검색

Gas Cooling 위한 효율적인 주수기법을 찾아서 Vol.2

가 -가 +

경기 안산소방서 최기덕
기사입력 2020-10-20

<지난 호에서 이어지는 내용입니다.>

 

평가표의 사용과 이해

특정한 변수나 기준이 존재한다는 걸 인식하고 이를 구분하는 건 능률을 평가하는 열쇠다. 이 작업이 완료되면 능률을 비교할 수 있는 각 변수에 ‘등급(가중치?)’ 수준을 할당할 수 있다. 

 

평가표는 설정된 기준을 ‘능력’ 값에 대응시킨다. ‘능력 있는’ 또는 ‘아직 부족한’이라고 표현되는 능력 수준을 정의하는 데 사용된다. 따라서 우리 성과를 평가할 수 있다. 무엇보다도 소방관들에게 기술이나 기술을 구성하는 요소, 높은 능률 달성 방법을 이해할 수 있도록 해준다. 또 교관들이 그 능력을 평가하는 방안도 제공한다. 

 

▲ [표 1] 숏 펄싱을 통한 Gas Cooling 평가표

 

[표 1]의 평가표는 여러 가지 방법으로 사용될 수 있다. 첫째로 우리는 ‘노즐 앵글’과 같은 개별 기준을 평가할 수 있다. 노즐 앵글은 바닥 면을 기준으로 관창이 만들어 내는 각도다. 이는 물방울의 배치(주수되는 물방울이 도달하는 장소)와 관련해 매우 중요하다. 노즐 앵글(관창이 바닥 면을 기준으로 만드는 각도)이 약 45°인 경우 모든 물방울은 75% 이상의 효율로 머리 위의 미연소 가스(연기층)를 냉각한다.

 

반대로 노즐 앵글이 25°일 경우 대부분의 물방울은 미연소 가스가 아닌 바닥에 주수된다. 그 결과 가스 냉각의 정도는 25% 미만의 효율을 달성한 것으로 평가된다. ‘물방울 크기’, ‘콘 앵글(관창 말단에서 분무 주수되는 각도)’과 같은 다른 기준에서도 비슷한 구분이 만들어진다. 

 

평가표는 각각의 기준(Droplet size, Cone angle, Nozzle angle)을 따로 해석하는 것뿐 아니라 좀 더 통합적으로 해석될 수 있다. 간단히 말해서 우리가 가장 효과적인 물방울 크기와 콘 앵글, 노즐 앵글을 구현한다면 그 기술 전반에 적어도 75%의 효과를 기대할 수 있다. 그러나 만약 물방울 크기는 정확하나 노즐 각도가 틀리면 그에 상응해 효과가 줄어든다.

 

지난 호에서 지적한 바와 같이 콘 앵글, 물방울 크기 등은 미연소 가스의 냉각효율과 밀접하게 연관돼 있다. 콘 앵글이 너무 좁거나 직사 주수일 경우 정확한 물방울 크기를 가질 수 없다. 그러나 물방울 크기와 콘 앵글은 노즐 앵글에 영향을 받지 않는다. 

 

▲ [그림 1] 콘 앵글 vs 노즐 앵글


과학적 상식

주수기법 각각에 대한 평가표를 개발하면 관창수가 물을 얼마나 효과적으로 사용하는지를 계량적으로 측정할 수 있는 지표가 된다. 완벽하진 않지만 물로 화재를 진압하는 과학적 방법을 이해하는 데 도움이 될 수 있다.

 

방정식의 중요한 변수는 효율(%)이다. 이 효율은 평가표에서 얻을 수 있다. ‘간접공격’의 진압기술에 대해 다시 한번 살펴보자. 간접공격은 두 가지 방식으로 수행된다. 하나는 화염 주변의 열을 흡수하는 냉각 소화 효과고 다른 하나는 화염 주변의 산소를 제거하는 질식 소화 효과다.

 

열 흡수를 통한 냉각 소화

화재는 열을 발생시킨다. 열 방출률은 화재의 강도를 결정한다. HRR은 kW(또는 MW)로 표현되며 단위 시간당 생성되는 에너지의 양을 나타낸다. 예를 들면 3MW 화재는 초당 3MJ를 방출한다. 이러한 화재가 10분간 지속되면 총 1800MJ(또는 1.8GJ)의 열량이 만들어진다.

