J Korean Soc Hazard Mitig 2017; 17(4): 189-196  https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.4.189
A Evaluation for Foaming Performance of Compressed Air Foam Using Synthetic Surfactant Fire Extinguishing Agent
Young-Ki Lee*, Yun-Seok Kim**, and Dong-Ho Rie***
* Member, Graduate School of Safety Engineering, Incheon National University,
** Fire Disaster Protection Research Center, Incheon National University
Correspondence to: Member, Professor, Fire Disaster Protection Research Center, Incheon National University (Tel: +82-32-835-4119, Fax: +82-32-835-4749, E-mail: riedh@inu.ac.kr)
Received: June 1, 2017; Revised: June 5, 2017; Accepted: June 22, 2017; Published online: August 30, 2017.
© The Korean Society of Hazard Mitigation. All rights reserved.

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Abstract

Compressed air foam system is proposed as an alternative to existing fire extinguishing systems not only in class A and class B fire, but also in various fire areas such as vehicle fires in underground parking lots of high-rise buildings and industrial sites where the supply of fire fighting water is limited. The advantages of a compressed air foam include low water consumption, high emission, high adhesion, high injection speed and excellent fire extinguishing due to long distance radiation. In this study, an experimental apparatus for compressed air foam generation platform was developed to clarify the correlation between factors affecting the foaming performance of compressed air foam system. Experiments were carried out to quantitatively determine the interaction with the flow rate of the mixed solution, the expanding ratio, the 25% and 75% drainage time, the shape of the foam and the adhesion, under the 1% concentration of Synthetic surfactant fire extinguishing agent solution.

Keywords: Synthetic Surfactants, CAF, Expanding Ratio, Drainage Time
1. 서론

일반적으로 포 소화약제의 종류는 수성막포, 합성계면활성제포, 단백포 및 알코올포 소화약제가 있으며, 물과 혼합하여 사용하는 포 소화약제는 물과 일정농도로 혼합하는 포 소화약제 혼합장치가 필요하다. 포 소화약제 혼합장치는 작동하는 방식에 따라 라인 프로포셔너, 펌프 프로포셔너, 프레져 프로포셔너, 프레져사이드 프로포셔너 등의 4종류가 있다.

압축공기포(Compressed Air Foam -CAF) 소화설비는 혼합챔버(Mixing Chamber)로 부터 이송된 포를 방출구 또는 노즐을 통하여 방출하는 설비이며, 압축공기포는 포수용액이 가압된 공기 또는 질소와 혼합되어 발생되는 포이다.

압축공기포는 고효율의 소화성능을 갖는 화재진압시스템으로 A급, B급 화재 뿐 만 아니라 물 사용량이 제한되는 환경에서 고발포, 고점착성, 높은 분사속도와 원거리 방사에 의한 탁월한 소화성능을 발휘한다. 압축공기포는 포수용액이 공기와 혼합되어 포(Foam)를 만들고 이때 발생한 포가 발화원 또는 연소전파 대상물의 표면을 덮어 상당시간 점착됨으로써 질식소화 효과와 수분에 의한 부수적인 냉각효과로 주수소화 대비 1/7~1/20의 적은 소화용수로도 소화성능을 확보할 수 있다. 기존의 주수 소화는 방수하는 물의 90% 이상이 발화원의 소화에 직접적으로 사용되지 못하고 흘러내려 소모되는 단점이 있다. 특히 밀집상가 지역, 재래시장 등은 좁은 골목과 차량 등의 장애물로 화재현장으로 소방차량의 진입에 상당한 제한을 받기 때문에 소형 소방차량에 압축공기포를 장착할 경우 진입의 용이성, 탁월한 소화성능, 경제적 측면의 장점 등으로 이미 캐나다, 미국 등 선진국에서 연구 및 상용화되어 있다.

국외 연구로는 Kim and Crampton(2001, 2007), Kim et al.(2004) 등의 CAFS 시스템과 특정소방대상물인 전력변압기 화재에 대한 압축공기포의 소화성능 연구 및 B급 화재에 대해 압축공기포, 일반포 및 스프링클러의 소화성능에 대하여 연구하였다. Magrabi et al.(1999, 2002) 등은 압축공기포에 미치는 영향인자를 환원모델(Drainage Model)을 적용하여 시뮬레이션 연구를 하였으며, Cheng and Xu(2014) 등은 압축공기포 노즐의 형상에 대한 연구가 있으며, Feng(2013)은 압축공기포 혼합장치의 최적화 설계 변수와 물성을 연구하였다.

