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Fire Sci. Eng. > Volume 36(5); 2022 > Article
열복사 감쇠 성능에 대한 미분무 노즐 설치 조건의 영향 검토

요 약

본 연구에서는 열복사 감쇠 성능에 대한 미분무 노즐 설치 조건의 영향을 실험적으로 검토하였다. Small_nozzle과 Large_nozzle을 이용하였고, 노즐이 히터와 열유속계 근처에 설치된 조건(각각 Position_NH와 Position_NS)과 1개와 2개의 노즐에서 미분무가 분사되는 조건(각각 Case_ID와 Case_SD)에서 실험을 수행하였다. 미분무 분사 특성을 파악하기 위해 노즐의 물 공급 압력과 액적 크기를 측정하였고, 분사되는 미분무를 가시화하였다. 열복사 감쇠 성능은 물 공급 유량이 증가할수록 향상되었고 Small_nozzle이 Large_nozzle보다 높은 것으로 나타났다. 한편, Case_SD 조건은 Case_ID_Sum 조건(즉, Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건에서의 합)에 비해 열복사 감쇠 성능이 낮고, Case_SD와 Case_ID_Sum 조건의 열복사 감쇠 성능 간 차이는 물 공급 유량이 많은 경우가 적은 경우에 비해 더 큰 것으로 관찰되었다. 이는 Case_SD 조건과 물 공급 유량이 많은 조건에서 미분무의 중첩 영역이 넓어져서 전체적인 분무폭이 좁아지는 효과가 나타나기 때문으로 판단된다.

ABSTRACT

In this experimental study, the effect of installation conditions of a water mist nozzle on thermal radiation attenuation performance was investigated. Two types of nozzles (Small_nozzle and Large_nozzle) were used. Experiments were conducted under conditions in which the nozzle was installed near the heater and heat flux sensor (Position_NH and Position_NS, respectively), and water mist was discharged from one and two nozzles (Case_ID and Case_SD, respectively). To characterize the water mist spray, the water supply pressure and droplet size were measured, and visualization of the sprayed water mist was performed. The thermal radiation attenuation performance improved with an increase in the water flow rate, and Small_nozzle showed higher thermal radiation attenuation performance than Large_nozzle. Moreover, Case_SD showed lower thermal radiation attenuation performance than Case_ID_Sum (that is, the Sum of Case_ID & Position_NS and Case_ID & Position_NH) and the difference in thermal radiation attenuation performance between Case_SD and Case_ID_Sum at a higher water flow rate was more significant than that at a lower water flow rate. These might be attributed to the wide overlapping area of water mist discharged from two nozzles in Case_SD and at a higher water flow rate, narrowing the overall width of the water mist.

