[논문]국소방출방식 개념의 대향류 확산화염에서 CO2 소화효과에 관한 수치해석 연구

문선여; 박충화; 황철홍; 오창보

doi:10.7731/kifse.2012.26.4.055

초록
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소화약제의 국소방출방식 개념이 적용될 수 있는 대향류 확산화염을 대상으로 $CO_2$ 소화약제의 소화기구를 재조명하기 위한 연구가 시도되었다. 이를 위해 연료 또는 공기류에 $CO_2$가 첨가된 낮은 총괄신장율의 $CH_4$/air 대향류 확산화염이 상세반응을 이용한 수치해석을 통해 검토되었다. 첨가된 $CO_2$를 포함한 복사 참여 화학종의 복사 열손실을 고려하기 위하여 optically thin model(OTM)이 적용되었다. 주요 결과로서, 공기류에 첨가된 $CO_2$의 소화농도 예측결과는 문헌에 보고된 실험결과를 적절하게 예측하고 있으나, 연료류에 첨가된 경우 다소 과소 예측된 결과를 확인하였다. 소화효과에 대한 정량적 분석을 위하여 가상의 소화약제의 개념이 도입되었다. $CO_2$ 소화효과의 분석을 통해 총괄신장율($a_g$)에 따른 순수 희석효과, 복사 열손실 및 열용량에 의한 열적효과 그리고 $CO_2$의 연쇄반응 억제를 통한 화학적 효과의 정량적 기여도를 구체적으로 확인할 수 있었다.

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The suppression mechanisms of carbon dioxide ($CO_2$) as a representative fire suppression agent were revisited using a counterflow diffusion flame which could be applied the concept of a local application system. To end this, the low strain rate $CH_4$/air counterflow diffusio...

The suppression mechanisms of carbon dioxide ($CO_2$) as a representative fire suppression agent were revisited using a counterflow diffusion flame which could be applied the concept of a local application system. To end this, the low strain rate $CH_4$/air counterflow diffusions with $CO_2$ addition in either fuel or oxidizer stream were examined numerically using detailed-kinetic chemistry. Radiative heat loss due to radiating gas species including $CO_2$ added was considered by the optically thin model (OTM). As a result, the critical $CO_2$ volume fractions in the oxidizer stream required to extinguish the flame were in good agreement with the experimental data reported in the literature, while somewhat under-prediction was observed with $CO_2$ added in the fuel stream. The surrogate agents were adopted to estimate the quantitative contribution with changing in global strain rate ($a_g$) on the flame extinguishment among pure dilution effect, thermal effects including radiation heat loss and chemical effect due to the $CO_2$ fire suppression agent.

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문제 정의

이러한 배경 하에 본 연구에서는 CH₄/air 대향류 확산화염을 대상으로 연료 및 공기류에 첨가된 CO₂의 복잡한 소화효과에 관한 수치해석적 연구가 수행되었다. 화재공학의 관점에서 복사 열손실의 효과가 중요시 되는 낮은 신장율의 화염을 대상으로 하였으며, 문헌에 보고된 실험결과와의 비교를 통해 수치결과의 타당성을 검증하였다.

제안 방법

의 복잡한 소화효과에 관한 수치해석적 연구가 수행되었다. 화재공학의 관점에서 복사 열손실의 효과가 중요시 되는 낮은 신장율의 화염을 대상으로 하였으며, 문헌에 보고된 실험결과와의 비교를 통해 수치결과의 타당성을 검증하였다. 이후 CO₂에 의한 소화효과로서 희석효과, 복사효과를 포함한 열적효과 및 화학적효과를 정량적으로 분리하기 위하여 가상의 소화약제(surrogate agent) 개념을 도입하였다.
화재공학의 관점에서 복사 열손실의 효과가 중요시 되는 낮은 신장율의 화염을 대상으로 하였으며, 문헌에 보고된 실험결과와의 비교를 통해 수치결과의 타당성을 검증하였다. 이후 CO₂에 의한 소화효과로서 희석효과, 복사효과를 포함한 열적효과 및 화학적효과를 정량적으로 분리하기 위하여 가상의 소화약제(surrogate agent) 개념을 도입하였다. 본 연구의 체계적인 접근법은 향후 사용목적 및 적용대상에 따른 혼합 청정소화약제의 효율적인 개발에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
소화약제의 국소방출방식의 개념이 적용 가능한 CH₄/air 대향류 확산화염에서 CO₂ 소화농도 예측에 대하여 검증을 하고, 소화효과의 정량적 분석을 시도하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

대상 데이터

층류 확산화염에서 연료 및 공기류에 첨가된 CO₂의 소화현상을 규명하기 위하여 Figure 1과 같은 대향류 확산화염을 대상으로 하였다. 1차원 확산화염의 계산을 위하여 수정된 Oppdif code⁽¹¹⁾가 사용되었으며, 열역학 및 전달 물성치는 각각 Chemkin-II⁽¹²⁾와 Transport Package⁽¹³⁾가 사용되었다.

