[논문]메탄화재의 이산화탄소 생성법에 의한 화재발열량 측정

김성찬

doi:10.7731/kifse.1e176e77

메탄화재의 이산화탄소 생성법에 의한 화재발열량 측정
Measurement of Heat Release Rate by Carbon Dioxide Generation Method for Methane Fire 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.34 no.2, 2020년, pp.1 - 6

김성찬 (경일대학교 소방방재학과)

초록
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연소상태의 가연물에서 방출되는 에너지는 비정상적인 특성과 폭넓은 크기규모를 가지기 때문에 다른 화재물리량에 비해 측정하기 어려운 문제 중의 하나로 인식된다. 본 연구는 실험실규모의 화재 발열량계에서 이산화탄소생성법과 산소소모법에 의해 계산된 측정 발열량을 비교하여 상대오차를 분석하였다. 메탄 버너화재에 대해 산소소모계수와 CO₂ 질량유량의 상관관계는 6% 이내에서 우수한 선형성을 보였다. CDG법의 계산에서 CO에 의한 발열량 기여분은 CO₂에 의한 기여분에 비해 7% 이내로 크지 않게 나타났다. 준정상상태의 기준 버너 발열량 대비 OC법과 CDG법의 선형성은 1% 이내를 보여 발열량 측정에 있어서 CDG법은 상호 보완할 수 있는 측정수단으로 활용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The energy released by various burning material has a wide range of its magnitude and transient characteristics, the measurement of the heat release rate(HRR) has been considered as one of the most challenging issue among the parameters related to fire. This study compares the measured HRR calculated by the oxygen consumption (OC) method and the carbon dioxide generation (CDG) method using a laboratory-scale fire calorimeter. The feasibility of the CDG method is examined by analyzing the relative error. The relationship between the oxygen depletion factor and CO2 mass flow rate, which is a key parameter in HRR calculations, showed strong linearity at 6 % for the methane burner fire. The contribution of HRR by CO was less than 7% compared with the of HRR by CO2 in the CDG calculation method. The linearity of the OC and CDG methods with respect to HRR of the referenced methane burner in a quasi-steady state was less than 1%; this indicates that the CDG method can be utilized as a complementary method in heat release rate measurement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 소규모 화재발열량계를 이용하여 연소효율이 높은 메탄버너화재에 대해 산소소모법과 이산화탄소생성법을 적용하여 화학적으로 화재발열량을 산정하고 발열량 산정의 주요인자와 기준버너 대비 상대오차를 분석하여 이산화탄소생성법의 적용성을 검토하였다. 이를 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.
본 연구에서는 실험실 규모의 소규모 발열량계를 이용하여 환기가 충분한 메탄가스 버너화재에 대해 OC법과 CDG법을 적용하고 발열량 산정과정에서 주요인자들의 특성과 상대오차를 비교하여 불완전 연소의 영향이 적은 상태에서의 CDG법에 의한 발열량측정의 기초자료를 확보하고자 한다. 이를 바탕으로 연소조건, 가연물의 종류에 따른 OC법과 CDG법의 비교연구를 통해 화학적 발열량 측정의 대안으로 CDG법의 적용성을 확대하고자 한다.
본 연구에서는 실험실 규모의 소규모 발열량계를 이용하여 환기가 충분한 메탄가스 버너화재에 대해 OC법과 CDG법을 적용하고 발열량 산정과정에서 주요인자들의 특성과 상대오차를 비교하여 불완전 연소의 영향이 적은 상태에서의 CDG법에 의한 발열량측정의 기초자료를 확보하고자 한다. 이를 바탕으로 연소조건, 가연물의 종류에 따른 OC법과 CDG법의 비교연구를 통해 화학적 발열량 측정의 대안으로 CDG법의 적용성을 확대하고자 한다.

제안 방법

이는 CO₂, CO농도 분석에 적용된 NDIR방식이 산소농도측정에 적용된 상자성 방식에 비해 반응시간이 상대적으로 느리기 때문에 발생하는 것으로 생각된다. 이러한 오차는 산소농도측정과 CO₂, CO농도측정에 대해 지연시간을 적용하여 일부 완화가 가능하지만 본 연구에서는 인위적인 조정을 배제하고 동일시간에 대한 측정값을 적용하여 발열량 측정에 미치는 영향을 분석하였다.

