점화와 화염전파 (Ignition and flame spread)
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.
Ignition is recognized as the start of a fire and a very important stage in the initial fire growth to maintain continuous flame propagation and constant combustion. Stable combustion of combustibles due to ignition increases the production of combustible gases through heat transfer to adjacent combustibles, and this increase in combustible gases causes flame growth and expansion of the flame boundary.
따라서 본 장에서 점화와 화염전파를 지배하는 기본적인 메커니즘과 주요 영향인자에 대해 소개함으로써 화재성장의 초기단계에 대한 물리적 이해를 돕고자 한다.
Therefore, in this chapter, we aim to help you understand the physics of the early stages of fire growth by introducing the basic mechanisms and major influencing factors that govern ignition and flame propagation.
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.
In both ignition processes, a mixture with a concentration higher than combustible must be formed through evaporation or thermal dissociation, and for a combustion reaction to occur, energy greater than the heat loss must be continuously supplied from the outside.
화염의 형태와 가연한계 화염의 형태는 크게 예혼합화염(premixed flame)과 확산화염(diffusion flame)으로 구 분된다. 1장에서 언급한 바와 같이 예혼합 화염은 화염을 형성하기 이전에 연료와 공기가 미리 섞인 후 연료/공기의 혼합기에 점화가 일어나 화염을 형성하는 것이고 확산화염은 [그 림 3-20]와 같이 연료와 산소가 미리 섞여있지 않고 연료와 공기가 만나는 곳에 화염을 형성하는 것을 의미하고 반응영역에서는 주로 연료와 산소가 농도차이에 의한 확산에 의해 물질의 이동이 이루어지기 때문에 확산(diffusion)이라는 용어를 사용한다.
일상에서 예혼 합 화염의 대표적인 예는 휘발유 엔진이나 가스버너 등이 있고 대부분의 화재나 촛불 등이 확산화염에 속한다.
Representative examples of premixed flames in everyday life include gasoline engines and gas burners, and most fires and candles belong to diffusion flames.
가연성 액체연료의 점화
[그림 3-19]과 같이 액체연료를 가열하면 액체의 온도가 상승하여 액체연료 내 분자 간 운동이 활발해지고 증발(vaporization)이 일어난다.
연료표면 근처에서는 증발된 연료증기 와 공기가 혼합기를 형성하고 가연하한농도에 도달하게 되며 지속적으로 가열할 경우 연료 표면에서의 연료농도는 증가하여 연료증기의 농도가 100% 되는 온도에 도달하는데 이를 끓는점(boiling point)이라 한다. 따라서 액체연료의 점화는 증발과 이에 따른 연료혼합기의 형성에 큰 영향을 받는다.
Near the fuel surface, evaporated fuel vapor and air form a mixture and reach the lower flammable concentration. If heated continuously, the fuel concentration at the fuel surface increases and reaches a temperature where the concentration of fuel vapor is 100%, which is the boiling point. It is called (boiling point). Therefore, the ignition of liquid fuel is greatly affected by evaporation and the subsequent formation of the fuel mixture.
액체연료의 점화에 관한 표준실험은 개방된 용기시험(open cup test)과 폐쇄된 용기시 험(closed cup test) 방법이 사용되고 있다. 밀폐된 용기실험은 공간내부의 연료의 농도와 온도를 비교적 균일하게 할 수 있고 외부로의 열손실이 상대적으로 적기 때문에 개방된 용 기실험에 비해 인화점이 낮게 나타난다.
그러나 개방된 용기시험은 표면에서 높이방향으로 갈수록 농도와 온도가 상대적으로 낮아지나 개방된 공간으로 인해 지속적으로 외부 공기가 유입되어 점화이후의 연소특성을 관찰할 수 있다. 액체연료에 대해서는 화재점(fire point)이라는 용어가 널리 이용되는데 액체연료의 화재 점은 개방된 용기시험에서 연료증기의 점화를 유도하고 화염을 지속할 수 있는 최소온도로 서 정의된다.
However, in the open container test, the concentration and temperature decrease relatively from the surface to the height, but the open space allows external air to continuously flow in, allowing combustion characteristics after ignition to be observed. The term fire point is widely used for liquid fuels, and the fire point of a liquid fuel is defined as the minimum temperature that can induce ignition of fuel vapor and sustain a flame in an open vessel test.
일반적으로 가연성 액체연료의 위험정도는 인화점에 따라 분류되는데 대표적으로 미국의 국가 표준제도인 ANSI(American National Standards Institute)나 미방화협회 NFPA National Fire Protection Association) 규정에 따르면 액체연료의 가연성 정도를 인화점과 끓는점을 이용하여 분류하고 있다.
[표 3-6]에서 보는 것처럼 ANSI 규정의 경우 극도의 가연성연료(Extremely Flammable Liquid)를 인화점이 -6.7 ℃ 이하이거나 인화점이 60.5 ℃이하고 끓는점이 35 ℃ 이하인 액체로 분류하고 있다. NFPA에서는 인화점과 끓는 점에 따라 3단계로 구분하고 가연성이 높은 순에 따라 Class I에서 Class III까지 구분하고 있다.
고체가연물의 점화
화재가 발생하기 위해서는 가연성 물질을 가열하여 연료증기가 생성되어야 하고 기상에 서 지속적인 반응이 이루어져야 한다. 고체가연물의 경우 연료증기를 생성하기 위해서 기화 과정과 증발된 연료와 산화제 사이의 지속적인 연소반응을 일으킬 수 있는 조건이 요구된 다.
In order for a fire to occur, fuel vapor must be generated by heating combustible materials and a continuous reaction must occur in the gas phase. In the case of solid combustibles, in order to generate fuel vapor, conditions are required to enable a vaporization process and a continuous combustion reaction between the evaporated fuel and the oxidizer.
즉 연료표면에서의 열적조건이 고체물질의 점화를 결정하는 중요한 요소가 되는데 이러 한 열적조건은 표면온도로 표현되는 경우가 많다. 고체 가연물의 점화를 결정하는 주요요소 는 표면의 온도, 재료의 물성, 재료의 두께 등이 있다.
In other words, the thermal conditions on the fuel surface are an important factor in determining the ignition of solid materials, and these thermal conditions are often expressed as surface temperature. The main factors that determine the ignition of solid combustibles include surface temperature, material properties, and material thickness.
특히 가연물의 두께는 점화나 화염전 파와 밀접한 관계를 가지는데 예를 들어 나무판과 나무판을 깎아낸 대패밥을 동일한 열적 조건에서 점화시켜 보면 대패밥의 점화가 쉽게 일어남을 관찰할 수 있다.
In particular, the thickness of the combustible material is closely related to ignition and flame propagation. For example, if a wooden board and a wood shaving cut from a wooden board are ignited under the same thermal conditions, it can be observed that the shavings easily ignite.
이는 재료의 물성 은 동일하나 두께가 다르기 때문에 내부로의 열전달의 영향이 고려되기 때문에 점화온도의 차이를 보이게 된다. 일반적으로 점화에 미치는 두께의 영향은 크게 두 가지로 나뉘는데 열 적으로 두꺼운(thermally thick)것과 열적으로 얇은(thermally thin)것으로 구분하여 고려한다.
일상의 가연물에 대해 열적으로 얇은 것은 물리적 길이가 약 1~2 mm 정도의 두께를 의미하고 그 이상은 열적으로 두꺼운 것으로 간주한다.