KR101269878B1 - 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템 - Google Patents

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Abstract

액상의 작용물과 고형의 작용물을 서로 반응시켜 청정한 소화약제를 얻고, 얻어진 소화약제를 소화수와 함께 혼합하여 화염에 분무하는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템이 개시되어 있다. 본 발명에 따른 미세 물분무 소화시스템은 고압펌프, 고압펌프와 연결되고 내부에는 소화수가 저장되는 물탱크, 고압펌프와 연결되고 액상의 작용물 및 고형의 작용물을 서로 반응시켜 청정한 소화약제를 생성하는 소화약제생성부 및 물탱크 및 소화약제생성부와 연결되어 소화수 및 소화약제를 혼합하여 분무하는 하나 이상의 분무노즐을 포함한다.

Description

화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템{WATER MIST FIRE SUPPRESSION SYSTEM USING CHEMICAL REACTION}
본 발명은 미세 물분무 소화시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 액상의 작용물과 고형의 작용물을 서로 반응시켜 청정한 소화약제를 얻고, 얻어진 소화약제를 소화수와 함께 혼합하여 화염에 분무하는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템에 관한 것이다.
1992년 덴마크의 코펜하겐에서 열린 몬트리올 의정서에 의해 지구의 환경오염방지를 위하여 지구온난화 및 오존층 파괴지수가 높은 할론계 소화약제의 사용을 선진국의 경우 1996년부터 금지시키고 있으며, 개발도상국은 2010년까지만 부분적으로 할론의 사용을 허용하고 있다. 이에 각국은 대체소화약제로서 오존파괴지수가 낮은 제 1 세대 대체 할로겐화물질인 HCFC계의 소화약제를 개발하고 있으나, 이 또한 완전한 환경친화적인 물질이 아니므로 2020~2030년까지 일시 대체물질로 허용하고 있는 상태이며, 2040년부터는 전면 사용이 금지된다.
또한, 2000년 11월 IMO(International Maritime Organization; 국제해사기구) 제 73 차 해사안전위원회에서는 SOLAS(Safety of Life at Sea)협약 Chapter Ⅱ-2(방화, 화재탐지 및 소화)와 Chapter Ⅱ-5(항해안전)의 전면 개정안을 채택하였다. IMO의 SOLAS Chapter Ⅱ-2에서는 소화설비에 대한 규정으로 Reg.Ⅱ-2/1.2.2.4 & 10.5.6에서 기존에 설치되어 있는 할론소화장치의 철거를 요구하지는 않으나 새로 건조하는 배 및 현존하는 배 모두 할론소화장치의 새로운 설치를 금지하고 있으며, Reg.Ⅱ-2/1.2.2.4 & 10.5.6에서는 2002년 7월 1일 이전에 건조된 2,000톤 이상의 현존 여객선은 기관실 전체를 방호하는 고정식 소화장치에 추가하여 화재의 위험이 많은 기관구역 내에 고정식 수계국소방출소화설비(fixed water based local application fire-extinguishing system)를 설치하여야 한다고 규정하고 있다.
이에 할론 소화약제의 단계적 철수에 대비하고, 소화가 곤란한 유류화재까지 진화가 가능한 방법으로 환경에 악영향을 주지 않으면서 전역방출방식의 장점을 보존하기 위한 대체기술의 하나로 최근에 관심을 끌며 연구되기 시작한 방법이 분무 노즐을 이용한 미세 물분무 소화설비이다.
미세 물분무 소화설비는 스프링클러와는 달리 수손피해가 적어 전자공장 등 컴퓨터 관련 산업 등에 설치가능하며, 유로화재에도 적용이 가능한 특징을 가지고 있다. 또한 고압에서 물을 방사하여 물의 부피 기준 99%가 직경, 1,000㎛미만의 입자크기 즉, Dv0.99=1,000㎛미만의 물분무를 만들며, 전역 방출가스설비의 특성과 같이 장애물 주위를 움직이면서 소화작용을 한다는 점에서 스프링클러 소화메커니즘과 다르다.
물은 오래 전부터 널리 사용되고 있는 소화약제로 대부분의 화재는 물을 사용함으로써 소화가 가능하다. 물이 소화약제로 가장 널리 사용되고 있는 가장 큰 이유는 구하기 쉽고, 상온에서 4.3J/g K의 열용량과 2,442J/g의 증발잠열을 갖고 있어 냉각효과가 우수하며, 액체로부터 기체로 변할 때 약 1,700배로 체적이 증가하는 특성으로서 화염영역에서 증발된 수증기가 불활성 가스로서의 효과를 가져오며, 펌프, 파이프, 호스 등을 사용하여 손쉽게 운송할 수 있기 때문이다.
물의 소화 효과 중 가장 대표적인 것은 냉각효과로 물 입자의 크기가 작아지면 표면적이 넓어지므로 물과 화재 표면 사이의 열전달 속도가 증가하고 이로 인해 물방울은 빠르게 수증기로 바뀌면서 주위의 수증기 함량이 늘어나 화재의 확대가 억제되면서 소화가 이루어진다. 이러한 미세 물분무에 의한 열의 흡수 능력은 연료의 증발을 막고 연소물질을 냉각하여 20~50%까지 대기의 열용량을 증가시켜 연소가 더 이상 지속될 수 없는 온도까지 화염온도를 낮춤으로써 화재를 진압한다.
또한, 고압으로 방사되는 물 입자는 연소표면에서의 타격효과를 가중시키게 되는데 입자크기가 같은 경우 밀도의 증가에 의해 타격효과는 커지게 된다.
NFPA 750에서 미세 물분무의 입자크기에 대한 정의는 최소작동압력에서 노즐로부터 1m의 평판에 낙하되는 Dv0 .99가 1,000㎛미만인 것으로 정의하고 있다. Dv0 .99는 누적체적백분율(cumulative volume percentage)을 나타내며, Dv0 .99가 1,000㎛이라는 것은 노즐에서 방사하는 물 부피의 99%가 직경 1,000㎛미만이라는 것을 의미한다.
일반적으로 입자크기가 작을수록 열 흡수 능력이 증대되고 화염 면에서의 수증기 발생량이 증가됨으로써 B급 화재인 유류화재에 유리하며, 입자크기 200㎛이하가 최적의 입자크기로 밝혀져 있으며, A급 가연물까지 고려할 때에는 400㎛의 입자크기가 최적의 크기로 보고된 바 있다. 즉 B급 화재 시에 입자크기가 큰 경우 연료의 표면을 교란시키고 연소율을 증가시키는데 반해 A급 화재 시에는 화염면의 통과와 표면을 적시는데 있어서 유리하다.
한편, 미세 물분무 소화설비의 소화효율을 높이기 위해 불활성 가스계 소화약제 및 첨가제가 사용된다.
불활성 가스계 소화약제는 질소, 아르곤, 이산화탄소 등으로 이루어진 소화약제로 주로 밀폐된 공간에서 산소농도를 낮추는 것에 의해 소화한다. 이 소화약제의 장점은 독성이 낮아 사람이 거주하는 지역에서도 사용할 수 있으며, 오존층 파괴지수가 없는 것으로, 불활성 가스계 소화약제 중 IG-541의 조성에 대해 표 1에 나타내었다.
불활성 가스계 소화약제 IG-541의 조성
Classes IG-541

