ISO 5660-1[10]에 따른 콘칼로리미터는 일정한 크기의 복사열유속에 노출된 소형 재료의 열방출률, 총방출열량, 착화시간 및 가스 발생량과 같은 화재 특성을 평가하는 대표적인 소규모 화재시험 모델로서 국내에서는 건축법에서 규정한 준불연재료와 난연재료 적합성을 평가하기 위한 기준으로 사용되고 있으며, 국외에서도 각종 건축 코드와 연구의 목적으로 빈번하게 사용되고 있다. 이 화재모델에서는 열방출률 등을 측정하기 위하여, 일반적인 유기물은 연소반응에서 산소 1 kg이 연소할 때마다 13.1 MJ의 ...
ISO 5660-1[10]에 따른 콘칼로리미터는 일정한 크기의 복사열유속에 노출된 소형 재료의 열방출률, 총방출열량, 착화시간 및 가스 발생량과 같은 화재 특성을 평가하는 대표적인 소규모 화재시험 모델로서 국내에서는 건축법에서 규정한 준불연재료와 난연재료 적합성을 평가하기 위한 기준으로 사용되고 있으며, 국외에서도 각종 건축 코드와 연구의 목적으로 빈번하게 사용되고 있다. 이 화재모델에서는 열방출률 등을 측정하기 위하여, 일반적인 유기물은 연소반응에서 산소 1 kg이 연소할 때마다 13.1 MJ의 연소열을 방출하므로 재료 연소시 감소하는 산소의 농도를 측정하면 결국 재료의 열방출률을 간접적으로 계산할 수 있다는 Thornton[21]과 Huggett[8]의 산소소모 원리(Oxygen-consumption principle)를 적용하고 있으며, 이를 위해 연소가스가 흐르는 덕트에서 일정량의 가스를 샘플링하여 산소 농도를 측정한다. 동시에 차압센서, 온도센서, 가스분석기 등 여러 가지 센서 및 측정기기가 장착되어 각 측정값이 시험 도중 실시간으로 기록된다. 가연재료의 대표적인 화재 물성인 열방출률을 보다 정확히 계산하기 위하여 측정 불확도(measurement uncertainty)에 대한 많은 연구가 이루어져 왔으며, 주로 각 센서 및 측정기기가 갖는 정확도에 기인한 개별 불확도를 결정하기 위한 연구였다[5][22][6]. 그러나 열방출률 계산에 가장 큰 영향을 미치는 산소농도 측정에 대해서는 단지 자기상형 가스분석기(paramagnetic gas analyser)의 정확도만 논의하였을 뿐, 가스 샘플링 프로브 자체가 연소가스 전체의 조성을 대표할 수 있는지 여부는 아직 검증된 바 없다. 또한 콘칼로리미터 화재모델에 기본적으로 장착되어 있는 링 프로브 이외에 HCl, HCN과 같은 독성가스 측정을 위해 추가로 푸리에변환 적외선분광광도계(FTIR)를 연소가스 덕트에 물리적으로 결합시킬 때 추가로 설치해야 하는 샘플링 프로브의 위치와 형태에 대한 연구 또한 이루어진 바가 없는 상황에서 세계 주요 화재연구기관과 기업, 대학에서는 각기 다른 위치와 형태의 샘플링 프로브를 사용하고 있어, 서로 다른 가스 샘플링 시스템에서 도출된 각 연구결과의 동등성에 의구심을 던질 수밖에 없으며 관련 표준의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 우선 콘칼로리미터 화재모델 개발 관련 논문에 대한 문헌과 함께 콘칼로리미터와 FTIR 가스분석기를 결합하여 활용하는 세계 26개 기관에 대한 설문조사를 실시하여 국제표준 없이 임의로 사용되고 있는 샘플링 프로브의 위치와 형태를 조사하였다. 전산 유체해석을 통해 콘칼로리미터 덕트를 통과하는 혼합기체의 유동 특성을 분석하고, 비연소 및 연소 실증실험을 통해 현행 링 프로브가 과연 덕트를 지나는 덕트 내 전체 연소가스의 조성을 정량적으로 대표할 수 있는지를 검증하였다. 정량적인 대표성을 덕트를 흐르는 기체의 이론적인 조성 대비 그 일부를 실제 샘플링하여 농도를 분석하여 얻은 조성의 비로 정의하였다. Ansys Fluent 전산해석 수행 결과 덕트 내 가스 혼합물의 흐름은 전 범위에서 난류 특성과 농도와 유속에 대한 비정상 상태인 특성을 가지며, 링 프로브가 삽입된 지점에서의 가스농도 균질도는 0.976로 나타났다. 이산화탄소를 사용한 실증실험 결과 링 프로브의 대표성은 94.9%, 측정값의 표준편차는 1.2%였다. 메탄 연소반응을 이용한 실증실험 결과 링 프로브의 대표성은 96.7%, 상대표준편차는 1.38%로 나타났다. FTIR 가스분석을 위해 추가로 설치하여 사용되고 있는 프로브들 가운데에서는 현행 링 프로브 50 mm 후단 위치와 전단 100 mm에 10개의 가스 흡입용 구멍을 갖는 직관형 다공성 프로브 및 이들을 조합한 프로브가 링 프로브와 동등한 수준의 대표성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 기타 조사된 프로브는 CFD 결과 농도 균질도가 0.95 미만이거나 대표성이 95% 미만 또는 상대표준편차가 1.5%를 초과하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 ISO 5660-1 콘칼로리미터 화재모델에서 사용되는 링 프로브의 대표성을 정량적으로 분석하여 그 대표성을 검증하였으며, 독성가스 분석을 위한 추가 샘플링 프로브의 표준을 정립하였다. 더 나아가 향후 연소가스 덕트가 포함된 화재시험장치에서 대표성 있는 가스 샘플링 선정을 위한 기준으로서 기준 가스를 사용한 회수율 95% 이상(2σ 수준) 및 회수율의 표준편차 1.5% 이하를 제안하였다. 이 연구결과는 현재 국제표준화기구 화재안전 분과(ISO TC92)에서 한국 주도로 개발 중인 콘칼로리미터와 FTIR 분석기의 결합 표준 개발에 반영될 예정이다.
