Numerical Study on the Effect of Range Surrounding Environment on Detecting Time for Cooking Oil Fire in Kitchen

(1)

주방내 조리용 기름 화재 발생시 레인지 주변 환경이 감지 시간에 미치는 영향에 대한 수치해석적 연구

Numerical Study on the Effect of Range Surrounding Environment on Detecting Time for Cooking Oil Fire in Kitchen

이진우·고권현·유홍선^†·장용준*·정우성*

Jin-Woo Lee · Gwon-Hyun Ko · Hong-Sun Ryou

^†

· Yong-Jun Jang* · Woo-Sung Jung*

중앙대학교 기계공학부

, *

^{한국철도기술연구원}

(2010. 2. 2.

접수

/2010. 2. 19.

채택

)

요 약

『2008년도화재통계연보』에따르면화재발생의약 34%가호텔, 식당, 주택등과같은실내화재이

고그중에서약 53% 이상이주방에서발생하고있다. 이에최근에국내에서는공동주택내주방의화재

소화설비로써주로자동식소화기를사용하고있고형식승인은『자동식소화기의형식승인및검정기 술기준(KOFEIS 0101-1)^』을^따르고^있다. ^하지만^자동식^소화기^성능^평가^기준내의^한가지^{환경조건만}

으로는실제주방에서자동소화기의성능을검증하는것에한계가있다. 그러므로다양한주방구조에 따라화재감지특성에대한연구가필요하다. 본연구에서는주방에서레인지주변의형상에따라감지 시간에대한영향을수치해석하였고그결과화재감지시간의차이가약 100초가량차이가났다. 또 한후드의작동여부에따라서도감지특성이다르게나타났다. ^이러한^결과를^바탕으로^주방^내에서^조

리용기름의화재제어를위한성능평가기준을검증하고개선하는데활용될수있다.

ABSTRACT

According to the^『Yearbook of disaster response, fire safety and fire statistics (NEMA: National Emergency Management Agency)』, approximately 34% of all fire is interior fire such as hotel, res- taurant and residence and more than 53% of which is occurring in the kitchen. The evaluation of fire extinguishing system in the kitchen is performed in accordance with the^『Korea Fire Equipment Inspection Standard (KOFEIS 0101-1)』 which is using one environmental condition. However, only using one environmental condition is not enough to evaluate the performance of the automatic fire extinguisher in kitchen fire. So the study of fire detecting characteristic about various environmental condition needs. In this study, the numerical analysis is carried out about detecting time characteristic for various range`s surrounding environment. As a result, it showed up to 100 s difference in the detection time depending on the position of the range. And detecting time also showed difference for on-off hood operation. From this results, it can be verify and improve the evaluation standard for the fire extinguishing system in kitchen fire.

Key words :Cooking oil, Detecting time, Kitchen fire, Automatic fire extinguisher

1. 서 론

『화재통계연보

-2008

^』에서^발표된^화재^장소별^분석

자료를 보면 호텔

,

식당

,

주택 등에서 발생하는 실내 화재는전체화재발생의약

34%

^를^차지하고^있고^그

실내화재 중에서약

53%

^이상이 ^주방에서^발생하고

있다고보고되었다

.

¹⁾또한미국의경우에도공동주택

내의화재발생 위치중주방이약

40%

^차지하는^것

을볼수있다

.

^2,3) 이러한 주방에서의 높은화재 발생 빈도와그에따른위험성때문에미국에서는주방화재 를

K

급화재로분류하는데

K

등급의화재는식물성

,

동 물성기름혹은조리기구에있는기름에의해부엌에

†E-mail: [email protected]

(2)

서발생하는화재를의미한다

.

⁴⁾ 주방화재는국내외적 으로발생빈도가높고특히유류화재특성상다량의 연기와유독가스가발생할뿐만아니라일반화재에비 해소화에 큰어려움이따르기때문에 많은인명피해 가발생하고피해규모도크게나타난다

.

또한화재발 생시열및연기로 인해내부상황파악이 어렵고접 근이어려워소방활동이지연되는어려움이있다

.

주 방화재에관한연구로써홍문수⁵⁾는소형고층아파트에 서주방을포함한곳에서의화재사례를조사하고스프 링클러 설비를 중심으로 화재안전성능 개선에 관하여 연구하였다

.