Composition(%)		 N2 52
Ar 40
CO2 8
이러한 불활성 가스계 소화설비는 화재 시 대기 중에 산소농도를 12.0%까지 떨어뜨리므로 연소현상 그 자체를 정지시켜 소화목적을 달성하는 시스템으로, 할론계 소화약제와는 달리 오존층에 대한 위험이 전혀 없어 지구환경에 무해하며, 인체에 무해할 뿐만 아니라 시계확보가 용이하고, 소화약제에 의한 오손이 없는 장점이 있다.
한편, 첨가제는 미세 물분무의 입자크기, 방사압력, 방사분포 등 방사특성에 따른 물리적 소화성능을 향상시키고 효율을 높이기 위해 사용된다. 이러한 첨가제중, 대표적으로 나트륨과 칼륨을 사용한다. Mawhinney는 NaCl을 첨가한 경우 낮은 유량밀도에서도 디젤 팬 화염을 소화하며 순수한 미세 물분무를 사용한 경우보다 40~50%정도 소화속도가 빠르다고 보고하였다.
전술한 바와 같이 미세 물분무와 소화약제 및 첨가제들의 효과를 확인할 수 있지만 다음과 같은 문제점이 있다.
먼저 미세 물분무의 경우, 입자의 크기가 작은 만큼 표면적이 커 잠열이 높지만 입자가 작은 만큼 무게가 가볍기 때문에 공기의 유동에 많은 영향을 받게 된다. 만일 공기의 유동이 심한 지역에서 방사를 하게 된다면 물 입자는 화염 면에 접촉하지 못하고 공기 중으로 흩날려 버리게 된다. 또한 유동의 영향을 받지 않는 지역이라도 입자가 가벼운 만큼 화염 내부 깊숙하게 침투하지 못하고 화염 면에서만 작용을 하기 때문에 화염소화시간이 길어질 수밖에 없다.
그리고 청정, 가스계 소화약제는 인체와 환경에 무해하고 오손의 피해도 없는 등 여러 장점이 있기는 하지만 단독으로 사용할 경우 다른 소화약제와 비교하여 높은 소화농도가 요구된다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은, 액상의 작용물과 고형의 작용물을 서로 반응시켜 청정한 소화약제를 얻고, 얻어진 소화약제를 소화수와 함께 혼합하여 화염에 분무함으로써, 분무되는 물 입자의 무게를 증가시켜 운동량을 증가시킴으로서 공기 유동에 의한 영향을 감소시킴과 동시에 화염 깊숙이 침투할 수 있게 하고, 또한 생성된 소화약제가 산소를 차단함으로써 산소농도를 낮춰 화염을 소화시키는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템을 제공하는데 있다.
상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위해서 본 발명은,
화염으로 물을 분무하여 화염을 소화하는 미세 물분무 소화시스템에 있어서,
미세 물분무 소화시스템은,
고압펌프;
고압펌프와 연결되고 내부에는 소화수가 저장되는 물탱크;
고압펌프와 연결되고 액상의 작용물 및 고형의 작용물을 서로 반응시켜 청정한 소화약제를 생성하는 소화약제생성부; 및
물탱크 및 소화약제생성부와 연결되어 소화수 및 소화약제를 혼합하여 분무하는 하나 이상의 분무노즐;을 포함하는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템을 제공한다.
바람직하게는, 소화약제생성부는,
고압펌프와 연결되고 액상의 작용물이 저장되는 저장용기; 및
저장용기와 연결되고 고형의 작용물이 충전되는 반응탱크;를 각각 구비하며,
고형의 작용물은 고압펌프의 작동에 의해서 안내되는 액상의 작용물과 반응하여 소화약제를 생성한다.
더욱 바람직하게는 액상의 작용물은 액상의 염화수소(HCl)이고, 고형의 작용물은고형의 탄산수소나트륨(NaHCO3)이며,
액상의 작용물과 고형의 작용물은 반응하여 첨가제 역할을 하는 염화나트륨(NaCl)과, 가스계 소화약제인 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 이루어진 소화약제를 생성한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 미세 물분무 소화시스템은 미세 물분무 소화시스템에 액상의 염화수소(HCl)와 고형의 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 적용하고, 염화수소(HCl)와 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 서로 반응시켜 얻어진 소화약제를 소화수와 함께 분무함으로써, 염화나트륨(NaCl)에 의해서 분무되는 물 입자의 무게가 증가되어 공기 유동에 의한 영향을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 물 입자가 화염 깊숙이 침투할 수 있어 물 입자의 냉각효과가 화염원 근처에서 발휘될 수 있어 소화효과를 증대할 수 있는 이점이 있다.
