[논문]NOVEC가스 소화설비용 노즐 형상 설계에 대한 수치해석

윤정인; 정경국; 김지성; 김성윤; 노범석; 최재혁

doi:10.7837/kosomes.2018.24.7.939

초록
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청정소화약제는 지구오존층 보호를 위해 발효된 몬트리올 의정서에 따라 할론 1211 및 할론 1310을 대체할 수 있는 약제를 말한다. 국 내외적으로는 청정소화약의 시스템 표준화와 성능평가가 수행되고 있다. 본 논문은 일반적인 청정소화약제 시스템을 바탕으로 다양한 노즐의 형상에 대한 모델링 및 수치해석을 수행하여 최적의 노즐 형상을 제안하였다. Type A와 B의 2가지 형상에 대한 노즐의 3차원 모델링을 통해 노즐의 분출속도가 개선될 수 있도록 하였다. 2가지 형상의 노즐에 대하여 유동해석을 실시하였으며 노즐의 홀 직경을 다르게 하여 가스속도 및 압력분포를 측정하였다. 측정결과 노즐 홀 수 및 직경에 따라 노즐출구에서 분출속도가 달라지는 것을 확인 할 수 있었으며 노즐 홀 직경에 관계없이 유량은 압력이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다. 실험을 통해 얻어진 결과를 바탕으로 노즐 직경이 5 mm인 경우의 K-factor값이 $101.8l/min{\cdot}bar^{-0.5}$임을 확인하였으며, 최종적으로 노즐 홀 5 mm인 12개의 홀이 2층 구조로 되어 있는 형상의 노즐을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Clean fire extinguishing agents refer to chemical that can replace Halon 1211 and Halon 1310 according to the Montreal Protocol fermented to protect the Earth's ozone layer. In Korea and abroad, system standardization and performance evaluation of clean fire extinguishing agents are being carried ou...

Clean fire extinguishing agents refer to chemical that can replace Halon 1211 and Halon 1310 according to the Montreal Protocol fermented to protect the Earth's ozone layer. In Korea and abroad, system standardization and performance evaluation of clean fire extinguishing agents are being carried out. This paper proposes an optimal nozzle shape by modeling and numerical analysis of various nozzle shapes based on general clean fire extinguishing system. The ejection speed of the nozzle can be improved by studying three - dimensional modeling of the nozzle for two shapes, Type A and B. Flow analysis was performed on the two types of nozzles and the gas velocity and pressure distribution were measured with different nozzle diameters. It was confirmed that the jetting speed was changed at the nozzle outlet according to the number and diameter of the nozzle holes. The flow rate increased with increasing the pressure regardless of the nozzle hole diameter. Based on the results obtained from the experiment, the K-factor value was deduced. Finally, a nozzle with a 12-hole structure with a 5-mm nozzle hole was proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 2017년 기술이전사업화 사업 청정소화약제 적용 가능한 조선 해양 플랜트용 소화 설비 개발 연구로 수행된 연구결과이다.
본 연구에서는 수치 해석을 통한 NOVEC가스 소화설비용 노즐형상개발을 위한 실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 향후 연구내용을 기술하였다.
본 연구에서는 일반적인 소화시스템을 바탕으로 모델링 및 수치해석을 수행하였다. 그러나 직접적으로 화염에는 무화, 관통, 분산, 분포의 역할을 최종적으로 수행하는 것은 노즐이므로, 본 연구에서 목표로 하는 속도, 시간, 유량을 제어할 수 있는 노즐을 설계하는 것이 매우 중요한 내용이 될 것이다.
이에 본 연구에서는 다양한 노즐의 형상에 대하여 모델링 및 수치해석을 수행하여 본 연구에 적합한 최적의 노즐 형상을 제안하였다.

가설 설정

수치 유동해석은 상온에서 작동유체를 액체로 가정하였으며 노벡 물성치는 분출될 때의 조건인 1 atm, 25 를 사용하였다. 첫 번째 및 두 번째 노즐은 360° 전체에 대하여 계산을 수행하였다.

