열 및 화염의 전달. 성장
3. 열 및 화염의 전달.
3.1 개념과 정의
3.1.1 개념 :
열에너지는 온도의 개념과 직접적인 관련되는 물질의 특성이다
3.1.2 온도단위 환산 : 빙점과 비점 기준
구분
변환
비고
℉
T(℉)=T(℃)(1.8)+32
R
T(R)=T(℉)+459.69
℃
T(℃)=[T(℉)-32] / 1.8
K
T(K)=T(℃) +273.16
3.1.2.1 물1[g]을 매초 1[℃]올리는데 4.182[joule]이 소요된다.
3.1.2.2 열량단위 : q : 열 Heat
q위의 “ ˙ ”은 단위시간당 [ q ]
q위의 “ ˙′ ”은 단위길이당 [ q′ ]
q위의 “ ˙″ ”은 단위면적당 [ q″ ]
q위의 “ ˙ ′″”은 단위체적당 [ q′″ ]
3.2 전도 : 전자의 이동에 의하여 온도가 높은 영역으로부터 낮은 영역으로 에너지가 이동하는 열흐름 메카니즘
매질이 반드시 필요하다
3.2.1 Fourier법칙 q= k A k : 열전도율
3.2.2 열침투시간 ≒ α : 열확산율 = k/ ρc
ρ : 밀도, c : 비열, ℓ : 벽 두께
3.3 대류 : 유체가 고체의 표면 위를 흐르고 이들 사이의 온도가 서로
다를 때 유체의 운동에 의하여 유체와 고체표면 사이에 열전달 이 발생하는 메카니즘
3.3.1 Newton,s Law of Cooling q= h(T₂-T)
3.3.2 대류의 종류
- 강제대류 : 외부로부터 강제적인 메카니즘
- 자연대류 : 유체의 이동이 유체내의 온도 차이로 발생되는 밀도차에
따른 부력의 영향으로 열전달
3.4 복사 : 전자파형태로 에너지를 방출
3.4.1 Stefan Boltzmann,s Law
Eb=ε σ T⁴F₁₂[W/㎡]
σ : Stefan Boltzmann 상수 =5.6697× 10⁻⁸ [W/㎡K⁴]
ε : 방사율 : ε = 1 - exp(-xl) x : 화염의 흡수계수
l : 화염의 두께
T : 복사체의 온도 [K]
F₁₂: 형상계수
F₁₂ =
3.5 열유속 : Critical heat flux)
- 물체를 뜨겁게 하기도 하고 손상을 입히기거나 점화의 원인이 된다
q″ = Xr : 총 발열량 가운데 복사형태로 방출되는 비율
c : 복사체로 부터의 거리
3.5.1 지구표면에서 태양으로부터 받는 복사열유속은 약 1[Kw/㎡]이다
3.5.2 화재 시 열에 의한 손상을 받을 수 있는 최소값
- 노출 피부에 대한 통증 : 1 [Kw/㎡]
- 노출 피부에 대한 화상 : 4 [Kw/㎡]
- 물체의 점화 : 10~ 20 [Kw/㎡]
3.6 복사열과 화재확대
3.6.1 복사열 강도에 대한 검토
q″ = F₁₂ × R F₁₂ : 형태계수 분출화염 : 0.1, 염상화염 : 0.2
R : 복사능 분출화염 100[Kw/㎡]
염상화염 50 ~ 80[Kw/㎡]
3.6.2 수열온도에 의한 검토 :
- 등온곡선 : 인동건물의 목재표면온도가 260[℃]가 되는 곡선
- h = p × d²
3.6.3 복사열에 의한 착화한계, 착화시간, 연소한계거리
3.6.3.1 착화한계
- 재료의 착화온도와 실온의 차이에 비례
- 목재의 착화한계 : 10[KW/㎡]
- 목재의 인화점 : 240~270 [℃]
- 발화점은 500 [℃] 정도이다.