ISO 5660-1[10]에 따른 콘칼로리미터는 일정한 크기의 복사열유속에 노출된 소형 재료의 열방출률, 총방출열량, 착화시간 및 가스 발생량과 같은 화재 특성을 평가하는 대표적인 소규모 화재시험 모델로서 국내에서는 건축법에서 규정한 준불연재료와 난연재료 적합성을 평가하기 위한 기준으로 사용되고 있으며, 국외에서도 각종 건축 코드와 연구의 목적으로 빈번하게 사용되고 있다. 이 화재모델에서는 열방출률 등을 측정하기 위하여, 일반적인 유기물은 연소반응에서 산소 1 kg이 연소할 때마다 13.1 MJ의 연소열을 방출하므로 재료 연소시 감소하는 산소의 농도를 측정하면 결국 재료의 열방출률을 간접적으로 계산할 수 있다는 Thornton[21]과 Huggett[8]의 산소소모 원리(Oxygen-consumption principle)를 적용하고 있으며, 이를 위해 연소가스가 흐르는 덕트에서 일정량의 가스를 샘플링하여 산소 농도를 측정한다. 동시에 차압센서, 온도센서, 가스분석기 등 여러 가지 센서 및 측정기기가 장착되어 각 측정값이 시험 도중 실시간으로 기록된다. 가연재료의 대표적인 화재 물성인 열방출률을 보다 정확히 계산하기 위하여 측정 불확도(measurement uncertainty)에 대한 많은 연구가 이루어져 왔으며, 주로 각 센서 및 측정기기가 갖는 정확도에 기인한 개별 불확도를 결정하기 위한 연구였다[5][22][6]. 그러나 열방출률 계산에 가장 큰 영향을 미치는 산소농도 측정에 대해서는 단지 자기상형 가스분석기(paramagnetic gas analyser)의 정확도만 논의하였을 뿐, 가스 샘플링 프로브 자체가 연소가스 전체의 조성을 대표할 수 있는지 여부는 아직 검증된 바 없다. 또한 콘칼로리미터 화재모델에 기본적으로 장착되어 있는 링 프로브 이외에 HCl, HCN과 같은 독성가스 측정을 위해 추가로 푸리에변환 적외선분광광도계(FTIR)를 연소가스 덕트에 물리적으로 결합시킬 때 추가로 설치해야 하는 샘플링 프로브의 위치와 형태에 대한 연구 또한 이루어진 바가 없는 상황에서 세계 주요 화재연구기관과 기업, 대학에서는 각기 다른 위치와 형태의 샘플링 프로브를 사용하고 있어, 서로 다른 가스 샘플링 시스템에서 도출된 각 연구결과의 동등성에 의구심을 던질 수밖에 없으며 관련 표준의 개발이 시급한 실정이다. 따라서 이 연구에서는 우선 콘칼로리미터 화재모델 개발 관련 논문에 대한 문헌과 함께 콘칼로리미터와 FTIR 가스분석기를 결합하여 활용하는 세계 26개 기관에 대한 설문조사를 실시하여 국제표준 없이 임의로 사용되고 있는 샘플링 프로브의 위치와 형태를 조사하였다. 전산 유체해석을 통해 콘칼로리미터 덕트를 통과하는 혼합기체의 유동 특성을 분석하고, 비연소 및 연소 실증실험을 통해 현행 링 프로브가 과연 덕트를 지나는 덕트 내 전체 연소가스의 조성을 정량적으로 대표할 수 있는지를 검증하였다. 정량적인 대표성을 덕트를 흐르는 기체의 이론적인 조성 대비 그 일부를 실제 샘플링하여 농도를 분석하여 얻은 조성의 비로 정의하였다. Ansys Fluent 전산해석 수행 결과 덕트 내 가스 혼합물의 흐름은 전 범위에서 난류 특성과 농도와 유속에 대한 비정상 상태인 특성을 가지며, 링 프로브가 삽입된 지점에서의 가스농도 균질도는 0.976로 나타났다. 이산화탄소를 사용한 실증실험 결과 링 프로브의 대표성은 94.9%, 측정값의 표준편차는 1.2%였다. 메탄 연소반응을 이용한 실증실험 결과 링 프로브의 대표성은 96.7%, 상대표준편차는 1.38%로 나타났다. FTIR 가스분석을 위해 추가로 설치하여 사용되고 있는 프로브들 가운데에서는 현행 링 프로브 50 mm 후단 위치와 전단 100 mm에 10개의 가스 흡입용 구멍을 갖는 직관형 다공성 프로브 및 이들을 조합한 프로브가 링 프로브와 동등한 수준의 대표성을 갖는 것으로 밝혀졌다. 기타 조사된 프로브는 CFD 결과 농도 균질도가 0.95 미만이거나 대표성이 95% 미만 또는 상대표준편차가 1.5%를 초과하는 것으로 나타났다. 본 연구를 통해 ISO 5660-1 콘칼로리미터 화재모델에서 사용되는 링 프로브의 대표성을 정량적으로 분석하여 그 대표성을 검증하였으며, 독성가스 분석을 위한 추가 샘플링 프로브의 표준을 정립하였다. 더 나아가 향후 연소가스 덕트가 포함된 화재시험장치에서 대표성 있는 가스 샘플링 선정을 위한 기준으로서 기준 가스를 사용한 회수율 95% 이상(2σ 수준) 및 회수율의 표준편차 1.5% 이하를 제안하였다. 이 연구결과는 현재 국제표준화기구 화재안전 분과(ISO TC92)에서 한국 주도로 개발 중인 콘칼로리미터와 FTIR 분석기의 결합 표준 개발에 반영될 예정이다.
Cone calorimeter according to ISO 5660-1 is the one of the most popular bench-scale physical fire model that can be utilized in order to evaluate the heat release rate, total heat release, ignition time as well as gas generation yields for a specimen under a specified external heat flux, which is us...
Cone calorimeter according to ISO 5660-1 is the one of the most popular bench-scale physical fire model that can be utilized in order to evaluate the heat release rate, total heat release, ignition time as well as gas generation yields for a specimen under a specified external heat flux, which is used to classify the fire performance of building materials in accordance with Korean building regulation. In many foreign countries the model is applied for code-based testing and/or research purposes. The principle of this fire test apparatus is an oxygen-consumption principle that most organic combustibles generate 13.1MJ of heat release per 1kg of oxygen burnt when combustion, which had been established by Thornton[21] and Huggett[8]. For the calculation of heat release, a continuous sampling of the effluents from the exhaust duct of the cone calorimeter is made. Oxygen concentration, differential pressure and temperature