 

Q = HRR × ∆T 

= 3MJ/s × 600s = 1800MJ

 

화재로부터 발생한 열의 냉각 용량(Q)을 계산하기 위해선 물의 유량(q in ㎏/s)에 물 1㎏의 총 흡수 열을 곱해야 한다. 최초 소화 수의 온도를 10℃로 가정해 보자.

 

Q = QT(물 1㎏이 흡수하는 열량) × q(유량) [MW]

1800MJ = QT [MJ] × q [ℓ]

 

그리고

QT = Qaqua + Qaqua → gas + Qgas

 

Qaqua : 1㎏의 물이 10℃에서 100℃로 가열되는데 필요한 열량

 

Qaqua → gas : 1㎏의 물이 100℃에서 1㎏의 수증기로 바뀌는데 필요한 열량

 

Qgas : 1㎏의 수증기가 100℃에서 300℃로 가열되는데 필요한 열량

 

Qaqua = m(물의 질량) × C(물의 비열) × T(물의 온도 변화량, K 온도)

= 1㎏ × 4.186J/㎏ㆍK × 90K = 376.74kJ

 

Qaqua → gas = m(물의 질량) × L(물의 증발 잠열)

= 1㎏ × 2260kJ/㎏ = 2.26MJ

 

Qgas = m(수증기의 질량) × C(수증기의 비열) × T(수증기의 온도 변화량, K 온도)

= 1㎏ × 2080J/㎏ㆍK × 200K = 416kJ

 

QT = 376.74kJ + 2.26MJ + 416kJ = 3.05MJ

∴ q = 1800MJ/3.05MJ = 590 [ℓ]

 

즉 100% 효율로 가스냉각 효과를 발생시키려면 10℃의 물 590ℓ가 필요하다. 앞에서 말한 바와 같이 이 값은 효율이 100%일 경우에만 방정식이 일치하게 된다. 현실적으로 효율이 100%인 경우는 거의 없다. 50% 또는 25%의 낮은 값일 때 가능성이 더 높다(평가표 참조).

 

▲ [표 2] 230lpm에서 소방관의 효율에 따른 냉각 용량

효율이 낮은 이유는 수증기로 바뀌기 전 흘러가는 물과 300°C로 가열되기 전 밖으로 흘러나오는 수증기에 의해 발생한다. 효율성의 효과는 [표 2]에서 확인할 수 있다. [표 2]는 10°C, 1㎏의 물이 230lpm의 유량으로 공급될 때 300℃의 수증기가 되면서 흡수하는 열량을 효율과 연결한 거다.

 

열 흡수 능력이 화재의 열 생산력을 초과하면 화재는 진압된다. 열에너지가 물에 흡수되면 더는 화염을 일으키지 않아(연쇄반응이 일어나지 않아) 화염이 소멸하게 된다. [표 2]를 보면 50%의 효율을 가진 관창수도 불을 끄는 게 가능하다는 걸 알 수 있다. 효율이 25%로 떨어진 관창수는 화재진압에 어려움을 겪게 된다. 전형적으로 화재를 진압하는 데는 더 많은 시간과 더 많은 물이 필요하다. 물론 여기에는 한계가 있다.

 

아파트는 여러 방에서 화재가 발생할 수 있다. 관창 하나만 사용해 여러 방에서 동시에 물을 주수하는 건 불가능하다. 또 다른 예는 홀에서 발생한 화재다. 물리적으로 1초 만에 물방울을 화재실 전체 공간으로 주수하는 건 불가능하다. 이럴 땐 여러 개의 관창을 사용하는 게 해결책이 될 수 있다.

 

산소 제거를 통한 질식 소화

화재실에서 생성되는 증기의 총량(V)은 ℓ당 생성된 부피(V0)에 유량(q)을 곱해 계산할 수 있다.

 

V = V0 × q [㎥/s]

 

V0는 1ℓ의 물(㎥/㎏)에 의해 생성되는 증기 부피고 q는 유량(㎏/s)이다.

