열매유(Synthetic Heat Transfer Fluid)의 가열현상으로 인하여 보일러에서 화재가 발생한 경우에 대하여 컴퓨터 수치해석을 통한 1, 2, 3차 패스 및 연소대의 온도 및 속도분포를 파악하였다. 보일러의 인버터의 고장으로 인하여 보일러 내부의 유동이 다소 불안전한 상태에서 운전이 지속되면서 화염의 유동과 속도가 불안정하게 작동된 것으로 판단된다. 열매유의 누유현상은 화재초기에 약 120 kg/min로 분출하면서 기화되었고, 또한 화염은 2차 패스와 3차 패스까지 열전달 현상이 확대되었다. 2차 패스에서의 최고온도는 $1,059^{\circ}C$, 3차 패스의 최고온도는 $1,007^{\circ}C$이고, 3차 패스 아래쪽에서는 온도가 $767^{\circ}C$인 것으로 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서 알 수 있었다. 특히, 연소대는 1차 패스 균열부위에서 열매유가 분출되면서 턴테이블 위로 쌓였으며, 연소대 하부에서 온도는 플래시오버 현상에 의하여 $183^{\circ}C$까지 올라갔다. 따라서 연소대 내부의 온도는 $1,200^{\circ}C$ 이상으로 예측되었으며, 연소대의 온도는 순간적으로 여러 차례 최고점의 온도까지 도달되어 연소대에서 여러 차례 폭발현상이 발생한 것으로 판단되었다.
열매유(Synthetic Heat Transfer Fluid)의 가열현상으로 인하여 보일러에서 화재가 발생한 경우에 대하여 컴퓨터 수치해석을 통한 1, 2, 3차 패스 및 연소대의 온도 및 속도분포를 파악하였다. 보일러의 인버터의 고장으로 인하여 보일러 내부의 유동이 다소 불안전한 상태에서 운전이 지속되면서 화염의 유동과 속도가 불안정하게 작동된 것으로 판단된다. 열매유의 누유현상은 화재초기에 약 120 kg/min로 분출하면서 기화되었고, 또한 화염은 2차 패스와 3차 패스까지 열전달 현상이 확대되었다. 2차 패스에서의 최고온도는 $1,059^{\circ}C$, 3차 패스의 최고온도는 $1,007^{\circ}C$이고, 3차 패스 아래쪽에서는 온도가 $767^{\circ}C$인 것으로 컴퓨터 시뮬레이션 결과에서 알 수 있었다. 특히, 연소대는 1차 패스 균열부위에서 열매유가 분출되면서 턴테이블 위로 쌓였으며, 연소대 하부에서 온도는 플래시오버 현상에 의하여 $183^{\circ}C$까지 올라갔다. 따라서 연소대 내부의 온도는 $1,200^{\circ}C$ 이상으로 예측되었으며, 연소대의 온도는 순간적으로 여러 차례 최고점의 온도까지 도달되어 연소대에서 여러 차례 폭발현상이 발생한 것으로 판단되었다.
The fire took place in the synthetic heat transfer fluid boiler. This study uses simulation to investigate the first, second and third passes and the temperature in the fire burner. The boiler's internal fluid is more or less unsteady due to the out of order inverter. As the operation continues, the...
The fire took place in the synthetic heat transfer fluid boiler. This study uses simulation to investigate the first, second and third passes and the temperature in the fire burner. The boiler's internal fluid is more or less unsteady due to the out of order inverter. As the operation continues, the flame's flow and speed are unsteady. The synthetic heat transfer fluid leak spouted about 120 kg/min in the form of vapor in the early period of the fire. The flame extended to the second and third passes. The highest temperature of the second and third pass is $1059^{\circ}C$ and $1007^{\circ}C$, respectively. The simulation shows that the temperature is $767^{\circ}C$ in the low part of the third pass. The synthetic heat transfer fluid spouted through the cracked part of the fire box in the first pass and accumulated on the turn table. The temperature rises to $183^{\circ}C$ in the low part of the burner. Therefore, it is expected that the temperature of the interior of the fire box is above $1200^{\circ}C$. The temperature of the burner rises to a maximum level several times in a short period. On account of that, several explosions occur in the fire burner.
The fire took place in the synthetic heat transfer fluid boiler. This study uses simulation to investigate the first, second and third passes and the temperature in the fire burner. The boiler's internal fluid is more or less unsteady due to the out of order inverter. As the operation continues, the flame's flow and speed are unsteady. The synthetic heat transfer fluid leak spouted about 120 kg/min in the form of vapor in the early period of the fire. The flame extended to the second and third passes. The highest temperature of the second and third pass is $1059^{\circ}C$ and $1007^{\circ}C$, respectively. The simulation shows that the temperature is $767^{\circ}C$ in the low part of the third pass. The synthetic heat transfer fluid spouted through the cracked part of the fire box in the first pass and accumulated on the turn table. The temperature rises to $183^{\circ}C$ in the low part of the burner. Therefore, it is expected that the temperature of the interior of the fire box is above $1200^{\circ}C$. The temperature of the burner rises to a maximum level several times in a short period. On account of that, several explosions occur in the fire burner.
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문제 정의
해석결과 1차, 2차, 3차 패스의 온도 영향이 화재 사고로 설비의 운전 및 소재에 대한 피해를 규정하고, 이론에 의한 과학적인 정밀 조사를 실시하여 향후의 안전한 운전을 위한 제안을 하고자 한다.