대상 데이터

Figure 2는 실험에 사용된 연료공급장치와 제어시스템의 개략도를 나타낸다. 실험에 적용된 연료는 순도 99.9%의 메탄(CH₄)이며 공급관내 압력과 온도를 측정하여 질량유량 (Mass flow)를 산정하고 PC를 통해 버너로 공급되는 유량을 제어한다. 버너화재의 발열량은 다음과 같이 계산된다.

이론/모형

산소농도는 SIEMENS사의 상자성 방식의 OXYMAT 61을⁽⁵⁾ 이용하였으며, 이산화탄소와 일산화탄소 분석에 대해 Non-Dispersive Infrared (NDIR)방식의 ULTRAMAT 23을⁽⁶⁾ 적용하였다.

성능/효과

4%로 잘 일치된 결과를 보이고 있다. CDG법도 전체적으로 발열량 변화를 잘 따르고 있으나 공급연료 변화에 대해 측정발열량의 반응이 상대적으로 느리고 준정상상태의 측정발열량도 버너발열량 대비 2.5%로 OC법에 비해 상대적으로 높은값을 보였다.
Figure 5는 Mass flow controller (MFC)에서 공급된 연료량에 따라 OC법과 CDG법에 의해 산정된 발열량 변화를 버너화재의 발열량과 비교하여 나타낸다. OC법에 의해 측정된 발열량은 약간의 섭동이 있으나 계단형 공급연료 변화에 대해 버너발열량을 잘 따르고 있으며 준정상상태의 버너발열량에 대비 상대오차는 1.4%로 잘 일치된 결과를 보이고 있다. CDG법도 전체적으로 발열량 변화를 잘 따르고 있으나 공급연료 변화에 대해 측정발열량의 반응이 상대적으로 느리고 준정상상태의 측정발열량도 버너발열량 대비 2.
⋅ 메탄가스 화재에 대해 산소소모지수와 CO₂ 질량유량은 측정구간 전체에 대해 ±6% 이내에서 우수한 선형성을 보였으며 이는 연료의 탄소성분이 공기중 산소와 반응하여 대부분 CO₂생성에 기여했음을 의미한다.
⋅ 연료의 공급유량 변화에 대해 OC법과 CDG법 모두 버너발열량과 잘 일치한 결과를 보였으나 CDG법에 의한 측정발열량이 OC법에 비해 상대적으로 느린 반응을 보였다. 이는 가스농도를 측정하는 과정에서 측정장치의 반응시간에 기인한 것으로 판단된다.
⋅ 환기 조건이 우수한 메탄버너화재에 대해 CDG법 적용시 CO에 기인한 발열량 기여분은 CO₂에 기인한 발열량 대비 7% 이하로 나타났으며 연소생성물에 의한 부가적인 보정 없이 CO₂의 측정만으로 비교적 정확한 발열량 측정이 가능할 것으로 판단된다.
생성에 기여했다는 의미이며 이는 CO, soot, 미연탄화수소 등의 기여분이 크지 않음을 의미한다. 다른 연소생성물에 의한 부가적인 보정 없이 CO₂의 측정만으로 비교적 정확한 발열량을 측정할 수 있음을 예측할 수 있다.
27%이고 CDG법의 선형도는 1% 정도로 나타나 두 방법 모두 평균 발열량에 대해 우수한 선형성을 보였다. 따라서 메탄 버너화재와 같이 연소효율이 높고 CO, soot 등의 부가적인 연소생성물의 생성이 적은 경우 OC법과 CDG법 모두 버너 발열량 대비 우수한 신뢰성을 보였으며 특히 CDG법은 OC 법을 검증하거나 상호보완할 수 있는 유용한 도구가 될 수있음을 보여준다.
오차막대는 평균구간에서 측정발열량의 최대값과 최소값을 나타낸다. 버너발열량에 대한 OC법의 선형도는 0.27%이고 CDG법의 선형도는 1% 정도로 나타나 두 방법 모두 평균 발열량에 대해 우수한 선형성을 보였다. 따라서 메탄 버너화재와 같이 연소효율이 높고 CO, soot 등의 부가적인 연소생성물의 생성이 적은 경우 OC법과 CDG법 모두 버너 발열량 대비 우수한 신뢰성을 보였으며 특히 CDG법은 OC 법을 검증하거나 상호보완할 수 있는 유용한 도구가 될 수있음을 보여준다.
질량유량의 관계를 비교 하여 나타낸다. 산소소모계수와 CO₂ 질량유량의 상관관계는 ±6% 이내에서 우수한 선형성을 보이고 있으며 약 7%의 산소소모계수에 대해 최대 0.275 kg/s의 CO₂ 질량유량을 보인다.
5 kW 이상의 화재발열량에 대해 일부 CO가 측정되었으며 실험과정동안 측정된 최대 CO의 농도는 400 ppm을 넘지 않았다. 전체적으로 CO₂에 대한 CO의 발열량 기여분은 7% 이하로 나타났으며 이는 메탄버너화재와 같이 완전연소에 가깝게 연소되는 화재의 경우 CO의 기여분은 크지 않을 것으로 판단된다. 그러나 불완전 연소가 심화되거나 CO, soot, 미연탄화수소의 생성이 증가할 경우 이들에 의한 기여분이 상대적으로 높을 것으로 예상되며 부가적인 연소생성물에 대한 보정이 필요할 것으로 판단된다.