 

다시 한번 말하지만 결코 100% 효율을 갖지 않을 거다. 수증기 일부는 창문과 문을 통해 밖으로 흘러나오게 된다. 하지만 불을 끄기 위해 수증기를 화재실에 가득 채울 필요는 없다. 간접공격은 물방울의 열 흡수 능력에 의해 흡수될 수 있는 열량보다 높은 HRR을 갖는 화재를 소화할 수 있다. 간접공격은 두 가지 효과(냉각과 질식)가 모두 중요한 역할을 하고 있기 때문이다(우린 이 두 효과의 조합이 이 글에서 설명한 것보다 더 복잡하다는 걸 깨달아야 한다).

 

과학의 언어인 수식을 적용한 예시

예를 들어 사용하는 소화수가 10℃라고 가정하자. 이는 283K에 해당하고 화염을 향해 주수된 물방울은 우선 100°C(373K)까지 가열된다. 온도 차는 90K다. 1ℓ의 물은 1㎏에 해당하며 이 물이 100°C로 가열될 때 흡수하는 열량은 아래와 같다. 

 

Qaqua = m(물의 질량) × c(물의 비열) × ∆T(켈빈온도로 나타낸 온도 변화량)

= 1㎏ × 4186J/㎏ㆍK × (373 - 283)K

= 376740J = 376.74kJ

 

또 100℃의 물 1㎏을 수증기로 바꾸는 데 필요한 에너지양은 다음과 같다.

 

Qaqua→gas = m(물의 질량) × L(물의 증발 잠열)

= 1㎏ × 2260kJ/㎏

= 2260kJ = 2.26MJ

 

위의 예에서는 10℃의 물 1㎏은 376kJ의 열에너지를 흡수해 100°C로 가열된다. 100℃의 물 1㎏은 2260kJ의 열에너지를 흡수해 100℃의 수증기 1㎏으로 변화한다. 이는 수증기로 변하기 위해선 물을 가열하는 데 필요한 에너지보다 여섯 배나 더 많은 에너지가 필요하다는 걸 의미한다. 수증기는 300℃(573K)까지 가열될 거다(화재현장의 온도를 300℃로 가정하자). 온도 차는 200K다.

 

Qgas = m(수증기의 질량) × c(수증기의 비열) × ∆T(켈빈온도로 나타낸 온도 변화량)

= 1㎏ × 2080J/㎏ㆍK × (573 - 373)K

= 416000J = 416kJ

 

소화수로 사용된 10℃의 물 1㎏은 100℃의 온도로 가열된 후 100℃의 수증기를 거쳐 300℃의 수증기로 바뀌었다.

 

QT = Qaqua(10℃의 물을 100℃로 가열) + Qaqua→gas(100℃의 물을 100℃의 수증기로 변환)

+ Qgas(100℃의 수증기를 300℃까지 가열)

= 376.74kJ + 2260kJ + 416kJ

= 3052.74kJ = 3.05MJ

 

위 계산에서 최종 수증기 온도는 300℃(573K)였다. 이는 다음과 같은 양의 수증기 부피로 계산된다.

 


※ 1Pa = 1N/㎡, 1J = 1Nㆍm
 

※  R(기체상수) 값을 Joule로 표현하고자(즉 압력 단위를 ㎩로 사용하고자) 할 때 8.314J/Kㆍ㏖로 사용하고 R(기체상수) 값을 Liter로 표현하고자(즉 압력 단위를 atm으로 사용하고자) 할 때 0.082ℓㆍatm/Kㆍ㏖로 사용한다.

 

간접공격의 효과를 추정하기 위해 유사한 계산을 수행하면 다음과 같은 결과가 나온다(계산을 단순화하기 위해 우리는 1ℓ의 물이 흡수할 수 있는 에너지의 양에 대해 3MJ/㎏을 기본값으로 사용하려 한다). 관창수는 분당 230ℓ의 유속을 가진 저압 노즐을 사용한다고 가정하자. ㎏/s의 유량은 다음과 같이 계산한다.

