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문제 정의
- 본 연구에서는 약 71m3의 방호체적 공간에서 B급 고임화재(pool fire)를 대상으로 노즐의 높이 및 화염의 위치 변화와 문의 개폐 여부에 따른 미분무수 소화성능실험을 실시하고 3% 형의 AFFF 소화약제를 첨가하였을 경우의 소화효과를 고찰함으로서 미분무수 노즐의 최적 설치 방안과 소화성능 향상 방안에 대하여 연구하고자 하였다.
제안 방법
- 가) A형 미분무수 노즐을 각각 4m, 3.5m, 3m에 고정시키고 미분무수 방사 실험을 실시하고 B형과 C형의 미분무수 노즐을 각각 교대로 동일 실험을 실시하였다.
- 미분무수 노즐의 방사높이와 화염면의 특성에 따른 소화성능 실험과 미분무수 노즐의 중심거리로부터 화염면 이동에 따른 최적소화 조건 도출실험, 수성막포를 혼합한 소화약제의 소화성능 실험으로 나누어 수행하였다. 각각의 실험에서 문을 개방한 경우와 닫고 실험을 하면서 개폐에 대한 영향도 살펴보았다.
- 고압 미분무수 노즐을 이용한 n-heptane 화재에 AFFF를 적용하여 소화실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 우선 200l의 물탱크에 190l의 물을 채우고 물탱크에 비이커를 이용하여 수성막포 6l를 혼합한 후 다시 물 4l를 넣어 3% 수용액을 만든 다음 물탱크 상부에 설치한 교반기를 이용하여 30분 이상 교반한다. 교반이 완료되면 3.2.1 및 2.2.2의 방법과 같이 소화성능실험을 실시하였다. 이때 연료의 양과 실험실 내부의 냉각 및 대기시간은 3.
- 나) 미분무수 노즐의 높이에 따른 실험이 종료되면 연료팬을 중심으로부터 0.5m와 1m 씩 이동하며 반복 실험을 하였다.
- 다) 연료의 양과 실험실 내부의 온도 냉각 및 온도 측정 대기시간은 위의 2.2.1과 동일하게 실시하였다.
- 미분무수 노즐을 4m, 3.5m, 3m로 상하로 조정하면서 연료팬을 노즐 중심으로부터 0.5m, 1m를 이동하면서 최적소화 실험을 하였다. 이는 미분무수 노즐을 외형상 분류할 경우, 노즐 몸체 중심에 오리피스가 존재하는가에 따라 그 성능이 달라지기 때문이다.
- 미분무수 노즐의 방사높이와 화염면의 특성에 따른 소화성능 실험과 미분무수 노즐의 중심거리로부터 화염면 이동에 따른 최적소화 조건 도출실험, 수성막포를 혼합한 소화약제의 소화성능 실험으로 나누어 수행하였다. 각각의 실험에서 문을 개방한 경우와 닫고 실험을 하면서 개폐에 대한 영향도 살펴보았다.
- 미분무수 입자의 크기와 방사유량이 각기 다른 노즐을 이용하여 방사 높이를 4m, 3.5m, 3m로 변화시켰고 화염면의 크기는 0.5단위, 1단위, 2단위로 변화시키면서 소화성능 실험하였다. 이때 미분무수 노즐은 연소 팬의 중심에 위치시켰다.
- 착화 후 60초가 되면 정상적인 연소를 하여 화염온도는 최대까지 상승하게 되며 이때 펌프의 스위치를 작동하여 미분무수를 방사한다. 방사 후 소화될 때까지의 시간은 연료면 0.5m 높이에 설치된 열전대의 온도기록을 통해서 알 수 있으며 스톱워치를 병행하여 측정하였다. 한 번의 실험이 끝나면 실험실 내부의 온도가 동일한 조건이 될 때까지 약 20분간 냉각한다.
- 본 연구에서는 미분무수 노즐을 이용하여 B급 고임화재(pool fire)에 대한 소화성능 특성에 대한 실험과 노즐의 높이 및 화염면에 대한 위치변화에 따른 소화 특성을 살펴보았고 불소계 계면활성제인 수성막포(AFFF)를 혼합한 경우의 소화효과에 대하여 비교 실험하였다. Figure 1은 본 실험 장치에 대한 개략도로서, 실험실은 가로 세로 높이(평균)가 각각 3m, 5m, 5m이고 벽면의 재질은 유리섬유가 충진된 조립식 판넬을 사용하여 조립하였다.
