Fire Sci. Eng. Search

CLOSE


Fire Sci. Eng. > Volume 33(5); 2019 > Article
중실원추형 및 중공원추형 2유체 미립화기의 화재 소화 성능 검토: 공급 기체와 미분무 영향

요 약

본 연구에서는 분사 형태(Spray pattern)가 중실원추형(Full cone) 및 중공원추형(Hollow cone)인 2유체 미립화기를 이용하여 공급 기체 및 미분무가 헵탄 풀화재(Heptane pool fire) 소화 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 2유체 미립화기의 공급 기체로 30 lpm (Liter per minute; L/min)의 공기 또는 질소를 이용하였으며, 물을 공급하지 않은 경우(즉, 공기 또는 질소만 분사한 경우)와 물 0.085 lpm을 공급한 경우(즉, 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우)에 대해 실험을 수행하였다. 실험 결과, 공급 기체만 분사한 경우보다 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에, 그리고 중공원추형인 경우보다 중실원추형인 경우에 빠르게 화재 소화 가능함을 확인하였다. 또한, 중실원추형의 경우, 미분무와 공급 기체 함께 분사 시 화재 소화 성능에 미분무의 영향은 지배적이었으나 공급 기체의 영향은 미비한 것으로 관찰되었다. 반면, 중공원추형의 경우, 중실원추형과 달리 미분무와 공급 기체 함께 분사 시 공급 기체로 질소를 공급한 경우가 공기를 공급한 경우에 비해 평균 화재 소화 시간이 확연하게 짧아지는 것으로 측정되었고, 이를 통해 미분무 뿐 아니라 공급 기체도 화재 소화 성능에 지대한 영향을 미칠 수 있음을 확인하였다.

ABSTRACT

In the present study, the effects of supply gas and water mist on the heptane pool fire extinguishing performance were investigated using the full cone and hollow cone twin-fluid atomizers. Air or nitrogen of 30 lpm (Liter per minute; L/min) was used as the supply gas, and the experiments were conducted under the water flow rate conditions of 0 lpm (i.e., discharge of air or nitrogen only) and 0.085 lpm (i.e., discharge of water mist with supply gas). Experimental results confirmed that the use of water mist discharge with the supply gas and full cone spray pattern reduced the fire extinguishing time as compared to that of only supply gas discharge and hollow cone spray pattern. In addition, for the discharge of water mist using the full cone twin-fluid atomizer, water mist significantly affected fire extinguishing performance, whereas the effect of the supply gas was less pronounced. On the other hand, for the discharge of water mist using the hollow cone twin-fluid atomizer, the fire extinguishing time was remarkably reduced by the supply of nitrogen, as compared with that of air, indicating that the supply gas as well as water mist can significantly affect fire extinguishing performance.

