목재 연료의 연소 시 생성되는 탄화가 열분해 과정에 미치는 영향을 고찰해 보기 위해서 ISO 5660-1 콘칼로리미터 실험을 수행하였고 Fire dynamics simulator (FDS) 전산해석 결과와 비교 분석하였다. 목재 연료로는 건축자재, 가구재 등에 대표적으로 사용되는 Douglas-fir를 사용하였다. Douglas-fir 연소 시 측정된 열방출률은 FDS 전산해석을 통해 예측한 결과와 비교적 잘 일치하였지만 탄화 층의 표면반응을 고려하지 않는 FDS 전산해석 모델은 훈소과정에서 지속적으로 방출되는 열을 예측하지 못하였다. 그럼에도 불구하고 FDS 전산해석을 통해 탄화 층은 가연물에 열장벽을 형성하여 내부로의 열전달을 방해하고 열적 두께를 두껍게 하여 열분해율을 감소시키는 것을 확인하였다.
목재 연료의 연소 시 생성되는 탄화가 열분해 과정에 미치는 영향을 고찰해 보기 위해서 ISO 5660-1 콘칼로리미터 실험을 수행하였고 Fire dynamics simulator (FDS) 전산해석 결과와 비교 분석하였다. 목재 연료로는 건축자재, 가구재 등에 대표적으로 사용되는 Douglas-fir를 사용하였다. Douglas-fir 연소 시 측정된 열방출률은 FDS 전산해석을 통해 예측한 결과와 비교적 잘 일치하였지만 탄화 층의 표면반응을 고려하지 않는 FDS 전산해석 모델은 훈소과정에서 지속적으로 방출되는 열을 예측하지 못하였다. 그럼에도 불구하고 FDS 전산해석을 통해 탄화 층은 가연물에 열장벽을 형성하여 내부로의 열전달을 방해하고 열적 두께를 두껍게 하여 열분해율을 감소시키는 것을 확인하였다.
To investigate the influence of the char layer formed during the combustion process on the pyrolysis of wood combustibles, ISO 5660-1 cone calorimetry experiments and Fire dynamics simulator (FDS) simulations were performed, and the results from these two methods were compared. The wood combustible ...
To investigate the influence of the char layer formed during the combustion process on the pyrolysis of wood combustibles, ISO 5660-1 cone calorimetry experiments and Fire dynamics simulator (FDS) simulations were performed, and the results from these two methods were compared. The wood combustible selected as the fuel for this study, Douglas fir, has been widely used for the production of building materials, furniture, etc. The heat release rate (HRR) measured from the cone calorimetry experiment was in good agreement with the result predicted by the FDS simulation. However, the FDS simulation failed to predict the heat released by the smoldering combustion process, due to the absence of the char surface reaction in the model. The FDS simulation results clearly indicate that the char layer formed on the surface of combustibles produces a thermal barrier which prevents heat transfer to the interior, thickening the thermal depth and thus reducing the pyrolysis rate of combustibles.
To investigate the influence of the char layer formed during the combustion process on the pyrolysis of wood combustibles, ISO 5660-1 cone calorimetry experiments and Fire dynamics simulator (FDS) simulations were performed, and the results from these two methods were compared. The wood combustible selected as the fuel for this study, Douglas fir, has been widely used for the production of building materials, furniture, etc. The heat release rate (HRR) measured from the cone calorimetry experiment was in good agreement with the result predicted by the FDS simulation. However, the FDS simulation failed to predict the heat released by the smoldering combustion process, due to the absence of the char surface reaction in the model. The FDS simulation results clearly indicate that the char layer formed on the surface of combustibles produces a thermal barrier which prevents heat transfer to the interior, thickening the thermal depth and thus reducing the pyrolysis rate of combustibles.
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문제 정의
하지만 목재의 연소과정에서 발생하는 탄화 층의 생성률을 정확히 예측할 수 있는 모델이 부재하고 이로 인해 탄화 층 비율의 증감이 열방출이나 열분해에 미치는 영향을 고찰한 연구는 매우 제한적인 실정이다. 따라서 본 연구에서는 목재가연물의 탄화 비율이 연소과정 중 열분해와 열방출률에 어떤 영향을 주는지 살펴보고자 하였다. 이를 위해 목재 가연물로는 건축자재, 가구재 등에 사용되는 대표적인 목재인 Douglas-fir를 선정하였고 ISO-5660 콘칼로리미터 실험결과와 화재 시뮬레이션 코드인 Fire dynamics simulator (FDS) 전산해석을 통해 목재 가연물의 탄화 비율에 따른 열방출율과 열분해율을 비교·분석하였다.
