n-Heptane을 연료로 한 Cup Burner에서 HFC-23의 불꽃소화농도 모델링

김재덕, 임종성, 이윤우, 이윤용

한국과학기술연구원 CFC대체연구센터

Modelling of Flame Extinguishing Concentration of HFC-23

in a n-Heptane Fuel Cup Burner

Jae-Duck Kim, Jong Sung Lim Youn-Woo Lee and Youn Yong Lee

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

CFC Alternatives Research Center, KIST

서론

가스계 청정소화약제인 할론은 오존층 파괴물질에 관한 몬트리얼의정서에 의해 미국, 유럽, 일본 등 선진국에서는 1994년부터 생산이 중단되었고 이 의정서에 개발도상국 조항의로 가입한 우리나라는 1991년에 제정된 "오존층보호를위한특정물질의제조규제등에관한법률"에 의해 해마다 생산량을 줄이고 있으며 2010년에는 완전히 생산을 중단할 예정으로 있다.

따라서 이 할론 소화약제를 대체하기 위한 가스계 소화약제가 경쟁적으로 개발되었으며 그 중의 하나가 HFC-23이다. HFC-23은 미국의 Du Pont사가 FE-13이라는 상품명으로 개발한 전역방출방식의 소화약제로 오존파괴지수가 0이고 n-Heptane 불꽃의 소화농도가 12-13%이다. 또한 4시간동안 쥐의 50%가 사망하는 온도인 LC50은 65%이상이고 NOAEL (No Observed Adverse Effect level)은 50%로 사람이 거주하는 지역에서도 사용할 수 있는 장점이 있다. 반면에 HFC-23은 Halon-1301에 비해 밀도가 낮고 소화성능이 떨어지기 때문에 더 큰 저장고 부피가 필요하다는 점과, HFC-23의 임계온도가 25.9℃로 다른 소화약제보다 낮아 이 온도이상에서 약제방출시 방출시간이 길어지는 등의 단점이 있다.

본 고에서는 HFC-23의 불꽃 소화농도를 cup burner test장치를 설치하여 측정하고 이 소화농도를 설명하는 이론적 모델을 제시하였다.

실험

본 연구에서 사용한 불꽃소화농도 측정장치는 Hirst(1)가 발표한 장치를 일부 수정하여 사용하였으며 그 개요도를 Fig,1에 나타내었다.

공기와 HFC-23은 고압용기(1,2)에 저장되었다가 pressure regulator(3)에 의해 대기압으로 감압된 후 mass flow transducer(4)를 통해 신호를 받는 mass flow controller(5)에 의해 유량이 조절되어 mixer(6)에서 균일하게 혼합되어 cup burner하부로 주입된다. 이 때 공급되는 가스유량의 오차범위는 ±1.0%이다. Cup은 상부의 내경이 28mm, 하부의 내경이 10 mm인 방사형으로 Pyrex glass로 제작하였으며 내부에 연료로 사용되는 n-Heptane이 채워져 있다. Cup burner chimney의 하부는 스텐레스스틸-316, 상부 chimney는 Pyrex glass로 제작하였으며 내경이 84 mm, 높이가 450 mm이다. 하부 chimney에는 직경 3 mm인 glass bead를 80 mm의 높이로 충진하고 그 위에 wire mesh screen을 설치하였다. Cup burner의 연료로 사용되는 n-Heptane은 n-Heptane reservoir (8)에 저장되었다가 pump(10)에 의해 level setter(9)에 보내진 후 일부는 cup burner에 보내지고 일부는 n-Heptane reservoir로 재순환된다.

불꽃소화농도의 측정은 먼저 n-Heptane reservoir에 있는 n-Heptane을 pump를 가동하여 cup에 공급하고 level setter의 높이를 조절하여 cup의 액위를 원하는 높이에 고정시킨다. 다음에 공기를 일정한 유량으로 통과시키고 연료를 점화하여 연소반응이 정상상태에 이르도록 3분간 불꽃을 유지시킨 후 소화약제를 일정한 유량으로 공급하였다. 눈으로 소화여부를 관찰하여 불꽃이 꺼지면 소화농도로, 소화되지 않으면 비소화농도로 간주하였다.

