FTT Cone Calorimeter

"Cone Calorimeter"는 Dr. Vytenis Babrauskas가 그의 공동 연구자들과 NIST에서 개발한 bench scale의 산소 소모 열량계(oxygen depletion calorimeter)로서, 그 이름은 100㎜×100㎜ 크기의 시편에 100㎾/㎡까지의 복사열을 방출할 수 있는 꼭대기가 잘려진 원뿔형의 heater 모양에서 유래되었다. FTT 사의 Cone Calorimeter는 가장 간단하면서 사용자가 편리하게 사용할 수 있도록 설계 및 제작되었다. 또한 작은 규모의 실험실에서도 사용이 가능하며, 사용자가 쉽게 calibrating, testing, reporting 등을 할 수 있는 software가 제공된다. FTT 사의 Cone calorimeter는 ISO 5660, ASTM E 1354, ASTM E 1474, ASTM E 1740, ASTM F 1550, ASTM D 5485, ASTM D 6113, NFPA 264, CAN ULC 135, BS 476 Part 15 포함한 거의 모든 종류의 국제 규격을 만족시키고 있다.

 

Cone Calorimeter의 전체 시스템은 다음으로 구성되어 있다:

Conical Heater : 230V에서 5000W의 비율로 100㎾/㎡까지의 복사열 방출이 가능한 잘려진 원뿔 형태로 되어 있으며, 수평시험 및 수직시험 모두에서 사용이 가능하다. 정확한 온도 조절을 위해 3개의 K type thermocouple과 3-term(PID) temperature controller가 사용된다.

 

A Split Shutter Mechanism : 테스트하기 전에 샘플을 보호하기 위한 system. 이것은 샘플의 질량 측정 이후 사용자가 테스트를 시작하기 전에 시스템을 점검할 수 있는 추가적인 시간을 주기 위한 system이다.

만일 쉽게 착화되는 물질의 경우 shutter mechanism이 작동하지 않는다면 종종 너무 빨리 착화되기 때문에, 이러한 shutter mechanism은 쉽게 착화되는 샘플을 위해서는 매우 중요하다.

 

Specimen Holders : 100㎜×100㎜ 크기와 50mm까지의 두께를 갖는 시편을 위한 시편 고정 장치로 수평시험과 수직시험에 사용이 가능하다.

 

Load Cell : 시편의 질량은 0.1g의 정밀도와 2kg까지의 총 무게 범위를 가진 strain gauge load cell을 통해 측정된다. Movement damage를 피하기 위한 빠른 전자 tare 기능과 mechanical stop 기능에 의해 안정된 결과를 나타내며 수명이 길다.

 

Spark Ignition : 안전 차단 장치와 함께 10kV spark generator가 설치되어 있다. Igniter는 shutter mechanism과 연결된 스위치에 의해 자동으로 이동된다.

 

Exhaust System : 수명이 오래가도록 stainless steel로 제작되었다. Exhaust system은 hood, gas sampling ring probe, exhaust fan(최소 0.1g/s의 resolution, 0-50g/s의 flow control), orifice plate flow measurement(thermocouple 및 differential pressure transducer)로 구성되어 있다. 보통 24 l/s로 작동한다.

 

Gas Sampling : Particulate filter, refrigerated cold trap, pump, drying column, flow control로 이루어졌다.

 

Oxygen Analysis : 0-25%의 범위에서 시험 규격에 따른 Paramagnetic Oxygen Analyzer

 

Smoke Obscuration : main과 reference 보정용 photo detector를 가지고 있는 0.5mW Helium Neon laser 및 photodiode에 의해 측정된다. Calibration을 위한 alignment cradle과 0.3, 0.8 neutral density filter가 함께 공급된다.

 

Heat Flux Meter : 시편 표면에서의 복사열을 측정하기 위해 사용한다.

 

Calibration Burner : 순도 99.5%의 methane을 써서 기계가 측정한 열방출율을 calibrate하기 위해서 사용한다.

