Burning Characteristics of Wood-based Materials using Cone Calorimeter and Inclined Panel Tests

Joo-SaengPark,이전제 한국목재공학회 2002 목재공학 Vol.30 No.3

Research to discuss the fire performance of materials requires tools for measuring their burning characteristics and validated fire growth models to predict fire behavior of the materials under specific fire scenarios using the measured properties as input for the models. In this study, burning characteristics such as time to ignition, weight loss rate, flame spread, heat release rate, total heat evolved, and effective heat of combustion for four types of wood-based materials were evaluated using the cone calorimeter and inclined panel tests. Time to ignition was affected by not only surface condition and specific gravity of the tested materials but also the type and magnitude of heat source. Results of weight loss rate, measured by inclined panel tests, indicated that heat transfer from the contacted flame used as the heat source into the inner part of the specimen was inversely proportional to specific gravity of material. Flame spread was closely related with ignition time at the near part of burning zone. Under constant and severe external heat flux, there was little difference in weight loss rate and total heat evolved between four types of wood-based panels. More applied heat flux caused by longer ignition time induced a higher first peak value of heat release rate. Burning characteristics data measured in this study can be used effectively as input for fire growth models to predict the fire behavior of materials under specific fire scenarios.

사찰의 목조구조물 화재안전등급화 연구

박영주,백민호 문화재방재학회 2021 문화재방재학회 논문집 Vol.6 No.3

본 연구에서는 사찰에서 구조물로 실제 사용되고 있는 목재 11종을 대상으로 화재특성 데이터를 확보하고, 화재안전 대책 에 활용될 수 있도록 화재안전등급화 연구를 수행하였다. 화재특성 데이터를 확보하기 위해서는 ISO 5660-1 규격에 의한 시험을 시행하였으며, 위험인자 설정은 PHRR(Peak Heat Release Rate), THR(Total Heat Released Rate), k(Extinction Coefficient), MARHE(Maximum Average Rate of Heat Emission) 4가지 위험인자를 설정하였다. 연구결과, 화재안전등급 화는 F1에서 F5까지 5단계로 구분하였고, 각 항목별 4가지 인자를 모두 만족하는 경우 최종 등급화를 하였다. 등급화 결과 목재구조물 11종 모두 F5 등급으로 분류됨을 확인할 수 있었다. In this study, 11 types of wood varieties actually used or being used to construct temples in Korea were categorized, in terms of fire safety, based on their fire characteristics. To secure such fire characteristics data, the tests as provided in ISO 5660-1 were conducted with PHRR (Peak Heat Release Rate), THR (Total Heat Release Rate), k (Extinction Coefficient), and MARHE (Maximum Average Rate of Heat Emission) set as risk factors. The fire safety rating was divided into 5 levels, from F1 (most fire safe) to F5 (least fire safe), and for each wood type, a final fire safety rating, which corresponds to the lowest rating among the ratings obtained for each of the above four risk factors, was assigned. As a result, it was confirmed that all 11 types of wood varieties tested are materials of F5 rating.

