[논문]헵탄 풀화재에서 불활성기체 소화농도

정태희; 이의주

doi:10.14346/jkosos.2012.27.3.071

헵탄 풀화재에서 불활성기체 소화농도
Extinguishing Concentration of Inert Gases in Heptane Pool Fires 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.27 no.3, 2012년, pp.71 - 76

Abstract ▼ AI-Helper

The coflow velocity effect on the minimum extinguishing concentration(MEC) was investigated experimentally in heptane cup-burner flames. Various inert gases($N_2$, Ar, $CO_2$, He) were added into the oxidizer to find the critical concentration and the effectiveness of the agents on flame extinction. The experimental results showed that the MECs were increased with increasing coflow velocity for most inert gases except helium, but the higher coflow velocity induced the lower burning rates of heptane. This indicated that the increase of coflow velocity resulted in the decrease of fuel velocity evaporated from fuel surface, and hence the stain rate on the reaction zone was also decreased. In the case of helium as a additive, the extinguishing concentration was independent of the coflow velocity because the heat conductivity was ten times larger than the other inert gases and flow effect by a strain rate might be compensated for heat loss to the surroundings.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이와 관련된 연구는 주로 컵버너에서 메탄과 같은 기체 연료를 사용하여 규명되었는데^10-12), 액체 연료의 경우 비균질 특성에 의해 액체연료 표면에서 증발하는 연료의 유량 등 물리적 기구가 기체연료보다 복잡한 특성이 있다. 따라서 본 연구에서는 불활성 가스 중 현재 불활성 기체 소화약제로 사용되고 있는 N₂, CO₂, Ar, He을 공기와 혼합하여 산화제의 전체 유속을 고정시킨 상태에서 조성 비율만을 변화시켜가며 화염소화농도를 측정하였고, 전체유속 변화에 따라 유속이 화염의 최소소화농도에 미치는 영향을 고찰하였다.
본 연구에서는 N₂, CO₂, Ar, He 등 다양한 불활성가스의 산화제 유속 변화에 따른 소화농도 특성을 컵버너에서 형성된 풀화재에서 검토하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 각 유속에 대한 최소소화농도(MEC)를 알아보기 위하여 유속을 2 cm/s 간격으로 16 cm/s 까지 증가시켜가면서 실험을 하였다. 사용한 소화농도의 측정 장치는 NFPA 2001 Standard¹⁾에서 발표한 장치를 참고하여 제작하였으며, 그 개요도는 Fig.