1. 서 론

미분무소화설비는 소화약제로 물을 사용하고 이를 미세하게 미립화(Atomization)한 미분무를 이용하여 화재를 소화하는 수계소화설비이다. 미분무소화설비는 스프링클러설비(Sprinkler system)와 같은 기존의 다른 수계소화설비에 비해 적은 물의 양으로 화재 소화가 가능할 뿐 아니라 수손 피해가 적다는 장점이 있으며, 다양한 종류의 화재에 적용가능하다[1]. 미분무는 최소작동압력에서 미립화기(Atomizer)로부터 생성된 물 액적 중 99%의 누적체적분포가 국외[2]의 경우 1000 μm, 국내[3]의 경우 400 μm 이하인 것으로 정의하고 있다. 미분무의 화재 소화 효과는 냉각, 질식, 복사열 감소, 연료 증기-공기 혼합물 희석 등으로 알려져 있으며, 이에 대한 설명은 다음과 같다[1,4]. 냉각 효과는 화염 냉각과 연료면(Fuel surface) 냉각으로 구분할 수 있다. 화염 냉각은 화염의 온도를 연소 반응을 지속할 수 있는 온도 이하로 낮추어 화재 소화하는 것을 뜻하며, 연료면 냉각은 연료 표면의 온도를 낮추거나 액체 연료의 경우 연료 증기 생성을 감소시켜 화재 소화하는 것을 의미한다. 질식 효과는 화재에 의한 산소 소모(Depletion) 및 물 액적의 기화에 따른 부피 팽창으로 인한 산소 이동(Displacement)을 통해 산소 농도를 연소가 지속되기 위한 한계 산소 농도 이하로 낮추어 화재 소화하는 것을 의미하며, 국부적으로 물 액적의 기화에 따른 부피 팽창은 화염으로의 산소 유입을 방해하는 역할을 한다. 복사열 감소 효과는 물 액적이 화염으로부터 연료면으로의 복사열을 차단하여 화재 소화하는 것을 의미하고, 연료 증기-공기 혼합물 희석 효과는 액체 연료에 대해 주요하며, 연료 증기-공기 혼합물의 농도를 연소 한계 이하로 낮추어 화재 소화하는 것을 의미한다. 이러한 미분무의 화재 소화 효과는 미분무의 분사 조건에 영향 받을 수 있으므로, 미분무의 화재 소화 성능은 미분무의 분사 조건에 따라 다양하게 나타날 수 있다.
미분무를 생성하기 위한 미립화기로 단일유체 미립화기(Single-fluid atomizer)와 2유체 미립화기(Twin-fluid atomizer)가 대표적이다. 2유체 미립화기는 단일유체 미립화기와는 달리 액체를 미립화하기 위한 매체로 기체를 공급하여 미립화하는 장치이다[5]. 2유체 미립화기는 액체와 기체가 분리되어 공급되기 때문에 분사 조건을 독립적으로 제어 가능할 뿐 아니라 단일유체 미립화기에 비해 비교적 낮은 압력 조건에서 미분무를 생성할 수 있다는 장점이 있다[1]. 이러한 2유체 미립화기의 장점에도 불구하고, 미분무의 분사 조건과 화재 소화 성능 간 상관관계에 대한 기존 연구는 대부분 단일유체 미립화기[6-8]를 이용하였으며, 2유체 미립화기를 이용한 연구는 상대적으로 부족한 실정이다. 또한, 2유체 미립화기는 액체의 미립화를 위해 공급되는 기체 조건이 화재 소화 성능에 영향을 미칠 수 있기 때문에 단일유체 미립화기를 이용한 기존 연구 결과를 2유체 미립화기에 활용하기에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 2유체 미립화기를 이용한 미분무의 분사 조건과 화재 소화 성능 간 상관관계에 대한 연구가 일부 수행된 바 있다. Gupta 등[9]은 2유체 미립화기의 다양한 액체 및 기체 공급 유량과 화원에 대한 방향(Orientation)에 따른 미분무의 화재 소화 실험을 수행하였다. Lal 등[10]은 일정한 물 공급 유량 조건에서, 기체 공급 유량을 조절하여 미분무 액적 크기의 영향을 파악하였으며, Gupta 등[11] 및 Liu 등[12]은 2유체 미립화기로부터 생성된 미분무의 연속적 분사와 간헐적 분사의 화재 소화 성능을 비교 및 검토하였다. 그러나, 2유체 미립화기의 분사 형태(Spray pattern)가 화재 소화 성능에 영향을 미칠 수 있음에도 불구하고 이에 대한 연구는 거의 수행되지 않았다.
한편, 미분무와 함께 불활성 기체를 소화약제로 사용하는 방식에 대한 연구가 일부 수행되었다. 미분무와 함께 불활성 기체를 소화약제로 사용하는 방식은 크게 미분무와 불활성 기체를 각각 분사하는 방식과 2유체 미립화기의 공급 기체로 불활성 기체를 공급하는 방식으로 구분할 수 있다. Shin 등[13]의 연구에서는 미분무와 불활성 기체(예를 들면, 질소)를 각각 분사하는 방식으로, 3.09 m × 3.09 m × 3.09 m의 공간에서 단일유체 미립화기로부터 생성된 미분무와 불활성 기체 모두 화원에 직접적으로 향하는 조건에 대해 화재 소화 실험을 수행하였다. 해당 연구 결과, 미분무와 불활성 기체를 동시에 분사할 경우 불활성 기체의 유동이 미분무가 화염으로 접근하는 것을 방해하기 때문에 미분무만 분사한 경우와 화재 소화 시간에 차이가 거의 없다고 보고하였다. Gupta 등[11] 및 Jeong과 Lee [14]는 2유체 미립화기의 공급 기체로 불활성 기체를 공급하는 방식의 연구를 수행하였다. Gupta 등[11]은 1 m × 1 m × 1 m 공간의 제한적인 자연 환기 및 미분무가 화원에 직접적으로 향하지 않는 조건에서 헵탄 풀화재(Heptane pool fire) 소화 실험을 수행하였다. 실험 조건 중 공급 기체(예를 들면, 공기 및 질소)를 변화시키며 실험을 수행한 결과, 공급 기체로 질소를 이용한 경우가 공기를 이용한 경우에 비해 불활성인 질소의 산소 희석 효과(Dilution effect)로 인해 화재 소화 시간을 약 30-50% 감소시킬 수 있다고 보고하였다. Jeong과 Lee [14]는 2.41 m (가로) × 3.57 m (세로) × 2.45 m (높이) 공간의 제한적인 자연 환기 및 미분무가 화원에 직접적으로 향하는 조건에서 공급 기체(예를 들면, 공기 및 질소)를 변화시키며 헥산 풀화재(Hexane pool fire) 소화 실험을 수행하였다. 해당 실험 결과, 공급 기체가 화재 소화 가능 여부, 화재 소화 시간, 물 소모량에 미치는 영향이 미비한 것으로 측정되었으며, 이는 화원에 공기 공급이 가능할 수 있는 환경 때문으로 보고하였다. 기존 연구 결과[11,14]를 토대로 볼 때, 2유체 미립화기의 공급 기체에 따른 미분무의 화재 소화 성능에 대한 세부적인 연구는 여전히 미흡한 상황이다.
본 연구에서는 분사 형태가 서로 다른 2유체 미립화기를 이용하여 공급 기체 및 미분무가 액체 풀화재(Liquid pool fire) 소화 성능에 미치는 영향을 검토하였다. 공급 기체 영향 파악을 위해 일정한 유량의 공기 또는 질소를 2유체 미립화기에 공급하였고, 미분무 영향 파악을 위해 물을 공급하지 않은 경우(즉, 공급 기체만 분사한 경우)와 물을 공급한 경우(즉, 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우)에 대해 실험을 수행하였다. 또한, 분사 형태 영향 검토를 위하여 공급 기체 또는 미분무가 화원에 집중적으로 분사되는 중실원추형(Full cone) 및 비교적 화원 주위에 분사되는 중공원추형(Hollow cone) 2유체 미립화기를 이용하였다. 연료팬 중심에서 높이에 따른 온도 및 화염 주위 산소 농도를 측정하였으며, 이를 토대로 분사 형태에 따라 공급 기체 및 미분무가 화재 소화 효과 및 성능에 미치는 영향을 비교하고 분석하였다.

