■. 연소생성물의 종류 1. 연소생성물의 개요 ① 연소란 가연성 물질이 공기 중의 산소와 만나 열과 빛을 수반하며 산화하는 현상 ② 연소는 발열반응을 통해 연소생성물을 생성하고 가연물의 고온화를 통해 연소를 지속시킨다. 연소의 특성 ③ 연소생성물에는 열, 연기, 빛, 화염(불꽃), 연소가스 등이 있다. ④ 연소생성물은 인체에 열적 손상과 비열적 손상으로 피해를 주는데 열적 손상에는 대류와 복사 열을 통한 화상과 열응력이 있고, 비열적 손상에는 마취성, 자극성, 독성 가스의 연소(유해)가 스와 연기 등이 있다. ⑤ 특히, 유해가스 흡입 시 판단능력, 방향감각 상실 및 패닉현상에 의해 피난이 늦어지고 더욱 더 많은 유독가스를 흡입하여 결국 치사된다.
■. 연소시 열특성 1. 현열(=감열 : Sensible Heat) ① 물질의 상태변화 없이 온도변화에만 필요한 열량 ② 수식
ㆍㆍ∆ 여기서, Q : 현열(kcal, cal) m : 질량(kg, g) c : 비열(kcal/kgㆍ℃, cal/gㆍ℃) △t : 온도차(℃) 2. 잠열(Latent Heat) ① 물질의 온도변화 없이 상태변화에만 필요한 열량 ② 수식
ㆍ 여기서, Q : 잠열(kcal, cal) m : 질량(kg, g) : 융해잠열, 증발잠열(kcal/kg cal/g) ㆍ고체 → 액체 : 얼음의 융해잠열[80(kcal/kg)] ㆍ액체 → 기체 : 물의 증발잠열[539(kcal/kg)] 3. 비열(Specific Heat) ① 1kg의 물체를 1℃만큼 상승시키는데 필요한 열량(kcal) ② 물의 비열(1.0[kcal/kg])은 다른 물질에 비해 크다 → 물입자가 많은 열량 흡수 → 냉각효과가 뛰어남 그림 4 물의 수소결합에 의한 특성문제. 15℃ 물 1kg이 200℃증기로 변할 때 흡수되는 열량을 구하시오. 답) 684 kcal 풀이) ① 물이 수증기로 변할 때 필요한 열량 Q = 물의 현열 + 물의 증발잠열 + 수증기의 현열 ② 계산과정
ㆍㆍ∆ ㆍ ㆍㆍ∆ × × × × × 4. 고열기체 ① 사람이 장시간 고열에 노출되면 체온의 상승으로 뇌신경중추에 손상을 입어 일사병과 동일한 결과를 초래하여 사망한다. ② 또한, 폐 속으로 들어간 열로 인해 혈압강하와 혈액순환장애로 사망할 수 있다. 5. 복사열 ① 대규모 건물화재, 석유류 탱크화재 등 강한 복사열을 받는 장소에 있을 경우 탈수와 체온상승으 로 인한 현기증, 구역질, 두통, 허탈감, 경련, 실신 등 열중증이 된다. ② 강한 복사열을 받는 환경하에서 소화활동을 할 경우 복사열에 대한 반사성, 단열성의 방열복을 착용하지만 장시간 진화작업 시 피로가 가중된다. ③ 인간이 피부에 느끼는 고통과 복사열 강도 인체상태 복사열 강도(kcal/m2ᆞh) 장시간 노출에 견디는 최대 방사열 1,080 고통을 느끼기 시작 1,260 1분 후 고통 1,800 10～20초 후 고통 3,600 3초 후 고통, 10～20초에 불에 데어 살이 부어오름 9,000 ④ 공기온도와 생존한계시간 공기온도(℃) 143 120 100 65 생존한계시간(분) 5 이하 15 이하 25 이하 60 이하화상의 분류 분류 특징 증상 및 치료방법 1도 화상 홍반성 ㆍ표피에 국한된 손상으로 그 부위가 빨간 색깔을 띠고 심한 통증을 느낌 ㆍ태양광이나 부엌에서 약하게 덴 정도 ㆍ국소연고제로만으로 효과가 있으며 흉터가 남지 않음 2도 화상 수포성 ㆍ진피까지 손상되어 그 부위가 분홍 색깔을 띠고 분비물이 모여 물집이 생김 ㆍ진피 손상깊이에 따라 얕은 2도와 깊은 2도로 나누어진다. 