Fire Characteristics of Flaming and Smoldering Combustion of Wood Combustibles Considering Thickness

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2015.29.4.067

목재 가연물의 두께에 따른 화염연소와 훈소상태에서의 화재특성

김성찬

^†

경일대학교 소방방재학과, *한국소방산업기술원 미래소방기술연구소

Fire Characteristics of Flaming and Smoldering Combustion of Wood Combustibles Considering Thickness

Sung-Chan Kim

^†

Dept. of Fire Safety, Kyungil Univ.

*Korea Fire Institute

(Received August 7, 2015; Revised August 25, 2015; Accepted August 25, 2015)

요 약

본 연구는 콘칼로리미터 실험을 통해 건축물 마감재와 가구소재로 널리 적용되는 목재 가공품의 화염연소와 훈소시 화 재특성을 파악하고자 한다. 시험대상 목재 가연물은 MDF, 합판, 칩보드이며 50 kW/m

의 복사열유속을 시편에 가하여 점화를 유도하였다. 실험과정에서 화재특성을 나타내는 발열량, 연소가스 생성율, 유효연소율 등의 주요 인자를 가연물 의 두께에 따라 정량화하였다. 실험결과 초기 평면방향의 화염전파와 후기 시편의 관통에 의한 화재확대로 인해 단위면 적당 발열량에 대한 두 개의 피크점이 관측되었다. 화염연소시의 질량감소율이 훈소시에 비해 5배 이상 높게 나타난 반 면에 훈소과정에서 CO 생성율은 화염연소에 비해 10배 이상 높게 측정되어 훈소시 높은 독성가스 생성율을 보였다. 본 연구는 목재 가연물의 화재성상을 이해하고 화재해석을 위한 물성자료로 활용될 수 있다.

ABSTRACT

A series of fire tests was conducted to examine the fire characteristics of flaming and smoldering combustion of engi- neered wood products, which have been widely used for furniture and finishing materials in buildings. The engineered wood products of MDF, plywood, and chipboard were ignited by a radiant cone heater with incident heat flux of 50 kW/

m

. During the fire test, key parameters representing the fire characteristics such as the heat release rate, yield rate of com- bustion product, and effective heat of combustion were quantified in terms of thickness. The tests show two peak points of HRRPUA due to lateral fire propagation in the initial stage, followed by later fire penetration through the specimen thick- ness. The mass loss rate of flaming combustion was 5 times higher than that of smoldering combustion, while the CO yield rate of smoldering combustion was 10 times higher than that of flaming combustion. This study can contribute to the understanding of fire behavior of wood combustibles and provide useful data for fire analysis.

Keywords : Wood combustible, Engineered wood product, Smoldering, Heat release rate, Fire testing

1. 서 론

건축물의 내외장재나 가구류에 널리 적용되는 목재 가 공품은 목재원료를 파쇄편이나 절삭편, 섬유질의 형태로 가공하여 합성수지 접착제로 압축 성형한 것으로 대표적 으로 MDF (medium density fiberboard)나 합판(plywood), 칩보드(chipboard) 등이 판재의 형태로 널리 활용되고 있 다. 이러한 목재계열의 건축 자재는 화재 시 화염연소 (flaming combustion)와 훈소(smoldering combustion)를 동반하고 연소 과정에서 숯(char)를 형성하며 오랜 시간

연소를 지속한다. 이러한 숯의 산화과정(char oxidization) 은 훈소를 확대하는데 있어서 열원을 공급하는 역할을 수 행하며 상대적으로 낮은 온도에서 다량의 일산화탄소나 이산화탄소를 형성하는 것으로 알려져 있다⁽¹⁾. 따라서 목 재 가연물의 화염연소와 훈소 과정에서의 연소특성을 세 분화하여 이해하는 것은 공간 내 전체 화재특성을 파악하 는데 있어서 중요한 요소가 될 수 있다.

