고체에어로졸자동소화장치특성 Characteristics of Fixed Aerosol Auto Fire-Extinguishing Systems 최병오 홍창수 권성원 박선규 Byoung-O Choi Chang-Su Hong Seong-Won Kwon Sun-gyu Park ( 주 ) 한화 요 약 기존의범용적인분말소화기또는가스계소화장치와는달리, 특정성분의고체물질이연소할때발생하는알칼리금속염이함유된에어로졸형태의고농도소화성분으로화재를진압하는자동소화장치를개발하였다. 이장치는화재발생시자동으로작동되며, 이때방출되는에어로졸은입자크기가 1.0 μm이하로매우작아우수한소화성능을나타내며, 또한지구환경에영향을미치는유해성분을포함하지않는환경친화적인차세대자동소화장치이다. ABSTRACT Keyword : alkali salts, Aerosol, Fire extinguisher, Potassium nitrate, FineX 1. 서론 오존층파괴및온난화의가속등으로지구환경에대한국제적관심과규약이대두되는가운데, 2010 년부터몬트리올의정서에의해우리나라에서도할론계소화약제의생산이금지되고, 또한교토의정서로온실가스감축에대한국제적규제가가시화됨에따라이산화탄소계소화약제사용도제한되고있다. 이러한문제를해결하기위해청정소화약제개발이국내외에서활발히진행되고있으며, 당사는특정성분으로제조된고체소화약제를용기내에서연소시켜발생하는 K 염을이용하여소화하는고체에어로졸자동소화장치를개발하였다. 이장치는화재발생시유리벌브의파손에의해자동으로작동이시작되고, 내부소화약제의 E-Mail : pavapava@hanwha.co.kr 연소에의해 K 염을포함하는에어로졸이분사되고, 화재주변의 H, OH 의라디칼과부촉매반응을통하여연소의산화연쇄반응을차단함으로써화재를진압하는원리를가지고있다. [1-3] 본논문에서는고체에어로졸자동소화장치의특징, 구조및설계개념, 제조공정, 특성평가방법및결과를소개하고자한다. 2. 본론 2.1 고체에어로졸자동소화장치의특징고체에어로졸자동소화장치는특정성분의고체소화물질이연소할때발생되는 K 염을함유한에어로졸이화재를진압하는시스템이다. 이러한소화방식은연소에필요한산소를차단하는질식소화나가연물을발화점이하의온도로낮추는냉각소화와같은여타의소화방법과는달리, 방출되는 K 염에어로졸이연소의산화연쇄반응을차단하는부촉매소화원리이다.
발생된 K 염은화염에의해분해되어라디칼을생성하고, 이라디칼은연소표면에서발생하는 OH- 및 H+ 가산소와반응하는것을차단하여연소의연쇄반응고리를끊음으로써소화하게된다. Figure 1 은이러한소화반응을도식화한것이다. Table 1. Comparison of various fire suppresion system Figure 1. Schematic of fire suppression mechanism Figure 1 의소화반응을화학식으로표현하면아래와같다. 1. 연소반응 * 지구온난화지수 = CO 2 대비기여도 * 오존파괴지수 = CFC11 대비기여도 2.2 구조및설계고체에어로졸소화장치는크게소화약제부, 반응부, 냉각부및노즐로구분된다. 소화약제는연소시 K 염을생성하는고체성분이며, 반응부는소화약제연소생성물이화학반응하는공간이며, 냉각제는고온의에어로졸을인체와설비에무해한온도까지냉각하는부분이다. 냉각된에어로졸은노즐을통해소화대상물에분사된다. 2. 소화반응 위의소화반응식은분말소화기의소화원리와같은것이다. 그러나고체에어로졸자동소화장치는생성되는입자의크기가작고생성되는입자의수가많아, 즉표면적이넓어 K 염의분해반응이활발히일어나고, 이로인해결과적으로높은농도의 K+ 를생성하여높은소화성능을지니게된다.[4] 이러한원리에의해고체에어로졸소화시스템은타소화시스템에비해적은소화약제량으로도화재를제압할수있다. Table 1 은각소화시스템의소화능력과지구환경에미치는영향을도표로정리한것이다. 