화재의 진행 단계 및 영향을 미치는 요인들

구획실 화재는 어떤 현상이 나타나고, 어떤 단계 진행되는지 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 발화기

 

발화기는 연소의 4요소들이 서로 결합하여 연소가 시작될 때의 시기입니다.

발화의 물리적 현상은 스파크 혹은 불꽃에 의해 유도되거나 자연발화처럼 어떤 물질이 자체의 열에 의해 발화점에 이르게 됩니다. 발화 시점에서는 연소의 규모가 작고 대부분 처음 발화된 가연물에 한정됩니다. 개방된 공간이든 구획실 화재든 간에 발화의 한 형태로써 연소가 발생합니다.

 

2. 성장기

발화가 일어난 직후, 연소하는 가연물 위로 화염이 형성되기 위해 시작합니다.

화염이 커짐에 따라 주위 공간으로부터 화염이 상승하는 공간으로 공기를 끌어들이기 위해 흡입이 시작합니다.

최초 발화된 가연물의 화재가 성장할 때, 성장기 초기의 모습은 개방된 공간 화재와 유사합니다. 반면 구획실의 화염은 화재가 진행될수록 내부의 벽과 천장에 의한 먗가지 영향을 받게 됩니다.

첫 번째 영향은 화염 속으로 흡입되는 공기의 양입니다.

화재에 의해 생성된 뜨거운 가스보다 공기는 차갑기 때문에 화염이 갖고 있는 온도에 대해 냉각 효과를 가집니다. 구획실 안쪽의 가연물들은 비교적 적은 공기를 흡수하고 상대적으로 높은 화염온도를 나타냅니다. 즉, 온도는 중앙에서 벽, 그리고 구석으로 갈수록 공기 흡수율은 낮아져 더 적은 공기를 흡수하나 온도는 더 높아집니다.

이러한 요소는 화염 위에 생성되는 뜨거운 가스층의 온도에 영향을 미칩니다.

뜨거운 가스가 상승하면서 천장에 부딪히게 되면 가스는 주변부로 퍼집니다.

가스는 구획실의 벽에 도달할 때까지 계속해서 퍼지고, 벽에 도달한 후 가스는 계속 쌓이게 되어 가스층의 두께는 증가하게 되고, 이 시기의 구획실 온도는 가스가 구획실 천장과 벽을 통과하면서 생성된 열의 양과 최초 가연물의 위치, 공기 유입량 등에 의해 결정됩니다.

만약 가연물과 산소가 충분하다면 성장기는 지속될 것이고, 성장기에 있는 구획실 화재는 일반적으로 '통제된 가연물' 상황입니다.

화염의 중심으로부터 거리가 멀어지면 가스의 온도가 내려갑니다. 하지만 화재가 성장할 때 천장 부분에 있는 가스층의 온도가 높아짐에 따라 구획실 내의 전반적인 온도는 상승합니다.

 

3. 플래시오버

플래시오버는 성장기와 최성기 간의 과도기적 시기이며, 발화와 같은 현상은 아닙니다.

플래시오버 시기에 구획실 내부는 매우 급속하게 변화하는데 이때 화재는 처음 발화된 물질의 연소가 지배적인 상태로부터 구획실 내의 모든 가연성 물체의 표면이 동시 발화하는 상태로 변하게 됩니다. 성장기 천장 부분에서 발생하는 뜨거운 가스층은 발화원으로부터 멀리 떨어진 가연성 물질에 복사열을 발산합니다.

플래시오버는 화재 시 천장에 축적된 복사열이 아래로 반사하고 바닥 물건이 더 분해되어 가연성 가스 더 발생한 후 확산합니다. 확산한 가스가 실내 전체의 화염에 휩싸이는 순발연소가 발생하지만 폭발은 아닙니다.

 

4. 최성기

최성기는 구획실 내의 모든 가연성 물질이 화재와 관련됩니다.

구획실 내에서 연소하는 가연물의 최대 열량을 발산하고, 많은 양의 연소 생성 가스를 생성하는 특징이 있습니다.