제안 방법
연소대의 온도 측정 장치는 연소대 하부에 위치하고 있어 1차 패스 균열부위에서 열매유가 분출되면서 연소대 턴테이블(turn table) 위로 누유 되어 화재가 확산되었다. 따라서 화재현상은 연소대 위치로 열매유가 쌓이면서 화재확산은 표면화염 확산, 훈소상태의 화재성장, 예혼합 화염전파에서의 화구(fire ball) 등을 포함하는 연소과정으로 화재가 진행을 적용하였다.
화재가 발생된 1차 패스 연소대 위쪽 14단 부근에서 열매유가 방출되었다. 화재확산으로 인한 데이터를 토대로 화재 시뮬레이션용 ANSYS-CFX(1,2) 를 이용하여 재현하고 화재 모델링 해석 및 분석을 통해 화재온도 및 속도분포를 예측하였다.
데이터처리
CAD 프로그램은 3D-CAD 프로그램인 Uni-Graphics NX 6.0(3)을 사용하였으며, 모델링은 실제 설계도면에서 유체 출입구만 구현하여 진행하였다.
이론/모형
본 연구에서 수치해석으로 사용한 지배방정식은 RANS (reynolds averaged Navier-Stokes)모델을 사용하여 유체모델을 풀게 되며, 다음과 같다.
수치해석을 하기 위해서 ANSYS-CFX(4)의 CFD 상용코드를 사용하였다. 먼저 보일러에서 연료가 연소하고 1차, 2차, 3차 패스로 통과하여 출구로 나가는 유동과 각 열교환기 그리고 공기유입이 되는 입구부분들 각각의 경계 조건을 설정하였다.
공기 내부에서 자체적으로 회전하는 유동이 없으므로 정상 상태의 조건이 적용되었으며, 기압은 1기압(대기압)으로 설정하였다. 연소하여 열이 발생하므로 이 열에 대한 열교환이 필요하기 때문에 열교환 모델을 설정하였으며, 난류 모델은 가장 보편적으로 사용하고 있는 κ-ε모델을 사용하였다(4,5). 이러한 조건을 Table 2에 나타내었다.
격자 생성은 CFD 해석을 하기 위한 가장 중요한 과정 중 하나이고, 격자생성 방식도 또한 중요하다. 이번 해석에서 사용한 방식은 Deloney 방식을 사용하여 형상의 가장 겉면에 있는 표면에서 표면 메쉬를 형성하고, 모델링 내부로 격자를 형성하는 방식으로 실 모델링의 형상에 최대한 근접하게 형성하는 방식이므로 격자를 형성했다.
성능/효과
연소대에서의 화재는 1차 패스 균열부위에서 양정과 중력에 의한 열매유가 토출되면서 연소대 턴테이블 위로 누유 된다. 연소대 하부에서 온도는 화재 시 183℃로서 연소대 내부는 1,200℃ 이상 소화완료까지 장시간 형성됨을 확인할 수 있었다. 연소대의 온도는 순간적으로 여러 차례 최고점의 온도까지 도달하였으며, 이로 인하여 폭발, 폭굉이 발생되었음이 관찰된다.
연소대 하부에서 온도는 화재 시 183℃로서 연소대 내부는 1,200℃ 이상 소화완료까지 장시간 형성됨을 확인할 수 있었다. 연소대의 온도는 순간적으로 여러 차례 최고점의 온도까지 도달하였으며, 이로 인하여 폭발, 폭굉이 발생되었음이 관찰된다.
열매유 보일러 내부화재를 해석한 결과는 열매유 누유로 인한 화재에서 연도내 화재 초기에 약 120 kg/min으로 열매유가 기화로 인해 분출되면서 화재 발생 후 2차 패스 연도온도는 935℃범위까지 상승하였다. 화염이 2차 패스와 3차 패스까지 열이 전달되며 화염 확대되고 2차 패스 최고 온도는 1,059℃, 3차 패스는 1,007℃이며 바깥흐름으로 형성되면서 아래쪽에서는 온도가 767℃로 해석되었다.
열매유 보일러 내부화재를 해석한 결과는 열매유 누유로 인한 화재에서 연도내 화재 초기에 약 120 kg/min으로 열매유가 기화로 인해 분출되면서 화재 발생 후 2차 패스 연도온도는 935℃범위까지 상승하였다. 화염이 2차 패스와 3차 패스까지 열이 전달되며 화염 확대되고 2차 패스 최고 온도는 1,059℃, 3차 패스는 1,007℃이며 바깥흐름으로 형성되면서 아래쪽에서는 온도가 767℃로 해석되었다.
참고문헌 (6)
H. H. Che, "Introduction to CATIA V5", Pearson Education Korea Ltd. (2002).
ANSYS User's Manual Ver. 12.1, ANSYS Inc. 2010.
D. Prescott, "Unigraphics NX 6.0 Tutorial Update", Department of mechanical engineering University of Victoria (2009).
C. W. Park and C. H. Hong, "User Guide of ANSYS Workbench", Intervision (2008).
Y. R. Kim, D. M. Lee and Y .Z. Kim, "Temperature and Flow Velocity Simulation for Fire in Synthetic Heat Transfer Fluid Boiler", Proceedings of 2012 Spring Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 472-475 (2012).
Y. R. Kim and D. M. Lee, "Temperature and Flow Velocity Simulation for Fire in Synthetic Heat Transfer Fluid Boiler (2nd: SHTF Oil Leaking)", Proceedings of 2012 Fall Annual Conference, Korean Institute of Fire Science & Engineering, pp. 329-332 (2012).
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