KR101107211B1 - 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법 - Google Patents

헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터널모형덕트의 화재실험에서 고온의 화재연기로 겪는 어려움을 해결하기 위한 대안으로 화재연기를 상온의 혼합가스(헬륨, 공기, 기름)를 이용하여 실제로 터널내에서 발생한 화재연기와 근접하게 재연하여 보다 정확한 데이터를 검출할 수 있도록 한 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법에 관한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 터널모형덕트와, 상기 터널모형덕트로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
터널, 혼합가스, 화재연기 재연, 공기, 헬륨, 기름

Description

헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법{A the experimental equipment and gas-mixing technique in tunnel mock-up fire experiment for railway tunnel fire usium gas}
본 발명은 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터널모형덕트의 화재실험에서 고온의 화재연기로 겪는 어려움을 해결하기 위한 대안으로 화재연기를 상온의 혼합가스(헬륨, 공기, 기름)를 이용하여 실제로 터널내에서 발생한 화재연기와 근접하게 재연하여 보다 정확한 데이터를 검출할 수 있도록 한 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법에 관한 것이다.
일반적으로 철도 터널 화재는 일반 화재에 비하여 발생률은 낮으나 과거의 사례를 볼 때 한 번 발생하게 되면 인명 및 재산의 손실이 야기되는 대형 참사로 번질 수 있다.
현재, 국내 철도 터널 화재를 위한 소방방재 설계 기술 수준은 법규 위주 설계가 대부분이다. 법규 위주의 설계는 최소한의 안전을 목적으로 법규의 세부적인 지침과 기술 기준에 의해 유연성 없는 강제적인 규제에 의한 설계로서 안전도가 고려되지 않았다.
오늘날 철도 터널의 건설은 계속 증가 추세에 있으며, 현대의 철도 운송 시스템은 철도 차량의 고속화와 철도터널의 장대화가 진행되고 있다. 이러한 점을 고려해 볼 때 철도터널 화재의 위험성은 증가하고 있다.
특히 장대터널의 경우 노선 직선화에 따른 운행거리 감소 및 운행 속도가 증가하는 장점이 있지만, 이에 반해 대피 등의 방재 성능이 감소하게 되고 터널의 장대화로 인하여 터널 시스템은 매우 복잡해지고 많은 요인들이 승객의 생명 안전에 영향을 주게 되므로 이들을 고려한 안전설계가 필요하다.
따라서, 위험도 기반의 설계 기법이 요구되고 있으며, 이를 위해서 정량적 위험도 분석이 필요한 실정이다.
또한, 장대터널에서 반드시 설치되어야 하는 구난역에 대한 설계 기술도 국내에 마련되어 있지 않아 이에 대한 설계기술 개발이 필요하다.
하지만, 이러한 화재안전기술이 단계적인 연구개발을 통해 이루어지기보다 외국의 단편적인 기술이나 혹은 관련 기술이 부족한 상태에서 이루어지고 있어 체계적이고 적극적인 연구개발이 필요하다.
더욱이 현재까지도 철도차량의 화재안전수준의 측정과 향상의 정도, 문제점의 평가 등에 대한 부분에 대해서는 특별한 대안이 없는 상황이다.
따라서, 종래에는 터널모형덕트에서 화재실험을 할 수 있는 기술은 제시된바 있다.
즉, 터널모형덕트에서 화재실험을 할 때는 100℃ 고온의 공기가 챔버에 유입되고, 그 공기를 가시화하기 위하여 기름입자가 분사된 후 연결파이프를 통해 터널하단의 화원에 해당하는 입구에서 모형터널덕트 내로 방출하여 터널내의 화재연기가 전파되는 실험을 수행하였다.
그러나, 이는 아크릴재질의 터널모형덕트의 화재실험을 수행할 때, 고온(약100℃)의 연기와 아크릴재질로 이루어진 터널모형덕트가 접하는 곳은 고온에 의해 심하게 손상되어 고온에 비교적 강한 철과 비슷한 대체물로 터널모형덕트를 제작하여야 함으로써, 모형터널을 제작하는데 많은 어려움과 비용이 소요되는 문제점이 있었다.