가연물의 연소과정에서의 발생하는 연소가스의 생성율 (yield rate)이나 유효연소열(effective heat of combustion) 등은 화재해석에서 연소반응을 설정하는데 있어서 중요한

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-53-600-5405, FAX: +82-53-600-5419

입력인자로 고려되고 있으나 공기 공급이 충분한 화염연 소상태를 기초로 측정된 값을 주로 적용하고 있다. 실제로 화재 연소공학분야의 많은 연구가 화염연소에 초점을 맞 추고 있으며 훈소와 관련된 연구는 1% 미만인 것으로 보 고되고 있어 훈소과정에 대한 화재공학적 이해가 부족한 실정이다⁽²⁾.

본 연구에서는 일상에서 널리 적용되는 목재 가공품인 MDF, 합판, 칩보드의 화염연소와 훈소상태에서 화재특성 을 정량적으로 파악하기 위해 콘칼로리미터를 이용하여 화재실험을 수행하고 가연물의 두께에 따른 발열량, 연료 의 질량감소율, 연소가스 생성율, 유효 연소열 등 주요 인 자를 분석하여 목재 가연물의 화재성상을 이해함과 동시 에 화재해석을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.

2. 실 험

2.1 콘칼로리미터 시험

시험대상 목재가연물의 화염연소 및 훈소상태에 대한 화재특성을 파악하기 위해 ISO-5660 콘칼로리미터 시험 방법을 적용하여 실험을 수행하였다⁽³⁾. 연소과정에서 가연 물 시편의 질량변화는 로드셀(load cell)을 이용하여 측정 하였으며 전기 콘히터(cone heater)를 통해 일정한 열유속 을 시편에 가하여 자연점화를 유도하였다. Figure 1은 콘 히터와 가연물의 시험조건에 대한 개략도를 나타낸다. 콘 히터에서 시편으로 가해지는 복사열은 50 kW/m² 정도이 며 콘히터와 시편사이의 거리는 25 mm로 모든 시험에서 일정하게 유지된다. 실험대상 시편은 건축내장 재료로 널 리 이용되는 MDF, 합판, 칩보드이며 시편의 두께는 MDF 와 합판의 경우 6, 9, 12 mm이며 칩보드의 경우 15, 18, 23 mm이다. 시편은 시편거치대(sample holder) 윗면과 수 평을 이루도록 배치되었으며 아랫면에 세라믹 울을 배치 하여 바닥으로의 열전달을 최소화하였다. 시편의 실제 표 면적은 88.4 cm²(9.4 cm × 9.4 cm)이다.

2.2 화재특성변수의 산정

점화 후 연소과정중의 시간변화(Δt)에 따른 가연물의 질 량변화(Δm)를 측정하여 질량감소율(mass loss rate)을 계산 하였으며 배기후드에서의 연소생성물의 농도, 온도, 유속 등을 측정하여 발열량(heat release rate)을 산정하게 된다⁽⁴⁾.

(1)

(2)

여기서 ΔHc, O2는 산소의 단위질량당 방출 열에너지(kJ/

kg), φ는 산소소모지수, 는 배기가스의 질량유량(kg/s), α는 화학적 팽창계수, Xi는 i종의 체적분율, 상첨자 o는 대 기중의 기준값, MWi는 i종의 분자량(g/mol)을 의미한다.

배기 덕트를 통과하는 i종의 질량유량은 다음과 같이 계산 된다.

(3) 대기압 하에서 저속 유동에 대한 배기가스의 밀도는 온 도의 함수로 나타낼 수 있으므로 배기덕트내 연소가스의 농도와 온도, 속도를 측정하면 배기덕트를 통과하는 i종의 질량유량을 계산할 수 있다. 연소과정중의 임의 시간에 대 한 연소생성물 i종의 생성율은 i종의 질량유량과 연료의 질량감소율을 통해 산정된다.

(4) 유효연소열은 측정된 발열량과 연료의 질량감소율을 고 려하여 다음과 같이 계산된다⁽⁵⁾.

