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문제 정의
- 특히, 규모가 큰 화재 실험은 발화원의 위치, 가연물의 종류, 산화제 유입조건과 환경 변수 등에 따라서 화재 현상을 재현하기 어렵기 때문에 발열량 측정의 안정성 확보에 관한 연구가 선행되지 않는 경우 단 한 번의 실험으로 산출 결과를 보장할 수 없게 된다. 따라서 본 연구에서는 LSC의 발열량 측정값의 신뢰성 확보를 위한 기초연구로 헵탄 풀화재 실험에서 화원의 직경 변화를 고려한 발열량 측정 결과를 분석하고자 한다.
제안 방법
- 9% 정도의 차이를 보이고 있으며, 정확한 원인을 규명하기 위해서는 향후 신뢰성 분석(Reliability analysis)에 관한 연구를 수행해야 할 것으로 판단된다. LSC 덕트 내부의 열손실을 분석하기 위해서 사용한 식 (9)의 대류열은 산소 소모법에 의한 발열량보다 약 57% 낮은 0.88 MW 정도로 0.67 MW의 손실이 발생하였으며, 이는 화원의 복사열손실과 후드, 수직덕트 및 수평덕트 등에서 발생된 것으로 향후 수치해석 기법을 적용하여 각 부분별 열손실을 정량적으로 분석하고자 한다.
- 본 연구에서는 흡입 덕트의 직경 1.6 m, 직선길이 26 m 그리고 후드 직경 10 m로 구성된 LSC를 사용하여 헵탄의 연소면적 변화에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 LSC 덕트의 유량 측정부에서 유속에 의한 차압과 배기 질량유량의 상관관계를 분석하였으며, 발열량에 중요한 영향을 주는 연소율은 NIST의 A.
- Figure 1은 LSC의 구조로 연소실험대, 로드셀, 연소가스 포집 후드, 덕트, 집진설비, 가스포집장치, 후처리장치, 제어 및 계측장비로 구성되어 있다. 연소 생성물을 포집하는 후드 직경 10 m, 덕트 직경 1.6 m 그리고 배기 덕트의 직선길이 26 m로 배기 덕트에서 유속과 온도를 측정하기 위해서 유동의 흐름방향에 대해서 수직으로 6개 지점에 양방향 유속계(bi-directional velocity probe)와 열전대(Ktype)를 설치하였다. 화재실험이 진행되면 가연물에서 발생된 연소생성물과 주변의 공기가 후드로 유입되고 수평덕트를 통해서 집진설비로 빠져나가게 된다.
- 6 m, 직선길이 26 m 그리고 후드 직경 10 m로 구성된 LSC를 사용하여 헵탄의 연소면적 변화에 따른 발열량 산출 결과를 분석하였다. 이를 위해서 LSC 덕트의 유량 측정부에서 유속에 의한 차압과 배기 질량유량의 상관관계를 분석하였으며, 발열량에 중요한 영향을 주는 연소율은 NIST의 A. Hamins 연구 자료에서 제시한 모델링 곡선과 기존 연구결과 및 본 연구에서 측정한 연소율을 비교하여 정확성을 확인하였다.
데이터처리
- 헵탄의 화원 직경 변화에 따라서 LSC의 산소 소모법을 사용하여 구한 발열량 산출 결과를 Zabetakis와 Burgess(12) 등이 제시한 연소 면적 변화를 고려한 발열량(#) 식 (6)과 비교하여 정확성을 분석하였다.
성능/효과
- Figure 3은 헵탄 풀화재 실험에서 화원의 직경 변화에 따라서 연료가 소모되는 무게를 측정하여 연소율을 구한 결과이다. 그림에서 보듯이 화원의 직경(D)이 0.87 m, 1.11 m, 1.24 m 그리고 1.44 m인 각각의 경우에 대해서 연료 표면과 산화제가 만나는 면적이 균일하므로 연소율은 0.032 kg/s, 0.058 kg/s, 0.075 kg/s 그리고 0.108 kg/s로 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있으며, 단위면적당 연소율에 해당하는 질량유속은(mass flux) 0.053 kg/m2/s, 0.061 kg/m2/s, 0.063 kg/m2/s 그리고 0.066 kg/m2/s로 나타났다. 동일한 가연물에 대해서 표면 연소 조건임에도 불구하고 질량유속의 크기가 변하는 것은 화원 근처에서의 주요 열전달 메커니즘이 화원의 크기에 따라서 달리지기 때문이다(14).
- 4 MW 정도이다. 따라서 J. Gore이 제시한 연소효율 92%인 1.56 MW와 LSC의 산소 소모법에 의한 발열량이 일치하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 질량 소모법과는 약 8.
- Gore이 제시한 92%와 유사한 결과를 나타내었으며, 질량 소모법과의 차이를 정확히 규명하기 위해서는 향후 신뢰성 분석에 관한 연구를 수행해야 할 것으로 판단된다. 발화원에서 덕트 측정부까지의 열손실을 분석하기 위해서 엔탈피 소모법에 의한 대류열 측정법은 산소 소모법에 의한 발열량 측정값 보다 평균 54% 정도 낮았으며, 이는 화원의 복사열손실과 후드, 수직덕트 및 수평덕트 등에서 발생된 것으로 각 부분별 열손실을 정량화하기 위해서는 수치해석 기법을 적용해야 할 것으로 사료된다.
