2.1.1 목재 및 목분시료

본 소화성능 실험을 위해 선정한 시료는 Kim et al. (2016)가 사용한 시료와 동일한 라디에타 파인(Radiata Pine)의 원목 목재와 목분을 선정 사용하였으며, 성분 및 물성은 Table 1에 나타냈다. 목재시료는 1.5×1.5×15 cm의 일정한 크기로 절단하였으며, 20개의 평균무게는 369.9 g이다. 목분시료는 Sieve Shaker(청계상공사, CG-211-8)로 체가름하였으며 사용한 시료의 평균무게는 200.2 g으로 입도분포는 Table 2에 나타냈다.

Table 1

Element Analysis Results and Properties for Dust Samples (Data from Kim et al., 2016, JMST)

Table 2

Radiata Pine Dust Particle Size Distribution

시료는 일정한 함수율 유지를 위해 건조기(Dry Oven, SH-FD0550, +5°C~250°C)에서 80°C, 72시간 건조하여 전처리 하였으며, 모재와 목분의 함수율은 10.56%와 10.24%이다. Eq. (1)은 함수율 계산식을 나타냈다.

MC: Moisture Content [%]

Wm: Weight of Sample Before Overdry [g]

Wd: Weight of Sample After Overdry [g]

2.1.2 합성계면활성제 포소화약제

본 실험에서 사용한 포소화약제는 인천대학교 소방방재연구센터가 H사와 공동 개발한 친환경 합성계면활성제 포소화약제로 “소화약제의 형식승인 및 제품검사의 기술기준(국민안전처고시, 제2015-68호,2015.3.19)”을 통과한 합성계면활성화제 포소화약제를 사용하였다. 포수용액의 농도는 1%로 고정하였다. 합성계면활성제 포소화약제는 주로 발포를 위한 기포제, 발포된 기포의 지속성 유지를 위한 기포안정제, 빙점을 낮추기 위한 유동점 강하제로 구성된다.

2.2.1 CAF 발생과 발포율 측정장치

본 연구의 압축공기포 발생 장치와 발포율 측정 장치는 Lee et al. (2017)가 선행연구에서 적용한 실험장치를 사용하였다. 발포율(E)의 산출식은 Eq. (2)과 같다.

여기서

ν: Volume of Cone Type Container (ml)

ω : Weight of Cone Type Container (g)

ω : Total Weight of CAF & Container (g)

Δω: Weight of CAF (g)

2.2.2 소화성능 축소모형 실험장치

본 압축공기포 소화성능 실험을 위한 축소모형 실험장치는 Kim et al. (2014)가 연구한 장치를 이용하였다. 구성은 시료를 채우고 연소 및 소화를 시킬 수 있는 실린더형 시료용기(φ21.5 cm, H 34 cm), 온도 측정용 열전대, 압축공기포를 담는 드립 팬, 무게를 측정하는 전자저울과 데이터를 저장 모니터할 수 있는 PC로 구성되어 있다. 이때 드립 팬은 압축공기포를 발포할 때 흘러내리거나 소화 중 끓어넘치는 양을 포집하여 OverFlow량을 측정하는 용도이다. Fig. 1 은 축소모형 실험장치를 나타낸다.

Fig. 1

The Scaled Model Experimental System of Fire Extinguishment

2.3.1 목재 축소모형 소화성능실험

소화성능실험은 시료 용기 내부에 1.5×1.5×15 cm(부피: 675 cm³) 크기의 목재 20개를 격자모양(3개-3개-4개-3개-3개-4개)으로 6단 적재 하였다. 이때 축소모형의 시료용기 하부중심을 부탄가스 버너 토치로 90초 동안 가열 점화시킨 후 자유연소시켜 목재 중심부의 온도가 900°C 이상으로 상승하였을 때, 이 때 일정 발포율의 압축공기포를 발생시켜 용기내부를 일정 높이의 압축공기포로 채워 화염의 소화 및 중심부 온도변화를 측정하였다. Fig. 2는 압축공기포의 소화성능 실험 순서를 나타낸다.

Fig. 2

Flow Chart of Fire Extinguishing Performance Experiment

2.3.2 목분 축소모형 소화성능실험

목분 축소모형 소화성능실험의 경우 시료용기 내부에 목분 200 g을 일정하게 적층하였다. 훈소연소에 따른 부피감소를 고려하여 초기 적층 높이는 15 cm 정도를 유지하였으며, 목분의 겉보기 밀도는 0.04 g/cm³ 이었다. 그 다음 부탄가스 버너 토치로 시료용기 하부 중심부를 TC 1이 190°C가 될 때까지 가열 점화 시키고 자유 연소시키면 시료용기 하부의 가열된 촉매에 의해 훈소연소(Smoldering)를 나타내면서 심부까지 열이 전도되어 온도가 지속적으로 상승하였다. 온도를 190°C로 설정한 것은 Kim and Rie (2013)의 연구에서 설정한 온도를 참고하였다. Figs. 3과 4는 목재와 목분의 축소모형 소화성능실험 과정을 그림으로 나타냈다.

