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문제 정의
- 환기부족화재에 관한 연구는 환기부족조건을 조성하는 방법적 측면에서 두가지로 분류될 수 있다. 첫째, 동일한 환기부의 면적에서 연료 공급량 증가를 통해 산소 유입량의 상대적인 감소로 환기부족화재를 생성하는 것이다.5) 둘째 연료 공급량이 고정된 상태에서 환기부의 면적을 감소시킴으로써, 산소 유입량의 절대적인 감소를 유도하여 환기부족화재를 생성하는 것이다.
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 개방된 화재에 비해 보다 위험도가 높을 수 있는 반밀폐된 구획화재를 대상으로, 지속적 화재성장으로 인한 구획 내부의 비정상 열 및 화학적특성에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 출입구의 폭이 축소된 실규모 ISO 9705 표준화재실을 이용하여 발열량, 온도, 열유속 및 연소생성물의 농도에 대한 실시간 측정이 이루어졌으며, 총괄 당량비의 개념을 이용하여 구획 내부의 열 및 화학적특성을 분석하였다.
제안 방법
- 이러한 배경 하에 본 연구에서는 개방된 화재에 비해 보다 위험도가 높을 수 있는 반밀폐된 구획화재를 대상으로, 지속적 화재성장으로 인한 구획 내부의 비정상 열 및 화학적특성에 관한 실험적 연구를 수행하였다. 이를 위해 출입구의 폭이 축소된 실규모 ISO 9705 표준화재실을 이용하여 발열량, 온도, 열유속 및 연소생성물의 농도에 대한 실시간 측정이 이루어졌으며, 총괄 당량비의 개념을 이용하여 구획 내부의 열 및 화학적특성을 분석하였다.
- 연료로는 연료특성이 잘 알려져 있고 적정량의 그을음이 발생하며 가솔린과 유사한 연소열을 갖는 헵탄(C7H16)이 선택되었다. 분무노즐(spray nozzle) 및 팬(pan)을 이용하여 화원을 형성하였으며, 방출되는 연료의 양을 제어하여 화재 발열량을 조절하였다. 0.
- 5 mm의 비드 직경을 갖는 R-type 열전대와 샘플링 탐침(sampling probe)이 각각 설치되었다. 채취된 연소가스에 대하여 산소 농도는 상자성(paramagnetic) 분석기, 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도는 NDIR(non-dispersive infrared)분석기, 그리고 미연 탄화수소의 농도는 FID(flame ionization detector)를 이용하여 측정되었다. 모든 화학종의 농도는 수분이 제거된 건기준(dry-basis)에서 측정되었으며, 향후 수치계산과의 검증을 위하여 습기준(wet-basis)으로 변환되었다.
- 모든 화학종의 농도는 수분이 제거된 건기준(dry-basis)에서 측정되었으며, 향후 수치계산과의 검증을 위하여 습기준(wet-basis)으로 변환되었다. 천정과 바닥에 각각 3개의 열유속계(total heat flux gauge)가 설치되었으며, 수직방향의 온도분포를 확인하기 위하여 두 개의 K-type열전대 tree가 사용되었다. 보다 자세한 실험장치, 방법 및 각 측정에 대한 불확실도(uncertainty)는 NIST TN160312)에서 확인될 수 있다.
- 233)을 의미한다. 출입부를 통해 유입되는 ma의 정확한 측정은 어려기 때문에, 본 연구에서는 출입구의 형상에 근거하여 계산되는 최대 공기 유입량에 관한 경험식(2)를 통해 예측되었다.
- (1) 2 MW까지의 지속적인 연료 공급량 증가를 통한 화재성장의 조건에서, 총괄 연소효율과 구획 내부의 국부 연소효율은 매우 상이한 결과를 보인다. 또한 총괄 당량비의 예측을 위한 이론 발열량과 측정 발열량의 적용에 따른 환기부족 화재의 특성 차이점을 비교 검토하였다.
