[논문]산업용 질소발생기에 대한 청정소화설비로의 적용가능성에 관한 연구

서병택; 장영근

산업용 질소발생기에 대한 청정소화설비로의 적용가능성에 관한 연구
A Study on the Possibility of Application as a Natural Extinguishing System for $N_2$ Generator 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.24 no.2, 2010년, pp.139 - 144

서병택 (용인송담대학 건축소방설비과) , 장영근 (용인송담대학 건축소방설비과)

초록
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본 연구에서는 산업용으로 일반적으로 사용하고 있는 질소발생기를 사용하여 할론 계열의 소화약제를 대체할 청정소화설비로 적용할 수 있는지에 대한 소화성능 실험을 간단히 수행하였다. 산업용 질소발생기의 소화성능을 분석하기 위하여 간단한 방호구역을 제작하여 실제 질소발생기에서 발생하는 질소가스를방사하면서 방호구역 내의 산소농도 변화를 실험적으로 파악하였다. 실험결과, 현재 많이 사용하고 있는 질소발생기로 방호구역 $100m^3$에 대하여 질소가스를 $5m^3$/min로 방사하면 3분 이내에 방호구역 내의 산소 농도를 15% 이내로 낮추어 질식소화가 충분히 가능하다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study has been carried out to investigate the possibilities of an industrial $N_2$ generator that it replace Halon series as a natural extinguishing system. And this study comparison design standard of gas series extinguishing system with natural extinguishing system. We manufactured simple protected enclosure for analyzing fire-extinguishing performance of the $N_2$ generator. As a $N_2$ gas is exhausted on protected enclosure, a various of Oxygen concentration is measured to analyze fireextinguishing performance experimentally. The results, in case of $100m^3$ protected enclosure and $5m^3$/min $N_2$ flow rate, the Oxygen concentration is decreased below 15% within 3 minutes. And so, the $N_2$ generator make full use of an suffocating extinguishing system.

주제어

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문제 정의

그러나 현재 개발되고 있는 것은 대부분 생산된 질소가스를 초고압으로 가압된 충전용기에 저장한 후 소화배관을 통하여 화재발생 시 질소가스를 방출하여 화재를 진화하는 시스템에 대한 연구들이고, 실제 질소가스를 발생시키는 질소발생기를 활용한 소화시스템에 대한 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 국내 기술력이 뛰어난 산업용 질소발생기를 할론 계열의 소화약제를 대체할 청정소화설비로 적용할 수 있는지를 알아보기 위하여 가스계 소화설비 및 청정소화설비의 설계기준^1,2)을 참고로 질소발생기를 소화시스템으로 구성하여 기초 실험을 수행한 후 소화성능을 분석하였다. 또한, 산업용 질소발생기의 소화성능을 분석하기 위하여 간단한 방호구역을 제작하여 실제 질소발생기에서 발생하는 질소가스를 방사하면서 방호구역 내의 산소농도 변화를 실험적으로 파악하였다.

제안 방법

노즐은 20mm의 강관을 별도의 특수 제작 없이 그대로 사용하였고, 방호구역내의 산소농도는 모델명 XQ-326ALA(측정범위 0~40VOL%, 정밀도 ± 0.3%)인 산소가스측정기(OM)를 방호구역의 상부에 설치하여 측정하였다.
따라서 본 연구에서는 방사시간에 따라 발생하는 오차와의 상관관계식을 파악하기 위하여 질소가스의 방사압력을 산업용 질소발생기에서 일반적으로 사용하는 압력인 0.6MPa에 대한 방사시간에 따른 이론식(1)과의 산소농도(O₂, _Th. %)와 실험결과의 산소농도(O₂, _Erp. %)와의 차이(∆O₂, %) 분포를 나타내면 Figure 8과 같다. Figure 8에 대하여 방사시간(t, min)과 산소농도오차(∆O₂, %)와의 상관관계식을 구하면, ∆O₂(%) = 0.
따라서 본 연구에서는 국내 기술력이 뛰어난 산업용 질소발생기를 할론 계열의 소화약제를 대체할 청정소화설비로 적용할 수 있는지를 알아보기 위하여 가스계 소화설비 및 청정소화설비의 설계기준^1,2)을 참고로 질소발생기를 소화시스템으로 구성하여 기초 실험을 수행한 후 소화성능을 분석하였다. 또한, 산업용 질소발생기의 소화성능을 분석하기 위하여 간단한 방호구역을 제작하여 실제 질소발생기에서 발생하는 질소가스를 방사하면서 방호구역 내의 산소농도 변화를 실험적으로 파악하였다.
방호구역(Protected enclosure)은 질소발생기의 소화 성능을 파악하기 위하여 가스계소화설비의 성능기준보다 작은 임의의 방호실로 크기가 L1,700 × W1,300 × H2,040mm로 약 4.5m3의 용적을 갖는 캐비넷형의 반 밀폐구조로 제작하여 우측 상단에 개구부 면적이 소화 성능에 미치는 영향4)을 고려하여 과압 배출구(Pressure relief venting)를 가스계 소화설비의 설계기준에 맞도록 L190 × W140mm 정도 설치하였다.
실험은 질소발생기의 방사압력을 0.3, 0.5, 0.6MPa의 3단계로 변화시키고 방사량을 30, 40, 48m³/h(CMH)로변화시키면서 각각에 대하여 5분 동안 방호구역 내의 산소농도 변화를 5초 간격으로 측정하여 방사압력과 방사량이 질소발생기의 소화성능에 미치는 영향을 분석하고, 향후 다양한 방호구역에 대한 질소발생기의 용량을 결정할 수 있는 실험식을 유도하였다.