또한, 대부분의 화재는 300℃ 이상의 고온인데 반해 종래의 기술은 100℃ 이상의 공기로 화재연기를 묘사함으로써, 실험시의 화재연기가 실제로 화재연기 및 부력을 충분히 반영하지 못하여 실제로 터널내의 화재를 재현하기 못하여 정확한 실험 데이터를 얻을 수 없는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 화재연기를 공기와 헬륨 및 기름이 혼합된 혼합가스로 대체함으로써, 실제로 터널 화재연기와 매우 유사하게 재연할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
그리고, 헬륨과 공기 그리고 기름을 혼합한 혼합가스를 사용함으로써, 인체에 무해하여 실험자의 안전을 도모함과 동시에 고온의 화재연기를 연출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 혼합가스가 터널모형덕트로 공급되는 화원에 혼합가스의 공급을 조절하는 조절부재를 구비함으로써, 유량이 큰 터널 화재연기 및 유량이 작은 터널의 화재연기를 연출할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
한편, 300℃ 이상의 고온의 화재연기도 공기의 공급량과 헬륨의 공급량을 조절하는 방법으로 정확하게 화재연기를 재연할 수 있도록 함과 동시에 터널모형덕트의 내부가 고온의 화재연기로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 터널모형덕트와, 상기 터널모형덕트로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 터널모형덕트는 내측에 밀실이 형성되고 하부에 화원이 구비된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 혼합가스 공급부는 터널모형덕트로 혼합가스를 공급하는 챔버가 구비되고, 상기 챔버로 공기를 공급하는 공기탱크가 구비되며, 상기 챔버로 헬륨을 공급하는 헬륨텡크가 구비되고, 상기 챔버로 기름을 공급하는 기름탱크로 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 챔버에는 터널모형덕트와 연계되게 제1공급관이 구비된 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제1공급관에는 터널모형덕트의 내측으로 공급되는 혼합가스의 유량을 조절하는 조절부재가 더 구비된 것을 특징으로 한다.
나아가, 상기 챔버와 공기탱크의 사이에는 제2공급관이 구비되고, 제2공급관의 소정 위치에는 제1조절밸브가 구비된 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 챔버와 헬륨탱크의 사이에는 제3공급관이 구비되고, 제3공급관에는 제2조절밸브가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제2공급관과 제3공급관에는 유량계가 각각 구비된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 챔버와 기름탱크의 사이에는 서로 연계되게 제4공급관이 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 혼합가스는 공기와, 헬륨 그리고 기름인 것을 특징으로 한다.
한편, 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험방법에 있어서, 챔버로 공기와 헬륨을 공급하는 단계, 챔버로 공급된 공기와 헬륨을 혼합하여 혼합가스를 생산하는 단계, 혼합가스에 기름을 분사하는 단계, 혼합가스를 터널모형덕트로 공급하는 단계, 터널모형덕트로 공급된 혼합가스로 화재연기를 재연하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
이와 같이 구성된 본 발명은 화재연기를 공기와 헬륨 및 기름이 혼합된 혼합가스로 대체함으로써, 실제로 터널 화재연기와 매우 유사하게 재연할 수 있도록 하는 효과가 있다.
그리고, 헬륨과 공기 그리고 기름을 혼합한 혼합가스를 사용함으로써, 인체에 무해하여 실험자의 안전을 도모함과 동시에 고온의 화재연기를 연출할 수 있도록 하는 효과가 있다.
또한, 혼합가스가 터널모형덕트로 공급되는 화원에 혼합가스의 공급을 조절하는 조절부재를 구비함으로써, 유량이 큰 터널 화재연기 및 유량이 작은 터널의 화재연기를 연출할 수 있도록 하는 효과가 있다.
한편, 300℃ 이상의 고온의 화재연기도 공기의 공급량과 헬륨의 공급량을 조절하는 방법으로 정확하게 화재연기를 재연할 수 있도록 함과 동시에 터널모형덕트의 내부가 고온의 화재연기로 인하여 손상되는 것을 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.
이하, 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치를 보인 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치(100)는 터널 형상의 터널모형덕트(110)가 구비된다.
여기서, 상기 터널모형덕트(110)는 내측에 화재연기를 재연할 수 있도록 밀실(112)이 형성되고, 이 밀실(112)의 하부에는 화원(114)이 구비된다.
또한, 상기 터널모형덕트(110)로 혼합가스를 공급하여 화재연기를 재연할 수 있도록 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부(210)가 구비된다.
여기서, 상기 혼합가스 공급부(210)는 터널모형덕트(110)의 화원(114)에 제1공급관(222)에 의해 서로 연계되게 구비된 챔버(220)가 구비된다.
나아가, 상기 챔버(220)에는 제2공급관(232)에 의해 서로 연계되게 구비되어 공기를 챔버(220)로 공급하는 공기탱크(230)가 구비된다.
이때, 상기 공기탱크(230)의 공기를 챔버(220)로 공급하는 제2공급관(232)의 소정 위치에는 공기의 공급량을 조절하는 제1조절밸브(234)가 구비되고, 챔버(220)와 제1조절밸브(234)의 사이 제2공급관(232)에는 제1유량계(236)가 구비된다.
아울러, 상기 챔버(220)에는 제3공급관(242)에 의해 서로 연계되게 구비되어 헬륨을 챔버(220)로 공급하는 헬륨탱크(240)가 구비된다.
