김성찬 유홍선 * 박현태 방기영 ** 중앙대학교대학원 * 중앙대학교기계공학부 ** 삼성에버랜드 (2002. 11. 4. 접수 / 2003. 1. 2. 채택 ) A Study on Spray Characteristics of Water Mist Nozzle with Mid-low Pressure for Fire Suppression Sung-Chan Kim Hong-Sun Ryou * Hyun-Tae Park Ki-Young Bang ** Graduate School of ChungAng University * Department of Mechanical Engineering, ChungAng University ** Sam Sung Everland Co. (Received November 4, 2002 / Accepted January 2, 2003) Abstract : The present study investigates the spray characteristics of water mist nozzle with mid-low pressure for fire suppression. The examined nozzle types are swirl and spiral nozzle. The result shows that K factor of water mist nozzle is much smaller than those of general sprinkler. Spray angle of spiral nozzle is largest and more than 150. SMD(Sauter Mean Diameter) of water mist nozzles is ranged between 100 and 200 μm through measuring by image processing method. The spray pattern of spiral nozzle represent that water flux of first stream is 2 times larger than that of second stream. This study will contribute better understandings of the water-mist spray characteristics and useful data for developing the water-mist nozzles. Key words : fire, water mist, nozzle, spray, fire suppression 1. 서론 1) 분무현상은연료분사시스템, 분무도포, 분무건조장치, 분무냉각장치및화재소화장치등많은분야에서널리이용되고있다. 연소시스템의경우액적의미립화는주위기체와의열및물질전달을활발히하여연소의효율을높이는역할을하지만화재소화용의경우화원의냉각및산소차단등을통한연소를억제하는역할을하기도한다. 이러한분무현상이열기관의성능과직접적으로관련있기때문에자동차및연소기등폭넓은기계공학분야에서활발한연구가진행되어왔다. 그러나안전공학측면에서의연소를억제하기위한연구는상대적으로미미한실정이다. 가장일반적인수계화재제어장치로스프링쿨러가널리이용되었으나과도 To whom correspondence should be addressed. cfdmec@cau.ac.kr 한물소모량으로인한화재진압후발생되는수질오염과수손의우려가있는공간에대해서는적용할수없었다. 대신 Halon 1301 등과같은불활성가스및화학약품에의한화재제어가이루어져왔다. 그러나몬트리올의정서에의해오존층파괴물질인 Halon 의사용이제한되었고국제해사기구에서의선박화재진압시스템으로물분무화재소화장치를요구함에따라물분무화재진압시스템에대한연구가선진국을중심으로활발히진행중이다. 일반적으로물분무에의한화재억제기구는화원및화염냉각, 복사열차단, 산소차단등에의한화재제어가이루어지는데각각의제어효과에대한연구가아직도진행중이다. 화재를적절히제어하기위한주요변수는화재크기, 분무유량, 분사각, 액적의운동량, 액적크기등이매우중요한변수이다. 그중에서액적크기는무엇보다중요인자로작용하지만앞에서언급한복합적인효과에의해화재를억제하게되므로이들을동시에만족하는최적의액적크기를선 28