 

230lpm = 3.83lps = 3.83㎏/s

 

Q = QT(10℃, 1㎏의 물이 300℃의 수증기로 변하는데 필요한 열량) × q(유량)

= 3MJ/㎏ × 3.83㎏/s

= 11.49MJ/s = 11.49MW

 

▲ [표 3] 1ℓ의 물이 온도에 따라 수증기로 상태가 변하며 만들어지는 부피

소화전으로부터 나온 10℃의 물이 230lpm의 유량으로 주수될 때의 냉각 효과로 흡수할 수 있는 용량은 11.49MW다. 이는 곧 매초 11.49MJ의 열을 흡수할 수 있음을 의미한다. 100%의 효율로 냉각될 때 초당 1ℓ의 물이 300℃의 화재현장에서 수증기로 바뀌어 [표 3]과 같은 양의 수증기가 생산된다.

 

V = V0(1㎏의 물이 만들어내는 수증기량) × q(유량)

= 2.61㎥/ℓ × 3.83ℓ/s = 10㎥/s

 

230lpm의 유량으로 화재실에 주수한다고 가정하자. 화재실 크기는 가로 4m, 세로 5m, 높이 2.5m라면 화재실의 부피는 50㎥다. 주수된 소화수가 100% 효율로 수증기가 된다고 가정할 때 방수한 후 약 5초 뒤에 50㎥의 수증기량이 생성된다. 이렇게 되면 생성된 증기가 모든 산소와 가연성 가스를 밀어내기 때문에 불이 꺼지게 된다.

 

정리해보자

과학적 방법은 우리에게 적절한 시간에 적절한 주수 패턴으로 적절한 곳에 주수할 수 있는 관창수와 그렇지 못한 관창수 사이에 화재진압 능력이 상당히 차이 난다는 걸 보여준다. 75%의 효율을 가진 관창수는 25%에 불과한 관창수보다 세 배 가까운 소화 능력을 지니고 있다. 훈련되지 않은 관창수에게 콘 앵글, 노즐 앵글과 물방울 크기는 약간의 차이일 수 있지만 최종적으론 물이 적절한 곳에 도달하지 못하는 결과를 가져온다. 훈련되지 않고 소화 능력이 부족한 관창수들은 화재현장에서 더 많은 위험에 처하게 된다. 화재진압 시간이 오래 걸리는 건 당연하다. 

 

이렇듯 평가표 같은 방법론을 활용함으로써 소방관들의 기술 수준을 평가하고 그들에게 개선 방법을 알려줄 수 있다. 또 이해하기 쉬운 방안도 제공할 수 있다. 소방관들은 과학적 방법을 이해함으로써 올바른 기술의 효과를 볼 수 있다. 기술을 개발하고 유지하는 데에도 도움이 될 거라 믿는다. 소방관들은 열심히 훈련하고 기본적인 주수기법을 잘 수행하는 걸 배움으로써 자신의 안전을 지킬 수 있을 거다. 국민의 생명과 재산 보호인 본연의 역할도 더욱 잘 수행할 수 있음은 물론이다.  

 


 

Sources

-Brandverloop: Technisch bekeken, tactisch toegepast, Karel Lambert & Siemco Baaij, 2011

-Water and other extinguishing media, Stefan Särdqvist, 2002

-Grimwood Paul, Hartin Ed, McDonough John & Raffel Shan, 3D Firefighting, Training, Techniques & Tactics, 2005

 

 

수식으로 정리

 

위 그림과 같은 체적이 50㎥인 격실에 HRR 3MW의 화재가 10분 동안 지속된 후 실내온도가 300℃가 됐을 때 소방대가 현장에 도착했다. 지휘자가 간접공격 전술을 택했다고 가정하고 냉각 소화(Gas cooling)의 효과만을 고려해 화재진압에 필요한 물의 양과 시간을 구해보자.

 

또 질식 소화(Inerting) 효과만을 고려해 화재진압에 필요한 수증기의 양과 시간을 알아보자(주수된 물이 모두 수증기화(100%의 효율)되고 격실 외부로 누출되지 않는다. 사용된 소화수의 온도는 10℃고 230lpm의 저유량 관창을 사용한다고 가정하자).