1. 서 론

미분무소화설비(water mist systems)는 스프링클러설비(sprinkler systems)에 비해 화재 소화 시 적은 양의 물이 요구되고, 수손의 피해를 줄일 수 있다는 장점(1)이 있다. 또한 유류 화재에도 적응성이 있어 유류 관련 위험물을 취급하는 시설의 화재 방호 설비로 활용되고 있다. 한편, 유류 등을 취급하는 대형 위험물 시설에서 화재 발생 시 화원으로부터 방사되는 열복사(thermal radiation)로 인해 주변으로 화재가 급격하게 확산될 수 있는데, 이 경우 화원과 주변 위험물 사이에 수막(water curtain)을 형성시켜 화재 확산을 막을 수 있다. 즉, 화원과 주변 가연물 사이에 물 액적(water droplet)으로 이루어진 수막을 형성시키면 물 액적에 의해 열복사가 흡수 및 산란되어 감쇠되고(2), 이로 인해 주변 가연물로의 화재 확산을 저지할 수 있다. 수막을 이용한 열복사 감쇠(thermal radiation attenuation)에 대한 연구가 기존에 일부 수행된 바 있다.
Cheung(3)은 드렌처헤드(drencher head)를 통하여 분사된 수막의 열복사 감쇠 성능에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과, 물 공급 압력과 유량이 증가할수록 열복사 감쇠율은 증가하였다. 또한 오리피스(orifice) 직경이 작은 경우가 큰 경우에 비해 열복사 감쇠율이 약 10% 높은 것으로 나타났는데, 이는 오리피스 직경이 작을수록 분사되는 액적 크기가 감소하기 때문이라고 보고하였다. Murrell 등(4)은 다양한 노즐(nozzle)을 이용하여 물 공급 유량뿐만 아니라 물 액적 크기와 분사 속도가 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 검토하기 위해 실험을 수행하였다. 실험 결과, 높은 열복사 감쇠 성능 확보를 위한 최적의 조건은 높은 물 공급 유량, 작은 액적 크기 및 낮은 분사 속도라고 보고하였다. Balner와 Barcova(5)는 다양한 분사 특성을 가진 5가지 노즐의 수막을 이용하여 히터(heater)에서 방사된 열복사 감쇠를 측정하였다. 실험 결과, 더 큰 오리피스의 노즐이 더 큰 액적을 분사하지만, 증가된 물 공급 유량과 더 넓은 액적의 분사로 인해 열복사 감쇠 성능이 향상된다고 보고하였다. Chow 등(6)은 수막에 의한 열복사와 연기의 차단 효과(blocking effect)에 대한 실험을 수행하였다. 실험 결과, 노즐에서 분사되는 수막에 많은 기공들(air voids)이 존재하여 수막이 불연속적이라고 언급하였고, 해당 수막에 의해 열복사는 효과적으로 차단되었으나, 연기와 유독 가스는 효과적으로 차단되지 않았다고 보고하였다. Lee 등(7)은 드렌처헤드의 형상에 따른 수막의 유동 특성 및 열복사 감쇠 성능에 대한 실험을 수행하였다. 일정한 물 공급 압력 조건에서 드렌처헤드에 의한 열복사 감쇠 효과는 오리피스 출구와 반사판 간 거리 및 반사판의 직경에 의해 변화하였으나, 액적 크기의 변화가 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향은 크지 않다고 보고하였다. Jo와 Lee(8)는 2유체미립화기를 통해 생성되는 미분무를 이용하여 열복사 감쇠 성능 실험을 수행하였다. 실험을 통해 일정한 공기 또는 물 공급 유량 조건에서, 물 또는 공기 공급 유량이 각각 증가함에 따라 열복사 감쇠율이 증가하였고, 2유체미립화기의 공기 분사 면적이 열복사 감쇠 성능에 영향을 미치는 중요한 인자라고 보고하였다. Ko(9)는 Murrell 등(4)이 수행한 실험을 토대로 fire dynamics simulator를 이용하여 미세물분무의 액적 크기, 물 공급 유량, 분무폭 등의 조건에 따른 열복사 감쇠 특성을 전산시뮬레이션(numerical simulation)을 통해 분석하였다. 해당 연구를 통해 미세물분무의 액적 크기가 작고 분무각이 클수록 열복사 감쇠 성능이 향상된다고 보고하였다. Kang과 Lee(10)는 미분무 분사 방향으로의 축방향 위치 변화에 따른 미분무 특성과 열복사 감쇠 성능을 실험을 통해 측정하였고, 분무폭이 열복사 감쇠 성능에 지대한 영향을 미치는 인자임을 보고하였다. 기존 연구 검토를 통해 수막의 분사 특성과 열복사 감쇠 성능이 밀접한 연관이 되어 있음을 알 수 있었다. 그러나 대부분의 기존 연구는 한 지점의 위치에서 단일 수막이 형성되는 조건 하에서 수행되었다. 실제 적용을 고려할 때, 수막 형성 위치, 개수, 간격 등과 같은 수막의 설치 조건이 열복사 감쇠 성능에 지대한 영향을 미칠 수 있고, 분사되는 다수의 수막이 일부 중첩될 경우 수막 간 상호 작용에 의해 열복사 감쇠 성능이 변화할 수 있다. 그러나 이에 관한 연구는 거의 수행되지 않은 것으로 파악된다.
본 연구에서는 2가지 종류의 미분무 노즐을 이용하여 열복사 감쇠 성능에 대한 노즐 설치 조건의 영향을 실험적으로 검토하였다. 2가지 종류의 노즐에서 분사되는 미분무의 특성을 측정하였고, 해당 미분무의 열복사 감쇠 성능을 비교하였다. 또한, 각 노즐을 이용하여 노즐 설치 위치에 따른 미분무의 열복사 감쇠 성능을 평가하였고, 동일한 종류의 노즐을 2개 설치하여 2개의 노즐에서 분사되는 미분무의 상호 작용과 열복사 감쇠 성능 간 관계에 대해 검토하였다. 본 연구 결과는 위험물을 취급하는 시설 등에 화재 확산 방지를 위한 미분무 화재 방호 시설 적용 시 미분무 노즐 설치 조건 도출을 위한 기초 설계 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

