[논문]열물성의 변화가 고체 가연물의 열분해에 미치는 영향

홍터기; 이종원; 박설현

doi:10.7731/kifse.2017.31.3.041

열물성의 변화가 고체 가연물의 열분해에 미치는 영향
Influences of changes in the Thermal Properties on Pyrolysis of Solid Combustibles 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.31 no.3, 2017년, pp.41 - 48

홍터기 (조선대학교 대학원 기계시스템공학과) , 이종원 (한국항공우주연구원 항공우주응용재료팀) , 박설현 (조선대학교 기계시스템.미래자동차 공학부)

초록
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고체 연료의 열물성 변화가 가연물의 열분해 특성에 미치는 영향을 고찰해 보기 위해서 KS F ISO 5660-1에 제시된 콘 칼로리미터 실험을 수행하였고, Fire Dynamics Simulator (FDS) 1차원 열분해 모델의 수치해석을 수행하였다. 고체 연료로는 열분해과정 중 Char를 발생시키지 않는 Poly Methyl Methacrylate (PMMA)를 사용하였으며, 문헌에 보고된 PMMA의 열물성치와 열분해 물성치를 FDS의 입력 변수로 설정하여 콘 칼로리미터 실험의 수치해석을 수행하였다. 콘 칼로리미터 실험을 통해 측정된 고체가연물의 질량 감소 결과와 일치하는 열분해 모델의 계산 결과를 바탕으로 열물성치와 열분해 물성치의 변화가 고체 가연물의 질량 감소에 어떠한 영향을 주는지를 고찰해 보았으며, 열전도계수와 비열을 상온의 상수 값으로 입력한 경우 가연물의 질량 감소의 예측에 있어 상당한 오차를 유발할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to investigate the influence of changes in the thermal properties of solid combustibles on thermal decomposition, a series of solid pyrolysis experiments were performed using a cone calorimeter specified in KS F ISO 5660-1. In the present study, Poly Methyl Methacrylate (PMMA) which does not produce Char during pyrolysis process was used as solid fuel. Results obtained from cone calorimeter experiments were compared to ones obtained from numerical analysis of Fire Dynamics Simulator (FDS) 1D pyrolysis model adopted with thermal properties of solid fuel as input parameters. Comparisons between experimentally calculated and model-predicted mass loss rate were then made to elucidate the effect of changes in the thermal properties on pyrolysis of PMMA.

주제어

표/그림 (11)

그림 Figure 1. KS F ISO 5660-1 Cone calorimeter apparatus⁽³⁾.
그림 Figure 2. Experimental results obtained from The ISO 5660 cone calorimeter test.
그림 Figure 3. Schematic diagram of ISO 5660 cone calorimeter test.
그림 Figure 4. Comparisons between measured and calculated mass and surface temperature of PMMA sample.
표 Table 1. Summary of Thermal Properties for PMMA used⁽⁶⁾
그림 Figure 5. Calculated mass as a function of time with constant input parameters, c_p and k.
그림 Figure 6. Calculated mass as a function of time with constant input parameters, c_p.
그림 Figure 7. Thermal conductivity plotted as function of temperature for Base, Ref [8], and Ref [7] cases.
그림 Figure 8. Calculated mass as function time with parameter inputs for Base, Ref [8], and Ref [7] cases.
그림 Figure 9. Calculated mass as a function of time with thermal properties at 300 ℃.
그림 Figure 10. Mass loss variations with input parameters, ρ, HRR, A and E.

AI 본문요약
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문제 정의

⁽¹⁾ 고체가연물의 질량 감소율은 식 (3)에 제시되어 있는 바와 같이 Arrhenius 식으로 바탕으로 계산하게 되므로 온도 의존성에 영향을 줄 수 있는 열물성치의 변화는 질량 감소율을 계산하는 데 있어 중요한 인자이다. 따라서 본 연구에서는 FDS 열분해 모델의 해석과정 중 온도에 따라 증감하는 열물성치의 변화가 샘플의 질량 감소율에 어떠한 영향을 주는지를 실험결과와 비교하여 분석해 보았다. 아울러, FDS 열분해 모델의 해석에 필요한 또 다른 입력 인자인 열분해 물성치(반응열, 활성화 에너지, Arrhenius 상수)의 변화에 따라 영향 받은 샘플의 질량 소모율의 변화도 실험결과와 비교하여 분석하였다.
본 연구에서는 FDS 1차원 열분해 모델을 적용하여 PMMA 샘플의 열분해 과정을 모사하고 실험결과와 비교 · 분석하고자 하였다.
따라서 본 연구에서는 선행연구의 연장선상에서 콘칼로리미터(Cone Calorimeter, KS F ISO 5660-1) 실험을 통해 측정된 고체 가연물의 질량감소를 Fire Dynamics Simulato(FDS)의 1차원 열분해 모델을 통해 해석하였다. 본 연구에서는 다른 합성수지에 비해 광범위한 열물성치 데이터가 구축되어 있어 비교적 연구가 용이한 PMMA를 사용하여 열분해 실험을 수행하였다. 아울러, PMMA는 열분해과정동안 Char를 발생시키지 않기 때문에 열분해 특성을 연구하기에 유리하다.