대상 데이터
- 실규모 구획화재 실험을 위하여 Figure 1과 같이 2.4m × 2.4 m × 3.6 m의 크기를 갖는 ISO 9705 표준화재실이 제작되었다.
- 1 m로 수정되었다. 연료로는 연료특성이 잘 알려져 있고 적정량의 그을음이 발생하며 가솔린과 유사한 연소열을 갖는 헵탄(C7H16)이 선택되었다. 분무노즐(spray nozzle) 및 팬(pan)을 이용하여 화원을 형성하였으며, 방출되는 연료의 양을 제어하여 화재 발열량을 조절하였다.
- 발열량의 측정을 위하여 미국 표준기술연구소(NIST)의 화재 실험동에 설치된 6 m × 6 m 정사각형 후드를 가진 산소소모 열량계가 사용되었다.
- 플래시오버의 도달시간 단축을 감소시킬 수 있는 반밀폐된 구획화재를 대상으로 지속적 화재성장으로 인한 구획 내부의 비정상 열 및 화학적특성에 관한 실험적 연구가 수행되었다. 이를 위해 출입구의 폭이 0.1m로 수정된 실규모 ISO 9705 표준화재실과 연료량 제어를 위한 분무노즐이 사용되었다. 주요 결과는 다음과 같다.
성능/효과
- 0 m의 출입구(환기부)를 갖는 ISO 9705 표준화재실을 대상으로 가연물의 양, 성분 및 분포 등에 따른 다양한 화재특성에 관한 연구가 진행되고 있다.1,2) 이러한 구획화재의 성공적인 진압과 직접적으로 관련되는 플래시오버(전실화재)의 도달시간은 가연물의 종류, 배치 및 공간의 크기뿐만 아니라 환기조건의 변화에도 큰 차이를 보인다. 특히 공간의 개방도가 큰 경우에는 플래시오버에 도달하는 시간이 길어지는 반면에 밀폐도가 증가된 공간에서는 보다 짧은 시간에 전실화재가 발생되는 큰 위험성에 노출된다.
- 특히 공간의 개방도가 큰 경우에는 플래시오버에 도달하는 시간이 길어지는 반면에 밀폐도가 증가된 공간에서는 보다 짧은 시간에 전실화재가 발생되는 큰 위험성에 노출된다. 결과적으로 반밀폐된(semi-closed) 구획에서는 보다 쉽게 환기부족화재(또는 환기지배형화재)로 성장될 수 있으며, 충분한 환기면적을 갖는 과환기화재(또는 연료지배형화재)에 비해 더욱 불규칙하고 복잡한 화재거동을 보이게 된다. 또한 인체에 치명적인 일산화탄소(CO)를 포함하며 미연탄화수소(UHC: unburned hydrocarbon), 그을음(soot) 등을 다량으로 발생시키기 때문에 심각한 인명피해를 초래할 수 있다.
- 그러나 점화 이후에 발생되는 각 화재의 성장단계 그리고 다른 화재규모를 갖는 최성기의 특성을 파악하기 위하여 대부분의 실험 및 수치해석 연구들은 화재조건을 제어한 정상상태에서 넓은 범위의 발열량, 연료종류 및 환기조건에 따른 구획 내부의 화염거동, 온도 및 연소생성물에 대한 연구를 수행하고 있다.10) 이러한 접근법은 다양한 조건에서 발생될 수 있는 복잡한 화재현상의 주요 변수 및 결과치들에 대한 정량적 평가가 가능하다는 장점을 갖고 있다. 또한 최근에는 화재모델링의 신뢰도 평가에 중요하게 활용되고 있다.
- 는 출입구의 면적과 높이를 의미한다. 유사한 화재조건의 모델링을 통해 식(2)의 타당성을 평가한 결과,1) 위 경험식은 과환기 및 환기부족화재에 대해 각각 약 4%와 2%의 과다예측을 보이며, 총괄 당량비의 정량적 산출에 큰 문제가 없음을 확인하였다.
