Effect of Fire Fighters' Turnout Gear Materials Air Gap on Thermal Protective Performance

ISSN: 1738-7167

DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2014.28.4.097

소방보호복 소재의 공기간극이 열보호 성능에 미치는 영향

이준경

^†

경남대학교 기계공학부, *패션의류학과

Effect of Fire Fighters’ Turnout Gear Materials Air Gap on Thermal Protective Performance

Jun-Kyoung Lee

^†

Dept. of Mechanical Engineering

*Dept. of Fashion and Clothing, Kyungnam Univ.

(Received May 16, 2014; Revised July 29, 2014; Accepted August 14, 2014)

요 약

소방보호복은 고열유속에 의한 화상방지를 위해 3층 이상의 복합소재로 구성되어 있으며, 각 소재 사이는 공기 간극이 존재한다. 화재에 의한 고열유속 노출 시 공기 간극 내에서의 열전달은 대류와 복사에 의해 주로 발생하며, 그로 인해 간극의 크기에 따라서 비선형 특징의 열 저항 크기를 갖게 된다. 그러므로 본 연구에서는 보호복 소재 사이의 여러 가 지 공기 간극(0~7 mm)에 대한 보호복의 열 보호성능을 자세히 파악하기 위한 실험을 수행하였다. 복사 열 유속 입사 시에 시간에 따른 각 소재의 온도 변화뿐만 아니라, 열 보호성능을 가장 효과적으로 나타낼 수 있는 지표(Radiant Protective Performance, RPP) 값의 공기간극에 대한 변화 특성을 파악하였다. 공기간극이 증가할수록 단열효과가 커짐 으로 인해 후면의 온도는 낮아지고, RPP는 커짐을 확인할 수 있었다. 특히 일정 열유속 조건에서 공기간극에 대한 RPP 값은 선형적인 특성을 나타내었고, 그러한 결과를 바탕으로 다양한 입사 열유속 및 공기 간극 조건에 대해 비교적 간단한 형태의 RPP 지표 예측 식을 제안하였고, 좋은 예측 결과를 얻을 수 있었다.

ABSTRACT

To ensure adequate protection from the risk of burns, fire fighter’s turnout has a composite of more than three compo- nents and air gaps between layers of materials. During the flame exposure, radiation and convection heat transfer occurs in the air gap, thus the air gap acts as a thermal resistance with non-linear characteristics. Therefore, in this study, the experiments were performed to identify the effect of various air gap width (0~7 mm) on the thermal protective perfor- mance of fire fighter’s clothing. The temperatures on each layer and RPP (Radiant Protective Performance, the most effective index representing the thermal protective performance) were measured with various incident radiant heat fluxes.

The temperature at the rear surface of the garment decreased and RPP increased with increasing air gap width because the thermal resistance increased. Especially, it could be found that RPP value and air gap width has almost linear relation for the constant incident heat flux conditions. Thus relatively simple RPP predictive equation was suggested for various inci- dent heat flux and air gap conditions.

Keywords : Fire fighters’ protective clothing, Air gap, Radiant Protective Performance (RPP) test

1. 서 론

화재현장에서 소방공무원의 화상사고는 매년 지속적으 로 발생하고 있다. 한국의 경우 소방공무원 공사상 원인분 석 자료에서 화염접촉에 의한 경우가 5.5%를 차지하고 있 으나, 자가 치료와 공사상미신청건을 고려하면 실제에는 이보다 많이 발생할 것으로 판단된다⁽¹⁾. 미국의 경우 2011 년도 소방공무원 사망원인의 8% 정도가 화상으로 나타났

으며 이를 예방하기 위한 다양한 연구가 진행중이다⁽²⁾. 화 재현장에서 전달되는 열은 복사열이 가장 큰 비중을 차지 하며, 연료연소로 인해 발생하는 화재의 경우 발생열의 80% 이상이 복사열이다. 특히 소방공무원은 불꽃 등의 직 접적인 요인에 의한 피해보다는 복사열에 의한 화상 등의 간접피해가 더 크다고 알려져 있다⁽³⁾.