3.6.3.2 착화시간
3.6.2.1 얇은 재료의 착화시간 (tig) = ρcl ×
Tig : 점화시간 , To : 초기온도, q˝ : 복사열유속
3.6.2.2 두꺼운 재료 ( 2mm이상) (tig) = C (kρc) ×()²
C : 상수 C = /4 : 표면 열손실이 없는 이상적인 경우
C = 2/3 : 표면 열손실이 있는 경우
3.6.2.3 Flashover 발생조건
- 열유속 20 [KW/㎡]
- 실내온도 500 ~ 600[℃]
- 질량감소속도 40[g/ ㎡․ sec]
- CO₂/ CO = 150
- O₂= 10%
3.6.3.3 연소한계거리 : 목재 기준
- 무풍 시 인접건물 간에서 15[m]
- 1층 : 대지경계선으로부터 3[m]
2층 : 대지경계선으로부터 5[m]
CHAPTER4. 화염의 성장
4.1 점화 : 물질조건(연소범위) 과 에너지조건(최소점화에너지)
4.1.1 화재성장의 메카니즘
- 점화 : 화재성장의 시작
- 화염확산 : 화재경계의 정도
- 연소속도 : 연료의 소모정도
4.1.2 인화와 자연발화
- 인화 : 강제점화
- 자연발화 : 자발적 점화
4.1.3 고체의 착화시간 산출공식
4.1.3.1 얇은 재료의 착화시간 (tig) = ρcl ×
Tig : 점화시간 , To : 초기온도, q˝ : 복사열유속
4.1.3.2 두꺼운 재료 ( 2mm이상) (tig) = C (kρc) ×()²
C : 상수 C = π/4 : 표면 열손실이 없는 이상적인 경우
C = 2/3 : 표면 열손실이 있는 경우
4.1.4 고체가연물의 발화시간에 영향을 주는 인자
- 열전도도
- 밀도
- 발화에서 표면온도
- 방사율
- 재복사
4.1.5 화재성능지수 (FPI : Fire Performance Index) : 화재의 위험정도
FPI = Tign : 발화시간
HRPpk : Peak 열방출률
4.2 연소속도 Burning Rate : 질량감소속도
- 연소 시 단위시간당 소비되는 고체 또는 액체 연료의 질량
- 연로의 물성, 방향 또는 모양, 연소면적에 영향을 받는다
4.3 기화열 : Heat of gasification : Latent heat
- 단위면적당 질량감소속도 m″ =
- 순수 열유속 = 화염의 열유속 + 외부 열유속 - 재복사
4.3.1. 양론적 질량감소비
mst″ = × 0.5A √ H mst″ : 양론적 질량감소비[kg/s]
rs : 화학양론적 공기/연료 질량비
4.3.2 전형적인 질량유속의 범위 : 5 ~ 50[g/m²․ sec]
소염 : 5[g/m²․ sec]이하
4.4 최대 연소속도
4.4.1 액체연료의 연소속도
- 풀(Pool)의 직경에 영향을 받는다
- 최대 질량유속은 연료의 탄화특성에 좌우되지만 일반적으로 1 ~ 2[m] 인 화재에서 형성된다
- 대류열열전달계수 : 5 ~10 W/㎡ ․ ℃
- 최대 질량연소유속 값은 약 55[g/m²․ sec]
4.5 에너지 방출속도 : energy release rate : 열방출속도
- 화재의 크기
- 손상가능성
- 화염의 높이
- 복사열유속
4.5.1 플래시오버가 일어날 수 있는 모든 가능성
- 주위물질에 대한 발화가능성
- 실내에서의 플래시오버 가능성
- 화재를 진화하는데 필요한 물의 공급속도
4.5.2 Q = m″ A ΔHc
4.5.3 연소열 : 단위량의 연료가 완전히 산화될때 방출되는 열량 :
- 산소봄브칼로리미터(oxygen bomb calorimeter)로 측정
- 유효연소열측정 : cone calorimetet 및 Rate of Heat Release Apparatus
4.5.4 발열량 표현방법
4.5.4.1 고발열량 : 연소생성물인 H₂O가 액체상태인 경우 발생하는 총열량
2,088 [Kj/mol]
4.5.4.2 저발열량 : 연소생성물인 H₂O가 기체상태인 경우 발생하는 총열량 2,044 [Kj/mol]
4.5.4.3 공기 1[g]이 연소시 발생하는 열량
