[논문]대류와 복사 열원에 대한 특수방화복의 열보호 성능시험 비교

김해형; 유승준; 박평규; 김영수; 홍승태

doi:10.7731/kifse.2017.31.2.017

대류와 복사 열원에 대한 특수방화복의 열보호 성능시험 비교
Comparison of Thermal Protective Performance Test of Firefighter's Protective Clothing against Convection and radiation heat sources 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.2, 2017년, pp.17 - 23

김해형 (단국대학교 파이버시스템공학과) , 유승준 (서남대학교 환경화학공학과) , 박평규 ((주)산청 기술연구소) , 김영수 ((주)산청 기술연구소) , 홍승태 (한국소방산업기술원 소방기술연구소)

초록
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소방용 특수방화복의 열보호 성능 평가를 위해 대류와 복사 열원을 이용한 시험방법을 비교하였다. 특히 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층, 안감이 각각 열보호 성능에 미치는 영향을 대류와 복사 열원에 대해 비교하였다. 대류 열원에 대한 열보호 성능시험은 KS K ISO 9151, 복사 열원에 대한 시험은 KS K ISO 6942 그리고 대류와 복사열원을 함께 사용하는 시험은 KS K ISO 17492의 방법에 따라 수행하였다. 같은 입사 열유속 조건($80kW/m^2$)에서 시험했을 때 대류 열원에 비해 복사 열원에 대한 열전달지수($t_{12}$, $t_{24}$) 값이 보다 크게 나왔다. 이는 대류에 비해 복사에 의한 영향이 느리게 나타났음을 의미한다. 대류 열원에 대해서는 안감이 열보호 성능에 가장 크게 영향을 미쳤고 이어서 중간층, 겉감 순서였다. 그러나 복사 열원에 대해서는 안감, 겉감, 중간층 순서로 열보호 성능에 미치는 영향이 컸다. 대류와 복사는 열전달 메카니즘이 근본적으로 다르며, 열원이 달라지면 재질 구성에 따라 열보호 성능 결과가 다르게 나올 수 있다. 따라서 특수방화복의 열보호 성능을 평가하기 위해서는 대류 열원 뿐만 아니라 복사 열원에 대한 시험도 중요함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The test methods using convection (flame) and radiation heat sources were compared to evaluate the thermal protective performance of the firefighter's protective clothing. In particular, the influence of the outer shell, mid-layer, and lining constituting the firefighter's protective clothing on the thermal protective performance was compared for convection and radiation heat sources. Tests for the thermal protective performance were carried out according to KS K ISO 9151 (convection), KS K ISO 6942 (radiation), and KS K ISO 17492 (convection and radiation). When tested under the same incident heat flux conditions ($80kW/m^2$), the heat transfer index ($t_{12}$ and $t_{24}$) for the radiation heat source was higher than that for the convection heat source. This means that radiation has a lesser effect than convection. For the convection heat source, the lining had the greatest effect on the thermal protective performance, followed by the mid-layer and the outer shell. On the other hand, for the radiation heat source, the effect on the thermal protective performance was great in the order of lining, outer shell, and mid-layer. Convection and radiation have fundamentally different mechanisms of heat transfer, and different heat sources can lead to different thermal protective performance results depending on the material composition. Therefore, to evaluate the thermal protective performance of the firefighter's protective clothing, it is important to test not only the convection heat source, but also the radiation heat source.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Three mechanisms of heat transfer in fire.
그림 Figure 2. KS K ISO 9151 test apparatus (dimensions in millimeters).
표 Table 1. Threshold Time to Pain for Thermal Radiation Intensity
표 Table 2. Materials of Firefighter's Protective Clothing
표 Table 3. Standards and Experimental Conditions for Thermal Protective Performance
그림 Figure 3. KS K ISO 17492 test apparatus (dimensions in millimeters).
그림 Figure 4. KS K ISO 6942 test apparatus and source of radiation (dimensions in millimeters).
그림 Figure 5. Comparison of heat transfer index against convection heat source and combined convection (50%) and radiation (50%) heat source.
그림 Figure 6. Test specimen after thermal protective performance test.
그림 Figure 7. Layer effect on the heat transfer index against convection heat source.
그림 Figure 8. Layer effect on the heat transfer index against radiation heat source.
그림 Figure 9. Layer effect on the heat transmission factor against radiation heat source.
표 Table 4. Layer Effect on the Heat Transmission Factor Against Radiation Heat Source

