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문제 정의
- 본 연구에서는 수직 배관 내에서 분진폭발이 발생하는 경우에 분진 화염전파 특성을 상세히 조사하는 것으로서, 특히 전방 화염 (Top flame) 배후면에 발생하는 후방화염 (Post flames)의 생성거동 규명을 목적으로 하였다. 이를 위하여 입자 유동 및 난류에 의한 영향을 줄이고 실험의 재현성을 높이기 위하여 유동층을 사용한 균일 분진 운의 생성이 가능하도록 수직 배관 실험장치를 자체 제작하고 표준분체로서 입도분포가 일정하고 구형에 가까운 석송자 분진을 사용하였다.
- 분진폭발 시의 화염전파특성과 분진화염 주변의 분진입자 거동을 관찰하고 해석하기 위하여 디지털 비디오카메라와 입자화상유속법 (PIV; Particle Image Velocimetry)의 비접촉식 계즉방법을 적용하였다. 이러한 결과를 통하여 수직 배관 내에서 발생하는 후방화염 (Post flames)의 특성에 대하여 논하였다.
- 농도 증가에 따라 후방화염의 발생 주기가 짧아지며 화염길이를 증가시키므로 배관 내 분진폭발 시에 재해 확대의 요인으로 작용할 수 있다. 후방화염의 발생기구를 조사하기 위하여 전파화염 근방의 입자 거동을 실험적으로 조사하였다. 농도 122 g/m3에 있어서의 분진화염 근방의 입자거동을 조사한 PIV 측정 예를 Fig.
제안 방법
- 이러한 거동은 분진농도에 따라 달라지는데 농도가 증가하면 후방화염의 발생빈도는 증가하였다. 반면에 배관 상부를 개방 상태의 조건으로 하였을 때 전파하는 화염과 이 때 발생하는 후방화염도 조사하였다. Fig.
- 이러한 과정의 실험은 동일한 실험방법과 조건이 되도록 디지털식 전자 타이머를 내장한 제 어장 치를 사용하여 실시하였다. 분진 농도는 실험 전후에 있어서의 분진 공급장치 내에 있는 분진의 감소량으로부터 계산하였다.
- 연소관의 후면 및 좌우 측면은 철판으로 되어 있으며 전면에는 강화 유리를 설치하여 디지털 비디오카메라를 사용하여 실시간 화염전파 거동을 관찰할 수 있도록 하였다. 분진운 내의 화염전파에 있어서 연료 공급원인 분진 입자가 화염 면 근방에서 어떠한 거동을 갖고 있는가를 알기 위하여 PIV 계측을 실시하였다. 수직연소관의 측면은 슬라이드식의 석영유리 관측 창을 만들어 Nd-YAG Laser(F)를 사용하여 수직연소관 내부에 레이져시트를 형성시켜 연소관의 전면에서 PIV용 카메라를 통하여 화염면 근방의 분진 입자의 움직임을 관찰하였다.
- 수직 배관 내를 전파하는 분진폭발의 화염전파에 있어서 후방 화염의 특성과 발생 기구를 규명할 목적으로 석송자 분진폭발에 대하여 디지털비디오카메라와 PIV(Particle Image Velocimetry) 계즉을활용하여 실험적으로 조사한 결과 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 분진운 내의 화염전파에 있어서 연료 공급원인 분진 입자가 화염 면 근방에서 어떠한 거동을 갖고 있는가를 알기 위하여 PIV 계측을 실시하였다. 수직연소관의 측면은 슬라이드식의 석영유리 관측 창을 만들어 Nd-YAG Laser(F)를 사용하여 수직연소관 내부에 레이져시트를 형성시켜 연소관의 전면에서 PIV용 카메라를 통하여 화염면 근방의 분진 입자의 움직임을 관찰하였다. PIV의 계측 화상에 대한 해석 방법으로는 상호상관법을 적용하여 입자의 벡터 량을 해석하였다 [11, 12].
- PIV의 계측 화상에 대한 해석 방법으로는 상호상관법을 적용하여 입자의 벡터 량을 해석하였다 [11, 12]. 실험방법은 수직 연소관의 상부를 개방한 상태에서 분진운발생장치를 이동시켜 수직 연소관 하부에 밀폐시켜 공기 유동층에 의해 분진 공기혼합기가 연소관의 전체에 분산되도록 하였다. 그 다음에 공기 공급을 정지시키고 분진운 발생장치를 제거하여 연 소관 하부가 개방된 상태와 동시에 연소관 상부의 셔터를 닫는다.
- 수직 연소관은 전체높이가 120 cm이며 단면은 12 cm x12 cm의 정방형의 형태이다. 연소관의 후면 및 좌우 측면은 철판으로 되어 있으며 전면에는 강화 유리를 설치하여 디지털 비디오카메라를 사용하여 실시간 화염전파 거동을 관찰할 수 있도록 하였다. 분진운 내의 화염전파에 있어서 연료 공급원인 분진 입자가 화염 면 근방에서 어떠한 거동을 갖고 있는가를 알기 위하여 PIV 계측을 실시하였다.