가설 설정
목재 가연물의 열분해 과정은 식(2)를 통해 예측하였고 Douglas-fir의 열분해를 통해 발생된 가연증기는 목재의 열분해 시 주로 발생하는 대표적인 가연성 증기인 메탄 (Methane, CH4)으로 모두 전환된다고 가정하였다(8). 가연성 증기의 연소반응은 식(3)에 제시된 유한반응모델(Finite rate reaction model)을 이용하여 해석하였다.
제안 방법
콘히터가 샘플 표면에 50 kW/m2의 복사열을 방출하여 자연 착화가 이루지고 시험의 종료는 화염의 소멸과 샘플의 질량 변화가 없는지를 관찰하여 결정하였다. FDS 전산해석에 필요한 목재 가연물의 탄화 비율을 결정하기 위해서 식(1)에 제시되어 있는 바와 같이 시험 실시 전 질량(w1)과 시험 종료 후 질량(w2)을 측정하여 Douglas-fir에서 생성되는 탄화 비율을 약 18%로 결정하였다(7).
FDS 전산해석은 Figure 2에 제시되어 있는 바와 같이 200 (W) × 200 (L) × 500 (H) mm 크기의 해석 공간에서 콘칼로리미터 실험과 동일하게 Douglas-fir를 가연물로 설정하고 샘플 홀더의 하단부는 단열 처리하였다.
ISO 5660-1의 규격을 만족하는 콘칼로리미터 실험 장치는 그림에서 보는 바와 같이 콘 모양의 복사열 히터를 구비하고 있으며 실험이 시작되면 고체 가연물의 표면에 수직 방향으로 균일한 복사 열유속을 전달하여 고체가연물의 열분해와 연소 반응을 발생시킨다. 고체 가연물의 열분해와 연소 반응이 진행되는 동안 열방출률 및 고체가연물의 질량 감소율을 측정하였다. 시험 전, Douglas-fir 샘플(100 (W) × 100 (L) × 10 (T) mm)의 함수율에 의한 영향을 최소하기 위하여 ASTM D4442-92 기준(6)을 참고하여 104 ℃에서 건조하였다.
본 연구에서는 ISO 5660-1 규격을 만족하는 콘칼로리미터를 이용하여 열적 두께가 두껍고 탄화층이 존재하는 Douglas-fir 목재 가연물의 열분해 실험을 진행하였다. 아울러 Douglas-fir 목재 가연물의 탄화 층이 열분해 특성에 어떤 영향을 주는지 고찰해 보기 위해서 탄화 비율을 각각 10%씩 증감하여 FDS 전산해석을 수행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 ISO 5660-1 규격을 만족하는 콘칼로리미터를 이용하여 열적 두께가 두껍고 탄화층이 존재하는 Douglas-fir 목재 가연물의 열분해 실험을 진행하였다. 아울러 Douglas-fir 목재 가연물의 탄화 층이 열분해 특성에 어떤 영향을 주는지 고찰해 보기 위해서 탄화 비율을 각각 10%씩 증감하여 FDS 전산해석을 수행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이를 위해 목재 가연물로는 건축자재, 가구재 등에 사용되는 대표적인 목재인 Douglas-fir를 선정하였고 ISO-5660 콘칼로리미터 실험결과와 화재 시뮬레이션 코드인 Fire dynamics simulator (FDS) 전산해석을 통해 목재 가연물의 탄화 비율에 따른 열방출율과 열분해율을 비교·분석하였다.
또한 열분해 과정에서 샘플이 부풀어 홀더 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 금속 메쉬를 홀더의 상단에 부착하였다. 콘히터가 샘플 표면에 50 kW/m2의 복사열을 방출하여 자연 착화가 이루지고 시험의 종료는 화염의 소멸과 샘플의 질량 변화가 없는지를 관찰하여 결정하였다. FDS 전산해석에 필요한 목재 가연물의 탄화 비율을 결정하기 위해서 식(1)에 제시되어 있는 바와 같이 시험 실시 전 질량(w1)과 시험 종료 후 질량(w2)을 측정하여 Douglas-fir에서 생성되는 탄화 비율을 약 18%로 결정하였다(7).
공간의 상부에는 콘칼로리미터 실험 조건과 동일하게 24 L/s의 유량 입력하였으며 하단부와 각 벽면은 개방 상태(Open)로 설정하였다. 콘히터는 콘칼로리미터 규격에 맞게 모델링하였고 콘히터와 Douglas-fir 표면 사이의 거리는 25 mm로 설정하였다. 전산해석을 수행하기 위해 적용한 해석 격자수는 그림에서 불 수 있는 바와 같이 총 160,000개이다.
