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방재영역/방화공학

화재성장의 3대 요소 (점화, 화염확산, 연소속도)

by Danny' 2021. 1. 17.
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화재 성장의 3대 요소

 

목 차

     

    개요

    점화, 화염확산, 연소 속도가 화재 성장의 3요소입니다. 점화는 화재 성장이 시작되는 때이고, 화염 확산은 화재경계의 확장으로 정의할 수 있습니다. 또한, 연소 속도를 통해 화재경계 내에서의 연료 소모 정도를 알 수 있습니다. 

     


    점화

    점화의 형태는 인화(Piloted Ignition)와 발화(Spontaneous Ignition)가 있습니다. 

     

    발화점

    물체가 점화원(착화원) 없이 불이 붙는 최저온도 입니다. 가연성 가스와 공기의 혼합가스에 온도를 가할 경우 연소 또는 폭발을 일으키는 최저온도로서 가연성 가스에 따라 다릅니다. 

    열전도율이 낮을 수록 (기체 <액체 <고체)

    발열량이 클수록(반응열이 클 것)

    분자구조가 복잡할수록 (연쇄반응 등)

    접촉하는 금속의 열전도가 클수록 발화점이 낮아 짐

    인화점

    기체나 액체가 점화원의 존재하에 연소하기 시작하는 온도입니다. 공기 중에서 가연성 액체의 액면 가까이에 생기는 가연성 증기가 작은 불꽃에 의해 연소될 때의 당해 가연성 물체의 최저온도를 말합니다. 

    고체의 인화에 의한 온도

    대략 250~450℃ 범위이고 자연발화의 경우는 500℃를 넘습니다. 고체의 점화 시간을 예측함에 있어서 열유속을 받는 얇은 재료(종이, 섬유 등)는 물질의 pcl 의 영향을 받고, 두꺼운 재료에서는 주로 kpc 의 영향을 받습니다. (p : 밀도, c : 밀도, k : 열전도도, l : 두께)

    발화와 인화

    구분 발화 인화
    착화원 유무 착화원 무 착화원 유
    물리적 조건 물질농도+에너지의 2가지조건 필요 물질농도에 관한 조건만으로 연소
    현상적 조건 가연성 혼합계를 외부에서 가열하기 때문에 밀폐계 국소적인 열원에 의한 발화현상이기 때문에 개방계

    화염 확산

    화염 확산

    화재의 경계면이 이동되는 과정으로, 발화면이 전진하는 것이라고 인식되며 전진 화염의 끝부분은 화염면 앞의 연료를 연소점까지 올리기 위한 열원 또는 점화원으로 작용합니다. 한, 화염 확산에서는 일반적으로 화재성장 과정에서 중력과 바람의 영향이 중요하며, 고체나 액체연료의 화염 확산에 대한 예를 많은 화재사례를 통해 알 수있습니다. 

    화염확산 속도 (확산 거리와 발화시간)

     

    확산거리 (δf)와 발화시간 (tig)에 따른 문제가 됩니다. 

     

    확산 방향

    하향 또는 측향 확산 : 화염이 확산되어 가는 방향과 공기의 흐름이 반대가 되는 반대 흐름 확산입니다.

    상향 또는 풍조 확산 : 공기 흐름과 화염 확산의 방향이 같은 경우가 풍조 확산입니다. 고요한 공기하에서 벽위의 상향 화염확산이나 천장 아래에서의 화염확산도 풍조확산입니다. 이 경우 바람은 화재 자체에 기인되는 부력 흐름에 의해서만 일어납니다. 

     

    화염 확산속도의 영향인자

    표면 방위와 전파방향

    연료의 두께

    열전도, 비열, 밀도, 두께 : 열용량(pcl) 및 열관성(kpc)

    기하학적 형상

    환경의 영향 : 대기의 조성, 연료의 온도, 투입 복사열류, 대기압


    연소 속도(Burning Rate)

    화염전파와 화염 진행속도

    방화원에서 발생한 화염이 혼합가스를 이동하는 현상을 화염전파라고 하고, 이 경우 미연소 가스에 대한 화염 진행속도라고 정의할 수 있습니다. 

     

    연소 속도

    연소 시 화염이 미연소 혼합가스에 대하여 수직으로 이동하는 속도를 말하며 단위 시간에 단위면적당 혼합 가스양(㎥/㎠·s)을 말합니다. 이는 가스의 성분, 공기와의 혼합비율, 혼합가스의 온도 및 압력에 따라 달라집니다. 연소 속도 값은 주위 물질에 대한 점화 가능성, 실애에서의 플래시오버 가능성, 화재를 진화하는데 필요한 물의 공급율 등과 밀접한 관계가 있습니다.

     

    연소속도 변화의 영향인자

    온도 : 온도가 높아지면 반응이 활발해져 기체의 분자운동이 증가하여 연소 속도는 증가하게 됩니다. 

    압력 : 압력이 높아지면 분자 간의 간격이 좁아져 유효 충돌이 증가되어 연소 한계가 커져 연소 속도는 증가합니다. 

    혼합물의 조성 : 연소 속도는 화학양론적 혼합조성에서 최고가 됩니다. 혼합물이 연소한계에 가까워 질수록 연소속도는 낮아집니다. 

    난류 : 난류에 의해 주름 잡힌 화염은 더 많은 표면적과 에너지를 갖게 되어 연소 속도를 증가시킵니다. 

    억제제의 첨가 : 혼합기 속에 억제제가 존재하면 산소농도가 작아져 연소 속도가 상당히 감소합니다.  

    <함께보면 좋은 글>

    2020/06/16 - 25. 폭발범위(한계) 연소범위(한계)

    2020/06/16 - 24. 물질의 폭발(연소)한계

    2020/06/15 - 22. 분출화염(Jet Flames)

    2020/06/16 - 23. 연소 시 발생되는 현상

    2020/06/15 - 21. 연소파와 폭굉파

     

    Reference

    1. 소방기술사 subnote by 유

     

     

     

     

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