국내 연구로는 Lee et al.(2012, 2013) 등의 3% 수성막포를 적용하여 기존의 포소화설비와 압축공기포 소화설비의 소화성능와 공기포비에 따른 3% 합성계면활성제포와 수성막포의 B급 유류화재에 대한 소화성능을 연구하였다. Kim et al.(2005) 등은 화재시 열복사에 의한 압축공기포의 열적 소멸특성 연구하였다.

본 연구에서는 CAF의 폼 성상 평가가 가능한 실험장치를 제작하고 실험을 통하여 포수용액 1%농도 기준 하에서 발포율과 혼합용액의 유량, 압력, 25%와 75% 환원시간, 압축공기포 형상 및 점착성 등의 물리적 발포 특성들 간의 상관관계를 정량적으로 규명하고자 한다.

2. 실험장치 및 실험방법

2.1 CAFS 플랫폼 실험 장치

압축공기포(CAF) 소화설비는 기존의 포수용액이 노즐로 방출되면서 외부 공기를 흡입하여 거품을 형성시키는 방식과 달리 노즐로 소화약제가 방출되기 이전에 가압 공기를 강제로 주입하여 거품을 생성시켜 발포하는 소화설비이다.

본 실험장치는 “포소화약제 혼합장치 등의 성능인증 및 제품검사의 기술기준”(국민안전처 고시, 제2015-45호, 2015. 1.23)에 준하여 포소화약제를 물과 혼합한 1%의 포수용액에 가압된 공기를 공급하여 안정적이고 균일한 압축공기포를 발생시킬 수 있도록 장치를 구성하였다. Fig. 1은 데이터 취득에 대한 흐름도를 나타낸다. R1, R2 각각의 저장용기 최대용량은 10L이고, 유량 및 압력값은 실시간 모니터링하면서 데이타 저장시스템(Data Logging System)을 통해서 PC에 저장토록 구성하였다.

Fig. 1.

Flow Chart of Data Logging System


Figs. 2 and 3은 각각 플랫폼 실험 장치의 구성과 제작한 플랫폼 실험장치를 나타낸다. Fig. 2에서 R1은 포수용액의 저장용기이고, R2는 압축공기 저장용기이다. P1, P2, P3, P4 및 P5는 압력센서이며, FL1과 FL2는 유량센서이며, TH1은 온도센서로 각각의 센서는 배관 연결부의 압력, 유량 및 실내온도를 측정하여 데이터 로깅시스템으로 실시간 전송한다. PCV1과 PCV2는 유량조절 밸브로 포수용액과 압축공기의 유량을 조절한다. 압축공기가 R1과 R2에 가해지면 포수용액과 압축공기가 혼합장치로 유입되어 압축공기포를 생성하고 노즐을 통하여 안정적으로 발포된다.

Fig. 2.

Schematic Diagram of CAFS Platform Devices


Fig. 3.

CAFS Generation Platform Devices


본 실험은 한국소방산업기술원 인정기준 “압축공기포소화장치의 인정기준”(기준 제158호 KFIS 045 2013.9.16 개정)에 준하여 실험을 실시하였다. Fig. 4는 본 연구의 실험 순서를 나타낸다.

Fig. 4.

Flow Chart of CAFS Experiment


2.2 압축공기포 실험조건

Fig. 3의 실험장치에서 R1, R2 각각의 저장용기의 초기 압축공기 압력은 0.5 MPa이며, 압축공기포 노즐이 개방되면 서서히 압력이 감소하여 약 0.3 MPa에서 압력이 안정화되는 특성을 나타냈다. Fig. 5는 이런 압력의 변화를 나타냈다. 포의 발생이 안정된 구간은 80초에서 160초이며, 이 구간 내에서 균일한 압축공기포가 얻어졌다.

Fig. 5.

Pressure Change with Compressed Air Foam Emission


2.3 합성계면활성제 포소화약제

계면활성제 포소화약제는 주로 발포를 위한 기포제, 발포된 기포의 지속성 유지를 위한 기포안정제, 빙점을 낮추기 위한 유동점 강하제로 구성된다. 본 실험에 사용한 포소화약제는 2009년 소방방재청 지원사업으로 인천대학교 소방방재연구센터가 H사와 공동개발한 친환경 합성계면활성제 포소화약제로 “소화약제의 형식승인 및 제품검사의 기술수준(국민안전처고시, 제2015-68호, 2015.3.19)”을 통과한 합성계면활성화제 포소화약제로 수용액의 농도는 1%로 고정하였다.

