A Combustion Analysis of Surface Fuel Burning Experiment According to Density Variation

(1)

밀도에 따른 지표 연료의 연소실험 분석

A Combustion Analysis of Surface Fuel Burning Experiment According to Density Variation

김응식·김장환

^†

·김동현*·박형주**·김정훈

Eung-Sik Kim · Jang-Hwan Kim

^†

· Dong-Hyun Kim

^*

· Hyung-Ju Park

^**

· Jeong-Hun Kim

호서대학교 안전보건학과

, *

국립산림과학원산불연구과

, **

호원대학교 소방행정학부

(2008. 10. 27.

접수

/2010. 2. 12.

채택

)

요 약

본 연구에서는 지표화의 대표적인 연소물질인 굴참나무

(Quercus Variabilis: Q.V.)

와 소나무

(Pinus Densiflora: P.D.)

^낙엽을^이용하여^연료의^밀도^변화에^따른^열^유체속도

,

^연소온도

,

^{질량감소속도}

,

^화염높

이및연소시간등의연소특성을분석하였다

.

^바스켓^높이는

10cm,

^지름

20, 30, 40

^그리고

50cm

^의^원

통형바스켓에밀도별로각각채운후표면에점화원을인가하여실험을실시하였다

.

침엽수종낙엽의경 우밀도와지름의증가함에따라질량감소속도

,

화염지속시간

,

화염의높이그리고연소시간은증가한반 면

,

^활엽수종^낙엽의^경우^{질량감소속도와}^{화염높이는}^{증가하다가}^{감소하였으며}^{화염지속시간과}^연소시간

은증가하였다

.

^또한

,

^기체유속^및^온도는^화염^높이가^커질수록^증가하는^경향을^{나타내었다}

. ABSTRACT

This paper shows combustion characteristics of fallen leaves of Quercus variabilis and Pinus densiflora according to variation of mass densities. Combustion temperature, mass loss rate, flame height, duration of combustion and velocity of hot gas are measured and analyzed. For the experiment 10cm heighted baskets with varying diameters of 20, 30, 40 and 50cm are used for the combustion and the pilot ignition is carried on the top of the fuel. In case of Pinus densiflora mass loss rate, duration of flame, flame height and combustion time become larger as the mass density and diameter of basket increase, on the other hand Quercus variabilis shows saturation characteristics in mass loss rate and flame height. Velocity of hot gas is proportional to flame height.

Key words :

Surface forest fire, Density, MLR, Combustion time, Flame height

1. 서 론

국내산불은

70~80

년대치산녹화사업의 성공과산

지자원화 추진으로 산림이 울창해지면서 가연성 지 피물이 축척되어 있고

,

이상기후 변화로 인한 봄·가 을철 극심한 가뭄과 강풍으로 그 발생 빈도가 높아 지고 있다

.

산불은 다양한 원인으로 인해 발생하며 지형

,

^기상

,

^{연료인자의} ^복잡한^{상호작용으로} ^확산되

기때문에효과적으로대응한다는것이쉽지않은실 정이다

.

산불의형태및강도는임내의연료물량

,

수종등임

상과경사

,

사면의장

,

해발고도등지형상태와풍향

,

풍속

,

^상대습도^등^{기상상태에} ^따라^변화한다

.

^우리나

라와 같이 경사가 급하고

,

구릉지가 많은지형에서의 산불은 대부분이지표화로시작하여수관화로전이되 는특징을 가지고있다

.

따라서지표화는산불진화에 있어서 기본적인 연구대상이며 우리나라의 기상

,

지 형

,

환경인자에대한기초적인데이터수집을통한분 석이 선행되어야 할것으로 사료된다

.

^현재까지 ^국내

에서는 이에대한방법론 및실험데이터는간헐적으 로보고되고 있으며

,

관련 데이터는 외국문헌에 의존 하고있는실정이다

.

^1-3)김동현⁴⁾은산불에대한주요수 목인굴참나무

(Quercus variabilis: Q.V.)

와소나무

(Pinus

densiflora: P.D.)