C3H8+5O₂ → 3CO₂+ 4H₂O + 2,044 [Kj/mol]
C3H8+5O₂+(5×3.76)N₂→3CO₂+4H₂O+2,044[Kj/mol]+ (5×3.76)N₂
연소공기의 전체 mol 수 : 5 + 18.8 = 23.8[mol]
1mol의 공기량 : 28.84[g]
2,044÷ 23.8÷ 28.84= 2.977 [kj/ g 공기]
4.5.4.4 목재와 가솔린의 열방출속도 비교 : 직경 1[m] 목재기준
4.5.4.4.1 목재 Q = m″ A ΔHc m″ : 11[g/㎡․ s] A : 0.785[㎡]
ΔHc :15[kj/g]
Q = 11 ×0.785 × 15 =130[kw]
4.5.4.4.2 가솔린 Q = m″ A ΔHc m″ : 55[g/㎡․ s] A : 0.785[㎡]
ΔHc : 43.7[kj/g]
Q = 55 ×0.785 ×43.7 =1,887 [kw]
4.5.4.4.3 위 두가지 물체의 열방츨속도를 비교 결과 액체연료화재 시 쉽게
플래시오버가 일어날 수 있고 화재의 위력이 더 크다는것을 알
수 있다
4.5.5 파라핀계 탄화수소화합물의 종류
CH4, C2H6, C3H8,C4H10, C5H12, C6H14, C7H16, C8H18, C9H20, C10H22
C의 개수 : 4개 이하 : 기체
15개 이하 : 액체
16개 이상 : 고체
완전연소식 CnHxOy+(n+)O₂ → nCO₂+ H₂O
불완전연소식 CnHxOy+(n+)O₂ → nCO+ H₂O
4.6 화재성장속도
열방출률 Q = α tⁿ
- 화재가 1,055[kw]에 도달하는 시간을 기준으로 화재크기를 결정.
구분
화재성장시간
화재강도계수
Slow
600sec
0.00293
Medium
300sec
0.01172
Fast
150sec
0.0469
Ultrafast
75sec
0.1876
-화재성장곡선 : 화재감지기의 분석을 위한 NFPA 72B 와 제연시스템
의 설계를 위한 NFPA 92B에 적용되고 있다.
4.7 연소속도의 변화에 영향을 미치는 인자
4.7.1 혼합물의 조성에 따른 변화
- 양론혼합물 보다 연료가 약간 많은 혼합물의 경우에 최고가 된다.
4.7.2 온도에 따른 변화
- 연소속도 : 미연소 혼합기가 20 ~ 25[℃]의 대기온도일 경우의 값
- Zabetakis의 식 Su = 0.1 + 3×10⁻⁶ T² [m/sec]
4.7.3 압력에 따른 변화
- Lewis의 식 Su ∝ Pⁿ
- n은 Su 값에 의존 : 연소속도(Su)가 0.45 ~1 [m/s] : 0
연소속도(Su)가 Su〈 0.45 [m/s] : 음의 값
연소속도(Su)가 Su 〉 1 [m/s] : 양의 값
4.7.4 억제제 첨가에 따른 변화
- 질소나 탄산가스와 같은 첨가제는 불활성 희석제로 작용
혼합물의 연료 단위질량당 열용량을 증가시켜 화염온도를 감소시키며
화염의 전파가 불가능하게 되는 한계값(한계화염온도) 이하가 된다
- 한계화염온도 (1,500~1,600K)는 35~38%의 질소에 해당
- Halon 소화약제는 저농도의 소화약제로서 (5~10%) 초기에 소화가 가능 한 표면화재에 주로 사용한다
4.7.5 난류에 의한 영향
- 미연소가스속의 난류성에 의해 화염이 혼합기속을 전파해가는 속도가 증가
- Lf / D = A Lf : 화염의 길이
D : 유출구의 직경
A : 연료종류에 의해서 결정되는 상수
- 화염의 길이 : 층류 : 가스유속증가에 따라 비례
난류 : 거의 일정
- 유출구의 영향 : 층류 : 유출구에서의 유속과 유출구면적에 비례
난류 : 유출구의 직경에 비례
4.8 화염의 확산 : 화재에서 경계면이 이동하는 과정
- 점화 - 표면 화염확산 : 혼합가스를 통한 화염전파
4.8.1 고체표면에서 화염확산
- 자연기류 및 강제기류
- 순풍 및 역풍
- 연소속도 : 화재 시 온도, 가시도, 독성 및 부식성을 설정하는데 직접
관련된다.