이러한 복사열에 대한 화상위험으로부터 보호하기 위해 기본적으로 소방보호복을 착용한다. 소방보호복은 보통 겉

†

Corresponding Author, E-Mail: [email protected]

†

TEL: +82-55-249-2613, FAX: +82-505-999-2167

감, 흡수천, 안감 세 개의 층으로 구성되어 있다. 겉감의 주 기능은 열 및 화염으로부터의 보호이며 보조기능으로 물리적 충격으로부터 인체 및 흡수천의 보호기능이 있다.

흡수천은 외부의 물은 차단하고 증기는 배출하는 역할을 하고 보조기능으로 화학약품에 대한 보호기능이 있다. 안 감은 열로부터 보호성능을 발휘하고 착용감을 향상시키며 중간층의 보호를 위해 사용한다. 그 기능을 도식화 하여 Figure 1에 나타내었다.

보호복의 개발을 위해서는 각 소재의 열보호특성을 파 악하는 것이 가장 중요하며, 그와 관련해서 ASTM이나 ISO에서는 고열유속 조건의 경우에 소재의 열보호특성을 파악할 수 있는 방법을 제시하고 있으며, Lee et al.⁽⁴⁾은 저 열유속 조건에서도 열보호특성을 잘 파악할 수 있는 개선 된 방법을 제안하였고, Figure 1의 보호복에 대한 각 소재 의 열보호특성을 파악하였다.

그러나 각 소재의 열보호특성을 파악하더라도 Figure 1 과 같이 보호복은 3층 이상의 복합소재로 구성되는 경우 가 대부분이며, 각 소재 사이 및 보호복과 피부 사이에는 공기 간극이 존재하게 된다. Kim et al.⁽⁵⁾은 3차원 body digitizer를 활용하여 보호복을 착용한 작업자의 몸 부위별 보호복 구성 직물 공기 간극을 측정하였고, 최대 2 cm까지 공기 간극이 존재함을 보고하였다. 또한 공기 간극의 분포 와 몸 부위별 화상 정도에 대한 수집 데이터를 비교시 공 기간극이 매우 작거나, 없는 부위의 화상 발생 빈도가 높 아짐을 확인하였다. 같은 구성의 보호복이라고 하더라도 공기 간극에 따른 열보호 성능은 큰 차이가 발생함을 확인 할 수 있으며, 공기 간극의 큰 열저항에 의해 보호복의 통 과 열유속이 감소되었음을 예상할 수 있다. 그러나 공기 간극 내에서의 열전달은 대류와 복사에 의해 주로 발생하 며, 그로 인해 간극의 크기에 따라서 비선형성 특징의 열 저항 크기를 갖게 된다.

Torvi et al.⁽⁶⁾은 소재 사이의 공기간극이 없는 경우에 대 해, 보호복과 피부사이의 공기 간극을 변화시키면서 열보

호성능을 측정하였고, 4~9 mm 사이의 간격이 열보호성능 을 높일 수 있는 간격이라고 보고하였다. Talukdar et al.⁽⁷⁾ 은 열보호성능 측정 결과를 예측하기 위해 수치해석 방법 을 개발하였다. 그러나 소재 사이의 공기 간극 또한 존재 하며, Lee and Park⁽⁸⁾은 소재 사이의 공기 간극에 따른 열 보호 성능을 각 소재 후면의 온도 측정을 통하여 살펴보았 으나, 복사열유속 입사에 대한 열보호 성능이 아닌 고온 jet 공기가 보호복에 충돌할 경우에 대한 연구이고, 열보호 특성이 아닌 온도 측정에 국한되어 이에 대한 연구가 매우 필요한 실정이다.

그러므로 본 연구에서는 소재 사이의 여러 가지 공기 간 극에 대한 보호복의 열보호성능을 각 소재에 대한 온도 측 정 뿐만 아니라, 열보호성능을 가장 효과적으로 나타낼 수 있는 지표(RPP) 값의 측정 및 변화 특성을 파악하고, 나아 가 공기 간극 값에 따른 RPP 지표 예측식을 제안하고자 하였다.

2. 열보호성능 측정 실험 장비 및 실험방법

2.1 실험장비

보호복의 열보호성능을 측정하기 위해 열유속 및 시간 당 저장 에너지를 동시에 측정 가능한 구리열량계(Copper calorimeter)를 ASTM F 2702-08⁽⁹⁾을 참고하여 제작하였 Figure 1. Structure of fire fighter’s protective clothing.