제안 방법

열분해 실험을 통해 PMMA의 질량 감소를 측정하였고, 고체 가연물의 열물성치 및 열분해물성의 변화가 열분해 특성에 미치는 영향을 고찰해보기 위해서 FDS 1차원 열분해 모델의 질량 감소 계산결과와 비교 · 분석해 보았다. FDS 열분해 모델에 PMMA의 열물성치와 열분해 물성치를 변수로 입력하여 계산된 질량 감소를 콘 칼로리미터 실험을 통해 측정된 결과와 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
Rhodes와 Quintiere⁽¹⁾ 는 Poly Methyl Methacrylate (PMMA) 열분해 물성치(Arrhenius 상수, 활성화 에너지, 반응열)와 열물성치(열전도계수, 비열, 밀도 등)의 값이 증감에 따라 가연물 샘플이 받는 열유속과 샘플의 두께가 질량 감소율에 어떠한 영향을 주는지를 수치적으로 해석하였다. 이 연구를 통해 고체 가연물의 열분해 물성치와 열물성치는 질량 감소율과 점화 시간에 다양한 방식을 통해 영향을 줄 수 있으며 샘플의 열적 두께에 영향을 줄 수 있다는 것을 보여주었다.
를 통해 밝혀진 바와 같이 열분해 모델에 부정확한 열물성치나 열분해 물성치를 입력한 경우, 열적 두께와 질량 감소율, 점화 시간 등의 예측에 큰 영향을 주기 때문에 정확한 예측을 위해서는 열분해 실험을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 검증이 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 선행연구의 연장선상에서 콘칼로리미터(Cone Calorimeter, KS F ISO 5660-1) 실험을 통해 측정된 고체 가연물의 질량감소를 Fire Dynamics Simulato(FDS)의 1차원 열분해 모델을 통해 해석하였다. 본 연구에서는 다른 합성수지에 비해 광범위한 열물성치 데이터가 구축되어 있어 비교적 연구가 용이한 PMMA를 사용하여 열분해 실험을 수행하였다.
Figure 4a에서 볼 수 있는 바와 같이 콘 칼로리미터 실험 결과에서는 약 200 s를 기준으로 자연 점화되어 급격하게 PMMA의 질량이 감소하지만, FDS 열분해 모델 결과에서는 자연 점화이후 연소반응으로 인한 급격한 질량 감소를 고려하지 않고 콘 히터에서 주어진 복사 열유속에만 의존하여 열분해가 일어나기 때문에 질량 감소에서 큰 차이를 보이게 된다. 따라서 콘 칼로리미터 실험결과와 FDS 열분해 모델의 계산 결과 비교는 앞서 기술한 것처럼 자연 점화가 일어나기 전 열분해 구간에서만 수행하였다. Figure 4b와 Figure 4c에 자연 발화 이전에 실험을 통해 측정된 PMMA의 질량과 표면온도와 FDS 열분해 모델를 통해 계산된 결과를 각각 도시하였다.
본 연구에서는 KS F ISO 5660-1의 규격을 만족하는 콘 칼로리미터를 이용하여 PMMA 고체 가연물의 열분해 실험을 진행하였다. 열분해 실험을 통해 PMMA의 질량 감소를 측정하였고, 고체 가연물의 열물성치 및 열분해물성의 변화가 열분해 특성에 미치는 영향을 고찰해보기 위해서 FDS 1차원 열분해 모델의 질량 감소 계산결과와 비교 · 분석해 보았다.
