[논문]콘칼로리미터법과 화염전파 시험법의 발열량 평가 비교

이덕희; 정우성; 이철규; 조희기; 이동우

문제 정의

본 연구에서는 발열량 평가를 위하여 사용되는 산소소비량 측정법과 온도 상승률 측정법을 상호 비교평가하여 시험법의 신뢰성과 상관성을 조사하여 보았다. 이를 위하여 5종의 동일 재질의 시편을 각각의 시험방법에 따라 평가하였으며 이 결과를 통하여 두 장비에서 평가된 시험 결과를 비교하고 상관성을 유추해 보았다.
콘칼로리미터의 복사열은 화재 시나리오 4단계 (ignition and growth, fully developed and decay) 중 fully developed 에 해당되는 복사열 수준인 50KW/m²로 설정하였다. 시험기준에 의하여 콘칼로리미터법에서는 질량변화율, 착화시간, 총발열량 등을 측정하였고 화염전파 시험에서는 착화시간, 소화점 연소 지속열 (CFE) 등을 측정하였으나 본 연구에서는 발열량 평가에 관하여 만 수록하였다.

제안 방법

산소소비량 측정법을 이용한 발열량 평가 방법으로 사용되고 있는 콘칼로리미터법과 온도상승률 측정에 의한 발열량 평가법인화염전파 시험기 방법을 사용하여 동일한 시편에 대하여 발열량 평가를 수행하고 그 결과를 수록하였다. 시험을 통하여 콘칼로리미터 방법에 의한 평가의 재현성이 더 우수하다는 것을 확인할 수 있었다.
. 순수한 메탄을 연소시켜서 측정되는 산소 소비량 계산을 통하여 시험기의 신뢰성을 검증하도록 설계되었으며 하였으며 이에 대한 보정치를 C 값으로 반영하도록 하였다. 따라서 위의식에 나타난 각 요소들을 어느 정도 정확하게 측정할 수 있는가가 이 장치의 신뢰성을 결정하는 요인이다.
653과 같은 시험장치가 제작되었다. 온도계측기는 보편적으로 사용되는 열전쌍(Thermocouple) 을 활용하도록 설계되었다. 따라서 그림 2와 같이 열전쌍으로부터 측정되는 전압 신호와 가스에 혼입되는 열량 사이의 관계를 그래프로 얻을 수 있으며 다른 재료의 연소에서도 열전 쌍으로부터 측정되는 계측값에 대하여 해당 시편으로부터 발생되는열량을 유추할 수 있다.
비교평가하여 시험법의 신뢰성과 상관성을 조사하여 보았다. 이를 위하여 5종의 동일 재질의 시편을 각각의 시험방법에 따라 평가하였으며 이 결과를 통하여 두 장비에서 평가된 시험 결과를 비교하고 상관성을 유추해 보았다.
얻어진 발열량- 온도의 표준 그래프를 활용하는 방법이다. 즉 순수한 연료로 사용되는 메탄의 유량을 변경시켜가면서 얻을 수 있는 발열량의 변화에 대하여 배기 닥트 내에 설치된 온도계측기를 통하여 배기가스의 온도를 측정하여 변화량을 그래프로 그리는 방법을 사용한다. 이.
철도차량에 사용되고 있는 폴리에스터 FRP 내장판, 폴리에스터 모켓, 폴리우레탄 쿠션, 염화비닐 바닥재, 난연고무 통로연결막 등 다양한 종류의 시편에 대하여 두 가지 시험법의 발열량 평가를 수행하였다. 각각의 시험 결과 중 최고 발열량을 비교하여 표 1에 정리하였다.
실험은 실험실 내부 온도 23±2 ℃ , 상대 습도 50±5% 인 상태에서 수행하였으며 콘칼로리미터의 경우 규정된 시편의 경우 100 mm × 100 mm 크기로 준비하였고, 화염전파 시험의 경우 155mm × 800 mm 로 하였다. 콘칼로리미터의 복사열은 화재 시나리오 4단계 (ignition and growth, fully developed and decay) 중 fully developed 에 해당되는 복사열 수준인 50KW/m²로 설정하였다. 시험기준에 의하여 콘칼로리미터법에서는 질량변화율, 착화시간, 총발열량 등을 측정하였고 화염전파 시험에서는 착화시간, 소화점 연소 지속열 (CFE) 등을 측정하였으나 본 연구에서는 발열량 평가에 관하여 만 수록하였다.

