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문제 정의
- 본 연구에서는 가연성 액체인 메탄올을 이용한 small scale의 pool fire와 whirl fire에서 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 측정하여 화원의 높이 변화가 가연성 액체의 pool fire와 whirl fire의 연소특성에 어떠한 영향을 미치는가를 실험적으로 고찰하고자 하였다.
제안 방법
- Table 4는 화점높이 변화에 따른 메탄올의 풀 화재와 회오리 화염의 화염높이를 비디오 카메라로 화염의 형상을 촬영한 후 이 영상자료를 근거로 측정한 것으로 각 시료의 총 연소시간의 중간에서 6초 동안 1/30 s의 시간단위로 측정한 평균, 최대, 최소의 화염높이를 나타낸 것이며, 평균화염 높이에의 분산과 표준편차를 산출하였다.
- 다점풍속측정기(Kanomax system 6242, multichannel anemomaster Model 1550)을 Figure 1과 같이 화원으로부터 35.35 cm의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90 cm의 높이로 4개를 설치하여 외부로부터 실험 장치내로의 공기유입속도를 연소시간동안 측정한 결과는 Table 5에 나타내었다.
- 01 g의 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 화염주변의 온도변화, 화원 주변의 공기유입속도 변화 그리고 질량연소속도는 매 1초 간격으로 측정하였으며, 이 모든 데이터는 data logger를 이용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 한 후 분석에 사용하였다.
- 본 연구에서는 가연성 액체 연료인 메탄올을 시료로 하여 화점높이의 변화에 따른 풀 화재와 회오리 화염의 연소시간, 질량감소속도, 화염온도, 화염높이 및 외부로부터 화염으로의 공기유입속도를 측정하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 비디오 카메라를 이용하여 화염을 촬영한 후 이 영상 자료를 근거로 화염의 형상과 높이 그리고 와류(vortex shedding) 생성주기를 분석하였다. 연소시간 동안 화염온도와 화염주변의 온도변화, 화원 주변의 공기유입속도 변화 그리고 질량연소속도는 매 1초 간격으로 측정하였으며, 이 모든 데이터는 data logger를 이용하여 컴퓨터에 자동 저장되도록 한 후 분석에 사용하였다.
- 35 cm의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90 cm의 높이로 4개를 설치하여 측정하였다. 질량감소속도는 0.01 g의 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.
- 화염온도와 화염주변의 온도변화는 Ø1.0 mm의 K-type 열전대를 바닥면을 기준으로 15 cm의 간격으로 8개씩 총 16개를 설치하여 연소시간 동안 측정하였다.
- 0 mm의 K-type 열전대를 바닥면을 기준으로 15 cm의 간격으로 8개씩 총 16개를 설치하여 연소시간 동안 측정하였다. 화원 주변의 공기유입속도 변화는 다점풍속측정기(Kanomax system 6242, multichannel anemomaster Model 1550)을 화원으로부터 35.35 cm의 거리에서 바닥면을 기준으로 10, 30, 60 그리고 90 cm의 높이로 4개를 설치하여 측정하였다. 질량감소속도는 0.
- 0 mm 두께의 스테인테스강으로 100 mm * 100 mm * 50 mm 크기의 사각형 용기로 제작하여 사용하였다. 화점높이의 변화는 바닥면을 기준으로 0 cm, 15 cm, 30 cm로 변화를 주었으며, 각 조건에서 3회 이상 반복 실험을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시료는 인화성 액체의 pool fire와 whirl fire의 연소특성 연구에 자주 이용되고 있는 메탄올으로 국내 시판중인 제품을 별도의 정제없이 사용하였다. 1회 실험 당 시료의 양은 100 g을 기준으로 하였으며, 이를 부피로 환산하면 128.
- 실험에 사용된 시료용기의 재질은 1.0 mm 두께의 스테인테스강으로 100 mm * 100 mm * 50 mm 크기의 사각형 용기로 제작하여 사용하였다. 화점높이의 변화는 바닥면을 기준으로 0 cm, 15 cm, 30 cm로 변화를 주었으며, 각 조건에서 3회 이상 반복 실험을 실시하였다.
성능/효과
- 동일한 화점높이에서, 화점높이 30 cm일때를 제외하면 메탄올의 풀 화재 보다 회오리 화염에서의 연소시간이 평균 1.41배 짧았으며, 질량감소속도는 평균 1.40배 빠름을 알 수 있었다.
- Table 5에 나타낸바와 같이 회오리 화염의 경우 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 화점의 높이를 0 cm에서 30 cm로 변화시켰을 때, 0 cm의 높이에서 가장 빠른 공기유입속도를 나타내었다. 또한, 동일한 화점의 높이에서는 다점풍속기의 높이가 30 cm인 경우에 풀 화재와 회오리 화염에서 가장 빠른 평균 공기유입속도를 나타냈었다.
- 모든 실험결과로부터 화원의 높이 변화에 따른 연소특성은 풀 화재보다는 회오리 화염에 있어서 더 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있었다.
- 이 결과는 화점의 높이가 증가할수록 질량감소속도가 감소하는 경향과 일치함을 알 수 있는데, 이는 질량감속도가 감소할 경우 화염으로부터 방출되는 열에너지의 량도 감소하게 되고 이에 따라 실험 장치내의 대류에 의한 상승기류의 발생 또한 감소하게 되어 외부로부터 유입되는 공기의 속도가 감소하게 된다는 것을 알 수 있다.
- 평균질량감소속도는 초기 연료의 연료량이 전부 연소되는데 걸린 시간으로부터 분석하였으며, 화점높이가 0 cm일 때 풀 화재의 경우 17.36 g/secm2, 회오리 화염의 경우 27.69 g/secm2로 최대값을 나타낸 후 화점높이가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다. Figure 3에서 알수 있듯이, 화점높이 변화에 따른 질량감소속도는 풀 화재보다는 회오리 화염에서 더 많은 영향을 받음을 알 수 있데 이는 실험장치내에서 형성되는 부력에 의한 기류변화에 기인한 것으로 판단된다.
- 화염의 높이는 풀 화재와 회오리 화염에서 모두 화점의 높이가 증가할수록 감소하였으며, 외부로부터 화염으로의 공기유입속도는 풀 화재의 경우 화점의 높이 증가에 따라 풍속측정기의 위치가 0 cm일 때는 증가하고 30 cm일 때는 감소한 반면, 회오리 화염의 경우에는 화점의 높이가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내었다.
- 화염의 온도는 풀 화재의 경우 거의 유사한 분포를 나타낸 반면, 회오리 화염에서는 화점의 높이가 0 cm일 때 가장 높은 온도 분포를 나타내었다.
- 화점높이 변화에 따른 화염의 최대높이는 0 cm일 때 가장 높으며 화점이 높아질수록 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 화염으로 유입되는 공기의 온도와 유입량의 차이에 의한 결과로 판단된다.
- 메탄올의 화점높이 변화에 따른 풀 화재와 회오리 화염의 연소시간은 같은 조건하에서 3회 반복 시험한 결과에 대한 평균값으로 Table 2와 Figure 2에 나타내었다. 화점의 높이가 0 cm 일 때 가장 낮은 연소시간을 나타낸 반면 화점의 높이가 증가할수록 연소시간이 증가함을 알 수 있었다. 이는 화점의 높이가 증가할수록 화염으로부터 바닥부분 및 주변 공기에 대한 예열량 감소에 따른 부력 현상의 감소와 화염으로부터 연료로의 열 피드백 감소 등에 영향을 받은 것으로 판단된다.
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