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.

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, Dv_0.5)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.

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.

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.

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.

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)와 5(d))가 적은 경우(Figures 5(a)와 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).

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.

Figures 7과 8에 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 7과 8을 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.

Figure 8

Droplet size of water mist for Case_SD and Case_ID for Large_nozzle.

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

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)와 9(b)는 각각 열복사 감쇠량과 감쇠율을 의미한다. Figures 9(a)와 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.

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.

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.