ISSN: 1738-7167
DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.3.037 (Received April 23, 2015; Revised June 9, 2015; Accepted June 15, 2015)
요 약
본 연구에서는 농촌지역을 중심으로 대표적인 겨울철 난방기구인 화목보일러 화재위험성을 평가하였다. 화목보일러 연 료투입구 주변 및 연통의 온도를 측정하였으며, 연통 내부에 축적되는 타르의 화재 위험성을 평가하였다. 연료 투입구 개방 상태에서 전방의 온도를 측정한 결과 화목 투입구로부터 40 cm 이상 떨어진 영역에서는 온도가 약 40
oC 이하를 유지하였다. 본 연구에서는 연료 투입구 외부로 비산되는 불티가 60 cm 이내의 범위에 비산되었다. 연통 내부에서는 온 도가 600
oC 이상까지 상승하였으며, 화목보일러 본체로부터 2 m 떨어진 위치의 연통 내부에서 온도가 420
oC 이상 도 달하였다. 연통 내부의 타르를 수거하여 발화온도를 측정한 결과 약 398
oC 를 기록하였다. 화목보일러 본체 및 연통 표 면에서 온도가 약 300
oC 이상 도달하였으며 가연물이 접촉될 경우 착화되었다.
ABSTRACT
In this study, experiments were carried out to evaluate the fire risk of a firewood boiler, which is mainly used as a win- ter heating apparatus in rural areas. The ambient temperatures of the combustion chamber and the duct were measured.
The fire risk of tar inside the duct was also investigated. The temperature decreased less than 40
oC in the region more than 40 cm from the combustion chamber. Fire- flakes were scattered in the range of less than 60 cm from the combus- tion chamber. The temperature inside the rose to above 600
oC. At 2 m from the boiler body, the temperature inside the duct was increased to about 420
oC. The ignition temperature of tar was about 398
oC. The temperatures of the boiler and duct surface were above 300
oC. Combustible material ignited when it contacted the boiler surface or duct surface.
Keywords : Heating apparatus, Firewood boiler, Fire risk, Tar, Fire flake, Combustible material
1. 서 론
화목보일러란 땔감용 목재나 주변에서 손쉽게 구할 수 있는 잡목 등을 연료로 하여 난방과 온수 등을 사용하기 위 한 보일러로 연료로 목재만을 사용하는 화목 전용과 기름 또는 연탄과 겸용으로 사용할 수 있는 보일러로 구분할 수 있다. 화목보일러는 농촌 지역에서 연료로 사용되는 목재 를 손쉽게 구할 수 있다는 장점 때문에 연료비 부담을 크게 느끼는 농촌지역을 중심으로 화목보일러의 이용이 증가하 고 있다. 또한 전원주택 건설이 증가함에 따라 거실에 화목 난로를 설치하여 난방에 이용하는 가구가 늘고 있다.
화목보일러는 연료가 자동으로 공급되는 기름보일러나 가스보일러와 달리 사용자가 직접 연료 투입구를 통하여 목재를 투입하는 방식이어서 사용 중 부주의 또는 설치 및
관리상의 문제가 있는 경우 기름 또는 가스를 연료로 사용 하는 보일러에 비하여 상대적으로 화재 취약성이 크다고 할 수 있다. 목재연료는 연소 특성상 불티가 발생하기 쉽 고 연통이 잘못 설치되거나 연료 투입구를 개방하고 작동 하는 경우 연통의 배연구나 연료 투입구 등을 통하여 불티 또는 화염이 외부로 방출되어 화재로 발전될 위험성을 가 지고 있다. 불완전 건조된 목재를 연료로 사용하는 경우 목초액 등이 연통에 그을음 형태로 누적되어 연통이 막힐 수 있고 연통 내부에 누적된 그을음은 연통의 과열을 초래 하여 화재를 유발할 수 있다. 화목보일러 사용상의 부주의 등으로 인하여 해마다 약 200건 이상의 화재가 지속적으 로 발생하고 있다. 최근 5년간 화목보일러에서 발생한 화 재 건수를 Figure 1에 나타내었다(1).
김사량(2) 등은 소형 화목보일러를 개발하여 열효율에 대
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한 성능실험을 통하여 기존의 보일러와 비교하였다. 김동 영(3) 등은 화목난로와 화목보일러, 펠릿난로와 펠릿보일러 사용에 따른 대기오염물질 배출량을 산정하였다. 김엽래(4) 등은 열매유 가열현상으로 인하여 보일러에서 화재가 발 생한 경우에 대한 수채해석을 통하여 1, 2, 3차 패스 및 연 소대의 온도 및 속도분포를 파악하였다. 그러나, 화목보일 러 화재위험성에 대한 연구는 거의 진행되지 않고 있는 실 정이다. 따라서 본 연구에서는 화목보일러 가동 시 화재 위험성을 평가하였으며, 본 연구결과를 통하여 화목보일러 화재 발생 저감 및 안전대책 수립의 기초 자료로 활용하고 자 한다.