제안 방법

가스연료와는 달리 액체연료는 화염의 특성에 따라 증발되는 연료의 속도가 바뀌는 특성이 있다. 따라서 산화제의 유속에 따른 액체 연료의 속도변화를 예측하기 위해 풀화재의 연소소모율(burning rate)을 실험적으로 측정하였고 그 결과는 Fig. 4에 나타내었다.
화염의 소화여부 기준은 눈으로 관찰하여 3분 이내에 불이 꺼지면 소화농도로 간주하였다. 또한 유속에 따른 소화기구를 설명하기 위해 단위면적당 연료소모율을 측정하였다. 연료소모율은 일정한 수위를 유지하기 위해 만든 Fig.
본 연구에서는 각 유속에 대한 최소소화농도(MEC)를 알아보기 위하여 유속을 2 cm/s 간격으로 16 cm/s 까지 증가시켜가면서 실험을 하였다. 사용한 소화농도의 측정 장치는 NFPA 2001 Standard¹⁾에서 발표한 장치를 참고하여 제작하였으며, 그 개요도는 Fig. 1에 나타내었다.
실험은 먼저 연료를 점화시킨 후에 2분 동안 충분히 가열한 다음 화염의 안정성을 확인 하였다. 이후, 전체 유속을 고정시키고 공기와 소화약제의 조성 비율을 조절하면서 공급하였다.
또한 유속에 따른 소화기구를 설명하기 위해 단위면적당 연료소모율을 측정하였다. 연료소모율은 일정한 수위를 유지하기 위해 만든 Fig. 1의 장치에서 일정 시간동안 공급되는 전체연료량에서 컵버너로 이동하지 못하고 밑으로 남은 연료량의 차이로부터 연소로 소모된 유량을 측정하였다.
이후, 전체 유속을 고정시키고 공기와 소화약제의 조성 비율을 조절하면서 공급하였다. 이 때, 각 유속에서 10초 동안 적당한 시간을 배분하여 해당 공기와 소화약제의 충분한 조성이 이루어 질수 있도록 하였다. 화염의 소화여부 기준은 눈으로 관찰하여 3분 이내에 불이 꺼지면 소화농도로 간주하였다.
He의 소화농도는 산화제 유속에 영향을 받지 않았고, 다른 모든 가스에 대해서는 산화제 유속이 증가 할수록 최소소화농도는 증가하였다. 이러한 상반되는 결과는 연료의 차이에 기인한다고 판단되며, 뒤에 보다 자세한 해석을 수행하였다.
실험은 먼저 연료를 점화시킨 후에 2분 동안 충분히 가열한 다음 화염의 안정성을 확인 하였다. 이후, 전체 유속을 고정시키고 공기와 소화약제의 조성 비율을 조절하면서 공급하였다. 이 때, 각 유속에서 10초 동안 적당한 시간을 배분하여 해당 공기와 소화약제의 충분한 조성이 이루어 질수 있도록 하였다.
이 때, 각 유속에서 10초 동안 적당한 시간을 배분하여 해당 공기와 소화약제의 충분한 조성이 이루어 질수 있도록 하였다. 화염의 소화여부 기준은 눈으로 관찰하여 3분 이내에 불이 꺼지면 소화농도로 간주하였다. 또한 유속에 따른 소화기구를 설명하기 위해 단위면적당 연료소모율을 측정하였다.

대상 데이터

공기와 소화약제는 포말유량계(bubble meter)로 검증된 MFC(mass flow controller)를 사용하여 유량을 오차범위 ±1%미만으로 제어하였으며 측정 장치의 하부로 공급된다. 연료로는 헵탄(heptane)을사용하였으며, level로 연료의 높이를 조절하여 연료의 액위를 원하는 높이에 고정시켰다. 컵버너는 스테인레스스틸(stainless steel)로 제작되었으며, 내경은 30mm 이고 가장자리로 내부에는 45도의 경사가 있다.

