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문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 용기의 크기에 따른 자연발화온도와 발화한계온도를 이용하여 겉보기 활성화 에너지를 구함으로써 물질의위험성을 예측하여 이를 사용하는 화력발전소 등에 있어서 화재 및 폭발예방에 필요한 자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- Fig. 2는 175 °C에서 비발화 되었으며, Fig. 3은 설정온도를 180 °C로 일정하게 하고 시료용기를 실험 장치에 넣은 후 2시간 36분이 지남에 따라 발화가 일어나고 9시간 정도에서 최고발화 온도를 기록하였다.
- 동일한 조건으로 실험을 반복하여 시료가 발화한 최저온도와 발화하지 않았던 최고온도와의 차이가 5 oC 일 때 실험을 종료하고, 양자의 평균온도를 발화한계온도로 하였다.
- 시료 용기의 폭이 3 cm에서 사용된 시료의 양은 0.45 kg으로서 자연발화온도를 구하였다. Fig.
- 시료용기를 실험 장치에 넣은 후 시료의 중심온도 변화를 관찰하여 중심온도가 설정온도보다 급격하게 상승 시 「발화」로 판정하고, 시료의 중심온도가 설정온도와 유사하게 유지 할 때에는 「비발화」로 판정하고 1회의 실험을 중지하였다.
- 시료용기의 크기는 Small (H20 cm × L20 cm × W3 cm), Intermediate(20 cm × 20 cm × 5 cm), Large (20 cm × 20 cm × 7 cm), Extra large(20 cm × 20 cm × 14 cm)로서 형상을 입방체로 하여 무한평판에 접근하도록 하였으며, 이 용기는 300 mesh의 스테인리스 망으로 앞면과 뒷면을 일차원 방향으로 열전달이 되게 하였으며, 다른 부분은 약 1 cm의 석면판으로 단열시켰다.
- 온도제어 장치의 프로그램을 미리 설정하여 소정의 온도로 가열된 항온조의 중심에 우드펠릿을 충전한 시료용기를 장치 내에 걸고, 열전대를 시료용기의 중심부, 시료용기와 벽면과의 공간 중앙부에 같은 높이가 되도록 설치하였다.
- 35 mm로서 2조의 Chromel -Alumel 열전대를 시료용기의 중심에 설치하였다. 온도제어장치(제조사: Konics, EC-5600)는 프로그램의 설정에 의해주위온도를 제어하는 방식으로 냉접점을 거친 보정된 온도를 제어할 수 있도록 하였으며, 이를 설정온도와 비교하고 그 차이에 의해1.5 kW의 히터 5개의 전류치를 제어하여 릴레이 스위치로서 상부팬의 작동을 on-off로 제어하도록 하였다. 온도기록장치(제조사:Yoko gawa, model 4151)는 펜형 기록계로서 설정온도 및 시료중심온도를 연속적으로 기록하도록 되어 있다.
- 항온조 상부의 배기구에는 팬을 설치하여 설정온도보다 내부온도가 높을 때는 릴레이 스위치에 의해 팬이 자동으로 작동되게 하였다. 온도측정용 열전대는 주위온도의 제어 및 측정용과 시료의 중심온도 측정용으로 사용하였으며, 전자는 시료용기와 항온조의 벽면중심에 설치하고, 후자는 직경은 0.35 mm로서 2조의 Chromel -Alumel 열전대를 시료용기의 중심에 설치하였다. 온도제어장치(제조사: Konics, EC-5600)는 프로그램의 설정에 의해주위온도를 제어하는 방식으로 냉접점을 거친 보정된 온도를 제어할 수 있도록 하였으며, 이를 설정온도와 비교하고 그 차이에 의해1.
- 항온조는 내용적 27 l (30 cm × 30 cm × 30 cm)의 열풍 순환식 항온조로 내부의 온도분포를 일정하게 유지하기 위하여 Sirocco fan(Ø10 cm)을 부착하여 내부공기를 강제 순환시켰으며, 항온조의 가열히터는 1200 °C까지온도를 상승시킬수있는 1.5 kW의 히터 5개를 설치하여 가열하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 실험장치는 Fig. 1에 나타내었으며, 실험장치는 항온조, 열전대, 온도제어장치, 기록계와 시료용기로 구성되어 있다[16].
- 본실험에서 사용된 시료는 K 회사에서 공급하며, H 화력발전소의 열량첨가제로 사용하는 우드펠릿을 사용하였다. Table 1은 KOTITI Testing & Research Institute에서 Test report를 참고하여 우드펠릿의 물적 특성 값을 나타내었다.
이론/모형
- 우드펠릿의 자연발화에는 계내의 온도분포를 고려한 FrankKamenetskii의 열 발화이론을 적용하였다[13].
성능/효과
- (1) 시료용기의 크기가 3 cm인 경우 우드펠릿의 발화온도는 180 oC이고, 비발화 온도는 175 oC를 구하였으며, 발화와 비발화 온도의 평균값인 177.5 oC의 발화한계온도를 구하였다.
- (2) 시료용기 크기가 5 cm인 경우 발화한계온도는 172.5 oC를 구하였으며, 시료용기 크기가 7 cm인 경우 발화한계온도 162.5 oC를 구하였다.
- (3) 시료 용기의 폭이 14 cm에서 사용된 시료의 양은 2.73 kg으로서, 145 oC에서 비발화 되었으며 150 oC에서 발화가 되어 발화한계온도는 147.5 oC임을 알 수 있었다.
- (4) 발화와 비발화 온도의 실험결과로부터 겉보기 활성화 에너지를 구한결과 37.83 [kcal/mol]을 얻었다.
- (5) 시료의 용기가 커질수록 발화유도시간 및 최고온도에 도달하는 시간이 긴 것으로 나타났다.
- 따라서 시료용기가 7 cm 일 때 발화와 비발화의 평균온도인 발화한계온도 162.5 oC 임을 알 수 있었다.
- 시료 용기의 폭이 7 cm에서 사용된 시료의 양은 1.39 kg이며, Fig. 6은 160 oC에서 비발화 되었으며, Fig. 7은 165 oC에서 5시간 48분이 경과할 때 주위온도보다 시료용기 내의 온도가 서서히 상승한 후에 낮아지는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 시료용기 중심에 삽입된 열전대 부근의 시료가 발화된 후 산소부족으로 연소가 소강상태에 놓여 온도가 하강하다가 인접한 시료에서 재발화하여 다시 온도가 상승한 것으로 예측된다.
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