[논문]소화성능이 있는 질소발생기의 방사량 결정에 관한 실험적 연구

장영근; 김덕주; 서병택

문제 정의

따라서 본 연구에서는 소형 질소발생기를 가지고 다양한 방사압과 방사량으로 소형 방호구역에 질소가스를 방사하면서 측정한 산소농도 변화를 가지고 방사압력, 방사량, 방사시간, 방호구역의 크기 및 산소농도의 변수를 포함하는 상관관계식을 구하여 임의의 방호구역에 대한 질소가스의 다양한 방사압력을 고려한 방사량을 결정할 수 있도록 하였다. 가스계 소화설비 및 청정소화설비의 설계기준^1,2)을 참고로 질소발생기를 소화 시스템으로 구성하여 다양한 실험을 수행하였고, 또한 결정된 상관관계식을 검증하기 위하여 별도의 방호구역을 제작하여 임의의 방사압력과 방사량에 대한 추가 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 산업용으로 사용하는 질소발생기를 청정소화설비로 사용할 수 있도록 질소발생기의 소화 약제 방사량을 결정하기 위한 상관관계식을 구하기 위하여 Figure 1과 같은 실험장치를 구성하였다. 질소발생기(N₂ Generator)는 크기가 L2,270 × W850 × H2,135 mm이고, 순도가 99.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 소형 질소발생기를 가지고 다양한 방사압과 방사량으로 소형 방호구역에 질소가스를 방사하면서 측정한 산소농도 변화를 가지고 방사압력, 방사량, 방사시간, 방호구역의 크기 및 산소농도의 변수를 포함하는 상관관계식을 구하여 임의의 방호구역에 대한 질소가스의 다양한 방사압력을 고려한 방사량을 결정할 수 있도록 하였다. 가스계 소화설비 및 청정소화설비의 설계기준^1,2)을 참고로 질소발생기를 소화 시스템으로 구성하여 다양한 실험을 수행하였고, 또한 결정된 상관관계식을 검증하기 위하여 별도의 방호구역을 제작하여 임의의 방사압력과 방사량에 대한 추가 실험을 실시하였다.
검증용 방호구역은 합판을 이용하여 크기가 L3,500 × W3,000 × H2,700mm로 약 29m3의 용적을 갖는 사각형의 반밀폐구조로 제작하여 우측 상단에 개구부 면적이 소화성능에 미치는 영향을 고려하여 과압 배출구(Pressure relief venting)를 가스계 소화설비의 설계기준에 맞도록 L390 × W240mm 정도 설치하였다.
3%)인 산소가스측정기(OM)의 센서를 Photo2와 같이 방호구역의 하부에 설치하여 측정하였다. 그리고 본 연구를 통하여 결정된 상관관계식을 검증하기 위하여 가스계 소화설비 성능시험 기준²⁾에 적합한 표준시험실 크기와 비슷한 방호구역을 제작하여 임의의 방사압과 방사량에 대하여 실험을 수행하였다.
등이 유추한 실험식에 대하여 실제 실험한 산소농도와 어느 정도 차이가 있는지를 파악하였다. 그리고 질소발생기의 방사량을 결정하는 실험식은 이론식(1)을 이용한 산소농도와 실제 실험한 산소농도와의 오차(∆O₂)를 최소화 할 수 있는 오차분석을 통하여 상관관계식을 결정하였다.
따라서 본 연구에서는 질소발생기의 임의 방사압력과 방사량에 대하여 방사시간 변화에 대한 산소농도 변화를 실험하여 이론식(1)과 실험결과의 산소농도 오차를 분석하여 임의 방호구역과 방사압력에 대한 질소 발생기의 방사량을 결정할 수 있는 실험식을 결정하였다. 실험식 결정은 각각의 방사압력에 대한 상관관계 식의 평균값을 이용하는 방법과 실험변수를 모두 포함한 하나의 상관관계식을 구하는 2가지 방법으로 수행하였다.
6MPa의 4단계로 변화시켰고, 방사량을 30, 40, 48CMH(m³/h)로 변화시키면서 각각에 대하여 5분 동안 방호구역 내의 산소농도 변화를 5초 간격으로 측정하였다. 또한, 상관관계식을 검증하기 위한 실험에서는 평균 방사압력 0.7MPa에 방사량을 4.8~6.5CMM(m³/min)로 변화시켜 실험하였다.
서병택⁴⁾ 등은 산업용으로 사용하고 있는 질소발생기의 청정소화설비 적용 가능성을 판단하기 위한 기초연구를 수행하여, 질소발생기를 사용하고 있는 산업현장에서 가스계 소화설비를 필요로 하는 전기실, 통신실 등의 공간에 질소발생기를 산업용과 소화용으로 겸용하여 사용할 경우 청정소화설비로 충분히 적용이 가능함을 실험적으로 밝혔다. 또한, 질소발생기를 소화설비로 사용함에 있어 산업용으로 일반적으로 사용하는 질소발생기 방사압 0.6MPa에 대한 방사량을 결정할 수 있는 상관관계식을 실험적으로 결정하였다. 그런데 서병택⁴⁾ 등이 결정한 상관관계 식은 방사압력 0.
실험식 결정은 각각의 방사압력에 대한 상관관계 식의 평균값을 이용하는 방법과 실험변수를 모두 포함한 하나의 상관관계식을 구하는 2가지 방법으로 수행하였다. 먼저 평균값을 이용하는 방법으로 Figure 7에서 볼 수 있듯이 질소발생기 방사압력 0.3MPa에서 0.6MPa 각각의 방사압력에 대하여 이론식(1)과 실험한 모든 유량에 대한 산소농도 오차(∆O₂)를 방사시간에 따라 분석하였다. 그림에서 알 수 있듯이 방사시간이 지날수록 산소농도 오차가 증가하므로 오차분석을 최소자승법을 이용하여 선형적으로 분석하였다.
본 연구에서는 먼저 서병택⁴⁾ 등이 유추한 실험식에 대하여 실제 실험한 산소농도와 어느 정도 차이가 있는지를 파악하였다. 그리고 질소발생기의 방사량을 결정하는 실험식은 이론식(1)을 이용한 산소농도와 실제 실험한 산소농도와의 오차(∆O₂)를 최소화 할 수 있는 오차분석을 통하여 상관관계식을 결정하였다.
실험결과는 가스계 소화설비의 무유출(No efflux)인 경우 방호구역(V, m³), 가스방출량(Q, m³), 산소농도(O₂, %)와의 관계를 나타내는 식¹⁾을 이용하여 방호구역 및 방사량에 대한 산소농도를 알 수 있는 다음과 같은 이론식(1)을 이용하여 실험결과의 산소농도와의 오차 분석을 통하여 상관관계식을 구하였다. 여기서 산소농도(O₂, %)는 방호구역 체적에 대한 Vol.
따라서 본 연구에서는 질소발생기의 임의 방사압력과 방사량에 대하여 방사시간 변화에 대한 산소농도 변화를 실험하여 이론식(1)과 실험결과의 산소농도 오차를 분석하여 임의 방호구역과 방사압력에 대한 질소 발생기의 방사량을 결정할 수 있는 실험식을 결정하였다. 실험식 결정은 각각의 방사압력에 대한 상관관계 식의 평균값을 이용하는 방법과 실험변수를 모두 포함한 하나의 상관관계식을 구하는 2가지 방법으로 수행하였다. 먼저 평균값을 이용하는 방법으로 Figure 7에서 볼 수 있듯이 질소발생기 방사압력 0.
실험은 먼저 질소발생기의 방사량을 결정할 수 있는 상관관계식을 유도하기 위하여 방사압력을 0.3, 0.4, 0.5, 0.6MPa의 4단계로 변화시켰고, 방사량을 30, 40, 48CMH(m³/h)로 변화시키면서 각각에 대하여 5분 동안 방호구역 내의 산소농도 변화를 5초 간격으로 측정하였다. 또한, 상관관계식을 검증하기 위한 실험에서는 평균 방사압력 0.
이러한 실험식(4)를 다른 방호구역과 방사압 및 방사량으로 검증하기 위하여 방호구역을 L3,500 × W3,000 × H2,700mm로 크게 하고 임의의 방사압력과 방사량에 대하여 검증실험을 수행하였다.
5MPa로 감소할 때까지 방사된 시간은 약 90~120초 정도 걸렸다. 이와 같은 실험을 통하여 탱크에 저장된 질소가스의 양과 방사시간으로 임의의 방사량을 결정하였고, 방사압력은 탱크압력범위 0.5~0.9MPa의 평균값으로 분석하였다.
임의 방사압력과 방사량을 맞추기 위하여 본 실험에서 사용한 Figure 2의 소형질소발생기와 부스터 컴프레서 및 3m³의 고압탱크를 이용하여 탱크압력 0.5MPa에서 질소발생기 방사량 45CMH(m³/h)로 탱크에 약 13분 정도 저장하여 탱크압력을 0.9MPa 정도까지 맞춘후 탱크에 저장된 질소가스를 0.5MPa이 될 때가지 검증용 방호구역에 방사하면서 산소농도를 측정하였다. 탱크압력이 0.