대상 데이터

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

성능/효과

1) 질소가스 방사시간이 1분 경과하였을 때 산소농도는 17~20%로 높지만 시간이 3분정도 경과하였을 때는 산소농도가 12~16%로 질식소화에 적합한 농도에 도달하였다.
2) 방사유량과 압력이 증가할수록 산소농도는 완만하게 감소하며 방사유량이 27% 정도 증가하면 산소농도의 감소율은 약 3~7% 정도이고, 방사압력이 43% 정도 증가하면 산소농도의 감소율은 약 2~6%로 방사압력보다는 방사유량 변화에 따른 질소가스의 소화성능이 크게 변하는 것을 알 수 있다.
3) 이론식(1)을 이용한 산소의 소화농도 변화는 실험 결과와 큰 차이가 있지만, 본 연구의 오차분석을 통하여 얻어진 실험식(2)는 실험결과와 잘 일치한다.
4) 현재 보편적으로 많이 사용하고 있는 중형 질소 발생기에 대하여 실험식(2)를 통하여 계산된 방호구역 100m³에 대한 질소가스 방사량 5m³/min는 방사시간이 최대 3분인 경우에는 산소농도를 15% 이내로 낮추어 질식소화가 충분히 가능하다.
5) 가스계 소화설비를 적용되는 대부분의 전기실, 기계실, 전산실 등의 방호대상이 100m³ 이상의 넓은 공간을 차지하기 때문에 현재 상용화된 중·저압의 질소발생기로는 시스템이 너무 커지기 때문에 경제성이 없다.
6) 본 연구를 통하여 분석한 질소발생기는 현재 산업현장에서 산업용으로 사용하면서 소방법규에 제한을 받지 않는 소규모의 전기시설 등이 있는 방호대상물의 청정소화설비로 겸용하여 사용하는 것이 적합하다.
Figure 5는 질소가스 방사량과 방사압력에 따른 소화성능을 알아보기 위하여 방사시간이 각각 1분과 3분 경과하였을 때 방사유량 변화에 따른 산소농도를 방사 압력에 대하여 비교한 것으로 그림에서 알 수 있듯이 방사유량과 방사압력이 증가할수록 산소농도는 완만하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 방사시간 3분이 경과하였을 때는 본 연구에서 실험한 방호구역에 대해서는 산소농도가 15% 이하로 감소하여 심부화재인 경우에는 질식소화가 가능함을 알 수 있다.

후속연구

두 개의 흡착탑이 설치되어 있고 흡·탈착을 반복함으로써 질소가스를 연속적으로 생산한다. 질소발생기는 현재 금속산업분야(Purge/Sealing, 열처리공정), 식품 및 화학약품분야(고무공업, 식품포장 및 이송, 사진현상, 도료포장, 화학공장) 전자산업분야(반도체 및 전자부품, reflow용도) 등의 다양한 분야에서 널리 사용되고 있으며 향후 이번 연구개발을 통하여 청정소화시스템 분야에도 그 쓰임의 폭이 크게 확대될 것으로 전망한다.³⁾

참고문헌 (4)

남상욱, "소방시설의 설계 및 시공", 성안당, pp.347-481(2004).
소방방재청, "가스계소화설비의 성능에 관한 인정기준(KFIS 002)", 소방방재청 국가화재안전기준(2004).
(주)하나플랜트, "고효율 에너지절약형 질소분리발생 장치 개발", 중소기업청 기술혁신개발사업최종보고서(2006).
전흥균, 최영상, 박종탁, "개구부 면적이 $CO_2$ 소화설비의 소화성능에 미치는 영향", 한국화재소방학회 논문지, Vol.22, No.1, pp.1-9(2008).

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