are measured and recorded. Heat release rate is one of the most representative fire property of a material, on which several researches have focussed how to improve the measurement uncertainty. They have mainly dealt with the uncertainty factors due to the accuracy of the related instrument and sensors[5][22][6]. However, it has rarely been evaluated whether the ring probe for gas sampling is capable of representing the compositions of the whole gas inside the exhaust duct. This study focused on the sampling performance of the ring probe. Also, the cone calorimeter apparatus is frequently connected with FTIR gas analyser in order to obtain the toxic gas generation yields at the same time with the other fire characteristics. Hydrogen chloride, hydrogen cyanide and hydrogen fluoride are of the interest for this purpose. In these trials, it was found that various types and locations of the additional probes for FTIR are being used because there have not been the international or national standard how to combine the FTIR with a cone calorimeter. In this study, international survey research was conducted for 26 participants from domestic and foreign countries in order to collect the information how FTIRs have been used with cone calorimeter focussing on the sampling location and probe type. And then computational fluid dynamic modeling was made for analyzing the flow characteristics inside the duct where 24 liter per second of air flows. CFD model was validated with carbon dioxide discharge test. The ring probe by ISO 5660-1 and the other types and locations of probes surveyed were investigated if it can represent the whole gas composition inside the duct by a series of non-combustion test using carbon dioxide and also by combustion test using methane gas. In this test, the 'representativeness' was defined as a ration of measured yield to theoretical yield of carbon dioxide. As a result, it is concluded that the gases inside the duct are turbulent flow in transient-state, that is, the velocity and concentration fluctuate by time of observations and locations, having some eddies and vortex. The uniformity index of CO2 concentration is estimated as 0.976 where ideal mixing is done as 1.0. The ring probe was verified to be capable of representing the gas composition with representativeness of 94.9% and the relative standard deviation of 1.2% in CO2 discharging test, 96.7% with 1.38%. Among the additional gas sampling probes surveyed , multi-hole probe that is located at 50 mm downstream the ring and at 100 mm upstream the ring are also acceptable in the viewpoint of representative nature. The orthogonal probe combining two probes does not show a significantly improved accuracy and relative standard deviation. Other probes showed at least one of the followings; (1) The uniformity index from CFD is less than 0.95, (2) The representativeness is less than 95% or (3) The relative standard deviation is over 1.5%. Further, it established the standard specifications on the additional sampling probe in cone calorimeter and proposed the methodology how to determine the sampling location and probe type in the small-scale fire test apparatus including the similar exhaust duct. The proposed criteria is the representativeness of over 95%(2σ level) and the relative standard deviation of less than 1.5% after preliminary screening the specifications by comparing the uniformity index in CFD. The result is to put into the future standard under development in ISO TC 92 fire safety.