2. 실험 세부 내용

2.1 실험 장치

Figure 1에 미분무의 열복사 감쇠 성능 측정을 위한 실험 장치의 개략도를 나타내었다. 복사 열원으로 200 mm (폭) × 250 mm (높이) 크기의 히터(OMEGA, QH-081060-T)를 이용하였고, 히터로부터 방사되는 열유속을 측정하기 위해 열유속계를 히터 표면으로부터 1000 mm 떨어진 위치에 설치하였다. 열유속계의 일정한 온도 유지를 위해 열유속계에 항온 순환 수조를 연결하였고, 열유속계를 이용하여 측정한 열유속 데이터(heat flux data)는 데이터 수집장치를 이용하여 컴퓨터(computer)에 1 s 간격으로 저장하였다. 미분무 노즐에 물을 공급하기 위해 물탱크(water tank)와 마이크로기어펌프(micro gear pump)를 설치하였고, 물 공급 유량은 일정 시간 동안 물탱크의 무게 감소를 전자저울로 측정하여 도출하였다.
Figure 1
Schematic of experimental setup to measure thermal radiation attenuation.
kifse-36-5-1-g001.jpg
히터 표면과 열유속계 사이에는 Figure 1에 나타낸 바와 같이 2개의 미분무 노즐이 설치되었고, 이때 히터와 열유속계의 정중앙을 수평으로 정렬하였다. 하나의 노즐은 노즐 출구의 수직선과 히터 표면 간 거리가 350 mm인 지점에 설치하였고, 이처럼 히터 근처에 설치된 노즐에서 미분무가 분사되는 경우를 Position_NH (nearby heater)로 명명하였다. 다른 하나의 노즐은 노즐 출구의 수직선과 열유속계 간 거리가 450 mm인 지점에 설치하였고, 이처럼 열유속계 근처에 설치된 노즐에서 미분무가 분사되는 경우를 Position_NS (nearby sensor)로 명명하였다. 본 실험에서의 노즐과 히터, 노즐과 열유속계 간 거리는 분사되는 미분무가 히터와 열유속계에 미치는 영향을 최소화할 수 있는 조건과 측정되는 열유속 범위를 고려하여 설정되었다. 각 지점에서의 노즐 설치 높이는 히터와 열유속계의 정중앙을 연결한 수평선을 기준으로 380 mm로 동일하게 설정하였다. 또한, Position_NH와 Position_NS 위치에서 동시에 미분무가 분사되는 경우는 Case_SD (simultaneous discharge)로 명명하였고, Position_NH나 Position_NS 중 하나의 위치에서만 미분무가 분사되는 경우는 Case_ID (individual discharge)로 명명하였다. 한편, 본 실험에서는 용량이 다른 2가지 종류의 미분무 노즐을 이용하였다. 용량이 작은 노즐은 Small_nozzle, 용량이 큰 노즐은 Large_nozzle로 명명하였다.
Figure 2에 노즐에서 분사되는 미분무의 특성 측정을 위한 실험 장치의 개략도를 나타내었다. 노즐에 물을 공급하는 방법과 공급 유량을 측정하는 방법은 Figure 1에 나타낸 실험 장치와 동일하고, 미분무 분사 특성 측정 실험은 히터가 작동되지 않는 조건에서 수행되었다. 물 공급 압력을 측정하기 위해 노즐 입구 배관에 압력 트랜스미터(pressure transmitter)를 설치하였고 해당 데이터는 데이터 수집장치(data acquisition system)를 통해 1 s 간격으로 컴퓨터에 저장하였다. 한편, 미분무 액적 크기로 Sauter 평균 직경(Sauter mean diameter, SMD, D32)과 체적 중간 직경(volume median diameter, VMD, Dv0.5)을 측정하였다. 이를 위해 위상 도플러 입자 분석기(phase Doppler particle analyzer, PDPA)를 이용하였고, Figure 2에 나타낸 바와 같이 노즐 출구에서 미분무가 분사되는 하류 방향으로 380 mm 떨어진 위치에서 수평 방향으로 총 9 지점에서 액적 크기를 측정하였다. 이때, 측정점 5는 2개 노즐의 중간 위치(즉, 각 노즐의 출구로부터 수평 방향으로 100 mm 떨어진 위치)이고, 측정점 3과 7은 각 노즐 출구의 수직선에 대응되는 위치이다. 각 측정점 간 수평 방향 거리는 50 mm이다. 또한, 조명과 카메라(camera)를 이용하여 노즐 설치 조건과 물 공급 유량 조건에 따라 분사되는 미분무를 가시화하였다.
Figure 2
Schematic of experimental setup to measure water mist characteristics.
kifse-36-5-1-g002.jpg