대상 데이터
목재 가연물의 탄화 비율에 따른 연소 특성을 고찰해 보기 위해 Figure 1에 제시된 ISO 5660-1 콘칼로리미터를 사용하였다. ISO 5660-1의 규격을 만족하는 콘칼로리미터 실험 장치는 그림에서 보는 바와 같이 콘 모양의 복사열 히터를 구비하고 있으며 실험이 시작되면 고체 가연물의 표면에 수직 방향으로 균일한 복사 열유속을 전달하여 고체가연물의 열분해와 연소 반응을 발생시킨다.
콘히터는 콘칼로리미터 규격에 맞게 모델링하였고 콘히터와 Douglas-fir 표면 사이의 거리는 25 mm로 설정하였다. 전산해석을 수행하기 위해 적용한 해석 격자수는 그림에서 불 수 있는 바와 같이 총 160,000개이다.
이론/모형
. 가연성 증기의 연소반응은 식(3)에 제시된 유한반응모델(Finite rate reaction model)을 이용하여 해석하였다. Douglas-fir의 탄화 비율은 직접 콘칼로리미터 실험을 통해 획득된 질량의 비인 0.
성능/효과
1) FDS 전산해석을 통해서도 탄화 층이 존재하는 목재가연물의 열방출률과 열분해율을 적절히 예측할 수 있음을 확인하였다. 다만, 콘칼로리미터 실험에서는 화염이 소멸된 이후에도 탄화 층의 표면반응에 의해 훈소(Smoldering combustion)가 지속되어 열방출이 꾸준히 발생되지만 FDS 전산해석 결과에서는 탄화 표면반응의 모델 부재로 인해 연소반응 종료 이후 열방출이나 가연물의 질량 감소는 정확히 예측할 수 없었다.
2) 탄화 비율을 각각 10%씩 증감하여 FDS 전산해석을 수행한 결과, 탄화 비율이 큰 경우 가연물의 열적 두께는 더욱 증가하여 가연물 내부로의 열전도가 줄어들고 열분해를 억제하여 두 번째 열방출률 피크가 출현하지 않았지만, 탄화 비율이 적은 경우 탄화 층에 의한 열장벽 효과가 상대적으로 작아 가연물 표면에서 내부로의 열전도가 급격히 증가하여 열분해가 활발히 일어나 뚜렷한 두 번째 열방출률 피크를 확인할 수 있었다.
3) 탄화층이 존재하는 고체 가연물의 FDS 전산해석을 수행 시 열방출률 및 열분해율결과는 탄화 비율에 따라 상당한 영향을 받을 수 있으므로, 정확한 탄화 비율을 입력하는 것이 중요하다.
Figure 3는 점화되기 전 FDS 전산 해석을 통해 계산된 Douglas-fir 표면의 열유속 분포와 실험으로 측정한 열유속을 비교한 결과이다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 FDS 전산해석 결과에서도 실험 조건과 동일하게 약 50 kW/m2의 열유속이 Douglas-fir 표면에 균일하게 도달하는 것을 확인할 수 있다.
Figure 7 (b)는 FDS 전산해석을 통해 탄화 비율에 따라 시간당 줄어드는 Douglas-fir 샘플의 질량 감소를 예측한 결과이다. 그림에서 볼 수 있듯이 가스 반응이 종료된 후 잔여물의 질량은 전산해석 수행을 위해서 입력한 탄화 비율에 맞게 소모되어 입력값이 각각 0.28인 경우 19.84 g, 0.18인 경우인 12.49 g, 0.08인 경우 5.56 g로 실험결과와 잘 일치하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 앞서 언급한 바와 같이 FDS 전산해석에서는 탄화 층의 표면 반응을 고려하지 않기 때문에 가스 연소반응을 통해 탄화 비율에 해당하는 질량에 도달한 경우 반응의 종료로 이어지는 것을 살펴볼 수 있다.
FDS 전산해석결과도 이와 같은 현상을 비교적 잘 모사하고 있지만, Figure 5에서 볼 수 있는 바와 같이 약 400 s 이후 콘칼리미터 연소실험에서 지속적으로 관측 되는 방출열은 예측하지 못하는 한계가 존재한다. 따라서 콘칼리미터 연소실험 결과를 바탕으로 계산한 총열방출률(Total heat release rate, THR) 550.4 kJ은 FDS 전산해석 결과를 통해 계산한 총열방출률 298.8 kJ과는 큰 차이를 보이고있다.
참고문헌 (13)
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