후속연구

전체적으로 CO₂에 대한 CO의 발열량 기여분은 7% 이하로 나타났으며 이는 메탄버너화재와 같이 완전연소에 가깝게 연소되는 화재의 경우 CO의 기여분은 크지 않을 것으로 판단된다. 그러나 불완전 연소가 심화되거나 CO, soot, 미연탄화수소의 생성이 증가할 경우 이들에 의한 기여분이 상대적으로 높을 것으로 예상되며 부가적인 연소생성물에 대한 보정이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 완전연소에 가깝게 연소되는 단순연료의 화재발열량 측정에 대해 이산화탄소생성법의 신뢰성을 파악하였으며 향후 CO, soot 등 부가적인 연소생성물의 발생 높은 연료 및 화재조건에 대해 추가적인 연구를 수행하여 이산화탄소 생성법의 적용성을 확대하고자 한다.

참고문헌 (10)

ASTM E906, "Test Method for Heat and Visible Smoke Release Rates for Materials and Products", American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, PA (1999).
ISO 17554, "Reaction to Fire tests - Mass Loss Measurement", International Standards Organization, Geneva, Switzerland (2014).
C. Huggett, "Estimation of Rate of Heat Release by Means of Oxygen Consumption Measurements", Fire and Materials, Vol. 4, No. 2, pp. 61-65 (1980).

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A. Tewarson and S. D. Ogden, "Fire Behavior of polymethylmethacrylate", Combustion and Flame, Vol. 89, No. 3, pp. 237-259 (1992).

상세보기
OXYMAT 61, "The Oxygen Analyzer for Standard Applications", SIEMENS Manual (2001).
ULTRAMAT 23, "Gas Analyzer for Measuring IR-absorbing Gases, Oxygen and Hydrogen Sulfide", SIEMENS Manual (2015).
W. J. Parker, "Calculations of the Heat Release Rate by Oxygen-Consumption for Various Application", Journal of Fire Science, Vol. 2, No. 5, pp. 380-395 (1984).

상세보기
H. Biteau, T. Steinhaus, C. Schemel, A. Simeoni, G. Marlair, N. Bal and J. Torero, "Calculation Method for the Heat Release Rate of Materials of Unknown Composition", Proceedings of the 9th International Symposium on Fire Safety Science, IAFSS, pp. 1165-1176 (2008).
A. Tewarson, "Generation of Heat and Chemical Compounds in Fires", SFPE Handbook of Fire Protection Engineering, 3ed. Section 3 - Chapter 4, NFPA Press, Boston (2002).
R. A. Bryant and G. W. Mulholland, "A Guide to Characterizing Heat Release Rate Measurement Uncertainty for Full-Scale Fire Tests", Fire and Materials, Vol. 32, No. 3, pp. 121-139 (2008).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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