미분무수 소화설비

미분무수 소화설비(water mist fire suppression system)

1. 개요

① 과학적 의미의 Mist는 직경이 5㎛ 정도인 에어로졸과 직경이 10~100㎛ 인 안개로 구성되는 운무현상을 말한다.

② NFPA에서는 1mm 이하의 물입자. 즉, Dv 0.99 =1000㎛에 해당되는 물방울들의 집합적 분포로 Mist를 정의하고 있다. (표준 S/P Dv0.99 = 5000㎛)

③ 미분무수는 표면적대 체적비를 최대화함으로 증발을 통한 질식작용과 열흡수 효과의 극대화를 통해 화재를 제어한다.

④ 물입자의 크기가 감소함에 따라 단위면적당 더 많은 열이 흡수되므로 분무수 에 포함되어 있는 미세 물방울의 비율이 증가하면 화재진압에 필요한 물의 양이 감소하고 방출효율이 향상된다.

⑤ 근래들어 IMO(국제해사기구)에서 승선인원 35명을 초과하는 선박에 스프링클러 설치를 의무화 하면서 최소한의 중량으로 소화성능을 극대화 시킬 필요성이 증대하였고, 할론소화약제의 생산 중단에 따른 대체기술로 미분무수가 연구되고 있다.

2. 미분무수설비의 소화 메커니즘.

미분무수설비의 소화 메커니즘에는 주요 메커니즘과 3가지와 부차적 메커니즘 2가지가 있다.

가. 주요 메커니즘

① 기상냉각

물의 증발잠열이 화염 및 고온 가스로부터 열을 제거하여 화염온도가 연소유지에 필요한 임계수치 (단열화염온도한계) 이하로 떨어지면 화염은 소멸된다.

② 산소고갈 및 인화성 증기의 희석.

물방울이 증기상태로 되면서 약 1700배의 체적팽창을 하여 화염으로의 공기혼입을 막고 산소의 희석으로 산소농도를 감소시킨다.

③ 가연물 표면의 적심 및 냉각

가연물 표면상에 가연성 증기혼합물을 발생시키지 않는 고체 가연물 및 상온보다 높은 인화점을 갖는 액체 가연물의 경우 표면이 젖거나 냉각될 경우 열분해 속도가 감소하게 된다.

나. 부차적 메커니즘

① 복사 감쇄효과

기상 냉각 및 가연물과 화염 간의 수증기 농도가 증가하면서 복사 에너지를 흡수하여 복사 열선속을 감소시킨다.

② 운동효과

화염 냉각이 일어남과 동시에 연소반응에 수증기 등의 희석제가 가해지면 화염속도가 감소하면서 상대적으로 빠른 기체흐름으로 인해 연소반응이 영향을 받아 화염이 꺼질 수 있다.

3. 추가 연구 사항.

가. 방호구역 효과

① 방호구역 상부층에 축적되는 고온의 무효화 가스는 Mist와 처음 접촉하면서 급격히 냉각된다.

② 무효화 가스와 수증기 혼합물은 분무액(Spray)에 의해 화재 저부로 밀려나면서 산소고갈을 통한 소화에 기여하게 된다.

나. 순환(Pulsing)

① 미분무 작동의 on/OFF를 반복하는 방식을 Pulsing이라 하며 방호구역에 Pulsing을 적용한 경우 연속적인 Mist 방출에 비해 소화속도가 빨라지는 반면 물 사용량은 감소한다.

② 최초 OFF 상태에서 재성장한 화재는 방호구역 내부의 산소농도 저하로 고온의 무효화 가스를 발생시키고 뒤이은 분무액에 의해 무효화 가스가 냉각되어 수증기와 혼합 산소를 고갈시켜 소화를 촉진한다.

③ 이러한 순환방식은 정상상태의 분무에 비해 유효증발량 및 산소 감소량을 증가시켜 미분무수의 화재진압 효과를 증대시킨다.

다. 폭발위험 완화.

① 미분무수를 활용해 폭발위험을 완화시키는 가능성이 존재하며 실재 알라스카 북극 유전에 설치된 가스컴프레셔에 사용되는 할론 1301을 대체하는 미분무수가 설치된바 있다.

② 연구에 따르면 폭발을 억제 또는 활성화하는 데는 분무특성 차이가 중요한 역할을 하며 미분무수 방출과 관련된 세부사항에 주의를 기울일 경우 폭발억제의 이점이 생긴다.