고체에어로졸의소화능력은당사제품의한국소방검정공사의인정시험값이며, 기타환경에대한자료는외국제조사에서발표한자료를참고한것이다.[5] Figure 2. Structure of aerosol fire extinguishing system. 위의소화장치구조에서소화성능을좌우하는것은소화약제로요구조건은아래와같다. 1) 소화성분발생최대화 2) 유해성분발생최소화 3) 연소온도의최소화 4) 적절하고균일한연소속도 5) 기계적강도 위의요구조건을달성하기위한소화약제의주성분으로는연소시 K 염을발생시키는산화제 ( 예 :KNO 3, KClO 4 등 ), 성형시입자를고정할수있는바인더, 산화제와연소할수있는연료로
C, H, O 등을포함하는물질, 연소속도조절촉매및기타기술적첨가제등으로구성된다. 위의요구조건을만족시키는조성을개발하기위하여연소시열역학특성을계산할수있는컴퓨터코드 [6] 를사용하였으며, 원료의입도, 바인더의열적안정성, 소화약제제조조건등을변경하는시험제조와평가를통해최적의소화약제조성을개발하였다. 냉각제는소화약제의연소에의해생성되는연소열을제거하여방출되는에어로졸의온도를최소화하면서에어로졸의방출에영향을주면안되며, 내부연소열에의해연소되어유해성분을발생시키거나물리적으로파손되어노즐밖으로배출되어서도안된다. 당사는이러한점을고려하여무기물인구형의활성알루미나를냉각제로사용하였다. 고체에어로졸소화장치을활성화시키는자동작동장치는화재시발생하는열 ( 온도 ) 에의해작동하는장치하며, 크게이융성금속형과유리벌브형으로구별된다. 유리벌브는이융성금속에비해친환경성과작동신뢰도가크게향상된온도감지방법으로그적용범위가계속확대되고있다.[7] Figure 3 은당사에서개발한고체에어로졸자동소화장치로유리벌브로화재 ( 온도 ) 를감지하고자동으로작동한다.[8-9] 절하고, 효율이뛰어난혼화기에서원료대비 10 20% 용제를투입하여균일한혼화를한다. 혼화후에는 50 60 에서용제함량이약 5% 로건조후상온에서성형하는방법과용제함량을 1% 이하로건조후입도를 200 μm이하로조정하여가온성형하는방법이있다. Figure 4 와 Figure 5 는에탄올로원료혼화후성형시, 성형압력에따라밀도및연소속도변화를나타낸것이다. 결과에의하면가온성형시상온성형에비해낮은압력에서균일한밀도와연소속도를얻을수있다. U, mm/s 1,9 1,8 1,7 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 0 100 200 300 400 P, MPa Figure 4. Burning rate influence of pressure. B C D E [B] Use of ethanol and with heating up to 90 pressing [C] With heating up to 90 pressing [D] Use of ethanol and with the subsequent pressing at 20 [E] With the subsequent pressing at 20 1,8 Figure 3. Fixed Aerosol Auto Fire Extinguishing System of HANWHA. 2.3 제조공정소화제의제조방법은방위산업분야에서화약류를제조하는일반적인방법을적용하였다. 원료로는 K 이온을공급할수있는산화제 ( KNO 3, KClO 4 등 ), 산화제와반응하여연소반응을할수있는바인더 (C, H, O 공급원 ), 연소촉매제및기술적첨가제가사용된다. 이들원료는혼화전입도를 100 μm이하로조 p, g/sm^3 1,7 1,6 1,5 1,4 B C D E 0 100 200 300 400 P, MPa Figure 5. Density influence of pressure. (notations are the same, as on Figure 4.)