이때, 상기 헬륨탱크(240)의 헬륨을 챔버(220)로 공급하는 제3공급관(242)의 소정 위치에는 헬륨의 공급량을 조절하는 제2조절밸브(244)가 구비되고, 챔버(220)와 제2조절밸브(244)의 사이의 제3공급관(242)에는 제2유량계(246)가 구비된다.
그리고, 상기 챔버(220)에는 챔버(220)로 공급된 공기와 헬륨이 혼합된 혼합가스가 터널모형덕트(110)로 공급되는 과정에서 혼합가스에 식용기름이 혼합되어 공급되도록 기름을 분사하는 기름탱크(250)가 구비된다.
이때, 상기 기름탱크(250)에는 챔버(220)와 연계되도록 제4공급관(252)이 구비되어 제4공급관(252)을 통하여 챔버(220)로 식용기름이 공급되어 분사되게 된다.
이와 같이 구성된 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치에 대한 작용관계를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치의 작용관계를 보인 도면이다.
이에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치(100)는 상기 챔버(220)로 제2공급관(232)을 통하여 공기탱크(230)에 저장된 공기가 공급됨과 동시에 제3공급관(242)을 통하여 헬륨탱크(240)에 저장된 헬륨이 공급된다.
이렇게 상기 챔버(220)로 공기탱크 및 헬륨탱크(240)로부터 공기와 헬륨이 공급되게 되면 이를 챔버(220)에서 혼합하게 되어 혼합가스가 생산되게 되고, 혼합가스는 제1공급관(222)을 통하여 터널모형덕트(110)로 공급된다.
이때, 상기 챔버(220)에서 생산된 혼합가스가 터널모형덕트(110)로 공급될 때 기름탱크(250)에 저장된 기름을 제4공급관(252)을 통하여 혼합가스에 분사시켜 기름이 혼합된 상태로 터널모형덕트(110)로 공급되게 된다.
이와 같이 상기 챔버(220)에서 공기와 헬륨이 혼합되어 터널모형덕트(110)로 공급되는 과정에서 기름 입자를 분사하여 줌으로써, 화재발생시 연기의 색을 완전하게 재현할 수 있게 된다.
따라서, 화재발생시 연기는 유체역학에서 밀도차의 부력에 의해 발생하는 현상으로, 그 밀도차를 공기와 헬륨 및 기름이 혼합되어 생산된 혼합가스를 이용하여 터널의 화재연기를 가장 유사하게 재연할 수 있게 되고, 이 화재연기의 재연에서 압력이 1atm 일 때 공기와 헬륨의 혼합가스의 밀도와 온도의 측정치는 하기와 같다.
Figure 112009080356937-pat00001
한편, 공기와 헬륨 및 기름을 혼합한 혼합가스를 이용함으로써, 300℃이상의 고온으로 화재가 발생된 화재연기를 재연할 수 있게 된다.
즉, 상기 공기탱크(230)의 공기를 제1조절밸브(234)를 이용하여 일정유량을 챔버(220)로 공급하고, 헬륨탱크(240)의 헬륨은 제2조절밸브(244)의 조절에 의해 일정유량이 챔버(220)로 공급되며, 챔버(220)로 공급된 공기와 헬륨은 서로 혼합되어 제1공급관(222)을 통하여 터널모형덕트(110)로 공급될 때 연기를 재연하기 위하여 기름을 분사시킨 상태로 터널모형덕트(110)로 공급되고, 터널모형덕트(110)로 공급되는 혼합가스는 화원(114)을 통해 화재연기가 발생하는 상태를 재연할 수 있게 된다.
이때, 상기 공기탱크(230) 및 헬륨탱크(240)에서 챔버(220)로 공급되는 유량은 제1,2유량계(236)(246)에 의해 검출이 되어 일정량에 공급되도록 하고, 설정한 유량보다 많이 또는 적게 공급되는 경우에는 자동으로 제1,2조절밸브(234)(244)를 조절하여 일정량의 유량이 공급되도록 한다.
또한, 상기 터널모형덕트(110)의 화재연기 재현은 온도와 화원(114)의 크기에 따라 달라지게 된다.
이때, 온도에 따라 화재연기의 밀도가 변하는데 이러한 고온의 연기 밀도는 제1,2조절밸브(234)(244)의 조절에 의해 헬륨과 공기의 혼합비율이 조절되어 혼합가스의 밀도와 동일하게 제어하여 고온의 화재연기를 연출할 수 있게 된다.
특히, 상기 조절부재(224)를 이용하여 챔버(220)로부터 터널모형덕트(110)로 공급되는 혼합가스의 공급량을 조절하여 유량이 큰 터널의 화재연기부터 유량이 작은 터널의 화재연기까지 다양하게 화재연기를 연출할 수 있게 된다.