1. Air Cylinder	6. Mixer

2. HFC-23 Cylinder	7. Cup Burner

3. Pressure Regulator	8. n-Heptane Reservoir

4. Mass Flow Transducer	9. Level Setter

5. Mass Flow Controller	10. Pump

Fig.1 Cup Burner Test Equipment

결과 및 고찰

위의 장치에서 측정한 HFC-23의 소화농도는 12.0%이었다. 이 값은 미국 NIST와 NRL(Naval Research Lab.)에서 측정한 12.0%와 같지만 Mexico Engineering Research Institute)의 12.6%, GLCC(Great Lakes Chemical Corporation)의 12.7%보다는 낮았다(2).

본 연구에 사용한 소화농도 예측 이론식은 다음과 같은 가정하에 유도하였다.

1. 총괄 소화속도는 소화약제와 연료에서 발생한 free radical사이의 반응속도와 불꽃에 공급되는 소화약제의 물질전달속도에 영향을 받는다(3).

[eqn: { 1} over { K sup *} = { 1} over { K } + { 1} over { k sub m}]	(1)

2. 불꽃에 공급되는 소화약제의 물질전달은 확산에 의해서만 이루어진다.

[eqn: { sigma C} over {sigma t } = D { sigma sup 2 C} over { sigma t sup2 }]	(2)

위 식에서 C 는 소화약제의 농도이다.

3. 연소반응속도는 불꽃내에서 n-Heptane이 분해되어 생성된 radical 농도와 소화약제로부터 생성된 radical의 농도에 영향을 받는다.

Ca = Co - KC(0,t)	(3)

이 식에서 Ca는 소화약제가 도입된 후 남은 radical농도, Co는 소화약제가 도입되지 않았을 때 연료에서 발생한 radical농도이다.

4. Bulk에 존재하는 소화약제가 화염의 표면으로 이동할 때의 속도는 Ca에 비례한다.

[eqn: D { sigma C(0,t)} over {sigma x } = alpha (C sub o - K C (0, t))]	(4)

이 식에서 □는 비례상수이다.

5. 소화가 이루어지는 순간 소화약제의 물질전달은 이루어지지 않는다.

[eqn: D { sigma C(0,t sup x )} over {sigma x } = 0]	(5)

이 식에서 tx는 소화시간이다.

식(1), (2), (5)에 다음의 무차원수를 도입하여 정리하면 식(6)을 얻는다.

□ = x/□ (□ = flame thickness)

r = t/to (to = □2/D)

U = 1 - C/C∞ (C∞ = 초기 소화약제 농도)

[eqn: { sigma U(□,r )} over {sigma r } = { sigma sup 2 U(□,r )} over {sigma □ sup 2 }]	(6)

식(6)에 초기조건 C(x,0)=C∞의 변형 C(□,0)=0와 무차원수 □=K□□/D, □=□□/□D(K-Co-C∞)를 도입하여 정리하면 식(7)을 얻는다.

[eqn: { sigma U(0,r )} over {sigma □ } + betaU(0,r) = PSI]	(7)

소화조건 □U(0,rx)/□□ =0, 초기조건 U(□,0)=0을 이용하면 식(7)의 해를 구할 수 있다.

[eqn: U(□,r) = { beta PSI} over { SQRT { pi } } INT _{ 0}^{ r} H( xi ,v) { dv} over { SQRT { v} }]	(8)

위의 식에서[eqn: H( xi ,v)=exp(- { xi sup 2} over { 4r}) + beta INT _{ 0}^{ ∞} exp[- { ( xi + eta ) sup 2} over { 4r} +beta eta]d eta] 이다.

즉 만약 소화농도 측정시 화염의 두께와 HFC-23의 확산계수를 일정하다고 가정하면 소화시간(r)과 소화농도(U)사이의 anlalytical한 관계식을 얻을 수 있으며 측정조건의 변화에 따른 소화농도 측정실험으로부터 최종적으로 소화농도를 구할 수 있다.

결론

HFC-23을 가스계 소화약제로 사용하여 n-Heptane연소시 생성된 확산불꽃의 소화농도를 cup burner를 제작하여 측정하였고 간단한 예측모델을 개발하였다.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

참고문헌

1. Hirst R. and Booth K., "Measurement of flame-extinguishing concentrations", Fire Tech. 13(4), 296 (1977)

2. NFPA, "Standard on Clean Agent Fire Extinguishing Systems" (1996)

3. Frank Kamenetsky, D. A., "Diffusion and heat transfer in chemical kinetics", Science, M. Publ. (1987)

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년