산소소모 열량 측정법 기반의 열발생률을 측정하기 위한 헬스 케어용 산소센서의 적용

윤홍석,류상훈,황철홍 한국화재소방학회 2021 한국화재소방학회논문지 Vol.35 No.2

In an oxygen consumption calorimeter system for measuring heat release rate, the CO/CO2 analyzer and the O2 analyzerfor chemical species analysis of the sampling gas are the main factors that increase the construction cost of the system. In this experimental study, a low-cost device with performance similar to that of the existing high-cost device wasdeveloped. To evaluate the contribution of the CO/CO2 analyzer to the measurement of the heat release rate, theperformance of unsteady and steady-state conditions depending on whether CO/CO2 was measured for diffusion flames withvarious fire growth rates was examined. As a result, it was confirmed that when only the O2 concentration was considered,the heat release rate could be measured accurately. Based on these results, the measurement performance of a low-cost O2analyzer manufactured using an oxygen sensor for healthcare was verified. As a result of the verification of the low-costO2 analyzer for diffusion flames with various fire growth rates, it was confirmed that the relative error was within 10%for unsteady and steady-state fire sources and can be used to measure the heat release rate. 열발생률 측정을 위한 산소소모열량계 시스템에서 샘플링 가스의 화학종 분석을 위한 CO/CO2 및 O2 분석기는 시스템의 구축비용을 증가시키는 주 요인이다. 본 연구에서는 기존의 고가형 장치와 유사한 성능을 가지는 보급형 장치를 개발하기 위한 실험적 연구가 수행되었다. 열발생률 측정에 대한 CO/CO2 분석기의 기여도를 평가하기 위해 다양한 화재성장률의 확산화염을 대상으로 CO/CO2의 측정여부에 따라 비정상 및 정상상태에 대한 측정성능이 검토되었다. 그 결과 O2 농도만을 고려하더라도 열발생률의 적절한 측정이 가능함을 확인하였다. 이를 바탕으로 헬스 케어용 산소센서를 이용해 제작된 보급형 O2 분석기의 측정성능이 검증되었다. 다양한 화재성장률을 갖는 확산화염에대한 보급형 O2 분석기의 검증 결과, 비정상 및 정상상태 화원에 대해 10% 이내의 상대오차를 가지며, 열발생률 측정에 활용이 가능함을 확인하였다.

영동지역 주요 침엽수종 및 활엽수종 생엽의 연소특성에 관한 연구

이해평,이시영,박영주 한국안전학회 2009 한국안전학회지 Vol.24 No.4

This study was fulfilled to investigate the forest fire risk of forest fuels based on the combustion characteristics of living leaves of coniferous trees and broadleaf trees naturally growing in Youngdong areas of Gangwon Province by using cone calorimeter and smoke density chamber. According to the result, Pinus densiflora and Pinus rigida among coniferous trees released a greater amount of heat release than other kinds. The total smoke release varied depending on the species, whereas Pinus koraiensis showed the largest amount of smoke release. With regard to maximum smoke density, it was much higher in coniferous trees than in broadleaf trees. With regard to smoke temperature, Pinus densiflora showed the lowest compared to other kinds up until 200s from the ignition, but all most trees uniformly maintained constant temperature of about 70℃ after 200s. The concentrations of CO and CO2 release were drastically increased at about 150s and then gradually decreased thereafter. Pinus densiflora showed a bit higher CO release than broadleaf trees, but there was no distinct difference in CO2 release among tress.

대형 칼로리미터의 열 방출률 평가를 위한 FDS 해석결과 분석

유우준,박정욱,김정용,김태중,황철홍,김성찬 한국화재소방학회 2023 한국화재소방학회논문지 Vol.37 No.1

This study aims to identify the key design factors of a large-scale calorimeter and evaluate the accuracy of the simulationresults using the Fire Dynamics Simulator (FDS) program. The design specifications of a domestic large-scale calorimeterwere analyzed to determine the modeling and input conditions for the simulation. The simulation results of temperature,mass flow rate, and oxygen concentration reduction inside the duct were compared with the experimental results for heptanepool fires with diameters of 1.1 m, 1.24 m, and 1.44 m, respectively. To validate the accuracy of the simulation results,the deviations, calculated using FDS for the heat release rate as the experimental value, were found to be 19.12%, 11.86%,and 0.22% for temperature, mass flow rate, and oxygen concentration, respectively. Ultimately, the results of the heatrelease rate inside the duct obtained by the oxygen consumption method with FDS were found to be consistent with theexperimental value, within 2.58%. However, the deviation of oxygen concentration is reduced as the deviation of mass flowrate increases for a constant heat release rate. This implies that for more accurate analysis, the heat loss and shape factorsin the duct should be considered. 본 연구는 화재해석 프로그램인 FDS를 사용하여 대형 칼로리미터의 주요 설계 인자를 도출하고 해석 결과의 정확성을 검증하는데 목적이 있다. 이를 위해서 국내의 대형 칼로리미터 설계 제원을 조사하여 모델링 및 입력 조건을선정하였으며, 헵탄 화원 직경이 1.1 m, 1.24 m 그리고 1.44 m인 각각의 경우에 대해서 덕트 내부에서의 온도와 질량유량 그리고 산소농도 감소량을 실험결과와 비교하였다. 해석 결과의 정확성을 검증하기 위해서 실험값과 동일한열 방출률에 대해서 덕트 내부에서 해석한 온도 편차는 19.12%, 질량유량 11.86%, 그리고 산소 농도 감소량은 0.22%정도 측정값과 편차가 발생하였다. 그 결과 헵탄의 화원 직경 변화에 따라서 산소소모지수법을 적용한 열 방출률FDS 해석 결과는 실험값과 최대 2.58% 이내에서 일치하는 것으로 나타났다. 하지만, 산소농도 해석 결과는 동일 열방출률에 대해서 질량유량의 편차가 증가하였기 때문에 감소한 결과로 보다 정확한 해석을 위해서는 덕트에서의 열손실과 형상인자를 고려한 연구가 선행되어야 하는 것으로 판단된다.

