저열유속 조건의 복사열 노출에 따른 소방보호복의 열보호성능 측정에 관한 연구 Study on the Thermal Protective Performance Measurements of Fire Fighter's Protective Clothing for Low Level Radiant Heat Exposures원문보기
보호복 섬유 및 재료의 개발을 통해 나아진 단열 성능을 제공함에도 불구하고 보호복의 화상 방지는 아직도 중요한 사항이다. 화염으로부터의 보호성능을 보장받기 위해서 보호복의 정확한 성능검증이 필요하며, 열보호 특성을 정확히 파악하기 위해 ISO 등은 시험방법을 표준화하여 제시하고 있다. 하지만 대부분의 경우, 높은 열유속 조건에 대해 보호복의 열보호 성능을 시험하는 것으로 되어 있어, 고열유속에 의한 시편의 파괴가 일어나기 쉽다. 그러므로 낮은 열유속 조건에서 보호복의 열보호 성능을 측정하는 방법이 필요하며, 본 연구에서는 낮은 열유속에 대한 열보호 성능을 측정할 수 있는 화상 및 통증유발시간에 기초한 개선된 RPP(복사열 보호 성능) 지수와 그의 측정방법을 제안하였다. 또한 제안된 열보호성능 측정 방법을 실험을 통해 확인하고, 보호복의 비정상열전달특성을 파악하였다. 또한 기존의 여러 가지 열보호성능지표들과 제안지표와의 관계를 제시하였다.
보호복 섬유 및 재료의 개발을 통해 나아진 단열 성능을 제공함에도 불구하고 보호복의 화상 방지는 아직도 중요한 사항이다. 화염으로부터의 보호성능을 보장받기 위해서 보호복의 정확한 성능검증이 필요하며, 열보호 특성을 정확히 파악하기 위해 ISO 등은 시험방법을 표준화하여 제시하고 있다. 하지만 대부분의 경우, 높은 열유속 조건에 대해 보호복의 열보호 성능을 시험하는 것으로 되어 있어, 고열유속에 의한 시편의 파괴가 일어나기 쉽다. 그러므로 낮은 열유속 조건에서 보호복의 열보호 성능을 측정하는 방법이 필요하며, 본 연구에서는 낮은 열유속에 대한 열보호 성능을 측정할 수 있는 화상 및 통증유발시간에 기초한 개선된 RPP(복사열 보호 성능) 지수와 그의 측정방법을 제안하였다. 또한 제안된 열보호성능 측정 방법을 실험을 통해 확인하고, 보호복의 비정상열전달특성을 파악하였다. 또한 기존의 여러 가지 열보호성능지표들과 제안지표와의 관계를 제시하였다.
Despite advancements in the development of synthetic fibers and materials that provide better insulation, fire burn injuries remain a significant issue. To ensure adequate protection, clothing and equipment must be selected on the basis of performance. There are different standards like ISO standard...
Despite advancements in the development of synthetic fibers and materials that provide better insulation, fire burn injuries remain a significant issue. To ensure adequate protection, clothing and equipment must be selected on the basis of performance. There are different standards like ISO standards applicable to each of the various types of clothing used by fire fighters. But, in most cases, the tests are performed in the conditions of high heat flux exposure, the clothing material can be destroyed easily. Thus the effective way to investigate the protective performance for the low (radiant) heat flux conditions should be needed. Therefore improved RPP (Radiant Protective Performance) test method based on the onset of pain burn injury was suggested. Experiments were performed to verify the proposed method with current protective clothing for fire fighters and the transient heat transfer characteristics were identified, also. Moreover, several protective performance indices were acquired from experimental results to analyze their relations.