발산하는 연소 생성 가스의 양과 열은 구획실의 배연구 또는 환기구의 수와 크기에 영향을 미칩니다. 다시 말해서 구획실 연소에서는 산소공급이 잘되지 않으므로 많은 양의 연소하지 않은 가스가 생성되고, 연소하지 않은 뜨거운 연소 생성 가스는 생성지에서 인접한 공간이나 구획실로 흘러 들어가게 되며, 더 풍부한 양의 산소와 만나면 발화하게 됩니다.

 

최성기는 플래시오버 직후로써 가장 격렬한 시기이며, 다량의 연소가스와 복사열을 생성합니다. 연소는 산소공급이 잘되지 않아 다량의 불완전 연소가스인 일산화탄소가 생성되고, 일산화탄소는 산소를 만나면 발화합니다. 최성기는 산소가 적지만 실온이 높아 불꽃 연소로 봅니다.

 

5. 쇠퇴기

구획실 내에 있는 이용 가능한 가연물을 소모되고, 더 탈 수 있는 물질이 줄어듦에 따라 열 발산율은 감소하여 온도가 낮아집니다.

구획실 내의 가연물을 통제되면 화재의 크기는 감소하게 됩니다. 화재의 크기가 감소하면 구획실 내의 온도는 내려가기 시작하고 타다 남은 재, 잔화물들이 일정 시간동안 구획실의 온도를 유지 또는 어느 정도 높일 수도 있습니다.

 

 

화재 진행에 영향을 미치는 요인들

 

화재 진행을 위해서는 발화기를 넘어 연소가 지속될 수 있도록 충분한 공기가 필요합니다.

배연구의 크기와 수에 따라 그 공간 내에서 유입되는 공기의 양과 뜨거운 가스층의 형성에 영향을 미쳐 화재가 어떻게 진행하는가를 결정합니다.

구획실의 크기, 형태, 천장의 높이에 따라 뜨거운 가스층의 양이 얼마만큼 형성될 수 있는지 결정됩니다.

최초 가연물의 위치는 뜨거운 가스층이 증가하는 것에 상당히 중요하고, 구획실의 중앙부에 위치하여 연소하는 가연물의 화염은 구획실의 벽이나 구석에 있는 가연물보다 더 많은 공기를 흡수합니다.

구획실에서 연소의 진행으로 인한 온도 변화는 가연물이 타면서 발산하는 에너지의 직접적 결과입니다.

질량-에너지 보존의 법칙에 따라 화재에 의해 발생하는 질량의 손실은 에너지가 빛과 열의 형태로 변환되어 존재하게 되므로 질량과 에너지는 생성되지도 파괴되지도 않습니다.

화재에서 일정 시간 동안 발산되는 열에너지 양을 열 발산율(HRR)이라 하고, 열 발산율은 불타는 가연물의 연소 시 가연물의 질량이 발산하는 열량과 일정 시간 동안 소비되는 가연물의 양과 직접적으로 관련이 있습니다.

일반적으로 저밀도 물질들은 비슷한 구성 물질의 고밀도 물질들보다 높은 열 발산율을 가지고 있어 더 빠르게 연소합니다.

 

대류: 초기 화염에서 추가로 발화하는 가연물들은 상승하는 열의 대류에 의해 전달됩니다.

전도: 뜨거운 가스가 다른 가연물의 표면 위를 지나갈 때는 열전도에 의해 다른 가연물로 전달되어 발화가 일어납니다.

복사: 구획실에서 성장기에서 최성기로 화재가 성장하면서 중요한 역할을 합니다.

뜨거운 가스층이 천장 부분에서 형성될 때, 연기 속에 들어 있는 뜨거운 미립자들은 구획실에 있는 다른 가연물들로 에너지를 방사합니다.

이렇게 발화원에서 떨어져 복사가 전달될 수 있는 가연물들은 때때로 '표적 가연물이라고 불립니다. 복사에너지가 증가하게 되면 표적 가연물은 열분해 반응을 시작하고, 가연성 가스를 발산하기 위해 시작합니다. 그 이후 구획실 내의 온도가 가연성 가스의 발화온도에 도달하게 되면 방 전체는 화재로 휩싸여 플래시오버가 발생합니다.