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판형 열유속계의 소형화에 따른 공간 해상도 개선에 관한 연구
A Study on the Improvement of Spatial Resolution with Miniaturization of Plate Thermometer 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.33 no.2, 2019년, pp.39 - 46  

윤홍석 (대전대학교 대학원 방재학과 대학원) ,  한호식 (대전대학교 대학원 방재학과 대학원) ,  황철홍 (대전대학교 소방방재학과)

초록
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화재환경에서 열유속 측정을 위해 사용되는 판형 열유속계의 측정 오차 및 소형화를 통한 공간 해상도 개선에 관한 실험적 연구가 수행되었다. 주요 결과로서, Plate의 뒷면에 설치되는 단열재의 두께 및 밀도 변화에 따른 측정값 분석을 통해, 판형 열유속계의 측면으로의 열손실이 측정오차에 큰 영향을 줄 수 있음이 확인되었다. 또한 기존 10 cm 크기의 정사각형 형상을 기준으로 소형화를 통해 3 cm 크기의 판형 열유속계도 충분히 정확한 열유속 측정이 가능함을 확인하였다. 본 연구결과는 화재환경에서 보다 정확한 국소 위치의 열유속 측정을 위해 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study assessed the measurement errors and improvement of the spatial resolution through miniaturization of the plate thermometer used to measure the heat flux in a fire environment. As a result, the heat loss to the side of plate thermometer was found to have a significant influence on the meas...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 기존 형상의 PT가 갖는 본질적 오차인 열손실의 영향을 감소시키고, 소형화를 통해 공간해상도를 개선하기 위한 실험적 연구가 수행되었다. 이를 위해 후면에 설치되는 단열재의 두께와 밀도가 PT의 측정값에 미치는 영향이 우선적으로 검토되었다.
  • 열손실 방지를 위해 PT 후면에 설치되는 단열재의 두께 및 밀도가 측정오차에 미치는 영향을 검토하기 위한 실험이 수행되었다. 앞서 언급된 것과 같이 형상에 따라 도출된 Kcond 값이 열유속 산출에 적용되는 경우 열손실에 따른 측 정오차가 보정되므로, 본 연구에서는 단열재 두께, 밀도의 영향만을 검토하기 위하여 동일한 입사 열유속에 대한 온도 측정값의 비교가 수행되었다. 온도측정은 1,200 s 동안 수행되었으며, 정상상태에 도달한 이후 100 s 간의 평균값이 비교되었다.
  • 열손실 방지를 위해 PT 후면에 설치되는 단열재의 두께 및 밀도가 측정오차에 미치는 영향을 검토하기 위한 실험이 수행되었다. 앞서 언급된 것과 같이 형상에 따라 도출된 Kcond 값이 열유속 산출에 적용되는 경우 열손실에 따른 측 정오차가 보정되므로, 본 연구에서는 단열재 두께, 밀도의 영향만을 검토하기 위하여 동일한 입사 열유속에 대한 온도 측정값의 비교가 수행되었다.
  • 이를 위해 후면에 설치되는 단열재의 두께와 밀도가 PT의 측정값에 미치는 영향이 우선적으로 검토되었다. 이 결과를 바탕으로 새로운 PT가 고안되었으며, PT의 공간 해상도 개선을 위한 실험이 수행되었다. 본 연구에서 PT 제작에 사용된 Stainless steel (SUS 304) 은 고온환경에 노출될 때 산화에 의해 표면 방사율 (Emissivity)이 0.
  • 이러한 배경 하에 본 연구에서는 열손실의 영향을 감소시킬 수 있는 PT의 형상을 도출하고자 후면에 설치되는 단열재의 두께 및 밀도의 영향이 검토되었다. 이를 바탕으로 가장자리 및 측면으로의 열손실을 최소화시킬 수 있는 새로운 형상의 PT가 고안되었다.
  • 이에 본 연구진은 Häggkvist(13)가 제시한 열유속 산출식을 변형하여 Kcond 값을 재산출하기 위한 방법론에 관한 실험적 연구(15)를 수행하였다.
  • 1) 단열재 두께 및 밀도가 PT의 측정값에 미치는 영향을 검토한 결과 단열재의 압축에 따른 공극 감소가 후면 열손실을 촉진시키는 것이 확인되었다. 측면 Plate에서 발생하는 열손실이 측정값에 오차를 야기하는 것이 확인되었으며, 이에 열손실의 영향을 최소화하기 위한 PT가 고안되었다.
  • 화재환경의 다양한 위치에서 열유속 측정을 위해 활용 되는 간단한 장치인 PT의 열손실 오차 감소 및 공간 해상도 개선을 위한 실험적 연구가 수행되었다. 주요 결과는 다 음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
PT의 측정 정확도를 확보하는 방법의 한계는 무엇인가? 이와 같이 Kcond의 보정을 통해 PT의 측정 정확도를 확보하는 방법은 실용적인 차원에서 상당한 의미를 갖을 수 있다. 그러나 기존의 HFM과의 직접적인 비교를 통해 PT가 갖는 모든 에러항을 Kcond에 포함시킴으로써, PT가 갖는 본질적인 측정오차에 대한 명확한 분석이 어렵다는 한계를 갖고 있다. PT 측정오차의 대표적 원인은 측면 또는 단열재를 관통하는 깊이 방향으로의 열손실을 들 수 있으며, PT가 갖는 본질적 오차를 감소시키기 위해서는 이들의 영향이 최소화될 수 있는 PT의 형상에 대한 고찰이 요구된다.
복사 열유속(Radiative heat flux)의 역할은? 화재환경에서 화염 및 고온연층, 또는 벽면으로부터 방출되는 복사 열유속(Radiative heat flux)은 인접 가연물의 열분해에 의한 화재확산, 플래시오버(Flashover)와 같은 천이 현상의 발생에 관여하게 된다. 그 뿐만 아니라 화염 및 벽면으로부터 연료에 가해지는 복사 열유속에 의한 연료공급량(Mass loss rate)의 증가는 열발생률(Heat release rate) 및 온도, 화재성장률(Fire growth rate)과 같은 주요 물리량의 변화를 야기한다.
HFM의 단점은? 화재환경에서 복사 열유속의 측정에는 일반적으로 Gardontype 또는 Schmidt-Boelter type의 Heat flux meter (HFM)가 활용된다. 그러나 HFM의 사용을 위해서는 부가적인 냉각 및 퍼징(Purging)시스템이 요구된다는 단점이 있다. 이에 최근에는 판형 열유속계(Plate thermometer, 이하 PT) (4,5)와 같이 단순한 형상의 장치를 통한 화재환경의 복사 열유속측정(6-8)이 시도되고 있다.
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참고문헌 (20)