2.2 실험 조건 및 절차와 데이터 처리 방법

미분무의 열복사 감쇠 성능 측정을 위한 실험 조건은 다음과 같다. 실험 시 히터 표면 온도는 700 oC로 설정하였고, 해당 조건에서 미분무가 분사되지 않는 상황에서의 열유속은 1.10 ± 0.02 kW/m2으로 측정되었다. 노즐에 공급되는 물 유량 조건의 경우 Small_nozzle은 300, 350, 400 g/min, Large_nozzle은 300, 350, 400, 450, 500 g/min로 설정하였다. 노즐 설치 위치 조건은 앞서 언급한 바와 같이 Position_NH와 Position_NS 위치로 설정하였고, 미분무 분사 조건은 Position_NH와 Position_NS 위치에서 미분무가 동시에 분사되는 조건(즉, Case_SD)과 Position_NH나 Position_NS 위치 중 하나의 위치에서만 분사되는 조건(즉, Case_ID)으로 설정하였다. 한편, 각 조건에서 3회의 반복 실험을 수행하여 데이터를 도출하였다.
미분무에 의한 열복사 감쇠 성능 측정 실험의 절차 및 데이터 처리 방법을 설명하기 위해 Figure 3에 Small_nozzle의 Case_SD 조건에서 물 공급 유량이 350 g/min 일 때 측정한 시간에 따른 열유속 데이터(예)를 나타내었다. 실험 절차는 다음과 같다. 열유속계에 연결된 항온 순환 수조를 작동시키고, 히터를 작동시켜 히터의 온도가 설정 온도에 도달하면 열화상 카메라를 이용하여 히터 표면 온도를 측정하여 확인하였다. 그리고 데이터 수집장치를 작동시켜 시간 변화에 따른 열유속 데이터를 측정 및 저장하였다. 실험 시작 이후 일정 시간 동안 미분무를 분사하지 않았고, 약 72 s에 Position_NS와 Position NH 위치에서 동시에 미분무를 분사하기 시작하였다. 이후 약 145 s에 미분무 분사를 종료하였고, 미분무가 분사되지 않는 조건으로 약 210 s까지 계속해서 열유속을 측정하였다. 즉, 약 72∼145 s 구간에서는 미분무를 지속적으로 분사하였고, 이외의 구간에서는 미분무를 분사하지 않았다. Figure 3에 나타낸 실험과 유사한 방법으로, 다양한 물 공급 유량 조건에서 Position_NS 위치에서만 미분무가 분사되는 경우(Case_ID & Position_NS), Position_NH 위치에서만 미분무가 분사되는 경우(Case_ID & Position_NH), Position_NS와 Position_NH 위치에서 동시에 미분무가 분사되는 경우(Case_SD)에 대해 실험을 수행하였다.
Figure 3
Exemplified temporal variation of measured heat flux for Case_SD of Small_nozzle at water flow rate of 350 g/min.
kifse-36-5-1-g003.jpg
열복사 감쇠 성능 측정 실험을 통해 얻은 데이터의 처리 방법은 다음과 같다. 미분무를 분사하지 않은 조건(10∼70 s 구간)과 분사한 조건(80∼140 s 구간)에서 측정된 열유속 데이터의 평균값을 Figure 3에 나타낸 바와 같이 각각 q0’’와 q’’라 할 때, 미분무에 의한 열복사 감쇠량(∆q’’)과 감쇠율(ξ)은 각각 아래의 식(1)과 식(2)를 이용(10)하여 각각 계산하였다.
(1)
Δq=q0q
(2)
ξ=Δq/q0×100[%]