- 3 sec 동안 점화시켰다. 이러한 과정의 실험은 동일한 실험방법과 조건이 되도록 디지털식 전자 타이머를 내장한 제 어장 치를 사용하여 실시하였다. 분진 농도는 실험 전후에 있어서의 분진 공급장치 내에 있는 분진의 감소량으로부터 계산하였다.
- 하였다. 이를 위하여 입자 유동 및 난류에 의한 영향을 줄이고 실험의 재현성을 높이기 위하여 유동층을 사용한 균일 분진 운의 생성이 가능하도록 수직 배관 실험장치를 자체 제작하고 표준분체로서 입도분포가 일정하고 구형에 가까운 석송자 분진을 사용하였다. 분진폭발 시의 화염전파특성과 분진화염 주변의 분진입자 거동을 관찰하고 해석하기 위하여 디지털 비디오카메라와 입자화상유속법 (PIV; Particle Image Velocimetry)의 비접촉식 계즉방법을 적용하였다.
- 후방 화염의 발생 원인은 배관 측벽과 화염면 사이를 통과하여 전파화염 후방에 유입된 미연소 입자의 발화에 의한 것을 알았다.
대상 데이터
- 그러므로 분진 화염 특성을 조사하는 경우에는 실험 데이터의 재현성이 요구되며 이에 따른 시료 분체의 선정이 필요하다. 본 연구에서는 분진운 내의 화염전파가입자의 물리적인 조건, 특히 분진의 입도와 입도 분포에 크게 영향을 받는다는 점에서 입도 분포가 일정하고 형상이 구형에 가까우며 입자끼리의 응집이 적은 석송자 (Lycopodium)를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 석송자 분진은 습식 입도분석기(Beckman Coulter LSI 3320)를 사용하여 측정한 결과 체적평균입경은 31.
- 1에 나타냈다. 실험장치는 수직 연소관, 수직 연소관 내부에 설치되는 착화장치, 분진운 발생장치, 분진운 발생장치의 이동을 위한 슬라이드식 전동식 이동장치, 셔터로 구성되어 있다. 수직 연소관은 전체높이가 120 cm이며 단면은 12 cm x12 cm의 정방형의 형태이다.
이론/모형
- 수직연소관의 측면은 슬라이드식의 석영유리 관측 창을 만들어 Nd-YAG Laser(F)를 사용하여 수직연소관 내부에 레이져시트를 형성시켜 연소관의 전면에서 PIV용 카메라를 통하여 화염면 근방의 분진 입자의 움직임을 관찰하였다. PIV의 계측 화상에 대한 해석 방법으로는 상호상관법을 적용하여 입자의 벡터 량을 해석하였다 [11, 12]. 실험방법은 수직 연소관의 상부를 개방한 상태에서 분진운발생장치를 이동시켜 수직 연소관 하부에 밀폐시켜 공기 유동층에 의해 분진 공기혼합기가 연소관의 전체에 분산되도록 하였다.
- 또한 자체 제작한 수직 연소관 실험장치에서 측정된 분진폭발 특성치의 비교를 위하여 ASTM의 표준시험규격인 20L 분진폭발시험 장치 (Kuhner사 제품)를 사용하였다 [13]. 시험조건은 분진 분사압력은 20 bar, 착화지연시간은 0.
- 이를 위하여 입자 유동 및 난류에 의한 영향을 줄이고 실험의 재현성을 높이기 위하여 유동층을 사용한 균일 분진 운의 생성이 가능하도록 수직 배관 실험장치를 자체 제작하고 표준분체로서 입도분포가 일정하고 구형에 가까운 석송자 분진을 사용하였다. 분진폭발 시의 화염전파특성과 분진화염 주변의 분진입자 거동을 관찰하고 해석하기 위하여 디지털 비디오카메라와 입자화상유속법 (PIV; Particle Image Velocimetry)의 비접촉식 계즉방법을 적용하였다. 이러한 결과를 통하여 수직 배관 내에서 발생하는 후방화염 (Post flames)의 특성에 대하여 논하였다.
성능/효과
- (1) 배관 내 분진화염의 전파속도는 상방전파보다 하방전파가 크며, 약 300 g/m3까지의 농도 범위에 있어서 분진농도가 증가할수록 그 비율이 증가하였다.
- (2) 수직 배관 내의 분진화염 전파 시에 발생하는 2차, 3차 폭발의원인 이 되는 후방 화염 (Post flames)은 배관의 밀폐조건과 관계없이 발생하였다. 후방 화염의 발생 원인은 배관 측벽과 화염면 사이를 통과하여 전파화염 후방에 유입된 미연소 입자의 발화에 의한 것을 알았다.
- (3) 후방화염의 발생빈도는 농도 증가와 함께 증가하였으며, 농도 250 g/m3 이상의 고농도에서는 후방 화염이 연결되며 화염의 전체 길이가 증가함으로써 폭발피해를 확대시키는 요인으로 작용할 수 있다.