4.8.1.1 확산속도
V = q : 열 공급률 ρ : 연료의 밀도
c : 연료비열 A : 단면적
Tig : 착화온도 Ts : 연료의 온도
4.8.1.2 고체표면에서의 확산
- q = q ″ δf w
- V =
4.8.1.3 하향 또는 측 벽면으로의 확산
- 풍조흐름 과 반대방향의 흐름이다.
- 하향 화염확산은 표면온도가 임계값 이상인 경우 일어난다
- 표면온도가 120[℃]이하에서는 확산이 일어나지 않는다.
4.8.1.4 상향 또는 순풍에서의 확산
- 부력흐름
- 화염의 길이는 화재로부터 열방출률에 기인한다
- 실내화재시 에너지방출 : 실내온도 및 가연물 온도 증가 : 연소속도증가
- 고체표면에서의 화염확산속도
V = δt / tig
4.8.1.5 고체표면 화염확산에 영향을 미치는 인자
4.8.1.5.1 표면방위 와 전파방향
- 화염속도는 수직상향인 경우 가장 빠르다
- 화염은 밀도차 부력에 의하여 상향으로 올라가고 바로 주위의 수직표면 을 감싸지 않으려는 경향이 있다
- 공기의 인입방향이 한 방향으로 제한되기 때문에 화염의 길이는 길어진다.
- 화염은 고체표면에 열전달을 하여 확산속도가 빠르게 되는 원인이다.
4.8.1.5.2 연료의 두께 : 두께가 두껍다는 것은 열용량이 크다는 것이고
전도에 의한 열손실이 커져서 연료표면온도를 발화점으로 올리는 데 시간지연에 따라 두꺼울수록 확산속도가 늦다
4.8.1.5.3 밀도, 열용량, 열전도도
4.8.1.5.4 기하학적 형상
4.8.1.5.5 환경의 영향
- 대기의 조성 : 산소
연료의 온도
투입된 복사열류
대기압
투입된 공기의 이동(바람)
4.8.2 액체에서의 화염확산
4.8.2.1 액온이 인화점 이하인 경우
- 액표면의 가열
- 화염이 확산할 수 있는 혼합기 형성
- 주기적 화염확산
- 액체의 온도가 상승하면 맥동기간의 감소와 확산속도 증가
- 탱크의 직경에 따라 확산속도가 영향을 받는다.
탱크의 직경이 좁은 경우 탱크 벽면으로 열손실 때문에 확산속도가
감소 하고 직경이 커지면 영향이 적다
4.8.2.2 액온이 인화점 이상인 경우
- 액체연료 윗부분이 연소한계 내에 있음으로 화염확산속도는 표면위의
가연성 증기/공기 혼합기를 통한 전파에 의하여 결정된다
- 확산속도는 증기압이 그 표면에서 양론혼합물의 농도가 같아지는 속도
까지 증가하여 이 한계치는 기본 연소속도의 4~5 배에 해당한다.
4.8.3 전형적인 확산속도
4.8.3.1 하향 또는 측면확산
- 공기의 흐름과 연료에 의존하며 확산에 필요한 최소온도(120℃)이하
에서는 확산이 일어나지 않는다
- 하향 및 측면확산은 아주 낮은 속도이며, 확산면의 1[mm]이하를 가열한다
4.8.3.2 상향 또는 순풍에서의 확산
- 배면에서 상부로의 화염확산과 바람과 같은 방향의 화염확산의 경우
상향 확대에서는 화염열전달에 의해 가열된 길이(δf)가 급속히 증가 또는 감소하는데 이는 연소와 흐름의 특성 때문이다
- 일반적으로 상부로의 화염전파는 1 ~ 200 [㎝/sec]의 범위이다.
4.8.3.3 화염의 확산은 연료, 연료의 방향, 바람, 확산의 방향 및 기타 요소 에 영향을 받는다
4.9 화재플럼의 화재역학 특성
4.9.1 개요
- 부력에 의한 화염기둥의 열 기류이며, 뜨거운 연소생성물이 연료원의
위로 상승하는 것이다.
- 부력은 밀도차 때문에 발생하는 유체내의 상승력이며
밀도는 가스온도에 반비례한다.
