복사열전달
Radiant heat transfer, also known as thermal radiation, is the process by which heat energy is transferred in the form of electromagnetic waves. Unlike conduction and convection, radiant heat transfer does not require any medium and can occur in a vacuum.
All objects emit thermal radiation based on their temperature. The higher the temperature, the more radiation is emitted. For example, the sun heats the Earth through radiant heat transfer.
Materials with high emissivity, like metals, are good radiators of heat, whereas materials with low emissivity, like glass, are poor radiators. Understanding radiant heat transfer is crucial for various applications including thermal insulation, climate control, and even in designing space missions.
복사열전달은 중간 매체가 없이 물질에 의해 방사되는 에너지이며 절대온도 0 K (캘빈, Kelvin) 보다 높은 온도를 가진 모든 물체는 복사에너지를 방사한다. 복사열전달은 중간 매 체가 없이도 일어나며 태양복사에너지와 같이 멀리 떨어진 물체사이에서도 일어나기 때문에 전도나 대류와는 완전히 다른 형태의 열전달 모드가 된다.
열복사는 파동적인 특성을 가 지는 전자기파(electro- magnetic wave)인 동시에 입자의 성질을 가지는 양자의 특성을 모두 가지고 있기 때문에 파장에 따른 영향을 받게 된다. [그림 3-16]와 같이 전자기파는 파장에 따라 다양하게 분류되고 그중 열복사(thermal radiation)는 0.1~100 ㎛파장대의 전자기파와 관계되며 바깥영역의 전자기파는 열복사와는 무관하다. 물질의 표면에서 방사되는 복사에너지는 스테판-볼츠만법칙 (stefan-boltzmann‘s law)에 의해 다음과 같이 계산된다.
Electromagnetic waves are energy waves that travel through space at the speed of light. They include radio waves, microwaves, infrared, visible light, ultraviolet, X-rays, and gamma rays. These waves differ in wavelength and frequency.
Radio waves have the longest wavelengths and are used for communication, like broadcasting radio and television. Microwaves are used for cooking and radar. Infrared waves are associated with heat; we feel them as warmth from the sun.
Visible light is the only part of the spectrum we can see with our eyes. Ultraviolet light has higher energy and can cause sunburn. X-rays penetrate the body and are used in medical imaging. Gamma rays have the shortest wavelength and highest energy, used in cancer treatment and emitted by radioactive materials.
In summary, electromagnetic waves are essential in various technology and medical fields. Understanding them helps us harness their power effectively and safely.
여기서 σ는 스테판-볼츠만 상수를 의미하고 방사율(emissivity)로 정의하고 표면특성에 따라 0에서 1사이의 방사율을 가진다. 흑체 복사(black body radiation)에서는 방사율이 1이 된다. 스테판-볼츠만 법칙에 서는 반드시 절대온도(absolute temperature)를 사용해야 한다.
일반적으로 화재에서의 복사열전달은 화염내부의 에너지 피드백을 통한 가연물의 연소율 에 직접적으로 관계할 뿐만 아니라 외부 물체로의 에너지 공급원으로써 중요한 역할을 한 다. 화염과 연소가스는 다양한 방식으로 복사열전달과 관계하게 되는데 대부분의 가스는 특 정 파장대에서 복사열을 흡수하거나 방사하는 것으로 알려져 있다.
[그림 3-17]는 대기를 통과하는 복사에너지의 투과율과 주요 가스성분에 대해 파장대별 복사에너지의 투과율을 나타낸다. 기체의 종류마다 복사에너지를 흡수하는 고유의 파장대 를 가지고 있으며 CO2의 경우 14 ㎛정도의 파장에서 많은 복사에너지를 흡수하고 있음을 보인다.
화염의 대표적인 연소생성물인 CO2와 H2O의 경우 고온 영역의 CO2는 화염복사 의 중요 근원이 되고 고체나 액체연료 표면과 같이 상대적으로 낮은 온도에서의 H2O는 화 염으로부터 연료표면으로의 복사열을 차단하는 역할을 하기도 한다
이와 대조적으로 화염에서 발생된 그을음(soot)은 일반적으로 전체 파장영역에 걸쳐 복 사열을 흡수 혹은 방출하는 특성을 가진다. 따라서 화염에서의 복사는 온도, 파장, 혼합물의 조성 및 농도에 따라 크게 영향을 받기 때문에 직접적인 해석방법보다는 근사적인 해법을 통해 화재로부터의 복사에너지를 계산하는 방식이 널리 이용된다.
일반적으로 화재에서 임의 표면에 도달하는 복사열 유속을 계산하는데 널리 이용되는 근사 식은 참여매체(연기)에 의한 복사열의 흡수나 방사를 고려하지 않고 단순 화원에서 방사되어 표면에 도달하는 복사에너지만을 평가한다.
일반적으로 널리 쓰이는 근사식은 화원을 점원( point source)으로 가정하고 점원으로부터 복사에너지는 등방(isotropic)하게 방사된다고 가 정하여 주변으로 전달되는 복사열 유속은 Modak의 단순식에 의해 다음과 같이 계산한다
점화와 화염전파
Ignition is the process where a material is heated to the point that it catches fire. This can occur through two main types: auto-ignition and piloted ignition. Auto-ignition happens without an external flame or spark, when the material reaches a high enough temperature to ignite on its own. Piloted ignition, on the other hand, requires an external source like a spark or flame.
Flame propagation is the spread of the flame through the combustible material. It involves a complex interaction between heat transfer, chemical reactions, and the flow of gases. There are two main types of flame propagation: laminar and turbulent. Laminar flame propagation occurs smoothly and predictably, while turbulent flame propagation is chaotic and irregular, often found in real-world fires.
Understanding these processes is crucial for fire safety and prevention. It helps engineers and scientists develop better materials and systems to control and extinguish fires.
점화(Ignition)는 화재의 시작인 동시에 지속적인 화염전파 및 일정한 연소상태를 유지하 기 위한 초기 화재성장에서 매우 중요한 단계로 인식된다. 점화에 따른 가연물의 안정적인 연소는 인접 가연물로의 열전달을 통하여 가연성기체의 생성을 증가시키고 이러한 가연성 기체의 증가는 화염의 성장 및 화염경계의 확대를 야기하게 된다.
따라서 본 장에서 점화와 화염전파를 지배하는 기본적인 메커니즘과 주요 영향인자에 대해 소개함으로서 화재성장의 초기단계에 대한 물리적 이해를 돕고자 한다.
화재에서의 점화는 크게 파일럿 점화(pilot ignition)과 자연점화(spontaneous ignition)의 두 가지 형태로 구분된다. [그림 3-19]에서 보는 것처럼 파일럿 점화는 가연성 연료와 공기의 혼합기(mixture gas)에 스파크나 작은 화염과 같은 순간적인 외부 에너지원이 공급되어 화염을 초기화하는 과정을 말하고 자연점화는 특정 연료농도와 온도상태에서 스파크 나 외부의 부가적인 화염 없이 자연적으로 화염을 형성하는 과정을 의미한다.
두 점화과정 모두 증발이나 열해리 등에 의해 연소 가능한 농도이상의 혼합기를 형성해야 하고 연소반응 이 이루어지기 위해서는 손실열 이상의 에너지가 외부로부터 지속적으로 공급되어야 한다