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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 서로 다른 열적 두께를 갖는 고체가연물을 연소시키고 주위에 인위적으로 유동을 생성시켜 가연물의 열분해특성을 고찰해보자 하였다. 고체 가연물로는 Poly methyl methacrylate (PMMA)를 선정하였다.
- 본 연구에서는 고체 가연물 주위의 유동과 열적 두께의 변화가 열분해 과정에 미치는 영향을 열방출특성을 통해 고찰하였다. 고체 가연물로는 PMMA를 선정하였고 ISO 5660-1규격을 만족하는 콘 칼로리미터를 이용하여 연소실험을 진행하였다.
제안 방법
- PMMA는 유기 유리, 전기 부품 및 건축 재료 등으로 광범위하게 사용되고 있으며, 열분해 과정 동안 탄화를 발생시키지 않기 때문에 열물성 및 연소특성을 연구하는 데 적합한 고체가연물로 잘 알려져 있다(8). ISO 5660-1 콘 칼로리미터를 이용해 PMMA 표면에 도달하는 입사 열유속을 고정하고 환기 유속을 증가시켜가며 PMMA의 열침투깊이를 계산하고 연소반응 개시 이후 열방출률을 측정하여 열분해 특성을 고찰하였다.
- PMMA의 열침투깊이를 계산하기위해 필요한 비열과 열전도 계수는 각각 시차주사열량계(Differential scanning calorimetry, DSC)와 섬광장치(Light flash apparatus, LFA)을 이용하여 측정하였다. 시차주사열량계는 측정 전에 인듐(Indium)을 사용하여 열량과 온도를 보정하였고 질소 환경에서 승온 속도 20 °C/min으로 사파이어 샘플의 열량과 PMMA의 열량을 각각 측정한 후, 식 (1)을 이용하여 비열을 측정하였다.
- 실험의 종료는 가연물의 화염 소멸과 질량의 변화가 없는지를 관찰하여 결정하였다(Figure 4c). Table 2에 정리된 바와 같이 PMMA 샘플의 두께는 각각 5 mm와 10 mm로 선정하였으며 가연물 주위의 유동 조성을 위해 덕트 유량(Duct Flow) 12, 24, 40 L/s로 증가시켜 실험을 진행하였다.
- 고체 가연물 주위의 유동과 열적 두께의 변화가 열분해특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 ISO 5660-1 콘 칼로리미터 실험을 수행하여 열방출률(Heat release rate, HRR)을 측정하였다. 열방출률은 식 (3)에 제시된 산소소모법(Oxygen consumption method)(10)을 이용하여 계산하였다.
- 시차주사열량계는 측정 전에 인듐(Indium)을 사용하여 열량과 온도를 보정하였고 질소 환경에서 승온 속도 20 °C/min으로 사파이어 샘플의 열량과 PMMA의 열량을 각각 측정한 후, 식 (1)을 이용하여 비열을 측정하였다.
- 고체 가연물로는 PMMA를 선정하였고 ISO 5660-1규격을 만족하는 콘 칼로리미터를 이용하여 연소실험을 진행하였다. 콘 칼로리미터의 덕트 유량을 각각 12, 24, 40 L/s로 설정하여 가연물 주위에 강제 유동을 발생시켜 실험을 진행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 또한 콘히터와 가연물 사이의 거리는 25 mm로 모든 시험에서 일정하게 유지하도록 하였다. 콘히터에서 가연물로 가해지는 복사열은 열유속계(Heat flux gauge)를 사용하여 가연물 표면에 50 kW/m2로 일정하게 입사되도록 하였고 점화기는 미리 제거하여 샘플이 자연발화되는 조건에서 실험을 진행하였다(Figure 4b). 실험의 종료는 가연물의 화염 소멸과 질량의 변화가 없는지를 관찰하여 결정하였다(Figure 4c).
대상 데이터
- 본 연구에서는 고체 가연물 주위의 유동과 열적 두께의 변화가 열분해 과정에 미치는 영향을 열방출특성을 통해 고찰하였다. 고체 가연물로는 PMMA를 선정하였고 ISO 5660-1규격을 만족하는 콘 칼로리미터를 이용하여 연소실험을 진행하였다. 콘 칼로리미터의 덕트 유량을 각각 12, 24, 40 L/s로 설정하여 가연물 주위에 강제 유동을 발생시켜 실험을 진행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 따라서 본 연구에서는 서로 다른 열적 두께를 갖는 고체가연물을 연소시키고 주위에 인위적으로 유동을 생성시켜 가연물의 열분해특성을 고찰해보자 하였다. 고체 가연물로는 Poly methyl methacrylate (PMMA)를 선정하였다. PMMA는 유기 유리, 전기 부품 및 건축 재료 등으로 광범위하게 사용되고 있으며, 열분해 과정 동안 탄화를 발생시키지 않기 때문에 열물성 및 연소특성을 연구하는 데 적합한 고체가연물로 잘 알려져 있다(8).
이론/모형
- 고체 가연물 주위의 유동과 열적 두께의 변화가 열분해특성에 미치는 영향을 파악하기 위해 ISO 5660-1 콘 칼로리미터 실험을 수행하여 열방출률(Heat release rate, HRR)을 측정하였다. 열방출률은 식 (3)에 제시된 산소소모법(Oxygen consumption method)(10)을 이용하여 계산하였다.