이상기체방정식 PV = nRT = RT
밀도 ρ = =
단위체적당 상대위치에너지 ΔP = (ρ a- ρ ) g H
V = √ = √
4.9.2 화재플럼의 형성
- 더운 상승기류가 상승함에 따라 주위의 차가운 공기가 화재플럼 내로
유입 되는것을 "유입"이라하며 이 속도는 화염높이 와 화재플럼의 특성 을 결정한다
- 화염확산은 분자의 확산이 아닌 난류의 소용돌이에 의한 확산이 지배적 인 역할을 한다
- 화염의 최고높이는 대략 최소높이의 2배정도 된다.
4.9.3 화재플럼의 구조
4.9.3.1 연속화염영역 : 연료표면 바로 위의 영역으로 지속적으로 화염이
존재하고 연료가스의 흐름을 가속시키는 영역이다
- 난류화염에서 화염의 평균높이 Lf = 0.23Q ²/ ⁵-1.02D
- 최대 화염온도는 800℃를 초과하지 않는다.
4.9.3.2 간헐화염영역 : 간헐적으로 화염의 존재와 소멸이 반복되는 영역
으로 거의 일정한 유속이 유지 되는 곳으로 화염이 최대높이와 최소높이까지 요동하기 때문에 그 차이 는 2배 정도이다
- 화재플럼 기저로부터 외부 소용돌이 생성과 이탈을 갖는 "와류발산"
때문으로 화염직경에 영향을 받는다
- 소용돌이 생성주기 f =
4.9.3.3 부력화염영역 : 열원의 위에서 상승되는 대류 열류의 기둥
- 주위 유체와 상호작용에 의해 결정되며 플럼내의 온도는 열원의 강도와 그 위의 높이에 의존한다.
- 무한 대기에서 이상적인 플럼은 축 대칭성이며 부력이 너무 약해져서
점성력을 이겨내지 못하는 높이까지 수직으로 상승한다.
- 플럼 경계를 통해 인입되는 주변공기에 의한 희석작용의 결과 플럼이
냉각되고 높이에 따라 플럼이 넓어지며 상향 유속이 감소된다.
4.9.3.4 연기의 단층
- 화재초기 화원위에서 형성되는 연기기둥의 상승은 천장과 바닥의 온도차 에 비례하고 특히 대류성 열방출 과 주위의 공기변화에 영향을 받는다
- 연기가 상승하여 밀도 와 무게에 따라 층을 이루는 것
- 연기의 온도가 주위의 온도보다 낮을 경우 형성
- 화재 시 연기가 감지기에 도달하는 것을 방해하여 화재감지시간을 지연
시킨다.
4.9.4 화재플럼 과 구획경계와의 상호작용
4.9.4.1 구획벽의 방해플럼
- 벽의 경우 자유공간보다 2배의 열방출률 효과를 갖고 코너의 경우는 4배 의 열방출률 효과를 갖는 화염확장이 발생된다.
4.9.4.2 천장제트흐름 : Ceilling jet flow
- 고온의 연소생성물이 부력에 의해 힘을 받아 천장면 아래에 얇은 층을 형성하는 빠른 속도의 가스흐름
- 화재초기에만 존재한다.
- 천장제트흐름 영역에서의 온도는 수직 열기류로부터의 거리와 함수관계.
- 천장열류보다 온도가 낮은 천장재와 유입 공기쪽에서 일어나는 열손실에
의해 천장열류의 온도는 감소한다.
- 유효범위는 층고의 5 ~12%범위
- 최고의 온도 및 속도는 층고의 1%범위
- 화재감지기 및 스프링클러헤드는 유효범위 내에 설치한다.
4.9.4.3 수평화염
- 천장이 매우 낮거나 화재가 충분히 커서 화염이 직접 천장에 충돌될
경우 화염이 수평으로 굴절되고 공기인입속도가 현저하게 감소되어 그
길이가 상당히 연장된다.
4.9.4.4 화재플럼에 대한 바람의 영향
- 개방된 현장에서는 바람에 의한 화염의 굴절로 위험한 상황 초래.
