[논문]미세 물 분무 소화 성능에 관한 연구

김봉환; 김용판; 문철진; 홍철현; 이형욱

문제 정의

본 수치 해석의 목적은 저압형 미세물 분무 노즐개발을 위한 준비 단계로 행해졌으며, 스월 생성 실(Swirl chamber)에서의 압력 손실을 최소화하고 출구에서의 분무 성능을 높이기 위해 스월 발생기 (Swirl generator)에서 접선 방향의 유입 유동에 대한 스월 생성 실내 내부 유동을 수치적으로 해석하였다. Fig.
본 연구는 차세대 소화시스템인 미세물분 분무소화시스템의 국산화 및 지하공동구에의 적용을 위한 미세물 분무노즐개발과 개발된 노즐에 의한 지하공동구 화재에의 적용성을 수치해 석적 연구와 실험적 연구를 병행하여 규명하고자 한다.

가설 설정

실힘 조건과 맞추기 위해 95초 동안 3리터의 케로신(heptane)이 연소하며, 5초간 물이 분사되는 것으로 하였으며, 밀폐된 공간이라고 가정하였다. 벽은 단열(insulation) 되어 있고 밀폐상태로 하였으녀 유동을 발생시키는 주요인은 부릭이기 때문에 부빅항을 넣어서 계산하였다.

제안 방법

미세물 분무노즐의 분무 특성인 분사 압력, 분 사유량, 분사각, 분사거리 그리고 입경 분포 특성을 규명하기 위해 분무 특성 시험장치를 제작 설치하여 실험을 수행하였다. 노즐에서 분사되 는 미세물 분무입자의 입경 분포를 측정하기 위해 PMAS(Particle Motion Analysis System) 를 사용하였다.
미세물분 분무소화용 노즐 내의 유동해석과 사각공간 내에서의 유류화재에 대한 미세물분 분무소화에 대한 수치 해석을 위해 상용 CFD 프로그램을 사용하였으며, 사용된 모델과 지배 방정식은 아래와 같다(5-6).
저압용 미세물 분무노즐의 화재 진압 메커니즘을 규명하기 위해 지하 전력구 내의 실제 상황 을 재현한 시험장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 본 실험장치는 미세물 분무소화에 따른 온도 특성을 파악하기 위해 시험장치의 각 부위에 열전대를 설치하였으며 측정값은 PC로 온라인 처리하였다. Fig.
저압용 미세물 분무노즐의 화재 진압 메커니즘을 규명하기 위해 지하 전력구 내의 실제 상황 을 재현한 시험장치를 제작하여 실험을 수행하였다. 본 실험장치는 미세물 분무소화에 따른 온도 특성을 파악하기 위해 시험장치의 각 부위에 열전대를 설치하였으며 측정값은 PC로 온라인 처리하였다.

이론/모형

미세물 분무노즐의 분무 특성인 분사 압력, 분 사유량, 분사각, 분사거리 그리고 입경 분포 특성을 규명하기 위해 분무 특성 시험장치를 제작 설치하여 실험을 수행하였다. 노즐에서 분사되 는 미세물 분무입자의 입경 분포를 측정하기 위해 PMAS(Particle Motion Analysis System) 를 사용하였다. PMAS는 일정한 처)적 속에 존재하는 유체내 입자의 2차원적인 분포도와 속도를 계측하는 장치로 높은 반복률을 가진 이중광원을 이용하여 직진성분무의 거시적인 해석과 미세한 입자들의 정성적이고 정량적인 해석을 할 수 있다.

