소방설비기사 실기 - 유체 (1)

1. 8층 백화점 건물의 습식 스프링클러 설비

• 펌프의 진공계 눈금 : 500mmHg
• 펌프의 체적효율 = 0.95, 기계효율 = 0.85, 수력효율 = 0.75
• 전동기의 전달계수 = 1.2
• 배관 및 부속류의 총 마찰손실은 펌프 자연 낙차압의 40%

1) 전양정 (H)

$전양정 (H) = h_1 + h_2 + 10m$

$h_1 (~실양정~)=\dfrac{500mmHg }{760mmHg }×10.332m + 40m ≈ 46.8m$

$h_2 (~배관마찰손실수두~)=(40 + 5)m×0.4 = 18m$

$전양정 (H) = h_1 + h_2 + 10m=46.8m~+18m~+10m=74.8m$

2) 토출량 (Q)

$Q=N×80L/min~~~~(백화점 : N = 30개)$

$Q=30×80L/min=2400L/min$

3) 펌프의 효율 ($\eta$)

$펌프의 효율 (\eta) = 체적효율 × 기계효율 × 수력효율 = 0.95×0.85×0.75≈0.6056$

4) 수동력, 축동력, 모터동력

$수동력 = 0.163×2.4m³/min×74.8m≈29.26kW$

$축동력 = \dfrac{0.163×2.4m³/min×74.8m}{0.6056}≈48.32kW$

$모터동력 = \dfrac{0.163×2.4m³/min×74.8m×1.2}{0.6056}≈57.98kW$

2. 10층 백화점 건물의 옥내소화전 설비

• 옥내소화전 갯수 → 1 ~ 5층 : 각 층에 7개, 6 ~ 10층 : 각 층에 5개
• 펌프의 후드밸브에서 10층의 옥내소화전 방수구까지의 수직거리 : 40m
• 배관상 마찰손실 : 20m
• 소방용호스의 마찰손실은 100m 당 26m이며, 호스 길이는 15m, 수량은 2개이다.
• 펌프의 효율 60%, 전달계수 : 1.1
• 소방용 호스 노즐의 방사압력 : 0.25MPa

1) 전양정 (H)

$전양정 (H) = h_1 + h_2 + h_3 + 17m$

$h_1 (~호스의~마찰손실수두~)=\dfrac{26m }{100m }×15m×2개= 7.8m$

$h_2 (~배관마찰손실수두~)=20m$

$h_3 (~실양정~)=40m$

$전양정 (H) = h_1 + h_2 + h_3 + 17m=7.8m~+20m~+40m~+17m=84.8m$

2) 토출량 (Q)

$Q=N×130L/min~~~~(백화점 : N = 2개)$

$Q=2×130L/min=260L/min$

3) 최소 저수량

$Q=2.6m³×2+2.6m³×2~/~3≈6.93m³$

• 옥상수조 수원의 양은 유효수량의 1/3 이상을 옥상에 저장하여야 한다.

4) 모터동력

$모터동력 = \dfrac{0.163×0.26m³/min×84.8m×1.1}{0.6}≈6.6kW$

5) 10분 방사량

$Q = 0.653 \, ·d^2· \sqrt{10·P} · min = 0.653 ·13^2 \sqrt{10·0.25MPa}· 10min≈1762.8L$

3. 경유를 저장하는 탱크에 포말소화설비의 특형 방출구를 설치

• 소화약제 농도 (s) = 3%
• 분당 방출량($Q_l$) = 8L/m²·min
• 방사시간 (t) = 20min
• 탱크의 내부직경 ($D_1$) = 60m
• 탱크 내면과 굽도리판의 간격 ($D_2$) = 1.5m
• 전양정 (H) = 80m

1) 포원액의 양 ($Q_1$), 수원의 양 ($Q_2$), 수용액의 양 ($Q$)

$굽도리판~ 계산 공식 : A = \dfrac{\pi}{4}\left(D_1^2 - (D_1- D_2×2)^2\right)= \dfrac{\pi}{4}\left(60^2 - (60- 1.5×2)^2\right)≈275.67m²$

