대형 콘 칼로리미터 구축을 위한 설계 현황 조사

Investigation of Design Status for the Build of Large Scale Cone-calorimeter

화재의 크기를 정량적으로 산출하기 위해 1917년도 Thornton 는 탄화수소 계열의 액체와 기체가 완전히 연소 될 때 소모되는 산소의 정도와 열량의 크기가 일정한 값으로 비례하는 결과를 확인하였다. Huggett 는 탄화수소 계열의 고체가 액체 및 기체와 동일하게 소모되는 산소의 정도와 열량의 크기가 일정한 값으로 비례하는 결과를 확인하였으며, 소비되는 산소의 단위 질량 당 약 13.1MJ의 열량을 정량적으로 제시하였다. Thornton 와 Huggett 의 연구 결과는 소방 분야에서 소화설비 설계의 연구 자료로 활용되었으며, 화재공학 분야에서 Parker 의 ASTM-E84 터널 화재 시험에 최초로 적용되었다. 그 이후 1970년대 후반부터 1980년대 초반 사이 미국의 표준과학연구원인 NIST(National Institute Standard Technology)에서는 콘 형태의 후드가 연소가스를 포집하고 덕트 내부의 산소소모량을 측정하는 방식의 콘 칼로리미터 실험장치를 고안하였으며, Parker에 의해서 산소 소모법에 대한 관계식이 제시되었다. 이러한 산소소모법은 모든 연소가스를 포집하여 일부만 전처리과정을 통해 산소의 농도가 측정되기 때문에 대형 콘 칼로리미터에서도 사용되고 있다. 하지만, 대형 콘 칼로리미터에서 수행되는 화재 실험은 가연물의 열적 물성과 주변 환경에 따라 생성되는 대량의 연소가스 포집이 어렵기 때문에 정략적인 발열량 산출에 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 국외의 대형 콘 칼로리미터 설치 현황을 조사하여 설계 발열량과 주요 설계 인자의 상관관계를 검토하고자 한다. 주요 설계 인자를 도출하기 위해 NIST, SP, FMRC, TUS, BRE 그리고 ATF 총 6개의 국외 기관에 설치된 대형 콘 칼로리미터의 현황을 조사하였다. 그 결과 주요 설계 인자는 송풍 용량, 후드의 형상 및 크기, 화원에서부터의 후드까지의 높이 그리고 덕트 직경으로 판단된다. 주요 설계 인자와 설계 발열량의 상관관계를 검토한 결과 다음과 같다. 첫 번째, 송풍 용량이 설계 발열량의 총 연기 생성량 보다 작은 경우 후드 외부로 연기가 유출되는 현상이 지속적으로 발생하여 정확한 발열량 측정이 어려운 것으로 판단된다. 두 번째, 화원으로부터 후드의 위치가 화염의 길이 보다 매우 높은 경우에는 후드 입구에서 주변 공기의 유입량이 증가하여 산소 농도의 측정값이 낮아져 산출 발열량의 크기가 감소할 수 있다. 따라서, 대형 콘 칼로리미터는 주요 설계 인자에 따라 발열량 산출에 차이가 나타날 수 있으므로 설계 발열량에 따른 후드 크기, 송풍용량, 덕트 직경을 고려한 설계 방안이 필요한 것으로 판단된다.