2. 실험 장치, 조건 및 방법

2.1 실험 장치 및 조건

Figure 1에 본 연구에서 구축한 실험 장치에 대한 개략도를 나타내었다. Figure 1에 나타낸 바와 같이 실험은 1 m × 1 m × 1 m 크기의 밀폐된 챔버(Chamber) 내에서 수행하였다. 미분무를 생성하기 위해 중실원추형 및 중공원추형 2유체 미립화기를 사용하였으며, 물은 순수 제조 장치(Water purification system, MDM, Mini Pure I)로부터 여과된 순수(Pure water)를 물탱크(Water tank)에 저장하여 사용하였다. 2유체 미립화기의 액체 주입구에는 물탱크와 마이크로 기어 펌프(Micro gear pump, LongerPump, WT3000-1JB)를 설치하였다. 미분무 분사 시 물 0.085 lpm (Liter per minute; L/min)을 공급하였다. 이 때, 물의 유량은 물탱크와 전자저울(Electronic balance, AND, EK-4100i, resolution: 0.1 g)을 이용하여 물을 일정 시간 공급한 후, 감소된 물탱크의 무게를 계산하여 측정하였고, 단위 변환을 위해 물의 밀도는 998 kg/m3 [15]을 적용하였다. 한편, 2유체 미립화기의 기체 주입구에는 공기압축기(Air compressor, COMPWORLD, CWS55-120) 또는 질소 탱크(Nitrogen tank)와 MFC (Mass flow controller, Line Tech, M3100V)를 이용하여 공기 또는 질소 30 lpm을 공급하였다. 2유체 미립화기를 이용한 연구에서 중요한 변수(Parameter) 중 하나는 기체-액체 질량 유량 비(Gas-to-liquid mass flow rate ratio; GLR) [16]이며, 본 실험 조건에서 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우 기체-액체 질량 유량 비는 약 0.42이다. 이 때, 단위 변환을 위한 공기의 밀도로 1.204 kg/m3 [15]을 적용하였다. 본 실험 조건에서 물 및 공급 기체(공기 또는 질소)의 공급 압력은 2유체 미립화기의 중심으로부터 100 mm 떨어진 위치에서 압력트랜스미터(Pressure transmitter, KELLER, PA-21Y)를 이용하여 측정하였다. 측정 결과, 물의 공급 압력은 약 1.09 (± 0.05) kPa로 확인되었고, 공기 또는 질소의 공급 압력은 각각 약 42.89 (± 0.03) kPa과 약 41.39 (± 0.09) kPa로 유사하게 나타났다. 2유체 미립화기는 실험 공간 내 천장의 중심에 설치하였으며, 2유체 미립화기의 수직 아래에 내경 120 mm, 높이 65 mm, 두께 2.5 mm의 스테인레스 스틸(Stainless steel) 원형 연료팬(Fuel pan)을 설치하였다. 이 때, 2유체 미립화기의 분사 오리피스(Orifice)와 연료면 간 간격은 중실원추형의 경우 약 0.897 m, 중공원추형의 경우 약 0.892 m이다. 연료로는 순도 98%의 헵탄(n-Heptane) 100 mL를 사용하였으며, 바닥으로의 열전달을 최소화하기 위하여 연료팬과 바닥 사이에 크기가 200 mm (가로) × 200 mm (세로) × 5 mm (높이)인 정사각형 세라믹 타일(Ceramic tile)을 설치하였다. 또한, 화염 거동을 가시화하기 위해 디지털 카메라(Digital camera, Canon, EOS M10)를 이용하였다.
본 연구에서 사용한 중실원추형 및 중공원추형 2유체 미립화기의 개략도를 Figures 2(a)2(b)에 각각 나타내었다. 중실원추형(Figure 2(a))의 경우, 분사된 액적군의 단면이 원형이고 2유체 미립화기의 외부에서 물과 공급 기체가 충돌하여 미분무가 생성되는 외부 혼합형이다. 이 때, 물이 분사되는 오리피스의 내경은 1.527 mm, 오리피스 주위의 공급 기체가 분사되는 환형의 간격은 0.294 mm이다. 중공원추형(Figure 2(b))의 경우, 분사된 액적군의 단면이 환형이고 2유체 미립화기 내부에서 물과 공급 기체가 충돌하여 미분무가 생성되는 내부 혼합형이다. 내부에서 생성된 미분무는 6개의 오리피스를 통해 분사되며, 이 때, 오리피스의 하나의 직경은 1.321 mm이다. 본 실험 조건에서 중실원추형의 경우 공급 기체 또는 미분무가 화원에 집중적으로 분사되는 형태이며, 중공원추형의 경우 상대적으로 화원 주위에 분사되는 형태이다.
Figure 3에 연료팬 중심에서 높이에 따른 온도 및 화염 주위 산소 농도 측정 위치를 나타내었다. 온도 측정을 위해 K-type 열전대(Sheath 외경 1/16 inch)를 설치하였고, 화염 주위 산소 농도를 측정하기 위해 가스 분석기(Gas analyzer, SIEMENS, ULTRAMAT 23)를 이용하였다. 참고로, 본 연구에서는 모든 조건에 대해 동일한 위치에서 동일한 방법으로 화재 소화 시 시간에 따른 산소 농도를 측정하였고, 이러한 산소 농도 측정 결과는 공급 기체 및 미분무가 화재 소화에 미치는 영향에 대한 결과 분석 시 상대적이고 정성적인 비교를 위한 유용한 정보가 될 수 있다고 판단된다. 한편, 측정된 온도와 산소 농도는 데이터 수집 장치(Data acquisition system, KEYSIGHT, 34972A)를 통해 1 s 간격으로 노트북(Notebook)에 저장하였다.
본 실험에서 이용한 화원의 열방출률(Heat release rate; HRR)은 식 (1) [17]을 이용하여 계산하였다.
(1)
Q˙=χm˙Hc
여기서, Q˙은 열방출률, χ는 연소 효율(Combustion efficiency), m˙은 질량손실률(Mass loss rate), ∆Hc는 완전 연소열(Complete heat of combustion)을 의미한다. χ는 연료 및 실험 공간의 크기 조건이 본 연구와 유사한 기존 연구[18]를 토대로 0.92로 가정하였으며, 헵탄의 ∆Hc은 44.56 MJ/kg [19]을 적용하였다. 질량손실률을 측정하기 위해 메스실린더(Graduate cylinder)를 이용하여 계량한 헵탄 100 mL를 연료팬에 따른 후, 전자저울(AND, FX-500i, resolution: 0.001 g)에 올려놓았다. 이 때, 전자저울로의 열전달을 최소화하기 위하여 직경 120 mm, 높이 2.5 mm의 원형 나무판을 연료팬과 전자저울 사이에 위치시켰다. 연료 무게 및 연소 완료 시간을 측정하여 질량손실률을 도출하였으며, 식 (1)을 이용하여 계산한 결과, 본 실험에서 사용한 화원의 평균 열방출률은 5.23 (± 0.09) kW로 측정되었다.