라. 기타 연구사항

① 개방 환경에서 운동량이 큰 물분무는 가스 연무상태로 공기를 혼입시켜 희석시킴으로써 가연성 가스의 농도를 LFL 이하로 떨어뜨릴 수 있다.

② 고온에서는 저온의 경우보다 농도가 높은 수증기가 형성되므로 차가운 Mist 보다는 따뜻한 Mist가 더 효과적일 가능성이 있다.

③ 화염속도가 매우 높고 충격파가 함께 발생할 경우 충격파가 액적의 크기를 1㎛ 정도의 미세 분무액으로 분할 함으로써 분무액이 폭연 압력을 떨어뜨려 화염을 소화할 수 있다. 이렇게 크기가 작은 액적은 짧은 시간에 증발해 폭연 중에 방출되는 에너지 중 현저한 비율을 흡수할 수 있다.

4. 분무 특성요소.

가. 다양한 노즐에 의해 만들어지는 분무액의 특성에 따라 성능차이가 생기며, 분무 특성은 노즐 설치간격 뿐 아니라 천장높이 제한을 결정하는 요인으로 작용한다.

나. 분무 특성요소

① 액적 크기 분포

컴퓨터 모델링으로 미분무수 설비의 액적크기의 분포 변수를 활용할 수 있으며, 액적크기 분포에 대한 정보로 증발속도, 장애물이 분무에 미치는 영향, 분무와 화재와의 상관관계가 갖는 역학적 특성 등 설비의 성능을 알 수 있다.

② 분무각도

시중에서 구할 수 있는 인증을 거친 노즐의 분무각도는 모두 90° 또는 120°이며 분무형태는 중공 원추형이 아닌 속이 찬 원추형이다.

③ 분무속도.

분무의 방향과 크기를 말하며, 분출속도의 크기는 오리피스로부터 물이 나와 분무되기 시작하는 속도를 의미한다. 분무 시 주변 대기에 대한 개별 분출속도의 전이가 일어난다.

④ 방출량.

노즐의 방출량은 오리피스의 총 단면적 및 수압의 함수이다. 동일한 화재시험 시나리오에 대해서도 방출량은 제조업체마다 다르다.

⑤ 분무 운동량.

㉮ “분무운동량 = (물방울의 질량 + 혼입공기 질량) *미분무수 입자 속도 * 혼입공기 속도”로 표현

㉯ 질량 방출량이 일정할 경우 분무속도가 증가하면 공기 혼압율이 증가하게 되면서 분무액의 운동량을 상승시킨다.

㉰ 분무방향이 Fire Plume 방향과 반대일 경우 분무수에 의해 화염이 관통되고 화염 내부에서 형성되는 임의의 수증기가 화염 저부로 전달될 수 있다.

㉱ 반면, 방향이 동일한 유동은 증발 및 냉각을 촉진시키는데 필요한 난류화염/미분무수 혼합을 형성하지 못하며, 형성되는 수증기는 밑으로 내려가기 보다는 가연물 표면으로부터 먼 곳으로 전달된다.

㉲ 미분무수의 소화성능을 향상시키기 위해서는 분출속도의 크기와 운동량을 형성하는 방향성분을 고려해야 하며, 혼입공기는 현저한 비율의 질량유량을 형성하므로 전체적인 분무 원추의 운동량을 상승시킨다.

5. 미분무수설비의 종류.

가. 방출방식에 따른 구분

① 구획실방출 방식(TCA : Total Compartment Application)

㉮ 구획실 전체에 개방형 노즐을 설치하여 화재 발생 시 모든 노즐에서 물이 분사되도록 하기 위함.

㉯ TCA 방식은 방호구역 효과로 인한 열 회수, 수증기 격리, 산소고갈 가스의 재순환 등의 이점을 갖고 있다.

㉰ TCA 방식은 화재를 유효하게 제어하기 위해서는 충분한 시간동안 미분무수가 지속적으로 분사되어야 하며 구획실에 상당히 큰 개구부가 있어도 효과를 유지할 수 있다.

㉱ TCA 방식의 가장 큰 단점은 많은 양의 물을 필요로 하는 것이며 이 때문에 방호구역 내 유출수 제거도 고려하여야 할 부분이다.

② 국소방출 방식(LA : Local Application)

㉮ 이 설비는 완전밀폐, 부분밀폐, 개방형 옥외지역에 있는 사물이나 위험에 직접 방출하도록 헤드를 배치한다.

㉯ 열, 수증기, 무효화 가스가 거의 격리되지 않을 수도 있으므로 소화 작용은 거의 기상냉각이나 가연물 적심현상에만 의존하게 된다.