Despite advancements in the development of synthetic fibers and materials that provide better insulation, fire burn injuries remain a significant issue. To ensure adequate protection, clothing and equipment must be selected on the basis of performance. There are different standards like ISO standards applicable to each of the various types of clothing used by fire fighters. But, in most cases, the tests are performed in the conditions of high heat flux exposure, the clothing material can be destroyed easily. Thus the effective way to investigate the protective performance for the low (radiant) heat flux conditions should be needed. Therefore improved RPP (Radiant Protective Performance) test method based on the onset of pain burn injury was suggested. Experiments were performed to verify the proposed method with current protective clothing for fire fighters and the transient heat transfer characteristics were identified, also. Moreover, several protective performance indices were acquired from experimental results to analyze their relations.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
와 RPP 지수와의 관계가 대략 선형임을 확인할 수 있었고, 이들 관계에 대한 식을 제안하였다. 따라서 기존 HTI 지수 연구 결과를 RPP와 연계하여 활용할 수 있도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 저열유속 조건의 복사열 노출시 열보호성능을 효과적으로 제시할 수 있는 지표 및 측정 방법을 기존 RPP 측정방법(ASTM F 2702-08(9))을 개선하여 제안하였다. 그리고 제안한 지표 및 시험방법을 적용할 수 있는 실험장비를 제작하고, 현재 사용되는 소방 보호복 각 구성재료에 적용하여 보호복의 열보호 성능특성을 잘 나타낼 수 있음을 확인하고자 한다.
본 연구에서는 저열유속 조건의 복사열 노출에 따른 소방보호복의 열보호성능 측정방법을 기존의 연구를 바탕으로 제안하고, 실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
제안 방법
1) 저열유속에 대해 화상에 의한 고통 시작점을 이용하여 기존 고열유속에서의 RPP를 개선한 RPPOP 지표를 제안하였으며, 이를 실험을 통하여 측정하였다. 동일 조건에 대한 3회의 실험결과 반복성을 확인하였으며, RPP보다 빠르게 구할 수 있다.
제작된 열량계를 여러 입사 열유속 조건에 노출하여 시간에 따른 열량계의 온도변화를 측정하였고, 온도의 기울기가 일정한 것을 확인할 수 있다(Figure 5). 교정이 완료된 열유속계(Vatell, TG 1000-1)로 측정이 완료된 열유속 조건에 대해 전체적으로 2% 미만의 측정오차를 확인하였다(Figure 6).
그리고 제안한 지표 및 시험방법을 적용할 수 있는 실험장비를 제작하고, 현재 사용되는 소방 보호복 각 구성재료에 적용하여 보호복의 열보호 성능특성을 잘 나타낼 수 있음을 확인하고자 한다. 나아가 기존의 여러 가지 열보호성능 지표와의 관계를 분석하여 기존의 연구결과를 활용할 수 있는 방법을 제안하였다.
시편 전, 후면의 온도와 시편을 통과하는 열유속 데이터를 획득한 후 히터를 끄고 실험 장비를 상온으로 냉각시켰다. 동일 열유속 조건에 대해 3회의 반복실험을 수행하였다.
열량계를 이용한 보호복 열보호성능 시험장치는 히터, 전원 스위치, 전원 공급 장치, 열량계 이송장치 및 고정장치, 셔터(shutter), 그리고 DAQ로 구성하였다(Figure 7). 히터는 텅스텐램프(220 V/1,200 W) 8개로 구성되어있으며, 전원 공급장치(10 KVA)의 전압 조절을 통해 발열량을 제어가능하며, 일정한 열유속이 공급될 수 있도록 만들었다.
95)을 높여주었다. 이 구리원판을 단열재와 조립하여(Figure 4) 열원에 노출해 시간에 따른 온도의 변화를 측정하였고 다음 식을 활용하여 열유속을 계산하였다.
및 RPP가 되며, 이것을 실제 시험 결과로부터 구하는 예를 Figure 13에 나타내었다. 입사 열유속이 큰 경우, 측정 시간 내(60초)에 2도 화상 발생 예측 시간인 Stoll 곡선에 도달하며 RPP의 측정이 가능하지만, 입사 열유속이 낮은 경우(Figure 13의 3.8 kW/m2인 경우) Stoll 곡선에 다다르지 못하고, 따라서 이때는 곡선 맞춤(curve fitting)에 의해 RPP 값을 추정하였다.
