고체표면에서의 화염확산

고체표면에서의 화염확산

 

목 차

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화염 확산 기초이론

화재의 경계면이 이동되는 과정으로 발화면이 전진하는 것이라고 인식되고 전진 화염의 끝부분은 화염면 앞의 연료를 연소점까지 올리기 위한 열원 또는 점화원으로 작용합니다. 이는  고체나 액체연료의 화염 확산에 대한 예를 많은 화재사건에서 찾아볼 수 있습니다.

 

화염 확산에서는 일반적으로 화재 성장 과정에서 중력과 바람의 영향이 중요하며 화재 확산(Fire Spread)은 표면의 화재 확산, 훈소의 발달, 그리고 예혼합 화염전파에서의 파이어볼 등이 포함되는 모든 연소과정의 성장을 의미합니다. 

 

화염확산

화염 확산 속도식에 의하면 새롭게 가열되는 연료로의 에너지공급율(소요율), 즉 그 온도가 발화온도(T_ig)가 되게 하는 에너지 공급률은 연소지역으로부터의 순열전달율(열공급율(q))과 같게 된다는 것을 나타냅니다. 따라서 확산에 대한 균형을 취해보면 ,

 

[에너지 공급율] = [순열 전달률]

 

에너지공급율 확산속도 식

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고체 표면에서의 확산

화염 확산 속도(확산 거리와 발화시간)

고체 표면 확산에서의 가장 많은 열전도율은 δ_f 에 걸친 표면에서의 열전달입니다. 따라서,

q=qδ_fw

여기서, q : 화염 전면의 열류, δ_f : 확산 거리, w연료의 폭

 

A=wl, 화염 확산식은 a에 대입하면,

얇은 고체의 경우 (l <2mm)

발화시간(t_ig),

 

b식과 결합하면, 확산속도는,

 

두꺼운 고체의 경우 (l>2mm)

발화시간 (t_ig)식과 화염 확산 속도식을 결합하면, 위 확산속도 식으로 귀결되며, 대부분의 경우 화염확산 문제는 화염의 열전달에 기인하는 확산거리(δ_f)와 발화시간(t_ig)에 따른 문제가 됩니다. 

 

하향 또는 측향 확산

화염이 확산되어 가는 방향과 공기의 흐름이 반대가 되는 반대 흐름의 확산으로, 표면온도가 임계값 이상일 때만 확산이 일어나며 최소 온도인 120℃ 이하에서는 확산이 일어나지 않습니다.

 

이 온도 이상에서는 표면온도가 증가함에 따라 확산속도가 증가되며, 화염은 하향 또는 측향 확산면의 앞부분의 1mm보다 작은 영역을 가열합니다. 

 

상향 또는 풍조 확산

공기 흐름과 화염 확산의 방향이 같은 경우와, 고요한 공기 하에서 벽위의 상향 화염 확산이나 천장아래에서의 화염확산이 풍조 확산입니다. 이 경우 바람은 화재 자체에 기인되는 부력 흐름에 의해서만 일어나게 되고, 화염 확산에 필요한 가열은 주로 주변의 확장된 투명 화염으로부터 표면으로의 열전달에 따라 이루어집니다.

 

화염확산거리 δ_f는 연소의 정도에 따라 결정됩니다. 즉, 풍조확산화염은 점화원의 성질과 벽의 연소특성에 의존하게 됩니다. 

 

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고체 표면 화염 확산속도의 영향인자

표면 방위와 전파방향

수직의 상향 전파일 경우 확산속도는 가장 빠르고, 하향 전파의 경우 확산속도는 방위의 변화에 따라 민감하지는 않으며 대략 1.0~1.3mm/s 정도로 일정합니다. 

연료의 두께 

연료가 매우 얇고 표면에 온도 구배가 없어 일괄적인 열용량으로 취급되면 확산속도는 재료의 두께에 반비례하며, 두께가 증가되면 궁극적으로 화염 확산속도는 두께에 무관하게 됩니다. 

 

 

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