$포원액의 양 (Q_1)=A×Q_l×T×S = 275.67m²×8L/m²·min×20min×0.03=1.32m³$

$수원의 양 (Q_2)=A×Q_l×T×(1-S) = 275.67m²×8L/m²·min×20min×0.97=42.78m³$

$수용액의 양 (Q)=Q_1+Q_2=44.1m³$

2) 분당 토출량 (m³/min)

$\dfrac{44.1m³ }{20min} = 2.21m³/min$

3) 전동력

$전동력 = \dfrac{0.163×2.21m³/min×80m}{0.6}≈48.03kW$

4. 에탄올을 저장하는 창고에 이산화탄소 소화설비를 설치

• 전역방출방식(고압식)이며 표면화재 방호대상물로 간주한다.
• 저장창고의 방호구역체적 (V) = 125m³
• 이산화탄소의 설계농도 = 40%, 보정계수 = 1.2
• 개구부 (A) = 2m×1m×1개소, 자동폐쇄장치가 설치되어 있지 않다.
• 약제저장용기의 충전비 (C) = 1.9, 저장용기의 부피 = 68L
• 기타의 조건은 화재안전기준을 적용한다.

1) 이산화탄소 소화약제의 양 ($Q$)

$Q=V×a×C+A×b = 125m³×0.9kg/m³×1.2+2m×1m×5kg/m²=145kg$

$V: 방호구역체적,~ a: 방호구역 체적당 소화약제량, ~ C: 보정계수, ~ A : 개구부면적, ~ b : 개구부 가산량$

2) 방호구역 내에 이산화탄소가 설계농도로 유지될 때의 산소의 농도

$CO_2(\%)=(~1-\dfrac{O_2(\%)}{21})×100=0.4$

$O_2 = 12.6\%$

3) 필요한 소화약제의 저장용기의 수

$G=\dfrac{V}{C}=\dfrac{68}{1.9}≈35.79kg$

$G: 액체이산화탄소중량,~ V: 저장용기 부피,~ C: 충전비$

$병수=\dfrac{145kg}{35.79kg}≈4.05 → 5병$

5. 제연설비에 사용되는 송풍기 설계

• 국가화재안전기준에 따른 제연설비를 설치한다.
• 덕트의 소요전압 ($P_T$) : 80mmAq
• 송풍기 효율: 60%, 여유율 : 15% 이다.
• 예상제연구역의 설계풍량 : 24000m³/hr ≈ 6.67m³/s
• 준공 후 송풍기 시운전한 결과 600rpm, 18000m³/hr 으로 측정되었다.

1) 전동기 동력 (kW)

$P~(kW)=\dfrac{Q×P_T}{102×\eta}=\dfrac{6.67m³/s×80mmAq}{102×0.6}≈8.71kW$

2) 준공 후 송풍기의 풍량이 24000m³/hr을 만족시키기 위한 배출기의 회전수를 몇 rpm으로 변경해야 하는가?

$\dfrac{Q_2}{Q_1}=\dfrac{N_2}{N_1} → N_2=\dfrac{Q_2×N_1}{Q_1}=\dfrac{24000×600}{18000}=800rpm$

3) 제연설비 유입공기 배출방식 3가지

• 수직풍도에 따른 배출
• 배출구에 따른 배출
• 제연설비에 따른 배출

6. 발전기실에 할로겐화합물 소화약제인 FK-5-1-12를 설치

• 공간 : 10×8×4m³
• 방사 시 온도 : 21°C
• 선형상수 $K_1=0.0664$, $K_2=0.0002741$
• 발전실에는 경유를 사용하고 설계농도는 12%이다.
• 저장용기는 68L 용기에 48kg을 저장한다.

