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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 목재 화재에 대한 저압식 미분무수의 소화성능을 향상시키고자 증점제를 첨가하고 그 효과를 분석하였다. 증점제를 순수한 물에 첨가하여 소화약제의 점도 증가에 따른 소화효과를 분석하고자 하였으며, 또한 첨가제를 함유한 소화약제의 물성변화에 따른 영향을 분석하고자 증점제의 종류 및 농도 변화에 따른 표면장력 등 물성을 측정하고, 소규모 목재화재의 소화실험을 실시하여 소화성능을 고찰하였다.
- 본 연구에서는 목재 화재를 소화하기 위한 저압식 미분무수의 소화성능을 향상시키고자 증점제인 한천과 CMC를 순수한 물에 첨가하였고, 증점제의 종류 및 농도 변화에 따른 수용액의 물성을 측정하고 소화성능을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 증점제의 첨가에 의한 소화약제의 물리적 성질변화를 측정하기 위해 밀도, 점도, 표면장력을 측정하였다. 밀도는 고유진동주기 측정방식을 사용하는 밀도계(KEM사, DA-130)를 사용하였으며, 점도는 회전 원통 점도 측정법을 기초로 하는 점도계(Brookfild사, DV-Ⅱ+)를 사용하였다.
제안 방법
- 측정은 KS 규격의 목재 함수율 측정 방법에 준하였으며, 시험편을 105±2 ℃로 유지되는 건조기 내에서 항량에 도달할 때까지 건조시킨 후 질량감소분을 측정하고 이 질량감소분을 시험편의 건조 후 질량으로 나누어 백분율로 계산하였다.11) 본 연구에서는 소화 후 목재의 표면에 점착된 수분의 함수율을 측정하기 위해 소화 실험을 진행한 즉시 목재의 질량을 측정하였으며, 목재 내부에 함유된 수분을 측정하기 위해서 표면에 점착된 수분을 제거한 뒤에 질량을 측정하고, 최종적으로는 105 ℃에서 24시간 건조된 목재의 질량을 측정하여 함수율을 계산하였다.
- 노즐로부터 생성 된 미분무수는 점화 후 120 s 후에 0.5 MPa의 압력으로 방출 시켰으며, 또한 각각의 소화 실험은 반복 실험을 통해 평균적인 소화시간 및 화염 온도를 얻을 수 있도록 하였다.
- 또한, 철재 앵글연소대를 제작하여 최하단의 목재와의 거리를 0.075 m 이격시키고, n-Heptane 10 ㎖를 점화시킨 후 약 1분 뒤에 목재에 착화시켰으며, 화염의 온도를 측정하기 위해 철재 앵글 연소대로부터 0.1, 0.15, 0.3, 0.45 m에 네 개의 열전대를 설치하여 화염의 온도를 A/D 컨버터를 통해 컴퓨터로 매 1 s 마다 저장하였다.
- 목재 화재에 대한 소화 실험을 진행한 후 증점제가 첨가된 물의 목재 표면에 대한 점착 정도를 알아보기 위하여 함수율을 측정하였다. 측정은 KS 규격의 목재 함수율 측정 방법에 준하였으며, 시험편을 105±2 ℃로 유지되는 건조기 내에서 항량에 도달할 때까지 건조시킨 후 질량감소분을 측정하고 이 질량감소분을 시험편의 건조 후 질량으로 나누어 백분율로 계산하였다.
- 4에 나타내었다. 목재화재의 소화시간은 화염이 억제되더라도 목재 표면에 잔열의 존재로 인한 재발화의 가능성이 있기 때문에 화염억제시간(Flame suppression time)과 목재 표면의 잔염의 소화시간(Extinguishing time)으로 나누어 소화시간을 구분하였다. 소규모 소화 실험의 결과 한천의 첨가량이 증가할수록 목재 화재의 화염억제시간 및 소화시간이 순수한 물에 비해 감소하였다.
- 연소실 전면은 소화 현상을 관찰할 수 있도록 강화유리로 제작하였으며, 좌우 하부에 개구부(0.5 m×0.1 m)를 설치하여 주변 공기가 유입될 수 있도록 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 목재 화재에 대한 저압식 미분무수의 소화성능을 향상시키고자 증점제를 첨가하고 그 효과를 분석하였다. 증점제를 순수한 물에 첨가하여 소화약제의 점도 증가에 따른 소화효과를 분석하고자 하였으며, 또한 첨가제를 함유한 소화약제의 물성변화에 따른 영향을 분석하고자 증점제의 종류 및 농도 변화에 따른 표면장력 등 물성을 측정하고, 소규모 목재화재의 소화실험을 실시하여 소화성능을 고찰하였다.