Figure 2. Experimental setup.

다. 열량계에 대한 보정은 Lee et al.⁽⁴⁾에 상세히 나타내었 다. 열량계를 이용한 보호복 열보호성능 시험장치는 히터, 전원 스위치, 전원 공급 장치, 열량계 이송장치 및 고정장 치, 셔터(shutter), 그리고 DAQ로 구성하였다(Figure 2).

히터는 텅스텐램프(220 V/1,200 W) 8개로 구성되어있으 며, 전원 공급장치(10 KW)의 전압 조절을 통해 발열량을 제어가능 하며, 일정한 열유속이 공급될 수 있도록 만들었 다. 셔터는 실험시작 전 히터의 열유속 안정화 과정 중 발 생하는 열을 센서에 도달하지 못하도록 차단하는 역할을 한다.

2.2 실험방법

히터를 켜고 정상 상태까지의 안정화 작업을 거친 후 셔 터를 열어 히터로부터 43 mm 거리에 위치시킨 소방보호 복 시편을 일정 열유속 조건에 1분간 노출시켰다. 열유속 조건은 시편의 파괴가 발생하지 않는 저열유속 범위에서 범위를 설정하였다(대부분의 건물화재는 8~25 kW/m²의 저열유속 조건에서 많이 나타난다⁽¹⁰⁾.). 시편 전, 후면의 온 도와 시편을 통과하는 열유속 데이터를 획득한 후 히터를 끄고 실험 장비를 상온으로 냉각시켰다. 동일열유속 조건 에 대해 3회의 반복실험을 수행하였다.

실험에 사용한 소방보호복은 겉감, 중간감, 안감의 3겹으 로 구성된 S사 제품이며, 각 물성치는 Table 1과 같다. 실 험 시 사용한 시편은 125 mm × 110 mm 크기의 시험편을 20 ± 2^oC 온도, 65 ± 2% 상대습도에서 24시간 이상 컨디셔 닝 하였다. 공기간극의 효과를 측정하기 위해 각각의 시편 층 사이에 Spacer를 두고 3, 5, 7 mm의 공기층을 동일하게 형성하여 공기층이 없는 경우의 결과와 비교하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 공기 간극에 따른 온도 측정 결과

시험 간 시편의 전 후면으로 열전대를 위치시키고 각 위 치의 온도를 측정하였다. 온도 측정 결과의 예는 Figure 3 에 나타냈다. 노출 초기의 경우 온도가 급격히 증가하다 기울기가 완만해진 후 다시 기울기가 커지는 것을 볼 수 있다. 시편의 위치가 뒤로 갈수록 완만해지는 구간이 길게

나타났다. 공기간극이 커질수록 각 시편의 온도차는 커지 는 것으로 나타났다. 각 소재 간의 온도차는 공기 간극이 커질수록 크게 나타나는 경향을 나타내었다.

3.2 공기간극에 따른 열보호성능 측정 결과

공기간극에 따른 열보호성능을 살펴보기 위해, 열보호성 Table 1. Thermophysical Properties of Fire Fighter’s Protective Cloth (S Company)

Outshell Absorption fabric Lining

Material Aramid/Rayon Aramid Aramid

Fiber mixture rate (%) Aramid : 65.2

Rayon : 34.8 Aramid : 100 Aramid : 100 Density

(strand/2.54 cm)

Warp 63 59

Weft 44 56

Thickness (mm) 0.56 0.85 0.30

Thermal conductivity (W/m^oC) 0.049 0.045 0.036

Figure 3. Specimen temperature distribution due to time.

능을 파악하기 위한 객관적 지표를 간단히 정리하면 다음 과 같다. 첫번째는 노출열유속에 대해 시험편을 투과한 열 유속 비율을 의미하는 TF지수가 있고, 다음식과 같이 나 타낼 수 있다.

