[논문]불활성가스계 소화약제의 불꽃소화 특성에 관한 연구

김성민; 신창섭; 박재만

불활성가스계 소화약제의 불꽃소화 특성에 관한 연구
A Study on the Flame Extinguishing Characteristics of Inerting Gaseous Agents 원문보기

김성민 (충북대학교 안전공학과) , 신창섭 (충북대학교 안전공학과) , 박재만 (신화전자)

할로겐 화합물 소화약제는 뛰어난 소화능력으로 B급 및 C급 화재에 대한 소화약제로서 가장 널리 사용되었으나 오존층 파괴물질로 규정되어 그 사용이 단계적으로 제한되기 시작하였다. 따라서 이를 대체할 청정소 화약제의 개발이 중요한 필요한 상황이며, 본 연구는 청정소화약제로 사용할 수 있는 불활성가스계 소화약제의 불꽃소화농도와 소염시 화염의 온도변화를 관찰하여 각 소화약제가 가지고 있는 소화특성에 대해 알아보고자 하였다.

Halon gas agent has been widely used as the extinguishing agent for B class and C class fires because of its excellent extinguishing power. But Halon was found to contribute to the ozone layer destruction, eventually Halon designated as one of ozone-layer-destroying materials in the Montreal Protocol in 1987, In this study, in the context of such researches, we measured the characteristics of flame concentrations of inert gaseous agents by Cup-burner method.

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문제 정의

따라서 할론을 대체하기 위한 소화약제의 개발이 필요하며 대표적으로 대기 중 존재물질로서 환경영향성과 독성에 대한 위험이 낮은 불활성가스를 이용한 소화약제의 개발이 주목되고 있다. 본 연구에서는 퍼지가스로 일컫는 N₂와 CO₂, 화학주기율표 18족 원소 중 Ar과 He을 소화약제로 사용하였을 때 소화특성에 대해 알아보고자 하였다. 소화약제로 사용될 물질의 절대적 소화특성을 알기 위해선 full scale test를 거쳐야 하지만, 막대한 시간과 비용이 소모되므로 비교적 빠른 시간 내에 정확한 측정이 가능한 cup-burner를 이용한 불꽃소화법(flame extinguish test)으로 상대적 소화특성을 관찰하는 방법이 1차적으로 사용된다.

제안 방법

n-Heptane을 연료로 한 cup-burner test장치를 NFPA 2001 Standard에서 제시하는 기준으로 제작하여 설치하고 N₂, CO₂, Ar, He의 불꽃 연소에 대한 소화 농도를 측정하였다. 소화농도는 이미 형성되어 있는 불꽃에 소화제가 확산되어 불이 꺼질 때 소요되는 소화제의 최소농도로 정의되며, 방호구역에 필요한 가스계 소화약제의 양을 산정하는 기초가 되는 값으로 소화농도가 낮을수록 더 우수한 소화능력을 갖는다.
다음에 공기를 일정유량으로 통과시키고 연료를 점화하여 연소반응이 정상상태에 유지될 수 있도록 1분30초간 불꽃을 유지시킨 후 소화약제를 최소소화농도로 공급하였다. 눈으로 불꽃의 소화여부를 관찰하여 3분 내에 불꽃이 꺼지면 소화농도로 간주하였다. 실험 후 cup-burner실험 장치는 다시 실온으로 냉각한 후 소화약제의 종류를 변화시키며 불꽃 소화여부를 측정하였다.
측정 순서는 먼저 연료(n-heptane)를 metering pump를 사용하여 cup에 공급하고 levelling jack의 높이를 조절하여 cup의 액위를 원하는 높이에 고정시킨다. 다음에 공기를 일정유량으로 통과시키고 연료를 점화하여 연소반응이 정상상태에 유지될 수 있도록 1분30초간 불꽃을 유지시킨 후 소화약제를 최소소화농도로 공급하였다. 눈으로 불꽃의 소화여부를 관찰하여 3분 내에 불꽃이 꺼지면 소화농도로 간주하였다.
눈으로 불꽃의 소화여부를 관찰하여 3분 내에 불꽃이 꺼지면 소화농도로 간주하였다. 실험 후 cup-burner실험 장치는 다시 실온으로 냉각한 후 소화약제의 종류를 변화시키며 불꽃 소화여부를 측정하였다.
2.2 실험장치 및 실험방법

실험장치는 cup-burner(시료공급부, 소화약제 공급부, 소화농도 측정부), 연소가스 측정부, 연소온도 측정부 등 크게 세 가지의 부분으로 나누었으며, 개략도는 Fig.1과 같다.

성능/효과

Cup-burner test창치로 각 소화약제의 소화농도를 측정한 결과 단일 소화약제로서는 He이 소화능력이 가장 우수한 것으로 나타났다. He은 불활성 가스 중에 가장 낮은 소화농도를 나타내었으나 이의 소화메커니즘은 아직 불분명하다.
단순히 소화농도만으로 생각했을 때 헬륨은 HALON-1301과 비슷한 정도의 성능을 가지고 있는 소화약제라고 할 수 있지만, 이를 소화설비로 적용할 경우 이에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 본 연구를 통하여 얻은 각각의 불활성가스의 소화특성을 기초로 하론계 소화약제가 가지고 있는 높은 소화능력을 대체할 수 있는 청정소화약제의 개발 자료로 사용할 수 있는 기대효과를 가질 수 있다. 그리고 이와 같은 연구를 통하여 현재 많은 현장에서 사용 중인 하론계 가스소화설비를 대체할 수 있는 소화약제로 활용할 수 있을 것이다.
이는 He의 분자량이 공기의 분자량뿐만 아니라 다른 기체에 비하여 크게 가볍기 때문에 확산이 원활하게 이루어진 것이라고 사료된다. 또한 소화시간을 측정한 결과 N₂가 가장 빠르고 Ar의 소화시간이 가장 길어짐을 알 수 있었다.
6vol%의 소화농도를 나타내었다. 또한, 연소 후 chimney내의 산소농도를 측정한 결과 He, CO₂, Ar, N₂의 순으로 높게 측정되었다.
3에 나타내었다. 소화에 진행될 때 불꽃의 온도변화는 4가지 소화약제가 모두 비슷한 양상을 나타내었으나, 소염의 형태를 측정한 결과 He은 불꽃이 요동치다 한순간 꺼지는 형태를 나타내었으며, N₂와 CO₂, Ar은 불꽃의 크기가 점점 작아지다 Cool flame의 형태를 보이며 소화가 진행되었다. Fig.

후속연구

또한 본 연구를 통하여 얻은 각각의 불활성가스의 소화특성을 기초로 하론계 소화약제가 가지고 있는 높은 소화능력을 대체할 수 있는 청정소화약제의 개발 자료로 사용할 수 있는 기대효과를 가질 수 있다. 그리고 이와 같은 연구를 통하여 현재 많은 현장에서 사용 중인 하론계 가스소화설비를 대체할 수 있는 소화약제로 활용할 수 있을 것이다.
많은 문헌에 불활성 가스와 소화능력과의 관계가 보고되고 있으나, 확실하게 결론을 짓지 못하고 있는 실정이다. 단순히 소화농도만으로 생각했을 때 헬륨은 HALON-1301과 비슷한 정도의 성능을 가지고 있는 소화약제라고 할 수 있지만, 이를 소화설비로 적용할 경우 이에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 또한 본 연구를 통하여 얻은 각각의 불활성가스의 소화특성을 기초로 하론계 소화약제가 가지고 있는 높은 소화능력을 대체할 수 있는 청정소화약제의 개발 자료로 사용할 수 있는 기대효과를 가질 수 있다.

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