HFC-227ea·IG-01 저장량·용기 수·방사량 계산

문제

【문제 1】 다음 물음에 답하시오. (40점)

물음 1) 할로겐화합물 및 불활성기체소화설비를 방호구역에 전역방출방식으로 설치한다. 다음 조건을 보고 물음에 답하시오. (20점)

〈조건〉

• 10 m × 10 m × 4 m (가로 × 세로 × 높이)인 방호구역이다.
• C급화재로 한다.
• HFC-227ea의 소화농도는 7 %, IG-01의 소화농도는 30 %이다.
• HFC-227ea의 경우 최대충전밀도가 가장 큰 소화약제를 사용하고, IG-01의 경우 21 ℃충전압력 중 최대의 것을 사용한다.
• 각 저장용기의 내용적은 100 L이다.
• 방호구역 온도는 20 ℃이며, IG-01의 선형상수 값과 소화약제 비체적은 같다.
• 그 외 기준은 화재안전기술기준에 따른다.
• 계산 값은 소수점 다섯째자리에서 반올림하여 소수점 넷째자리까지 구한다.

(1) 최소 소화약제 저장량을 구하시오. (4점) ① HFC-227ea를 사용할 경우(kg) ② IG-01을 사용할 경우(m³)

(2) 최소 저장용기 수를 구하시오. (10점) ① HFC-227ea를 사용할 경우 ② IG-01을 사용할 경우

(3) 분사헤드에서 최소 방사량을 구하시오. (6점) ① HFC-227ea를 사용할 경우(kg/sec) ② IG-01을 사용할 경우(m³/sec)

핵심 키워드

• C급: 설계농도 = 소화농도 × 1.35
• 할로겐: $W = \dfrac{V}{S}\cdot\dfrac{C}{100-C}$, 불활성: $X = 2.303\dfrac{V_s}{S}\log\dfrac{100}{100-C}\times V$
• HFC-227ea 최대충전밀도 1,265 kg/m³, IG-01 최대 충전압력 31,097 kPa
• 방출시간: 할로겐 10초, 불활성 A·C급 2분, 최소설계농도의 95 %

답안

공통 조건

• 방호구역 체적 $V = 10 \times 10 \times 4 = 400\ \mathrm{m^3}$
• HFC-227ea 설계농도 $C = 7 \times 1.35 = 9.45\ \%$, 선형상수 $S = 0.1269 + 0.0005 \times 20 = 0.1369\ \mathrm{m^3/kg}$
• IG-01 설계농도 $C = 30 \times 1.35 = 40.5\ \%$, 선형상수 $S = 0.5685 + 0.00208 \times 20 = 0.6101\ \mathrm{m^3/kg}$, $V_s/S = 1$

(1) 최소 소화약제 저장량

① HFC-227ea

$$W = \frac{400}{0.1369} \times \frac{9.45}{100 - 9.45} = 304.9298\ \mathrm{kg}$$

답: 304.9298 kg

② IG-01

$$X = 2.303 \times 1 \times \log\frac{100}{100 - 40.5} \times 400 = 207.7150\ \mathrm{m^3}$$

답: 207.7150 m³

(2) 최소 저장용기 수

① HFC-227ea: 1병당 충전량 $= 0.1\ \mathrm{m^3} \times 1{,}265\ \mathrm{kg/m^3} = 126.5\ \mathrm{kg}$

$$\frac{304.9298}{126.5} = 2.4105 \rightarrow 3\text{병}$$

답: 3병

② IG-01: 1병당 저장량 (충전압력 31,097 kPa를 대기압 101.325 kPa 기준 체적으로 환산, 21 ℃ → 20 ℃ 보정)

$$0.1 \times \frac{31{,}097 + 101.325}{101.325} \times \frac{273 + 20}{273 + 21} = 30.6856\ \mathrm{m^3}$$ $$\frac{207.7150}{30.6856} = 6.7691 \rightarrow 7\text{병}$$

답: 7병 (온도 보정을 하지 않아도 $207.7150 \div 30.7904 = 6.7461$ → 7병으로 같음)

(3) 분사헤드 최소 방사량

최소설계농도의 95 %에 해당하는 약제량을 정해진 시간 안에 방출해야 한다.

① HFC-227ea: $C' = 9.45 \times 0.95 = 8.9775\ \%$

$$W' = \frac{400}{0.1369} \times \frac{8.9775}{100 - 8.9775} = 288.1796\ \mathrm{kg}, \qquad \frac{288.1796}{10\ \mathrm{s}} = 28.8180\ \mathrm{kg/s}$$

답: 28.8180 kg/sec

② IG-01: $C' = 40.5 \times 0.95 = 38.475\ \%$

$$X' = 2.303 \times \log\frac{100}{100 - 38.475} \times 400 = 194.3256\ \mathrm{m^3}, \qquad \frac{194.3256}{120\ \mathrm{s}} = 1.6194\ \mathrm{m^3/s}$$

답: 1.6194 m³/sec

근거

• NFTC 107A 2.4.1: 할로겐화합물 $W = V/S \times C/(100-C)$, 불활성기체 $X = 2.303 (V_s/S) \log\{100/(100-C)\} \times V$. 선형상수 HFC-227ea $K_1 = 0.1269$, $K_2 = 0.0005$ / IG-01 $K_1 = 0.5685$, $K_2 = 0.00208$
• 표 2.4.1.3: C급 화재 설계농도 = A급 소화농도 × 1.35
• 표 2.3.2.1(1): HFC-227ea 최대충전밀도 1,265 / 1,201.4 / 1,153.3 / 1,153.3 kg/m³ 중 최대 1,265
• 표 2.3.2.1(2): IG-01 21 ℃ 충전압력 16,341 / 20,436 / 31,097 kPa 중 최대 31,097
• 2.7.3: 할로겐화합물 10초, 불활성기체 A·C급 2분 이내에 최소설계농도의 95 % 이상에 해당하는 약제량 방출