(1)

이 식에서 는 통과열유속(kW/m²), 는 입사열유속 (kW/m²)을 각각 의미한다. 통과 열유속은 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

(2)

이 식에서 M은 구리열량계 질량(kg), C는 구리비열(kJ/

kg^oC), A는 구리열량계 면적(m²), 12는 온도차(^oC)를 각각 나타낸다. TF는 노출열유속이 일정하다면 통과열유속의 값을 그대로 표현하는 것으로, TF 값이 작을수록 열보호 성능이 우수하다고 할 수 있다. 그러나 노출열유속이 다른 경우 의미가 없으며, 쉽게 측정이 가능하고, 시험편 간의 상대적인 비교가 쉬운 장점이 있으나, 물리적으로 큰 의미 가 없다.

두번째는 HTI 지수로 방화복의 안쪽의 온도(정확히는 구리열량계 온도)가 12^oC, 24^oC 상승하는데 소요되는 시 간을 측정한 값이다. 이는 피부가 고통을 느끼며 화상을 입지 않도록 대피할 수 있는 대략적인 시간이며, 따라서 HTI 값이 클수록 방화복의 열보호 성능이 우수하다고 판 단할 수 있다. 장점은 TF 지수와 유사하다고 할 수 있으나, 고열유속 하에서는 매우 값이 작을 수 있다.

마지막으로 열노출로 인한 통증시작(Onset of pain)시간 을 나타낸 RPPop 지수와 2도 화상(Second degree burn)의 시작시간을 나타낸 RPP 지수가 있다. 시험편 후면에서의

구리열량계 온도를 측정하여 통증 시작 및 2도 화상발생 까지의 시간을 측정 및 예측한 것이 각각 RPPop 및 RPP가 되며, 이것을 실제 시험 결과로부터 구하는 예를 Figure 4 에 나타내었다. 보다 자세한 측정방법은 Lee et al.⁽⁴⁾과 ASTM F2702-08⁽⁹⁾에 나타나 있다. 이 지표는 기존 지표들 에 비해 화상발생시간이라는 물리적 특징을 가지고 있기 때문에 값 자체를 활용하여 보호복을 개발하고, 화상방지 에 대한 지침을 제공할 수 있는 유용한 지표로 본 논문에 서도 RPP 지표를 활용하여 보호복의 열보호성능을 판단 하였다.

각 열유속 및 시험편에 대해 같은 방법을 이용하여 RPPop

및 RPP를 모두 구하였고, 그 결과를 Figure 5에 나타내었 다. 2도 화상(Figure 5(a))과 통증 시작점(Figure 5(b))에 대해 각 시험편의 발생 시간을 각각 나타내었다. 같은 입 사 열유속(x축 값)에 대해 발생시간(y축 값)이 클수록 좋 은 열보호 성능을 가진다. 각 소재에 대해 RPPop및 RPP TF %( ) = q·_C

q·₀ --- 100×

q·_C q·₀

q·_C = M C 12⋅ ⋅ A⋅(HTI₂₄ − HTI₁₂) ---

Figure 4. Rating method of RPP and RPPOP values from copper calorimeter temperature measurements.

Figure 5. Protective performance results for single and multi layer conditions.

의 관계를 입사 열유속에 대해 제안할 수 있으며, 따라서 다양한 열유속 조건에서 각 소재의 화상발생시간을 간단 한 형태의 식으로 제안할 수 있어 열보호성능 특성을 잘 나타낼 수 있다.

RPP 지수는 1 Layer 결과보다 3 Layer가 되면서 크게 증가하는 것으로 나타났다. 공기간극이 커질수록 RPP 지 수는 증가하는 것으로 나왔다. 동일간극 조건에서 열유속 이 증가할수록 RPP 지수는 감소하는 것으로 나타났다.

동일 열유속 조건에서 공기간극이 증가할수록 열보호지 수가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다(Figure 6).

따라서 열보호지수를 공기간극과 열유속간의 관계식의 형 태로 표현하면 다음과 같다.

y = A × air gap + B (3)

이 식에서 air gap은 공기 간극의 크기(mm)를 나타내며 는 주입 열유속(kW/m²)를 의미한다.