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 특수방화복의 열보호 성능을 평가하기 위해서는 대류 열원 뿐만 아니라 복사 열원에 대한 시험 평가도 중요하다. 이번 연구에서는 특수방화복의 성능 평가시험에 복사 열원을 이용한 열보호 성능시험을 도입하기 위해 대류와 복사 열원을 이용한 시험 결과들을 비교하였다.

제안 방법

140 mm×140 mm 크기의 시료를 버너 상부로부터 50 mm 떨어진 위치에 고정시킨 후, 80±2 kW/m2 의 입사 열유속에 대해 열전달지수를 측정하였다.
대류와 복사 열원에 대해 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층 및 안감이 열보호 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 3겹으로 구성된 특수방화복에서 각 층의 영향을 알아 보기 위해 각각 한 층씩 제거하고 테스트를 하였다. 대류 열원에 대한 열보호 성능의 경우 안감, 중간층, 겉감 순서로 보호 성능에 미치는 영향이 컸으며, 복사 열원에 대해서는 안감, 겉감, 중간층 순서로 보호 성능에 미치는 영향이 컸다.
S사에서 제조한 특수방화복에 대해 대류와 복사열원에 대한 보호성능 실험을 하였다. 특수방화복의 재질 구성을 Table 2에 나타내었다.
대류 열원에 대해 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층 및 안감이 열보호 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 대류 열원에 대한 열보호 성능 실험은 KS K ISO 9151 기준을 적용하여 수행하였으며, 입사 열유속은 80 kW/m²였다.
대류와 복사 열원에 대해 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층 및 안감이 열보호 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 3겹으로 구성된 특수방화복에서 각 층의 영향을 알아 보기 위해 각각 한 층씩 제거하고 테스트를 하였다.
그러나 한국소방산업기술원에서 운영하고 있는「소방용 특수방화복의 KFI 인정기준」에서는 대류(불꽃) 열원에 대한 열보호 성능시험만 규정되어 있어서 개선이 요구되고 있다. 따라서 특수방화복의 성능 평가시험에 복사 열원을 이용한 열보호 성능시험을 도입하기 위해 대류와 복사 열원에 대해 시험하고 비교하였다.
모든 시료는 실험하기 전에 온도 20±2℃, 상대습도 65±2%에서 24시간 이상 컨디셔닝을 하였다.
시료의 크기는 230 mm×80 mm이며, 복사 열원으로부터 시료까지의 거리는 입사 열유 속이 40 ± 2 kW/m² 가 되는 위치로 정하였다. 복사 열원 노출시험에서는 열전달 요인(heat transmission factor, TF)을 계산하였다. 열전달 요인이란 입사 열유속(Q₀)에 대해 투과된 열유속(Q_C)의 비율로서 시험편을 통해 투과되는 열에너 지의 비율을 의미하며 식(4)와 같이 나타낸다.
복사 열원에 대해 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층 및 안감이 열보호 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 복사 열원에 대한 열보호 성능실험은 KS K ISO 6942 기준을 적용하여 수행하였으며 입사 열유속은 40 kW/m²였다.
시료의 크기는 230 mm×80 mm이며, 복사 열원으로부터 시료까지의 거리는 입사 열유 속이 40 ± 2 kW/m2 가 되는 위치로 정하였다.
전체 입사 열유속은 80 ± 2 kW/m2이며, 대류와 복사에너지의 양이 각각 50%인 조건에서 열전달지수를 측정하였다.

대상 데이터

모든 실험에서 열전달지수(온도가 12℃ 상승하는데 걸리는 시간 t₁₂와 24℃ 상승하는데 걸리는 시간 t₂₄)를 측정하였으며, 같은 조건에서 3회 실험하여 평균값을 데이터로 사용하였다. 미국과 유럽의 방화복 관련 규격은 방화복의안쪽 온도가 12℃와 24℃ 상승하는데 소요되는 시간을 중요하게 고려하는데 이는 사람이 화상을 입지 않기 위해 대피할 수 있는 시간이다⁽¹³⁾.
시료는 150 mm×150 mm 크기이며 복사 열원으로부터 127 mm 떨어진 거리에 위치한다.