 

Data Acquisition/Switch Unit : Data logger는 120 single-ended 또는 48 double-ended 측정이 가능한 6 1/2 digit(22bit) 내부 DMM을 구비한 3-slot cardcage를 특징으로 한다. 250 채널까지의 scan rate는 GPIB(IEEE-488)와 RS 232 interface에 사용할 수 있다. 모든 reading들은 자동으로 실시간 모니터되고 non-volatile 50,000-reading memory에 저장된다. 이 non-volatile memory는 전원이 제거된 후에도 데이터가 유지되며 나중에 PC에 upload할 수 도 있다.

 

Windows Software : 사용자의 편의를 고려한 pull-down menu. 영어, 불어, 독어, 스페인어, 일어를 포함하여 대부분의 언어에서 이용할 수 있다.

 

Options

Carbon Dioxide and Carbon Monoxide : NDIR gas analyzers

Hydrogen Chloride : Heated supply line 및 gas analyzer

Controlled Atmosphere Attachment : 잘 번진 불에서 발견되는 낮은 산소 농도하에서 시편의 시험, 가스의 반응 억제물질의 효과, 동적 대기 환경을 연구하기 위해서 사용한다.

Protection Doors : 독성 샘플에서 나온 연기로부터 사용자를 보호하기 위해 테스트 지역을 환기하고 샘플 시험을 위한 환경을 제공한다.

Cone Corrosimeter : ASTM D 5485에 따라 제작되었으며 연소물의 부식 가능성 평가를 위해 쓰인다.

 

Dual Cone Calorimeter

현대의 모든 열방출율 측정은 산소 소모 열량계(oxygen depletion calorimeter)를 사용하고 있다. Large 및 small calorimeter 모두에 있어서 oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide의 측정에 쓰이는 분석법과 분석 장비의 특성은 동일하다. 그러므로 단일 세트의 분석장비가 두 테스트 모두에 쓰일 수 있다. FTT main Cone Calorimeter의 분리된 rack 속으로 Large Scale Calorimeter(예를 들어 ISO 9705, Furniture Calorimeters, Cable Propagation Rigs, SBI Apparatus)에 필요한 고용량 펌프와 gas handling filtration과 같은 가스 분석 장비가 설치되므로서 Dual Cone Calorimeter가 개발하였다. 이 장비는 Cone Calorimeter와 Large Scale Calorimeter 둘 다에 편리하게 사용될 수 있다.

Cone Calorimeter의 사용시, analysis rack은 Cone Calorimeter unit과 함께 위치한다. Large Scale Calorimeter를 사용할 때 이 부분은 Cone frame으로부터 분리되어, large calorimeter의 power 및 sampling line의 빠르고 쉬운 연결을 위해 새로운 위치로 이동된다.

FTT Dual Cone Calorimeter는 단일 용도의 Cone Calorimeter의 이점을 모두 갖고 있으며, ISO 5660, ASTM E 1354, ASTM E 1474, ASTM E 1740, ASTM F 1550, ASTM D 5485, ASTM D 6113, NFPA 264, CAN ULC 135, BS 476 Part 15 등의 국내 및 국제 규격 모두를 충족시킨다.

 

ISO 5660-1 : 건축물의 열방출율을 측정 (Cone Calorimeter 방법).

ASTM E 1354 : 산소 소모 열량계를 사용하여 물질의 열 및 연기 방출율을 측정

ASTM E 1474 : bench scale 산소 소모 열량계를 이용하여 가구 및 매트리스 또는 그 복합 물질의 열방출율을 측정

 

Mass Loss Calorimeter

Ignitability, mass loss 작동에 보다 많은 관심이 있는 사람들 또는 예산이 한정된 사람들을 위해서 FTT는 Cone Calorimeter로부터의 완전한 fire model인 Mass Loss Calorimeter를 제공하고 있다. 적절한 후드 아래서 이 장비를 사용하여 시편의 반응 및 질량 변화를 측정하므로서 Cone Calorimeter에서 사용된 것과 동일한 조건 하에서 열적 노출에 대한 연구를 수행할 수 있으며, thermopile을 포함하는 flue가 추가될 수 있다. Methane burner에 의해 calibration된 thermopile은 열방출율을 측정하는데 사용될 수 있다. 이는 현재 ISO TC 61(plastics) 위원회에 의해 제정된 새 국제 규격인 ISO 13927에 제시되어 있다.