Fig. 3

Fire Extinguishing Performance Experiment of Wood

Fig. 4

Fire Extinguishing Performance Experiment of Wood Chip

본 실험에서도 TC 1을 이 온도이상으로 가열하면 발화가 되어 훈소상태를 재현할 수 없었으며, 낮으면 연소도중 저절로 소화되어 정상적인 실험을 진행할 수 없었다. 압축공기포의 축소모형 소화성능실험은 목분 중심부 TC 2의 온도가 400°C에 도달하였을 때 일정 발포율의 압축공기포를 발생시켜 용기내부를 일정 높이로 채운 후 화염의 소화상태 및 중심부의 온도변화를 측정하였다.

3.1.1 연소와 소화성능

7회의 목재연소와 소화성능 실험결과 점화 후 평균 최고 상승 온도는 937.2°C, 평균 소요시간은 134.3 sec(2.2 min) 이었다. 목재의 중심부에 5 cm, 8 cm, 11 cm 및 26 cm 높이에 TC를 삽입하고 온도 및 압축공기포의 질량을 실시간으로 측정하였다. 최고 상승온도까지 연소 시 평균 무게 감소는 연소 전 369.9 g에서 45.6%가 감소한 168.5 g이었다. 화염은 압축공기포 발포 즉시 소화되었으며, 압축공기포는 발포율에 따라 약간 끓어 넘쳤다. Figs. 5 and 6은 최고 상승 온도인 932.3°C에서 발포율 10.0과 19.8일 때 압축공기포를 발생시켜 소화시켰을 때 용기 내부의 온도변화와 압축공기포의 무게 변화를 나타냈다.

Fig. 5

Fire Extinguishing Performance Experiment of Wood (E 10.0)

Fig. 6

Fire Extinguishing Performance Experiment of Wood (E 19.8)

3.1.2 CAF의 투입량과 증발량

발포율에 따른 목재의 최고연소 온도에서 압축공기포의 투입량과 소화 후 60°C까지 냉각되었을 때의 CAF의 증발량과 증발율을 Fig. 7에 나타냈다. 축소모형 소화성능 실험에서 발포율에 따라 압축공기포를 시료용기 바닥에서 목재시료 표면 위로 25 cm 높이 만큼 발포했을 때 압축공기포의 투입량은 발포율 5.5일 때 1777.3 g, 19.8일 때 396.6 g으로 감소하였으며, 증발율은 발포율 5.5일 때 2.70%, 19.8일 때 39.96%로 증가하였다. 압축공기포의 투입량은 발포율이 낮을수록 증가하였으며, 발포율이 커질수록 투입량은 감소하였다. 반면에 압축공기포의 증발량은 발포율이 높을수록 증가하였다. 이는 발포율이 증가함에 따라 압축공기포의 점착성이 커져 연소물의 표면에 부착하는 시간이 길어지고 높은 온도 및 직접 화염에 의해 압축공기포의 수분 증발량이 증가하였기 때문이다.

Fig. 7

Mass of CAF Foaming and Evaporation for Wood

3.1.3 소화시 냉각속도

발포율에 따른 목재의 최고 연소온도에 도달하였을 때 용기 내부에 일정부피의 압축공기포를 투입하자마자 화염이 꺼지고 급격히 냉각하기 시작하여 60°C까지 서서히 냉각되었다. 소화시 냉각속도는 발포율 5.5에서 170.3°C/min, 발포율 19.8에서 48.8°C/min로 냉각속도가 빨랐다. 발포율이 낮을수록 소화 후 냉각하는 데 걸리는 시간이 짧고 냉각속도도 빨랐다. Fig. 8에 냉각속도의 변화를 나타냈다. 이는 발포율이 낮은 경우 수분에 의한 냉각효과가 크기 때문이다.