성능위주설계를 위한 가연물의 열발생률 및 화재성장률 측정 - 주거 및 사무공간 가연물을 중심으로

남동군,황철홍 한국화재소방학회 2017 한국화재소방학회논문지 Vol.31 No.2

The design fire based on the heat release rate (HRR) of combustibles can significantly affect the assessment of fire safetyin the performance-based design (PBD). In the present PBD, however, limited information in the foreign literature has beenused without further verification due to the lack of fire information in domestic combustibles. The objective of this study isto provide information on the HRR and fire growth rate for various combustibles in residential and office spaces. To end this,the fire experiments were carried out with single and multiple combustibles. The peak HRR of combustibles used in thepresent study had a range of 36 kW∼1,092 kW. The fire growth rates were also 0.003 kW/s2∼0.0287 kW/s2 and 0.003 kW/s2∼0.0838 kW/s2 for the residential and office spaces, respectively. In particular, a sofa had the highest fire risk in terms ofthe peak HRR and fire growth rate. Finally, a methodology for calculating the peak HRR in a space was proposed throughcorrelation analysis between the peak HRR and exposed surface of various combustibles. 가연물의 열발생률에 근거한 설계화원은 성능위주설계의 화재안전성 평가에 매우 중요한 영향을 줄 수 있다. 그러나 현재 성능위주설계에서는 국내 가연물의 화재정보의 부족으로 인하여 제한된 외국 문헌정보가 추가 검증이 없이 적용되고 있다. 본 연구의 목적은 성능위주설계의 신뢰성을 확보하기 위하여 다양한 주거 및 사무공간 가연물을대상으로 열발생률 및 화재성장률에 관한 정보를 제공하는 것이다. 이를 위해 총 14가지의 단일 및 다수 가연물에대한 화재실험이 수행되었다. 본 연구에서 고려된 가연물의 최대 열발생률은 36 kW∼1,092 kW의 범위를 갖는 것으로 측정되었다. 화재성장률은 주거용 가연물이 0.003 kW/s2∼0.0287 kW/s2이고, 사무용 가연물이 0.003 kW/s2~0.0838kW/s2 범위를 갖는다. 특히 소파는 최대 열발생률 및 화재성장률의 관점에서 가장 높은 화재 위험성을 갖는다. 마지막으로, 다양한 가연물들의 최대 열발생률과 노출 표면적의 상관관계 분석을 통해 공간 내의 최대 열발생률을 산출하는 방법론이 제안된다.

COMBUSTION CHARACTERISTICS OF HYDROTREATED VEGETABLE OIL-DIESEL BLENDS UNDER EGR AND LOW TEMPERATURE COMBUSTION CONDITIONS

Sombat Marasri,Pop-Paul Ewphun,Prathan Srichai,Chinda Charoenphonphanich,Preechar Karin,Manida Tongroon,Hidenori Kosaka 한국자동차공학회 2019 International journal of automotive technology Vol.20 No.3