특히야간에화재발생빈도가높음을보였 고스프링클러설치의중요성을강조하여고층아파트 내에서설치기준을제시하였다

. Yen

등⁶⁾은상업지구주 방에서화재를방지하기위해미국

FM

기준을통과할 수있는낮은압력의미세물분무사용에관한연구를 수행하여정량적인데이터를제시하였다

. Fang

등⁷⁾은주 방화재발생시분사되는미세물분무간의관계에대해 실험연구하여그결과분사각및미세물분무분사시 액적운동량이주방화재의효과적인소화에중요한요 소가됨을보였고실험적데이터를제공하였다

.

국내에서는『자동식소화기의형식승인및검정기 술기준

(KOFEIS 0101-1)

』⁸⁾에맞추어주방내소화설 비를 구축하고 있고이기준에는 주방에설치해야하 는자동식소화기의설치위치기준과성능평가기준 을제시하고있다

.

현재주방의형태는다양하게나타 나는데 반해자동식 소화기의 성능평가기준에는한 가지 환경조건만 존재하기 때문에 이를 바탕으로 한 자동식 소화기의설치와 검증에는한계가있을수밖 에 없다

.

주방 화재의 발생빈도와 위험성은 일반거 주지역에서의화재안전을크게위협할수있기때문 에조리용 기름의화재 특성을파악하고주방 화재에 대한 안전대책을 강화하는 것이필요하다

.

따라서 현 재주방용화재안전과관련된유일한설비라고할수 있는 자동식소화기의성능평가 기준을검증하고개 선하는 것이일반거주 지역의화재 안전성을향상시 키는데 필수적이다

.

2. 수치해석

2.1지배방정식

FDS(Fire Dynamics Simulator)

⁹⁾^는 ^화원에서 ^발생되

는연기와열의거동에중점을두면서다음의질량

,

운 동량

,

^에너지^보존^방정식을^푼다

.

(1)

(2) (3)

본연구에서사용된열감지기는

FDS

내의

Heskestad

의 정온식 열감지기 모델을 사용하였고 다음과 같은 식을통해계산한다

.

(4)

RTI(Respond time index)

는 반응시간지수로써 기류

온도에 대한 감열체의 시간 지연을 의미하고

RTI

^값

은대개

100

을사용하기 때문에 이값을사용하였다

.

또한 사용된 연소 모델은

FDS

^내에 ^있는 ^혼합 ^분율

모델이다

.

주방용기름은

90%

이상이 트리글리세리드

라는물질로구성되어있다

.

¹⁰⁾^따라서 ^{트리글리세리드}

의 화학식을 고려하여

x = 6, y = 5, z = 6,

νO2

= 26,

νCO2

= 26,

^ν^H2O

= 26

^값을^혼합^분율^모델에^{적용하였다}

. C

^x

H

^y

O

^z

N

^a

+ n

^O2

O

²→

n

^CO2

CO

²

+

νH2O

H

²

O

+

^ν^CO

CO +

^ν^S

S +

^ν^N2

N

²

(5)

2.2수치해석조건

FDS

를 이용하여 주방화재 특성을 해석하기 위해

Figure 1

과같이 계산영역을 설정하였다

.

일반적으로

레인지는 벽과벽이만나는 구석진 곳이나주방의 한

쪽벽면에위치하기때문에레인지주위의형상은

Figure

∂ρ∂

t

--- +

∇ ρ⋅

u = m·

b'''

∂∂

t----

^{( )}^ρ

u +

^{∇ ρ}⋅

uu +

^∇

p =

^ρ

g + f

b

+

^{∇ τ}⋅ ij

∂∂

t----

( )^ρ

h +

∇ ρ⋅

hu = Dp --- + q· Dt

^''' − ∇⋅

q·

^'''

+

ε

dT

l

--- = u dt RTI --- T

( g −

T

l)

Figure 1. Schematic of numerical simulation.

(3)

1

과같이

2

가지형태로하였고레인지와후드모두철

(Steel)

^로^{처리하였으며} ^열전도가^일어나게^{설정하였으}

며 벽면은 콘크리트로 설정하였다

.

또한 레인지 위에 있는스토브는

4

^개로^{설정하였다}

.

^화원은^스토브^위에

서 발생하고 옥수수 유

(corn oil)

을 사용하였다

.

바닥

면과 천장

,

옆벽면을 제외한 나머지 경계조건은 압

력경계

(pressure boundary)

로설정하였는데 열린공간

에서는 한쪽벽면을 제외한나머지 세군데의 옆면은

압력경계

(pressure boundary)

로설정하였고구석진공

간에서는두군데의 벽면을제외한 나머지 두군데의 옆면을 압력경계로 설정하였다

.

본 연구에서 수행된

수치해석조건은

Table 1

에나타내었다

.

