대형 콘 칼로리미터 설계를 위한 주요 인자 분석
Analysis of Major Factors for Designing Large Scale Cone-calorimeters
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Abstract
본 연구에서는 대형 콘 칼로리미터의 주요 설계인자와 열방출률 상관관계를 분석하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해서 국외 연구기관에서 보유하고 있는 1 MW급 이상의 칼로리미터 주요 제원을 조사하였으며, 플럼에서 발생되는 총 연기발생량과 산소소모지수법을 적용한 열방출률 관계식을 검토하였다. 그 결과 대형 콘 칼로리미터의 목표 설계 열방출률과 송풍 용량이 결정된 경우 화원으로부터 후드까지의 높이와 후드의 크기가 증가할수록 덕트 내부 온도와 산소농도의 변화량이 비례하여 감소하는 현상을 고찰하였다. 이러한 결과는 열방출률 산출 과정에서 질량유량과 산소소모 계수에 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 대형 콘 칼로리미터의 목표 열방출률이 결정된 경우 송풍용량 뿐만 아니라 후드의 형상 및 화원으로부터의 높이를 고려한 설계 인자 분석이 필요한 것으로 판단된다.
Trans Abstract
In this study, fundamental research was conducted to analyze the correlation between the main design factors of large-scale cone-calorimeters and the heat release rate. The specifications for designing cone-calorimeters of 1 MW or higher, which have been constructed in foreign research institutes, were investigated. In addition, the relationship between the total amount of smoke generated in the plume and the heat release rate determined via the oxygen consumption method was reviewed. The temperature variation inside the duct and the oxygen concentration could be decreased as the height and size of the hood increased. These results could have an important effect on the mass flow rate and oxygen consumption coefficient when calculating the heat release rate. To accurately determine the heat release rate of a large cone-calorimeter is determined, further research is necessary to analyze the design factors considering not only the blowing capacity but also the shape of the hood and height from the fire source.
1. 서 론
건축물 화재로 인해서 발생되는 열원의 크기를 정량화하는 것은 적정 소화설비를 설계하고 인명의 안전과 생명을 보호하는 관점에서 매우 중요한 연구 중 하나이다(1-3). 그러나 1900년대 이전에는 가연성 물질과 반응하는 산화제의 양이 주변의 환경 조건에 따라서 달라질 수 있기 때문에 화재 현상을 정량화 하는데 한계가 있었다. 이러한 관점에서 1917년 Thornton(4)의 연구 결과는 화재로 인해서 발생되는 열량의 크기를 평가하는데 큰 전환점이 되었다. 그는 탄화수소 계열의 액체와 기체가 완전히 연소하여 산소 1 kg이 소모될 때 발생되는 열량의 크기는 약 13.1 MJ 정도가 된다는 연구 결과를 제시하였다. 그 이후 다양한 연구자들에 의해서 산소가 소모되는 정도와 화재 열방출률의 상관 관계에 대한 연구가 수행되었으며(5,6), 1982년 Huggett(7)은 고체 탄화수소계 연료에서도 산소가 소모되는 양과 열량의 크기가 비례하는 연구 결과를 도출하였다. 특히, 1970년대 후반부터 1980년대 초반 사이 미국의 표준기술원(NIST)에서는 콘 형태의 후드에 연소가스를 포집하고 배출하는 과정에서 덕트 내부의 산소 소모량을 측정하는 콘 칼로리미터 실험설비를 구축하여 화재 열방출률의 데이터를 구축하기 시작하였다(8). 이러한 과정을 통해 Parker(9)에 의해서 산소 소모지수법에 대한 관계식이 정립되었으며, 화재공학 분야에서는 ASTM-E84터널 화재 시험에서 콘 칼로리미터 실험설비를 적용하여 화재 열방출률을 산출하는 시험 기준이 최초 적용되었다.
