정전기 방전과 용량 불꽃 방전법에 따른 최소 점화(착화)에너지

 정전기방전에 의한 최소점화에너지를 알아야 하는 이유는 정전기가 산업현장에서 화재·폭발을 일으킬 수 있는 점화원이기 때문이다.

최소점화에너지 : 정전기 방전에 의해 가연성 혼합물이 점화되는 데 필요한 최소 에너지

 

 인화성 액체의 이송 및 주입, 가연성 분체의 취급, 물질 간 마찰 등의 작업에서는 정전기가 발생하고 축적될 수 있다. 이렇게 축적된 정전기가 방전되면 불꽃이 발생하며, 주변에 가연성 가스·증기 또는 분진이 공기와 혼합된 폭발성 분위기가 형성되어 있는 경우 화재·폭발로 이어질 수 있다.

 

 이때 가연성 물질마다 점화에 필요한 에너지가 다르므로 최소점화에너지를 파악하는 것이 중요하다. 최소점화에너지는 해당 물질이 정전기 방전에 의해 점화되는 데 필요한 최소 에너지를 의미하며, 그 값이 작을수록 적은 에너지의 정전기 방전에도 점화될 가능성이 높아 위험성이 커진다.

 

 따라서 최소점화에너지와 실제 발생 가능한 정전기 방전 에너지를 비교함으로써 점화 위험성을 평가할 수 있으며, 이를 바탕으로 접지 및 본딩, 도전성 재료 사용, 정전기 발생 억제, 전하 축적 방지 등의 예방대책을 수립할 수 있다. 또한 용량불꽃방전법에 따른 에너지 계산식을 이해하면 축전기에 저장된 정전기 에너지를 정량적으로 산출할 수 있다.

 

최소점화에너지(Minimum Ignition Energy, MIE)

 

 최소점화에너지(Minimum Ignition Energy, MIE)란 가연성 가스, 증기 또는 분진이 공기와 혼합되어 폭발성 분위기를 형성하고 있을 때, 정전기 방전으로 발생한 불꽃이 해당 혼합물을 점화시키는 데 필요한 최소한의 에너지를 말한다.

 

용량불꽃 방전법에 따른 최소 점화 에너지 식

 

불꽃방전의 에너지는 도전성 물체의 정전용량과 전위 또는 방출되는 전하의 양으로부터 결정되며, 아래와 같다.

최소 점화 에너지 식

W :  에너지 [ J ]

C : 정전용량 [ F ]

V : 전위차 [ V ]

Q : 전하 [ C ]

 

 

 용량불꽃 방전법에 따른 최소 점화(착화) 에너지 식 : 축전기에 전하를 축적한 후 두 전극 사이에서 불꽃방전을 발생시켜 가연성 혼합물의 점화 여부를 시험하며, 축전기에 저장된 에너지를 이용하여 최소점화에너지를 산출한다.

 

용량불꽃방전법(Capacitive Spark Discharge Method)

축전기(콘덴서)에 전하를 축적한 후, 두 전극 사이에서 불꽃방전을 발생시켜 가연성 혼합물의 점화 여부를 확인하는 시험방법이다.

 

 

용량불꽃방전법 시험 과정

 

 보스 머신과 같은 정전기 발생 장치를 이용하여 전하를 발생시키고, 축전기에 전하를 축적하면 축전기 양단의 전압이 상승한다. 축전기에 저장되는 전하량은 Q=CV이며, 저장 에너지는 W=1/2 * C * V^2로 계산한다.

1. 가연성 물질과 공기를 일정한 조건으로 혼합한다.

2. 축전기에 정해진 전압을 충전한다.

3. 전극 사이에서 축전기를 방전시켜 불꽃을 발생시킨다.

4. 가연성 혼합물의 점화 여부를 확인한다.

5. 충전전압 또는 정전용량을 변경하여 점화 여부를 반복 시험한다.

6. 점화가 발생하는 최소 에너지 조건을 확인한다.