이론/모형

대류 및 복사 열원 동시 노출에 대한 열보호 성능실험은 KS K ISO 17492⁽¹¹⁾기준에서 정한 방법에 따라 수행하였으며, 실험장치를 Figure 3에 나나내었다. ISO 기준에서는 복사열원으로 탄화실리콘(SiC) 발열박대를 사용한다.
대류 열원 노출에 대한 열보호 성능실험은 KS K ISO 9151⁽¹⁰⁾기준에서 정한 방법에 따라 수행하였으며, 실험 장치를 Figure 2에 나타내었다. ISO 기준에서는 버너를 이용한 불꽃을 대류 열원으로 사용한다.
대류 열원에 대해 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층 및 안감이 열보호 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 대류 열원에 대한 열보호 성능 실험은 KS K ISO 9151 기준을 적용하여 수행하였으며, 입사 열유속은 80 kW/m²였다. 3겹으로 구성된 특수방화복에서 각 층의 영향을 알아보기 위해 각각 한 층씩 제거하고 테스트를 하였으며 그 결과를 Figure 7에 나타내었다.
복사 열원 노출에 대한 열보호 성능실험은 KS K ISO 6942⁽¹²⁾ 기준에서 정한 방법에 따라 수행하였으며, 실험 장치를 Figure 4에 나타내었다. 시료의 크기는 230 mm×80 mm이며, 복사 열원으로부터 시료까지의 거리는 입사 열유 속이 40 ± 2 kW/m² 가 되는 위치로 정하였다.
복사 열원에 대해 특수방화복을 구성하는 겉감, 중간층 및 안감이 열보호 성능에 미치는 영향을 비교하였다. 복사 열원에 대한 열보호 성능실험은 KS K ISO 6942 기준을 적용하여 수행하였으며 입사 열유속은 40 kW/m²였다. Figure 7에서와 마찬가지로 각 층의 영향을 알아보기 위해 각각 한 층씩 제거하고 테스트를 하였으며 그 결과를 Figure 8에나타내었다.

성능/효과

Figure 7과 Figure 8의 결과로부터 특수방화복의 안감은 대류와 복사 열원 상관없이 열보호 성능을 유지하는데 가장 중요한 역할을 함을 알 수 있었다. 그리고 열전달 방식이 달라지면 재질 구성에 따라 열보호 성능에 미치는 영향이 달라질 수 있음을 확인하였다. 이번 실험에서는 대표적인 한 개의 특수방화복 재질 구성에 대해 실험하였으나, 향후 신소재를 적용하거나 층의 배열을 다르게 한 특수방화복 제품이 출시될 경우, 열원의 종류에 따라 열보호 성능이 다르게 나올 수 있다.
3겹으로 구성된 특수방화복에서 각 층의 영향을 알아 보기 위해 각각 한 층씩 제거하고 테스트를 하였다. 대류 열원에 대한 열보호 성능의 경우 안감, 중간층, 겉감 순서로 보호 성능에 미치는 영향이 컸으며, 복사 열원에 대해서는 안감, 겉감, 중간층 순서로 보호 성능에 미치는 영향이 컸다. 특수방화복의 안감은 대류와 복사 열원 상관없이 열보호 성능을 유지하는데 가장 중요한 역할을 하였다.
이는 대류에 비해 복사에 의한 열전달 영향이 느리게 나타났음을 의미한다. 또한 아라미드와 PTFE 필름으로 구성된 중간층이 대류 열원에 잘 견디기는 하지만 복사열에 대한 내구성이 약함을 확인하였다. 대류와 복사 열원에 대해 특수방화 복의 열보호 성능 결과가 다르게 나오는 것은 대류와 복사의 열전달 메카니즘이 근본적으로 다르기 때문이다.
213순이었다. 이와 같이 복사열에 대한 열전달 요인 값의 비교에 의해서도 안감이 열보호 성능에 가장 큰 영향을 미치며 이어서 겉감, 중간층 순서임을 확인할 수 있었다.
2초로 가장 낮았고 이어서 중간층, 겉감 순으로 열전달지수가 낮았다. 즉, 대류 열원에 대해 열보호 성능에 영향을 미치는 정도는 안감이 가장 크며, 이어서 중간층, 겉감 순서임을 알 수 있다.