㉰ 화재를 소화하기 위해서 화재가 지속될 수 있는 전체영역에 Mist를 직접 분사하거나, 복사열로 인한 발화나 장치손상을 방지할 정도의 차단막 형성을 위한 정도의 Mist 분사도 충분할 수 있다.

㉱ TCA 방식이 필요한 경우라도 구획실 천장이 너무 높은 경우의 특정장치의 보호는 LA 방식으로 한다.

③ 구역방출 방식(ZA : Zone Application)

㉮ 이 설비는 방호구역의 특정부분에 존재하는 위험요소를 방호하도록 설계된 설비로 전체 구획실에 대한 일제살수를 배제함으로써 물 사용량을 TCA 방식 대비 1/4~1/3수준으로 줄인다.

㉯ 소화방법은 LA 방식과 비슷하지만 방호구역 효과가 작용할 수 있다.

㉰ 열에 의해 개별적으로 작동하는 노즐로 구성되므로 각 노즐은 감지기와 제어밸브가 통합되어 있는 형태를 하고 있다.

나. 프리엔지니어드 / 엔지니어드 설비

① 프리엔지니어드 설비

㉮ 해당 구획실에 해당하는 제한된 크기의 위험요소와 일관성 있는 특성에 맞도록 개발된 설비.

㉯ 노즐의 수와 위치, 저장해 두어야 할 물의 양, 배관의 직경 및 최대길이 등이 모두 공학적으로 처리.

㉰ 프리엔지니어드 설비의 감지 시의 감지시간 및 화재크기는 예측 가능.

② 엔지니어드 설비.

㉮ 다양한 구획실 및 화재위험에 대해 기본 노즐간격을 규정한 뒤 수력계산에 의해 최소 노즐압력 및 설비유량을 충족시키는지 확인.

㉯ 수력학적 성능을 계산하여야 하며 감지/작동시간 증가의 영향도 평가해야 한다.

다. 분무생성 방식

① 이중유체(Twin Fluid) 노즐.

㉮ 물과 함께 분무과정에 사용되는 압축가스까지 2개의 유체를 사용하는 노즐.

㉯ NFPA 750에 인용된 분무매체인 압축가스의 에너지를 이용하여 물을 분사하므로 오리피스 구경이 증가 하면서 단일유체 노즐에 비해 막힘 현상은 줄어들었다.

㉰ 물과 압축가스를 저장 및 공급할 수 있는 기능을 갖추어야 한다.

② 단일유체(Single Fluid) 노즐

㉮ 물이 1개 이상의 오리피스를 통해 분사된 뒤, 분쇄되어 물 분출과 주위 공기간의 속도차로 인해 미분무수가 되는 압력분출 노즐과, 충돌표면에 의한 충격에 의해 미립자가 되는 충돌노즐이 있다.

㉯ 이중유체 노즐에 비해 보다 광범위하게 사용되고 있다.

③ 과열된 물을 갑자기 증발시켜 Mist를 발생하는 방법.

㉮ 자체 가압용기에서 과열된 물을 대기 중에 방출하면 방출된 물의 일부는 갑작스런 증발을 통해 기체 상태가 되고, 증운이 냉각되어 분무크기(20㎛이하)의 입자로 응결된다.

㉯ 해당 액체의 갑작스런 증발로 동적에너지의 방출이 일어나고 나머지 물을 분쇄해 비교적 미세한 분무액(Dv0.90 = 300㎛)을 형성한다.

㉰ 이러한 갑작스런 증발과정은 노즐을 필요로 하지 않으므로 방호공간 전역으로 미스트+연무가 급속히 전파되며, 기계적 분무액보다 더욱 미세하다.

라. 압력구역.

① NFPA 750은 노즐 방사압에 따라 저압설비, 중압설비, 고압설비로 구분하고 있다.

② 압력영역에 따른 설비 구분

㉮ 저압설비 : 12 Bar(약 175 Psig) 미만.

㉯ 중압설비 : 12~34 Bar(약 175~500 Psig)

㉰ 고압설비 : 34 Bar(약 500 Psig) 이상.

③ 고압설비가 저압설비에 비해 효과적인지의 여부에 대해서는 많은 논의가 진행되고 있으며 화재에 대해 노즐방향이 최적화 되지 않을 경우에는 압력영역과 상관없이 최선의 성능을 발휘할 수 없으므로 특정 압력영역을 선정하는 것이 비현실적일 수 있다.