얕은 2도 (표재성) ㆍ표피 전부와 진피의 1/3까지 화상 ㆍ과열된 온수나 불꽃 화상에 의해 발생 ㆍ1～2주내에 재상피화1)가 일어나면서 치유. 오랫동안 연한 변색 깊은 2도 (심재성) ㆍ표피 전부와 진피의 2/3까지 화상 ㆍ3～8주 치료로 재상피화 ㆍ염증이 생기면 3도 화상으로 전환됨 3도 화상 괴사성 ㆍ표피와 진피외에 피하지방까지 손상 ㆍ통증이 없고, 검고 희고 붉은 가피2)를 가짐 ㆍ피부이식 수술이 필요하며 심한 흉터가 남음 4도 화상 흑사성 ㆍ피부전층은 물론 근육이나 뼈까지 손상 ㆍ고압전기에 의한 감전에 의한 화상 ㆍ피부이식 수술, 사지절단 수술 등이 필요 1) 재상피화 : 벗어진 살갗 표면이 다시 증식하는 일 2) 가피 : 상처가 헐었을 때 피부표면의 결손부에 생기는 썩은 부위에 괸 조직액·혈액·농(고름) 등이 말라 굳은 것
6. 열전달 방법 ① 4가지 온도의 관계 온 도 단위 환산 ℉ 화씨온도(Fahrenheit) ℉ = ℃ + 32 ℃ 섭씨온도(Celsius) ℃ = (℉-32) K 켈빈온도(Kelvin) K = ℃ + 273.16 R 랜킨온도(Rankine) R = ℉ + 459.69 ② 온도차가 발생되어 열이 높은곳에서 낮은곳으로 이동하는 것을 열전달(전열)이라 한다. ③ 열전달 방법에는 전도, 대류, 복사 등이 있다. (1) 전도(Conduction) ① 전도 열전달은 고체 또는 정지상태의 유체 내에서 이루어진다. ② Fourier의 열전도 법칙을 따른다.
여기서, : 열유동율, 물질을 통해 전달되는 열량(w, J/sec) k : 물질의 열전도율(w/m․K)T1, T2 : 물질 양면의 온도(K) l : 물질의 두께(m) A : 표면적(m2) ③ 주택의 벽면용 단열재의 경우 ㆍ벽의 면적이 클수록 열 손실이 많다. (면적 : A) ㆍ날씨가 추울수록 열 손실이 많다. (실내외 공기 온도차 : ΔT) ㆍ같은 재료일 때 벽이 두꺼울수록 열손실이 적다. (벽두께 : Δℓ) (2) 대류(Convection) ① 대류열전달은 고체 표면과 움직이는 유체 사이에서의 분자의 불규칙한 운동과 거시적인 유 체의 유동에 의해 이루어진다. ② 대류는 Newton의 냉각법칙을 따른다. 〞
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, 여기서, h는 대류전열계수 또는 대류 열전달계수라 한다. ③ 대류열전달은 유체의 유동이 외부로부터 작용하는 힘에 의해 이루어지는가 또는 온도 차로 인한 부력에 의해 발생하는 가에 따라 강제 대류(forced convection)와 자연대 류(natural convection)로 구분된다. ④ 강제대류 - 선풍기, 겨울철 바람 ㆍ여름에 더운 날 선풍기를 튼다고 해서 방안의 공기 온도가 낮아지는 것은 전혀 아닌데도 시원 한 것은 강제대류에 의해 사람의 피부와 공기와의 열전달계수가 높아졌기 때문이다. ㆍ겨울에 살을 에는 듯한 바람도 역시 열전달계수를 높여주었기 때문이다. ⑤ 자연대류 - 냉난방 방향 ㆍ뜨거운 공기는 가벼워 위로 올라가고 차가운 공기는 무거워 아래로 내려온다. ㆍ냉방은 바람을 위로 향하게 하여 방 위쪽의 더운 공기를 식히고 자연스럽게 무거운 찬 공기는 아래로 내려오게 하여 순환되도록 한다. ㆍ난방은 바람을 아래로 향하게 하여 자연대류에 의해 방 위쪽으로 올라가 순환되도록 한다. ㆍ이러한 이유로 중앙 냉난방식의 경우 에어컨은 천장에 라지에터는 아래에 설치한다.(3) 복사(Radiation) ① 복사 열전달은 물질에서 방사되는 에너지가 전자기적인 파동에 의해 전달됨으로써 이루어진 다. ② 전도와 대류는 물질을 매개체로 열에너지가 전달되지만 복사의 경우 서로 떨어져 있는 두 물체 사이에 열에너지가 전자파 형태로 물체에 복사되고, 이것이 다른 물체에 전파되어 흡수되면 열 로 변하는 현상이다. ③ 복사는 스테판-볼쯔만의 법칙에 따른다. 〞