- 소화성능 실험은 미분무수 입자와 방사량이 다른 3개의 미분무수 노즐을 이용하여 0.5단위, 1단위, 2단위 3개의 화염면의 크기에 대하여 실험하였다.10)
- 수성막포를 혼합한 용액을 이용하여 미분무수의 입자크기가 작은 노즐(50~130µm)과 상대적으로 큰 노즐(150~830µm)의 미분무수 노즐을 사용하여 소화성능 및 최적조건 도출 실험을 실시하였으며 방법과 순서는 다음과 같다.
- 이는 미분무수 노즐을 외형상 분류할 경우, 노즐 몸체 중심에 오리피스가 존재하는가에 따라 그 성능이 달라지기 때문이다. 최적화 실험의 특징은 반복성과 재현성이 가능할 경우에 적용할 수 있으므로, 이번 연구에서는 B급 고임화재 1단위에 대하여만 실험하였다. 실험방법과 순서는 다음과 같다.
- 재 실험 전에 연료팬에 있는 물과 연료의 양을 보충하여 초기화시킨다. 화염면으로 부터 4m 높이에서의 방사실험이 종료되면 어댑터를 이용하여 노즐의 높이를 각각 3.5m, 3m로 조절하면서 실험을 반복하였다.
- 화염의 크기에 따라 실험실 내부의 온도, 화염온도, 시간에 따른 연료와 연료의 열손실을 가능한 일정한 조건으로 유지하기 위해, 연료팬 내부, 연료팬 중앙 수직방향, 실험실 벽면, 배기구 등에 9개의 열전대를 설치하였으며, 매초 1회씩 스캔하면서 온도를 측정하여 노트북에 저장되도록 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 미분무수 노즐을 이용하여 B급 고임화재(pool fire)에 대한 소화성능 특성에 대한 실험과 노즐의 높이 및 화염면에 대한 위치변화에 따른 소화 특성을 살펴보았고 불소계 계면활성제인 수성막포(AFFF)를 혼합한 경우의 소화효과에 대하여 비교 실험하였다. Figure 1은 본 실험 장치에 대한 개략도로서, 실험실은 가로 세로 높이(평균)가 각각 3m, 5m, 5m이고 벽면의 재질은 유리섬유가 충진된 조립식 판넬을 사용하여 조립하였다. 고압 펌프는 약 10Mpa의 압력에서 분당 26리터 이상의 공급이 가능한 플런져 펌프를 사용하였고, 조작스위치, 압력조절기, 체크밸브 등으로 구성되며, 미분무수 노즐은 스월러(Swirl)를 장착한 노즐 및 몸체에 직접 오리피스를 가공한 일체형 노즐 등의 두 가지 타입을 사용하였다.
- Figure 1은 본 실험 장치에 대한 개략도로서, 실험실은 가로 세로 높이(평균)가 각각 3m, 5m, 5m이고 벽면의 재질은 유리섬유가 충진된 조립식 판넬을 사용하여 조립하였다. 고압 펌프는 약 10Mpa의 압력에서 분당 26리터 이상의 공급이 가능한 플런져 펌프를 사용하였고, 조작스위치, 압력조절기, 체크밸브 등으로 구성되며, 미분무수 노즐은 스월러(Swirl)를 장착한 노즐 및 몸체에 직접 오리피스를 가공한 일체형 노즐 등의 두 가지 타입을 사용하였다.
성능/효과
- 2,3) 물은 가장 기본적 소화설비의 매개체로 냉각효과와 더불어 경제성이 뛰어 나지만, 2차적인 수손피해를 초래하는 부작용이 나타나기도 한다.4)
- 4) NFPA에서는 1,000µm 이하에서의 종속도는 약 5.6m/s를 나타내며, 2,500µm 이상에서는 물방울 입자의 종속도는 9.3m/s 이상이라고 보고하고 있다.
- Table 5와 같이 미분무수 노즐의 높이가 화염면과 가까워질수록 소화시간이 단축되었으며, 수성막포를 첨가하였을 때 미분무수만을 사용한 것보다 적게는 7%에서 많게는 60%까지 소화시간이 단축된 것으로 나타났다. 이러한 결과는 기존의 선행 연구결과11)와 일치하는 결과로서, 풀콘 형태의 노즐에서 수성막포의 첨가에 따른 소화성능 향상이 잘 나타남을 알 수 있다.
- 동일한 크기의 화염에서 미분무수 노즐 중심으로부터 멀어질수록 소화시간이 증가함을 나타내어 직접적인 냉각효과를 발휘하지 못할 때에는 소화시간이 증가하는 양상을 나타내었다.