- 의 선정에는 다소 주의가 요구된다. 첫째, 분무노즐을 통해 공급된 연료의 질량유량은 MFM(mass flow meter)로부터 측정될 수 있으며, 이를 통해 이론적 당량비가 예측될 수 있다. 그러나 분무된 액체 연료가 순간적으로 기화되더라도 반응에 참여하지 못할 수 있어 구획 내부의 총괄 당량비는 실제보다 과다예측 될 수 있다.
- 발열량 변화에 따른 화재거동을 검토하기 위하여 Figure 2는 시간에 따른 연료유량, 이론 발열량 및 측정된 발열량을 도시한 결과이다. 펌프 및 유량계를 통해 제어된 연료유량은 약 2,200 s의 시간동안 선형적으로 증가되었으며, 이론 발열량을 기준으로 약 2.0 MW (측정 발열량 기준으로 약 1.5 MW)까지 증가되었다. 인위적인 화재성장을 모사하기 위한 위 조건은 NFPA(92B 또는 72)에서 분류되는 비정상 화재성장곡선( =αt2)을 통해 검토해보면, 매우 느린(slow) 성장을 갖는 화재로 분류된다.
- 인위적인 화재성장을 모사하기 위한 위 조건은 NFPA(92B 또는 72)에서 분류되는 비정상 화재성장곡선( =αt2)을 통해 검토해보면, 매우 느린(slow) 성장을 갖는 화재로 분류된다. 화재성장속도에 따라 화재의 비정상 특성은 변화될 것으로 예측되지만, 화재 거동의 민감도에 비해 낮은 측정 반응도가 요구되는 구획 내부의 열 및 화학적특성을 검토하기 위한 위 조건의 선택은 적절한 것으로 판단된다. 그림에서 t = 500 s 이후 불완전연소의 지속적인 증가로 인하여 이론과 측정 발열량의 차이는 점차적으로 증가되다가 약 t = 1,300 s 이후에는 차이의 변화가 크지 않음을 확인할 수 있다.
- 초기 t = 250 s에서는 구획 내에서 모든 연소가 이루어지는 과환기화재에 해당되며, t = 750 s 근처에는 구획 내부의 산소부족으로 인하여 부분적인 반응이 구획 외부에서 이루어지고 있음을 볼 수 있다. t = 1250 s에서는 보다 많은 연료가 구획 외부에서 반응하는 뚜렷한 출화현상을 관찰할 수 있으며, 시간 증가에 따른 연료의 증가로 인하여 이후 시간에서는 외부 화염의 크기 및 발광도가 점차적으로 증가되는 현상을 확인할 수 있다. 그러나 이러한 직접촬영 이미지로는 화재의 전반적인 특성뿐만 아니라 구획 내부의 화재특성을 정량적으로 논하기에는 한계가 있다.
- 추가로 t = 1,250 s 이전에서는 국부 연소효율이 총괄 연소효율보다 높은 같은 갖는데 이에 대한 원인은 두가지로 추측될 수 있다. 첫째, 과환기화재에서 구획 내부의 열 및 화학종 농도의 불균일한 분포을 통해, 고온 상층부의 국부 위치에서 측정된 화학종의 농도는 구획 내부의 전체적인 반응특성을 대표할 수 없다. 둘째, 실제 국부 발열량의 측정에 사용되는 CO 및 미연탄화수소의 농도는 과환기조건에서는 매우 작은 값으로, 본 측정기의 측정범위에서 감지되지 못할 가능성이 있다.
- 첫째, 과환기화재에서 구획 내부의 열 및 화학종 농도의 불균일한 분포을 통해, 고온 상층부의 국부 위치에서 측정된 화학종의 농도는 구획 내부의 전체적인 반응특성을 대표할 수 없다. 둘째, 실제 국부 발열량의 측정에 사용되는 CO 및 미연탄화수소의 농도는 과환기조건에서는 매우 작은 값으로, 본 측정기의 측정범위에서 감지되지 못할 가능성이 있다. 그 결과 실제현상보다 완전연소에 가까운 결과를 갖게 되어 총괄 연소효율보다 높은 값을 갖게 된다.