성능/효과

(1)개발한 노즐은 비교적 저압인 10~15 Bar 에서 NFPA 750, Class 1을 만족하는 미세물분 분무소화용 노즐임을 확인하였다.
(2) 분사 압력이 증가할수록 미세물 분무입자의 평균 입경이 더 작아지며 분사 유량은 증 가하였다.
(3) 수치 해석 및 화재시험을 통하여 개발한 노즐의 미세물 분무로서 5초 이내 완전히 소화되어졌으며, 특히 실험 결과로서 화재 진 압 후 냉각효과와 집진세 정력이 뛰어났다.
55 ㎛이며 200 ㎛이상인 입자가 없음을 보여주었으며, 아울러 NFPA 750, Class 1을 만족함을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통하여 적용돤 미세물 분무노즐은 실제 화재 진압에 적용 가능할 것이라는 결론을 얻었으며 다음에 언급되는 실제 화재 진압 시험을 통하여 확인할 수 있었다.
화재 진압 시험 결과로부 터 미세물 분무개시 후 거의 5초 이내에 화재가 진압이 되었으며, 분사한 지 37초 정도 경과 후 거의 냉각이 다 되는 것으로 나타났다. 미세물 분무는 화재의 진압뿐만 아니라 냉각에도 큰 효과가 있음을 확인하였다.
이것은 앞에서 언급한 바와 같이 출구 쪽으로 갈수록 벽면의 마찰로 인한 축방 향의 속도 감소와 최고와도 값이 감소하고 있는 것을 보여주고 있다. 반대로 최저와 도 값은 점차 상승하고 있는 것을 볼 수 있는데, 이것은 입구 쪽에서는 유입된 초기 유동이 실내에서 중분히 성장하지 못한 상태이며 출구 쪽으로 갈수록 차츰 성장해가고 있는 것으로, 단면에서의 진체적인 최고와도 값은 감소하지만 최소와도 값은 증가함을 보여주고 있다. 이와 같은 현상은 Fig.
10은 수치 해석 결과를 나타낸다. 벽은 단열(insulation) 되어 있고 미폐상대이기 때문에 산소양은 시간이 갈수록 감소하고, 산소의 양이 가장 빨리 감소하는 oil pan 부근은 온도가 중간에 내려갔다 올라갔다 하는 경향이 나타났다. 그림을 보면 온도는 치음에 위로 퍼졌다가 다음에 사방으로 전파되어 나가는데 이것은 유동을 발생시키는 수요인이 부력이기 때문이며 현상 자체가 타당하다고 판난된다.
13에 나타내었다. 실험 결과를 살펴보면 압력이 증가할수록 유량과 분사거리는 증가하였으나 분사각과 미세물 분무입자의 평균 입경은 감소하였다. 압력이 증가할수록 더욱 미세한 물분무입자가 멀리 있는 화원에 도달할 수 있게 되어 화재 진압에 효과적인 것으로 판단된다.
이때 미세물 분무입자의 질량평균 직경 (MMD)이 81.55 ㎛이며 200 ㎛이상인 입자가 없음을 보여주었으며, 아울러 NFPA 750, Class 1을 만족함을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통하여 적용돤 미세물 분무노즐은 실제 화재 진압에 적용 가능할 것이라는 결론을 얻었으며 다음에 언급되는 실제 화재 진압 시험을 통하여 확인할 수 있었다.
15에 나타내었다. 화재 진압 시험 결과로부 터 미세물 분무개시 후 거의 5초 이내에 화재가 진압이 되었으며, 분사한 지 37초 정도 경과 후 거의 냉각이 다 되는 것으로 나타났다. 미세물 분무는 화재의 진압뿐만 아니라 냉각에도 큰 효과가 있음을 확인하였다.

후속연구

(5) 미세물분 분무소화설비의 개발을 위한 성능평가 시스템을 구축하였으며, 앞으로 지하공동구 및 터널의 소화설비로의 실용화를 이룰 수 있는 계기를 마련하였다.
이러한 현상은 실제 실험과 수치 해석과 의 가정에서 차이가 있는 것으로 여겨지는데, 본 수치 해석에서는 완전 밀폐로 하였으나, 실제로는 산소가 공급되는 곳이 있을 것으로 예상된다. 계속적인 연구를 통하여 이러한 문제점은 보완되리라 기대된다. 수치 해석을 통하여 미세물 분무에 의해 화재가 진압됨을 확인하였으며, 미세물 분 무 소화 시스템의 경제적 설계를 위해서는 모든 경우에 대해서 실험을 수행하기에는 시간과 비용이 엄청소요되기 때문에 CFD 를 이용하여 전산 모사를 해서, 여러 가지 경우에 대한 결과를 얻어 설계함이 필수적이라 사 료된다(6)

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