- 보통 2[m/s]의 바람이 45°정도 굴절시키고 가연물이 직접적으로 화염과 충돌 또는 복사열류 수준을 증가시켜 순풍물체의 화재노출위험을 크게 증가시킨다
4.9.5 화재플럼의 계산
4.9.5.1 상당화재직경
4.9.5.2 가상원점 : Virtual origin
- 실제 화재와 동일 복사출력을 내는 플럼 중심선에 따라 위치하는 한 점
- Zo = 0.083 Q²/⁵ - 1.02D
4.9.5.3 화염의 높이
- 연속화염높이 : McCaffrey식
- 간헐화염높이 : McCaffrey식
- 평균화염높이 : Heskestad식
- NAPA 921 평균화염높이 : 가상화염을 포함하지 않는다
: 화염의 평균높이[m] Q : 총 열방출률[kW]
K : 상수 연료가 방 가운데 위치하는 경우 : 1
연료가 벽 부근에 위치하는 경우 : 2
연료가 코너에 위치하는 경우 : 4
4.9.5.4 플럼 중심선의 온도 및 속도
4.9.5.4.1 Heskestad 방법
- 플럼 중심선에 최고온도()
: 플럼 중심선의 최고온도[℃] : 주위온도[℃]
- 플럼 중심선의 유속()
- 플럼 중심선에서 질량흐름속도(m)
m = 0.0056Q (단, Z<인 경우)
4.9.5.4.2 McCaffrey 방법
- 플럼 중심선에 최고온도()
: 플럼 중심선의 최고온도[℃] : 주위온도[℃]
Q : 열방출률[kW]
- 플럼 중심선의 유속()
- 플럼 중심선에서 질량흐름속도(m)
m =
4.9.5.4.3 Alpert 방법
- 플럼 중심선에 최고온도 ()
: 플럼 중심선의 최고온도[℃] : 주위온도[℃]
Q : 열방출률
- 플럼 중심선의 유속
4.9.5.5 공기인입효과
- 화재가 방의 가운데에서 발생할 때는 공기인입이 모든 방향에서 균일
하게 일어나는 축대칭성이 된다.
- 화재가 벽 근처에 있을 때는 공기가 모든 방향에서 균등하게 일어날 수 없어 공기가 자유공간에서 많이 들어오고 화염이 벽을 향해 기울게
된다. 즉 공기 인입이 적어진다는 것은 차가운 공기가 적어 냉각이
천천히 일어나게 되는 것을 의미한다. 이때는 가스가 위로 올라갈 시간 이 많아져 화염이 위로 늘어나게 된다.
- 화재가 코너에서 발생될 때는 차가운 공기가 들어올 경계면에 1/4로
줄어든다. 이렇게 되면 가스는 더욱 천천히 냉각되고 냉각되기 전에
위로 올라갈 시간이 많아지고 화염은 더 길어지게 된다. 이 효과는 벽
이나 코너에서 반사된 복사열이 연료표면에 도달하면 더욱 증진되고
따라서 열방출률이 증가된다.
4.9.5.6 연기생성
- 연기생성속도는 화재플럼에 의해 생성된 가스의 질량흐름속도와 비슷한 것으로 추산된다. 이러한 가정은 상승플럼으로 인입되는 공기의 량이
연기로 채워진 가스의 량과 같다는 원리에 근거한다.
이 원리가 가장 잘 맞는 관계는 원형의 상당 pool fire와 구획이 낮은 층에서 배출될 경우이다.
- 상부층의 하강에 대한 관계는 다음과 같이 표현된다.
: 연기층 하강속도 : 연기의 질량생성속도
: 연기층의 밀도 : 구획의 바닥면적
- 천장 아래 차는 연기를 계산 시 구획의 연기충진속도가 중요하다.
즉 얼마나 빨리 연기층이 천장으로부터 하강하는지에 대해 기여하는
요소는 일차적으로 생성된 연기량과 배출구 위치 등에 따른다.
화재 조사관들이 구획의 방에 일정하게 차는 연기층을 파악하는 것이
후에 화재기간이 희생자의 특정기간동의 연기노출을 결정하는데 중요
하기 때문이다.
연기 생성속도에 대한 Zukoski 방법(플럼의 질량흐름속도)
: 연기의 생성량[kg/s]
Q : 에너지방출속도[kW] Y : 화원으로부터 높이[m]
4.9.5.7 스프링클러헤드와 감지기 동작시간의 산출
: 헤드 나 감지기 작동시간[sec]
RTI : 응답시간 지수()
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