한편, 상기 기름탱크(250)에 저장된 기름은 인체에 무해한 식용기름을 사용함으로써, 실험자의 안전 및 상해를 입는 것을 방지할 수 있도록 함과 동시에 안전한 실험을 수행할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험의 가 스 혼합방법을 보인 블럭도이다.
이에 도시된 바와 같이 상기 공기탱크(230)에 저장된 공기와 헬륨탱크(240)에 저장된 헬륨을 챔버(220)로 공급한다.(S310)
상기 챔버(220)로 공급된 공기와 헬륨을 서로 혼합하여 혼합가스를 생산하게 된다.(S320)
상기 챔버(220)에서 공기와 헬륨이 혼합된 혼합가스에 연기가 재연되도록 기름을 분사한다.(S330)
혼합가스에 기름을 분사한 상태에서 터널모형덕트(110)로 공급하되, 챔버(220)로부터 공급되는 혼합가스는 화원(114)을 통해 터널모형덕트(110)로 공급된다.(S340)
상기 챔버(220)로부터 터널모형덕트(110)로 공급된 혼합가스는 화원(114)을 통해 화재연기가 연출되게 된다.(S350)
이때, 챔버(220)로부터 공급되는 혼합가스의 공급량을 조절하여 터널모형덕트(110)로 공급하여 유량이 큰 터널화재연기의 재연 및 유량이 작은 터널의 화재연기 재연 등 다양한 조건으로 화재연기를 재연할 수 있게 된다.
그리고, 상기 챔버(220)로 공급되는 공기 및 헬륨은 제1,2조절밸브(234)(244) 및 제1,2 유량계(236)(246)에 의해 공급량이 조절되어 화재연기의 연출을 다양하게 재연할 수 있게 된다.
상기에서는 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장 치 및 방법에 대한 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고, 이 또한 본 발명의 권리범위에 속한다.
본 발명은 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터널모형덕트의 화재실험에서 고온의 화재연기로 겪는 어려움을 해결하기 위한 대안으로 화재연기를 상온의 혼합가스(헬륨, 공기, 기름)를 이용하여 실제로 터널내에서 발생한 화재연기와 근접하게 재연하여 보다 정확한 데이터를 검출할 수 있도록 한 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치 및 가스 혼합방법에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치를 보인 도면.
도 2는 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치의 작용관계를 보인 도면.
도 3은 본 발명에 따른 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험의 가스 혼합방법을 보인 블럭도.
[도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명]
100 : 화재 모의 실험장치 110 : 터널모형덕트
112 : 밀실 114 : 화원
210 : 혼합가스 공급부 220 : 챔버
222, 232, 242, 252 : 제1,2,3,4공급관
224 : 조절부재 230 : 공기탱크
234, 244 : 제1,2조절밸브 236, 246 : 제1,2유량계
250 : 기름탱크

Claims (11)

  1. 터널모형덕트와,
    상기 터널모형덕트로 혼합가스를 공급하는 혼합가스 공급부로 이루어지되,
    상기 혼합가스 공급부는 터널모형덕트로 혼합가스를 공급하는 챔버가 구비되고,
    상기 챔버로 공기를 공급하는 공기탱크가 구비되며,
    상기 챔버로 헬륨을 공급하는 헬륨탱크가 구비되고,
    상기 챔버로 기름을 공급하는 기름탱크로 이루어진 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널모형덕트는 내측에 밀실이 형성되고 하부에 화원이 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버에는 터널모형덕트와 연계되게 제1공급관이 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제1공급관에는 터널모형덕트의 내측으로 공급되는 혼합가스의 유량을 조절하는 조절부재가 더 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버와 공기탱크의 사이에는 제2공급관이 구비되고, 제2공급관의 소정 위치에는 제1조절밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 챔버와 헬륨탱크의 사이에는 제3공급관이 구비되고, 제3공급관에는 제2조절밸브가 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제2공급관과 제3공급관에는 유량계가 각각 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 챔버와 기름탱크의 사이에는 서로 연계되게 제4공급관이 구비된 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합가스는 공기와, 헬륨 그리고, 기름인 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험장치.
  11. 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험방법에 있어서,
    챔버로 공기와 헬륨을 공급하는 단계,
    챔버로 공급된 공기와 헬륨을 혼합하여 혼합가스를 생산하는 단계,
    혼합가스에 기름을 분사하는 단계,
    혼합가스를 터널모형덕트로 공급하는 단계,
    터널모형덕트로 공급된 혼합가스로 화재연기를 재연하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 헬륨가스를 이용한 철도터널의 화재 모의 실험방법.
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