이론/모형

의 소화현상을 규명하기 위하여 Figure 1과 같은 대향류 확산화염을 대상으로 하였다. 1차원 확산화염의 계산을 위하여 수정된 Oppdif code⁽¹¹⁾가 사용되었으며, 열역학 및 전달 물성치는 각각 Chemkin-II⁽¹²⁾와 Transport Package⁽¹³⁾가 사용되었다. 상세반응 기구로는 GRI ver.
낮은 화염신장율의 조건에서 중요시되는 복사 열손실 및 첨가된 CO₂의 추가적인 복사 열손실을 고려하기 위하여, 간략화된 모델로서 화염 및 부근의 가스가 광학적으로 매우 얇아 복사에너지를 흡수하지 않는다는 가정이 적용된 Optically Thin Model(OTM)⁽¹⁵⁾이 사용되었다.

성능/효과

위 결과로 부터 열적효과와 복사효과는 화염온도와 직접적으로 관련되어지며, 이 두 가지의 소화효과의 개별적 평가는 많은 어려움이 존재한다. 따라서 CO₂의 소화효과는 순수 희석 효과, 복사효과를 포함한 열적효과 그리고 화학적효과로 분리되는 것이 보다 타당할 것으로 판단된다.
의 소화농도 예측은 실험측정의 불확실도 범위 내에서 거의 유사한 결과를 보여준다. 또한 대부분의 화재에서 소화약제의 공급은 공기류 측에서 이루어짐을 고려할 때, 비교적 간단한 복사모델인 OTM의 적용은 매우 효율적임을 확인하였다.
가상의 소화약제의 개념을 이용한 CO₂ 소화농도 분석을 통해 총괄신장율에 따른 순수 희석효과, 복사효과를 포함한 열적효과 그리고 CO₂의 연쇄반응 억제를 통한 화학적 효과의 정량적 기여도를 구체적으로 확인할 수 있었다. Cup 버너에서의 소화농도와 유사한 값을 보여주는 a_g=50 s⁻¹에서 공기류에 첨가된 CO₂는 순수 희석효과를 기준으로 복사효과를 포함한 열적효과를 통해 79.
의 연쇄반응 억제를 통한 화학적 효과의 정량적 기여도를 구체적으로 확인할 수 있었다. Cup 버너에서의 소화농도와 유사한 값을 보여주는 a_g=50 s⁻¹에서 공기류에 첨가된 CO₂는 순수 희석효과를 기준으로 복사효과를 포함한 열적효과를 통해 79.19 %의 소화농도 감소를 발생시키며, 화학적 효과를 통해 2.69 %의 소화농도 감소효과를 발생시킴을 확인할 수 있었다.

후속연구

이후 CO₂에 의한 소화효과로서 희석효과, 복사효과를 포함한 열적효과 및 화학적효과를 정량적으로 분리하기 위하여 가상의 소화약제(surrogate agent) 개념을 도입하였다. 본 연구의 체계적인 접근법은 향후 사용목적 및 적용대상에 따른 혼합 청정소화약제의 효율적인 개발에 유용한 정보를 제공할 것으로 기대된다.
즉, 연료 및 공기류에 첨가된 N₂의 소화효과는 유사한 경향을 보이지만, 정량적 측면에서 공기류에 첨가된 N₂의 희석 및 열적 소화효과가 매우 높음을 알 수 있다. 이들의 차이는 연료 또는 공기류의 N₂(또는 D_N₂) 첨가에 따른 N₂(또는 D_N₂)의 소화농도, 화염면의 위치, 국부 화염신장율 및 발생열량 등의 변화에 의해 발생되는 것으로 예측되며, 이에 대한 상세한 해석은 향후 진행될 예정이다.
소화약제의 국부방출방식의 개념이 적용 가능한 대향류 확산화염에서 CO₂ 소화약제의 정량적 소화기구에 관한 본 연구의 접근방법은 향후 다양한 소화약제들의 개별 소화성능에 대한 보다 정확한 평가에 활용될 수 있으며, 연료, 연소방식 및 조건 등에 보다 효율적인 혼합 청정소화약제의 구성 성분 도출에 궁극적으로 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌 (19)

C. H. Hwang, C. E. Lee and J. H. Kim, "Flame Blowout Limits of Landfill Gas Mixed Fuels in a Swirling Nonpremixed Combustor", Energy and Fuels, Vol. 22, No. 5, pp. 2933-2940 (2008).

상세보기
H. Liu, H. Guo, G. J. Smallwood and O. L. Gulder, "The Chemical Effects of Carbon Dioxide as an Additive in an Ethylene Diffusion Flame: Implications for Soot and NOx Formation", Combustion and Flame, Vol. 125, No. 1-2, pp. 778-787 (2001).

