[국내논문]불활성가스계 단일 성분 및 혼합물 성분의 대체 소화제의 물성 비교 Comparison of the Physical Properties for Alternative Eire Extinguishing of Pure and Mixture Component of Inert Gases원문보기
지구 환경 보호를 고려한 불활성가스계의 혼합물인 IG-541소화제가 개발되었다. 소화제는 물성에 의한 특성 및 효율성, 환경에 미치는 영향뿐만 아니라 안정성, 경제성을 고려해야한다. 이러한 불활성 가스계의 대체 소화제에 사용되는 $N_2$, Ar, $CO_2$의 순수 및 혼합물의 물성을 수집하여 비교하였다. 불활성 가스계 대체소화제의 물성 중 밀도, 점도, 표면장력을 온도에 대한 변화와 혼합물에서 몰 분율의 변화에 관해 비교하였다. 3성분계 혼합물 중 50% $N_2$, 40% Ar, 10% $CO_2$(mol. %)의 조성인 혼합물에서 밀도가 높고, 점도가 낮으며, 표면장력이 순수 성분 보다 높지 않아 소화제로서 유리하다.
지구 환경 보호를 고려한 불활성가스계의 혼합물인 IG-541소화제가 개발되었다. 소화제는 물성에 의한 특성 및 효율성, 환경에 미치는 영향뿐만 아니라 안정성, 경제성을 고려해야한다. 이러한 불활성 가스계의 대체 소화제에 사용되는 $N_2$, Ar, $CO_2$의 순수 및 혼합물의 물성을 수집하여 비교하였다. 불활성 가스계 대체소화제의 물성 중 밀도, 점도, 표면장력을 온도에 대한 변화와 혼합물에서 몰 분율의 변화에 관해 비교하였다. 3성분계 혼합물 중 50% $N_2$, 40% Ar, 10% $CO_2$(mol. %)의 조성인 혼합물에서 밀도가 높고, 점도가 낮으며, 표면장력이 순수 성분 보다 높지 않아 소화제로서 유리하다.
The commercially available IG-541 extinguished agent composed of inert gases was developed for environmental protection. The extinguished agents were considered in terms of physical properties, efficient characteristic, environment, stability, and economical efficiency. The pure and mixture componen...
The commercially available IG-541 extinguished agent composed of inert gases was developed for environmental protection. The extinguished agents were considered in terms of physical properties, efficient characteristic, environment, stability, and economical efficiency. The pure and mixture components of physical properties of $N_2$, Ar and $CO_2$ were chosen and compared. The physical properties of density, viscosity and surface tension of inert gases were plotted with the molar ratios of $N_2$/$CO_2$ and Ar/$CO_2$ in terms of a temperature. The extinguished agent in the composition of $N_2$, Ar and $CO_2$, 50/40/10 (mol %) showed relatively high density, low viscosity and moderate surface tension, therefore it was suitable for the alternative extinguished agents.
The commercially available IG-541 extinguished agent composed of inert gases was developed for environmental protection. The extinguished agents were considered in terms of physical properties, efficient characteristic, environment, stability, and economical efficiency. The pure and mixture components of physical properties of $N_2$, Ar and $CO_2$ were chosen and compared. The physical properties of density, viscosity and surface tension of inert gases were plotted with the molar ratios of $N_2$/$CO_2$ and Ar/$CO_2$ in terms of a temperature. The extinguished agent in the composition of $N_2$, Ar and $CO_2$, 50/40/10 (mol %) showed relatively high density, low viscosity and moderate surface tension, therefore it was suitable for the alternative extinguished agents.
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문제 정의
6) 대체소화제의 기술 개발 현황은 Ineigen을 기초로한 혼합물의 연구를 중심으로 청정소화약제의 소화농도 및 소화기구, 독성, 환경영향성, 소화분해물 연구를 통해 적합한 약제를 선정하는데 중요하다. 본 연구의 목적은 대체소화제로 사용되고 있는 순수 물질의 단일 성분인 Ar, N2, CO2에 관한 열역학적 물성의 특징과 불활성가스계 혼합물의 몰분율에 따른 조성비를 적용하여 실제적인 상용화된 불활성가스계 IG-541 물성의 특성을 알아내고 필수적으로 고려해야 할 소화 방출 시간을 예상하는데 물성인 밀도, 점도, 표면장력의 특성을 비교하여 국내, 외에서도 기술적 영향 및 관련 기관들의 기초 자료로 제안하고자 한다.