현재까지 산소 소모법을 적용한 칼로리미터 실험설비는 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 광범위하게 적용되고 있으며, 칼로리미터의 크기에 따라서 소형(< 104 W), 중형 (104 W～106 W) 그리고 대형(>106 W)으로 구분하기도 한다. 칼로리미터의 크기가 증가할수록 집진설비와 넓은 부지 그리고 실험, 분석 및 유지관리를 위한 막대한 예산이 투입되어야 하는 반면, 주요 설계 인자와 실험설비의 신뢰성 검토에 대한 연구 자료는 매우 부족한 상태이다. 특히, McCaffrey(10)의 연구 결과에서 보듯이 화염의 길이가 열방출률의 2/5 지수승의 형태로 증가하는 관점에서 칼로리미터의 후드 설치 높이와 크기, 덕트 형상과 송풍 용량은 열방출률을 산출하는데 중요한 영향을 미칠 수 있는 것으로 판단된다.
본 연구는 대형 콘 칼로리미터를 제작하기 위해서 목표 설계 열방출률(designed heat release rate)이 결정되었을 때, 주요 설계 인자와의 상관관계를 검토하는데 주요 목적이 있다. 따라서 기존 연구사례로부터 국외 실험설비의 제원을 조사하고 대형 콘 칼로리미터의 구축 과정에서 검토되어야 하는 선행 연구 방안을 제시하고자 한다.
2. 본 론
2.1 설계 인자 분석
Figure 1은 칼로리미터의 구조를 나타낸 것으로 주요 설계 인자는 가연물에서부터 후드까지의 높이(ZHood), 후드의 체적(VHood), 덕트 직경(Dduct)과 형상 그리고 흡입 송풍기에 의해서 측정된 체적유량(VF,m)으로 구성되어 있다(11). 그림에서 보듯이 가연물의 연소과정에서 발생되는 총 연소 생성물이 후드로 포집 되고 전처리 장치에 의해서 산소 농도가 감소되는 정도를 정확히 측정하여 식(1)과 같은 관계에 의해서 열방출률이 산출된다(12).
Schematic diagram of large scale cone calorimeter.
여기서∆Hc,O2, m˙e, ø, MO2, Ma,
화염 크기/직경 비는 McCaffrey의 연구결과에서 보듯이 프라우드(Froude)의 무차원 수에 의해서 열방출률의 크기가 1～105 정도 구간인 intermediate regime 에서는 기울기가 선형적인 것을 확인할 수 있다. Heskestad는 표준상태에서 연소열 대한 이론 당량비(Hc/r)의 범위가 2900 kJ/kg～3200 kJ/kg인 경우 열방출률의 크기에 따른 화염의 길이(L)를 식(2)와 같이 제시하였다.
Figure 2는 화재로부터의 부력 플럼(buoyant plume)이 발생되는 현상을 이상적으로 가정한 점원 모델(fire source point)의 개략도를 나타내고 있다. 그림에서 m˙p, m˙fuel, m˙Air, m˙a,v, m˙e 그리고 m˙F,m는 각각 연소생성물의 질량 유량, 연료의 질량유량, 공기의 질량유량, 플럼의 높이 방향으로 유속이 형성되면서 주변의 공기가 유입되는 질량유량, 덕트 내부로 흡입되는 질량유량, 그리고 송풍기의 질량유량을 각각 의미한다. 가연물이 공기중에서 화학반응 하는 경우 생성되는 연소생성물의 질량 유량(m˙p)은 식(3)과 같이 가연물로부터 발생되는 연료의 질량유량(m˙fuel)과 반응하는 공기의 질량유량(m˙Air)의 합과 같다(13).
Schematic diagram of a fire source point model that ideally assumes that plume occurs.
또한, 부력 플럼이 형성되면서 유입되는 공기를 고려한 부력플럼의 질량유량은 식(4)와 같이 표현할 수 있다(12).