대상 데이터

같이 ISO 5660-1과 IMO 기준에 따랐다. 시편은 기존 전동차에 적용하고 있던 내장판과 시트커버 등의동일재료를사용하였고동일시 편당 3회의실험을수행하여평균값을사용하였다 .실험은 실험실 내부 온도 23±2 ℃ , 상대 습도 50±5% 인 상태에서 수행하였으며 콘칼로리미터의 경우 규정된 시편의 경우 100 mm × 100 mm 크기로 준비하였고, 화염전파 시험의 경우 155mm × 800 mm 로 하였다.

이론/모형

이. 러한 방법을 활용하여 IMO Resolution A.653과 같은 시험장치가 제작되었다. 온도계측기는 보편적으로 사용되는 열전쌍(Thermocouple) 을 활용하도록 설계되었다.
콘칼로리미터와 화염전파 시험기는 영국 FTT 사의 장비를 이용하였으며 시험법은 앞서 기술한 바와 같이 ISO 5660-1과 IMO 기준에 따랐다. 시편은 기존 전동차에 적용하고 있던 내장판과 시트커버 등의동일재료를사용하였고동일시 편당 3회의실험을수행하여평균값을사용하였다 .

성능/효과

결론적으로 본 연구에서 수행된 5종의 시편만으로는 두 시험 간의 상관식을 유추할 수 없었다 . 그러나 이론적으로 같은 재료의 연소 과정에서 발생하는 발열량이므로 평가방법이 다르다고 하더라도 어느 정도의 상관성을 유도할 수 있을 것으로 예상되므로 이에 대하여는 보다 다양한 종류의 시험결과를 통하여 재고할 여지가 있다고 보인다.
화염전파 시험법을 이용한 평가방법의 경우 공기 흡입량이 많고 배연닥트가 시험경과 시간에 의하여 영향을 받아 배연닥트 판넬에 대한 온도 보정 및 주변 환경 조건의 변화에 대하여 시험 결과에 대한 보정을 병행해야 했다. 그럼에도 불구하도 콘칼로리미터법에 의한 시험 결과에 비하여 동일시편에 대한 편차의 폭이 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 시편의 크기와도 연관이 있는 것으로 추정되는데 시편이 크기가 커짐으로써 균질성 확보가 어렵고 연소 과정이 동일하게 재현되지 않는 점등이 그 이유로 작용하고 있다고 판단된다.
. 다섯 종류의 시편에 대한 시험 결과에 대하여 각 방법의 수치 변화에 대하여 상관성을 조사하였는데 3종의 경우는 비교적 일차선형상관성을 가지는 것으로 나타났지만 나머지 두 종의 경우는 상관성을 기대할 수 없었다. 이에 대하여는 보다 많은 시편과 다양한 종류의 재료에 대한 시험을 보완하여 판단하여야 할 것으로 생각된다.
그림 5에는 각 시험을 통하여 평가된 결과에 대하 여상 관성 분석을 조사하기 위하여 두 시험 결과를 그래프로 나타내 보았다. 다섯 종류의 시편에 대한시험 결과에 대하여 3종의 경우만을 보면 일차적인 선형상관성을 가지는 것으로 나타났지만 나머지 두 종의 경우는 상관성을 기대할 수 없었다.
착화시간의 경우 콘칼로리미터 시험에서 더 빠르게 나타났는데 시편의 크기가 작으므로 발화 온도까지 도달하는데 걸리는 시간이 더 작기 때문일 것이다. 시편의 크기가 더 큰 화염전파 시험법에서 최고 발열량이 더 많이 나타날 것으로 기대했으나 시험 결과는 이와 상반되게 나타났다. 이는 콘칼로리미터 방법에 의한 측정법이 손실되는 콘 칼로리 방법의 경우 Peak H.
평가를 수행하고 그 결과를 수록하였다. 시험을 통하여 콘칼로리미터 방법에 의한 평가의 재현성이 더 우수하다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 화염전파 시험기의 경우 장비 및 환경조건에 대한 보정을 병행해야 하는 점과 시편이 커짐으로써 균질성 확보가 어렵고 연소 과정이 동일하게 재현되지 않는 점 등에 기인한다고 판단된다.

후속연구

다섯 종류의 시편에 대한 시험 결과에 대하여 각 방법의 수치 변화에 대하여 상관성을 조사하였는데 3종의 경우는 비교적 일차선형상관성을 가지는 것으로 나타났지만 나머지 두 종의 경우는 상관성을 기대할 수 없었다. 이에 대하여는 보다 많은 시편과 다양한 종류의 재료에 대한 시험을 보완하여 판단하여야 할 것으로 생각된다.

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