2. 본 론
2.1 실험장치 및 실험방법
화목보일러 가동 시 화재위험성을 평가하기 위하여 실 험을 실시하였다. 한쪽 면이 개방된 가로, 세로, 높이가 각
각 3 m인 공간의 중앙에 화목보일러를 위치시킨 후 목재 를 투입한 후 실험을 실시하였다. 실험 대상 화목보일러를 Figure 2에 나타내었다. 화목보일러는 원형 3pass 방식을 적용하고 있으며, 2차 연소실의 두께는 4 mm, 전열면적은 3.2 m2이다. 난방출력은 17.5~23.3 kW, 온수출력은 17.5~
23.3 kW, 난방평수는 66 m2이다.
화목보일러 가동 시 화목 투입구 전방에서의 온도분포 를 평가하기 위해 K타입 열전대 20개를 30 cm 간격으로 설치하였다. 연료로는 참나무를 사용하여 연소실에 가득채 운 상태에서 온도 변화를 측정하였다. 연료 투입구를 개방 한 상태에서 실험을 진행하였다.
화목보일러에 지름 15 cm 함석 재질의 연통을 연결하였 으며 연통의 총 길이는 5.8 m이다. 연통 내부에서의 온도 Figure 1. Fires related with a firewood boiler/stove.
Figure 2. Firewood boiler.
Figure 3. Position of thermocouples.
화목보일러 연료 투입구 부근의 온도변화를 측정하기 위하여 화목보일러 연료 투입구로부터 30 cm 간격으로 열 전대를 설치하여 온도변화를 측정하였다. 온도 측정 결과 를 Figure 4에 나타내었다. 연료로는 참나무를 사용하였으 며 연소실에 참나무를 가득 채운 후 연료 투입구를 완전 개방한 상태에서 실험을 실시하였다. 실험 시 주위 온도는 23oC, 습도는 60%였다.
화목보일러 연료 투입구로부터 10 cm 떨어진 위치의
40 C까지 온도가 상승하였다. 10 cm, 90 cm 높이에서는 90분 경과 후 약 36oC까지 온도가 상승하였다. 150분 경 과 후부터는 전 구간에서 30oC 이하의 온도분포를 보였다.
연료 투입구로부터 0.7 m 떨어진 위치에서는 전 구간에 서 30oC 이하의 온도를 나타냈으며, 1.0 m 떨어진 위치에 서는 최대 약 27oC까지 온도가 상승하였으며 연료 투입구 개방에 따른 열효과가 미미한 것을 확인할 수 있다.
화목보일러 가동 시 연통 내부의 온도 변화를 측정하기
Figure 4. Temperature variations at front region of the boiler.
위하여 Figure 3의 (b)에 나타낸 위치의 연통 내부 중앙에 9개의 열전대를 설치하고 참나무를 투입하여 온도 변화를 측정하였다. 연통의 총길이는 5.8 m이다. 연통 내부의 온도 변화를 Figure 5에 나타내었다. 보일러 본체로부터 30 cm 떨어진 위치(T1)에서 연통 내부의 온도가 최고 약 620oC 에 도달하였다. 연기배출구(T9)에서는 최대 약 255oC까지 온도가 상승하였다.
연통 길이를 따라서 연통 내부 최고온도 분포를 Figure 6에 나타내었다. 참나무 연소로 인한 열기류가 연통을 통 과하면서 연통 벽을 통하여 열전달되며 점차적으로 온도 가 감소하였다. 화목보일러 본체로부터 2 m 떨어진 위치 에서 온도가 약 420oC 이상까지 상승하였다. 3 m 떨어진 위치에서는 약 383oC, 5 m 떨어진 위치에서는 약 287oC 까지 온도가 상승하였다.
연통의 배치 형태에 따라 온도변화에 차이가 있을 것으 로 사료되며 본 연구에서는 화목보일러 본체에서 수직으로
1.2 m 연결하고 수평으로 2.3 m 연결 후 수직으로 2.5 m 연장한 형태이다. 열화상 카메라를 이용하여 화목보일러 본체 및 연통 표면의 온도를 측정하였으며 이를 Figure 7 에 나타내었다. 화목보일러 본체에 연결된 연통 표면에서 는 온도가 400oC 이상 상승하였으며 보일러실 내부 연통 표면의 온도가 100oC 이상을 기록하였다. 연통들이 연결 되는 부위에서는 온도가 240oC 이상까지 상승하였다. 또 한 연통이 꺾이는 부위에서는 온도가 220oC 이상 상승하 였으며 주름이 있는 부위에서는 다른 곳에 비하여 온도가 높게 나타났다. 수평으로 설치된 연통의 상부쪽이 하부에 비하여 온도가 높게 나타났다.
Figure 7 (b)의 열화상 영상의 수직 덕트 중앙 표면을 따 라서 온도 분포를 Figure 8에 나타내었다. 보일러 본체로 부터 20 cm 떨어진 위치에서 약 330oC까지 온도가 상승 하였으며, 약 65 cm 떨어진 위치까지 200oC 이상의 온도 Figure 5. Temperature variation of the duct inside. Figure 6. Maximum temperature distribution of the duct
inside.