본 연구는 불활성가스계를 원료로 하는 소화제의 혼합물의 비율에 따른 밀도, 점도, 표면장력의 영향 및 온도에 따른 단일 성분에서 기체의 물성 변화를 알아보았다. 또한 현재 상용화 되어있는 불활성가스계 혼합 소화약제의 3성분계 혼합물의 비율 50% N2(mol.
가설 설정
6GHz/256 RDRAM)를 사용하였으며, 분석도구로는 ExceptTM을 이용하였다. 문헌을 통해 얻은 실험값을 다항식, 지수, 역수관계등의 상관관계를 이용하여 실험식을 가정하고, 이를 실험 값과의 상관도(r2)를 측정하여 검토하였다. r2는 다음과 같이 정의 된다.
제안 방법
또한 현재 상용화 되어있는 불활성가스계 혼합 소화약제의 3성분계 혼합물의 비율 50% N2(mol. %), 40% Ar(mol. %), 10% CO2(mol. %)의 특성을 단일 성분과 혼합물의 조성비에 따른 물성을 대기압(1기압)에서 일정한 온도에 따른 밀도, 점도, 표면장력을 이전에 알려진 실험 자료를 이용하여 물성에 특성을 알아보았고, 또한 각 성분간의 조성비에 따라 물성의 변화를 알아보았다. 대체 소화제의 요건 중 중요한 물성들은 낮은 전기전도도, 높은 비열, 적당한 증기압 및 잔사가 없는 것 등으로 알려져 있다.
0에 따른 조성비를 적용하여 실제적인 물성의 특성을 알아내고자 한다. 또한 CO2의 10(mol. %)이하의 조성에 대하여 불활성가스계에서 중요한 기준인 밀도, 점도, 표면장력을 비교하였다.
기체상태방정식과 Virial 식을 함께 적용하여 밀도를 나타내었다. 선행된 김 등2)의 연구에 의해 발표된 온도에 따른 밀도의 실험식을 이용하여 298K에서 380 K까지의 온도범위에서의 각각 Ar이 0.210185 kg/m3, N2 53.300006 kg/m3, CO2 28.411520 kg/m3의 순수한 밀도를 구하였다. 일반적으로 고체나 액체와 비교하였을 때, 기체는 온도가 증가할수록 부피의 변화가 크기 때문에 밀도의 변화가 크다.
Ar의 경우 상대적으로 낮은 기체 밀도를 가지고 있어 변화량이 거의 보이지 않으나, 다른 기체들과 동일한 경향을 보이고 있었다. 구해진 단일성분의 밀도를 식 (4)를 이용하여 각 기체의 조성비에 따른 밀도의 변화를 알아보았다. 여기서 N2, Ar, CO2의 조성비는 CO2에 대한 N2/CO2와 Ar/CO2의 몰비로 변환하여 사용하였고 CO2를 기본으로 한 일정량 10(mol.
%)6) 이상이 첨가되는 경우 화재 지역 이외에 소화제가 분사되는 지역 내에 있는 사람들의 질식사를 유도할 수 있다. 따라서CO2를 기본으로 한 N2/CO2의 범위는 1에서 9까지, Ar/ CO2는 1에서 5까지 변화시켜 각 조성비에 따른 밀도의 변화를 알아보았다. Fig.
0117cP)와는 일정 범위#에서 유사한 값을 가졌다. 따라서, 불활성가스를 이용한 소화제를 개발하는데 있어서 혼합물 조성비를 N2/CO2가 5.0이상, Ar/CO2가 2.5이상에서 결정하는 것을 제안한다.
본 연구에서는 소화제 방출 시간 예측에 가장 중요한 밀도, 점도, 표면장력에 관하여 이들 물질의 혼합비율에 따라 열역학적 물성을 조절할 수 있으며, 밀도와 점도의 온도 범위 298(K)에서 380(K)와 표면장력 70(K)에서 304(K)이하의 온도 범위에서 예측할 수 있었다. 이러한 경우 Inergen 50% N2, 40% Ar, 10% CO2(mol. %)과 혼합물의 조성비에 따른 물성을 비교하였다. 순수 물질에 대하여 온도에 대한 단일변수와 3성분계 혼합물에 대한 N2와 Ar, CO2의 조성비를 N2/CO2와 Ar/CO2의 몰비로 변환하여 물성의 특성을 확인하였고, 이를 통해 각 물성에서 소화제로서의 성능을 향상할 수 있는 조성비를 알 수 있었다.