상세보기
C. H. Hwang, C. B. Oh and C. E. Lee, "Effects of $CO_{2}$ Dilution on the Interactions of a $CH_{4}$ -air Nonpremixed Jet Flame with a Single Vortex", International Journal of Thermal Sciences, Vol. 48, No. 7, pp. 1423-1431 (2009).

상세보기
M. Bundy, A. Hamins and K. Y. Lee, "Suppression Limits of Low Strain Rate Nonpremixed Mixed Methane Flames", Combustion and Flame, Vol. 133, No. 3, pp. 299-310 (2003).

상세보기
J. S. T'ien, "Diffusion Flame Extinction at Small Stretch Rates: The Mechanism of Radiative Loss", Combustion and Flame, Vol. 65, No. 1, pp. 31-34 (1986).

상세보기
K. Maruta, M. Yoshida, H. Guo, Y. Ju and T. Niioka, "Extinction of Low-stretched Diffusion Flame in Microgravity", Combustion and Flame, Vol. 112, No. 1-2, pp. 181-187 (1998).

상세보기
D. J. Hwang, J. Park, C. B. Oh, K. H. Lee and S. I. Keel, "Numerical Study on NO Formation in $CH_{4}-O_{2}-N_{2}$ Diffusion Flame Diluted with $CO_{2}$ ", International Journal of Energy Research, Vol. 29, No. 2, pp. 107-120 (2005).

상세보기
C. E. Lee, S. R. Lee, J. W. Han and J. Park, "Numerical Study on Effect of $CO_{2}$ Addition in Flame Structure and NOx Formation of $CH_{4}$ -air Counterflow Diffusion Flame", International Journal of Energy Research, Vol. 25, No. 4, pp. 343-354 (2001).

상세보기
J. Park, J. S. Kim, J. O. Chung, J. H. Yun and S. I. Keel, "Chemical Effects of Added $CO_{2}$ on the Extinction Characteristics of $H_{2}$ /CO/ $CO_{2}$ Syngas Diffusion Flames", International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 34, No. 20, pp. 8756- 8762 (2009).

상세보기
D. X. Du, R. J. Axelbaum and C. K. Law, "The Influence of Carbon Dioxide and Oxygen as Additives on Soot Formation in Diffusion Flames", Proceedings of the Combustion Institute, Vol. 23, No. 1, pp. 1501-1507 (1991).

상세보기
A. E. Lutz, R. J Kee, J. F. Grcar, and F. M. Rupley, "OPPDIF: A Fortran Program for Computing Opposedflow Diffusion Flame", SAND 96-8243 (1997).
R. J. Kee, F. M. Rupley and J. A. Miller, "A Fortran Chemical Kinetic Package for The Analysis of Gas Phase Chemical Kinetics", SAND 89-8009B (1989).
R. J. Kee, G. Dixon-Lewis, J. Warnatz, M. E. Coltrin and J. A. Miller, "A Fortran Computer Code Package for the Evaluation of Gas Phase Multicomponent Transport Properties", SAND86- 8246 (1986).
C. T. Bowman, R. K. Hanson, D. F. Davidson, W. C. Gardiner, V. Lissianski, G. P. Smith, D. M. Golden, M. Frenklach and M. Goldenburg, http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/ (1999).
Y. Ju, H. Guo, K. Maruta and F. Liu, "On the Extinction Limit and Flammability Limit of Nonadiabatic Stretched Methane-air Premixed Flames", Journal of Fluid Mechanics, Vol. 342, pp. 315-334 (1997).

상세보기
A. Hamins, M. Bundy, C. B. Oh and S. C. Kim, "Effect of Buoyancy on the Radiative Extinction Limit of Low-Strain Rate Nonpremixed Methane-air Flames", Combustion and Flame, Vol. 151, No. 1-2, pp. 225-234 (2007).

상세보기
C. B. Oh, A. Hamins, M. Bundy and J. Park, "The Twodimensional Structure of Low Strain Rate Counterflow Nonpremixed Methane Flames in Normal and Microgravity", Combustion Theory and Modelling, Vol. 12, No. 2, pp. 283-302 (2008).

상세보기
C. B. Oh, E. J. Lee and J. Park, "Effects of the Burner Diameter on the Flame Structure and Extinction Limit of Counterflow Nonpremixed Flames", International Journal of Spray and Combustion Dynamics, Vol. 2, No. 3, pp. 199-218 (2010).

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A. Hamins, D. Trees, K. Seshadri and H. K. Chelliah, "Extinction of Nonpremixed Flames with Halogenated Fire Suppressants", Combustion and Flame, Vol. 99, No. 2, pp. 221-230 (1994).

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