성능/효과

1) 헬륨을 제외하고는 모든 불활성 기체의 최소 소화농도는 산화제 주위류의 속도가 증가할수록 커지는 경향을 보인다.
2) 불활성기체의 소화는 열용량에 많은 영향을 받아서 사용된 소화약제중 열용량이 가장 큰 이산화탄소가 우수하였다. 헬륨은 다른 소화약제들 보다 더 열전도도가 10배 이상 높기 때문에 열용량이 낮음에도 불구하고 소화성능이 우수하다.
3) 산화제의 유속 증가는 연료소모율을 감소시켜 액체표면에서 증발되는 연료속도를 감소시킨다. 따라서 산화제의 유속증가에 따른 MEC 증가효과는 연료속도 감소에 기인한 전체 스트레인율의 감소때문으로 설명할 수 있다.
4) 산화제의 불활성기체 몰분율을 증가시키는 경우는 유속증가와 유사하게 연료소모율을 감소시키는 작용을 한다. 이는 유체역학적 영향과 산화제 화학적 조성의 변화가 액면으로의 열전달율을 변화시키고 궁극적으로는 액체 표면에서 증발하는 연료의 양을 조절한다.
이 결과에 의하면 본 연구에서 사용한 산화제 속도범위에서는 He을 제외한 Ar, N₂, CO₂ 등 모든 불활성가스에 대해서 소화농도가 바뀌지 않았다. He의 소화농도는 산화제 유속에 영향을 받지 않았고, 다른 모든 가스에 대해서는 산화제 유속이 증가 할수록 최소소화농도는 증가하였다. 이러한 상반되는 결과는 연료의 차이에 기인한다고 판단되며, 뒤에 보다 자세한 해석을 수행하였다.
결과적으로 유속의 증가는 연료의 증발을 저해하여 연료유속을 감소시키기 때문에 전체적인 스트레인율이 감소하여 화염소화가 지연된다고 할 수 있다. 이러한 현상은 식 (1)을 통해서도 WSR 모델링에서 연료속도의 감소는 반응대에서의 전체 체류시간의 감소로 보다 활발한 연소가 가능하다.
본 연구와 같은 산화제 유속에서 수행된 컵버너 결과는 가스계연료인 메탄의 경우에만 존재한다¹⁰⁾. 이 결과에 의하면 본 연구에서 사용한 산화제 속도범위에서는 He을 제외한 Ar, N₂, CO₂ 등 모든 불활성가스에 대해서 소화농도가 바뀌지 않았다. He의 소화농도는 산화제 유속에 영향을 받지 않았고, 다른 모든 가스에 대해서는 산화제 유속이 증가 할수록 최소소화농도는 증가하였다.
6에서는 산화제의 전체유속을 10 cm/s로 고정시킨 뒤 공기와 질소의 몰분율 변화에 따른 연료소모율을 도시하였다. 전체적인 경향은 순수 공기만을 사용했을 때와 같이 산화제 유속에 따라 선형적으로 감소하지만 연료의 질량소모량은 약 40% 감소한다. 이는 주위류에 질소를 희석하였을 때는 화염의 온도가 상대적으로 낮아 화염에서 연료표면으로 피드백되는 열전달량이 감소하고 이에 따라 증발하는 연료량이 감소한다고 볼 수 있다.

후속연구

제시하였다. 본 연구에서는 산화제의 유속 변화가 존재하므로 WSR 모델을 이용할 경우 산화제 속도변화를 모사할 수 있는 대한 모델링이 필요하다. 기존의 연구에서는 WSR의 변수인 체류시간(residence time), τ를 본 연구에서 사용한 변수인 산화제 유속과의 관계를 얻었다¹³⁾.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대체소화약제에 있어서 가장 중요시 되는 문제는 무엇인가?	대체소화약제에 있어서 가장 중요시 되는 문제는 최소소화농도(MEC, minimum extinction concentration)를 측정하는 것이다. 이러한 소화농도의 측정방법으로는 여러 가지가 있지만, NFPA(National Fire Protect Association)2), ISO(International Standard Organization) 등의 Fire Code에서는 컵버너(Cup-burner) 시험방법으로 소화농도를 측정하도록 규정하고 있다.
	가스계 소화약제의 대표적인 물질은 무엇인가?	가스계 소화약제의 대표적인 물질인 할론(halon)은 대부분의 화재에 적용할 수 있는 매우 효과적인 소화약제로 전 세계적으로 사용되어온 소화약제이다. 그러나 할로겐 화합물이 지구 대기의 오존층 파괴 물질로 알려짐에 따라 몬트리올정서에 의해 여러 선진국에서는 지난 1994년부터 생산을 전면 중단하였으며, 이 정서에 개발도상국에 가입한 국가들은 2010년까지만 생산, 소비가 가능하게 되었다.
	세계 각국에서 할론을 대체할 새로운 소화약제를 개발하는 이유은 무엇인가?	가스계 소화약제의 대표적인 물질인 할론(halon)은 대부분의 화재에 적용할 수 있는 매우 효과적인 소화약제로 전 세계적으로 사용되어온 소화약제이다. 그러나 할로겐 화합물이 지구 대기의 오존층 파괴 물질로 알려짐에 따라 몬트리올정서에 의해 여러 선진국에서는 지난 1994년부터 생산을 전면 중단하였으며, 이 정서에 개발도상국에 가입한 국가들은 2010년까지만 생산, 소비가 가능하게 되었다. 따라서 세계 각국에서는 할론을 대체할 새로운 소화약제를 개발하기 위하여 많은 노력과 개발연구가 이루어지고 있다.