이들은 열역학적인 물성을 계산하는데 있어서 주요한 인자들로서 활용범위가 넓다. 불활성가스계의 특성을 알아보기 위하여 각각의 몰분율 N2/CO2는 1.0, 2.0, 3.0, 4.0, 5.0, 6.0, 7.0, 8.0, 9.0과 Ar/CO2는 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0, 3.5,4.0, 4.5, 5.0에 따른 조성비를 적용하여 실제적인 물성의 특성을 알아내고자 한다. 또한 CO2의 10(mol.
이론/모형
온도와 압력에 대한 상관관계를 알기 위해서 기체 상태 방정식을 이용하며, 기체상태방정식7)을 이용하였다. 기체상태방정식은 다음과 같다.
본 연구에서는 데이터 분석은 인하대학교 고순도분리연구실의 Pentium PC(1.6GHz/256 RDRAM)를 사용하였으며, 분석도구로는 ExceptTM을 이용하였다. 문헌을 통해 얻은 실험값을 다항식, 지수, 역수관계등의 상관관계를 이용하여 실험식을 가정하고, 이를 실험 값과의 상관도(r2)를 측정하여 검토하였다.
기체상태방정식과 Virial 식을 함께 적용하여 밀도를 나타내었다. 선행된 김 등2)의 연구에 의해 발표된 온도에 따른 밀도의 실험식을 이용하여 298K에서 380 K까지의 온도범위에서의 각각 Ar이 0.
점도가 너무 크면 방출하는데 높은 압력이 필요하고 이에 따라 방출장비의 기계적인 에너지 소모가 크며, 방출속도가 늦어지는 문제점이 있다. 단일성분의 점도는 선행된 김 등2,6)의 연구에 의해 발표된 온도에 따른 점도의 실험식을 참조하여 구하였다. 상온에서 단일성분의점도를 비교하였을 때 Ar의 경우 0.
01518 cP에 비하여 상대적으로 높은 경향을 보이고 있었다. 구해진 단일성분의 점도를 식 (7)를 이용하여 각 기체의 조성비에 따른 점도를 혼합물의 조성비에 따라 구하였다. 여기서 N2, Ar, CO2의 조성비는 CO2에 대한 N2와 Ar의 몰비로 변환하여 사용하였다.
성능/효과
따라서 할론 대체물질의 연구 개발 방안이 매우 필요하게 되었다.2) 대체 소화제는 일반적으로 수계, 가스계로 구분하고 있으며, 그 것의 특성은 물리적, 화학적으로 안정하며 독성이 적고 보다 높은 안전성이 필요한 우수한 소화약제의 보급과 대응이 필요하게 되었다. 소화원리는 주로 연소의 화학적 반응을 억제하고 저농도(5% 미만)로 소화가능하며, 전기화재에 매우 효과적이고, 독성과 부식성이 매우 낮으며, 물질의 내부까지 침투가 가능하여야 한다.
소화원리는 주로 연소의 화학적 반응을 억제하고 저농도(5% 미만)로 소화가능하며, 전기화재에 매우 효과적이고, 독성과 부식성이 매우 낮으며, 물질의 내부까지 침투가 가능하여야 한다.4,5) 불활성가스계 대체물질로서 ODP가 0이며, 성충권의 오존 감소에 거의 영향을 끼치지 않는 것이며, 소화약제는 불꽃소화농도, 독성, 환경영향성, 약제 저장안정성 및 부식성, 상용성, 물성, 경제성 평가와 특징으로 무색, 무취, 비전도성 가스로 약 1.0kg/cm2 정도의 압력을 지니고 있다. 또한 혼합물의 조성(±5%)은 CO2허용치 7.
이 경우 밀도는 CO2의 양이 감소할수록 증가하였으며, Ar/CO2보다는 N2/CO2의 양이 증가할수록 증가폭이 컸다. 이는 상대적으로 N2와 CO2의 기체 밀도가 Ar보다 상대적으로 큰 값을 가지고 있어, N2/CO2의 양이 증가할수록 밀도는 증가하였고, Ar/CO2의 경우 다른 기체들보다 낮은 기체 밀도를 가지고 있어, 밀도의 증가폭이 낮았다. 밀도는 높을수록 물질의 무게가 크기 때문에 소화성능이 뛰어나다.
