소방설비기사 실기 암기노트 : 방수량 공식·수격작용·압력챔버 정리 (2)

소방설비기사 실기 암기노트 : 방수량 공식·수격작용·압력챔버 정리 (2)

제가 공부하기 위해 만든 소방설비기사 기계분야 실기 합격을 위해 반드시 암기해야 할 핵심 수식과 수치들을 정리한 노트입니다. 한눈에 파악할 수 있도록 표와 수식을 체계화하려 노력했습니다.

 

두 번째 노트에서는 실제 수리계산의 기초가 되는 방수량 공식부터 수격작용, 배관 방식 및 주요 설비 기준을 다룹니다.

 

2016년 기출문제 1회를 참고하여 만들었습니다.

소방설비기사 기계 실기 암기노트(2)

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소화전 노즐을 통해 방출되는 물의 양

$$Q = 0.6597 \times D^2 \times \sqrt{10P}$$

 

 

• $Q$ : 방수량 (유량)
  • 단위: LPM ($L/min$)
• $D$ : 노즐 선단 구경 (지름)
  • 단위: mm
  • 의미: 물이 나오는 노즐 끝부분의 안쪽 지름입니다.
  • 주요 수치: 옥외소화전은 보통 19mm, 옥내소화전은 보통 13mm를 대입합니다.
• $P$ : 방수압력
  • 단위: MPa (메가파스칼)
  • 의미: 노즐 선단에서 피토 게이지(Pitot gauge)를 이용해 측정한 압력입니다. 옥외소화전의 법정 기준은 0.25 MPa 이상입니다.
  • 참고: 공식 안의 '10'은 $MPa$ 단위를 공학 단위계($kgf/cm^2$)와 맞추기 위해 곱해진 환산 계수입니다.

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수격 작용에 의한 압력 상승 공식

수격 작용에 의한 압력 상승 공식은 밸브를 잠그는 속도에 따라 직격 수격과 간접 수격 두 가지로 구분하여 적용합니다.

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1. 직격 수격 (급차단) 공식

밸브를 매우 빨리 잠가서, 압력파가 관로 끝을 찍고 돌아오기 전에 이미 밸브가 완전히 닫힌 경우입니다. 이때 압력이 이론상 최댓값으로 상승합니다.

$$\Delta P = \rho \cdot a \cdot \Delta v$$

• $\Delta P$ (압력 상승량): 단위는 $Pa (N/m^2)$입니다.
• $\rho$ (유체의 밀도): 물의 경우 보통 $1,000 kg/m^3$를 대입합니다.
• $a$ (압력파 전파 속도): 수중 음속과 비슷하며, 문제에서 주로 주어지는 값입니다. (단위: $m/s$)
• $\Delta v$ (유속의 변화량): 처음 흐르던 속도에서 나중 속도를 뺀 값입니다. (단위: $m/s$)

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2. 간접 수격 (서차단) 공식

밸브를 천천히 잠가서, 밸브가 완전히 닫히기 전에 압력파가 이미 관로를 왕복하여 돌아온 경우입니다. 먼저 돌아온 압력파가 상승하는 압력을 상쇄해 주기 때문에 직격 수격보다 압력이 낮게 나타납니다.

$$\Delta P = \frac{\rho \cdot 2L \cdot \Delta v}{T}$$

• $L$ (관로의 길이): 단위는 $m$입니다.
• $T$ (밸브 차단 시간): 단위는 $sec$(초)입니다.
• $\rho, \Delta v$: 위 공식과 동일합니다.

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3. 공식 선택의 기준 (판정식)

어떤 공식을 쓸지 결정하기 위해 압력파 왕복 시간($T_r$)을 먼저 계산해야 합니다.

$$T_r = \frac{2L}{a}$$

• $T \le T_r$ 일 때: 밸브를 빨리 잠근 것이므로 직격 수격 공식 사용
• $T > T_r$ 일 때: 밸브를 천천히 잠근 것이므로 간접 수격 공식 사용

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분류티, 직류티 산정 기준

1. 분류티 (Branch Flow Tee)

유체가 티 이음쇠의 옆구리(90도 방향)로 빠져나가는 경로를 택할 때 적용합니다.

