소방보호복은 고열유속에 의한 화상방지를 위해 3층 이상의 복합소재로 구성되어 있으며, 각 소재 사이는 공기 간극이 존재한다. 화재에 의한 고열유속 노출 시 공기 간극 내에서의 열전달은 대류와 복사에 의해 주로 발생하며, 그로 인해 간극의 크기에 따라서 비선형 특징의 열 저항 크기를 갖게 된다. 그러므로 본 연구에서는 보호복 소재 사이의 여러 가지 공기 간극(0~7 mm)에 대한 보호복의 열 보호성능을 자세히 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 복사 열 유속 입사시에 시간에 따른 각 소재의 온도 변화뿐만 아니라, 열 보호성능을 가장 효과적으로 나타낼 수 있는 지표(Radiant Protective Performance, RPP) 값의 공기간극에 대한 변화 특성을 파악하였다. 공기간극이 증가할수록 단열효과가 커짐으로 인해 후면의 온도는 낮아지고, RPP는 커짐을 확인할 수 있었다. 특히 일정 열유속 조건에서 공기간극에 대한 RPP 값은 선형적인 특성을 나타내었고, 그러한 결과를 바탕으로 다양한 입사 열유속 및 공기 간극 조건에 대해 비교적 간단한 형태의 RPP 지표 예측 식을 제안하였고, 좋은 예측 결과를 얻을 수 있었다.
소방보호복은 고열유속에 의한 화상방지를 위해 3층 이상의 복합소재로 구성되어 있으며, 각 소재 사이는 공기 간극이 존재한다. 화재에 의한 고열유속 노출 시 공기 간극 내에서의 열전달은 대류와 복사에 의해 주로 발생하며, 그로 인해 간극의 크기에 따라서 비선형 특징의 열 저항 크기를 갖게 된다. 그러므로 본 연구에서는 보호복 소재 사이의 여러 가지 공기 간극(0~7 mm)에 대한 보호복의 열 보호성능을 자세히 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 복사 열 유속 입사시에 시간에 따른 각 소재의 온도 변화뿐만 아니라, 열 보호성능을 가장 효과적으로 나타낼 수 있는 지표(Radiant Protective Performance, RPP) 값의 공기간극에 대한 변화 특성을 파악하였다. 공기간극이 증가할수록 단열효과가 커짐으로 인해 후면의 온도는 낮아지고, RPP는 커짐을 확인할 수 있었다. 특히 일정 열유속 조건에서 공기간극에 대한 RPP 값은 선형적인 특성을 나타내었고, 그러한 결과를 바탕으로 다양한 입사 열유속 및 공기 간극 조건에 대해 비교적 간단한 형태의 RPP 지표 예측 식을 제안하였고, 좋은 예측 결과를 얻을 수 있었다.
To ensure adequate protection from the risk of burns, fire fighter's turnout has a composite of more than three components and air gaps between layers of materials. During the flame exposure, radiation and convection heat transfer occurs in the air gap, thus the air gap acts as a thermal resistance ...
To ensure adequate protection from the risk of burns, fire fighter's turnout has a composite of more than three components and air gaps between layers of materials. During the flame exposure, radiation and convection heat transfer occurs in the air gap, thus the air gap acts as a thermal resistance with non-linear characteristics. Therefore, in this study, the experiments were performed to identify the effect of various air gap width (0~7 mm) on the thermal protective performance of fire fighter's clothing. The temperatures on each layer and RPP (Radiant Protective Performance, the most effective index representing the thermal protective performance) were measured with various incident radiant heat fluxes. The temperature at the rear surface of the garment decreased and RPP increased with increasing air gap width because the thermal resistance increased. Especially, it could be found that RPP value and air gap width has almost linear relation for the constant incident heat flux conditions. Thus relatively simple RPP predictive equation was suggested for various incident heat flux and air gap conditions.
To ensure adequate protection from the risk of burns, fire fighter's turnout has a composite of more than three components and air gaps between layers of materials. During the flame exposure, radiation and convection heat transfer occurs in the air gap, thus the air gap acts as a thermal resistance with non-linear characteristics. Therefore, in this study, the experiments were performed to identify the effect of various air gap width (0~7 mm) on the thermal protective performance of fire fighter's clothing. The temperatures on each layer and RPP (Radiant Protective Performance, the most effective index representing the thermal protective performance) were measured with various incident radiant heat fluxes. The temperature at the rear surface of the garment decreased and RPP increased with increasing air gap width because the thermal resistance increased. Especially, it could be found that RPP value and air gap width has almost linear relation for the constant incident heat flux conditions. Thus relatively simple RPP predictive equation was suggested for various incident heat flux and air gap conditions.