- 연소효율과 더불어 구획 내부의 전반적 화재거동을 나타내는 총괄 당량비는 Figure 5에 도시되었다. 실험방법에서 언급되었듯이, 총괄 당량비의 산출과정에서 적용되는 연료의 질량유량은 공급된 유량과 실제 반응에 참여된 유량(산소소모열량계에서 측정된 발열량 기준)으로 분리되어 표현되었다. 그 결과 연료유량을 기준으로 산출된 총괄 당량비는 시간에 따라 선형적으로 증가하지만, 측정 발열량을 기준으로 산출된 총괄 당량비는 Figure 2의 실제 발열량과 유사한 형태의 비정상특성을 갖게 된다.
- x축에 적용되는 총괄 당량비는 연료유량(이론적 발열량)을 기준으로 하는 총괄 당량비와 측정 발열량을 기준으로 하는 총괄 당량비의 개념으로 구분되어 표현되었다. 이론적 개념의 총괄 당량비를 이용한 Figure 7(a)를 살펴보면, 당량비 2.0 근처에서 O2는 모두 소모되었으며, 당량비 3.0을 이하에서는 당량비 증가에 따라 CO2는 감소하며 CO, H2 및 CH4는 증가됨을 알 수 있다. 그러나 당량비 3.
- 엄밀한 의미에서 이론 당량비는 구획 내부의 실제 총괄 당량비보다 과다 예측된 값이며, 구획 외부에서의 반응까지 포함된 측정 발열량을 통해 예측된 총괄 당량비는 실제 총괄 당량비를 과소 예측된 값이다. 그 결과 반밀폐된 구획화재에서 CO의 최대값이 발생되는 조건은 총괄 당량비 2.0~3.0 사이에 존재함을 짐작할 수 있다.
- 5 이상에서는 감소된 공기량으로 인하여 버너 앞부분에서 화염의 기점(base)이 안정화되지 못하고 출입구 쪽으로 이동하게 되어 열유속계가 설치된 위치에서 화염면은 출입구 쪽으로 점점 멀어짐을 예측할 수 있다. 마지막으로 구획 외부 바닥면에서의 열유속을 살펴보면, 시간에 따라 점차적으로 증가되지만 그 절대값은 구획 내부에 비해 매우 작음을 알 수 있다. 즉 시간 증가에 따라 외부로 배출되는 화염면으로부터의 복사열전달은 증가되더라도, 측정 위치가 구획 내부로 유입되는 공기 유동 내에 있음을 고려할 때, 대류 열손실이 매우 크게 작용되고 있음을 예측할 수 있다.
- 마지막으로 구획 외부 바닥면에서의 열유속을 살펴보면, 시간에 따라 점차적으로 증가되지만 그 절대값은 구획 내부에 비해 매우 작음을 알 수 있다. 즉 시간 증가에 따라 외부로 배출되는 화염면으로부터의 복사열전달은 증가되더라도, 측정 위치가 구획 내부로 유입되는 공기 유동 내에 있음을 고려할 때, 대류 열손실이 매우 크게 작용되고 있음을 예측할 수 있다.
- 위 결과로부터 반밀폐된 구획에서 지속적 화재성장을 갖는 비정상 화재거동은 총괄 당량비 개념의 도입을 통해, 구획 내의 열 및 화학적특성이 물리적으로 명료하게 설명될 수 있음을 확인하였다. 또한 정상상태의 화재에서 발견되지 않은 구획 내의 열 및 화학적특성을 확인할 수 있었으며, 이는 실질적 화재현상의 물리적 해석을 위한 중요한 판단 기준으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- (1) 2 MW까지의 지속적인 연료 공급량 증가를 통한 화재성장의 조건에서, 총괄 연소효율과 구획 내부의 국부 연소효율은 매우 상이한 결과를 보인다. 또한 총괄 당량비의 예측을 위한 이론 발열량과 측정 발열량의 적용에 따른 환기부족 화재의 특성 차이점을 비교 검토하였다.
