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방재영역/방화공학

고체의 발화시간

by Danny' 2021. 1. 24.
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고체의 발화시간

고체의 발화 형태는 Piloted ignition(인화)와 Spontaneous ignition(발화)가 있으며, 인화에 의한 발화 온도는 대략 250~450℃ 범위이고 자연발화의 경우는 500℃를 넘습니다. 고체의 발화를 결정하는 요소화 발화시간에 대해 알아보겠습니다. 

 

목 차

     


    고체의 발화 시간

    고체의 발화시간은 얇은 물체의 경우 발화온도와 주위 온도의 차에 비례하며 두꺼운 물체의 경우는 이러한 온도차의 제곱에 비례합니다. 

    고체의 발화를 결정하는 핵심요소

    표면온도( )

    발화시간( )

    고체를 가열시키는 방법

    물질의 특성치

    물질의 두께( )


    얇은 물체의 발화

    고체가 얇다는 것은 그 물리적 두께가 1~2mm, 즉 2mm보다는 적은 경우를 의미하며 종이 한 장이나, 휘장, 외투 등이 대표적인 것이라고 할 수 있습니다. 

     

    어떤 물체의 온도를 상승시키려면 화염으로부터 복사되어 오는 열류(qI)가 손실되는 열류(qL) 보다 커야 하며 이 차이를 순열류(q)라 하는데, 발화를 위해서는 이 차이가 발화 온도에 도달하기 위해 충분히 커야 합니다. 

     

    얇은 물체의 열류 손실
    얇은 물체의 열류 손실

    이런 순열류는 고체물질의 온도를 올리는 내부 에너지로 전환되는데 이런 전환이 얼마나 빨리 일어나는 가는 고체의 에너지 저장능력에 좌우되며 에너지 저장 능력은 밀도, 비열, 두께의 곱인 pcl 에 의해 결정됩니다. 

     

    시간 t동안 상승시킬 수 있는 얇은 고체의 온도,

    시간 t동안 상승시킬 수 있는 얇은 고체의 온도
    시간 t동안 상승시킬 수 있는 얇은 고체의 온도

     

    발화를 일으킬 수 있는 표면온도가 발화 온도 (Tig)에 도달하기 위해서는 임계열류 이상의 가열 조건이 필요하게 되는데  이때 발화시간(tig) 는 다음식과 같이 됩니다. 

    발화시간의 임계열류 이상 가열조건
    발화시간의 임계열류 이상 가열조건

     

    휘장이나 대표적인 얇은 섬유인 쿠션, 소파와 같은 면 종류 물질의 대표적 특성치는 p =0.57g/cm3, c =0.34 cal/g·K, l =1mm입니다. Tig =300℃ 경우 발화시간은 5~25 sec의 범위가 되며, 이때 복사열류는 40kw/m2 ~ 10kw/m2의 범위가 됩니다.

     

    Tig=400℃ 경우는 발화시간이 약 25% 정도만 증가됩니다. 따라서 이런 물체는 매우 빨리 발화될 수 있으며, 이런 물질은 많은 구획실의 플래시 오버 조건이 바닥으로의 열 류가 20kw/m2 정도 이며, 이때 방의 연기층 온도가 대략 500~600℃ 범위가 됩니다. 즉 대부분의 얇은 물질은 이런 조건하에서 빠르게 발화하며 플래시 오버가 되는 개념과 일치하게 됩니다.


    두꺼운 물체의 발화

    두꺼운 물체는 그 두께가 2mm 이상인 경우이며, 목재 파티클보드, 울(Wool) 카펫, 종이가 붙여진 석고보드, 폴리우레탄 폼 등이 여기에 해당됩니다. 두꺼운 물체의 경우는 물질의 두께보다도 그 물질의 열전달 관련 고유 특성치인 열전도도(k)가 관련되어야 하며 여기에 밀도(p)와 비열 (c)를 곱한 kpc(열관성)에 의해 발화시간이 결정됩니다. 

     

    발화시간의 결정
    발화시간의 결정

    여기서, C는 상수이며 물질의 특성치에는 무관하나 열류에는 어느 정도에 의존합니다. 표면 열손실이 없는 이상적인 경우에는 C=π/4, 열손실이 있는 경우에는 C=2/3입니다. 

     

    일반적으로 고체에서는 p가 증가함에 따라 k가 증가합니다. 또한 kc는 온도에 따라 증가하는데 화재에 의한 가열 과정 동안에는 kc는 상당히 변화하게 되며 계산을 위해서는 적절한 평균온도에서의 일정 값 kpc를 이용하며 이는 보통 실온 조건에서의 값보다는 커야 합니다. 

     

     

    두꺼운 고체의 경우 전형적인 발화시간은 물질의 종류에 따라 달라지며 플래시 오버의 일반적 조건인 20kw/m2에서 보통의 물질들이 완전히 화염에 휩싸이게 되는 데는 1분에서 수분 정도만이 걸립니다. 

     

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    고체의 발화시간
    고체의 발화시간

     

     

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