2.4 혼합장치(Mixing Chamber)

압축공기포는 저장용기에 일정압력이 가해지면 혼합장치에서 섞이면서 형성된다. 혼합장치 내부에는 균일한 포를 생성하기 위해서 그물망(mesh)을 삽입한 단순 T자형 밸브를 사용하였으며 합성계면활성제 1% 포수용액을 실험에 적용하였다.

Fig. 6은 그물망이 삽입된 혼합장치를 나타낸다.

Fig. 6.

Schematic Diagram of Mixing Chamber of CAFS


2.5 발포율(Expanding Ratio: E) 측정

발포율 측정장치는 내용적 1,681ml인 원뿔형 포집용기(Stainless Steel vessel, 외경 106 mm, 길이 230 mm)를 사용하였다. Fig. 7은 본 실험에 사용한 원뿔형 압축공기포 포집 용기를 나타낸다.

Fig. 7.

Conical Vessel for Collection CAF


포집용기를 이용한 발포율(E)의 산출식은 Eq. (1)과 같다.

E=v/2ω1)=v/Δω

여기서

ν: 원뿔형 포집용기의 용량 (ml)

ω1: 원뿔형 빈 포집용기의 질량 (g)

ω2: 압축공기포가 포집용기에 가득 찼을 때의 포수집용기 전체 질량 (g)

Δω: 압축공기포만의 질량 (g)

2.6 환원시간(Drainage Time)의 측정

환원시간은 압축공기포의 25%가 수용액으로 환원되는 데 걸리는 시간으로 정의한다. 압축공기포의 25%가 완전한 수용액으로 환원되는 시간을 측정하는 것은 실험적으로 어려움이 있다.

본 실험의 환원시간 측정은 원뿔형 포집용기에 담긴 압축공기포의 초기 질량을 측정하고 원뿔형 포집용기의 내부에서 외경 10 mm 관을 통해서 압축공기포가 수용액 또는 거품형태로 흘러 내려 초기 질량의 25%가 빠져나가는 “질량 감소 시간”을 측정하여 압축공기포의 환원시간으로 정하였다. 또한 동일한 방법으로 75%까지 질량이 감소하는 시간을 측정하였다. Fig. 8은 환원시간을 측정하는 실험장치를 나타낸다.

Fig. 8.

Drainage Time Measurement


2.7 압축공기포 발포 형상의 가시화

압축공기포의 형상 및 분포, 포의 평균크기를 발포율을 기준으로 가시화하였다.

Fig. 9는 광학현미경을 통하여 관찰한 압축공기포의 형상을 모니터링하면서 PC에 이미지 데이터로 저장하는 시스템을 나타낸다.

Fig. 9.

Microscopy(NIKON, x100) and Image Data Acquisition System


2.8 점착성 측정

본 실험장치는 압축공기포의 점착성을 측정하기 위하여 사각형 압축공기포 포집용기를 360도 회전이 가능하도록 제작하였고, 90도와 180도에서 고정할 수 있도록 하였다. 포집용기(Stainless Steel Pan Type, 700×700×50 mm)의 바닥에는 목재판을 설치하였다. Fig. 10은 압축공기포의 점착성을 측정하기 위한 실험 장치를 나타낸다.

Fig. 10.

Adhesion Test Devices


점착성의 측정은 압축공기포 초기질량을 측정하고 90°로 회전시켜 1분 유지시킨 후 잔존한 압축공기포의 질량을 측정하여 점착율을 계산했다. 180°의 경우도 동일한 방법으로 측정하였다. 점착율은 Eq. (2)에 의해 계산하였다.

R(%)=1ω2)/ω1*100

여기서

R(%): 점착율, ω₁: 압축공기포 초기질량(g), ω₂: 90도, 180도에서 1분경과 후 압축공기포의 남은질량(g)이다.

Fig. 11(a)는 빈용기 상태이며, Fig. 11(b)는 수평상태에서 압축공기포를 채운 후 초기질량 측정하는 형상이며, Figs. 11(c) and (d)는 경사각 90도와 180도에서 1분 유지 후 압축공기포가 흘러내리지 않고 점착되어 있는 상태를 나타낸다.