제안 방법

난류는 SST방식을 적용하였으며, 노벡가스는 zeoro equation을 사용하였다. 노즐 직경별로 입구조건 10, 20, 30, 40 bar 그리고 외부 opening은 1 atm조건으로 해석하였다. 또한 본 시뮬레이션의 최종목표는 K-factor를 구하는 것이므로 식(1)과 같이 오일러-오일러 기법을 채택하였다.
일반적인 노즐에서 개선된 형상을 고안하여 기존 4겹 홀 형태에서 2겹 홀 형태로 개선하였다. 분출속도를 개선하였으며 노즐 홀 수도 증가시켜 원활한 분출이 이루어지도록 하였다. 이때 노드는 총 75,828개로 구성되어 있다.
5인 것을 알 수 있었다. 이에 노즐 홀 5 mm인 경우 필요 유량(0.63 kg/s) 이상으로 분출할 수 있으므로, 노즐 홀 5 mm인 12개의 홀이 2층으로 되어 있는 형상의 노즐을 최종적으로 제안하였다.

대상 데이터

(1) 노즐형상의 3차원 모델링 수행결과, Type A, B의 두 개의 3D 모델링을 실시하였으며 Type A는 4겹 홀 형태이며 분사방향이 15 ° 각도 아래쪽, 해석을 위한 노드는 89,370개이었다.
노즐의 전체 길이는 68 mm 로 Type A와 동일하며 본 계산에서는 노즐 직경을 2 mm 및 5 mm로 설정하였다.
노즐 전체의 길이는 68 mm이며 2겹 홀 형태를 가지고 있다. 시뮬레이션을 위한 전체 형상을 살펴보면 해석을 위한 노드는 89,370개이다.
분출속도를 개선하였으며 노즐 홀 수도 증가시켜 원활한 분출이 이루어지도록 하였다. 이때 노드는 총 75,828개로 구성되어 있다.

데이터처리

2 mm 직경의 노즐에서는 최고 54 m/s, 직경 5 mm 직경의 노즐에서는 45 m/s 정도의 속도를 나타내고 있다. 이러한 결과들을 바탕으로 K-factor값을 구하였으며, 그 결과를 Fig. 8에 나타낸다. 노즐 홀 직경에 관계없이 유량은 압력이 증가함에 따라 증가하고 있으며 노즐 홀 직경이 2 mm 및 5 mm 인 경우 40 bar에서 각각 3.

이론/모형

첫 번째 및 두 번째 노즐은 360° 전체에 대하여 계산을 수행하였다. 2상 유동해석은 Euleria-Eulerian 해석 기법을 사용하였으며, 이 때 25 공기를 continuous fluid, 노벡을 dispersed fluid로 두었다. 난류는 SST방식을 적용하였으며, 노벡가스는 zeoro equation을 사용하였다.
2상 유동해석은 Euleria-Eulerian 해석 기법을 사용하였으며, 이 때 25 공기를 continuous fluid, 노벡을 dispersed fluid로 두었다. 난류는 SST방식을 적용하였으며, 노벡가스는 zeoro equation을 사용하였다. 노즐 직경별로 입구조건 10, 20, 30, 40 bar 그리고 외부 opening은 1 atm조건으로 해석하였다.
노즐 직경별로 입구조건 10, 20, 30, 40 bar 그리고 외부 opening은 1 atm조건으로 해석하였다. 또한 본 시뮬레이션의 최종목표는 K-factor를 구하는 것이므로 식(1)과 같이 오일러-오일러 기법을 채택하였다.

성능/효과

(2) Type A 노즐의 유동해석 결과, 노즐 홀 직경이 4 mm, 5 mm일 때 분출유량이 각각 0.32 kg/s, 0.5 kg/s로 필요유량인 0.63 kg/s를 만족시킬 수 없었다.
(3) Type B 노즐의 유동해석 결과, 노즐 홀 직경이 5 mm인 경우 필요유량 0.63 kg/s의 유량을 분출할 수 있었으며 노즐 홀 5 mm인 12개의 홀이 2층으로 되어있는 형상의 노즐을 최종적으로 제안하였다.