 

1. 배경지식

1) 1J(joule)

- 1N의 힘을 줘 힘의 방향으로 1m 움직이는 데 필요한 에너지(역학적 에너지)

- 1초에 1g의 물을 0.24℃ 올리는 데 필요한 에너지(열역학적 에너지)

 

※ 1J = 1Nㆍm(역학적 에너지) = 1Wㆍs(열역학적 에너지)

 

2) 열량 cal와 에너지 J의 관계

※ 1cal = 4.186J

 

3) K

- 켈빈온도, 열역학에서 사용하는 온도 단위

- K = 섭씨온도(℃) + 273

 

4) 물의 비열

- (표준대기압에서) 물 1g을 1℃ 올리는 데 필요한 에너지(=열량)

- 1㎈/g

 

※ 4186J/㎏ㆍK = 1㎉/㎏ㆍK

※ 물의 비열은 온도, 압력에 따라 다르지만 여기선 1㎈/g으로 하자.

 

5) 물의 증발 잠열

- 물 1g이 수증기로 기화(증발)할 때 필요한 에너지(=열량)

- 539㎈/g → 539㎉/㎏ ≒ 2260kJ/㎏

 

∴ 물이 증발할 때 필요한 에너지 Q

Q = m(물의 질량) × L(물의 증발 잠열)

 

6) 수증기의 비열

- (표준대기압에서) 수증기 1g을 1℃ 올리는 데 필요한 에너지

(=열량)

 

※ 0.496㎉/㎏ㆍK ≒ 2,080J/㎏ㆍK

※ 수증기의 비열은 온도, 압력에 따라 다르지만 여기서는 평균값인 0.496㎉/㎏ㆍK로 하자.

 

7) 이상기체 방정식

- PㆍV = nㆍRㆍT

- 열역학에서 사용하는 기본방정식

· P : 압력; atm(우리를 누르고 있는 대기의 압력)

· V : 부피; ㎥

· n : 몰수; ㏖

· R : 기체상수; 0.082lㆍatm/Kㆍ㏖

· T : 켈빈온도; 273 + ℃

 

※ 1Pa = 1N/㎡, 1J = 1Nㆍm, 1atm = 101,325㎩

R(기체상수) 값을 Joule로 표현하고자(즉 압력 단위를 ㎩로 사용하고자) 할 때 8.314J/Kㆍ㏖로 사용하고 R 값을 Liter로 표현하고자(즉 압력 단위를 atm으로 사용하고자) 할 때 0.082ℓㆍatm/Kㆍ㏖로 사용한다.

※ 1N : 질량 1㎏의 물체에 작용해 1m/s2의 가속도를 발생시키는 힘

 

※ 1mole = 6.02 × 1023개

: 분자의 개수(물질의 양)를 셀 방법을 탐구하던 중 아보가드로가 ‘같은 온도, 같은 압력에서 같은 부피 속에 존재하는 기체 입자(분자)의 수는 기체의 종류에 상관 없이 같다’는 법칙을 발견하고 분자의 개수가 6.02 × 1023 가 모인 상태를 1mole로 정의했다.

 

8) 물의 분자량

- 18g/㏖

- 1ℓ의 물 1㎏은 55㏖

 

9) 3MW의 화재는 초당 3MJ의 열방출율을 갖고 있단 의미 

※ 1J =1W/s ; joule의 정의

∴ 3/MW의 화재가 10분동안 지속될 때 축적된 열량(Q)을 계산하면

 

Q = HRR × ∆T(시간 변화량)

= 3MJ/s × 600s = 1800MJ

 

2. 냉각 소화 효과

1) 냉각 소화에 필요한 수량을 계산해보자.

우리는 10분 동안 화재실에 방출된 총열량이 1800MJ이라는 사실을 알고 있으므로 그 총열량이 소화수의 온도와 상태(10℃의 물이 300℃의 수증기)를 변화시키며 소화수에 흡수됐다고 생각하자.