2.2 실험 방법

모든 실험은 실험 공간 내 초기 온도 20 ℃, 초기 산소농도 21 vol% 조건에서 수행하였다. 화원을 구성하기 위해 메스실린더를 이용하여 잰 100 mL의 헵탄을 연료팬에 따른 후, 타일과 함께 실험 공간 내 바닥의 중심에 위치시켰다. 토치(Torch)를 이용하여 점화하였으며, 30 s 동안 사전연소(Pre-burn)시킨 후 설정된 유량의 공급 기체 또는 미분무와 공급 기체를 함께 분사하였다. 화재 소화는 가시적인 화염(Visible flame)이 사라지는 순간을 화재 소화로 판단하였으며, 화재 소화 시간은 초시계와 디지털 카메라로 촬영한 영상을 토대로 측정하였다. 화재 소화 실험 후 재점화를 시도하여 재점화가 가능한 경우 분사된 공급 기체 또는 공급 기체와 함께 분사된 미분무에 의한 화재 소화로 판단하였으며, 재점화가 불가능한 경우 연료 소진에 의한 소화로 판단하였다. 실험 종료 후, 배기 장치(Exhaust hood)를 사용하여 실험 공간 내를 충분히 환기시켰으며, 실험은 각 조건에서 3회 반복 수행하였다.