후속연구

(4) 본 연구는 국내 육상소화설비에 부분적으로 적용되고 있는 노벡 소화설비를 조선 및 해양플랜트에 적합하게 개발함으로, 국내에 건조하는 고부가가치 선박이나 해양플랜트에 납품 가능할 것으로 예상된다. 특히 군함에도 그 필요성이 인정되어 논의가 진행 중이다.
본 연구에서는 일반적인 소화시스템을 바탕으로 모델링 및 수치해석을 수행하였다. 그러나 직접적으로 화염에는 무화, 관통, 분산, 분포의 역할을 최종적으로 수행하는 것은 노즐이므로, 본 연구에서 목표로 하는 속도, 시간, 유량을 제어할 수 있는 노즐을 설계하는 것이 매우 중요한 내용이 될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	청정소화약제란 무엇인가?	청정소화약제는 지구오존층 보호를 위해 발효된 몬트리올 의정서에 따라 할론 1211 및 할론 1310을 대체할 수 있는 약제를 말한다. 국 내외적으로는 청정소화약의 시스템 표준화와 성능평가가 수행되고 있다.
	노벡가스를 이용한 소화설비의 장점은 무엇인가?	노벡가스를 이용한 소화설비는 화재공간에 방사될 경우 불이나 연기와의 접촉과 함께 바로 증발되기 때문에 화재열을 저하시키고 사물에는 잔유물질을 남기지 않는다. 따라서 고가장비나 전산실, 전기실, 통신실, 데이터저장소 동의 손실을 최소화할 수 있다. Fig.
	노벡가스를 이용한 소화설비의 특징은 무엇인가?	노벡가스를 이용한 소화설비는 화재공간에 방사될 경우 불이나 연기와의 접촉과 함께 바로 증발되기 때문에 화재열을 저하시키고 사물에는 잔유물질을 남기지 않는다. 따라서 고가장비나 전산실, 전기실, 통신실, 데이터저장소 동의 손실을 최소화할 수 있다.

참고문헌 (8)

Chang, H. S., Y. S. Han, Y. K. Song and S. H. Kim(2016), ORC System Performance Analysis upon R-245fa and NOVEC649, Transactions of the Korea society of Geothermal Enery Engineers, Vol. 12, No. 3, pp. 17-23.
ISO 14520(2000), Gaseous Fire Extinguishing Systems-Physical Properties and System Design.
Kim, J. R., H. K. Ku and S. S. Oh(2011), Development of Fire Extinguisher Valves for Tracked Vehicle Using NOVEC1230, Korea Academy Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 4, pp. 1539-1546.

원문보기 상세보기
NFPA 2001(1996), Standard on Clean Agent Fire Extinguishing system.
Pagliaro, J. L. and G. T. Linteris(2017), Hydrocarbon flame inhibition by C6F12O (Novec 1230): Unstretched burning velocity measurements and predictions, Fire Safety Journal, Vol. 87, pp. 10-17.

상세보기
Vahdat, N., Y. Zou and M. Collins(2003), Fire Extingushing Effectiveness of New Binary Agent, Fire Safety J., Vol. 38, pp. 553-567.

상세보기
Yun J. I. and J. H. Choi(2015), A Development of Methodology for NOVEC Gas Fire Extinguishing System, Journal of the Korean Society of Marine Engineering, Vol. 39, No. 3, pp. 206-210.

원문보기 상세보기
Yun, J. I., K. K. Jung, J. S. Kim, S. Y. Kim and J. H. Choi(2018), Effect of Nozzle Shape on the Flow Rate of Novec Gas for Fire Extinguishing Facilities, Proceedings of the KOSOMES Autumn Conference, p. 124.

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