또한, 염화수소(HCl)와 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 서로 반응시켜 얻어진 이산화탄소(CO2)가 화염의 표면을 둘러싸기 때문에 산소가 화염으로 공급되는 것을 차단함과 아울러 산소농도를 낮춰 화염을 빠르게 소화되게 하는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템을 개략적으로 보인 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템을 개략적으로 보인 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템(100)은, 고압펌프(110), 물탱크(120), 소화약제생성부(130), 및 하나 이상의 분무노즐(140),을 포함한다.
도시된 바와 같이, 고압펌프(110)와 물탱크(120)는 제 1 연결관(P1)에 의해 연결되고, 물탱크(120)와 분무노즐(140)은 제 2 연결관(P2)에 의해 연결된다. 누구나 알 수 있듯이 물탱크(120)에는 소화수(122)가 저장되며, 분무노즐(140)은 실내의 천장 또는 벽면의 상부 측에 설치되는데, 분무노즐(140)의 실내공간에 따라 하나 또는 그 이상이 설치될 수 있다. 그리고 고압펌프(110)는 통상의 화재감지센서(도시되지 않음)와 연결된 컨트롤러(도시되지 않음)와 전기적으로 연결되어 컨트롤러의 신호에 의해서 작동한다.
한편, 소화약제생성부(130)는 액상의 작용물(134)이 저장되는 저장용기(132)와, 고형의 작용물(138)이 충전되는 반응탱크(136)를 구비한다. 여기서 액상의 작용물(134)은 염화수소(HCl)를, 그리고 고형의 작용물(138)은 탄산수소나트륨(NaHCO3)을 택한다.
도시된 바와 같이, 전술한 저장용기(132)는 고압펌프(110)와 제 3 연결관(P3)에 의해서 연결되는데, 제 3 연결관(P3)은 제 1 연결관(P1)에 간섭되지 않게 고압펌프(110)와 직접 연결되거나, 또는 제 1 연결관(P1)에서 분기될 수 있다. 그리고 저장용기(132)와 반응탱크(136)는 저장용기(132)에 저장된 액상의 작용물(138)이 고형의 작용물(138) 측으로 안내된 후 반응하여 청정한 소화약제를 생성할 수 있도록 제 4 연결관(P4)에 의해서 연결되고, 반응탱크(136)에서 생성된 청정한 소화약제는 반응탱크(136)와 제 2 연결관(P2)을 연결하는 제 5 연결관(P5)를 통해 제 2 연결관(P2)을 흐르는 소화수(122)와 혼합된다.
하기에는 전술한 바와 같이 형성된 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템(100)의 작동상태를 간략하게 설명한다.
화재가 발생하게 되면, 화재감지센서(도시되지 않음)는 화재에 의해 발생된 연기 및 열을 감지하여 컨트롤러(도시되지 않음)에 신호를 보내고, 화재발생 신호를 전달받은 컨트롤러는 고압펌프(110)를 작동시킨다.
고압펌프(110)가 작동되면, 고압펌프(110)의 작동에 의해 발생된 압력은 제 1 연결관(P1) 및 제 3 연결관(P3)을 통해 각각 물탱크(120) 및 저장용기(132) 측으로 안내된다. 이렇게 고압펌프(110)의 압력이 제 1 연결관(P1)을 통해 물탱크(120) 내로 전달되면, 물탱크(120) 내에 저장된 소화수(122)는 제 2 연결관(P2) 측으로 안내된다.
그리고 고압펌프(110)의 압력이 제 3 연결관(P3)을 통해 저장용기(132) 내로 전달되면, 저장용기(132) 내에 저장된 액상의 작용물(134), 즉 염화수소(HCl)는 제 4 연결관(P4)을 통해 고형의 작용물(138), 즉 탄산수소나트륨(NaHCO3)이 충전된 반응탱크(136) 측으로 안내된다. 이때, 반응탱크(136) 내로 안내된 액상의 작용물(134)은 고형의 작용물(138)과 만나 하기의 반응식에서 보는 바와 같이 반응하여,
NaHCO3 + HCl → NaCl + H2O + CO2
염화나트륨(NaCl)과, 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 이루어진 청정한 소화약제를 생성하게 되고, 생성된 소화약제는 제 5 연결관(P5)을 통해 제 2 연결관(P2) 측으로 안내된다. 이와 같이 제 2 연결관(P2) 측으로 안내된 청정한 소화약제는 제 2 연결관(P2)을 흐르는 소화수(122)와 혼합되어 분무노즐(140)을 통해 화염으로 분무된다.
여기서 고형의 작용물(138)은 분무되는 물 입자의 무게를 증가시켜 공기 유동에 의한 영향을 감소시킴과 아울러 분무되는 물 입자가 화염 깊숙이 침투할 수 있어 물 입자의 냉각효과가 화염원 근처에서 발휘될 수 있도록 하며, 소화약제 중 이산화탄소(CO2)는 화염의 표면을 둘러싸기 때문에 산소가 화염으로 공급되는 것을 차단함과 아울러 산소농도를 낮춰 화염을 빠르게 소화되게 한다.
누구나 알 수 있듯이, 액상의 염화수소(HCl)와 고형의 탄산수소나트륨(NaHCO3)의 반응만이 아니라 이와 유사한 반응을 적용할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100 : 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템
110 : 고압펌프 120 : 물탱크
130 : 소화약제생성부 132 : 저장용기
136 : 반응탱크 140 : 분무노즐