Fig. 8

Cooling Rate of Wood

3.1.4 소화 시 유출율(Overflow %)

900°C 이상으로 온도가 상승했을 때 시료용기 내부에 일정 발포율의 압축공기포를 채우면 산소 차단효과와 냉각효과로 인해 화염이 즉시 소화되고 급격한 냉각이 일어난다. 이때 압축공기포가 일부 끓어 넘치거나 목재사이로 흘러내린 압축공기포 양과 비율을 측정하였다. 소화시 유출율(Overflow %)은 발포율이 5.5일 때 35.49%, 19.8일 때 8.17% 이었다. 목재시료의 경우 낮은 발포율에서 용기 하부로 흘러내려 Overflow 양과 유출율이 높았으며, 발포율이 높아짐에 따라 Overflow 양과 유출율이 감소하였다. 이는 압축공기포의 발포율이 높을수록 수분 감소와 압축공기포의 점착성이 높아지기 때문이다. Fig. 9는 발포율에 따른 Overflow 양의 변화를 나타냈다.

Fig. 9

CAF Overflow Changes in the Mass of Runoff

3.2.1 훈소연소와 소화성능

8회의 목분연소 실험결과 점화 후 평균 최고 상승온도는 512.3°C이며, 699.5 sec(28.3 min)가 소요되었다. Figs. 10과 11은 발포율 10.0과 20.6 일 때 압축공기포에 의한 목분의 축소모형 소화성능의 변화를 나타냈다.

Fig. 10

Fire Extinguishing Performance of Wood Chip (E10.0)

Fig. 11

Fire Extinguishing Performance of Wood Chip (E 20.6)

3.2.2 CAF의 투입량과 증발량

목분의 최고 훈소온도에서 압축공기포의 투입량과 소화 후 60°C까지 냉각되었을 때의 발포율에 따른 CAF의 증발량과 증발율을 Fig. 12에 나타냈다. 축소모형 소화성능 실험에서 발포율에 따라 압축공기포를 시료용기 바닥에서 목분표면 위로 25 cm 높이 만큼 발포했을 때 압축공기포 투입량은 발포율 4.9일 때 1228.5 g, 20.6일 때 275.1 g으로 감소하였으며, 증발율은 발포율 4.9일 때 1.29%, 10일 때 3.69%로 상승했다가 20.6일 때 1.85%로 감소하였다. 이는 목분의 공극율이 작아서 압축공기포가 아래로 흐르는 것을 차단함으로써 투입량이 감소하였으며, 발포율이 증가함에 따라 증발량과 증발율은 소폭 감소하였다. 이는 훈소연소 상태에서는 직접 화염과의 접촉이 없었고 온도도 낮았기 때문에 압축공기포의 증발율이 감소하였다.

Fig. 12

Mass of CAF Foaming and Evaporation for Wood Chip

3.2.3 소화시 냉각속도

목분의 최고 훈소연소 온도에 도달하였을 때 발포율에 따라 일정량의 압축공기포(CAF)를 용기에 투입하였다. 압축공기포를 발포 하자마자 훈소연소가 차단되고 급격히 냉각하기 시작하여 60°C까지는 서서히 냉각되었다. 냉각속도는 발포율 4.9에서 48.7°C/min, 20.6에서 30.2°C/min로 비교적 완만하게 감소하였다. 소화성능은 발포율이 낮은 경우 냉각시간이 짧고 냉각속도가 컸으며, 발포율이 커짐에 따라 냉각시간이 길어지고 냉각속도도 감소하였다. 이는 발포율이 낮은 경우 수분에 의한 냉각효과가 크고, 발포율이 증가할수록 공기량이 증가하기 때문이다. Fig. 13은 목분 중심부의 냉각속도를 나타냈다.

Fig. 13

Cooling Rate of Wood Chip

3.2.4 소화 시 유출율(Overflow %)

목분 중심부의 TC 2 온도가 400°C (TC 1온도 500°C) 이상으로 온도가 상승했을 때 시료용기 내부에 일정 발포율의 압축공기포를 채우면 산소 차단효과와 냉각효과로 인해 화염이 즉시 소화되고 급격한 냉각이 일어난다. 이때 압축공기포가 목분사이를 침투하여 홀더 하부로 흘러나오는 양과 비율을 측정하였다. 소화시 유출율(Overflow %)은 발포율이 4.9일 때 51.6%, 20.6일 때 0%로 편차가 컸다. 목분시료의 유출율은 공극율, 수분 및 점착성의 영향으로 발포율이 낮은 경우 유출율이 높았고, 발포율이 높은 경우 유출율이 작았다. 이는 발포율이 낮은 경우 목분 내부 침투력이 좋지만, 발포율이 증가할수록 압축공기포의 점착성이 높아져 목분내부를 침투하는 효과가 감소하기 때문이다. Fig. 14에 Overflow양과 유출율을 나타냈다.

Fig. 14

CAF Overflow of Wood Chip