대상 데이터

질소발생기(N2 Generator)는 크기가 L2,270 × W850 × H2,135 mm이고, 순도가 99.9%인 질소가스를 방사압력 0.3~0.7MPa, 방사량 30~50m3/h로 조절할 수 있는 H사의 소형 질소발생기를 사용하였다.

데이터처리

6MPa 각각의 방사압력에 대하여 이론식(1)과 실험한 모든 유량에 대한 산소농도 오차(∆O₂)를 방사시간에 따라 분석하였다. 그림에서 알 수 있듯이 방사시간이 지날수록 산소농도 오차가 증가하므로 오차분석을 최소자승법을 이용하여 선형적으로 분석하였다. 또한, 산소농도 오차(∆O₂)는 방사압력이 증가할수록 커지는 경향을 나타내었다.

성능/효과

따라서 할론 계열의 소화약제를 대체할 청정 소화약제에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며 HCFC Blend A, HFC-227ea, HFC-23, IG-541, IG-100 등이 개발되어 상용화되고 있다.¹⁾ 이러한 청정소화약제 중에서 대부분의 물질은 특허권리에 따라 자유롭게 사용할 수 없다. 그러나 IG100은 특허 분쟁이 없는 질소가스를 100% 사용하기 때문에 질소가스를 청정소화약제로 사용할 수 있는 가스계 소화설비에 대한 연구가 국내 · 외적으로 활발하게 진행되고 있다.
1) 이론식(1)의 산소농도와 실제 실험을 통한 산소농도의 차이(∆O₂)는 방사압력(P)과 방사시간(t)에 비례한다.
3) 상관관계식을 적용한 산소농도 변화는 별도의 검증용 방호구역과 방사압력 및 방사량에 대하여 실험한 결과와 잘 일치한다.
4) 상관관계식을 이용하면 방호구역 300m³의 크기는방사압력 0.8MPa인 경우 약 40m³/min의 성능이 있는 질소발생기로 3분 이내에 소화가 충분히 가능하다.

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