계산 값과 실험 값을 비교 해본 결과(Figure 7) 90% 이 상의 값이 오차범위 ± 10% 이내의 선형성을 만족하는 것 으로 나왔다. 공기간극과 주입열유속을 통해 식을 유도 할 수 있다. 위의 식은 본 실험에 사용된 소방보호복에 한 정된 결과이기는 하나, 공기간극과 입사열유속에 대한 소 방보호복의 열보호성능을 1개의 식 형태로 간단하게 표 현할 수 있다는 것을 보여주는 결과이며, 소방보호복의 재질이 변경되더라도 위 식의 형태를 기반으로 변수들만 변경을 하여 사용할 수 있을 것으로 사료되어, 소방 보호 복 개발시 매우 유용하게 적용이 될 수 있을 것으로 기대 된다.

3.3 HTI 지수와 RPP 지수의 관계

Lee et al.⁽⁴⁾은 HTI가 구리열량계의 온도를 12^oC나 24^oC 까지 상승시키는데 걸리는 시간이고, RPP는 고통 시작점 또는 2도 화상 발생 시간으로 HTI의 연장선에 놓여 있기 때문임을 파악하여, HTI24와 RPP 지수와의 관계 및 HTI12

와 RPP_OP 지수와의 관계를 각각 간단한 식의 형태로 제시 하였다. 이는 HTI라는 측정이 용이한 지표를 이용하여 측

q·

Figure 6. Effects of air gap on protective performance.

Figure 7. Comparison results between experimental results and predictions.

Table 2. Variables of RPP and RPP_op

y A B

RPP_op

RPP_op

− 2.29 10× ⁻³ q·

2.07---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ + 8.61

×exp 245.92 − q·

8.92---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ − 0.53

×exp

− 2.02 10× ⁻³ q·

11.82 ---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ + 11.02

×exp 112.56 − q·

8.25---

⎝ ⎠

⎛ ⎞ + 7.99

×exp

정이 비교적 난해한 RPP를 예측할 수 있으므로 매우 유용 한 식이라고 할 수 있다. 본 연구에서는 기존의 1 layer에 대한 연구결과에 더해 본 연구에서의 3 layer 실험결과를 바탕으로 개선된 식을 제안하였다. 즉, HTI24와 RPP 지수 와의 관계 및 HTI12와 RPPop 지수와의 각각에 대한 관계 를 다음 식의 형태로 표현하였고, 그 결과는 각각 Figure 8에 나타내었다.

RPP_op= 0.78 × HTI₁₂+ 6.20 (4) RPP = 1.41 × HTI₁₂− 13.66 (5) HTI₁₂와 RPP_op와의 관계(식(4))는 Lee et al.⁽⁴⁾의 결과와 일치하고 있으나, HTI24와 RPP는 그렇지 못하다. 그것은 기존의 연구가 비교적 적은 결과를 바탕으로 예측식을 제 안하였기 때문이며, 이전의 결과에 대해 입사열유속이 3.8 kW/m²의 조건을 제외한 모든 결과에 대해 식(5)의 관계를 만족함을 알 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 소방보호복의 공기간극에 따른 통과 열 유속 실험을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

1) 공기간극이 커질수록 시편의 개별온도는 낮아지는 것 을 확인 할 수 있었다. 이는 공기간극이 열저항으로 작용 하여 열전달량을 줄여 준다고 볼 수 있다. 또한 온도 기울 기 차이는 시편 내 수분 등 내부물질의 상변화로 인해 나 타나는 것으로 볼 수 있다.

2) 동일 열유속 조건에서 공기간극이 증가할수록 열보호 지수가 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서 열보호지수를 공기간극과 입사 열유속간의 간단한 선형관 계식의 형태로 제시하였고, RPP 지수를 대략적으로 예측 할 수 있는 기반을 마련하였다. 이러한 결과를 토대로 다 른 시편의 경우에도 계산식을 도출해내 RPP 및 RPPop 결 과를 예측할 수 있을 것으로 기대된다.

3) RPP 지수와 HTI 지수의 관계는 선형적으로 증가하 는 양상을 보이며, 관계식으로 간단하게 나타낼 수 있었다.

비교적 간단히 측정가능한 HTI 지수를 측정하면 측정이 상대적으로 힘든 RPP 지수를 대략적으로 예측 할 수 있으 므로 매우 유용하다고 할 수 있다.

Acknowledgement

본 연구는 2014년도 소방방재청 차세대핵심소방안전기 술개발 사업의 지원을 받아 수행되었으며 관계제위께 감 사드립니다.

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