(5) 임의 시간에 대한 화재특성변수는 단일 측정변수가 아 니라 온도, 속도, 농도, 질량변화 등 많은 물리량을 측정해 야 하는데 각 측정변수마다 샘플링 시간, 측정지연시간 등 이 다르기 때문에 순간적인 측정값(instantaneous value)을 평가하는데 어려움이 있으며 최대값이나 평균값 등 대푯 값을 이용하여 화재특성값을 나타낸다. 본 연구에서는 준 정상상태(quasi-steady state)에 대한 평균값을 화재특성에 대한 대푯값으로 고려하였다.

Figure 2는 15 mm 칩보드의 실험과정에서 측정된 질량 변화를 나타낸다. 가연물의 연소상태에 따라 질량은 지속 적으로 변화하지만 화염연소구간인 300 s 근처와 훈소구 간인 1400 s 근처에서는 시간에 따른 일정한 질량변화를 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 질량변화를 기준으로 준정상상태 구간을 평균구간(time window)로 설정하고 이 구간에 대해 시간평균값을 화재특성에 대한 대푯값으로

m·

f( ) = Δt m ---Δt

q· = ΔH_{c, O2}φ m· 1 + φ α − 1(e )

--- 1 − X( _H^o_2O)MW_O

2

MW_air ---

m·

e

m·

i = Y_im·

e = X_iMW_i MW_a

---×ρ_eA_DV_D

Y_i( ) = t m·

i

m·

f

---

ΔH_{c, eff} = q·

m·

f

---

Figure 1. Schematic of experimental setup.

고려하였다.

(6)

3. 결 과

Table 1은 시편의 연소실험 전후의 사진을 비교하여 나 타낸다. 가연물의 거시적인 연소형태는 종류에 따라 큰 차 이를 보이지 않았고 가연물이 전소된 이후 모두 잔존물 (ash residue)를 형성하였으나 칩보드의 경우 MDF나 합판 에 비해 시험 후 잔존물의 양이 상대적으로 많았다.

Figure 3은 두께 6 mm, 9 mm, 12 mm인 MDF에 대해 3 회 반복 시험하여 측정된 단위면적당 발열량(HRRPUA, heat release rate per unit area, kW/m²)을 비교하여 나타낸 다. HRRPUA는 측정된 발열량을 시편의 실제 표면적으로 나누어준 값으로 시험과정 중 시편의 표면적에 걸쳐 균일 한 연소가 진행되는 것을 가정하고 있다. 일부 피크(peak) 값의 차이를 제외하고는 콘칼로리미터 실험의 재현성은

매우 높은 것으로 나타났다. 특히, 모든 실험결과에서 HRRPUA의 피크점이 두 개로 나타났으며 이는 초기 점화 이후의 화재전파에 따른 첫 번째 피크와 표면에서 깊이 방 향으로의 화염전파에 의해 시편을 관통하여 화염이 형성 되는 경우 두 번째 피크가 발생하였다. 첫 번째 피크와 두 번째 피크가 발생하는 시간과 피크 값의 크기도 세 번의 실험에서 모두 유사한 결과를 보였다. 두 번째 피크이후 가연물에서 발생하는 연료증기(fuel vapor)의 양은 급격히 감소하게 되고 목재 가연물의 전형적인 연소형태인 훈소 상태를 지속하게 된다.

Figure 4는 두께가 서로 다른 칩보드에 대한 HRRPUA 의 첫 번째 피크와 두 번째 피크의 시간간격을 나타낸다.

이러한 피크의 시간간격은 가연물의 두께를 가로질러 연 소가 진행되는 관통시간과 밀접한 관련이 있다. 실험이 진 행되는 동안 육안으로 관통시간을 평가하는 것은 매우 어 려운 일이기 때문에 본 연구에서는 HRRPUA의 피크 값 의 시간간격을 목재가연물의 관통시간(penetration time)으 로 간주하였다.

자체보존적인(self-sustained) 훈소과정에 의해 가연물이 Φ = Φdt

t₁ t₂

⎝∫ ⎠

⎛ ⎞/Δt

Figure 2. Time history of sample mass during the fire test.

