화염온도를 나타내었다. 화염높이의 경우 화점이 높아질수록 감소하는 경향을 나타내었으며, 화염의 안정성은 증가함을 알 수 있었다. 또한, 화점의 높이가 증가할 수록 화염높이의 진폭과 와류의 형성이 감소하였으며, 화염의 폭이 감소하는 경향을 나타내었다.
화점높이 변화에 따른 화염의 높이는 0㎝일 때 가장 높으며 화점이 높아질수록 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 화염으로 유입되는 공기의 온도와 유입량의 차이에 의한 결과로 판단된다.
화점높이가 증가할수록 연소시간은 증가하였다가 일정 시간에 수렴한 반면에 평균질량감소속도는 감소하는 경향을 나타내었다. 평균 화염온도의 경우 메탄올에 있어서는 화염 중심부의 수직거리 15㎝을 제외하고는 큰 차이를 보이지 않은 반면에 노르말 헵탄에 있어서는 화점 높이가 0㎝ 일 때 화점높이가 15, 30㎝에 비해 상대적으로 낮은 화염온도를 나타내었다.
메탄올과 노르말 헵탄의 화점높이 변화에 따른 풀 화재의 연소시간은 표 2와 그림 3에 나타내었다. 화점의 높이가 0㎝ 일 때 가장 낮은 연소시간을 나타낸 반면에 화 점의 높이가 증가할수록 연소시간이 증가하였다가 일정 시간에 수렴함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	풀 화재는 어떻게 나누어 지는가?	일반적으로 풀 화재는 연소구역(combustion zone)과 플룸(plume) 구역으로 나누어진다. 연소구역에서는 연료가 열을 받아 증발(또는 열분해)되어 주위에서 유입되는 공기와 혼합되어 연소하게 된다.
	연소구역에서는 어떠한 방식으로 화염이 유지되는가?	연소구역에서는 연료가 열을 받아 증발(또는 열분해)되어 주위에서 유입되는 공기와 혼합되어 연소하게 된다. 화염으로부터 발생되는 열의 일부분은 연료표면으로 복사, 대류 및 전도에 의해 다시 전달되고, 이 열에 의해 가연성 가스의 생성을 지속 시켜 화염이 계속 유지된다. 가연성가스와 화염으로 유입 되는 공기의 혼합에 의해 연소가 지속되는 이러한 형태의 화염을 확산화염(diffusion flame)이라 하며, 이들의 연소특성은 가연성 가스와 공기와의 혼합구조(mixing structure), 화염으로 유입되는 공기의 온도, 부력의 영향 등에 의해 지배받게 된다[8].
	풀 화재란 무엇인가?	풀 화재(pool fire)는 전형적인 액체연료의 누출화재 형태로 수평 표면 즉 바닥면에서의 대칭화재의 일반적인 형태의 연소현상의 모사 뿐 아니라 간단한 형상의 축소 화염 실험에 대한 화염 원으로 적용될 수 있다[1]. 실물화재의 경우 그 막대한 실험비용 등으로 인해 적용이 제한 적이기 때문에 작은 축소스케일을 이용한 실험이 주된 연구방법으로 적용되고 있다.

참고문헌 (14)

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E. J. Weckman and A. B. Strong, "Experimental Investigation of the Turbulence Structure of Medium-scale Methanol Pool Fires", Combustion and Flame, Vol. 105, pp. 245-266, 1996.

상세보기
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원문보기 상세보기
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원문보기 상세보기
이의주, 안찬솔, 신현준, 오광철, 이은도, "작은 풀화재에서의 연기 특성", 한국화재소방학회 논문지, 제19권, 제3호, pp. 58-63, 2005.

원문보기 상세보기
물질안전보건자료(MSDS), "Methyl Alcohol", Samchun Chemicals, http://www.samchun.com/images.service.msds/67561.pdf
물질안전보건자료(MSDS), "n-Heptane", Samchun Chemicals, http://www.samchun.com /images.service.msds/142825.pdf

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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