 

Q = QT(물 1㎏이 흡수할 수 있는 열량) × q(유량) 

1800MJ = QT [MJ] × q [ℓ]

 

그리고 물의 상태변화를 고려해

 


QT = Qaqua + Qaqua → gas + Qgas

 

Qaqua : 1㎏의 물이 10℃에서 100℃로 가열되는 데 필요한 열량

 

Qaqua → gas : 1㎏, 100℃의 물이 100℃의 수증기로 바뀌는 데 필요한 열량

 

Qgas : 1㎏의 수증기가 100℃에서 300℃로 가열되는 데 필요한 열량

 

Qaqua = m(물의 질량) × C(물의 비열) × T(물의 온도 변화량, K 온도)

= 1㎏ × 4.186J/㎏ㆍK × 90K 

= 376.74kJ

 

Qaqua → gas = m(물의 질량) × L(물의 증발 잠열)

= 1㎏ × 2260kJ/㎏ = 2.26MJ

 

Qgas = m(수증기의 질량) × C(수증기의 비열) × T(수증기의 온도 변화량, K 온도)

= 1㎏ × 2080J/㎏ㆍK × 200K 

= 416kJ    

QT = 376.74kJ + 2.26MJ + 416kJ = 3.05MJ

 

이므로 1㎏, 10℃의 물이 300℃의 수증기로 온도와 상태가 변화되며 3.05MJ의 열량을 흡수한다. 그러므로 Gas cooling 효과만을 고려할 때 필요한 소화수의 양은 아래와 같다.

 

∴ q = 1800MJ/3.05MJ = 590 [ℓ]

 

2) 냉각소화 효과에 필요한 시간을 계산해보자.

1㎏, 10℃의 물이 300℃의 수증기로 온도와 상태가 변화한다. 3.05MJ의 열량(Q0)을 흡수하고 230lpm의 저유량 관창을 사용하므로 초당 흡수되는 열량(Q)을 계산하면

 

230lpm = 3.83lps = 3.83㎏/s

 

Q = Q0(물 1㎏이 흡수하는 열량) × q(유량) 

= 3.05MJ/㎏ × 3.83㎏/s

= 11.68MJ/s

 

화재실에서 10분 동안 방출된 총열량이 1800MJ이므로 냉각 소화에 필요한 시간(T)은 다음과 같다.

 

1800MJ = Q [MJ/s] × T [s]

= 11.68MJ/s × T s

T ≒ 154s   

 

그러므로 주수 후 약 2분 34초가 지나면 냉각 소화 효과에 의한 화재진압이 완료될 거다.

 

3) 질식 소화 효과만을 고려한 소화수의 필요량과 소화에 필요한 시간을 알아보자. 화재실의 부피와 질식 효과만을 고려해 화재진압에 필요한 수증기의 양은 50㎥다. 수증기의 필요량(Vgas)은 300℃에서 ℓ당 생성된 수증기의 부피(V0)에 유량(q)을 곱해 계산할 수 있다.

 

Vgas = V0 × q 

 

V0를 계산하기 위해 PㆍV0 = nㆍRㆍT에서

 


q를 계산하기 위해 230lpm의 유량은 3.83㎏/s의 유량값이 되므로

Vgas = V0 × q 

= 2.61㎥/ℓ× 3.83ℓ/s 

= 10㎥/s

 

그러므로 상기 격실 화재에서 230lpm의 유량으로 주수하면 약 5초 후 격실 내 수증기가 가득 차 질식 소화 효과를 발생할 거다. 질식 효과에 필요한 소화수의 양(Vaqua)은 아래와 같이 계산된다.

 

Vaqua = q ㎏/s × T s 

= 3.83㎏/s × 5s

= 19.15ℓ 

 

그러므로 질식 소화 효과만을 고려해 필요한 소화수의 양은 약 20ℓ다.

 

경기 안산소방서_ 최기덕

 

<본 내용은 소방 조직의 소통과 발전을 위해 베테랑 소방관 등 분야 전문가들이 함께 2019년 5월 창간한 신개념 소방전문 월간 매거진 ‘119플러스’ 2020년 9월 호에서도 만나볼 수 있습니다.>

<저작권자 ⓒ 소방방재신문 (http://www.fpn119.co.kr) 무단전재 및 재배포 금지>

트위터 페이스북 카카오톡 카카오스토리 Share on Google+ band URL복사

Gas Cooling 위한 효율적인 주수기법 관련기사

URL 복사
x

PC버전 맨위로 갱신

Copyright ⓒ 소방방재신문. All rights reserved.