따라서 주변의 공기가 유입되는 질량유량(m˙a,v)은 플럼에서 높이 방향과 함수 관계를 갖게 되며, 현재까지 Heskestad(14)와 Zukoski 등 많은 연구자들에 의해서 플럼에서 발생되는 총 질량유량을 예측하기 위한 경험식이 제시되고 있다. 따라서 덕트 내부로 흡입되는 질량유량(m˙e)은 식(4)의 플럼에서 발생되는 질량유량(m˙p)과 후드 입구 영역에서 유입되는 공기의 질량유량(m˙a,ent)과 같으며, 칼로리미터 송풍기의 질량유량(m˙F,m)은 식(5)와 같은 조건을 가져야 한다.
그러나 식(2)에서 보듯이 열방출률의 크기에 따라서 화염의 길이가 증가하기 때문에 설계 열방출률을 결정하기 위해서는 플럼의 크기를 고려한 후드의 설치 높이(ZHood)와 플럼의 질량유량(m˙p) 그리고 후드 입구에서 유입되는 공기유량(m˙a,ent)을 고려한 송풍 용량(m˙F,m)의 상관관계가 분석되어야 한다.
2.2 국외 칼로리미터 현황 조사
Table 1은 국외 연구 기관의 대형 콘 칼로리미터 구축 현황을 조사하여 주요 설계 인자를 비교한 결과이며, ▣는 후드의 형상이 사각이고 ø는 원형 형상을 의미한다. 주목할 만 한 점으로는 제원표의 VF,n은 설계 송풍용량을 의미하며, VF,m은 덕트에서의 실제로 측정된 송풍용량을 의미하는 것으로 집진설비와 연동되는 관점에서 두 값의 차이가 크게 발생할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 측정된 설계 유량(VF,m)의 관점에서 발열량과 주요 인자의 상관관계를 분석하고자 한다.
Status of Large Scale Cone-calorimeters in Overseas Research Institutes
Figure 3는 Table 1의 국외 연구 기관의 칼로리미터 설계 발열량과 주요 인자의 관계를 나타낸 결과이다. NIST에서는 VF,m의 용량이 나타나 있으며, 설계 발열량의 크기가 증가할수록 후드의 직경과 송풍 용량이 증가하는 반면 덕트의 크기는 약 2.0 m 정도인 것을 확인할 수 있다. 또한, BRE의 경우 NIST에 비해서 비교적 높은 송풍 용량으로 설계한 반면 SP의 경우 후드의 크기와 송풍 용량 및 덕트 직경이 비교적 작게 구축된 것을 확인할 수 있다. 특히, 설계 발열량의 크기가 10 MW인 경우 NIST의 주요 설계 인자를 참고하면 덕트 내부에서 측정된 질량유량(m˙F,m)은 약 40 kg/s, 사각 형상의 후드 높이(ZHood)) 9～10 m 그리고 덕트 직경(Dduct)은 2.0 m 정도인 것을 확인할 수 있다. 표에서 LHood), AHood) 그리고 Vduct는 각각 후드의 길이 또는 직경, 후드의 면적 그리고 후드 유입부에서의 평균 유속의 크기를 각각 의미한다.
Research Survey for designed heat release rate VS exhuast flow rate, hood area and duct size.