- (2) 이론 발열량(연료량) 및 측정된 발열량을 통해 예측된 각각의 총괄 당량비는 구획화재의 화학적 특성에 대한 정량적 및 정성적 판단기준의 상·하 경계를 제공한다. 또한 총괄 당량비의 개념을 통해 구획 내부의 온도 및 열유속과 같은 비정상 열적특성이 정량적 및 정성적으로 표현될 수 있었다.
- (3) 구획 내부의 CO의 농도는 총괄 당량비 2.0~3.0의 범위에서 최대값을 보이며, 보다 과농한 조건에서 점차적으로 감소되는 현상을 발견하였다. 대표적 불완전 연소생성물인 H2, CH4와는 다른 생성특성을 보이며, CO의 생성에 영향을 줄 수 있는 다양한 인자들에 대한 상세한 해석은 향후 보고될 예정이다.
후속연구
- 11) 그러나 발열량, 온도, 열유속 및 화학종 농도 등의 주요 결과에 대한 정상상태 구간의 평균값을 도출하는 과정에서 정상상태 구간의 설정에 따라 평균값은 매우 다양한 값을 갖게 되며, 결과적으로 연구자의 주관적 판단에 의해 결정되는 문제점을 갖고 있다. 추가로 정상상태 화재를 통한 정량적 수치들의 신뢰도를 확보하기 위하여 동일 조건에서 다수의 반복적 실험이 요구되며, 특정 물리량에 대해서는 화재현상의 본질적 특성으로 인하여 정상상태 구간에서 시간평균에 따른 표준편차가 실험 측정법의 불확실도보다 클 수 있다는 한계를 갖고 있다.12)
- 채취된 연소가스에 대하여 산소 농도는 상자성(paramagnetic) 분석기, 일산화탄소 및 이산화탄소의 농도는 NDIR(non-dispersive infrared)분석기, 그리고 미연 탄화수소의 농도는 FID(flame ionization detector)를 이용하여 측정되었다. 모든 화학종의 농도는 수분이 제거된 건기준(dry-basis)에서 측정되었으며, 향후 수치계산과의 검증을 위하여 습기준(wet-basis)으로 변환되었다. 천정과 바닥에 각각 3개의 열유속계(total heat flux gauge)가 설치되었으며, 수직방향의 온도분포를 확인하기 위하여 두 개의 K-type열전대 tree가 사용되었다.
- 그 결과 실제현상보다 완전연소에 가까운 결과를 갖게 되어 총괄 연소효율보다 높은 값을 갖게 된다. 이들에 대한 보다 명확한 원인은 보다 정밀한 측정을 통해 향후 검토되어야 할 것으로 판단된다.
- 위 결과로부터 반밀폐된 구획에서 지속적 화재성장을 갖는 비정상 화재거동은 총괄 당량비 개념의 도입을 통해, 구획 내의 열 및 화학적특성이 물리적으로 명료하게 설명될 수 있음을 확인하였다. 또한 정상상태의 화재에서 발견되지 않은 구획 내의 열 및 화학적특성을 확인할 수 있었으며, 이는 실질적 화재현상의 물리적 해석을 위한 중요한 판단 기준으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 0의 범위에서 최대값을 보이며, 보다 과농한 조건에서 점차적으로 감소되는 현상을 발견하였다. 대표적 불완전 연소생성물인 H2, CH4와는 다른 생성특성을 보이며, CO의 생성에 영향을 줄 수 있는 다양한 인자들에 대한 상세한 해석은 향후 보고될 예정이다.
- (4) 마지막으로 본 연구를 통해 얻어진 반 밀폐된 실규모 구획화재의 비정상적 실험 데이터는 성능위주소방설계를 포함한 실질적 화재안전에 유용한 화재모델링의 검증 데이터로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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