FTT Mass Loss Calorimeter는 Cone Calorimeter 부품을 추가하므로써 언제든지 full 또는 partial Cone Calorimeter가 되도록 향상될 수 있다. Chassis, ductwork, fan, smoke analysis instrumentation, mass flow measurement와 oxygen depletion 장비는 모두 나중에 추가될 수 있다.

 

Modelling With Calorimeter data

미국과 스웨덴에서 수행되었던 많은 연구들은 Cone Calorimeter가 modeling을 위한 자료들을 얼마나 잘 산출했는지 보여 주었다. EUREFIC project가 Cone Calorimeter data로부터 벽 내부 물질을 위한 Room Corner(ISO 9705)의 좋은 예측 모델을 증명한 후, European Commission은 small scale calorimeter 시험으로부터 건축물의 성능 예측을 위한 model을 개발하기 위해서 몇몇 큰 multi-lab 연구 과제에 투자했다. 이것은 furniture를 위한 CBUF(Combustion Behaviour of Upholstered Furniture Project), 전선을 위한 FIPEC(Fire Performance of Electric Cables), 철도 차량을 위한 FIRESTAR project를 포함하는 것이다.

현재 FTT사는 진보적인 연구를 위해 규격 및 성능 개발에 따른 material과 product 모두를 시험할 수 있는 Cone Calorimeter를 공급하고 있다. 또한 FTT사는 모든 크기의 product가 full scale로 시험될 수 있는 더 큰 calorimeter를 개발하고 있다. FTT사 연구원들은 bench scale calorimetry와 화재 발달율을 예측하기 위한 flame-spread data를 사용하는 세계 선도 연구팀과 계속해서 협력하여 제품개발을 하고있다.

 

Flexibility with FTT Calorimeters

FTT사의 calorimeter는 고객에게 최대로 사용 또는 작동할 수 있도록 upgrade되고 호환 가능한 module을 갖도록 디자인되었다. 다양한 분석기들이 시스템 내부에 장착 될 수 있고 또한 주요 구성품 자체는 여러 가지로 사용할 수 있다. Small entree level mass Loss Calorimeters(ISO 13927)는 ISO 5660-2에 따라 연기를 측정하기 위해서나 또는 full Cone Calorimeter가 되도록 좀 더 개발된 spare calorimeter furnace model로써 사용될 수 있다. Dual Cone Calorimeter의 분석 시스템은 보다 큰 Large Calorimeter로 수분 내에 전환될 수 있다. IEC 60332-3같이 duct로 된 거의 모든 제품들은 Dual Cone Calorimeter의 rack과 FTT사가 제공한 duct를 사용하므로서 large calorimeter로 쉽게 변환될 수 있다. 후자를 위해서는 gas sampling, temperature and mass flow probe가 필요하다.

The Cone Calorimeter

Cone Calorimeter는 매우 다양한 설정 조건 하에서 시험될 물질의 중요한 실제 fire property를 측정하기 때문에 fire testing 분야에서 가장 중요한 bench scale 제품이다. 이 제품은 연구원이 직접 측정을 위해 사용할 수 있고 또는 화재 발달을 예측하는 데 쓰이는 상관관계나 수학적 모델에 사용될 자료를 위해 사용된다. 측정 값은 다음과 같다:

Rate of heat release (kW/m²)

Time to ignition (sec)

Critical ignition flux

mass loss rate (g/s)

smoke release rate

Effective heat of combustion (MJ/kg)

Rate of release of toxic gas release (e.g carbon oxide)