3. 실험 결과 및 분석

3.1 미분무 분사 특성

Figure 4에 물 공급 유량에 따른 Small_nozzle과 Large_nozzle의 압력 측정 결과를 나타내었다. 물 공급 유량이 증가할수록 압력이 증가하였고, Small_nozzle이 Large_nozzle보다 동일한 물 공급 유량 조건에서 압력이 높은 것으로 측정되었다. Small_nozzle과 Large_nozzle에서의 물 공급 압력은 각각 391∼720 kPa와 194∼562 kPa로 측정되었다.
Figure 4
Water supply pressures of Small_nozzle and Large_nozzle.
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Figure 5에 각각의 노즐에서 미분무가 분사되는 경우(Case_ID)와 2개의 노즐에서 동시에 미분무가 분사되는 경우(Case_SD)에 대한 미분무 가시화 결과를 나타내었다. Figures 5(a)5(d)에서 왼쪽 사진은 Case_ID & Position_NS, 중간 사진은 Case_SD, 오른쪽 사진은 Case_ID & Position_NH 조건을 나타낸다. Case_ID 조건에서 Small_nozzle의 경우 물 공급 유량이 많은 경우(Figure 5(b))가 적은 경우(Figure 5(a))에 비해 분무폭이 넓은 것으로 관찰되었다. 이와 유사하게, Large_nozzle에서도 물 공급 유량이 많은 경우(Figure 5(d))가 적은 경우(Figure 5(c))에 비해 분무폭이 넓은 것으로 나타났다. 한편, Case_SD 조건에서는 Small_nozzle과 Large_nozzle 모두에서 물 공급 유량이 많은 경우(Figures 5(b)5(d))가 적은 경우(Figures 5(a)5(c))에 비해 2개의 노즐로부터 분사되는 미분무 간 중첩 영역이 넓어지는 것으로 관찰되었다. 또한, 동일한 유량 조건에서 Case_SD 조건의 전체적인 분무폭은 Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건의 개별 분무폭을 더한 총 분무폭(즉, 개별 분무폭의 합)에 비해 더 좁아지게 되는데 이는 Case_SD 조건에서 2개의 노즐로부터 분사되는 미분무가 일부 영역에서 중첩되기 때문이다.
Figure 5
Visualization of discharged water mist (left: Case_ID & Position_NS, center: Case_SD, right: Case_ID & Position_NH).
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Figure 6에 1개의 Small_nozzle과 Large_nozzle에서 미분무가 분사되는 경우인 Case_ID 조건에서의 미분무 액적 크기(즉, SMD와 VMD) 측정 결과를 나타내었다. Figure 6에서 measurement position = 0 mm인 위치는 설치된 노즐의 중심축 위치를 의미한다. Small_nozzle과 Large_nozzle 모두 물 공급 유량이 증가할수록 SMD와 VMD가 감소하는 경향이 나타났다. 또한 노즐의 중심축 위치에서 SMD와 VMD가 작았고, 노즐의 중심축에서 멀어질수록 SMD와 VMD가 증가하는 것으로 관찰되었다. 전체적으로 Small_nozzle이 Large_nozzle에 비해 동일한 물 공급 유량 조건에서 SMD와 VMD가 작은 것으로 측정되었다. 물 공급 유량이 300∼400 g/min 조건에서 Small_nozzle의 SMD와 VMD는 각각 약 63∼253 μm와 73∼254 μm로 측정되었고, 물 공급 유량이 300∼500 g/min 조건에서 Large_nozzle의 SMD와 VMD는 각각 약 69∼331 μm와 77∼317 μm로 측정되었다.
Figure 6
Droplet size of water mist for Small_nozzle and Large_nozzle for Case_ID.
kifse-36-5-1-g006.jpg
Figures 78에 Small_nozzle과 Large_nozzle에 대해 2개의 노즐에서 미분무가 동시에 분사되는 경우인 Case_SD 조건에서의 액적 크기 측정 결과를 각각 나타내었다. 비교를 위해 Case_ID 조건에서 측정한 Small_nozzle과 Large_nozzle의 액적 크기 측정 결과(Figure 6)를 함께 나타내었다. Case_SD 조건의 경우, 노즐의 중심 부근에서 SMD와 VMD가 작은 것으로 측정되었고, Figures 78을 비교할 때, 동일한 물 공급 유량 조건에서 Small_nozzle이 Large_nozzle에 비해 SMD와 VMD가 작은 것으로 관찰되었다. 한편, 동일한 물 공급 유량 조건에서, Case_SD와 Case_ID 조건 간 SMD와 VMD 차이의 경향이 일관되게 나타나지 않는 것처럼 관찰되었다. 즉, 어떠한 측정 위치에서는 Case_SD 조건이 Case_ID 조건에 비해 SMD와 VMD가 큰 것으로 측정되었으나 다른 측정 위치에서는 그 반대의 경향이 나타났다. Table 1에 Small_nozzle과 Large_nozzle의 Case_SD와 Case_ID 조건에 대해 수평 방향 액적 크기 분포에 대한 평균값과 표준편차를 비교하여 나타내었다. Small_nozzle의 SMD와 VMD의 평균값은 Case_SD 조건에서 각각 약 144∼171 μm와 164∼183 μm, Case_ID 조건에서 각각 약 124∼175 μm와 130∼182 μm로 측정되었다. Large_nozzle의 SMD와 VMD의 평균값은 Case_SD 조건에서 각각 약 176∼274 μm와 198∼291 μm, Case_ID 조건에서 각각 약 163∼291 μm와 169∼296 μm로 측정되었다. 액적 크기 측정 데이터의 표준편차를 고려할 때 전체적으로 Small_nozzle과 Large_nozzle의 Case_SD와 Case_ID 조건 간 액적 크기의 차이는 크지 않은 것으로 판단된다.
Figure 7
Droplet size of water mist for Case_SD and Case_ID for Small_nozzle.
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Figure 8
Droplet size of water mist for Case_SD and Case_ID for Large_nozzle.
kifse-36-5-1-g008.jpg
Table 1
Average Value and Standard Deviation of SMD and VMD Distribution in Horizontal Direction for Case_SD and Case_ID of Small_nozzle and Large_nozzle
Nozzle Type Water Flow Rate (g/min) Case_SD Case_ID
SMD (μm) VMD (μm) SMD (μm) VMD (μm)
Average Value Standard Deviation Average Value Standard Deviation Average Value Standard Deviation Average Value Standard Deviation
Small_ Nozzle 300 171 51 183 44 175 57 182 49
350 154 38 174 31 146 57 152 52
400 144 30 164 28 124 53 130 50
Large_ Nozzle 300 274 41 291 22 291 36 296 15
350 237 59 256 46 247 65 260 49
400 210 61 228 53 210 75 218 68
500 176 46 198 44 163 67 169 63