참고문헌 (17)

T. R. Barfknecht, "Toxicology of Soot", Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 9, pp. 199-237, 1983.

상세보기
Anon, "Standard on Clean Agent Fire Extinguishing System", National Fire Protection Agency (NFPA 2001), Quincy, MA, 2000.
E. C. Creitz, "Inhibition of Diffusion Flames by Methyl Bromide and Trifluoromethyl Bromide Applied to the Fuel and Oxygen Sides of the Reaction Zone", J. Res. NBS(US), Vol. 65A, No. 4, pp. 389, 1961.

상세보기
R. Hirst, and K, Booth, "Measurement of Flame- Extinguishing Concentrations", Fire Tech., Vol. 13, No. 4, pp. 296, 1977.

상세보기
T. A. Moore, A. Martinez, R. E. Tapscott, "Comparison of the NMERI and ICI-style Cup-burners", Proceedings of the 6th Halon Options Technical Working Conference (HOTWC-97), Albuquerque, NM, pp. 388-395, 1997.
N. Saito, Y. Ogawa, Y. Saso, C. Liao, R. Sakei, "Flameextinguishing Concentrations and Peak Concentrations of $N_2$ , Ar, $CO_2$ and their mixtures for hydrocarbon fuels", Fire Safety Journal, Vol. 27 pp. 185-200, 1996.

상세보기
J. A. Senecal, "Flame extinguishing in The Cup-burner by Inert Gases", Fire Safety Journal, vol. 40, pp. 579-591, 2005.

상세보기
R. S. Sheinson, J. E. Penner-Hahn, D. Indritz, "The Physical and Chemical Action of Fire Suppressants", Fire Safety Journal, Vol. 15, pp. 437-450, 1989.

상세보기
S. Liu, M. C. Soteriou, M. B. Colket, J. A. Senecal, "Determination of Cup-burner Extinguishing Concentration Using The Perfectly Stirred Reactor Model", Fire Safety Journal, Vol. 43, pp. 589-597, 2008.

상세보기
F. Takahashi, G. T. Linteris, V. R. Katta, "Extinguishment Mechanisms of Coflow Diffusion Flames in a Cup-burner Apparatus", Proceeding of Combustion Institute, Vol. 31 pp. 2721-2729, 2007.

상세보기
V. R. Katta, F. Takahashi, G. T. Linteris, "Suppression of Cup-burner Flames Using Carbon Dioxide In Microgravity", Combustion and Flame, Vol. 137, pp. 506- 522, 2004.

상세보기
V. R. Katta, F. Takahashi, G. T. Linteris, "Fire-sup Pression Characteristics of $CF_3H$ in a Cup Burner", Combustion and Flame, Vol. 144, pp. 645-661, 2006.

상세보기
R. J. Kee, F. M. Rupley, J. A. Miller, "CHEMKIN-II, A FORTRAN Chemical Kinetics Package for The Analysis of Gas-phase Chemical Kinetics", Sandia Report SAND89-8009B, 1991.
J. H. Ji, E. J. Lee, "The Effect of Coflow Velocity on The Flame Extinguishing Concentration of Inert Gas in Jet Diffusion Flames", 8th Asia-Pacific Conference on combustion(ASPACC), India, pp. 1252-1257, 2010.
A. Nakakuki, "Heat Transfer in Hot-zone-forming Pool Fires, Combustion and Flame", Vol. 109, pp. 353-369, 1997.

상세보기
M. Klassen, J. P. Gore, Y. R. Sivathanu, A. Hamins, T. Kashiwagi, "Radiative Heat Feedback in a Toluene Pool Fire", Proceeding of Combustion Institute, Vol. 24, pp. 1713-1719, 1992.

상세보기
P. Joulain, "The Behavior of Pool Fires: State of The Art and New Insights", Proceeding of Combustion Institute, Vol. 27, pp. 2691-2706, 1998.

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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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