등속 튜브연소로 출구에서의 직접 샘플링 방법을 이용한 연기입자 입경분포 측정

Measurement of the Size Distribution of Smoke Particles through Direct Sampling at the Exit of a Steady-State Tube Furnace

화재 조건에 따라 달라지는 연기 입자의 크기 분포는 화재 현장에서 발생하는 연기로 인한 거주자 및 소방관의 장단기 인명 피해의 주요 원인인 폐침전뿐만 아니라 화재 감지와 관련하여 소방 분야에서 중요한 연구 주제이다. 현재 연소 생성물의 성분, 농도 등의 특성은 ISO/TS 19700 방법을 이용하여 측정하는 경우가 많은데, 이 방법은 가스상 물질에 주로 사용되며 측정의 어려움으로 이 방법을 이용한 입자상 물질에 대한 연구 결과는 많지 않고 그 결과는 연구자에 따라 많은 차이를 보인다. 입자상 물질의 특성 중 대표적인 것이 크기분포이며 이 측정값이 연소로 출구에서의 실제 분포와 다르게 나타나는 이유로서 중요한 것 중 하나는 냉각, 희석을 위해 설치된 혼합상자에서 입자의 충돌, 온도 변화, 체류시간 등의 인자에 의해서 이 크기분포 특성이 왜곡되기 때문으로 판단된다. 본 연구에서는 기존의 ISO/TS 19700 방법에 명시된 등속 튜브연소로 출구에서의 혼합상자를 직접 샘플링 방법으로 대체함으로써 혼합상자를 사용하는 경우와 직접 샘플링하는 경우의 입경분포 차이를 밝히고 해결책을 제시하였다. 이를 위하여 각 온도 및 당량비 변화에 따른 연소조건에서 발생한 연기 입자를 등속연소로 출구에서 직접 샘플링한 후 2단 희석장치를 거쳐 정전저압임팩터로 실시간 입경분포를 측정함으로써 혼합상자로 인한 입자 크기분포 왜곡을 최소화하였다.

The size distribution of smoke particles, influenced by varying fire conditions, constitutes a significant research focus in the firefighting domain concerning fire detection and the impact on lung deposition which is a major contributor to both short- and long-term casualties among residents and firefighters. Currently, the ISO/TS 19700 method is commonly employed to measure characteristics of combustion products, including composition and concentration, primarily for gaseous substances. However, due to measurement challenges, limited research results exist on particulate substances using this method, and outcomes vary significantly among researchers. The particle size distribution which is the typical characteristics of particulate materials is crucial factor leading to discrepancies in measurements at the combustion furnace outlet. This distortion is influenced by factors such as particle collision, temperature changes, and residence time in the mixing chamber installed for cooling and dilution. This study unveils the disparity in particle size distribution between using a mixing chamber and direct sampling. A solution is proposed by replacing the mixing chamber at the outlet of the steady-state tube furnace specified in the existing ISO/TS 19700 method with a direct sampling approach. Smoke particles generated under combustion conditions at various temperatures and equivalence ratios were directly sampled at the furnace exit. These samples underwent a two-stage dilution process, and the real-time particle size distribution was measured using an electrostatic low-pressure impactor. This approach minimizes distortion of the particle size distribution attributable to the mixing chamber.