- 44 m의 경우 연소 초기에 발열량 측정값의 편차가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 전체 연소시간이 상대적으로 작고 화염의 간섭현상 등에 의한 것으로 본 연구에서는 250초 이후의 값을 산술평균하여 분석하였으며, 화원 직경 0.87, 1.11, 1.24 그리고 1.44 m인 각각의 경우에 대해서 LSC의 산소 소모법에 의한 평균 발열량은 1.5 MW, 2.8 MW, 3.6 MW 그리고 5.3 MW 정도인 것을 확인할 수 있다.
- 그림에서 보듯이 화원의 직경(D)이 증가할수록 산소농도가 낮아지는 것을 확인할 수 있으며, 이는 공기 중의 산소가 가연물과 연소함에 따라서 감소하고 발열량에 비례하여 감소하는 것을 의미한다. 특히, 산소농도의 범위는 20.95%부터 감소하여 최대 19.85%까지 1.10% 정도로 매우 작은 범위에서 감소하는 것을 확인할 수 있으며, 산소분석기의 측정범위와 분해능을 고려해서 장비를 구축해야 하는 것을 확인할 수 있다.
- 식 (8)에서 풀화재 실험은 화원을 둘러싼 팬에서 전달되는 전도율과 주위 온도에 따른 복사 및 대류 조건이 화재특성에 영향을 미치기 때문에 실험 조건을 표준화 하지 않는 경우 편차가 발생할 것으로 사료된다. 하지만, 그림에서 보듯이 모델링 곡선과 본 연구에서 수행한 질량유속 측정값의 경향성이 일치하는 것을 확인할 수 있다.
- Figure 7은 배기 덕트의 질량유량, 산소소모계수, 연소가스 농도(산소, 일산화탄소, 이산화탄소) 등을 이용하여 식 (1)의 산소 소모법에 의한 발열량을 산출한 결과이다. 화원의 직경이 증가할수록 산소의 농도가 낮아짐에 따라서 발열량이 증가하게 되고 연료의 유면이 일정하기 때문에 연소시간이 증가할수록 정상상태에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 화염직경 1.
후속연구
- 발열량은 화재 규모에 따라서 보통 100~108 W 이상까지 매우 폭넓은 크기를 갖지만(1-6), 화재 강도가 증가할수록 가연물과 산화제가 혼합되는 화재 특성이 환경 인자나 주변 요소에 따라서 달라질 수 있기 때문에 발열량을 정량화하는 것은 매우 어려운 과정으로 인식되고 있다(1-3). 그럼에도 불구하고 국외에서는 보통 5 MW 이상의 열량을 측정할 수 있는 LSC를 25년 전부터 개발하여 왔으며(4), FDS, CFAST 등과 같은 해석 모델의 결과를 검증하는 등 LSC의 활용성은 앞으로 더욱 증가할 것으로 판단된다.
- 산소 소모법에 의한 헵탄의 연소효율은 91%로 J. Gore이 제시한 92%와 유사한 결과를 나타내었으며, 질량 소모법과의 차이를 정확히 규명하기 위해서는 향후 신뢰성 분석에 관한 연구를 수행해야 할 것으로 판단된다. 발화원에서 덕트 측정부까지의 열손실을 분석하기 위해서 엔탈피 소모법에 의한 대류열 측정법은 산소 소모법에 의한 발열량 측정값 보다 평균 54% 정도 낮았으며, 이는 화원의 복사열손실과 후드, 수직덕트 및 수평덕트 등에서 발생된 것으로 각 부분별 열손실을 정량화하기 위해서는 수치해석 기법을 적용해야 할 것으로 사료된다.
- Gore이 제시한 헵탄의 연소효율 92%와 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 질량 소모법을 사용한 경우 산소 소모법과는 최대 10% 정도차이가 발생하였는데 정확한 원인을 분석하기 위해서는 보다 다양한 조건에서 실험결과를 분석해야 할 것으로 판단된다.
- LSC를 사용한 화재 실험은 발화원의 위치, 가연물의 종류, 산화제 유입조건과 환경 변수 등에 따라서 화재 현상을 재현하기 어렵기 때문에 단일 가연물의 화재강도를 고려하여 열량분석에 관한 연구가 선행되지 않는 경우 단 한 번의 실험으로 발열량 산출 결과를 보장할 수 없게 된다. 특히, 고가의 실험 비용과 많은 시간이 소모되는 점을 고려할 때 실험장치의 안정성을 확보하기 위한 연구가 지속적으로 필요하며 본 연구 결과는 화재실험에서 발열량 측정값의 신뢰성 분석을 위한 기초 연구 자료로 활용하는데 유용한 정보가 될 것으로 사료된다.
- 6 m)의 관계를 갖는다. 하지만, 산소소모계수는 발열량을 산출하기 위한 주요인자로 화원의 직경 변화를 고려한 일반화된 관계식을 제시하기 위해서는 보다 넓은 범위에서 다양한 가연물의 실험 및 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 56 MW와 LSC의 산소 소모법에 의한 발열량이 일치하는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 질량 소모법과는 약 8.9% 정도의 차이를 보이고 있으며, 정확한 원인을 규명하기 위해서는 향후 신뢰성 분석(Reliability analysis)에 관한 연구를 수행해야 할 것으로 판단된다. LSC 덕트 내부의 열손실을 분석하기 위해서 사용한 식 (9)의 대류열은 산소 소모법에 의한 발열량보다 약 57% 낮은 0.
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