에대한 열량 분석을 통해 각 부위별

†

E-mail: [email protected]

(2)

전체열량값이소나무가굴참나무보다열에대한저항 성이낮다고 판단할수있다고하였다

.

본연구에서는산불연료형별연소물량이많은침엽 수종인소나무낙엽과활엽수종인굴참나무낙엽을선 택하여 밀도변화에대한 수직 온도분포

,

질량감소속 도

,

화염의높이

,

연소시간

,

기체유속및온도등의연 소특성을측정하였다

.

이들연소분석을통하여 얻어진 데이터는지표화의위험성및산불확산모델개발에있 어기초자료로활용하고자한다

.

2. 실험방법 2.1

실험시료

지표화연료에대한연소특성분석에사용된시료는 침엽수종인 소나무 낙엽과활엽수종인 굴참나무낙엽 으로야산에서채집하였으며

,

시료의동일한함수율조 건을맞추기위해

45

^o

C

의건조기에서

168h

동안건조

Figure 1.

Photograph of surface fuel.

Table 1.

Density and Weight of Sample Filled in Each Basket

Diameter of Basket

Density (kg/m

³

) 20cm 30cm 40cm 50cm 09.6 030g 067.5g 120g 187.4g 15.9 050g 112.5g 200g 0.312g 22.2 070g 157.5g 280g 436.3g 31.8 100g 0.225g 400g 0.624g

Figure 2.

Photograph of experimental apparatus.

시킨 후사용하였다

.

연소특성 실험에 사용된 시료의

함수율은

10~15%

로

A&D(MX-50)

사 수분측정기기를

사용하여 측정하였다

.

Figure 1

은산림내지표연료의현장측정사진으로

낙엽 층의 두께는 대략

5~10cm

이며

,

계곡부 및 암반

지역하단부의경우최고

15cm

이상인지역도조사되

었다

.

이에따른단위면적당연료밀도는약

10~32kg/

m

³로측정되었다

.

실험은산림내 지표연료층의 두께및밀도와 비슷 한조건에서하기위해소나무와굴참나무낙엽을지름 이각각

20, 30, 40, 50cm

높이

10cm

인 바스켓에넣 고

,

온도분포

,

질량감소속도

,

화염의높이

,

연소시간

,

화 염지속시간

,

열방출속도

,

기체유속 및온도등의 연소 특성을측정하였다

. Table 1

은바스켓의직경과지표연

(3)

료의 단위면적당무게를 달리하여만든시료의 구성 표로 동일바스켓크기를 기준으로하여중량변화따 른 밀도 비는

1 : 1.7 : 2.3 : 3.3

이며

,

동일 밀도의 경우 바스켓크기에따른연료중량비는

1 : 2.25 : 4 : 6.25

^이

다

.

각시료의경우

5

회이상의반복실험을통하여총

160

여회 이상측정하였으며

, 1

초 단위로 측정 데이터 를수집한후분석하였다

.

2.2

실험장치의구성

실험장치의 전체 시스템 및

K-type

^의 ^열전대

32

^개

(T1~T31)

의배치도는

Figure 2

에나타내었다

. T1

은바 스켓 중심바닥면에

, T2

는바스켓 중앙에

, T3

은바스 켓 중심 시료표면에 설치하였으며

, T6~T10

은 시료표 면으로부터수직방향으로

25cm, T1

은

30cm

간격으로

Ø1.6mm K-type

열전대를설치하였다

.

바스켓 주위에는

20

개

(T12~T31)

의 일반 실드 처리

된

K-type

열전대를설치하였으며

,

주위온도를측정하

기위해

T32

를설치하였다

. Thermocouple 32

개를동시 에

National Instrument

사의

DAQ

를이용

, 1

초에

1

개의 데이터를엑셀로저장분석하였다

.

연료의질량감소속

도는원통형철망바스켓에

Table 1

의시료를넣고각

각의 밀도변화에 따른 연소 시질량 감소속도를

1

초 간격으로측정하였다

.