2.3 설계 인자 분석
Figure 4는 설계 열방출률이 결정되었을 때 분석되어야 하는 주요 유동 특성의 상관 관계를 대표적인 3가지 경우에 대해서 검토한 결과이다. Figure 4의 왼쪽 그림에서 보듯이 칼로리미터의 배기 덕트내 측정 유량이 설계 열방출률의 총 연기 생성량 보다 작은 경우 후드 외부로 연기가 유출되는 현상이 지속적으로 발생할 수 있다. 이러한 경우 식(1)의 열방출률 산출 과정에서 유출된 연기량에 비례하여 열방출률의 손실(loss)이 발생할 수 있으며, 화재 실험이 종료된 이후에도 주변에 연기가 지속적으로 남아 있게 되면 칼로리미터의 후드로 연기가 유입되어 열방출률이 측정되는 현상이 나타날 수 있다. 또한, Figure 4의 가운데 그림에서 보듯이 화염의 길이에 비해서 후드의 높이가 매우 높은 경우 후드의 입구에 유입되는 주변 공기의 유량이 증가하는 현상이 나타날 수 있다. 특히, 최대 열방출률 실험에서 덕트 내부는 연기의 농도 대비 주변의 공기가 더 많이 유입되기 때문에 산소 농도 변화에 따른 측정 정확도를 검토할 필요가 있다. 그리고 Figure 4의 오른쪽 그림과 같이 후드 아래로 스커트 등을 장착해서 화염의 길이에 비해서 후드 설치 높이가 낮은 경우 오버플로우의 영향은 줄일 수 있으나 고온의 연소 생성물이 지속적으로 덕트 내부로 유입되어 밀도가 낮아지기 때문에 덕트 질량유량이 감소되는 현상이 나타날 수 있다.
Correlation between key design factors and flow characteristics.
Figure 5는 NIST의 규격 현황 조사에 따른 결과를 바탕으로 덕트 직경 2.0 m, 사각 형상의 후드 길이 9 m, 후드 체적 177.33 m3, 그리고 화원에서 후드까지의 높이 7.0 m를 가정하여 칼로리미터에 대해 고려되어야 하는 주요 설계 인자의 관계를 정성적으로 분석한 결과이다. 그림의 점선에서 보듯이 열방출률의 크기에 비례하여 화염의 길이가 증가하기 때문에 후드 입구에서 유입되는 공기량(m˙a,ent)과 산소농도(O2%)가 감소하여 열방출률 산출식의 산소 소모계수(Φ)가 증가하는 경향을 갖게 된다. 하지만, 플럼에서의 연기발생량(m˙p)이 증가함에 따라서 덕트 내부의 온도(Td)가 상승하고 그 결과 밀도(ρ)가 낮아지기 때문에 덕트에서 송풍용량에 의해서 측정되는 질량유량(m˙F,m)이 감소하는 현상이 발생하게 된다. 하지만, 열방출률의 크기가 증가함에 따라서 후드에서의 질량유량(m˙e)은 증가하게 되어 m˙F,m≥m˙e인 범위가 설계 가능한 칼로리미터의 설계 조건으로 판단할 수 있다. 따라서 대형 칼로리미터를 구축하기 위해서는 최대 열방출률을 산출하기 위한 송풍 용량 뿐만 아니라 후드의 크기(LHood)와 화원으로부터 후드까지의 높이(ZHood)를 고려한 최대 열방출률 설계 범위를 위한 선행 연구가 필요한 것으로 판단된다.
The result of analysis of the relationship between major design factors based on NIST’s design data.
3. 결 론
콘 칼로리미터는 화재 현상에서 발생되는 에너지를 정량적으로 산출하고 소화설비의 진압 성능을 예측하는데 활용하기 위한 중요한 실험설비이다. 하지만, 설계 발열량의 규모가 증가할수록 후드의 형상과 높이 등에 따라서 덕트 내부에서 온도 상승에 따른 질량 유량의 크기가 감소하고 플럼에서 발생되는 총 연기발생량에 비해서 유입되는 공기가 작아지는 현상이 나타난다. 특히, 콘 칼로리미터를 설치하기 위한 환경 조건은 집전설비와 함께 고려되어야 하기 때문에 덕트 내부에서 발생되는 열유동을 제어하기 위한 송풍 용량에 대해 우선적으로 설계 방안이 고려되어야 하며, 화원으로부터 후드까지의 거리와 후드의 형상에 따라서 최대 발열량을 산출할 수 있는 선행 연구가 필요한 것으로 판단된다.
후 기
본 연구는 대한민국 정부(산업통상자원부 및 방위사업청) 재원으로 민군협력진흥원에서 수행하는 민군기술협력사업의 연구비 지원(21AR5012)에 의해 수행되었으며, 관계제위께 감사드립니다.