열량계를 이용한 보호복 열보호성능 시험장치는 히터, 전원 스위치, 전원 공급 장치, 열량계 이송장치 및 고정장치, 셔터(shutter), 그리고 DAQ로 구성하였다(Figure 7). 히터는 텅스텐램프(220 V/1,200 W) 8개로 구성되어있으며, 전원 공급장치(10 KVA)의 전압 조절을 통해 발열량을 제어가능하며, 일정한 열유속이 공급될 수 있도록 만들었다. 셔터는 실험시작 전 히터의 열유속 안정화 과정 중 발생하는 열을 센서에 도달하지 못하도록 차단하는 역할을 한다.
대상 데이터
실험 시 사용한 시편은 125 mm × 110 mm 크기의 시험편을 20 ± 2 ℃ 온도, 65 ± 2% 상대습도에서 24시간 이상 컨디셔닝하였다.
실험에 사용한 소방보호복은 겉감, 중간감, 안감의 3겹으로 구성된 S사 제품이며, 각 물성치는 Table 1과 같다. 실험 시 사용한 시편은 125 mm × 110 mm 크기의 시험편을 20 ± 2 ℃ 온도, 65 ± 2% 상대습도에서 24시간 이상 컨디셔닝하였다.
이론/모형
보호복의 열보호성능을 측정하기 위해 열유속 및 시간당 저장 에너지를 동시에 측정 가능한 구리열량계(Copper calorimeter)를 ASTM F 2702-08(9)을 참고하여 제작하였다. 지름 0.
성능/효과
2) 노출 시간 및 입사 열유속이 증가할수록 통과 열유속이 증가함을 알 수 있었다. 이는 시편의 열용량과 연관을 가지게 되는데, 시편의 열용량은 거의 일정한 반면 노출 시간이 길어지거나 열유속이 증가하면 시편의 열용량 한계를 넘어가 통과 열유속이 증가되는 것으로 판단할 수 있다.
3) HTI12와 RPPop 지수 그리고 HTI24와 RPP 지수와의 관계가 대략 선형임을 확인할 수 있었고, 이들 관계에 대한 식을 제안하였다. 따라서 기존 HTI 지수 연구 결과를 RPP와 연계하여 활용할 수 있도록 하였다.
4) 본 연구에서 제작한 구리 열량계는 RPP 지수와 HTI 지수를 제공할 수 있으며, 열역학 관계식을 활용하면 열유속까지도 측정할 수 있다. 또한 제작비용도 저렴하고 제작이 간단하며, 화염접촉조건의 매우 큰 열유속에서도 사용이 가능하다.
)을 개선하여 제안하였다. 그리고 제안한 지표 및 시험방법을 적용할 수 있는 실험장비를 제작하고, 현재 사용되는 소방 보호복 각 구성재료에 적용하여 보호복의 열보호 성능특성을 잘 나타낼 수 있음을 확인하고자 한다. 나아가 기존의 여러 가지 열보호성능 지표와의 관계를 분석하여 기존의 연구결과를 활용할 수 있는 방법을 제안하였다.
지표를 제안하였으며, 이를 실험을 통하여 측정하였다. 동일 조건에 대한 3회의 실험결과 반복성을 확인하였으며, RPP보다 빠르게 구할 수 있다. 또한 기존 지표들에 비해 화상발생시간이라는 물리적 특징을 가지고 있기 때문에 값 자체를 활용하여 보호복을 개발하고, 화상방지에 대한 지침을 제공할 수 있다.