This paper investigates the effects of Hydrotreated vegetable oil (HVO)-diesel blends on combustion characteristics under various ambient oxygen concentrations and ambient temperatures in a constant volume combustion chamber (CVCC). Combustion characteristics were presented in terms of heat release rate, ignition delay and integral heat release. The shadowgraph images of spray combustion were presented for spray development and combustion progress. The experiment was carried out on CVCC under constant injection pressure and energizing time. The synthetic gas with varied oxygen concentrations between three discrete values from 21, 15 and 10 % to simulate EGR on engine conditions. The ambient temperatures were varied at 1100, 900 and 700 K to study the effects of ambient temperatures. Four different fuels were tested: commercial diesel, commercial diesel-HVO blends and HVO with the single-hole injector. The results showed that decreasing ambient oxygen concentration to 10 % resulted in 13.42 % lower heat release rate and 13.89 % lower integral heat release. This also extended ignition delay. Decreasing ambient temperature resulted in longer ignition delay with higher peak heat release rate. Increasing HVO showed 6.43 % shorter ignition delay compare to diesel due to higher cetane number. The shadowgraph images showed that HVO has better evaporation 0.7 to 0.9 ms after injection due to its lower density, viscosity and distillation temperature at T90.

구획 화재 시 벽면의 열적 특성을 고려한 온도분포 해석결과

유우준(Woo Jun You),고권현(Kwon Hyun Ko) 한국산학기술학회 2019 한국산학기술학회논문지 Vol.20 No.2

본 연구에서는 구획 공간에서 가솔린 화재 시 내벽의 열전도 계수 변화에 따른 열유동 현상에 관한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해서 내벽의 열전도 계수가 0.18 W/m·K인 내화보드의 재질로 구성된 가로 0.4 m, 세로 0.6 m, 높이 0.6 m인 축소된 구획공간을 제작하였으며, 개구부 면적이 0.12 ㎡이고 연료 팬의 크기가 0.01 ㎡인 조건에서 가솔린 화재실험을 수행하여 높이 0.37 m 국부지점의 온도와 총괄 발열량을 산출하였다. 벽면 열전도 계수 변화가 구획 공간 내부의 온도 분포에 미치는 영향을 분석하기 위해서 화재해석 프로그램인 FDS(Fire Dynamic Simulator)를 사용하여 동일한 발열량 조건에서 온도분포 측정값과 해석결과를 비교하였다. 그 결과 최대 발열량이 4.8 kW인 정상상태 구간에서 온도분포 예측 값이 10 %이내로 일치하는 것을 확인하였으며, 벽면 열전도 계수가 0.1 W/m•K에서부터 100 W/m·K까지 증가한 결과 벽면의 평균 온도는 약 71% 정도 감소되는 것으로 예측되었다. This study examined effects of the wall thermal conductivity coefficients on the thermal fluid phenomenon of a compartment fire. The reduced scale compartment was 0.4 m in width, 0.6 m in length and 0.6 m in height with a fire-board, which has a thermal conductivity coefficient of 0.18 W/m·K. The local temperature at a 0.37 m height and the overall heat release rate were measured under the following experiment conditions: a 0.12 ㎡ opening area and 0.01 ㎡ pool size of a gasoline fire. The numerical results obtained by the Fire Dynamic Simulation were compared with the experimentally measured temperature. The deviations were within 10 % in the period of the steady state for maximum heat release rate (4.8 kW). The numerical results show that the average temperature of the compartment wall decreases by approximately 71 % with increasing thermal conductivity coefficient from 0.1 W/m•K to 100.0 W/m·K on the fixed heat release rate.