- 열전도 계수는 섬광법(Light flash method, LFM)을 이용하여 비접촉식으로 측정하였다. PMMA의 상단 면에 고출력의 제논램프(Xenon lamp)의 섬광을 조사하여 흡수된 열량이 하단 면으로 전달될 때, 시간에 따라 온도를 측정하고 최고 온도에 도달하여 열평형 상태를 이루면 열확산율(Thermal diffusivity, α)를 측정할 수 있다.
성능/효과
- 1) 콘 칼로리미터 실험에서 측정된 점화시간과 PMMA의 열물성을 이용하여 덕트 유량 별로 계산한 열침투깊이를 계산한 결과, 물리적 두께가 5 mm PMMA 샘플의 경우 덕트 유량이 증가함에 따라 열침투깊이는 다소 증가하였지만 주어진 유량 범위 내에서 열침투깊이가 가연물의 두께인 5 mm 이상으로 모두 열적으로 얇은 가연물 범주에 속하는 것을 확인할 수 있었다. 반면 두께가 10 mm인 PMMA 샘플은 열침투깊이가 10 mm 이하로 열적으로 두꺼운 가연물 범주에 해당하였고 유동의 변화에도 열침투깊이는 크게 변하지 않았다.
- 2) 콘 칼로리미터 실험에서 얻어진 열방출률를 분석한 결과 열적으로 얇은 5 mm PMMA는 연소반응 개시 이후 상대적으로 깊은 열침투깊이로 인해 열분해가 급격히 촉진되어 유량 변화와 상관없이 최대 열방출률에 도달한 뒤 화염이 소멸되었다. 이에 반해 열적으로 두꺼운 10 mm인 PMMA는 연소 초반에는 열침투깊이가 작아 가연물 표면 근처에서만 주로 열분해가 이루지면서 가연물 주위의 유동이 열방출에는 크게 영향을 미치지 않았다.
- 3) 아울러 열적으로 얇은 5 mm PMMA 샘플의 경우 주위의 유동과 관계없이 연소 종료 시점까지 측정된 총 열방출량이 거의 일정하였다. 하지만 열적으로 두꺼운 10 mm인 PMMA 샘플은 가연물 주위 유동이 증가함에 따라 열분해가 촉진되어 총 열방출량도 증가하는 경향이 뚜렷하였다.
- 하지만 300 s 이후에는 가연물 주위의 유동이 열방출률에 크게 영향을 미치는 것을 확인할 수 있다. 덕트 유량이 12 L/s 인 경우는 열방출이 줄어들지만 유량이 24 L/s~40 L/s로 증가함에 따라 열방츌은 급격히 증가하여 덕트 유량이 40 L/s인 경우에는 최대 열방출률이 5 mm PMMA 샘플과 거의 유사한 6 kW에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 이는 12 L/s의 덕트 유량으로 인해 가연물 주위에 발생된 강제 대류가 열저항을 급격히 증가시켜 열분해가 줄어들기 때문으로 판단된다.
- 아울러 열적으로 얇은 5 mm PMMA의 열방출률은 유량 변화와 상관없이 최대 열방출률은 약 ~6 kW 로 거의 동일하였다. 반면 열적으로 두꺼운 10 mm PMMA의 경우 점화 후 약 300 s까지는 가연물 주위의 유량과 상관없이 측정된 열방출에는 거의 차이가 없지만 300 s 이후부터 급격히 차이가 나기 시작하여 최대 열방출률은 크게 영향 받는 것을 확인할 수 있다.
- 이 결과는 Figure 2d에 제시된 열적으로 얇고 탄화를 발생시키지 않는 폴리머 가연물의 열방출률 특성과 잘 일치한다. 아울러 열적으로 얇은 5 mm PMMA의 열방출률은 유량 변화와 상관없이 최대 열방출률은 약 ~6 kW 로 거의 동일하였다. 반면 열적으로 두꺼운 10 mm PMMA의 경우 점화 후 약 300 s까지는 가연물 주위의 유량과 상관없이 측정된 열방출에는 거의 차이가 없지만 300 s 이후부터 급격히 차이가 나기 시작하여 최대 열방출률은 크게 영향 받는 것을 확인할 수 있다.
- Figure 7은 콘 칼로리미터 실험을 통해 계산된 5 mm와 10 mm PMMA 샘플의 총열방출량(Total heat release, THR)을 덕트 유량 별로 도시한 그래프이다. 열적으로 얇은 가연물 5 mm PMMA의 경우 주위의 유동과 무관하게 총 열방출량이 대략 1.1 MJ로 비교적 일정한 반면 열적으로 두꺼운 10 mm PMMA는 덕트 유량이 증가함에 따라 총 열방출량도 확연히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉 열적으로 얇은 가연물의 열분해 과정은 주위 유동에 민감하지 않아 총열방출량에 큰 차이가 없지만 열적으로 두꺼운 가연물의 열변해 과정은 주위 유동의 변화에 따라 큰 영향을 받기 때문에 총 열방출량에 있어서도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
- 1 MJ로 비교적 일정한 반면 열적으로 두꺼운 10 mm PMMA는 덕트 유량이 증가함에 따라 총 열방출량도 확연히 증가하는 것을 확인할 수 있다. 즉 열적으로 얇은 가연물의 열분해 과정은 주위 유동에 민감하지 않아 총열방출량에 큰 차이가 없지만 열적으로 두꺼운 가연물의 열변해 과정은 주위 유동의 변화에 따라 큰 영향을 받기 때문에 총 열방출량에 있어서도 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 4) 본 연구를 통해 제시된 고체 가연물의 열적 두께, 주위 유동, 열분해 과정에 대한 상관관계는 정확한 화염전파 현상 해석에 중요한 정보를 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
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