Fig. 11.

Method of CAF Adhesion Evaluation After 1 Min


3. 실험결과 및 고찰

3.1 평균 유량과 발포율

발포율에 따른 포수용액(Solution)과 압축공기의 평균유량은 압축공기압력 0.5 MPa, 온도 25°C, 상대습도 50%의 실험실 조건에서 압축공기포의 발생이 안정화 된 후에 발포율, 포수용액의 평균유량 및 압축공기포의 평균유량을 측정하였다. Fig. 12는 발포율에 따른 평균유량을 나타내며, 다음의 Eqs. (3), (4)를 얻었다.

Fig. 12.

Flow Rate Change with Expanding Ratios


Y1=0.265X+3.976,R2=0.6303Y2=0.192X+14.514,R2=0.9347

여기서

Y₁: 포수용액의 유량 (L/min)

Y₂: 압축공기의 유량 (NL/min)

X: 발포율(E)

R2: 결정계수(상관계수)

본 Eqs. (3) and (4)로 부터 발포율(E) 10일 때의 평균유량을 산출하면, 포수용액의 평균유량은 1.326 L/min, 압축공기의 평균유량은 12.594 NL/min이 된다. 따라서 임의의 발포율에 해당하는 압축공기포를 얻기 위한 유량값을 Eqs. (3)과 (4)로부터 얻을 수 있다.

3.2 환원시간

본 실험에서 환원시간(Drainage Time)은 압축공기포 초기 질량의 25%가 빠져나가는 데 걸리는 “질량감소” 시간으로 정의하였다. 또한 연속적으로 75%의 질량이 감소하는 시간을 측정하였다. 실험결과 25% 환원시간 측정 초기에는 압축공기포가 수용액 상태로 흘러내리지만 시간이 경과함에 따라 수용액과 포가 혼재된 상태로 흘러나오고 원뿔형 포 수집용기내의 포의 부피도 전체적으로 감소하였다.

25% 환원시간은 발포율 10정도까지는 비례적으로 증가하지만, 발포율이 10 이상에서는 1,000 sec (16.6 min) 이하에서 포화되는 경향을 나타냈다. Fig. 13은 발포율에 따른 25% 환원시간을 가시화한 결과를 나타낸다.

Fig. 13.

25% Drainage Time with Expanding Ratios


또한 75% 환원시간은 발포율 10정도까지는 비례적으로 증가하다가 10 이상에서는 1,000 sec 이상에서 포화되는 경향을 나타냈다.

Fig. 14는 발포율에 따른 75% 환원시간을 가시화한 결과를 나타낸다.

Fig. 14.

75% Drainage Time with Expanding Ratio


Figs. 1314로부터 Eqs. (5)와 (6)을 얻었다.

YD25%=360.65ln(X)-454.04,R2=0.8697YD75%=743.84ln(X)-710.89,R2=0.9392

여기서

Eq. (5)의 YD 25% : 25% Drainage time(sec)

Eq. (6)의 YD 75% : 75% Drainage time(sec)

3.3 포의 형상 및 평균입도

압축공기포의 형상 및 분포, 포의 평균입도를 발포율을 기준으로 가시화하기 위하여 광학현미경(X100)으로 관찰하였다. Fig. 15는 발포율에 따른 압축공기포의 형상을 관찰한 결과를 나타낸다.

Fig. 15.

Foam Distribution with Different Expanding Ratios


Table 1은 발포율에 따라 관찰한 압축공기포의 형상과 포의 평균입도를 측정결과를 나타낸다. 발포율이 증가함에 따라 압축공기포의 평균입도는 15.7 μm에서 33.4 μm로 증가하였다.

Table 1

Bubble Size and Shape with Expanding Ratio

Expanding Ratio (E)2.76.68.014.4
Ave. Bubble Size (μm)15.725.125.433.4
Max Bubble Size (μm)26.635.936.255.6
Min Bubble Size (μm)5.08.613.58.8
Bubble ShapeCircleCircleCircleHexagonal

또한 압축공기포의 형상은 타원(Circle)에서 육각형(Hexagonal)의 형상으로 변화됨이 관찰되었다. 이러한 압축공기포의 형상 변화는 발포율이 증가할수록 수분의 양은 감소하고 공기량이 증가함에 따라 압축공기포 내부의 압력이 변화하고, 압축공기포 계면에서의 표면장력의 작용으로 형상이 타원형에서 육각형으로 변화하는 것을 관찰하였다.