PMMA 샘플과 콘의 방열판 사이의 거리는 25 mm이며 열분해 실험에 적용된 환기 유동(Ventilation flow)은 24 L/s이다. 샘플의 표면온도는 샘플 홀더의 중앙에 K-type 열전대를 고정하여 데이터 수집 장치를 통해 측정하였다. 콘 히터는 50 kW/m²의 수직 방향으로 방출하도록 히터 표면의 온도를 조정하였으며, 샘플 표면의 열유속이 50 kW/m ²에 도달하는지 실험 전 열유속계를 설치하여 확인하였다.
선행연구(5-9) 를 통해 보고되어 있는 다양한 PMMA의 열물성치와 열분해 물성치를 비교 · 분석하여 최적의 물성값을 선택하고 열분해 시 고체 가연물의 질량 감소에 어떠한 영향을 주는지를 콘칼로리미터 실험에 측정된 질량 감소와 열분해 모델를 통해 예측된 결과를 비교하여 각각의 물성치의 변화가 어떠한 영향을 미치는지 정성적으로 제시하였다.
콘 히터는 50 kW/m²의 수직 방향으로 방출하도록 히터 표면의 온도를 조정하였으며, 샘플 표면의 열유속이 50 kW/m ²에 도달하는지 실험 전 열유속계를 설치하여 확인하였다. 실험의 종료는 화염의 소멸과 샘플의 질량 변화가 없는지를 관찰하여 결정하였다.
따라서 본 연구에서는 FDS 열분해 모델의 해석과정 중 온도에 따라 증감하는 열물성치의 변화가 샘플의 질량 감소율에 어떠한 영향을 주는지를 실험결과와 비교하여 분석해 보았다. 아울러, FDS 열분해 모델의 해석에 필요한 또 다른 입력 인자인 열분해 물성치(반응열, 활성화 에너지, Arrhenius 상수)의 변화에 따라 영향 받은 샘플의 질량 소모율의 변화도 실험결과와 비교하여 분석하였다. FDS 열분해 모델에 사용된 PMMA의 열물성치와 열분해 물성치는 Korver⁽⁶⁾이 제시한 값을 사용하였으며 Table 1에 정리되어 있다.
열물성치 변화가 열분해 특성을 미치는 영향을 고찰해보기 위해, Figure 4b의 PMMA 질량 감소를 계산하기 위해 입력된 열물성치 및 열분해 물성치를 Base case로 설정하고 추가 분석을 실시하였다. 추가 분석에서는 Base case에 입력한 열전도계수와 비열을 Table 1에 제시된 대표값으로 상온 상태에서 상수로 고정시켜 계산을 수행한 뒤 그 결과를 Figure 5에 도시하였다.
열분해 실험을 통해 PMMA의 질량 감소를 측정하였고, 고체 가연물의 열물성치 및 열분해물성의 변화가 열분해 특성에 미치는 영향을 고찰해보기 위해서 FDS 1차원 열분해 모델의 질량 감소 계산결과와 비교 · 분석해 보았다.
샘플의 표면온도는 샘플 홀더의 중앙에 K-type 열전대를 고정하여 데이터 수집 장치를 통해 측정하였다. 콘 히터는 50 kW/m²의 수직 방향으로 방출하도록 히터 표면의 온도를 조정하였으며, 샘플 표면의 열유속이 50 kW/m ²에 도달하는지 실험 전 열유속계를 설치하여 확인하였다. 실험의 종료는 화염의 소멸과 샘플의 질량 변화가 없는지를 관찰하여 결정하였다.
Linteris⁽²⁾ 는 PMMA의 열분해 물성치와 열물성치의 범위를 임의로 설정하고 이들의 변화가 주어진 열유속의 범위 내에서 가연물의 열분해에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 연구하였다. 하지만 PMMA의 열분해 실험과의 비교 검증 없이 1차원 열분해 모델을 이용하여 열물성치와 열분해 물성치의 변화에 따른 질량 감소율의 민감도 분석만을 수행하였다. 반면 Lee⁽³⁾은 열가소성 플라스틱, 섬유 강화 플라스틱, 목재 등의 고체 가연물을 콘칼로리미터 열분해 실험을 수행하였고 이를 통해 측정된 고체 가연물의 질량감소 결과를 정확히 예측할 수 있는 열분해 물성치와 열물성치를 열분해 모델를 통해 역산하였다.

