연소범위, 연소한계(소방기술사 제119회 기출문제)

화재(연소)공학 부분은 생각보다 기술사에서 손꼽히는 빈출구간이라 대충대충 건너뛸수가 없다. 꼼꼼히 기본지식을 늘려 나만의 답안을 기술하기 위해서는... 꾸준한 고찰이 필요해 보인다. 

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<소방기술사 제119회> 연소범위 영향요소에 대하여 설명하시오.

<소방기술사 제068회> 연소한계와 연료농도, 온도의 영향을 설명하시오. 

<소방기술사 제036회> 연소한계를 설명하시오. 

연소범위(연소한계, 폭발범위)

1. 정의 

① 가연성가스와 공기가 적당한 비율로 혼합되는 특정범위에서 화염확산이 이루어지는데 이 범위를 연소범위 (연소한계, 폭발범위)라 한다.

② 가연성가스와 공기가 혼합된 상태에서도 화염확산이 되지 않는 경우가 있는데 농도 조건과 에너지조건 중에서 1가지가 부족하여 유효출돌횟수가 적기 때문이다. 

특수인화물 인화점/연소범위

비고	인화점	연소범위
디에틸에테르	- 45 ℃	1.9 ~48 %
아세트알데히드	- 38 ℃	4.1~57%
산화프로필렌	- 37 ℃	2.5~38.5 %
이황화탄소	- 30 ℃	1 ~ 50 %

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2. 연소범위의 구성

(1) 연소하한계 (LFL : Lower Flammability Limit)

① LFL은 그 농도 이하에서는 발화원과 접촉될 때도 화염전파가 일어나지 않는 공기중의 증기 또는 가스의 농도

② 연소를 일으킬 수 있는 최저농도로 온도가 증가됨에 따라 약간 감소되는 특징

③ 포화증기압성도와의 교점을 인화점으로 표시하며, 이 인화점은 해당 가연물의 착화위험성을 나타내는 지표. 

LFL 
연소 최저농도 - 온도상승 시 범위증가(완만)

 

(2) 연소상한계 (UFL : Upper Flammability Limit)

① UFL은 그 농도 이상에서는 발화원과 접촉될 때도 화염전파가 일어나지 않는 공기중의 증기 또는 가스 농도

② 연소를 일으킬 수 있는 최고농도로 온도가 증가됨에 따라 급격히 증가되는 특징

③ 포화증기압선도와의 교점을 상부인화점으로 표시하며, 이 온도는 일반적으로 30 ℃ 정도 높다. 

UFL
연소 최고농도 - 온도상승 시 범위증가(급격)

 

(3) 포화증기압선(비점)

① 좌측은 액체 또는 고체상태로 연소범위를 판단할 필요는 없고 우측이 기체 부분으로 연소범위를 판단하는 부분

② 비점(Boiling Point)이란 비등점으로 액체의 온도를 점차 높여 가면 외압(대기압)과 같아져서 끓는 점

③ 비등점이 낮을수록 증발이 쉽고 인화될 위험성이 높아진다. 

포화증기압선 = 비점 = 비등점

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3. 연소범위에 대한 영향인자.

 

(1) 산소 농도

① 산소농도가 증가하면 연소하한계는 하 방향으로 약간 넓어진다. 

② 산소농도가 증가하면 연소상한계는 상 방향으로 많이 넓어진다. 

 

(2) 불활성 가스의 농도

① 불활성 가스의 농도가 증가하면 연소하한계는 하 방향으로 약간 좁아진다. 

② 불활성 가스의 농도가 증가하면 연소상한계는 상 방향으로 많이 좁아진다. 

 

(3) 온도 

① 온도가 100 ℃ 상승하면 연소하한계는 하 방향으로 8% 넓어진다. 

② 온도가 100 ℃  상승하면 연소상한계는 상 방향으로 8% 넓어진다. 

③ 온도가 10 ℃ 상승하면 반응속도는 2배 가속된다. (Arrhenius식)

④ 온도에 따른 연소범위의 계산식

(4) 압력

① 압력이 상승하면 연소하한계는 하방향으로 약간 넓어진다. 

② 압력이 상승하면 연소상한계는 상방향으로 많이 넓어진다. 

③ 압력이 증가하면 분자간의 거리가 가까워져 유효충돌횟수의 증가로 연소범위가 넓어진다. 

 

(5) 화염의 전파방향

물질의 하부에서 점화된 경우에 상향 화염전파가 되며, 이 경우가 하향 및 측면 방향으로 화염전파보다 연소범위가 넓어진다. 

 

(6) 측정용기의 크기 -> 연소범위 실험 시 영향인자

① 측정용기가 클수록 연소범위가 넓어진다. 

② 해당물질의 연소범위를 알아도 저장용기가 크다면 연소범위는 넓어짐에 유의 

연소범위 영향인자
☞ 산불온 화력용

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인화점과 연소점(소방기술사 제102회 기출문제)