1) 필요한 소화약제량

$W=\dfrac{V}{S}×\dfrac{C}{100-C}$

$W: 소화약제량(kg),~ V: 방호구역체적(m³),~ C: 설계농도$

$S=K_1+K_2×T(°C) = 0.0664 +0.0002741×21°C≈0.0721561$

$W=\dfrac{10×8×4}{0.0721561}×\dfrac{12}{100-12}≈604.75kg$

2) 필요한 소화약제의 저장용기의 수

$병수=\dfrac{604.75kg}{45kg}≈13.44 → 14병$

7. 방호구역 내 미분무 헤드

• 미분무 헤드 30개 설치
• 헤드 1개당 방수량 : 50L/min, 방수시간 : 1시간, 배관의 총 체적 : 0.07m³

1) 미분무소화설비의 수원의 양

$Q=N×D×T×S+V = 30×0.05m³/min×60min×1.2+0.07m³=108.07m³$

$D: 설계유량(m³/min),~ T: 설계방수시간(min), ~ S: 안전율(1.2), ~ V : 배관의 총 체적$

2) 폐쇄형 미분무헤드의 표시온도가 79°C 일 때 평상 시 최고 주위 온도(°C)

$T_h=0.9×T_m-27.3=0.9×79°C-27.3 =43.8°C$

$T_h: 최고~주위온도,~ T_m: 헤드의~표시온도$

8. 도로터널에 옥내소화전 설비를 설치

• 도로터널의 길이 : 3000m
• 도로터널은 일방향 터널로서 4차선이다.
• 도로터널의 양 끝에 옥내소화전 방수구가 설치되어 있다.

1) 도로터널에 설치해야 하는 옥내소화전 방수구의 설치 개수

• 터널의 중심쪽 방수구의 개수 : $\dfrac{3000m}{50m}-1=59개$

• 터널의 가장자리 벽쪽 방수구의 개수 : $\dfrac{3000m}{50m}=60개$

• 전체 59 + 60 = 119개

2) 옥내소화전설비에 대한 수원의 양

$Q=N×190L/min×T(min)=3×190×40=22800L=22.8m³$

• 수원은 옥내소화전의 설치개수 2개(4차로 이상의 터널의 경우 3개)를 동시에 40분 이상 사용할 수 있는 충분한 양이상을 확보한다.
• 가압송수장치는 옥내소화전 2개(4차로 이상의 터널의 경우 3개)를 동시에 사용할 경우 각 옥내소화전의 노즐선단에서의 방수압 0.35MPa 이상이고 방수량은 190L/min 이상이 되는 성능으로 한다. 다만, 하나의 옥내소화전을 사용하는 노즐선단에서의 방수압력이 0.7MPa을 초과할 경우에는 호스접결구의 인입측에 감압장치를 설치해야 한다.

9. 2층의 근린생활시설에 간이스프링클러를 설치

• 공간 : 30×20m²
• 지상 1, 2층에 간이 스프링클러헤드를 정방형으로 배치하여 동일하게 설치한다.

1) 전용수조 설치 시 최소 수원의 양

$Q=N×50L/min×T(min)=5×50×20=5000L=5m³$

2) 헤드의 최소 설치 수량

$S=2Rcos45=2×2.3×cos45≈3.25m$

$R: 수평거리,~ A: 헤드간격$

• 간이헤드를 설치하는 천장, 반자, 천장과 반자 사이, 덕트, 선반 등의 각 부분으로부터 간이헤드까지의 수평거리(R)는 2.3m 이하가 되도록 한다.

10. 옥외소화전 설치

• 옥외소화전 5개를 설치
• 옥외소화전은 지상용 A형을 사용한다.
• 펌프에서 첫째 옥외소화전까지의 직관길이는 150m, 관의 내경은 100mm 이다.
• 모든 규격치는 최소량을 적용한다.