정하는것은쉬운일이아니다. 예를들어화염냉각이중요변수이면액적의증발과열전달을효율적으로촉진하기위하여액적크기는작을수록유리하다. 그러나화원을냉각시키기위해서는화재의부력을극복하고화원에도달하기위하여액적의크기는다소큰것이유리하다. NFPA 750 에따르면노즐아래 1m 위치에서밀집도가낮은분무영역의액적크기의 99% 가 1000 μm보다작은크기로규정하고있다. 또한 Class B( 액체연료 ) 화재에대해서는 400 μm이하로규정하고있다 1). 뿐만아니라많은기존연구에서 Water mist 의분무액적의크기에대하여다소다른정의를내리고있다 2-6). 이러한 Water mist 에대한이해의부족과모호한기준으로인하여 water mist 시스템의개발과설치기준등은시스템을생산하는제조사에의존하고있는실정이다. 따라서 water mist 소화설비에대한특성을파악하기위하여분무특성에대한상세한정보를바탕으로소화특성을이해하는것이매우중요한문제이다. 따라서 water mist 소화기구의특성을명확히이해하기위하여분무특성에관한연구가선행되어져야하지만분무특성에대한상세한연구자료는부족한실정이다. 따라서본연구에서는 water mist 소화시스템에대한분무특성을나타낼수있는정량적인자료를소개하고현재상용화되어사용되고있는중저압용분무노즐에대한분무실험을통하여 water mist 소화설비의분무특성을파악하고자한다. 이러한연구는 water mist 소화설비에대한소화성능을파악하는데기본적인자료로활용이가능하고새로운물분무노즐개발에있어서의기초자료로써활용될수있다. 적을수집하기위하여직경 6mm의아크릴관을 5 간격의방사형으로제작하였고, 수집된액적은비닐튜브를통해메스실린더로수집되었다. 일반적으로분무수집과정에서발생하는오차는채집시간후관과비닐튜브내에남아있는물량에의해결정되는데노이는충분한채집시간을통하여채집된물의양을크게함으로써전체채집된물량에대한측정정확도를증가시킬수있다 8). 분무분사각은 CCD카메라에의해분무형상을획득한후분무형상의사진판독에의해분사각을결정하였다. 실험대상분무노즐은현재사용중인 Spray System사의상용분무노즐로써 Table 1과같다. 일반적으로연소기의연료분사시스템에서사용되는단공노즐의경우분사각이너무작은관계로실험대상노즐에서제외하였고와류노즐과충돌형노즐 (Pendent type nozzle) 을실험대상노즐로선정하였다. Fig. 1. Schematic view of the experimental set-up 2. 실험장치및방법 노즐에서발생된분무특성 ( 분사압력, 분사유량, 액적크기, 분사각, 분무패턴등 ) 을파악하기위하여 Fig. 1 과같은실험장치를제작하였다. 분무액적의크기는 CCD 카메라에의해획득된평면디지털영상에의해액적크기를측정하는영상처리기법 (Image Processing Method) 에의해측정하였다. Fig. 2 는노즐에서 1m 떨어진위치에서 CCD 카메라에의해촬영된분무액적의영상을보여주고있다. 획득된영상은이진영상으로전환하여액적의크기를산정하였다. Fig. 3 은노즐근처에서발생된분무의분포를파악하기위하여제작된분무수집기 (Spray Patternator) 를나타내고있다 7). 노즐에서발생된액 Fig. 2. Image of water droplet at 1m below the nozzle Fig. 3. Schematic of the spray patternator 산업안전학회지, 제 18 권제 1 호, 2003 년 29
김성찬, 유홍선, 박현태, 방기영 Tabl e 1. Nozzles used in experiments Spray Feature Model Orifice Diameter A Hollow Cone B 2.4 mm B Solid Cone HH 2.4 mm C Solid Cone GG 2.4 mm D Spiral Pendent HHSJ 3.2 mm 3. 실험결과및고찰 3.1. 유량 - 압력실험결과 Fig. 4 는압력에따른유량변화를보여주고있다. 그림에서보는바와같이 Nozzle D 의경우분사압력증가에대한유량의증가량이가장크게나타났다. 이는분사압력을적게변화시키고도비교적큰분사유량을얻을수있다. 반면에 Nozzle A 의경우분사유량을증가시키기위하여큰분사압력을요구함을보여주고있다. 화재진압용분무노즐의경우다음과같은식에의해유량과압력사이의관계를정의한다. 3.2. 분사각화재제어용분무노즐의경우분사각은화재진압영역을결정할수있는중요한변수이다. 