또한현재일

반적으로사용되는후드는

1.2

에서

1.5

사이의 배기속

도를가지고있다

.

따라서후드내부의후드가 작동할 시에는바깥쪽으로배기속도가

1.2

가되도록설정하였다

.

3. 결과 및 고찰

3.1조리용기름 연소의검증

2006

년

NIST

에서 수행된 조리용 기름의특징에 관

련된 실험논문¹¹⁾의결과와

FDS

의해석 결과 비교를 통해 조리용 기름의 화재 구현을 검증하였다

.

격자크 기에따라화원바로위쪽방향의천장에서의온도변 화차이를비교하였고

Figure 4

에나타내었다

.

그결과

한격자의크기가

0.02m

일때와

0.03m

일때는온도변화

가거의차이가없었지만

0.05m

일때는온도가 전반적

으로 낮아지는것을 볼수있었다

.

그러므로 본연구 에서 계산 시간을 줄일 수있도록 격자크기를

0.03m

로설정하였다

.

또한

FDS

상에서화재구현을위해실 험논문에서 측정된 온도값과 비교를 하였고

Figure 3

에 나타내었다

.

수치해석결과 온도 데이터는 변동이 심하여

5

초간격으로 평균을내어실험결과와비교하

였다

.

측정위치는화원에서

z

축방향으로

0.15m

떨어

Table 1. Specification of Simulation Cases

Case 1 2 3 4 5

Size [m]PAN 0.25 ×

0.25 0.3 0.25 × 0.25 0.25 ×

0.25 0.25 × 0.25

Fuel Corn

Oil Corn Oil Corn

Oil Location

of Pan Center Corner Corner Corner Corner

Hood None None Off Off On

Detector None CeilingHeat Hood Side Hood

Side Hood Side

Figure 2. Temperature variation with time at ceiling for three different grid size.

Figure 3. Comparison of predicted temperature with experimental data from fire to 0.15 m distance height (Z- direction).

진곳이고 이위치에서측정된 실험데이터와비교하 였다

.

수치해석결과화재가성장하여약

80

초대에서 급격히온도가증가하고온도가최고점에도달했을때 의시기는약

20

초가량차이가났다

.

실험결과에비 해

100

^o

C

가량높게 나오는 것을볼수있다

.

온도가 최고점도달이후낮아질때는실험결과에비해완만 하게감소하는것을볼수있다

.

실험에서는연료가다 소모되어 온도가 감소되어 온도가 급격히 떨어지나

FDS

상에서는 연료가 감소하는것이 아니고 발열량이

감소하기 때문에 다소차이가 있는 것으로 판단된다

.

(4)

하지만

FDS

^상에서 ^액체^연료의 ^구현이 ^온도^변화^추

이를 볼때대체적으로 실험결과와 비슷한경향성을 보이고 있다

.

3.2 FDS상에서의자동식소화기성능평가기준검증

FDS

상에서『자동식소화기의형식승인및검정기

술기준

(KOFEIS 0101-1)

』에있는성능평가기준의구

현여부를보고자하였다

.

성능평가기준에따르면

3

분 이내에 열 감지기가 작동하여 소화가 이루어져야

한다

. Figure 4

와같이수치해석결과약

114

초만에감

지가 되어 『자동식 소화기의 형식 승인및검정기술

기준

(KOFEIS 0101-1)

』에 있는

3

분 이내에 작동해야

되는 감지기 기준에 부합하는것을 볼수있었다

.

화 재로 인해발생하는가스나연기가 벽면을 타고상승 하여천장에달려있는감지기까지쉽게도달하는것으 로 판단된다

.

하지만 실제 주방의 형태에서 레인지는 한쪽 벽면이나 벽 구석진 곳에 위치할 수 있어 화재 감지에영향을줄수있기때문에이러한점도고려해 야한다

.

3.3일반주방형태에서의후드 내감지 시간 차이 일반적으로가정집에있는레인지는벽과벽이만나 는구석진곳이나주방가운데에위치해 있다

.

하지만

『자동식소화기의형식승인및검정기술기준

(KOFEIS

0101-1)

』에는구석진곳에해당하는한가지의시나리

오만 존재한다

.

레인지가위치하는 한쪽 벽면만 있는 공간과 구석진 공간에서의후드내온도변화를 살펴 보기위해

case 3

과

case 4

을비교분석하였다

. Figure

5

는레인지가 위치하는 공간 차이에 따라 후드 중앙

부근

(Location 2)

^에^위치하는^열^감지기가^측정하는^온

도의차이를나타낸것이다

.