- 증점제를 함유한 소화약제의 물성변화에 따른 소화 성능을 고찰하기 위하여 밀도, 점도, 표면장력을 측정하였고, 그 측정 결과를 Table 1에 나타내었다.
대상 데이터
- 6 wt.%가 첨가된 소화약제이며, 상부에 위치한 3개의 목재를 대상으로 하였다.
- 소화약제용 증점제는 적은 양으로 높은 증점 효과를 가져야 하며, 소화 장비에 대한 부식성이 없고 동물 또는 식물에 대한 독성이 없어야 한다. 따라서, 본 연구 에서는 물의 점도를 향상시키기 위해 첨가되어지는 증점제로 한천(agar)과 Sodium Carboxy Methyl Cellulose (CMC)를 선택하여 사용하였다.
- 목재 화재에 대한 저압식 미분무수의 소화특성은 Fig. 1과 같은 스테인리강의 환기가 원활한 연소실(0.75 m×0.75 m ×1.3 m)을 사용하였으며, 미세물분무의 노즐 압력은 0.5 MPa로 하였다.
이론/모형
- 밀도는 고유진동주기 측정방식을 사용하는 밀도계(KEM사, DA-130)를 사용하였으며, 점도는 회전 원통 점도 측정법을 기초로 하는 점도계(Brookfild사, DV-Ⅱ+)를 사용하였다. 또한 표면장력은 금속 환과 수면이 분리되어지는 순간에 필요로 하는 힘을 측정하여 표면장력 값을 구하는 표면장력계(Kruss사, K-11)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 증점제의 첨가에 의한 소화약제의 물리적 성질변화를 측정하기 위해 밀도, 점도, 표면장력을 측정하였다. 밀도는 고유진동주기 측정방식을 사용하는 밀도계(KEM사, DA-130)를 사용하였으며, 점도는 회전 원통 점도 측정법을 기초로 하는 점도계(Brookfild사, DV-Ⅱ+)를 사용하였다. 또한 표면장력은 금속 환과 수면이 분리되어지는 순간에 필요로 하는 힘을 측정하여 표면장력 값을 구하는 표면장력계(Kruss사, K-11)를 사용하였다.
- 측정은 KS 규격의 목재 함수율 측정 방법에 준하였으며, 시험편을 105±2 ℃로 유지되는 건조기 내에서 항량에 도달할 때까지 건조시킨 후 질량감소분을 측정하고 이 질량감소분을 시험편의 건조 후 질량으로 나누어 백분율로 계산하였다.
성능/효과
- 12 wt.% 이상의 농도에서는 높은 점도로 인하여 배관 내에서 소화약제의 유동성이 저하되어 소화성능이 감소하였다.
- 12 wt.%가 첨가된 경우 점도는 25.4 cP, 18.3 cP로 각각 증가하여 소화효율을 증가시켰고 한천의 경우는 표면장력도 19.9% 감소하여 소화효과를 높였다. 소화성능은 CMC 0.
- 12 wt.%가 첨가된 수용액의 점도는 25.4 cP, 18.3 cP로 각각 증가하였고, 한천의 경우 첨가량이 증가함에 따라 표면장력이 19.9% 감소하였다. 이러한 표면장력의 감소는 점도 증가와 더불어 소화성능에 긍정적 영향을 미쳤다.
- 6 wt.%가 첨가된 수용액이 가장 우수하였으며 그때의 화염억제시간은 167 s, 소화 시간은 238 s로 측정되었고 이로부터 소화약제의 냉각 소화효과가 향상됨에 따라 순수한 물로 소화한 경우보다 소화시간이 크게 단축되었음을 알 수 있다. 이와 같이 저압식 미분무수의 목재 화재에 대한 소화성능을 향상시키고자 증점제를 이용하는 방법은 충분한 효과가 있음을 확인할 수 있으며, 따라서 목재화재를 대비한 수계소화시스템에 CMC 0.