Table 1. Photograph of the Specimen for Cone Calorimetry Test

Combustibles Sample image before test

Burning image during test

Residue image after test

MDF

Plywood

Chipboard

Figure 3. The measured heat release rate per unit area for MDF board with thickness of 6 mm, 9 mm, and 12 mm.

두께방향으로 관통되는데 걸리는 시간은 두께(δ)의 제곱에 비례하는 것으로 알려져 있다⁽⁶⁾.

τL= Aδ² (7)

여기서 A(s/mm²)는 실험에 의해 결정되는 경험상수이다.

Figure 5는 목재가연물 종류별로 앞서 언급한 방법으로 계산된 두께와 평균 관통시간 사이의 관계를 나타낸다. 두 께에 따른 평균 관통시간은 Palmer 등⁽⁶⁾이 제시한 바와 같 이 두께의 제곱에 비례하는 결과를 보였으며 식(7)의 곡선 근사식에 대한 경험상수 A값은 3.5 s/mm² 정도로 나타났다.

Figure 6은 준정상상태에서의 목재 판재의 두께에 따른 질량감소율을 화염연소구간과 훈소구간에 대해 나타낸다.

화염 연소시 두께가 10 mm 이상인 경우 가연물의 종류에 관계없이 비교적 일정한 질량감소율을 보였으나 10 mm 이하에서는 준정상상태의 질량감소율이 크게 증가하는 경 향을 보였다. 이는 열적으로 얇은(thermally thin) 가연물

일수록 두께를 가로질러 온도차가 적고 이로 인한 두께 방 향으로의 열전도가 상대적으로 적기 때문에 재료 내부의 온도가 상승하여 화염전파가 빠르게 일어나기 때문인 것 으로 판단된다. 반면에 훈소과정에서는 화염전파보다 연소 후 남은 숯에 의한 산화반응(char oxidation)이 이루어지기 때문에 연료의 질량감소율은 두께에 관계없이 거의 일정 한 것으로 생각된다. 10 mm 이상의 목재 판재에 대해 화 염연소시 연소율은 약 0.08 g/s 이하이며 훈소시 연소율은 0.015 g/s 정도로 약 5배 정도 차이를 보였다.

Figure 7은 목재 판재의 종류 및 두께에 따른 화염연소구 간과 훈소구간의 일산화탄소와 이산화탄소의 생성율을 비 교하여 나타낸다. 화염연소시 일산화탄소 생성율은 0.013~

0.017 g/g 정도로 비교적 일정한 값을 보였으나 화염연소 에 비해 훈소 과정에서는 0.19~0.25 g/g으로 10배 이상 높 Figure 4. Comparison of time interval between first and second

peak of HRRPUA for the chipboard with different thickness.

Figure 5. Mean penetration time with specimen thickness for the tested engineered wood products.

Figure 6. Comparison of mass loss rate for flaming and smoldering combustion.

게 측정되었다. 또한 이산화탄소 생성율의 경우 화염연소 시 0.62~0.68 g/s 정도로 비교적 일정한 값을 보였으나 훈 소과정에서는 1.38~1.89 g/g으로 2배 이상 높게 나타났다.

이는 훈소시 연료표면으로 공급되는 공기의 양이 제한되 어 불완전연소가 심화되는데 반해 연료의 질량감소율은 상대적으로 낮기 때문인 것으로 판단된다.

