2.2 기존 제품들의 기술 검토에 대한 결론
2.2.2 기존 Mobile Water Monitor의 문제점
가. 기존의 Mobile Water Monitor는 단일의 노즐을 채택하고 있어서 적용하는 선박에서 요구되는 분사높이가 높아 요구되는 압력이 높아질 경우, 분사 유량이 같이 증가하게 되어 SOLAS에서 요구하는 최소 유량인 1,000 LPM (60 ㎥/h)보다 더 많은 유량을 분사하게 되며 이에 따라, 선박에 설치하는 펌프의 용량이 매우 커진다는 단점이 있었다.
나. 기본적으로 선박에는 합계 용량이 180 ㎥/h인 소화펌프 2대를 설치하여야 하는데, 개정된 SOLAS의 요건에 따라 기존 소화펌프의 용량에 추가적으로 Mobile Water Monitor에서 요구되는 용량의 소화수를 동시에 공급할 수 있는 펌프를 설치하여야 한다. 예를 들어, 1,000 LPM 용량의 Mobile Water Monitor 4대를 설치한다면, Mobile Water Monitor로 인해 증가되는 소화펌프의 용량은 최소한 240 ㎥/h이며, 합계용량이 최소한 420 ㎥/h인 소화펌프를 설치하여야 한다.
다. 합계용량이 420 ㎥/h인 소화펌프를 선박의 기관실에 설치하는 것은 상대 적으로 좁은 공간인 선박의 기관실을 고려해 볼 때, 상당히 어려운 작업 이며, 소화펌프에 부착되는 전기모터의 용량이 커지게 되어, 발전기의 용 량과 주전원배전반(Main Switch Board)의 용량을 증가시켜야 하는 상황 까지 유도될 수 있다.
라. 기존의 Mobile Water Monitor를 적용할 경우에는 Mobile Water Monitor 에 의해 증가하는 펌프의 필요 유량이 240 ㎥/h 보다 커지게 되어, 선박 기관실의 기기 배치 및 전력계통의 설계를 변경하여야 하는 등의 문제점 이 발생하게 될 것으로 예상된다.
마. 따라서, Mobile Water Monitor는 Mobile Water Monitor로 인해 요구되는 펌프용량의 증가분을 최소화할 수 있는 방향으로 개발되어야 함을 알 수 있었다.
제3장 개념설계 및 시뮬레이션
3.1 Water Mist Lance(물분무 창)
세계적으로 경제규모의 확대와 조선기술의 발달, 해운환경의 변화에 의하여 선박이 전문화, 대형화되면서 자동화 선박이 등장하고 있으나, 선박에서의 화재에 의한 인명 및 재산 피해는 끊임없이 발생하고 있으며, 그 규모도 대형화되고 있다. 특히, 1990년 159명의 사망자가 발생한 스칸디나비안스타호의 선박화재를 계기로 국제해사기구는 선박에서의 대형 화재사고를 예방하기 위하여 화재안전에 대한 규제를 크게 강화하였다. 2000년 해상인명안전협약(SOLAS)의 주요개정 내용 중 하나는 유류화재를 진압하는 소화설비로 미분무수 소화장치의 설치를 의무화 한 것이다. 미분무수 화재진압 기술은 기존의 전기ㆍ전자적 위험 및 유류 화재에 널리 사용되어온 할로겐화합물 소화장치의 대체기술로써 오존층 파괴물질 인 할로겐화합물이 1987년 몬트리올 의정서(Mon treal Protocol on Substances that Deplete the Ozone Layer)에 의해 그 생산이 중지됨에 따라 더욱 주요한 소화장치로 부상하며 기술개발이 가속화 되었다[김성윤 등, 2006].
또한, IMO 93차 MSC회의(2014.05.14. ~ 23.)에서는 개방(노출)갑판 상에 컨테 이너를 운송하도록 설계된 선박 또는 개방갑판 상에 5단 이상의 컨테이너를 운 송하도록 설계된 선박들은 Water Mist Lance를 비치하도록 SOLAS Ⅱ-2/10.7.3 규칙이 추가되었다.