같은 입사 열유속(x축 값)에 대해 발생시간(y축 값)이 클수록(2도 화상과 통증시작 발생시간으로부터 멀리 떨어질수록) 좋은 열보호 성능을 가진다. 열유속이 높을수록 RPP 및 RPPop 지수가 감소하게 되며, 각 소재에 대해 최대 30% 정도 차이가 발생하였다. 그리고 TF 지수가 높은 Lining의 경우, RPP 및 RPPop 지수가 가장 낮음을 확인할 수 있다.
제작된 열량계를 여러 입사 열유속 조건에 노출하여 시간에 따른 열량계의 온도변화를 측정하였고, 온도의 기울기가 일정한 것을 확인할 수 있다(Figure 5). 교정이 완료된 열유속계(Vatell, TG 1000-1)로 측정이 완료된 열유속 조건에 대해 전체적으로 2% 미만의 측정오차를 확인하였다(Figure 6).
후속연구
또한 제작비용도 저렴하고 제작이 간단하며, 화염접촉조건의 매우 큰 열유속에서도 사용이 가능하다. 다만 크기가 비교적 크다는 단점이 존재해 향후 소형화를 위한 연구를 수행할 계획이며, 3 layer 복합체에 대해 공기간극이 열보호성능에 미치는 영향을 살펴볼 계획이다.
향후 연구에서는 소방보호복 관련 열보호성능에 대한 국내 기준의 수립을 위하여 다양한 조건에서의 실험을 수행하고 결과를 정리하여 국내 실정에 적합한 기준설정에 기여할 예정이다.
참고문헌 (13)
NEMA, "An Analysis on Current Conditions of Occupational Casualties of Fire Fighters 2008" (2008).
NFPA, "Fire Fighter Fatalities in the United States" (2011).
B. V. Holcombe and B. N. Hoschke, "Do Test Methods Yield Meaningful Performance Specifications?", Performance of Protective clothing, ASTM STP 900, R. L. Baker and G. C. Coletta, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia, pp. 327-339 (1986).
NFPA 1971, Standard on Protective Ensemble for Structural Firefighting (2013).
S. A. Han and Y. J. Nam, "An Exploratory Study on Domestic and International Protective Clothing Standard", J. Kor. Soc. Cloth. Ind., Vol. 10, No. 1, pp. 92-100 (2008).
D. S. Shin, Y. H. Jeon, S. M. Han, S. K. An and E. S. Lee, "Evaluation for Thermal Protective Performance of Protective Clothing", Textile Science and Engineering, Vol. 43, No. 1, pp. 16-23 (2006).
J. E. Ha, Y. H. Jeon and S. K. An, "Thermal and Moisture Transfer Properties of Fabrics Used in Protective Clothing for Welders", Textile Science and Engineering, Vol. 46, No. 2, pp. 106-112 (2009).
K. J. Yoon and K. A. Hong, "Effect of Spacer in Multi Layer Thermal Barrier of Firefighting Clothing on Thermal Property and Comfort", Textile Science and Engineering, Vol. 47, No. 6, pp. 420-425 (2010).
ASTM F2702-08, "Standard Test Method for Radiant Heat Performance of Flame Resistant Clothing Materials with Burn Injury Prediction" ASTM (2013).
J. M. Black, J. H. Hawks and A. M. Keene, "Medical-Surgical Nursing", 6th Edi., Elsevier (2001).
A. M. Stoll and M. A. Chianta, "Method and Rating System for Evaluation of Thermal Protection", Aerospace Medicine, Vol. 40, No. 11, pp. 1232-1238 (1969).
J. K. Lee and C. H. Bang, "Numerical Study on Skin Burn Injury due to Flash Flame Exposure", Fire Science and Engineering, Vol. 26, No. 5, pp. 13-20 (2012).
J. H. Veghte, "Functional Integration of Fire Fighters' Protective Clothing", Performance of Protective Clothing, ASTM STP 900, R. L. Barker and G. C. Coletta, Eds., American Society for Testing and Materials, Philadelphia,pp. 487-496 (1986).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.