Table 2는 목재 판재의 종류 및 두께에 따른 화염연소구 간과 훈소구간의 유효연소열을 요약하여 나타낸다. 유효연 소열의 대푯값은 각 실험에서 준정상상태의 평균구간에 대하여 시간 평균한 값이며 세 번의 반복 실험결과를 산술 평균하여 정리한 값이다. 화염연소의 경우 반복실험에 대 한 표준편차는 7% 이내이며 훈소상태의 경우 5.4~13.9%

로 상대적으로 높게 나타났다. 화염연소시 유효연소열은 훈소에 비해 낮게 나타났는데 이는 화염연소의 경우 연소 과정에서 발생하는 열량도 크고 연소율도 높은 상태이지 만 훈소의 경우 발열량 감소에 비해 질량감소율의 변화가 더 크기 때문에 유효연소열은 상대적으로 높은 값을 나타 낸다. 전체적으로 두께 변화에 따른 유효연소열의 변화는 크지 않았으나 6 mm 합편의 경우 화염 연소와 훈소 모두 약 20% 정도 높게 측정되었다. MDF와 합판의 경우 연소 형태에 따라 유사한 유효연소열값을 나타냈으나 칩보드의 경우 상대적으로 낮은 유효연소열을 나타냈다.

4. 결 론

본 연구는 건축물의 내장재 및 가구류의 소재로 널리 사

용되는 MDF, 합판, 칩보드 등의 목재가공품에 대하여 화 염연소 및 훈소과정에서의 화재특성을 콘칼로리미터 실험 을 통해 정량화하였으며 화재특성에 미치는 판재 두께의 영향을 파악하였다. 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1. 모든 실험결과에서 HRRPUA에 대한 두 개의 피크점 이 나타났으며 첫 번째 피크는 초기 점화이후의 화재전파 에 따른 것이며 두 번째 피크는 깊이 방향으로 시편이 관 통되어 화염이 형성되기 때문에 발생하는 것으로 판단된 다. 두 번째 피크이후 가연물에서 발생하는 연료증기(fuel vapor)의 양은 급격히 감소하였고 훈소상태가 오랜시간 지 속되었다.

2. 화염연소 및 훈소에 의한 목재 판재의 관통시간을 평 가하기 위해 본 연구에서는 HRRPUA의 피크 값의 시간 간격을 통해 관통시간을 평가하였으며 이러한 평가방법에 의해 계산된 평균 관통시간은 Palmer 등이 제시한 두께의 제곱에 비례하는 결과와 일치되는 결과를 얻었으며 실험 대상 목재 가공품에 대한 경험상수 A값은 3.5 s/mm² 정도 로 나타났다.

3. 화염 연소시 두께가 10 mm 이상인 경우 가연물의 종 류에 관계없이 비교적 일정한 질량감소율을 보였으나 10 mm 이하에서는 준정상상태의 질량감소율이 크게 증가하는 경향을 보였다. 훈소 과정에서의 연료의 질량감소율은 두 께에 관계없이 거의 일정하였으며 10 mm 이상의 목재 판 재에 대해 화염연소시 연소율은 약 0.08 g/s 이하이며 훈소 시 연소율은 0.015 g/s 정도로 약 5배 정도 차이를 보였다.

Figure 7. Comparison of CO and CO₂ yield rate with thickness of specimen.

Table 2. Summary of Effective Heat of Combustion for the Tested Engineered Wood Products [unit: kJ/kg]

Material MDF Plywood Chipboard

Thickness 6 mm 9 mm 12 mm 6 mm 9 mm 12 mm 15 mm 18 mm 23 mm Flaming 11,570 11,390 11,250 14,270 11,070 11,660

09,860

08,890

4. 훈소과정에서의 일산화탄소 생성율, 이산화탄소 생성 율, 유효연소열 등은 화염연소에 비해 크게 증가하는 경향 을 보였다. 이는 화재해석에서 적용되는 연소생성물의 생 성율이나 유효연소열 등의 화재물성이 화염연소상태에서 의 측정값에 기초하기 때문에 훈소의 영향이 큰 경우 실제 가연물에서 발생되는 화재물성과 차이가 있을 수 있으며 화염연소와 훈소의 기여정도에 따른 물리적 화학적 화재 특성변화를 추가적으로 연구할 필요가 있다.

후 기

본 논문은 2015년도 국민안전처의 소방안전 및 119구조 구급기술 연구개발사업의 지원을 받아 수행되었으며 관계 제위께 감사드립니다(2015-MPSS03-021).

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