여기서, σ : 스테판볼츠만 계수 5.67 × 10-8(w/m2k4) A : 열전달면적(m2) F : 기하하적 Factor T1 : 고온(°K), T2 : 저온(°K), ㆍ 복사열은 절대온도 차의 4제곱에 비례하고, 열전달면적에 비례한다. ④ 화염직경의 두 배 이상 떨어진 목표물에 대한 복사열 계산 ″
여기서,
: 화재의 연소에너지 방출[kw]
: 총 방출에너지 중 복사된 에너지 분율(0.15～0.6) : 화재중심과 목표물과의 거리[m] : 구의 표면적 ⑤ 건물재료에서 복사에 의한 상호작용 ㆍ 투과 : 복사 에너지가 재료를 통과하는 것. ㆍ 흡수 : 복사 에너지가 현열의 형태로 변환되어 재료 내에 저장되는 것. ㆍ 반사 : 복사 에너지가 재료 표면에서 반사되는 것. ㆍ 방사 : 복사 에너지가 재료 표면에서 방출되는 것.■. 연소시 유해가스 특성 1. 유해(연소)가스 발생상황 ① 산소농도는 급강하하여 Flashover3)직후 약 2[%] ② CO2농도는 급상승하여 최고 15[%], CO농도는 6[%] ③ CO＞HCl＞HCN＞NH3 순서로 많이 발생 ④ HCl은 합성계, 나머지는 천연계에서 많이 발생 ⑤ CO농도는 화재하중이 클수록 환기량이 적을수록 증대 2. 유해(연소)가스의 분류 유해(연소)가스는 마취성 가스, 자극성가스, 독성가스로 분류한다. ① 마취성 가스 CO, HCN, 고농도 CO2, 저농도 O2 ② 자극성 가스 HCl, HF, HBr, 아크롤레인, 폼알데하이드 ③ 독성 가스 CO, HCl, HCN, NH3, COCl2, SO2, NO2 3. 유해(연소)가스 위험특성 종 류 위험특성 TLV-TWA4)(ppm) 일산화탄소 (CO) 마취 및 독성가스로 화재중독사의 가장 주된 유해가스 50 폐에 흡입된 CO가 Hb와 결합하여 혈중산도농도를 저하 질식 물질의 불완전 연소시 많이 발생, 위험도(p.265참조) 이산화탄소 (CO2) CO2 자체는 유독성 가스가 아님 5,000 호흡률을 증가시켜 공존하는 독성가스의 흡입증대 2[%] 호흡속도 ․ 심도 50[%] 증가, 3[%] 100[%] 증가 황화수소 (H2S) 고무 등 유황함유물의 불완전 연소시 발생 10 썩은 달걀냄새가 남 0.04[%] 농도에서 30분 이상 호흡시 위험, 0.08[%]농도시 치명상 이산화황 (SO2) 고무 등 유황함유물의 완전 연소시 발생 5 자극성 가스로 눈, 호흡기 등의 점막을 자극 0.05[%] 농도에서 단시간 노출시 위험. 암모니아 (NH3) 플라스틱 등 질소함유물이 탈 때 발생, 냉동시설의 냉매로 사용 25 강자극성 가스로 눈, 코, 목, 폐에 자극 0.25~0.65[%] 농도에서 30분 이상 노출시 사망 시안화수소 (HCN) 플라스틱 등 질소함유물의 불완전 연소시 발생 10 청산가리, 강자극성 가스로 호흡 곤란, 0.3[%]이상 농도에서 즉사 이산화질소 (NO2) 플라스틱 등 질소함유물의 고온 연소시 발생 2 흡입량이 많을 경우 5~10시간 후 폐수종 초래 염화수소 (HCl) PVC 등 염소함유물이 탈 때 발생 5 호흡기 장애로 폐혈관계 손상 포스겐 (COCl2) PVC 등 염소함유물이 고온 연소시 발생 0.1 인명살상용 독가스 아크롤레인 (CH2CHCHO) 석유제품, 유지류 등이 탈 때 발생 0.1 자극성이 크고 맹독성 3) Flashover는 가연물의 착화와 열분해시 생성된 화염이 플룸(plume)에 의해 천장아래에 축적되고 천장아래에 축적된 연기층의 온도가 500~600[℃]가 되며 이로 인한 바닥면의 복사 수열량이 20~40[kW/m2]될 때 순간적으로 방전체 가 급격하게 타오르는 화재확대현상으로 순발연소라고도 한다. 4) TLV-TWA(시간가중평균농도) : 일주일에 40시간, 하루에 8시간씩 근무할 때 노출되어도 영향을 주지 않는 최고평균 농도(허용농도)