대상 데이터

아울러, FDS 열분해 모델의 해석에 필요한 또 다른 입력 인자인 열분해 물성치(반응열, 활성화 에너지, Arrhenius 상수)의 변화에 따라 영향 받은 샘플의 질량 소모율의 변화도 실험결과와 비교하여 분석하였다. FDS 열분해 모델에 사용된 PMMA의 열물성치와 열분해 물성치는 Korver⁽⁶⁾이 제시한 값을 사용하였으며 Table 1에 정리되어 있다.
PMMA의 열분해 실험을 위해 Figure 1에 제시되어 있는 콘 칼로리미터를 사용하였다. 가열된 콘으로부터 복사 열유속이 도달하는 유효 표면적이 88.
가열된 콘으로부터 복사 열유속이 도달하는 유효 표면적이 88.4 cm2 인 PMMA 샘플 (100 (W)×100 (L)×10 (T) mm)을 홀더에 고정하였고 열분해 실험 중 샘플이 부풀어 홀더 밖으로 빠져나가는 것을 방지하기 위해 금속 메쉬를 사용하였다.

성능/효과

(1) FDS의 열분해 모델의 대표적인 입력 변수인 고체 가연물의 열전도계수와 비열을 상온의 상수 값으로 입력한 경우 가연물의 질량 감소의 예측에 있어 상당한 오차를 유발할 수 있으며, 문헌에 보고된 온도 함수로 입력하는 것이 바람직하다.
이는 온도가 상승에 함 따라 커져야 할 비열 값이 상수로 고정되어 PMMA 표면의 온도가 높아져 열분해가 촉진되기 때문이다.⁽¹⁾ 즉, 온도에 따라 변하는 PMMA의 비열의 변화를 열분해 모델에 고려하지 않은 경우 실제 측정된 고체연료의 질량 감소와는 큰 차이를 보일 수 있다.
(2) 문헌에 보고된 PMMA의 열전도계수는 유리 천이점을 기준으로 값이 상승하는 경향과 감소하는 경향으로 대비되며, 본 연구에서 콘칼리미터 실험에 사용한 PMMA 샘플의 경우 유리 천이점을 기준으로 열전도계수가 감소하는 값을 온도 함수로 입력하는 경우 질량 감소를 잘 예측하였다.
(4) FDS 열분해 모델의 계산에 또 다른 입력인자인 밀도와 Arrhenius 상수의 증감은 비교적 질량 감소를 예측에 데 큰 영향을 미치지 않았지만, 활성화 에너지와 반응열의 증감은 가연물의 질량 감소를 계산하는 데 큰 영향을 미치므로 선택에 주의를 기울여야할 것으로 판단된다.
는 Poly Methyl Methacrylate (PMMA) 열분해 물성치(Arrhenius 상수, 활성화 에너지, 반응열)와 열물성치(열전도계수, 비열, 밀도 등)의 값이 증감에 따라 가연물 샘플이 받는 열유속과 샘플의 두께가 질량 감소율에 어떠한 영향을 주는지를 수치적으로 해석하였다. 이 연구를 통해 고체 가연물의 열분해 물성치와 열물성치는 질량 감소율과 점화 시간에 다양한 방식을 통해 영향을 줄 수 있으며 샘플의 열적 두께에 영향을 줄 수 있다는 것을 보여주었다. Linteris⁽²⁾ 는 PMMA의 열분해 물성치와 열물성치의 범위를 임의로 설정하고 이들의 변화가 주어진 열유속의 범위 내에서 가연물의 열분해에 어떠한 영향을 미치는가에 대해 연구하였다.