1) 수원의 최소 유효저수량 (옥상수조는 제외)

$Q=N×350L/min×T(min)=2×350×20=14000L=14m³$

2) 펌프의 최소유량

$Q=N×350L/min=2×350=700L/min=0.7m³/min$

3) 직관부분에서의 마찰손실수두 (마찰손실계수: 0.02)

$H_{Loss}=\dfrac{f×l×v^2}{2×g×d}=\dfrac{0.02×150m×1.49^2}{2×9.8×0.1}≈3.4m$

11. 강관 속 유체

• Q : 900L/min, d : 0.3m, l: 3000m
• $\gamma$: 0.85, $\mu$ : 0.103

1) 유속

$v≈0.21m/s$

2) 레이놀즈수와 유동분류

$Re=\dfrac{\rho×v×d}{\mu}=\dfrac{0.85×1000×0.21×0.3}{0.103}≈519.9 → 층류(519.9 < 2100)$

3) 마찰손실수두

$H_{Loss}=\dfrac{f×l×v^2}{2×g×d}=\dfrac{0.123×3000m×0.21^2}{2×9.8×0.3}≈2.77m$

12. 제연구역의 플랩댐퍼

• 특별피난계단의 계단실 및 부속실 제연설비의 제연구역에 과압의 우려가 있는 경우 과압 방지를 위하여 해당 제연구역에 플랩댐퍼를 설치하고자 한다.

1) 옥내에 스프링클러설비가 설치되어 있고, 급기가압에 따른 50Pa의 차압이 걸려있는 실의 물의 크기가 1×2.5m² 일 때, 문 개방에 필요한 힘을 구하시오. (단, 자동폐쇄장치나 경첩 등을 극복할 수 있는 힘은 50N, 문의 손잡이는 문 가장자리에서 100mm 위치에 있다.)

$F=F_{dc}+\dfrac{K_d×W×A×P}{2×(W-d)}=50+\dfrac{1×1m×1m×2.5m×50Pa}{2×(1-0.1)}≈119.4N$

$F_{dc}:문의 저항력,~K_d:상수값(1),~W:출입문의~폭,~A:출입문의~면적,~P:제연구역과~옥내의~차압$ $d:손잡이에서~문~가장자리까지의~거리$

2) 플랩댐퍼의 설치 유뮤와 이유를 설명하시오. (단, 플랩댐퍼에 붙어있는 경첩을 움직이는 힘은 50N이다.)

• 제연설비가 가동되었을 경우, 출입문의 개방에 필요한 힘은 110N 이하이어야 하나, 119.4N으로 기준치를 초과하므로 플랩댐퍼를 설치하여야 한다.

13. 에탄올 창고에 이산화탄소소화설비 설치

• 전역방출방식(고압식)이며 표면화재 방호대상물로 간주한다.
• 저장창고의 방호구역체적 : 125m³
• 이산화탄소의 설계농도 : 40%, 보정계수 : 1.3
• 개구부 : 2×1m² (1개소), 자동폐쇄장치가 설치되어 있지 않다.
• 기타의 조건은 화재안전기준을 적용한다.

1) 이산화탄소 소화약제의 양

$Q=V×a×C+A×b = 125m³×0.9kg/m³×1.3+2m×1m×5kg/m²=156.25kg$

$V: 방호구역체적,~ a: 방호구역 체적당 소화약제량, ~ C: 보정계수, ~ A : 개구부면적, ~ b : 개구부 가산량$

14. 자갈로 되어있는 절연유 봉입변압기에 물분무소화설비 설치

1) 소화펌프의 최소토출량

• 바닥부분을 제외한 면적 × 10L = [ 5×3 (윗면) + 5×1.9×2 + 3×1.9×2 ] × 10L = 454L/min

2) 필요한 최소의 수원의 양

$Q=454L/min×20min=9080L=9.08m³$

15. 전기실에 제 3종 분말 소화약제를 사용한 분말소화설비 설치

• 방호구역의 면적 : 600m², 높이 : 4m
• 축압식으로 설치하며, 자동폐쇄장치가 설치되지 아니한 개구부 면적은 10m² 이다.

