정전기 관련 화재·폭발 원인변수에는 여러 가지가 존재하고 그중 물질과 관련된 최소점화에너지 통제에 관하여 공유하고자 한다.
최소점화에너지 통제
최소점화에너지는 인화성 분위기에서 화염전파를 발생시키기 위한 해당 계에서 부여되어야만 하는 에너지의 최소량으로 정의할 수 있다.
최소점화에너지 측정
지금까지 다양한 에너지원과 점화원을 활용하여 최소점화에너지 측정이 이루어지고 있는데, 가장 많이 사용되는 점화원은 전기 스파크이다. 측정방법으로는 용량성 방전형과 유도성 방전형이 있으나, 일반적으로 용량성 방전형이 사용된다.
최소점화에너지를 실험적 방법으로 측정하기 위해서는 콘덴서(C)에 충전한 에너지를 전극 간에 방전시켜, 스파크가 발생하기 전의 콘덴서(C) 전압(V)을 측정하고, 최소점화에너지는 E=CV^2 /2으로 계산하여 결정한다.
최소점화에너지와 소염거리
최소점화에너지는 전극형상과 전극거리에 크게 영향을 받는데 전극거리와 최소점화에너지 관계를 다음 <그림 1>과 같이 나타내었다.
이때 전극거리가 너무 작으면 전극의 열손실이 커져서 최소점화에너지는 급격히 증가하며, 플랜지를 포함하는 전극을 이용한 화염전파가 발생되지 않는 한계의 플랜지 틈새를 화염의 소염거리(Quenching distance)라고 한다.
<그림 1> 전극거리와 용량방전에 의한 점화에너지
한편 전극거리가 너무 커지면 점화 시 스파크 형상이 선상으로 되어 화염의 형상은 원통형으로 된다. 따라서 단위 스파크 길이 당 에너지 밀도가 감소되어 최소점화에너지는 직선형으로 증가한다. 따라서 최소점화에너지를 측정하기 위해서는 전극거리를 변화시키면서 최소값으로 결정한다.
최소점화에너지와 혼합기체의 농도
최소점화에너지는 인화성 혼합기체의 농도에 따라서 달라지기 때문에 이론적 혼합비 농도에서 최소값을 가진다고 볼 수 없다. 즉 분자량이 크고 무거운 가스일수록 Emin의 이론 혼합비로부터의 편차는 커지는데, 이는 화염면에서의 연료와 산화제 선택 확산에서 기인한다. 그리고 각종 연료와 공기의 혼합기체의 농도와 최소점화에너지 관계를 다음 <그림 2>과 같이 나타내었다.
<그림 2> 최소점화에너지와 혼합기체 온도의 관계
최소점화에너지와 혼합기체의 온도, 압력 및 거동
최소점화에너지는 혼합기체의 온도가 상승함에 따라 일반적으로 크게 감소 한다.
이때 최소점화에너지 Eig와 혼합기의 초기온도T0α 와 사이에는 Eig∝T0α의 관계가 있다. α는 인화성 가스의 종류와 조성에 따라서 –2∼-7의 값을 취하고, 최소점화에너지의 압력 의존은 Eig∝P0b의 관계가 있다. 여기서 P0는 혼합기체 압력으로 탄산수소류에서는 b≃-2이지만 반드시 일정하지는 않다.
다음 <그림 3> 및 <그림 4>은 인화성 가스증기의 최소점화에너지에 대한 온도와 압력의 영향을 나타내고 있다. 또한 혼합기체 유동 시가 정지 시보다 최소점화에너지는 커지며, 유동 방향에 따라 스파크의 발생 영향도 다르다.
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| <그림 3> 최소점화에너지와 온도의 영향 | <그림 4> 최소점화에너지와 압력의 영향 |
미스트 최소점화에너지
인화성액체의 분무로 인한 스프레이 또는 미스트의 최소점화에너지는 일반적으로 수 mJ 정도로 대부분 온도에 의존한다. 분무온도가 액체의 인화점보다는 높은 경우 미스트의 최소점화에너지는 낮아지고 인화성액체의 최소점화에너지는 0.2~0.3mJ 정도이다.
Reference : KOSHA 연구보고서 정전기 화재·폭발 원인분석을 통한 안전관리 방안 마련
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