- (4) 화염면과 배관 벽 사이의 화염이 존재하지 않는 거리는 약 10~20 mm이며 이는 농도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타냈다.
- 9는 일정 시간 간격 01, ^2) 에서의 532 nm의 Band-pass filter를 사용하여 기록한 화상에 상호 상관법을 적용한 PIV 계측 결과와 그 다음 시간 경과의 레이저시트 공간에서의 화염모습을 함께 나타낸 것이다. 그러므로 PIV 계측 결과에서의 화염은 검은 색으로 나타나고 있으며, 레이저시트 공간에서의 화염모습이 흰색으로 표현되고 있다. 그러므로 시간 경과에 따른 화염의 이동(검은색 부분에서 흰색 부분)을 Fig.
- 이는 유체가 점성을 가지면 물체 표면상의 유체입자는 속도가 거의 제로에 가까움에도 불구하고 물체 표면에서 다소 떨어지는 것에 의해 유체는 커다란 유속으로 흐른다는 사실을 고려하면 설명이 가능하다. 그러므로 배관 벽 근처의 입자유속은 배관 중심부보다 작으므로 관 벽 부근의 분진농도는 평균농도보다도 낮을 가능성이 높고, 이것이 원인이 되어 비교적 저 농도의 분진폭발에 있어서는 화염이 배관 벽까지 전파할 수 없었던 것으로 추정되었다. 그러나 분진농도가 증가하면 배관 벽 근처의 농도도 증가하기 때문에 화염의 전파가 가능해지며 화염과 관 벽간의 거리는 작아지게 된다.
- 8이다. 농도증가와 함께 후방 화염의 발생 빈도는 증가하는 경향을 보였다. 그러나 250 g/m3 이상의 높은 농도에서는 화염의 길이가 길어져 발생된 후방화염이 서로 이어지기 때문에 구분이 어렵게 된다.
- 화염면 (Leading flame edge)은 시간과 함께 상방으로 전파하는데 약 800 ms부터 화염 가속이 나타났다. 또한 화염 선단의 가속과 함께 발생한 후방화염은 상 방향으로 함께 이동하다가 소멸하는데 화염선단의 가속에 따른 공간 흐름 유동성에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 이상과 같이 수직 배관 내를 분진 화염이 전파하는 경우 농도와 관계없이 선단 화염 (Top flame)과 분리되어 하방으로 전파하는 2차 화염, 3차 화염이 발생하며 이러한 화염이 하방 또는 상방, 정체 등의 형태로 전파한다는 사실을 실험적으로 확인하였다.
- 본 연구에서는 분진운 내의 화염전파가입자의 물리적인 조건, 특히 분진의 입도와 입도 분포에 크게 영향을 받는다는 점에서 입도 분포가 일정하고 형상이 구형에 가까우며 입자끼리의 응집이 적은 석송자 (Lycopodium)를 사용하였다. 본 연구에서 사용한 석송자 분진은 습식 입도분석기(Beckman Coulter LSI 3320)를 사용하여 측정한 결과 체적평균입경은 31.2 μm로 나타났다.
- 5의 폭발압력 실험결과에서도 나타나고 있다. 본 연구에서는 석송자의 화염전파속도 결과에 대한 검토를 위하여 농도에 따른 폭발압력을 조사하였으며 실험결과로부터 본 연구에서 사용한 수직 배관 실험장치로부터 얻어진 결과와 경향은 타당한 것으로 판단되었다. Fig.
- [8]. 상방 전파보다 하방전파에 의한 화염전파속도가 큰 것을 알 수 있으며, 특히 약 300 g/m3까지의 농도 범위에 있어서 분진농도가 증가할수록 그 비율이 증가하였다. 이러한 결과를 확인하기 위하여 20L 분진폭발시험장 치를 사용하여 농도변화에 따른 폭발압력을 조사한 것이 Fig.
- 또한 화염 선단의 가속과 함께 발생한 후방화염은 상 방향으로 함께 이동하다가 소멸하는데 화염선단의 가속에 따른 공간 흐름 유동성에 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 이상과 같이 수직 배관 내를 분진 화염이 전파하는 경우 농도와 관계없이 선단 화염 (Top flame)과 분리되어 하방으로 전파하는 2차 화염, 3차 화염이 발생하며 이러한 화염이 하방 또는 상방, 정체 등의 형태로 전파한다는 사실을 실험적으로 확인하였다. 이러한 후방화염은 선단화염이 일정 거리를 전파한 후에 출현하게 되는데 Fig.
- 9에서 동시에 확인할 수가 있다. 화살표는 입자의 속도벡터를 의미하며 분진입자가 화염 선단을 통과하면 대부분 연소에 의해 소실되어 화염 후방에는 입자가 매우 적은 것을 알 수 있었다. 배관 벽 근처의 입자는 침강하여 화염의 배관 벽을 타고 화염 후방으로 유입되는 것이 보였다.
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