후속연구

앞서 살펴본 선행연구^(1-4)를 통해 밝혀진 바와 같이 열분해 모델에 부정확한 열물성치나 열분해 물성치를 입력한 경우, 열적 두께와 질량 감소율, 점화 시간 등의 예측에 큰 영향을 주기 때문에 정확한 예측을 위해서는 열분해 실험을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 검증이 이루어져야 한다. 따라서 본 연구에서는 선행연구의 연장선상에서 콘칼로리미터(Cone Calorimeter, KS F ISO 5660-1) 실험을 통해 측정된 고체 가연물의 질량감소를 Fire Dynamics Simulato(FDS)의 1차원 열분해 모델을 통해 해석하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열분해 물성치의 하위 요소는 무엇인가?	Rhodes와 Quintiere(1)는 Poly Methyl Methacrylate (PMMA) 열분해 물성치(Arrhenius 상수, 활성화 에너지, 반응열)와 열물성치(열전도계수, 비열, 밀도 등)의 값이 증감에 따라 가연물 샘플이 받는 열유속과 샘플의 두께가 질량 감소율에 어떠한 영향을 주는지를 수치적으로 해석하였다. 이 연구를 통해 고체 가연물의 열분해 물성치와 열물성치는 질량감소율과 점화 시간에 다양한 방식을 통해 영향을 줄 수 있으며 샘플의 열적 두께에 영향을 줄 수 있다는 것을 보여주었다.
	고체 가연물의 열분해에서 열 방출율을 결정짓는 중요한 인자는 무엇인가?	고체 가연물의 열분해를 통해 발생된 기체 연료가 공기와 적절하게 혼합되어 일정 온도 조건에 도달하면 자연 발화되어 화염이 발생되고 가연물 표면에 열을 재공급함으로써 기체 연료의 발생을 촉진시킨다. 이 과정에서 고체 가연물이 어떠한 속도로 열분해가 일어나는지를 나타내는 질량감소율(Mass Loss Rate, MLR)은 유효 연소열과의 상관관계를 통해 가연물에서 발생되는 열방출율(Heat Release Rate, HRR)을 결정짓는 중요한 인자이다. 특히 가연물의 열분해 과정에 관여되어 있는 각종 열물성치의 상호작용을 통해 변화하는 열분해 특성에 대한 이해가 화재의 성장을 해석하고 분석하는데 있어 반드시 선행되어야 한다.
	고체 가연물의 열분해가 기체 연료의 발생을 촉진시키는 과정은 무엇인가?	특히 고체가연물의 열분해를 통해 발생되는 기체 연료의 생성과정에 대한 이해는 화재 성장을 파악하는데 중요한 요소이다. 고체 가연물의 열분해를 통해 발생된 기체 연료가 공기와 적절하게 혼합되어 일정 온도 조건에 도달하면 자연 발화되어 화염이 발생되고 가연물 표면에 열을 재공급함으로써 기체 연료의 발생을 촉진시킨다. 이 과정에서 고체 가연물이 어떠한 속도로 열분해가 일어나는지를 나타내는 질량감소율(Mass Loss Rate, MLR)은 유효 연소열과의 상관관계를 통해 가연물에서 발생되는 열방출율(Heat Release Rate, HRR)을 결정짓는 중요한 인자이다.

참고문헌 (9)

B. T. Rhodes and J. G. Quintiere, "Burning Rate and Flame Heat Flux for PMMA in a Cone Calorimeter", Fire Safety Journal, Vol. 26, No. 3, pp. 221-240 (1996).

상세보기
G. T. Linteris, "Numerical Simulations of Polymer Pyrolysis Rate: Effect of Property Variations", Fire and Materials, Vol. 35, No. 7, pp. 463-480 (2011).

상세보기
S. H. Lee, "Material Property Estimation Method Using a Thermoplastic Pyrolysis Model", Worcester Polytechnic Institute, Masters Thesis (2006).
E. Y. Park and D. S. Park, "Combustion Characteristics of Car Components Using Cone-Calorimeter", Journal of Korean Society for Atmospheric Environment, Vol. 25, No. 3, pp. 237-247 (2009).

원문보기 상세보기
J. Li and S. I. Stoliarov, "Measurement of Kinetics and Thermodynamics of the Thermal Degradation for Non-Charring Polymers", Combustion and Flame, Vol. 160, No. 7, pp. 1287-1287 (2013).

상세보기
K. T. Korver, "A Generalized Model for Wall Flame Heat Flux During Upward Flame Spread on Polymers", Department of Fire Protection Engineering, University of Maryland, Masters Thesis (2015).
R. B. Stephens, G. S. Cieloszyk and G. L. Salinger, "Thermal Conductivity and Specific Heat of Non-Crystalline Solids: Polystyrene and Polymethyl Methacrylate", Physics Letters A, Vol. 38A, No. 3, pp. 215-217 (1972).
T. Steinhaus, "Evaluation of the Thermophysical Properties of Poly (Methyl Methacrylate): A Reference Material for The Development of a Flammability Test for Micro-Gravity Environments", University of Maryland, Masters Thesis (1999).
S. I. Stoliarov, S. Crowley, R. E. Lyon and G. T, Linteris, "Prediction of the burning rates of non-charring polymers", Combustion and Flame, Vol. 158, No. 5, pp. 1068-1083, (2009).

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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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