2.4 특성평가 2.4.1 에어로졸입자크기측정고체에어로졸자동소화장치의소화능력이타소화장치에비해뛰어난것은생성되는입도가매우작기때문이며, 본논문에서는 Figure 6 과같은방법으로측정하였다. Figure 6. Schematic of particle size analysis. 고체에어로졸자동소화장치를샘플챔버 (3 3 3m) 내에서작동시키고, MFC(Mass Flow Controller) 와펌프를이용하여에어로졸입자를샘플링한다. SMPS(Scanning Mobility Particle Sizer) 를이용하여작은입자, 즉 20 600nm 크기범위의입자들을측정하였으며, PSD(Particle Size Distribution Analyzer) 를이용하여큰입자, 즉 0.3 10 μm입자를측정하였다. SMPS 는 2 분 30 초, PSD 는 30 초간격으로입도를측정하였다. Figure 7 은고체에어로졸입자크기의분포를나타낸것이다. 입자의평균크기는 0.195 μm, 최고농도의입자크기는 0.217 μm이다. Figure 7. Distribution of aerosol particle size. 에어로졸의누적입도분포는 Table 2 와같다. Table. 2 Cumulative particle size distribution of aerosol 지름 ( μm ) 일반적으로분말소화기의입도가 10 70 μm임을감안하면고체에어로졸의입자크기는 0.005 배수준으로동일무게에서는표면적이 40,000 배임을알수있다. 고체에어로졸의증가된표면적은소화능력의우수성으로나타난다. 2.4.2 전기전도도측정고체에어로졸자동소화장치는주요설치장소로전기관련시설에두고있으며, 따라서방출된소화성분에어로졸의전기전도도를측정하는것은의미있는일이다. Figure 8 처럼페놀수지의일종으로절연성이뛰어난베크라이트로제작한가로 940mm 세로 940mm 높이 940mm( 부피 0.83m 3 ) 의시험함내부에, SUS 재질의금속판 ( 가로 500mm 세로 500mm 두께 2mm) 두개를 50cm 간격으로, 시험함의중앙에설치하였다. 시험함내에설치된소화장치의약제량은 60g 이며, 72.2g/m 3 에해당한다. 이는한국소방검정공사의전기화재소화성능인정설계밀도인 53.8 g/m 3 보다약 30% 높은값으로악조건에서시험을실시하였다. 시험함을밀폐한후소화장치를작동시키기전에 AC 40,000V 를인가하여누설전류를측정하였을때, 공기및시험함을통해흐르는전류값은 162A 로측정되었다. 소화장치를작동시켜발생된에어로졸입자를밀폐한상태에서전기전도도를측정한값은 235A 였다. 따라서 AC 40,000V 가인가된환경하에서자동소화장치의에어로졸에의해증가한전류값은 235A 과 162 A 차이인 73A 이다. 시험함을개방한조건에서동일한시험을실시한결과에어로졸에의한전류량증가는 12A 이다. 이는한국소방검정공사의 소화약제의형식승인및검정기술기준 (KOFEIS 0102) [10] 인개방조건에서 500A 기준과비교하여매우낮은값이다. 에어로졸을통해서전류가흐른다고할때, 방호체적과일치하는에어로졸의농도에서에어로졸의비저항값은 10M cm 이상이며이값은에어로졸이부도체임을증명한다. 즉, 전기관련시설에서화재가발생했을때, 에어로졸소화장치가작동되어발생한고농도의에어로졸을통해전류가흐를위험은거의없으므로, 소화약제를통한 2 차적인위험이없다. 따라서에어로졸소화장치는전기관련시설에의적용성이뛰어나다고할수있다.