■. 연소시 연기 특성 1. 연기 개요 ① 연기는 공기 중에 부유하고 있는 0.01~10[μm] 크기의 고체, 액체 미립자 ② 연기입자 불꽃연소(0.02~0.3[μm]), 작열연소(0.3~1.0[μm]), 폐에 퇴적(0.5~7[μm]) ③ 연기 흡입 시 호흡기 계통에 장해를 주며, 시계의 제한으로 보행속도가 느려져 피난상의 큰 지 장을 초래함 ④ 화재시 사망자의 90[%]는 연기의 중독, 질식에 의함 ⑤ 피난한계 연기농도는 감광계수 0.1[m－1] ⑥ 가시거리 영향요소 연기농도, 피난자의 시력, 피난로의 빛의 세기 등 2. 연기의 농도표시 방법 절대 농도 상대 농도 개수농도 : 단위체적당의 입자의 개수 감광계수 : Lambert-Bear 법칙 질량농도 : 단위체적당의 입자의 질량 광학농도 : log 3. 감광계수 Lambert-Bear 법칙 감광계수[m1] 가시거리[m] 연 기 ln
: 연기두께[m] : 연기 없을 때 빛의 세기[lx] : 연기 있을 때 빛의 세기[lx] 0.1 20~40 화재초기, 연기감지기 작동점 0.5 4~8 불특정다수 출입장소의 피난한계 1.0 2~4 비발광체 사용시 2[m] 정도 보임 5.0~10.0 0.2~0.4 화재 최성기 4. 가시거리 정 의 수 식 한계간파거리 ∙ 건물에서 사람이 목표물을 식별할 수 있는 거리 ∙ 화재시 중요 요구사항 ∙ 감광계수 ∝ 1/가시거리 ⋅ : 감광계수 : 가시거리[m] : 발광체(5~10), 비발광체(2~4) ∙ 건물내 숙지자 : 5[m] ∙ 건물내 미숙지자 : 30[m]5. 감광계수와 가시거리와의 관계 1종 연기감지기를 기준으로 한 것이나 1종의 오동작으로 국내는 실제2종 연기감지기를 사용하고 거기다 축적식을 사용하고 있으므로 현실적으로는 감광계수를 강화하여 적용하는 것이 바람직하다. 6. 예 ① 발광체를 사용한 건물내 미숙지자의 30[m] 한계간파거리를 확보하는데 필요한 감광계수() ⋅ → ～ ～ ② 이것은 화재실 발생연기농도의 1/100 ~ 1/300로의 희석을 의미 ③ 이것은 피난을 위한 통로유도등의 설치거리인20[m], 복도 및 통로부분의 연기감지기 설치기준 인 보행거리 30[m]와 밀접한 관계가 있음 7. 감광계수와 유도등, 연기와의 관계 ① 감광계수가 클수록 연기농도가 진해짐(커짐) ② 즉, 감광계수가 클수록 가시거리가 짧아진다. ③ 따라서, 감광계수와 연기는 비례, 가시거리와는 반비례 관계 형성 ④ 연기는 빛을 흡수하는 성질이 있으므로 충분한 가시거리를 확보하기 위해서는 기존의 저휘도 유도등 대신 고휘도, 특수유도등을 설치하여 피난의 안정성 확보가 필요. ⑤ 특수유도등에는 스트로브 유도등, 음향장치 부가 유도등, 광점멸 주행식, 허스효과 이용 유도등 이 있으며 화재가혹도가 높거나 피난의 안전성확보가 필요한 장소에는Passive System인 피난 유도표지의 설치를 고려해야 한다. ⑥결국, 유도등과 연기, 가시거리와의 관계는 성능위주 피난설계의 피난시간을 단축하는 RSET의 Active System과 밀접한 관계가 있다.