밀도는 높을수록 물질의 무게가 크기 때문에 소화성능이 뛰어나다. 따라서, 소화에 적합한 높은 밀도를 가지기 위해서는 상대적으로 밀도가 낮은 Ar/CO2의 양이 적어야 하고, 밀도가 높은 N2, CO2의 함유량을 높여야 함을 알 수 있었다. 상용화된 Inergen의 밀도는 Fig.
따라서, 소화에 적합한 높은 밀도를 가지기 위해서는 상대적으로 밀도가 낮은 Ar/CO2의 양이 적어야 하고, 밀도가 높은 N2, CO2의 함유량을 높여야 함을 알 수 있었다. 상용화된 Inergen의 밀도는 Fig. 2에 보이는 화살표의 값인 98.541 kg/m3이며, 높은 값을 가지는 것을 알 수 있었고, N2와 Ar는 온도의 변화에 따라서 밀도변화가 상대적으로 적었으며, 소화제로 사용하는데 있어서 적합하다고 보여준다. 또한, 밀도가 높을수록 소화제를 분사하는데 소요되는 기계적 에너지가 증가하는 단점이 있고, 화재로 인해 연소물질의 연소로 인한 화학적 반응이 일어나 유독성물질로 전환될 수 있다.
4에서 보는 것과 같다. 혼합물의 점도는 CO2의 양이 감소할수록 증가하였으며, 반대로 Ar/CO2과 N2/CO2의 양이 증가할수록 점차 증가하는 것을 알 수 있었다. 특히 N2/CO2보다 Ar/CO2 의양에 따라 점도의 증가폭이 컸다.
Fig. 5에서는 70K에서 304K의 온도범위에서 순수한 Ar, CO2, N2를 온도변화에 따른 표면장력이 Ar 0.0351598N/m와 CO2 0.0541927N/m, N2 0.0119936N/m의 특징을 보여주고 있으며, 온도가 증가함에 따라 모두 감소하였으며, 특히 CO2의 경우 다른 기체보다 높은 표면장력을 가졌으며 상대적으로 낮은 감소를 보였고, 특히 N2, Are 160 K지점에서 급격히 감소하는 유사한 경향을 보였다. 298 K 지점에서 Nz의 표면장력은 0.
6은 불활성가스계의 기체의 순수한 표면장력을 이용하여 조성비에 대한 표면장력의 영향을 나타내었다. N2/CO2의 양이 증가할수록 Ar/CO2의 양이 감소할수록 표면장력은 감소하였다. 이는 CO2의 표면장력이 다른 기체들 보다 상대적으로 높은 값을 가지고 있고, N2의 경우 낮은 값을 가지고 있어 CO2의 양이 감소하고 상대적으로 N2의 양이 증가할수록 혼합물의 표면장력은 감소하는 경향을 보인 것으로 사료된다.
Halon계 소화제와 비교하였을 때 전 조성비에서 상대적으로 낮은 값을 가졌다. 따라서, 불활성가스계 혼합물의 조성에서 상대적으로 N2/ CO2의 양을 늘이고, AT/CO2의 양을 줄임으로써 적절한 표면장력 값을 가지는 것이 좋으리라 사료되며, 3성분계 혼합물의 50% N2, 40% Ar, 10% CO2의 표면장력이 0.00006068 N/m로써 순수한 형태보다 혼합형태의 표면장력 값이 낮았다. 따라서 Inergen 소화제의 특성과 각각의 조성에 따른 표면장력이 소화력에 미치는 영향은 매우 중요하다.
이다. 본 연구에서는 소화제 방출 시간 예측에 가장 중요한 밀도, 점도, 표면장력에 관하여 이들 물질의 혼합비율에 따라 열역학적 물성을 조절할 수 있으며, 밀도와 점도의 온도 범위 298(K)에서 380(K)와 표면장력 70(K)에서 304(K)이하의 온도 범위에서 예측할 수 있었다. 이러한 경우 Inergen 50% N2, 40% Ar, 10% CO2(mol.
%)과 혼합물의 조성비에 따른 물성을 비교하였다. 순수 물질에 대하여 온도에 대한 단일변수와 3성분계 혼합물에 대한 N2와 Ar, CO2의 조성비를 N2/CO2와 Ar/CO2의 몰비로 변환하여 물성의 특성을 확인하였고, 이를 통해 각 물성에서 소화제로서의 성능을 향상할 수 있는 조성비를 알 수 있었다. 이를 통해 선행 연구에서 보고된 김 등2,6)의 연구 결과에의하면 3성분계 혼합물 중 50% N2, 40% Ar, 10% CO2(mol.
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