3. 실험 결과 및 고찰

3.1 중실원추형 2유체 미립화기

Figure 4에 미분사한 경우(즉, 아무것도 분사하지 않은 경우)와 함께 중실원추형인 2유체 미립화기를 사용하여 공급 기체(공기 또는 질소)만 분사한 경우와 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에 대해 연료팬 중심을 기준으로 높이가 다른 두 위치에서 측정한 시간에 따른 온도에 대한 대표적인 결과(예)를 나타내었다. 실험은 초기 조건 확인 뒤 30 s에 점화하였고, 30 s 동안 사전 연소시킨 후 60 s에 공급 기체 또는 미분무와 공급 기체를 함께 분사하였으며 실험 조건에 따른 화재 소화 시점은 Extinguishing timing (Ext)로 표시하였다. 미분사한 경우, 화재 소화 시점은 272 s이며, 점화 이후 연료팬과 거리가 가까운 경우(Figure 4(b))가 먼 경우(Figure 4(a))에 비해 온도가 빠르게 상승하였고 더 높은 것으로 나타났다. 또한, 연료팬과 거리가 가까운 경우(Figure 4(b)), 화염 내에 열전대가 지속적으로 위치하고 있어서 시간에 따른 온도 변화가 비교적 작은 것으로 나타난 반면, 연료팬과 거리가 먼 경우(Figure 4(a)), 해당 열전대 위치에서의 화염 변동으로 인해 시간에 따른 온도 변화가 비교적 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 공급 기체만 분사한 경우, 공기 또는 질소에 의한 화재 소화 시점은 각각 137 s 또는 108 s이며, 공급 기체에 관계없이 다량의 공기 또는 질소에 의한 화염 냉각 및 화재 플룸(Fire plume)을 억압(Suppression)하는 현상 등으로 인해 모든 측정 위치에서 온도가 급격하게 감소하였다. 화재 플룸을 억압하는 현상은 Figure 5에 나타낸 화염 가시화 결과와 같이, 미분사한 경우(Figure 5(a))에 비해 공급 기체를 분사한 경우(Figure 5(b)) 화염 높이가 낮아지고 화염이 반경 방향으로 퍼지는 것을 의미한다. 한편, 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우, 공급 기체로 공기를 공급한 경우 화재 소화 시점은 71 s, 질소를 공급한 경우 화재 소화 시점은 67 s로 나타났다. 즉, 미분사한 경우 및 공급 기체만 분사한 경우보다 화재 소화 시점이 크게 단축되고 온도가 빠르게 감소하는 것을 확인하였다.
Figure 4와 동일한 경우에 대해 시간에 따른 화염 주위 산소 농도 측정 결과를 Figure 6에 나타내었고, Figure 6 내점화, 공급 기체 또는 미분무와 공급 기체 함께 분사, 화재 소화 시점은 가스 분석기에 의한 지연 시간을 고려하여 표시하였다. 미분사한 경우, 최소 산소 농도는 기존 연구[1]에서 보고된 탄화수소 연료의 연소가 지속되기 위한 한계 산소 농도인 13 vol%와 유사한 12.8 vol%로 측정되었다. 이는 실험이 밀폐된 소규모 공간 내에서 수행되었기 때문에 헵탄 풀화재가 산소 소모에 의해 소화되었음을 의미한다. 공기 또는 질소만 분사한 경우, 최소 산소 농도는 각각 13.0 vol% 또는 15.9 vol%로 측정되었고, 공기만 분사한 경우에 비해 질소만 분사한 경우가 더 높게 나타났다. 이러한 원인 중 하나는 화염으로 인한 산소 농도 측정 위치의 한계 때문으로 판단되며, 질소 분사에 의한 화재 소화 시 질소 분사가 이루어지는 지점에서의 국부적인 산소 농도는 15.9 vol%에 비해 낮을 것으로 판단된다. 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우, 최소 산소 농도는 공급 기체가 공기인 경우 19.2 vol%, 질소인 경우 19.7 vol%로 측정되었고, 이는 미분사한 경우 또는 공급 기체만 분사한 경우보다 높은 것으로 나타났다. 한편, 앞서 기술한 바와 같이 Figure 6에는 중실원추형의 화염 주위 산소 농도 측정 결과의 대표적인 예를 나타내고 있다. 3회 반복 실험한 결과, 미분사한 경우, 공기 또는 질소만 분사한 경우, 미분무와 공기 또는 질소를 함께 분사한 경우 측정된 평균 최소 산소 농도는 각각 12.77 (± 0.04) vol%, 14.61 (± 2.16) vol%, 15.52 (± 0.91) vol%, 19.4 (± 0.22) vol%, 19.61 (± 0.04) vol%로 나타났다.
한편, Figure 6에 나타난 바와 같이 공급 기체만 분사한 경우, 미분사한 경우에 비해 산소 농도가 빠르게 감소하는 것이 관찰되었다. 이와 같은 결과가 나타난 이유 중 하나는 공기 또는 질소 분사에 의한 연료의 질량손실률 증가 때문일 수 있다. 이를 확인하기 위하여 동일한 화원에 대해 공기 또는 질소 공급 유량에 따른 질량손실률을 측정하였으며, 해당 결과를 Figure 7에 나타내었다. 공기 또는 질소 공급 유량에 따른 질량손실률은 일정 시간 동안 중실원추형 2유체 미립화기를 이용하여 화원에 공기 또는 질소를 분사한 후, 감소된 연료의 무게를 전자저울(AND, EK-4100i, resolution: 0.1 g)로 측정하여 도출하였다. 질량손실률 측정 시 분사된 공기 또는 질소에 의한 전자저울 간섭을 제거하기 위해 일정 시간 동안 공기 또는 질소 분사 후 공기 또는 질소 분사를 중지하고 연료팬 뚜껑을 덮어 감소된 무게를 측정하였다. 즉, 기체를 분사하는 상황에서 연료 무게 감소를 측정한 것이 아니라, 기체 분사 전에 연료의 무게를 측정하고 실험 종료 후(즉, 일정 시간 동안 기체를 분사하고 분사를 완전히 종료한 후) 연료의 무게를 측정하여 무게 감소량과 시간으로부터 질량손실률을 도출하였다. Figure 7에 나타낸 바와 같이 공기와 질소 모두에서 공급 유량이 증가할수록 질량손실률이 증가하는 경향이 관찰되었으며, 이는 실험 공간 내 공급 기체 분사에 의한 산소 소모 증가와 관계가 있다고 판단된다.