1) 소화약제량

$Q=V×a×C+A×b = 2400m³×0.36kg/m³×1.0+10m²×2.7kg/m²=891kg$

$V: 방호구역체적,~ a: 방호구역 체적당 소화약제량, ~ C: 보정계수, ~ A : 개구부면적, ~ b : 개구부 가산량$

2) 축압용 가스에 질소가스를 사용하는 경우, 축압용 가스의 양

• 질소가스의 양 (L) = 소화약제량(kg) × 10(L / kg) = 891 × 10 = 8910L = 8.91m³

16. 옥내소화전 테스트

• 노즐에서의 압력 : 0.4MPa, 유량 : 200L/min

1) 압력을 0.8MPa으로 변경할 때, 유량

$\dfrac{Q_1}{Q_2}=\dfrac{\sqrt{P_1}}{\sqrt{P_2}} →Q_1=200×\dfrac{\sqrt{0.8}}{\sqrt{0.4}}≈282.84L/min$

17. 옥내소화전 피토게이지

• 피토게이지 압력 : 0.2MPa

1) 노즐에서의 토출 유속

$H=\dfrac{0.2MPa}{0.101325MPa}×10.332m≈20.39m$

$v=\sqrt{2×g×H}=\sqrt{2×9.8×20.39}≈19.99m/s$

18. 유량 측정

• 호칭 50mm 배관의 안지름 : 54mm
• 호칭 50mm 엘보의 등가길이 : 1.4m, A 및 D점에 잇는 티의 마찰손실은 무시한다.
• 루프배관 BCDFEAB의 호칭구경 : 50mm
• 배관의 마찰손실은 하젠-윌리엄의 공식을 사용하여 구한다.

$$\Delta P=\dfrac{6×10^4×Q^2}{100^2×d^5}$$ $$\Delta P:1m ~배관~당~마찰손실압력,~Q:유량,~d:배관의~내경$$

1) $Q_1,~Q_2$

$\Delta P_{ABCD}=\Delta P_{AEFD}$

$Q_1^2×(8+1.4+10+1.4+6)=Q_2^2×(2+1.4+10+1.4+4)$

$26.8Q_1^2=18.8Q_2^2 →Q_2=1.194Q_1$

$Q_1=\dfrac{500}{1+1.194}≈227.89L/min$

$Q_2=\dfrac{500×1.194}{1+1.194}≈272.1L/min$

19. 전산실에 할론소화설비 설치

• 방호구역 체적 : 15×12×5m³
• 저장용기의 내용적 : 68L

1) 전산실에 필요한 최소 약제소요량

$Q=V×a×C = 15×12×5×0.32kg/m³=288kg$

$V: 방호구역체적,~ a: 방호구역 체적당 소화약제량, ~ C: 보정계수$

2) 1병 당 최대로 저장할 수 있는 약제량

$G=\dfrac{68L}{0.9}≈75.56kg$

3) 필요한 최소 저장용기 수

$용기~수=\dfrac{288kg}{75.56kg}≈3.8~→4병$

20. 펌프의 공동현상

• 펌프의 필요 흡입수두 : 7.5m
• 물의 온도 : 20°C, 포화수증기압 ($P_v$) : 2340Pa
• 물의 비중량 ($\gamma$) : 9.8kN/m³
• 표준대기압, 흡입측의 속도수두는 무시한다.
• 흡입측 배관의 마찰손실수두 ($H_f$) : 2m

1) 수원의 수위가 펌프보다 낮을 때 펌프에 공동현상이 일어나지 않도록 하려면 수원의 수면으로부터 펌프까지의 설치높이는 몇 m 이하로 해야 하는가?

$유효흡입양정=H_a-H_z-H_f-H_v=\dfrac{P_a}{\gamma}-H_z-H_f-\dfrac{P_v}{\gamma}$

$유효흡입양정=\dfrac{101325kPa}{9.8kN/m³}-H_z-2m-\dfrac{2.34kPa}{9.8kN/m³}≈8.1-H_z$

$8.1-H_z>7.5 → H_z<0.6m$

21. 압축공기포 소화설비

• 특수가연물을 다루는 창고
• 바닥면적 : 200m²

1) 압축공기포 소화설비에 대해 설명하시오.