  1. J. Gore, M. Klassen, A. Hammins and T. Kashiwagi, "Fuel Property Effects on Burning Rate and Radiative Transfer rom Liquid Pool Flames", Proceedings of the 3rd International Symposium, pp. 395-404 (1991). 

  2. A. Tewarson, "Combustion Dfficiency and Its Radiative Component", Fire Safety Journal, Vol. 39, pp. 131-141 (2004). 

  3. P. Christophe, B. M. Rim, G. Mohamed, S. Khashayar and F. Jerome, "Thermal Radiation in Dust Flame Propagation", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 49, pp. 896-904 (2017). 

  4. EN 1363-1, "Fire Resistance Tests, Part 1: General Requirements", British Standards Institute, London, UK (1991). 

  5. ISO 834-1, "Fire-Resistance Tests - Elements of Building Construction - Part 1: General Requirements", ISO Standard, International Organization for Standardization, Geneva (1999). 

  6. U. Wickstrom, R. Jansson and H. Tuovinen, "Validation Fire tests on using the Adiabatic Surface Temperature for Predicting Heat Transfer", SP-Report 2009:19, SP Technical Research Institute of Sweden (2009). 

  7. B. Ditch, "Evaluating Pool Fire Severity and the Cooling Effect of Local Water Spray Using a Continuous Plate Thermometer", Fire Safety Science-Proceedings of the Tenth International Symposium, pp. 133-143 (2011). 

  8. S. Y. Mun, "Experimental and Numerical Studies on Effects of Openings Configuration on the Fire Characteristics in a Compartment", Master Thesis, Dept. of Fire and Disaster Prevention, Daejeon University (2014). 

  9. U. Wickstrom, "Proposal Regarding Temperature Measurements in Fire Test Furnaces", SP-Report 1986, Swedish National Testing Institute (1986). 

  10. U. Wickstrom, "The Plate Thermometer: A Simple Instrument for Reaching Harmonized Fire Resistance Tests", Fire Technology Second Quarter, pp. 195-208 (1994). 

  11. H. Ingason and U. Wickstrom, "Measuring Inci- dent Radiant Heat Flux Using the Plate Thermometer", Fire Safety Journal, Vol. 42, pp. 161-166 (2007). 

  12. U. Wickstrom, J. Anderson and J. Sjostrom, "Measuring Incident Heat Flux and Adiabatic Surface Temperature with Plate Thermometers in Ambient and High Temperatures", Boras, Sweden (2017). 

  13. A. Haggkvist, "The Plate Thermometer as a Mean of Calculating Incident Heat Radiation: A Practical and Theoretical Study", Master Thesis, in Dept. of Civil and Environmental Engineering, Lulea University of Technology (2009). 

  14. A. Priyadarshi and Ankit, "Design and Fabrication of Plate Thermometer for the Measurement of Incident Radiation Heat Flux on a Surface", International Journal of Science and Research, Vol. 4, Issue 8 (2015). 

  15. H. S. Han, H. S. Yun and C. H. Hwang, "Calibration of the Plate Thermometer for measuring Heat Flux using a Conical Heater", Journal of Mechanical Science and Technology, Forthcoming (2019). 

  16. H. S. Yun, S. Y. Mun and C. H. Hwang, "An Experimental Study on the Applicability of Plate Thermometer in Steady and Unsteady-State Fire Conditions", Fire Science and Engineering, Vol. 29, No. 5, pp. 34-41 (2015). 

  17. Y. F. Liu, Z. L. Hu, D. H. Shi and K. Yu, "Experimental Investigation of Emissivity of Steel", International Journal of Thermophysics, Vol. 34, pp. 496-506 (2013). 

  18. ASTM, "ASTM C177: Standard Test Method for Steady- State Heat Flux Measurements and Thermal Transmission Properties by Means of the Guarded Hot-Plate Apparatus", ASTM International, U.S.A. (1997). 

  19. ISO 5660-1, "Reaction-to-fire tests - Heat release, smoke production and mass loss rate - Part 1: Heat release rate(cone calorimeter method)", ISO Standard, International Organization for Standardization, Geneva (2002). 

  20. F. Dominguez-Munoz, B. Anderson, J. M. Cejudo- Lopez and A. Carrillo-Andres, "Uncertainty in the Thermal conductivity of insulation materials", Energy and Buildings, Vol. 42, pp. 2159-2168 (2010). 

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