3.2 중공원추형 2유체 미립화기

Figure 8에 미분사한 경우(즉, 아무것도 분사하지 않은 경우)와 함께 중공원추형인 2유체 미립화기를 사용하여 공급 기체(공기 또는 질소)만 분사한 경우와 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에 대해 연료팬 중심을 기준으로 높이가 다른 두 위치에서 측정한 시간에 따른 온도에 대한 대표적인 결과(예)를 나타내었다. 점화, 분사, 화재 소화 시점에 대한 설명은 Figure 4의 중실원추형의 경우와 동일하다. 공기만 분사한 경우의 화재 소화 시점은 271 s로 미분사한 경우(즉, 272 s)와 유사하게 나타났고, 온도 변화도 전체적으로 두 경우 간 큰 차이가 관찰되지 않았다. 반면, 질소만 분사한 경우의 화재 소화 시점은 244 s로 미분사한 경우에 비해 단축되는 것으로 나타났고, 두 경우 간 온도 변화는 전반부에는 유사하다가 화재 소화 시점을 기준으로 일정 시간 전부터 질소만 분사한 경우가 급격하게 감소하는 경향이 관찰되었다. 한편, 중실원추형과는 다르게 중공원추형에서는 공급 기체에 의해 화재 플룸이 억압되는 현상은 관찰되지 않았는데, 이는 중실원추형의 경우 분사된 공급 기체가 화염에 집중되는 형태인 반면, 중공원추형의 경우 비교적 화염 주위에 공급 기체가 분사되는 형태이기 때문으로 판단된다. 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우, 공급 기체로 공기를 공급한 경우의 화재 소화 시점은 185 s, 질소를 공급한 경우의 화재 소화 시점은 173 s로 나타났으며, 미분사한 경우 또는 공급 기체만 분사한 경우보다 화재 소화가 빠르게 이루어지고 모든 측정 위치에서 온도가 빠르게 감소함을 확인할 수 있었다.
Figure 8과 동일한 경우에 대해 시간에 따른 화염 주위 산소 농도 측정 결과를 Figure 9에 나타내었다. 중실원추형과 동일하게 가스 분석기의 지연 시간을 고려하여 점화, 분사, 화재 소화 시점을 나타내었다. 공기만 분사한 경우, 산소 농도가 미분사한 경우와 유사하게 감소한 반면, 질소만 분사한 경우, 미분사한 경우 및 공기만 분사한 경우보다 빠르게 감소하였다. 이 때, 최소 산소 농도는 질소만 분사한 경우(12.4 vol%)가 미분사한 경우(12.8 vol%) 또는 공기만 분사한 경우(13.2 vol%)보다 다소 낮게 나타났다. 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우, 최소 산소 농도는 공급 기체가 공기인 경우와 질소인 경우 각각 14.0 vol%, 13.8 vol%로 미분사한 경우 또는 공급 기체만 분사한 경우보다 높게 측정되었다. 한편, 앞서 기술한 바와 같이 Figure 9에는 중공원추형의 화염 주위 산소 농도 측정 결과의 대표적인 예를 나타내고 있다. 3회 반복 실험한 결과, 공기 또는 질소만 분사한 경우, 미분무와 공기 또는 질소를 함께 분사한 경우 측정된 평균 최소 산소 농도는 각각 13.25 (± 0.16) vol%, 12.52 (± 0.19) vol%, 14.35 (± 0.29) vol%, 14.05 (± 0.53) vol%로 나타났다. 이와 같이 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우가 미분사한 경우 또는 공급 기체만 분사한 경우보다 높게 측정된 이유는 미분무의 영향으로 인해 화재 소화가 빠르기 때문으로 추측된다. 또한, 미분무 분사 시 공급 기체로 질소를 공급한 경우, 질소에 의한 질식 효과로 공기를 공급한 경우보다 산소 농도가 빠르게 감소하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 미분무의 영향과 함께 공급 기체의 영향이 주요하게 작용함을 확인하였다.