• 압축공기 또는 압축질소를 일정 비율로 포수용액에 강제 주입혼합하는 방식으로, 압축공기포소화설비의 배관은 토너먼트방식으로 해야하고 소화약제가 균일하게 방출되는 등거리 배관구조로 설치해야 한다.

2) 분사헤드의 최소개수

$N=\dfrac{200m²}{0.3m²/개}≈21.51~→22개$

3) 포수용액의 최소량

$Q=2.3L/m²×200m²×10min=4600L=4.6m³$

• 특수가연물의 방출량 : 2.3L/m²

22. 거실 제연설비 설치

• 송풍기의 정압 : 50mmAq
• 풍량 : 23000 m³/hr ≈ 6.39 m³/s
• 송풍기 효율 : 50%, 전달계수 : 1.1

1) 송풍기의 전동기동력

$P~(kW)=\dfrac{Q×P_T}{102×\eta}=\dfrac{6.39 m³/s×50mmAq}{102×0.5}≈6.89kW$

2) 설치 후 풍량은 17000m³/hr, rpm은 600으로 측정되었다. 풍량을 23000 m³/hr으로 높이려면 회전수를 얼마나 증가시켜야 하는가?

$\dfrac{Q_2}{Q_1}=\dfrac{N_2}{N_1} → N_2=\dfrac{Q_2×N_1}{Q_1}=\dfrac{23000×600}{17000}≈812rpm$

23. 옥내소화전 설치

• 호스릴옥내소화전
• 가압송수장치의 정격토출양정 : 40.5m
• 9층 건물, 옥내소화전의 개수는 각 층 4개씩

1) 펌프의 최소유량

$Q=2×130L/min=260L/min$

2) 펌프의 체절운전, 정격운전, 최대운전시 압력수두에 대하여 서술하시오.

• 체절운전시 40.5m×1.4=56.7m의 압력수두를 초과하지 않아야 한다.
• 정격운전시 40.5m의 압력수두 이상이어야 한다.
• 최대운전시 40.5m×0.65=26.33m의 압력수두 이상이어야 한다.
• 펌프의 성능은 체절운전 시 140%를 초과하지 않아야 하고, 정격토출량의 150%로 운전 시 정격토출압력의 65% 이상이 되어야 한다.

24. 전기실에 이산화소화설비 설치

• 체적 (V) : 150m³
• 저장용기의 내용적 : 68L
• 충전비 : 1.8L/kg

1) 이산화탄소 소화약제량

$Q=V×a×C+A×b = 150m³×1.3kg/m³×1.0=195kg$

$V: 방호구역체적,~ a: 방호구역 체적당 소화약제량, ~ C: 보정계수$

2) 저장용기의 개수

$G=\dfrac{V}{C}=\dfrac{68}{1.8}≈37.78kg$

$G: 액체이산화탄소중량,~ V: 저장용기 부피,~ C: 충전비$

$병수=\dfrac{195kg}{37.78kg}≈5.16 → 6병$

3) 고압식/저압식

• 고압식

4) 저장용기의 내압시험압력의 합격기준

• 25MPa 이상

25. 소화기 설치

• 지하 2층 : 바닥면적이 주차장은 1400m², 보일러실은 100m²
• 지하 1층 : 주차장
• 지상 1 ~ 3층 : 업무시설
• 주요구조부가 내화구조가 아니고 소화기의 능력단위는 3단위이다. 자동확산소화기는 계싼에서 제외한다.

1) 각 층의 바닥면적이 1500m² 일 때, 층 별 소화기 배치 수

$지하~2층~ 주차장 : \dfrac{1400m²}{100m²}=14단위 → \dfrac{14~단위}{3~단위}≈4.67 →5개$

$지하~2층~ 보일러 : \dfrac{100m²}{25m²}=4단위 → \dfrac{4~단위}{3~단위}≈1.33 →2개$

$지하~1층~ 주차장 :\dfrac{1500m²}{100m²}=15단위 → \dfrac{15~단위}{3~단위}=5개$

$지상~ 주차장 :\dfrac{1500m²}{100m²}=15단위 → \dfrac{15~단위}{3~단위}=5개$