구석진곳에서는

183

초만 에

75

^o

C

에 도달하여 열감지기가작동하였다

.

레인지 위치에따라 열감지기는약

100

초가량차이가 나는

것을볼수있다

. Figure 6

은레인지가위치하는 공간

차이에 따라후드중앙 부근

(Location 1)

에서 온도변

화를비교한것이다

.

레인지가구석진곳

(case 4)

에위

치할 때 최대

250

^o

C,

평균적으로

230

^o

C

가량 온도가 상승하는 것을 볼수있다

.

^레인지가^한쪽 ^벽면에 ^위

Figure 4. Temperature at the location of heat detector (ceiling) for case 2.

Figure 5. Comparison of detection temperature by range location for case 3 (one side wall) and case 4 (corner wall).

Figure 6. Comparison of temperature at location 1 for case 3 (two side open) and case 4 (one side open).

(5)

치할때

(case 3)

와의온도차이는 평균적으로

50

^o

C

가 량차이가나는것을볼수있다

.

옆면에서두면이막혀있으면주변에서들어오는유 동도 적게나타나는데연기나 가스가벽면을 타고올 라가 후드에모이는 정도가상대적으로 큰것으로판 단된다

. Figure 7

은화원위쪽방향의후드내부

(Location 2)

에서의 온도변화를비교한 것이다

.

레인지가구석에 위치해있을때평균적으로

50

^o

C

가량높게나타난것

을볼수있다

.

또한

Figure 8

은좁은통로의후드내

부

(Location 3)

^의^{위치에서의}^온도^변화를^비교한^것이

다

.

레인지가구석에위치해있을때약

20

^o

C

가량높 게측정되는 것을볼수 있다

.

^구석진 ^곳에 ^레인지가

위치할 경우 화재시 발생하는 연기나 가스등이 근처 벽면에의해후드안쪽으로더많이퍼지게되어후드 내온도가 높아지고열감지기의감지 시간에영향을 준것으로판단된다

.

또한후드팬작동시후드중앙부

(Location 2)

에서는

온도 상승이 후드 팬 미 작동시에비해 작았고 이에

따라열감지기는작동하지않았으며

Figure 9

에나타

내었다

.

^따라서 ^현재^시행되고 ^있는 ^후드^{중앙부근에}

서의감지는후드작동에따라오히려위험을초래할 가능성이 있다

.

따라서 이에대한연구가필요할 것으

로 사료된다

.

또한 좁은 공간의 후드

(Location 3)

에서

의온도분포는 후드팬작동유무에따라차이가 거 의없어이위치에서의열감지기측정에관한연구도 필요할것으로 판단된다

.

4. 결 론

본연구에서는주방의레인지 주변환경에 따라조 리용기름 화재의감지특성을 파악하기위한수치해 석을수행하였다

.

이에앞서기존의 실험결과와의비 교를통해조리용기름화재에대한해석모델을검증 하였으며 레인지가 위치하는 주변 형상에 따른 화재 감지특성에대한해석을 수행하였다

.

(1)

조리용기름화재의 해석시기존의실험결과와

비교했을 때 온도 변화의 경향성이 유사하게 나오는 Figure 7. Comparison of temperature at location 2 for case

3 (two side open) and case 7 (one side open).

Figure 9. Comparison of detection temperature by hood operation for case 3 (hood fan off) and case 5 (hood fan on).

Figure 8. Comparison of temperature at location 3 for case 3 (two side open) and case 4 (one side open).

(6)

것을확인할 수있었다

.

또한

FDS

상에서 자동식소화 기성능평가 기준에따른해석결과 화재감지특성 이기준에부합하였다고 판단된다

.

(2)

^레인지가^위치하는^주변^형상이^{화재감지시간에}

영향을주었다

.

수치해석결과레인지의위치에따라화 재감지시간이약

100

초정도차이가났다

.

이러한감 지시간차이는 실제화재감지및소화에 큰영향을 미칠수있다

.

(3)

후드팬을작동시킨 경우 후드 중앙부근에 위치 하는열감지기는작동하지않았다

.

^후드^팬이^작동하

는경우화재 플럼의유동에 변화를 야기하기때문으 로판단된다

.

현재자동식소화기 성능평가기준에는 레인지의주변 환경에따른영향을 고려하지 않고있 으며 앞으로이에대한 다양한연구가 필요할 것으로 사료된다

.

후 기

본연구는철도종합 안전기술개발사업중 「

(

초

)

장대터널 화재 안전설계기술 개발」의 연구비 지원에 의해수행되었으며 관계제위께감사드립니다

.

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