섬유강화재 함유율에 따른 FRTP의 기계적 특성 및 연소특성에 관한 연구

김경진,엄상용,김기환 한국화재소방학회 2019 한국화재소방학회논문지 Vol.33 No.3

본 연구에서는 섬유강화 열가소성 플라스틱 복합재료(Fiber Reinforced thermo plastics, FRTP)의 기계적 특성 및 화재 위험성 예측을 위한 연소특성을 평가하였다. 폴리카보네이트와 나일론에 섬유강화재로 유리섬유와 탄소섬유를각각 0~40 wt% 혼합하여 특성변화를 실험한 결과, 섬유강화재의 함유율이 증가할수록 비강도와 열변형 온도가 증가하였고 난연성은 유리섬유 함유율이 30 wt% 이상인 경우 V-0 등급을 보였다. 연소특성의 경우 섬유강화재의 함유율이 증가함에 따라 착화시간도 비례하여 증가하였으며, 최대 열방출율은 섬유강화재를 40 wt% 함유 시 함유하지 않았을 때보다 폴리카보네이트는 약 51%, 나일론은 약 24% 수준으로 낮아졌다. CO 발생율은 일정시간까지 감소하다가 증가하는 경향을 보이며, 이는 시간이 지남에 따라 불완전연소에 의한 것으로 판단된다. CO2 발생율은 열방출율과 매우 유사한 경향을 보이며, 최대 CO2 발생율은 섬유강화재를 40 wt% 함유 시 함유하지 않았을 때보다 폴리카보네이트는 약 50%, 나일론은 약 28% 수준으로 낮아졌다. To examine the mechanical and combustion characteristics of FRTP, either polycarbonate or nylon were used as a matrix,and either glass fiber or carbon fiber were used as the fiber reinforcement. The fiber reinforcement content wasdifferentiated at 0~40 wt%. The tensile strength and heat distortion temperature increased with increasing reinforcementcontent. When the fiber reinforcement content was above 30 wt%, the flammability rating showed V-0. As the fiberreinforcement content increased from 0 to 40 wt%, the peak heat release rate of polycarbonate decreased by approximately51% and that of nylon decreased by approximately 24%. The rate of CO generation decreased for a period of time, andthen increased. This appears to have resulted from incomplete combustion. The rate of CO2 generation shows a similartendency with the heat release rate. As fiber reinforcement content levels increased from 0 to 40 wt%, the CO2 peak rateof polycarbonate generation decreased by approximately 50% and that of nylon decreased by 28%.

대형 콘 칼로리미터 설계를 위한 주요 인자 분석

유우준(Woo Jun You),박정욱(Jung Wook Park),김정용(Jung Yong Kim),김태중(Tea Jung Kim),황철홍(Cheol Hong Hwang),김성찬(Sung Chan Kim) 한국화재소방학회 2022 한국화재소방학회논문지 Vol.36 No.6

본 연구에서는 대형 콘 칼로리미터의 주요 설계인자와 열방출률 상관관계를 분석하기 위한 기초 연구를 수행하였다. 이를 위해서 국외 연구기관에서 보유하고 있는 1 MW급 이상의 칼로리미터 주요 제원을 조사하였으며, 플럼에서 발생되는 총 연기발생량과 산소소모지수법을 적용한 열방출률 관계식을 검토하였다. 그 결과 대형 콘 칼로리미터의 목표 설계 열방출률과 송풍 용량이 결정된 경우 화원으로부터 후드까지의 높이와 후드의 크기가 증가할수록 덕트 내부 온도와 산소농도의 변화량이 비례하여 감소하는 현상을 고찰하였다. 이러한 결과는 열방출률 산출 과정에서 질량유량과 산소소모 계수에 중요한 영향을 미칠 수 있으며, 대형 콘 칼로리미터의 목표 열방출률이 결정된 경우 송풍용량 뿐만 아니라 후드의 형상 및 화원으로부터의 높이를 고려한 설계 인자 분석이 필요한 것으로 판단된다. In this study, fundamental research was conducted to analyze the correlation between the main design factors of large-scale cone-calorimeters and the heat release rate. The specifications for designing cone-calorimeters of 1 MW or higher, which have been constructed in foreign research institutes, were investigated. In addition, the relationship between the total amount of smoke generated in the plume and the heat release rate determined via the oxygen consumption method was reviewed. The temperature variation inside the duct and the oxygen concentration could be decreased as the height and size of the hood increased. These results could have an important effect on the mass flow rate and oxygen consumption coefficient when calculating the heat release rate. To accurately determine the heat release rate of a large cone-calorimeter is determined, further research is necessary to analyze the design factors considering not only the blowing capacity but also the shape of the hood and height from the fire source.