3.2 열복사 감쇠 성능

Figure 9에 Case_ID 조건에 대해 Small_nozzle과 Large_nozzle의 노즐 설치 위치가 열복사 감쇠에 미치는 영향에 대한 실험 결과를 나타내었다. Figures 9(a)9(b)는 각각 열복사 감쇠량과 감쇠율을 의미한다. Figures 9(a)9(b)에 나타낸 바와 같이 Small_nozzle과 Large_nozzle 모두에서, 물 공급 유량이 증가할수록 열복사 감쇠량과 감쇠율이 증가하였다. 또한 동일한 물 공급 유량 조건에서 Small_nozzle이 Large_nozzle에 비해 열복사 감쇠량과 감쇠율이 큰 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 미분무의 액적 크기와 연관이 있을 것으로 판단된다. Figure 6의 미분무 액적 크기 측정 결과에서 물 공급 유량이 증가할수록 미분무의 액적 크기가 감소하였고, 이 경우 미분무의 액적 개수 및 전체 표면적이 증가할 수 있다. 또한, Small_nozzle이 Large_nozzle에 비해 동일한 물 공급 유량 조건에서 액적 크기가 작은 것으로 측정되었는데, 이 경우 Small_nozzle이 Large_nozzle보다 더 많은 개수의 미분무 액적과 더 넓은 액적 표면적을 생성시킬 수 있다. 기존 연구(8-10)에서 미분무의 액적 크기 감소와 액적 개수 및 전체 표면적의 증가는 열복사 감쇠 성능을 향상 시킬 수 있는 요인으로 보고된 바 있다. 한편, 본 실험 조건에서 Small_nozzle의 열복사 감쇠율의 경우, Position_NS 위치에서는 19.5∼24.3%, Position_NH 위치에서는 18.9∼24.1%로 측정되었고, Large_nozzle의 열복사 감쇠율의 경우, Position_NS 위치에서는 11.9∼20.6%, Position_NH 위치에서는 9.9∼17.9%로 측정되었다. Large_nozzle과 Small_nozzle에서 Position_NS 위치가 Position_NH 위치보다 열복사 감쇠량과 감쇠율이 큰 것처럼 측정되었지만, 전체적으로 Position_NS와 Position_NH 위치 간 열복사 감쇠 성능 차이가 크지 않은 것으로 판단된다. 한편, 앞서 언급한 바와 같이 본 연구에서는 분사되는 미분무가 히터와 열유속계에 미치는 영향을 최소화하기 위한 조건에서 실험을 수행하였으나, 현실적으로 일부 미분무 액적들이 열유속계 및 히터에 미치는 영향을 완전히 배제할 수는 없을 것으로 생각된다. Figure 9에 나타낸 바와 같이 Position_NS와 Position_NH 위치의 열복사 감쇠 성능 측정 결과 간 차이가 크지 않은 상황에서 본 실험의 한계를 고려할 때, 노즐 설치 위치가 열복사 감쇠 성능에 미치는 영향을 더욱 정확하게 파악하기 위해서는 추후 열유속계와 히터에 대한 미분무의 영향이 완전히 배제된 조건에서의 연구가 추가적으로 수행되어야 할 것으로 판단된다.
Figure 9
Effect of water mist nozzle position on thermal radiation attenuation for Case_ID.
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동일한 종류의 2개의 노즐에서 미분무가 분사될 때 Small_nozzle과 Large_nozzle에 대한 열복사 감쇠 성능 측정 결과를 Figure 10에 나타내었다. Figure 10에서 Case_ID_Sum은 Position_NH 위치에서만 미분무가 분사되는 경우와 Position_NS 위치에서만 미분무가 분사되는 경우의 열복사 감쇠 성능 측정 결과를 더한 값을 의미하고, 이는 Figure 9의 측정 