후속연구

특히 복사 열원에 대한 보호 성능을 강화하기 위해서는 복사열에 대해 내구성이 약한 중간층의 재질 개선이 필요함을 앞의 결과에서 확인하였다. 복사 열원에 대한 열보호 성능시험이 도입된다면 제조 업체에서는 특수방화복의 재질 개선을 위해 더 노력할 것이며 이는 특수방화복의 품질 향상으로 이어져 소방관의 안전도 향상에 기여할 것으로 사료된다.
따라서 특수방화복의 열보호 성능을 평가하기 위해서는 대류 열원에 대한 시험 뿐만 아니라 복사 열원에 대한 시험도 반드시 필요하다. 이는 특수방화복의 품질 향상을 유도함으로써 소방대원의 화상을 줄이는데 기여할 것으로 사료된다.
그리고 열전달 방식이 달라지면 재질 구성에 따라 열보호 성능에 미치는 영향이 달라질 수 있음을 확인하였다. 이번 실험에서는 대표적인 한 개의 특수방화복 재질 구성에 대해 실험하였으나, 향후 신소재를 적용하거나 층의 배열을 다르게 한 특수방화복 제품이 출시될 경우, 열원의 종류에 따라 열보호 성능이 다르게 나올 수 있다. 따라서 특수방화복의 열보호 성능을 평가하기 위해서는 대류 열원에 대한 시험 뿐만 아니라 복사 열원에 대한 시험도 반드시 필요하다.
향후 다양한 소재를 적용한 새로운 제품이 출시될 경우, 열보호 성능이 열원의 종류에 따라서 다르게 나올 수 있을 것으로 사료된다. 따라서 특수방화복의 열보호 성능을 평가하기 위해서는 대류 열원에 대한 시험 뿐만 아니라 복사 열원에 대한 시험도 반드시 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대류에 의한 열전달에 영향을 주는 요소는 무엇인가?	대류에 의한 열전달은 표면의 형상이나 온도, 유체의 온도와 속도, 유체의 열적 물성 값 등에 의해 변화하는 함수이다. 대류에 의한 열전달량은 고온의 벽 온도(Tw)와 벽으로부터 멀리 떨어진 곳에서의 유체온도(T∞)와의 온도차(△T = Tw-T∞)에 비례하게 된다.
	화재시, 화염으로부터 소방관에게 가장 크게 영향을 미치는 열전달 요인은?	화재가 발생했을 때 화염으로부터 소방관에게 가장 크게 영향을 미치는 열전달 요인은 복사이며 이어서 대류이다. 그러나 한국소방산업기술원에서 운영하고 있는「소방용 특수방화복의 KFI 인정기준」에서는 대류(불꽃) 열원에 대한 열보호 성능시험만 규정되어 있어서 개선이 요구되고 있다.
	S사 특수방화복의 열보호 성능 시험을 통하여 확인한 결과는 무엇인가?	입사 열유속이 같은 조건(80 kW/m2)일 경우, 대류와 복사열을 같은 비율로 혼합한 열원에 대한 열전달지수(t12, t24)가 대류 열원만 사용했을 때보다 높게 나왔다. 이는 대류에 비해 복사에 의한 열전달 영향이 느리게 나타났음을 의미한다. 또한 아라미드와 PTFE 필름으로 구성된 중간층이 대류 열원에 잘 견디기는 하지만 복사열에 대한 내구성이 약함을 확인하였다. 대류와 복사 열원에 대해 특수방화복의 열보호 성능 결과가 다르게 나오는 것은 대류와 복사의 열전달 메카니즘이 근본적으로 다르기 때문이다.

참고문헌 (13)

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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).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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