Water Mist Lance에 사용되는 유체인 물은 화재 진압에 유리한 물리적 특성 을 가지고 있다. 물의 높은 열용량(4.2 J/gㆍK)과 높은 기화잠열(2,442 J/g)은 화염 및 연료로부터 상당한 양의 열을 흡수 할 수 있고, 증기로 증발할 때 1,700배 팽창하여 주변 산소 및 연료 증기를 희석하는 결과를 가져온다. 미세 한 물방울이 형성되면 열 흡수 및 증발에 사용할 수 있는 물의 표면적이 크게 증가하므로 화재 진압 시 물의 유효성이 더욱 높아진다. 주어진 물의 부피 (0.001 ㎥)에 대해 물의 표면적은 물방울 사이즈가 6 mm인 경우, 총 물방울 개수는 8.8×103, 총 표면적 1 ㎡, 물방울 사이즈가 1 mm인 경우, 총 물방울
개수는 1.9×106, 총 표면적 6㎡, 물방울 사이즈가 0.1 mm인 경우, 총 물방울 개수는 1.9×109, 총 표면적 60㎡로 증가한다.
그러나 화재 진압에서 Water Mist는 가스계 작용제(Agent)처럼 기능을 하지 않는다. 또한, 화재공간에 물을 주입 할 때 형성되는 모든 Spray가 화재 진압과 직접 관련되는 것도 아니다. 그것들은 다음과 같이 여러 개의 입자로 나누어진다 [Zhigang et al., 2000].
.1 불에 도달하기 전에 날아가 버리는 물방울
.2 화재 불꽃에 침투하거나 화재 불꽃 아래의 연소 표면에 도달하여 냉각에 의한 열분해를 방지하는 물방울 및 사용 가능한 산소를 희석시키는 증기 .3 격실의 벽, 바닥 및 천장에 부딪혀 이들을 냉각하는 물방울
.4 격실을 횡단하면서 증기로 기화되어 화재 불꽃, 고온 가스, 격실 및 기타 표면의 냉각에 기여하는 물방울
.5 화재 확산을 방지하기 위해 인접한 가연성 물질을 적시는 물방울
상기와 같은 미분무수의 물리적 특성으로 Water Mist Lance의 소화 메커니즘 은 아래와 같이 요약할 수 있다.
- 미분무수가 증발하면서 주위의 열을 흡수하는 증발잠열로 인한 냉각효과;
모든 물이 증기로 기화 될 때, 응축된 증기 또는 부분적으로 기화된 물과 비교하여 소화에 필요한 열 흡수가 절반으로 감소될 수 있음이 밝혀졌 다. 미세한 물방울이 형성되면, 수괴의 표면적과 고온의 가스 및 화염으 로부터 스프레이가 열을 추출하는 속도가 상당히 증가합니다.
Kanury 및 Herterich에 의해 제시된 바와 같이, 액적의 증발 속도는 1) 주변 온도 2) 액적의 표면적 3) 열전달 계수 4) 주변 가스에 대한 액적의 상대 속에 의존한다. 100 μm < d < 1000 μm의 물방울에 대해서, 열전달 계수 H는 물방울의 크기와 직접 관련이 있으며, 다음과 같이 표현할 수 있다[Rasbash, 1986; Kanury, 1994; Herterich, 1960].
(3.1) 여기서 d는 물방울의 지름, K는 공기의 열전도도, Pr은 Prandtl 수, Re는 레이놀즈수이다.
연료 표면에서 열을 제거하거나 연료 표면 위의 증기ㆍ공기 혼합물의 농도가 냉각으로 인해 가연성 한계 아래로 떨어지면 연료가 화재지점 아래로 냉각되어 화재가 진압된다. 연료 표면을 냉각시키기 위해 Spray는 화염 영역을 관통하여 연료 표면에 도달한 다음 화염이 공급할 수 있는 속도 보다 높은 속도로 연료 표면에서 특정 양의 열을 제거해야 한다. 대류 및 복사에 의해 화염으로부터 연료로 열이 주로 전달되는 반면, Water Mist에 의한 연료 냉각은 주로 물의 증기로의 전환에 기인하는 것으로 인식된다. 따라서, 화재 진압을 위해 물에 의해 제거되어야 하는 단위 면 적당 열률(Heat Rate)은 다음과 같이 주어진다.
(3.2) 여기서 Sh는 물 분사에 의해 단위 면적당 제거되는 열, Hf는 화염에 들 어오는 연료의 단위 질량 당 화염으로부터의 대류 열전달, λf는 증기의 단위 질량을 생성하는데 필요한 열, mb은 단위 면적당 연소율, Ra는 연료 표면에서 열전달의 다른 형태, Rs는 λf에 포함되지 않은 표면에서 열손실 (예 : 복사 열손실)이다[Zhigang, 2000].