3.3 중실원추형 및 중공원추형 2유체 미립화기 평균 화재 소화 시간 비교

Figures 10(a)10(b)에 각각 공급 기체로 공기 또는 질소를 공급한 경우에 대해 분사 형태에 따른 평균 화재 소화 시간을 물 공급 여부에 따라 나타내었다. 모든 실험 조건에서 재점화가 가능하였으며, 화재 소화 시간은 공급 기체 또는 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 이후부터 화재 소화 시까지의 시간으로 정의하였다. 3회 반복 실험 결과를 평균하여 나타냈으며, 오차 막대(Error bar)는 반복 실험 결과의 표준 편차를 의미한다.
공급 기체가 공기인 조건(Figure 10(a))에서는 공기만 분사한 경우보다 미분무와 공기를 함께 분사한 경우에 평균 화재 소화 시간이 중실원추형의 경우 56 s (= 66 s-10 s), 중공원추형의 경우 80 s (= 207 s-127 s) 감소하였다. 또한, 중실원추형인 경우가 중공원추형인 경우에 비해 평균 화재 소화 시간이 공기만 분사한 경우 141 s (= 207 s-66 s), 미분무와 공기를 함께 분사한 경우 117 s (= 127 s-10 s) 짧게 나타났다. 공급 기체가 질소인 조건(Figure 10(b))에서도 물 공급 여부 및 분사 형태에 따른 평균 화재 소화 시간의 경향은 공기를 공급한 경우(Figure 10(a))와 유사하게 나타났다. 미분무와 질소를 함께 분사한 경우가 질소만 분사한 경우에 비해 평균 화재 소화 시간이 중실원추형의 경우 47 s (= 54 s-7 s), 중공원추형의 경우 71 s (= 179 s-108 s) 감소하였다. 또한, 중실원추형인 경우가 중공원추형인 경우에 비해 평균 화재 소화 시간이 질소만 분사한 경우 125 s (= 179 s-54 s), 미분무와 질소를 함께 분사한 경우 101 s (= 108 s-7 s) 짧은 것으로 측정되었다. 전체적으로 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에 평균 화재 소화 시간이 감소하였고, 이는 미분무에 의한 화재 소화 효과가 화재 소화 시간에 지대한 영향을 미침을 의미한다. 또한, 중실원추형의 경우가 중공원추형에 비해 평균 화재 소화 시간이 짧게 나타났는데, 이는 중실원추형의 경우 비교적 다량의 공급 기체 또는 미분무와 공급 기체 모두 화원에 집중적으로 작용하고 화재 플룸을 억압하는 분사 형태이기 때문으로 판단된다.
한편, Figures 10(a)10(b)의 결과를 토대로 공급 기체가 평균 화재 소화 시간에 미치는 영향을 살펴보면, 중실원추형의 경우 공급 기체만 분사한 조건에서 12 s (= 66 s-54 s), 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 조건에서 3 s (= 10 s-7 s)의 공기와 질소 간 평균 화재 소화 시간 차이가 나타났다. 즉, 공급 기체만 분사한 경우에 비해 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에 공급 기체의 영향이 비교적 미비한 것으로 나타났는데, 이는 앞선 온도 및 산소 농도 측정 결과를 토대로 볼 때 미분무와 공급 기체 모두 화원에 집중되는 중실원추형의 분사 형태로 인해 미분무에 의한 화재 소화 효과가 공급 기체에 의한 화재 소화 효과에 비해 지배적임을 의미한다. 반면, 중공원추형의 경우 공급 기체만 분사한 조건에서 28 s (= 207 s-179 s), 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 조건에서 19 s (= 127 s-108 s)의 공기와 질소 간 평균 화재 소화 시간 차이가 측정되었고, 이를 통해 중실원추형의 경우와는 다르게 공급 기체만 분사한 경우 뿐 아니라 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에도 공급 기체의 영향이 상대적으로 중요함을 확인할 수 있었다. 이는 미분무와 공급 기체 모두 화원 주위에 분포하는 중공원추형의 분사 형태로 인해 중실원추형에 비해 미분무의 화재 소화 효과가 화재 소화에 미치는 영향이 상대적으로 감소되고, 미분무 뿐 아니라 공급 기체가 여전히 화재 소화에 영향을 미치는 중요한 인자(Factor)가 될 수 있음을 의미한다.
본 연구를 통해 2유체 미립화기의 분사 형태에 따라 공급 기체와 미분무가 화재 소화 효과 및 성능에 미치는 영향이 달라질 수 있음을 확인하였으며, 해당 연구 결과는 추후 2유체 미립화기에 의해 생성된 미분무의 화재 소화 효과를 정량화하기 위한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서는 매우 제한적인 조건(예를 들면, 화원이 2유체 미립화기의 바로 아래에 위치하는 조건 및 제한적인 공급 유량 조건 등)에서 실험이 수행되었으므로 본 연구 결과만으로 중실원추형 및 중공원추형 2유체 미립화기의 화재 소화 성능을 일반화하는 것은 한계가 있다. 따라서, 중실원추형 및 중공원추형 2유체 미립화기의 화재 소화 성능 일반화를 위해서는 추후 더욱 다양한 조건(예를 들면, 다양한 열방출률, 2유체 미립화기 및 화원 위치, 구획실 크기, 공급 유량 조건 등)에서 실험이 수행되어야 할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 분사 형태가 중실원추형 및 중공원추형인 2유체 미립화기의 공급 기체 및 미분무가 화재 소화 성능에 미치는 영향을 파악하기 위해 밀폐된 공간 내에서 헵탄 풀화재 소화 실험을 수행하였으며, 주요 실험 결과를 다음과 같이 정리하였다.
1) 분사 형태가 중실원추형 및 중공원추형인 경우 모두 공급 기체(공기 또는 질소)만 분사한 경우보다 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우에 평균 화재 소화 시간이 감소하였다.
2) 공급 기체 및 물 공급 여부에 관계없이 중실원추형인 경우가 중공원추형인 경우에 비해 빠르게 화재 소화 가능함을 확인하였으며, 이는 공급 기체 또는 미분무가 화원에 집중되고 화재 플룸을 효과적으로 억압하는 중실원추형의 분사 형태 때문으로 판단된다.
3) 분사 형태가 중실원추형인 경우, 질소만 분사한 경우가 공기만 분사한 경우보다 평균 화재 소화 시간이 12 s 감소하였다. 반면, 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우 공급 기체 간 평균 화재 소화 시간의 차이는 3 s로 공급 기체의 영향은 거의 나타나지 않았으며, 이는 온도 및 산소농도 측정 결과를 토대로 볼 때 미분무의 영향이 지배적으로 작용함을 의미한다.
4) 분사 형태가 중공원추형인 경우, 공급 기체만 분사 시 중실원추형과 동일하게 공급 기체로 질소를 공급한 경우가 공기를 공급한 경우보다 평균 화재 소화 시간이 28 s 감소하였다. 그러나, 미분무와 공급 기체를 함께 분사한 경우 중실원추형과는 달리 공급 기체에 따라 평균 화재 소화 시간이 19 s 차이났으며, 이를 통해 미분무의 영향 뿐 아니라 공급 기체의 영향도 화재 소화에 주요하게 작용함을 확인하였다.

후 기

이 논문은 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(No. 2016R1D1A1B03932585). 본 논문은 Asia Pacific Symposium on Safety (APSS) 2019 (2019년 19일-21일, 중국 다롄)에서 발표한 선행 연구 내용(Paper No.: APSS071)을 보완 및 발전시켜 작성하였음.