열방출율은 화재의 크기 및 성장율과 연기와 유독성 가스의 방출양을 표시하기 때문에 material과 product의 화재 위험을 평가하는데 사용되는 필수 요소이다. 1980년대 미국 NIST(구 NBS)에 있는 Dr. Vytenis Babrauskas와 그의 동료들이 산소소모 열량측정(oxygen depletion calorimetry)라고 불리는 기술을 사용하여 모든 범위에서 열방출율의 측정 방법을 개발하기 전까지는 전통적으로 측정하기가 매우 어려웠었다. Material이 Babraukas's Cone Calorimeter에서 테스트되는 반면 큰 물품은 product calorimeter에서 테스트되었다.

 

FTT contribution to development of calorimetery

1980년대 중반, FTT사의 director인 Stephen Grayson과 Stephen Upton은 국제 시험 규격을 개발하는 것을 돕기 위해서 Babrauskas (Cone Calorimeter를 발명한)와 그의 다른 동료들과 함께 연구하였다. 또한 그들은 European prototype과 Stanton Redcroft의 commercial Cone Calorimeter를 디자인했다. 1990년대 초에 Stephen Grayson과 Vytenis Babrauskas는 calorimetry text book "Heat Release in Fires"에서 calorimetry에 대한 세계적인 지식을 취합하였다.

1989년 이래로 FTT는 full scale calorimeter를 세계적으로 선도하는 제조자가 되었다(예를들어 Furniture Calorimeter와 ISO 9705 Room Corner test). 1993년에 FTT Cone Calorimeter는 그 당시의 약 절반 가격으로 차세대 장비를 시장에 제공하였다. 이것으로 calorimetry가 대부분의 실험실 예산의 범위 내에 들었고 FTT는 계속해서 이 시장의 주요 sector를 제공했다. 나중에 FTT는 새로운 Cone 2000과 Dual Cone 2000을 시장에 내놓았다. 이 기간 내내 FTT 과학자와 엔지니어들은 몇 가지 calorimetry research project를 이끌었고 International, European, ASTM, British Standardisation 그룹에 폭 넓게 기여하였다.

FTT 그룹은 Cone Calorimeters를 30개국 이상의 거래처에 100대 이상 공급했다. 전문 calorimetry 디자인 엔지니어들은 우리 제품을 새로운 개발에 통합하고, production 엔지니어들은 세계적으로 가장 숙련된 cone 건축자이며, 전문 서비스 엔지니어 팀은 5 대륙 모두에서 FTT calorimeter가 신속히 유지되도록 책임지고 있다.

 

Applications

현재 fire 연구를 가장 선도하는 그룹들은 물질의 특성에 대한 데이터의 가장 중요한 소스 그리고 완제품의 fire 반응을 예언하기 위해 쓰이는 model에 대한 input data의 소스 둘 다로써 cone calorimeter를 사용하고 있다. International standard는 이 장비에 대한 것을 공포했고 몇몇 국가 표준화부는 현재 완제품의 성능을 평가하는데 있어서의 Cone Calorimeter 사용에 대한 product standard를 공포했다.

Furniture (ASTM E 1474)

Wall lining materials (ASTM E 1740)

Prison mattresses (ASTM F 1550)

Electric Cables (ASTM D 6113)

Railway rolling-stock applications (BS 6873)

Maritime applications(IMO)

 

Principle of measurement

이 기술은 oxygen의 양에 바로 비례하는 연소하는 물질에 의해서 방출된 열이 연소 과정에서 쓰인 것을 경험적으로 관찰하는 것에 기초한 것이다. 대부분의 연료가 3.1×103 kJ/kilogram라는 산소 소모를 발생시키는 것으로 알려졌다. Exhaust duct와 air의 부피 측정 flow에서 산소의 정확한 농도 의 측정은 열방출율이 계산될 수 있는 산소 소비율을 제공한다. Cone Calorimeter에 의한 열방출율은 다음과 같이 주어진다.