바스켓직상부

1.5m

에

Kanomax

사고온풍속계를 고정설치하여기체유속

(0~25m/sec),

기체온도

(0~500

^o

C)

를동시에 측정하였다

.

측정시

Soot

에의한간섭을최소화하기위하여매실험마다

Soot

를제거후측정하였다

.

화염의높이는비디오카메라

Figure 4.

Mass loss rate versus density change of sample.

Figure 3.

Profile of temperature distribution to vertical upside of sample surface.

로녹화하였으며

, 1

초단위로재생

,

화염의높이를

5cm

간격으로 판독

,

소염시점까지측정하였다

.

3. 결 과

3.1

수직온도분포

Figure 3

은바스켓중심축에설치된

7

개

(T3, T6, T7,

T8, T9, T10, T11)

의 최고온도분포를 나타낸 것으로

소나무및굴참나무낙엽의표면온도

(T3)

는

500~700

^o

C

이며

, 0.25m(T6)

에서

700~800

^o

C

까지증가하였다가

0.5m

(4)

(T7)

지점에서부터현저하게온도가떨어져

1.5m(T11)

부근에서는소나무낙엽및굴참나무낙엽의온도분포 는

100~200

^o

C

를보이고있다

. James G. Quintiere

등에

의하면높이에따라화염

(Persistent Flame)

에서중간화

염

(Intermittent Flame)

으로의 천이영역에 해당하는 영

역인것으로 판단된다

.

¹³⁾

3.2

밀도별

mass loss rate

Figure 4

는소나무낙엽과 굴참나무낙엽에대한밀

도변화에따른

MLR

^의^{실험결과로}

,

^소나무^낙엽의^밀

Figure 6.

Flame height.

Figure 5.

Flame continuation time versus density change of sample.

도변화에따라

MLR

가최대약

3.5~6

배정도증가하

였으며

,

굴참나무낙엽은

MLR

가최대약

4.8~6.5

배정

도증가하다가

15.9kg/m

³에서감소하는경향을보이고 있다

.

또한 동일한 밀도조건에서 소나무 낙엽이 굴참 나무낙엽에비해빠른질량감소속도를나타내었으며

,

이는두시료간의평균열량값 차이와 낙엽의형태에 따라공기유입량의차이에서기인된것으로판단된다

.

3.3

화염지속시간

Figure 5(a)

는 소나무 낙엽의밀도가 증가함에 따라

(5)

화염지속시간이 서서히 증가함에 비해

, Figure 5(b)

는 화염지속시간의폭차이가크며

,

^특히^지름이

50cm

^바

스켓의 화염지속시간이최대약

2

배

(

밀도

22.2kg/m

³에

서

31.8kg/m

³

)

증가함을확인하였다

.

특히굴참나무낙

엽의 밀도가증가함에따라화염의 높이는 감소한반 면 연소지속시간은증가하였다

.

그 이유는 밀도가 증 가함에 따라공기유입량이감소로 연소속도 및화염 높이가 감소하는것으로 사료된다

.

3.4

화염의높이

Figure 6(a)

는 소나무 낙엽의 밀도 증가 시

22.2kg/

m

³에서최대화염높이가약

1.9m

까지증가하였다가감 소하였으며

, Figure 6(b)

는 굴참나무 낙엽의 최대화염

높이가

22.2kg/m

³에서약

1.3m

까지증가하였다가감

소하는 경향을보이고있다

.

화염 높이는 밀도가 증가함에 따라 공기 유입량이 감소하여낙엽의연소반응이지연되어화염높이가감 소한반면

,

연소지속시간은증가한다

.

3.5

연소시간

Figure 7(a)

는소나무낙엽의밀도가증가시연소시간

이평균

3

배증가하였으며

, Figure 7(b)

는굴참나무낙엽 의밀도가증가시연소시간이평균

8.2

배증가하였다

.

소나무낙엽에비해굴참나무낙엽간의공극이줄어들 기때문에공기의유입량이현저히떨어지고

,

화염높이 는감소한반면연소시간은약

4

배증가하였다

.