- 미분무수의 증발에 의한 수증기의 생성과 체적의 팽창으로 인한 가연성 물질 주위의 산소 농도가 낮아지는 질식효과
구역(Compartment) 단위에서, 구역 내의 산소 농도는 물 분무가 뜨거운 구역으로 분사되고 화재, 고온 가스 및 표면으로부터 열을 흡수 할 때 미세한 물방울이 증기로 급속 증발 및 팽창됨으로써 실질적으로 감소 될 수 있습니다. 100 ㎥ 부피의 공간에서 5.5 리터의 물이 완전히 증기로 전환 될 때 산소 농도가 약 10 % 감소되는 것으로 계산되었다.
Water Mist에 의한 구역 내의 산소 농도의 감소는 구역의 화염 크기,
사전 연소 기간의 길이, 구역의 부피 및 환기 조건의 함수이다. 화재 규모 나 화재 발생 전 기간이 길어지면 화재로 인한 산소 고갈과 높은 격실 온도로 인하여 더 많은 수증기가 발생되어 산소 변위(Displacement)가 증가합니다. 이 결합된 효과는 격실의 산소 농도를 상당히 감소시키고 화재 억제를 위한 Water Mist의 효과를 향상시킨다.
국소화된 규모에서 물 분사가 화염으로 침투하여 증기로 전환되면 증발 하는 물은 액체의 1,700배로 팽창합니다. 증발하는 물의 체적 팽창은 화 염으로 공기(산소)의 접촉을 방해하고, 연료의 연소를 위해 이용 가능한 연료 증기를 희석시킨다. 결과적으로, 연료 증기가 연료-공기 혼합물의 낮은 인화 한계 이하로 희석되거나 연소를 유지하는데 필요한 산소 농도가 임계 수준 이하로 감소되는 경우, 화재는 진압 될 것이다[Zhigang, 2000].
- 화염주위의 미분무수들에 의하여 화염으로부터 주위 가연성 물질로 방출 되는 복사열 차폐효과
Water Mist가 연료의 표면에 닿거나 덮으면, 물은 불타고 있는 표면뿐만 아니라 불타는 연료 표면의 복사에 의한 더 이상의 가열을 막기 위한 열 장벽 역할을 할 수 있습니다[Ravigururajan et al., 1989; Coppalle, 1993;
Log, 1996]. 또한, 연료 표면 위의 공기에 있는 수증기는 복사에너지를 흡수하는 Gray Body Radiator로 작용하고, 이를 감소된 강도로 연료 표 면에 다시 방출합니다. Water Mist에 의한 복사열을 차단하면 화재가 불이 붙지 않는 연료 표면으로 확산되는 것이 멈추고 연료 표면에서 기화 또는 열분해 속도가 감소한다[Zhigang, 2000].
위의 세 가지 소화 메커니즘에서 알 수 있듯이 미분무수 소화장치의 소화 성능은 미분무수의 증발속도에 의존한다는 것을 알 수 있다. 미분무수는 미분 무수의 표면적을 통해 열을 흡수하여 증발하게 되는데, 동일한 물을 사용하여 동일한 열전달계수를 가지는 경우에는 전열면적으로 간주되는 표면적이 넓을수록 증발속도가 빨라지게 된다. 그러므로 더 작은 지름의 미분무수를 사용할수록 미분무수 소화장치의 소화성능이 향상된다고 할 수 있다.
예를 들어, 반지름이 r인 구의 체적과 표면적은 각 각 아래의 (3.3), (3.4)식과 같다. 아래의 식을 이용하여 동일한 체적 V의 물로 n개의 미분무수를 만든다고 할 때, 미분무수들의 표면적의 합은 Fig. 15에서 알 수 있듯이 미분무수 숫자 (N)의 증가에 따라 증가한다. 이는 더 작은 직경을 가지는 미분무수를 만들게 되면 더 많은 표면적 즉, 전열면적을 가지게 되어 더 좋은 소화성능을 가지게 된다는 것을 의미한다.
구의 체적 :
πr3 (3.3)
구의 표면적 : 4πr2 (3.4)
다만, 미분무수의 크기가 미분무수 소화장치의 소화성능을 판별하는 중요한 인자일 수는 있지만, 동일한 직경을 가지는 미분무수라 하더라도, 미분무수간의 평균자유거리, 미분무수의 관성력, 미분무수와 미분무수 사이에서의 공기 유동 등에 따라서 소화성능이 달라질 수 있으므로 이를 유의하여야 한다.
Fig. 15 Relation of Number of Water Mist Versus Total Surface Area