분사각이클수록유효화재제어반경이커지므로화재제어에유리하지만하류에서의분무량과노즐배치관계등많은변수에의해영향을받기때문에최적의분사각은화재환경에따라달라지게되는데분사각이너무작을경우유효화제제어반경이작아져효율적인화재제어가어렵게된다. Fig. 5 는분사유량에따른분사각을보여주고있다. 전체적으로분사유량이증가함에따라분사각이증가하다가일정한유량에도달하면분사각은일정하게유지되었다. 그러나 Nozzle C 의경우유량의증가에따라분사각이증가하다가오히려감소하는결과를보여주었다. 일반적으로날개깃을가진와류노즐은분사각이상대적으로작게나타났다. 반면의 Nozzle D 의경우분사각이 150 도이상으로매우큰분사각을보여주었다. Q = K p (1) 여기서 Q 와 p 는각각분사유량과분사압력을나타내고있으며이때 K 의단위는 lpm/bar 1/2 로써동일분사압력조건하에서적은유량을소모하는것으로분무를생성하는데소모되는물소모량을나타내는척도로이용될수있다. 실험결과동일분사압력에대하여 Nozzle A 가가장작은 K 값을나타내었고 Nozzle D 가가장큰 K 값을보여주었다. 일반적으로스프링쿨러의 K 값이 80-200 정도의값을가지는데반해실험에사용된물분무노즐의경우 2-6 정도로물사용량이극히작다는사실을알수있다. Fig. 5. Mean spray angle with flowrate Fig. 4. Flowrate variation with pressure Fig. 6. Comparison of dropsize with radial distance and flowrate 30 Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 1, 2003
3.3. 액적크기분무액적의크기는노즐아래 1m 위치에서측정되었다. CCD 카메라에의한영상의획득은 1 초에 1 프레임의영상이미지를획득하도록하여 20 초동안영상을획득하였으며이를 5 번반복하여얻은액적크기를통계적으로처리하였다. Fig. 6 은분무중심에서부터반경방향으로 30cm 와 50cm 위치에서의 SMD(Sauter Mean Diameter) 를보여주고있다. Nozzle B 와 Nozzle C 는분사각이작은관계로 30cm 위치에서만분무액적의크기를측정하였다. 그림에서보는바와같이유량이증가함에따라 SMD 는감소하였으며중심에서반경의길이가증가할수록 SMD 는크게나타났다. Fig. 7 은중심과반경방향에서측정된액적크기를모두평균한 SMD 를유량에변화에따라나타내고있다. 유량증가에따른 SMD 의변화율은 Nozzle A 의경우가가장작고날개깃이있는와류노즐이크게나타났다. 전체적으로노즐의정상작동상태에서 SMD 는모두 200 μm이하로실험대상노즐이대부분의문헌에서정의하고있는 Water mist 의액적크기를만족하고있다. Fig. 8 은 Nozzle A 와 C 의액적크기분포를보여주고있다. 액적크기의분포는전체측정된액적의개수에대한각구간의액적개수를분율로써표시하였다. 액적크기의분포는평균액적크기를중심으로대칭적으로나타나는것이아니라액적의크기분포는액적크기가작은영역에밀집되어있음을보여주고있다. 일반적으로분무액적의분포함수에대한다양한관계식이제시되고있으나본연구의실험결과는공학적으로널리이용되고있는 Rosin-Rammler 분포함수와측정한값을비교하였으며관계식은다음과같다. F(d)= 1-e - 0.693( d/ d m) r (2) Fig. 9 는 Rosin-Rammler 분포와 Nozzle D 의분사유량이 8 lpm 일때의액적크기의누적분율 (Cumulative Volume Fraction) 을보여주고있다. 그림에서보는바와같이액적크기가작은영역에서는 Rosin-Rammler 분포함수보다큰값을보이고액적크기가큰영역에서는 Rosin- Rammler 분포보다작은값을보이고있다. 이는액적크기가작은영역에상대적으로밀집도가높고액적크기가큰영역에서밀집도가낮다는사실을보여주고있다. 3.4. 분무형태노즐근처의분무형태를파악하기위하여액적수집기 (Spray patternator) 를이용하였다. Fig. 10 은노즐 Fig. 8. Droplet size distribution Fig. 7. SMD comparison with flowrate Fig. 9. Comparison between Rosin-Rammler distribution and measured data 산업안전학회지, 제 18 권제 1 호, 2003 년 31