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문제 정의
그러므로 본 연구에서는 소재 사이의 여러 가지 공기 간극에 대한 보호복의 열보호성능을 각 소재에 대한 온도 측정 뿐만 아니라, 열보호성능을 가장 효과적으로 나타낼 수 있는 지표(RPP) 값의 측정 및 변화 특성을 파악하고, 나아가 공기 간극 값에 따른 RPP 지표 예측식을 제안하고자 하였다.
제안 방법
실험 시 사용한 시편은 125 mm × 110 mm 크기의 시험편을 20 ± 2 ℃ 온도, 65 ± 2% 상대습도에서 24시간 이상 컨디셔닝 하였다. 공기간극의 효과를 측정하기 위해 각각의 시편 층 사이에 Spacer를 두고 3, 5, 7 mm의 공기층을 동일하게 형성하여 공기층이 없는 경우의 결과와 비교하였다.
(4)과 ASTM F2702-08(9)에 나타나 있다. 이 지표는 기존 지표들에 비해 화상발생시간이라는 물리적 특징을 가지고 있기 때문에 값 자체를 활용하여 보호복을 개발하고, 화상방지에 대한 지침을 제공할 수 있는 유용한 지표로 본 논문에서도 RPP 지표를 활용하여 보호복의 열보호성능을 판단하였다.
대상 데이터
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 컨디셔닝 하였다.
(4)에 상세히 나타내었다. 열량계를 이용한 보호복 열보호성능 시험장치는 히터, 전원 스위치, 전원 공급 장치, 열량계 이송장치 및 고정장치, 셔터(shutter), 그리고 DAQ로 구성하였다(Figure 2). 히터는 텅스텐램프(220 V/1,200 W) 8개로 구성되어있으며, 전원 공급장치(10 KW)의 전압 조절을 통해 발열량을 제어가능 하며, 일정한 열유속이 공급될 수 있도록 만들었다.
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. 열량계에 대한 보정은 Lee et al.
성능/효과
1) 공기간극이 커질수록 시편의 개별온도는 낮아지는 것을 확인 할 수 있었다. 이는 공기간극이 열저항으로 작용하여 열전달량을 줄여 준다고 볼 수 있다.
2) 동일 열유속 조건에서 공기간극이 증가할수록 열보호지수가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 열보호지수를 공기간극과 입사 열유속간의 간단한 선형관계식의 형태로 제시하였고, RPP 지수를 대략적으로 예측할 수 있는 기반을 마련하였다.
3) RPP 지수와 HTI 지수의 관계는 선형적으로 증가하는 양상을 보이며, 관계식으로 간단하게 나타낼 수 있었다. 비교적 간단히 측정가능한 HTI 지수를 측정하면 측정이 상대적으로 힘든 RPP 지수를 대략적으로 예측 할 수 있으므로 매우 유용하다고 할 수 있다.
2) 동일 열유속 조건에서 공기간극이 증가할수록 열보호지수가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 열보호지수를 공기간극과 입사 열유속간의 간단한 선형관계식의 형태로 제시하였고, RPP 지수를 대략적으로 예측할 수 있는 기반을 마련하였다. 이러한 결과를 토대로 다른 시편의 경우에도 계산식을 도출해내 RPP 및 RPPop 결과를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
3) RPP 지수와 HTI 지수의 관계는 선형적으로 증가하는 양상을 보이며, 관계식으로 간단하게 나타낼 수 있었다. 비교적 간단히 측정가능한 HTI 지수를 측정하면 측정이 상대적으로 힘든 RPP 지수를 대략적으로 예측 할 수 있으므로 매우 유용하다고 할 수 있다.
후속연구
공기간극과 주입열유속을 통해 식을 유도할 수 있다. 위의 식은 본 실험에 사용된 소방보호복에 한정된 결과이기는 하나, 공기간극과 입사열유속에 대한 소방보호복의 열보호성능을 1개의 식 형태로 간단하게 표현할 수 있다는 것을 보여주는 결과이며, 소방보호복의 재질이 변경되더라도 위 식의 형태를 기반으로 변수들만 변경을 하여 사용할 수 있을 것으로 사료되어, 소방 보호복 개발시 매우 유용하게 적용이 될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 열보호지수를 공기간극과 입사 열유속간의 간단한 선형관계식의 형태로 제시하였고, RPP 지수를 대략적으로 예측할 수 있는 기반을 마련하였다. 이러한 결과를 토대로 다른 시편의 경우에도 계산식을 도출해내 RPP 및 RPPop 결과를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
소방보호복의 구조 특징은?
소방보호복은 고열유속에 의한 화상방지를 위해 3층 이상의 복합소재로 구성되어 있으며, 각 소재 사이는 공기 간극이 존재한다. 화재에 의한 고열유속 노출 시 공기 간극 내에서의 열전달은 대류와 복사에 의해 주로 발생하며, 그로 인해 간극의 크기에 따라서 비선형 특징의 열 저항 크기를 갖게 된다.
참고문헌 (10)
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