Claims (3)

  1. 화염으로 물을 분무하여 화염을 소화하는 미세 물분무 소화시스템에 있어서,
    상기 미세 물분무 소화시스템은,
    고압펌프;
    상기 고압펌프와 연결되고 내부에는 소화수가 저장되는 물탱크;
    상기 고압펌프와 연결되고 액상의 작용물 및 고형의 작용물을 서로 반응시켜 청정한 소화약제를 생성하는 소화약제생성부; 및
    상기 물탱크 및 상기 소화약제생성부와 연결되어 상기 소화수 및 상기 소화약제를 혼합하여 분무하는 하나 이상의 분무노즐;을 포함하는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템으로서, 상기 소화약제생성부는,
    상기 고압펌프와 연결되고 상기 액상의 작용물이 저장되는 저장용기; 및
    상기 저장용기와 연결되고 상기 고형의 작용물이 충전되는 반응탱크;를 각각 구비하며,
    상기 고형의 작용물은 상기 고압펌프의 작동에 의해서 안내되는 상기 액상의 작용물과 반응하여 상기 소화약제를 생성하는 것을 특징으로 하는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 액상의 작용물은 액상의 염화수소(HCl)이고, 상기 고형의 작용물은 고형의 탄산수소나트륨(NaHCO3)이며,
    상기 액상의 작용물과 상기 고형의 작용물은 반응하여 염화나트륨(NaCl)과, 이산화탄소(CO2) 및 물(H2O)로 이루어진 상기 소화약제를 생성하는 것을 특징으로 하는 화학반응을 이용한 미세 물분무 소화시스템.
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