• 산정 기준: 주배관에서 가지배관으로 물이 꺾여 들어가는 지점.
• 물리적 특징: 물이 배관 벽에 부딪히며 방향을 바꾸기 때문에 소용돌이(와류)가 생기고 마찰 손실이 매우 큽니다.
• 적용 예시:
  • 교차배관에서 가지배관이 시작되는 지점의 티.
  • 가지배관에서 스프링클러 헤드로 물이 올라가는 지점의 티.

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2. 직류티 (Straight Through Flow Tee / Run)

유체가 티 이음쇠의 갈라지는 구멍을 무시하고 일직선으로 통과할 때 적용합니다.

• 산정 기준: 배관이 계속 직진하는 경로상에 티가 설치되어 있고, 유체가 꺾이지 않고 그대로 통과하는 지점.
• 물리적 특징: 방향 전환이 없으므로 에너지 손실이 적어 마찰 손실을 매우 작게(직관과 유사하게) 취급합니다.
• 적용 예시: 배관이 길게 직진하면서 중간중간 다른 층이나 다른 구역으로 가는 가지배관을 하나씩 떼어줄 때, 그 직진하는 경로상의 티.

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스프링클러에서 토너먼트 방식을 하지 않는 이유

• 1. 배관의 마찰손실 증가 우려.
• 2. 수격작용 발생으로 배관 파손 우려

설명

1. 수격 작용(Water Hammer) 위험: 배관이 대칭 구조로 갈라지므로, 물의 흐름이 급격히 차단될 때 발생하는 충격파가 서로 부딪히고 증폭되어 배관 및 헤드가 파손될 수 있습니다.
2. 마찰 손실 증대: 분기되는 지점(Tee)이 너무 많아 마찰 저항이 기하급수적으로 커지며, 이로 인해 말단 헤드의 방수 압력이 현저히 떨어집니다.
3. 공기 정체 및 부식: 대칭형 구조 특성상 배관 내의 공기를 완전히 빼내기 어려워 배관 부식을 초래하고 원활한 방수를 방해합니다.

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토너먼트 방식을 사용하는 소화설비 종류 (4가지)

가스계 소화설비는 약제를 모든 노즐에서 동시에, 균일한 농도로 방출해야 하기 때문에 '평형 배관'을 위해 토너먼트 방식을 사용.

1. 이산화탄소(CO2) 소화설비
2. 할론(Halon) 소화설비
3. 할로겐화물 및 불활성기체 소화설비 (청정소화약제 설비)
4. 분말 소화설비

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압력챔버의 역할

배관 내의 압력 변화를 감지하여 설정된 압력 이하로 떨어지면 펌프를 돌리고, 설정 압력에 도달하면 정지. 수격작용 등의 압력 변화를 흡수 설비보호.

• 펌프의 자동 기동 및 정지 (압력 감지): 배관 내의 압력 변화를 감지하여 설정된 압력 이하로 떨어지면 펌프를 돌리고, 설정 압력에 도달하면 정지시키는 '스위치' 역할을 합니다.
• 충격 흡수 (완충 작용): 챔버 상부의 공기가 에어 쿠션 역할을 하여, 펌프 기동 및 정지 시 발생하는 수격 작용(Water Hammer) 등의 급격한 압력 변화를 흡수하고 설비를 보호합니다.
• 압력 변동의 안정화: 미세한 누설로 인해 펌프가 빈번하게 기동하고 정지하는 현상(Chattering)을 방지하여 모터와 제어부의 수명을 보호합니다.

안전밸브의 작동압력범위

• 작동압력 범위: 호칭압력의 1.3배 이하

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할로겐화합물 및 불활성기체 소화설비의 저장용기의 기준

저장용기의 약제량 손실이 ( ① ) %를 초과하거나 압력 손실이 ( ② )를 초과할 경우에는 재충전하거나 저장요기를 교체할 것. 다만, 불활성기체 소화약제 저장용기의 경우에는 압력손실이 ( ③ )%를 초과할 경우 재충전하거나 저장용기를 교체하여야 한다.

 

①  : 5, ②  : 10, ③ : 5

 

암기 팁  : 할 오십, 불할 오