김성찬, 유홍선, 박현태, 방기영 1) 물분무노즐의물소모량은스프링쿨러설비에비해 15 배에서 100 배까지적게나타났으며 Spiral nozzle 의경우유량소모가가장크게나타났다. 2) 분무액적의크기는분무중심에서외각으로갈수록크게나타났으며액적의크기분포는액적크기가작은영역에서밀집도가높게나타났다. 3) 분무액적의크기분포는 Rosin-Rammler 분포함수를비교적잘따르고있으며액적크기의갯수분포는평균액적크기보다작은크기의액적이상대적으로크게나타났다. Fig. 10. Comparison of near spray pattern 에서 15cm 떨어진위치에서의분무형태를보여주고있다. 각방향으로의분사정도를파악하기위하여다음과같은유량분율을정의하였다. f = Q P Q TP (3) 여기서 Q P 와 Q TP 는각각실험시간동안의공급된유량과채집시간동안채집된유량을나타낸다. Nozzle A 의경우중공형분무형태를띄고있고실제액적이분사되는각은약 10 정도를나타내고있으며분무의중심영역에서는분무유량이거의존재하지않았다. Nozzle B 의경우 Swirl nozzle 임에도불구하고 Solid cone 형태의분무형상을보여주고있는데이는노즐내부에서유동이날개깃에의해와류가형성되는과정에서접선방향의속도성분에비해축방향의속도성분이상대적으로크기때문에발생하는것으로사료된다. Nozzle C 의경우분무외각쪽에유량이많고내부쪽에는상대적으로적게나타났다. 이는 Nozzle B 에비해접선방향의유동성분이다소크기때문에발생하는것으로사료된다. Nozzle D 의경우분사각이너무큰관계로절반만을측정한결과첫번째스파이럴면에부딪힌분무유량이두번째면에부딪힌유량에비해약 2 배정도크게나타났다. 4. 결론 감사의글 : 본연구는과학기술부인위재해방재기술개발사업 (M10113000012-01A2-90000600) 지원으로수행되었으며관계제위께감사드립니다. 참고문헌 1) NFPA 750 Standard on Water Mist Fire Protection System, pp. 1-40, 1996. 2) Herterich, O., Water as an extinguishment agent, Alfred Huthig Publishing Company, 1960. 3) Guttler E., Normal Pressure vs. High Pressure: a comparison, Fire Int. 37, pp. 94-101, 1972. 4) Kaleta A., Effect of dropsize on extinguishing effectiveness of a water spray, Archivum Combustionis, 6(3-4), pp. 201-212, 1986. 5) Hill, R. G., Marker, T. and Sarkos, C.P., Evaluation and optimization of an on-board water spray fire suppression system in aircraft, Proc. Water Mist Fire Suppression Workshop, Gaithersburgh, MD, USA, pp. 93-103, 1993. 6) Ames, A. A., Purser, D. A., Fardell, P. J., Ellwood, J., Murrell, J. and Andrews, S., Cabin water sprays for fire suppression : an experimental evaluation, CAA Paper 93009. Fire Research Station, Civil Aviation Authority, Borehamwood, UK., 1993. 7) 이상용, 1996, 액체의미립화, 민음사 8) 김인구, 이상용, 두개의와류분무노즐로부터분사되는이중분무의분무특성에관한실험적연구, 대한기계학회논문집, Vol. 12-2, pp. 359-372, 1988. 본연구에서는화재소화용으로이용되는미세물분무노즐의분무특성을실험적으로조사한결과다음과같은결론을얻었다. 32 Journal of the KIIS, Vol. 18, No. 1, 2003