3.4 점착성

본 실험은 90°(수직상태) 경사도와 180° 경사도(역수평상태)에서 1분 동안 유지시킨 후에 포집용기에 잔존하고 있는 압축공기포의 질량을 측정하였다. 압축공기포의 발포율이 낮을수록 수분의 영향으로 점착율이 낮았으며, 발포율이 높을수록 점착율이 높았다.

90° 경사도(수직상태)의 경우 발포율 15 이상에서 점착율은 98%로 높았으며 압축공기포의 탈락이 거의 발생하지 않았다. Fig. 16은 90° 경사도에서 압축공기포의 점착율을 나타낸다.

Fig. 16.

Adhesion Change in 90 Degree Inclination with Expanding Ratio


180° 경사도(역수평면상태)의 경우 발포율 15 이하에서는 비례적으로 점착율이 증가하였지만 15 이상에서는 점착율이 100%에 근접하여 압축공기포의 탈락이 발생하지 않았다. Fig. 17은 180° 경사도에서 압축공기포의 점착율을 나타낸다.

Fig. 17.

Adhesion Change in 180 Degree Inclination with Expanding Ratio


Figs. 16. and 17로부터 다음의 Eqs. (7)과 (8)을 얻었다.

Y90°=67.478ln(X)-108.31,R2=0.9651Y180°=57.809ln(X)-62.31,R2=0.9257

여기서

Eq. (7)의 Y90° : 90° 경사도에서 점착율(%)

Eq. (8)의 Y180° : 180° 경사도에서 점착율(%)

4. 결론

압축공기포는 적은 물 사용량, 고발포, 고점착성, 높은 분사속도와 원거리 방사에 의해 A급, B급 화재에 탁월한 소화성능을 나타낸다.

본 연구에서는 압축공기포의 물성 평가가 가능한 플랫폼 실험장치를 구성하고 실험결과를 통해 압축공기포 발포성능과 영향 인자들 간에 상호 연관성이 있음을 규명하였다. 실험으로부터 포수용액 1%농도 기준하에서 혼합용액 유량, 25% 및 75% 환원시간, 포의 형상, 점착성 등의 상관관계에 대하여 다음과 같은 정량적인 결론을 얻었다.

  • (1) 발포율에 따른 포수용액 평균유량과 압축공기 평균유량은 압축공기압력 0.5 MPa, 온도 25°C, 상대습도 50%의 실험실 조건에서 일정한 비례식이 성립하였다.

  • (2) 압축공기포의 발포율에 따른 포수용액 평균유량과 압축공기 평균유량과의 추세식에서 결정계수(상관계수) R2이 각각 0.9347과 0.6303로 나타났고, 발포율과 포수용액 평균유량 간에 강한 상관관계가 성립하였다. 다만 발포율과 압축공기 평균유량 간의 결정계수 R2이 낮은 것은 압축성 유체의 특성에 기인한 것으로 판단된다.

  • (3) 25% 환원시간은 발포율 10 이상에서 1,000 sec (약 16.6 min) 이하에서 포화되는 경향을 나타냈고, 75% 환원시간은 발포율 10 이상에서 1,000 sec 이상에서 포화되는 경향을 확인하였으며 추세선의 결정계수 R2이 각각 0.8697과 0.9362로 발포율과 환원시간 간에 강한 상관관계가 성립하였다.

  • (4) 압축공기포의 평균입도는 발포율의 증가함에 따라 증가하였으며, 포의 모양이 타원 형태에서 육각 형태로 변화됨을 관찰하였다.

  • (5) 압축공기포의 점착성은 발포율이 15 이상일 때 수직경사도(90도)와 역수평경사도(180도)에서 점착율 98% 이상의 경향을 확인하였다.

  • (6) 압축공기포의 점착성과 발포율 간의 추세선의 결정계수 R2이 각각 0.9651과 0.9257로 발포율과 점착성간에 강한 상관관계가 성립하였다.

  • (7) 압축공기포를 구성하는 물리적 인자에 대한 실험결과 압축공기포는 일정한 압력(0.3 MPa)에서 발포율이 혼합용액 유량, 25% 및 75% 환원시간, 포의 형상, 점착성 등에 영향을 미치는 신뢰성 있는 변수임을 확인하였다.

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