Key words : Cone calorimeter, Gas sampling, Representativeness, Ring probe, FTIR, Toxic gases
Cone calorimeter according to ISO 5660-1 is the one of the most popular bench-scale physical fire model that can be utilized in order to evaluate the heat release rate, total heat release, ignition time as well as gas generation yields for a specimen under a specified external heat flux, which is used to classify the fire performance of building materials in accordance with Korean building regulation. In many foreign countries the model is applied for code-based testing and/or research purposes. The principle of this fire test apparatus is an oxygen-consumption principle that most organic combustibles generate 13.1MJ of heat release per 1kg of oxygen burnt when combustion, which had been established by Thornton[21] and Huggett[8]. For the calculation of heat release, a continuous sampling of the effluents from the exhaust duct of the cone calorimeter is made. Oxygen concentration, differential pressure and temperature are measured and recorded. Heat release rate is one of the most representative fire property of a material, on which several researches have focussed how to improve the measurement uncertainty. They have mainly dealt with the uncertainty factors due to the accuracy of the related instrument and sensors[5][22][6]. However, it has rarely been evaluated whether the ring probe for gas sampling is capable of representing the compositions of the whole gas inside the exhaust duct. This study focused on the sampling performance of the ring probe. Also, the cone calorimeter apparatus is frequently connected with FTIR gas analyser in order to obtain the toxic gas generation yields at the same time with the other fire characteristics. Hydrogen chloride, hydrogen cyanide and hydrogen fluoride are of the interest for this purpose. In these trials, it was found that various types and locations of the additional probes for FTIR are being used because there have not been the international or national standard how to combine the FTIR with a cone calorimeter. In this study, international survey research was conducted for 26 participants from domestic and foreign countries in order to collect the information how FTIRs have been used with cone calorimeter focussing on the sampling location and probe type. And then computational fluid dynamic modeling was made for analyzing the flow characteristics inside the duct where 24 liter per second of air flows. CFD model was validated with carbon dioxide discharge test. The ring probe by ISO 5660-1 and the other types and locations of probes surveyed were investigated if it can represent the whole gas composition inside the duct by a series of non-combustion test using carbon dioxide and also by combustion test using methane gas. In this test, the 'representativeness' was defined as a ration of measured yield to theoretical yield of carbon dioxide. As a result, it is concluded that the gases inside the duct are turbulent flow in transient-state, that is, the velocity and concentration fluctuate by time of observations and locations, having some eddies and vortex. The uniformity index of CO2 concentration is estimated as 0.976 where ideal mixing is done as 1.0. The ring probe was verified to be capable of representing the gas composition with representativeness of 94.9% and the relative standard deviation of 1.2% in CO2 discharging test, 96.7% with 1.38%. Among the additional gas sampling probes surveyed , multi-hole probe that is located at 50 mm downstream the ring and at 100 mm upstream the ring are also acceptable in the viewpoint of representative nature. The orthogonal probe combining two probes does not show a significantly improved accuracy and relative standard deviation. Other probes showed at least one of the followings; (1) The uniformity index from CFD is less than 0.95, (2) The representativeness is less than 95% or (3) The relative standard deviation is over 1.5%. Further, it established the standard specifications on the additional sampling probe in cone calorimeter and proposed the methodology how to determine the sampling location and probe type in the small-scale fire test apparatus including the similar exhaust duct. The proposed criteria is the representativeness of over 95%(2σ level) and the relative standard deviation of less than 1.5% after preliminary screening the specifications by comparing the uniformity index in CFD. The result is to put into the future standard under development in ISO TC 92 fire safety.
Key words : Cone calorimeter, Gas sampling, Representativeness, Ring probe, FTIR, Toxic gases
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