Figure 1.
Schematic diagram of experimental set-up.
KIFSE-2019-33-5-028f1.jpg
Figure 2.
Schematic diagrams of twin-fluid atomizers.
KIFSE-2019-33-5-028f2.jpg
Figure 3.
Measurement locations for temperature and oxygen concentration.
KIFSE-2019-33-5-028f3.jpg
Figure 4.
Temporal variation of centerline temperature above fuel pan for full cone twin-fluid atomizer.
KIFSE-2019-33-5-028f4.jpg
Figure 5.
Visualization of fire plume suppression by discharge of only supply gas through full cone twin-fluid atomizer.
KIFSE-2019-33-5-028f5.jpg
Figure 6.
Temporal variation of oxygen concentration for full cone twin-fluid atomizer.
KIFSE-2019-33-5-028f6.jpg
Figure 7.
Effect of air and nitrogen flow rates on mass loss rate for full cone twin-fluid atomizer.
KIFSE-2019-33-5-028f7.jpg
Figure 8.
Temporal variation of centerline temperature above fuel pan for hollow cone twin-fluid atomizer.
KIFSE-2019-33-5-028f8.jpg
Figure 9.
Temporal variation of oxygen concentration for hollow cone twin-fluid atomizer.
KIFSE-2019-33-5-028f9.jpg
Figure 10.
Comparison of average fire extinguishing time between full cone and hollow cone twin-fluid atomizers.
KIFSE-2019-33-5-028f10.jpg

References

1. Z. Liu and A. K. Kim, “A Review of Water Mist Fire Suppression Systems-Fundamental Studies”, Journal of Fire Protection Engineering, Vol. 10, No. 3, pp. 32-50 (1999).

2. NFPA 750, “Standard on Water Mist Fire Protection Systems”, 2000 Edition., National Fire Protection Association, Quincy, USA (2000).

3. NFSC (National Fire Safety Code) 104A, § 3(2) (2019).

4. J. R. Mawhinney, B. Z. Dlugogorski and A. K. Kim, “A Closer Look at the Fire Extinguishing Properties of Water Mist”, Fire Safety Science, Vol. 4, pp. 47-60 (1994).
crossref
5. A. H. Lefebvre and V. G. McDonell, “Atomization and Sprays”, 2nd Edition., CRC Press, Boca Raton, USA (2017).

6. L. Yinshui, J. Zhuo, W. Dan and L. Xiaohui, “Experimental Research on the Water Mist Fire Suppression Performance in an Enclosed Space by Changing the Characteristics of Nozzles”, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 52, pp. 174-181 (2014).
crossref
7. A. Jenft, A. Collin, P. Boulet, G. Pianet, A. Breton and A. Muller, “Experimental and Numerical Study of Pool Fire Suppression Using Water Mist”, Fire Safety Journal, Vol. 67, pp. 1-12 (2014).
crossref
8. Y. Ferng and C. Liu, “Numerically Investigating Fire Suppression Mechanisms for the Water Mist with Various Droplet Sizes through FDS Code”, Nuclear Engineering and Design, Vol. 241, No. 8, pp. 3142-3148 (2011).
crossref
9. M. Gupta, A. Pasi, A. Ray and S. R. Kale, “An Experimental Study of the Effects of Water Mist Characteristics on Pool Fire Suppression”, Experimental Thermal and Fluid Science, Vol. 44, pp. 768-778 (2013).
crossref
10. S. Lal, M. Gupta, A. Kushari, J. C. Kapoor and S. Maji, “Suppression of Pool Fire in a Large Enclosure with Water Mist”, International Journal of Spray and Combustion Dynamics, Vol. 5, No. 3, pp. 181-200 (2013).
crossref
11. M. Gupta, R. Rajora, S. Sahai, R. Shankar, A. Ray and S. R. Kale, “Experimental Evaluation of Fire Suppression Characteristics of Twin Fluid Water Mist System”, Fire Safety Journal, Vol. 54, pp. 130-142 (2012).
crossref
12. Z. Liu, A. K. Kim and J. Z. Su, “Examination of the Extinguishment Performance of a Water Mist System Using Continuous and Cycling Discharges”, Fire Technology, Vol. 35, No. 4, pp. 336-361 (1999).
crossref
13. C. Shin, G. Jeon and K. Kim, “Extinguishing of Oil Fire by Water Mist Suppression System Using Compressed Inert Gas”, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 25, No. 6, pp. 109-114 (2010).

14. C. S. Jeong and C. Y. Lee, “Experimental Study on the Extinguishing Characteristics of Twin-fluid Nozzle using a Small-scale Hexane Pool Fire”, Fire Science and Engineering, Vol. 32, No. 3, pp. 35-41 (2018).
crossref
15. Y. A. Cengel and A. J. Ghajar, “Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications”, 5th Edition., McGraw-Hill Education, New York, USA (2015).

16. In: N. Ashgriz, (Eds.), “Handbook of Atomization and Sprays: Theory and Applications”, Springer Science & Business Media, New York, USA (2011).

17. B. Karlsson and J. G. Quintiere, “Enclosure Fire Dynamics”, CRC Press, Washington, USA (2000).

18. M. Yuan, B. Chen, C. Li, J. Zhang and S. Lu, “Analysis of the Combustion Efficiencies and Heat Release Rates of Pool Fires in Ceiling Vented Compartments”, Procedia Engineering, Vol. 62, pp. 275-282 (2013).
crossref
19. Society of Fire Protection Engineers, “SFPE Handbook of Fire Protection Engineering”, 3rd Edition., NFPA, Quincy, USA (2002).



ABOUT
BROWSE ARTICLES
EDITORIAL POLICY
AUTHOR INFORMATION
Editorial Office
Room 906, The Korea Science Technology Center The first building, 22, Teheran-ro 7 Gil, Gangnam-gu, Seoul, Republic of Korea
Tel: +82-2-555-2450    Fax: +82-2-3453-5855    E-mail: kifse@hanmail.net                

Copyright © 2022 by Korean Institute of Fire Science and Engineering.

Developed in M2PI

Close layer
prev next