- 12 wt.%에서 가장 소화성능이 우수하였으며, 이 농도에서의 화염억제시간은 170 s, 소화시간은 242 s로 측정 되었고, 순수한 물과 비교하였을 때 화염억제시간은 67 s(28.3%) 단축되었고 소화 시간은 89 s(26.9%) 단축되었다. 그러나 한천의 첨가량이 0.
- 6 wt.%에서 소화약제의 증가된 점도에 의해 소화 후의 함수율과 목재 표면의 수분을 제거한 뒤의 함수율이 큰 차이를 보였다.
- 6 wt.%에서 화염억제시간은 167 s, 소화시간은 238 s로서 가장 소화효율이 높았으며, 이는 순수한 물 보다 화염억제시간은 29.5%, 소화시간은 28.1% 감소한 것이다. 그리고 CMC 0.
- 1) 한천 및 CMC를 첨가하여 미세물분무에 적용한 경우 소화성능이 증가하였으며, 이는 증점제의 첨가로 인한 물의 점도 증가에 의해 소화약제가 화재 표면과 장시간 접촉하게 되기 때문이다.
- %가 첨가된 소화약제의 소화 후 함수율을 비교하였을 때 7% 이상 큰 차이를 보였다. 그리고 순수한 물의 경우 소화된 후목재의 함수율과 수분을 제거한 뒤의 함수율은 큰 차이를 보이지 않았지만, 한천이 첨가된 소화약제는 큰 차이를 보였다.
- 의 연구 보고에 의하면 목재 화재를 실험하는 경우에 있어 충분히 건조된 시료를 사용하지 않았을 때 실험의 재현성이 저하된다고 하였다. 따라서, 본 연구에서는 105℃에서 목재를 건조시켜 항량에 도달하는 시간을 측정하였으며, 측정 결과 약 16시간 이후에 항량에 도달하는 것을 확인하였고, 이에 따라본 실험에서는 목재 화재의 소화 실험을 진행하기 전시료를 약 105℃에서 24시간 동안 건조시켰다.
- 따라서, 순수한 물과 증점제가 첨가된 소화약제의 소화 후 목재의 함수율을 측정한 결과로부터 증점제가 첨가된 소화약제의 경우 증가된 점도에 의해 목재 표면에 점착하여 장시간 소화 활동에 영향을 미침에 따라 화염억제시간 및 소화시간이 단축되는 것을 확인할 수 있다.
- 밀도의 증가는 분무 시 액적의 운동량을 그만큼 증가시킬 수 있는 효과가 있고, 이에 따라 화염면으로의 액적의 침투를 증시킬 수 있어 소화효율을 향상시킬 수 있으나 본연구에서는 첨가된 증점제의 함량비가 증가하여도 밀도는 순수한 물과 큰 차이를 보이지 않았다.
- 목재화재의 소화시간은 화염이 억제되더라도 목재 표면에 잔열의 존재로 인한 재발화의 가능성이 있기 때문에 화염억제시간(Flame suppression time)과 목재 표면의 잔염의 소화시간(Extinguishing time)으로 나누어 소화시간을 구분하였다. 소규모 소화 실험의 결과 한천의 첨가량이 증가할수록 목재 화재의 화염억제시간 및 소화시간이 순수한 물에 비해 감소하였다. 이는 증가된 점도에 의해 화재 표면과의 접촉시간이 길어지고, 감소된 표면장력의 결과로서 소화수의 침투력 및 분산력, 고체 표면에 대한 부착력과 흡수속도의 증가에 따라 목재화재의 화염억제시간 및 소화시간이 순수한 물에 비해 감소한 것으로 판단된다.
- 6은 소규모 목재 화재의 소화 후 목재의 표면 상태를 나타낸 것으로서 한천의 첨가량이 증가함에 따라 목재 표면에 점착된 물의 양이 증가한 것을 확인할 수 있다. 이 결과로부터 순수한 물을 방사한 경우보다 한천이 첨가된 물을 방사한 경우 화재표면에 장시간 점착함으로써 소화성능이 향상된 것을 확인할 수 있다.
후속연구
- 9% 감소하였다. 이러한 표면장력의 저하는 소화수의 침투력 및 분산력을 키울 뿐 아니라 고체 표면에 대한 부착력 및 흡수 속도를 증가시켜 소화효과를 향상시킬 수 있을 것이다.
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