결과로부터 도출하였다. Case_ID_Sum 조건은 2개의 노즐로부터 분사되는 미분무 사이에 중첩이 일어나지 않는 조건(즉, 2개의 미분무 노즐이 충분히 떨어져 있는 조건)으로 생각할 수 있다. Figure 10에 나타낸 바와 같이 Small_nozzle과 Large_nozzle의 Case_SD와 Case_ID_Sum 조건 모두에서 물 공급 유량이 증가할수록 열복사 감쇠량 및 감쇠율이 증가하였고, Small_nozzle이 Large_nozzle에 비해 열복사 감쇠량 및 감쇠율이 더 큰 것으로 나타났다. 한편, Case_SD 조건에 비해 Case_ID_Sum 조건에서의 열복사 감쇠량 및 감쇠율이 더 크고, Case_SD와 Case_ID_Sum 조건의 열복사 감쇠량 및 감쇠율 간 차이가 물 공급 유량이 적은 경우보다 많은 경우에 더 큰 것으로 관찰되었다. 본 실험 조건에서 Small_nozzle의 열복사 감쇠율의 경우, Case_SD 조건에서는 32.3∼39.5%, Case_ID_Sum 조건에서는 38.4∼48.5%로 측정되었다. Large_nozzle의 열복사 감쇠율의 경우, Case_SD 조건에서는 20.3∼32.9%, Case_ID_Sum 조건에서는 21.9∼38.5%로 측정되었다.
Figure 10
Thermal radiation attenuation of water mist discharged from two nozzles.
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앞서 설명한 바와 같이, Case_SD 조건에 비해 Case_ID_Sum 조건에서의 열복사 감쇠량 및 감쇠율이 더 크고, 두 조건의 열복사 감쇠량 및 감쇠율 간 차이가 물 공급 유량이 많은 경우에 더 큰 것으로 관찰되었다. 이러한 측정 결과의 원인 중 하나로 미분무 분무폭의 영향을 고려해 볼 수 있다. Kang과 Lee(10)는 미분무의 분무폭이 열복사 감쇠 성능에 영향을 미치는 중요한 인자이고, 분무폭이 넓은 경우에 열복사 감쇠 성능이 향상됨을 보고한 바 있다. Figure 5의 미분무 가시화 결과에서, Case_SD 조건에서의 전체적인 분무폭은 Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건에서의 개별 분무폭을 더한 총 분무폭에 비해 더 좁은 것으로 관찰되었다. 즉, Figure 10에서 Case_ID_Sum 조건의 총 분무폭이 Case_SD 조건의 분무폭보다 더 넓으므로, Case_ID_Sum 조건의 열복사 감쇠 성능이 Case_SD 조건에 비해 더 큰 것으로 판단된다. 또한, Case_SD 조건에서의 미분무 가시화 결과, 물 공급 유량이 적은 경우에 비해 많은 경우에서 2개의 노즐로부터 분사되는 미분무 간 중첩 영역이 넓어지는 것으로 나타났다. 물 공급 유량이 적은 경우에서는 Case_SD 조건에서 미분무 간 중첩 영역이 좁으므로 Case_SD 조건의 전체 분무폭과 Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건에서의 개별 분무폭을 더한 총 분무폭 간 차이가 작고, 물 공급 유량이 큰 경우에서는 Case_SD 조건에서 미분무 간 중첩 영역이 넓으므로 Case_SD 조건의 전체 분무폭과 Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건에서의 개별 분무폭을 더한 총 분무폭 간 차이가 크다. 이러한 분무폭의 차이로 인해 Figure 10에 나타낸 바와 같이 Case_SD와 Case_ID_Sum 조건 간 열복사 감쇠량 및 감쇠율의 차이가 물 공급 유량이 적은 경우에는 작고, 물 공급 유량이 많은 경우에는 비교적 큰 것으로 판단된다. 본 실험 결과를 토대로 볼 때, 2개의 노즐에서 분사되는 미분무 간 중첩 영역이 열복사 감쇠 성능에 큰 영향을 미치는 것으로 생각된다. 또한, 화원과 특정 대상물 사이에 화재 확산 방지를 위한 다수의 미분무 노즐을 일렬로 설치할 경우, 노즐로부터 분사되는 미분무의 분무폭을 고려하여 미분무 간 중첩이 일어나지 않는 간격으로 미분무 노즐을 설치하는 것이 열복사 감쇠에 효과적일 것으로 판단된다.