Figure 8. Test box of electric conductivity. Figure 10. Diagram for maximum height fire suppression test. Figure 9. Electric power source of AC high voltage. 2.5 소화능력평가고체에어로졸자동소화장치의소화성능평가는한국소방검정공사의 고체에어로졸자동화장치인정기준 에따라실시하였다.[11] 2.5.1 최대높이시험이시험은방사된고체에어로졸의간접소화능력을보는것으로방사된소화유효성분의량과확산속도에의해결정된다. Figure 10 및 Figure 11 처럼 3m 3m 3m (27 m3 ) 의시험장치내각모서리에서바닥면과천정에서 300mm 떨어진 8 곳에설치된연료통 ( 직경 :77mm, 높이 :153mm) 에물 51mm, n-heptane 51mm 를채우고점화하여 30 초간예비연소후, 고체에어로졸자동소화장치를작동하여소화농도를측정하였다. 측정기준은방사완료후 30 초이내에소화가완료되는지여부로판단하였다. Table 3 은당사의고체에어로졸자동소화장치의한국소방검정공사인정시험결과이다. Table 3. Result of maximum height fire suppression test 주1) 안전율 1.3을고려한값임 2.5.2 유류화재및중합재료화재시험유류화재소화시험은 0.25 m2 (500mm 500mm) 의정사각형, 높이 100 mm, 두께 6 mm 의철제모형에 12.5 L 의물과 1.5 L 의 n- 헵탄을넣고소화시험실바닥에서 600mm 높이로소화시험실중앙에설치한다.(Figure 11) 소화모형의 n- 헵탄에점화하여 30 초간예비연소후시험장치의문을닫고즉시소화약제를화원에직접방출시켜소화유무를확인한다. 이시험에서최대높이시험과동일소화약제량으로실시하여소화능력을확인하였다. 이상의두시험을통해에어로졸자동소화장치가직접방사와간접방사조건에서모두만족스런소화능력을가졌음을입증하였다. 중합재료화재시험은전기부품의재료로상용되는 PMMA, PP 및 ABS 를 405mm 200mm 10mm 크기로시편을만들고한국소방검정공사인정기준에따라간접소화시험치구에설치하여 3 분 30 초동안예비연소후소화시험실의문을닫고즉시소화약제를방출시켜소화유무를확인하였다. 방출종료후 60 초이내에소화되어야하며 600 초이내에재연하지아니하여야하는기준을충분히만족하였다. Table 4 는당사의고체에어로졸자동소화장치의중합재료화재에대한한국소방검정공사의소화능력인정시험결과이다. Table 4. Result of fire suppression test for polymeric materials 주1) 안전율 1.3을고려한값임
Figure 11. Fire suppression test of class B. 3. 결론고체에어로졸소화장치는오존층파괴, 온실효과등을유발하지않는친환경적인자동소화장치로서할론및이산화탄소를사용하는기존의소화장치를대체할수있도록개발되었다. 이소화장치의핵심인소화약제는 K염의산화제, 바인더, 가소제및기술적첨가제로만들어진다. 조성의비율은고농도 K염을함유하는소화물질의방출량을극대화함과동시에유해물질을최소화하고알맞은가공성을갖도록설계하였으며, 제조공정조건최적화를통해일정한밀도와연소속도를가질수있도록하였다. 소화장치작동후방출되는에어로졸의입자크기는평균 0.2μm로, 입자가매우작아확산이빠르고, 표면적이커서소화능력이월등히증가함을추정할수있었다. 방출된에어로졸의전기전도도를분석한결과, 배전반등고전압환경에적용하더라도유사시에어로졸의전기전도로인한 2차적인위험은없는것으로판명되었다. 고체에어로졸소화장치의소화능력은한국소방검정공사의최대높이시험, 유류화재시험, 중합재료화재시험을통해입증하였다. 고체에어로졸자동소화장치는무인공간, 전기시설, 산업시설및운송장비등의초기화재진압에적용될수있으며, 높은소화성능, 설치와유지보수의편리함, 친환경적인특성등으로기존의소화설비를대체하는소화시스템으로각광받을것으로기대된다. flame by aerosol fire-suppressing compositions. 21th internatiomal seminar on Pyrotechnics", pp.444-458(1995). 3. Drakin N. V., "Method and apparatus for extinguishing fires", USP 6089326(2000). 4. Gallrate L., "Apparatus and method for suppressing a fire", USP 5609210(1997). 5. Pyrogen Ltd., 프리젠테이션배포자료 6. Sanford Gordon, Computer Program for Calculation of Complex Chemical Equilibrium compositions and applications", NASA(1994). 7. 심대민, 스프링클러헤드, 한국특허, 20-0145422(1999). 8. 최병오, " 에어로졸소화기용소화제및에어로졸소화기용소화제조방법 ", 한국특허, 10-0806066(2008). 9. 최병오, " 에어로졸소화기용자동작동장치 ", 한국특허, 10-0813077(2008) 10. 한국소방검정공사, 소화약제의형식승인및검정기술기준 (KOFEIS 0102) (2005). 11. 한국소방검정공사, 고체에어로졸자동소화장치의인정기준 (2007). REFERENCES 1. Rusin D. L., Denisjuk A. P., Pyrotechnical aerosol-forming fire-extinguishing composite and a method of its production, USP 6689285 (2004). 2. Korostelev V. G., "Fire suppression of C-H