- 둘째, 수성막포 소화약제를 혼합하였을 때, 순수한 물을 사용한 경우보다 소화시간이 감소하였으며, 특히 문이 열린 개방 상태에서는 그 효과가 현저히 나타나, 기존의 밀폐공간에서만 확인되었던 포소화약제에 의한 소화성능 향상 결과가 일부 개방된 공간에서도 유사하게 나타난 것으로 나타났다. 이는 미분무수의 냉각 및 희석 효과 외에 포소화약제의 유면 봉쇄 효과에 의한 것으로 판단되며, 포 소화약제 혼합시 개방공간에서 미분무수 소화설비의 한계점을 보완할 수 있는 한 방법으로 적용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 또한, 문을 닫아 밀폐했을 때보다 문을 열었을 때가 소화시간 단축효과가 더욱 잘 나타났다. 이러한 결과는 개방공간에서 수성막포가 첨가된 미분무수 소화설비의 소화효과가 저감되는 단점을 보완하고 설비유효 성을 증가시키는데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한, 문의 개폐에 따른 소화효과를 볼 때, 문을 닫았을 때 빠른 소화시간을 나타내었는데 이는 개방 시에 비하여 열기류의 유동이 적어 유증기 치환에 따른 질식효과가 높아진 것으로 판단된다. Figure 5, Figure 6, Figure 7은 노즐 중심으로부터 거리에 따른 각 유형별 노즐 사용시 화염의 온도 변화의 결과를 나타낸 것이다.
- Figure 8에 4m 높이에서 방사시 문을 열었을 때 1단위, 2단위 화염에서의 미분무수만을 사용한 경우와 수성막포를 첨가하였을 때의 소화시간을 비교하였다. 소화시간 뿐만 아니라, 실험 중 미분무수만을 사용한 경우에는 화염이 극심한 난류 기동 양상을 보이면서 일부 연료가 연소팬 밖으로 튀어나오는 Splashing 현상과 함께 소화되었으나, 수성막포를 혼합하여 사용한 경우에는 이러한 현상 없이 시간이 지날수록 화염이 작아지면서 유면부터 화염이 사라지듯 소화되는 현상을 보였다.
- 첫째, 동일한 크기의 화염에서 미분무수 노즐 중심으로부터 멀어질수록 소화시간이 증가하였는데, 이는 유증기 치환 및 희석에 따라 소화가 이루어지는 소화 메커니즘에서 중심으로부터 멀어질수록 미분무수의 방사밀도의 감소로 유증기 치환이 어렵기 때문이다.
후속연구
- 셋째로는 본 연구에서 미분무수 노즐의 설치높이가 화염면과 가까워질수록 소화시간이 감소하였으나, 노즐 설치높이의 최적화를 위해서는 노즐 높이의 하한치까지의 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한, 일부 개방된 공간의 존재유무에 따른 소화성능의 현저한 차이는 발생하지 않았으나, 500m3 이상의 실규모 화재에서의 개방공간 유무에 따른 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 셋째로는 본 연구에서 미분무수 노즐의 설치높이가 화염면과 가까워질수록 소화시간이 감소하였으나, 노즐 설치높이의 최적화를 위해서는 노즐 높이의 하한치까지의 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한, 일부 개방된 공간의 존재유무에 따른 소화성능의 현저한 차이는 발생하지 않았으나, 500m3 이상의 실규모 화재에서의 개방공간 유무에 따른 추가적인 연구도 필요할 것으로 판단된다.
- 둘째, 수성막포 소화약제를 혼합하였을 때, 순수한 물을 사용한 경우보다 소화시간이 감소하였으며, 특히 문이 열린 개방 상태에서는 그 효과가 현저히 나타나, 기존의 밀폐공간에서만 확인되었던 포소화약제에 의한 소화성능 향상 결과가 일부 개방된 공간에서도 유사하게 나타난 것으로 나타났다. 이는 미분무수의 냉각 및 희석 효과 외에 포소화약제의 유면 봉쇄 효과에 의한 것으로 판단되며, 포 소화약제 혼합시 개방공간에서 미분무수 소화설비의 한계점을 보완할 수 있는 한 방법으로 적용될 수 있을 것으로 생각된다.
- 또한, 문을 닫아 밀폐했을 때보다 문을 열었을 때가 소화시간 단축효과가 더욱 잘 나타났다. 이러한 결과는 개방공간에서 수성막포가 첨가된 미분무수 소화설비의 소화효과가 저감되는 단점을 보완하고 설비유효 성을 증가시키는데 일조할 수 있을 것으로 판단된다.
- 문을 열었을 때보다 수성막포의 첨가에 따른 소화시간의 영향이 상대적으로 적게 나타났다. 즉, 문을 닫았을 때보다 문을 열었을 때 미분무수의 소화성능이 현저히 저감될 때, 수성막포를 첨가함으로서 소화성능이 향상된 것으로 판단되며, 이에 따라 미분무수 소화설비의 한계점을 일정부분 극복할 수 있으리라 판단된다.
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