따라서 재발화가발생할경우침엽수종소나무낙엽보다활엽 수종굴참나무에서재발화위험성이높을것으로사료된다

.

3.6

최대화염높이와열방출속도

Figure 8

은 소나무 낙엽과 굴참나무 낙엽으로 중량

변화에따른최대화염높이와열방출속도의관계로얻 어진그래프이다

.

바스켓사이즈및밀도의차이에따 라서 최대 화염높이에 따른 열방출속도는

29~291kw

사이로 측정되었으며

,

기존의

Heskestad

식

(1)

을 이용

한화염의높이식과비교하여가시화시켰다

.

^12,13)

액체연료는 정확한 물성값이존재하지만

,

고체연료 는시간에 따라물성값이변화할수있으므로대략의 평균값으로 표현된다

.

그러나 본 논문에서는 를 사용하였다

.

¹³⁾

L

^f^max

= 0.23

^2/5−

1.02D (1)

:

최대에너지방출속도

[kw]

L

fmax

:

최대화염높이

[m]

Q·

m·a·x·

Q·

m·a·x·

Q·

m·a·x·

Figure 7.

Combustion time.

Figure 8.

Flame height and heat release rate.

(6)

D:

지름

[m]

3.7

기체유속및온도

Figure 9(a)

는소나무 낙엽 및 굴참나무 낙엽 연소

시기체유속으로낙엽밀도

22.2kg/m

³에서소나무는최

대

3.6m/s

굴참나무는 최대

3.5m/s

를 보이고 있으며

,

이후에는소나무낙엽은서서히감소하는반면굴참나 무낙엽는급격히 감소하는경향을 보이고있다

.

Figure 9(b)

는소나무낙엽및굴참나무낙엽의기체

유속의온도를측정한것으로

22.2kg/m

³^에서^소나무^낙

엽은최대

279

^o

C

굴참나무낙엽은최대

236

^o

C

이측정

되었다

.

따라서 바스켓 직상부

1.5m

부근에서의 기체

유속 및 온도를 동시에 측정 지표화에서 수관화로의

전이과정에서의온도및기체유속을측정하였다

.

화 염높이에영향을받으며

,

^화염이^높게^측정될^경우^기

체유속 및 온도는 증가한다

.

화염높이와 온도는 비례 관계를보인다

.

4. 결 론

소나무낙엽과굴참나무낙엽의밀도에따른연소특 성을측정한결과다음과 같은결론을얻었다

.

1)

^바스켓별^최고^화염 ^온도는 ^화염의 ^중심축을 ^기

준으로낙엽표면의온도는

500~700

^o

C

이며

, 0.25m

에서

는약

700~800

^o

C

까지증가하였다가

0.5m

지점에서부

터현저하게온도가 떨어진다

.

Figure 9.

Gas velocity and temperature profile.

(7)

2)

소나무낙엽의밀도변화에따라

MLR

가최대약

3.5~6

^배^정도 ^{증가하였으며}

,

^굴참나무 ^낙엽는

MLR

^가

최대약

4.8~6.5

배정도증가하다가낙엽밀도가

15.9kg/

m

³^부근에서^감소하는^경향을 ^보이고^있다

.

또한동일

한밀도조건에서소나무낙엽이굴참나무낙엽에비해 빠른 질량감소 속도를 나타내었으며

,

이는 두 시료간 의평균열량값차이와낙엽의형태에따라공기유입 량의차이에서기인된것으로 판단된다

.

3)

굴참나무낙엽은밀도가증가함에따라화염의높

이는 감소한 반면 화염지속시간은 증가하였다

.

^이^이

유는 밀도가 증가함에 따라 공기 유입량이 감소하여 발생되는것으로판단된다

.

4)

굴참나무낙엽의연소시간은소나무낙엽에비해 공극이줄어들기때문에공기의유입량이현저히떨어 지고

,

화염높이는감소한반면전체연소시간은약

4

배증가한것으로 측정되었다

.

5)

기체유속및온도는화염높이에 영향을받으며

,

화염 높이가증가할수록 기체유속및온도는 증가하 는비례관계를보이고있다

.

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