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.

여기서

ν: 원뿔형 포집용기의 용량 (ml)

ω₁: 원뿔형 빈 포집용기의 질량 (g)

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

Δ_ω: 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.

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

3.1 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

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. 13과 14로부터 Eqs. (5)와 (6)을 얻었다.

여기서

Eq. (5)의 Y_{D 25%} : 25% Drainage time(sec)

Eq. (6)의 Y_{D 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

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.

여기서

Eq. (7)의 Y90° : 90° 경사도에서 점착율(%)

Eq. (8)의 Y180° : 180° 경사도에서 점착율(%)