본 연구 결과를 토대로 볼 때, 분무폭과 열복사 감쇠 성능 간 상관관계의 검토는 미분무에 의한 열복사 감쇠 현상을 이해하기 위해 수행되어야 할 중요한 연구 주제 중 하나로 생각된다. 이를 위해서는 추후 분무폭에 대한 정량적인 데이터 확보가 필수적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 열복사 감쇠 성능에 대한 미분무 노즐 설치 조건의 영향을 실험적으로 검토하였다. 2가지 종류(Small_nozzle과 Large_nozzle)의 미분무 노즐을 이용하였고, 다양한 물 공급 유량 조건에서 노즐이 히터 근처에 설치된 조건(Position_NH), 열유속계 근처에 설치된 조건(Position_NS), 1개의 노즐에서만 미분무가 분사되는 조건(Case_ID), 2개의 노즐에서 동시에 미분무가 분사되는 조건(Case_SD)에서 실험을 수행하였다.
미분무 분사 특성의 경우, Small_nozzle과 Large_nozzle의 압력은 물 공급 유량이 증가할수록 증가하였고, 본 실험 조건에서 각각 391∼720 kPa과 194∼562 kPa로 측정되었다. 미분무 분무폭의 가시화 결과, 물 공급 유량의 증가는 분무폭을 증가시켰다. Case_SD 조건에서 물 공급 유량이 많은 경우가 적은 경우에 비해 2개의 노즐로부터 분사되는 미분무 간 중첩 영역이 넓어졌고, Case_SD 조건의 전체적인 분무폭은 Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건의 개별 분무폭을 더한 총 분무폭에 비해 더 좁은 것으로 나타났다. 미분무 액적 크기 측정 결과, Case_ID와 Case_SD 조건 모두에서 물 공급 유량이 증가할수록 액적 크기는 감소하였고, 노즐 중심축 위치에서의 액적 크기가 중심축 주변에 비해 더 작은 것으로 나타났다. 한편, Case_SD와 Case_ID 조건의 액적 크기 간 차이는 측정 데이터의 표준편차를 고려할 때 크지 않은 것으로 판단된다.
미분무의 열복사 감쇠 성능을 측정한 결과, Small_nozzle과 Large_nozzle의 열복사 감쇠 성능은 Case_ID와 Case_SD 조건에서 모두 물 공급 유량이 증가할수록 향상되었고 동일한 물 공급 유량 조건에서 Small_nozzle이 Large_nozzle보다 열복사 감쇠 성능이 높은 것으로 나타났다. 한편, Case_SD 조건은 Case_ID_Sum 조건(즉, Case_ID & Position_NS와 Case_ID & Position_NH 조건에서의 열복사 감쇠 성능의 합)에 비해 열복사 감쇠 성능이 낮고, Case_SD와 Case_ID_Sum 조건의 열복사 감쇠 성능 간 차이는 물 공급 유량이 많은 경우가 적은 경우에 비해 더 큰 것으로 관찰되었다. 이러한 결과가 나타난 원인은 Case_SD 조건과 물 공급 유량이 많은 조건에서 미분무의 중첩 영역이 넓어져서 전체적인 분무폭이 좁아지는 효과가 나타나기 때문으로 판단된다.

후 기

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. 2021R1F1A1064002).

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