Figure 7. IR images of the boiler surface and duct.
를 나타내었다. 보일러 표면으로부터 80 cm 떨어진 부근 의 연통의 주름 부근에서는 온도가 다른 위치보다 상승하 여 약 230oC 이상 상승하였다. 상부의 연통 배출구 안쪽 표면에서는 온도가 360oC 이상 상승하였다.
화목보일러 연료 투입구를 통한 불티의 비산범위를 측 정하기 위하여 연료 투입구 바닥에 스티로폼을 깔고 비산 범위를 측정하였다. 불티의 비산 형태를 Figure 9에 나타 내었다. 화목보일러 가동 시 기상상황에 따라 차이를 보일 것으로 예상되지만 본 연구에서는 투입구 전방 약 35 cm 지점까지 스티로폼이 복사열에 의해 녹았으며 대부분의 불티가 전방 30 cm 이내에 분포하였다. 불티가 전방으로 최대 50 cm 이상 비산되었다. 폭 방향으로는 불티가 60 cm 이내의 범위에 분포하였다. 연통 틈새나 노후화로 인하여 손상된 부분을 통해 비산되는 불티는 훨씬 먼 거리 까지 비산될 수 있을 것이다.
화목보일러 본체 및 연통 표면에 가연물 접촉 시 화재 위험성을 평가하기 위하여 본체 및 연통에 신문을 감은 후
지난 후 연통으로 배출되는 구조로 되어있으며, 최상부는 급탕 용도의 온수관이 감겨있다.
화목보일러 본체 상부에 신문을 접어서 올려놓은 후 20 초 경과 후부터 연기가 발생하기 시작하였다. 약 110초 경 과 후 신문에 착화되었다. 연통에 신문을 접촉하였을 때도 접촉 후 약 2분 경과 후 신문에 착화되었다. 앞서 언급하 였듯이 연통표면이 고온으로 올라가기 때문에 가연물이 접촉하였을 경우 연통 표면과 가연물 사이에 열이 축적되 면서 착화될 위험성이 상존하고 있다.
화목보일러 사용에 따라 연통 내부에 축적되는 타르의 위험성을 평가하기 위해 실제 화목보일러를 사용하는 가구 를 방문하여 연통 내부의 타르를 수거하였다. 발화점측정 기를 이용하여 수거한 타르의 발화온도를 측정하였으며 측 정 전후의 타르를 Figure 10에 나타내었다. 연통 내 축적된 타르의 발화온도가 3회 측정 평균 약 398oC로 측정되었다.
타르가 발화 후 무게가 약 61.7% 감량되었다. 축열화재의 특징인 발화 전 가연물의 색상이 어두운 색에서 밝은 색으 로 변화하는 특징을 보이고 있다. 연통 내부를 주기적으로 청소를 하지 않아 내부에 타르가 쌓이게 되면 연통 내부의 온도가 400oC 이상 올라가기 때문에 연통 내부에 쌓인 타 르에 열이 축적되어 발화될 위험성이 매우 높다.
3. 결 론
본 연구에서는 농촌 지역을 중심으로 대표적인 겨울철 난방기구인 화목보일러 화재 위험성을 평가하였다. 화목보 일러 연료 투입구 전방 및 연통 내 · 외부의 온도를 측정 하였으며, 연통 내부에 축적되는 타르의 화재 위험성을 평 가하였다. 본 연구를 통하여 얻은 결론을 다음과 같이 정 리할 수 있다.
연료 투입구 전방의 온도를 측정한 결과 화목보일러 연 료 투입구로부터 40 cm 이상 떨어진 영역에서는 온도가 약 40oC 이하를 유지하였다.
기상상황에 따라 차이가 발생하지만 본 연구에서는 연료 투입구를 통한 불티가 60 cm 이내의 범위에 비산되었다.
연통 내부에서는 온도가 600oC 이상까지 상승하였으며, 화목보일러 본체에서 2 m 떨어진 위치의 연통 내부에서 Figure 8. Temperature distribution of the duct surface.
Figure 9. Fire flakes distribution.
온도가 420oC 이상까지 상승하였다. 연통 내부의 타르를 수거하여 발화온도를 측정한 결과 약 398oC를 기록하였 으며, 연통 내부에 타르가 쌓이게 되면 축열에 의한 화재 발생 위험성이 매우 높다고 할 수 있다. 따라서 주기적인 청소를 통하여 연통 내부에 타르가 축적되지 않도록 하여 야 할 것이다.
화목보일러 본체 및 연통 표면에서 온도가 약 300oC 이 상 상승하였으며 가연물이 접촉될 경우 착화되었다. 화목 보일러 주변에 가연물 적치를 금하고 연통 관통부위에는 불연재료로 피복하여야 할 것이다.
References
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Data System”, www.nfds.go.kr.
2. S. R. Kim and J. S. Lee, “The Development and Perfor- mance Test of a Small Wood Boiler”, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. B., Vol. 26, No. 30, pp. 491-497 (2002).
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