4조 - 불 꺼줘
MIE capstone
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 화재발생지점 특정을 통해 국소 및 광역 살수가 가능한 스프링클러
영문 : Multi-Way Sprinkler with Detecting Point of Fire
과제 팀명
불 꺼조
지도교수
오*도 교수님
개발기간
2018년 9월 ~ 2018년 12월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 장*성(팀장)
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 이*수
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 정*식
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 호*민
서울시립대학교 기계정보공학과 20124300** 홍*욱
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 목표
본 프로젝트는 스프링클러에 장착된 연기감지기와 카메라를 통해 화재발생 지점을 특정하여 국소 및 광역살수가 가능한 스프링클러를 개발하는 것을 목표로 한다.
개발 과제의 요약
▷화재발생 시, 연기감지기를 통해 화재발생 사실을 파악 ▷카메라를 작동시켜 화재발생 지점을 탐색 ▷메인 시스템은 영상처리를 통해 화재발생 지점을 파악하고 그 숫자를 카운트 함 ▷탐색이 종료된 후, 카운트가 1로 유지 될 시에는 국소분사를 통해 화재를 초기 진압 ▷탐색이 종료된 후, 카운트가 2이상일 시에는 초기진압이 불가능하다고 판단해 광역분사를 통해 화재를 진압 ▷화재진압 후, 자동으로 살수 종료
개발 과제의 기대효과
화재규모에 따라 스프링클러의 분사구조가 변형 가능하게 한다. 이를 통해 기존 스프링클러가 광역형으로만 물을 분사시켜 유발되는 문제점인 전자기기(TV, 컴퓨터) 피해 등과 같은 2차 피해를 방지하고와 물 소비를 최소화함으로써 경제적인 피해를 최소화 하는 효과를 기대한다.
관련 기술의 현황
State of art
▷가스(Co2)를 활용한 질식 시스템 Plumis사의 Co2시스템은 질식 및 냉각효과에 의한 소화를 목적으로 이산화탄소를 일정한 고압용기에 저장해 두었다가 화재 시 수동 또는 자동으로 화점(⽕點)에 분사한다.
▷고체(불연성 알갱이)를 이용한 질식 소화기법 Genius-Group사의 Pyrobubbles는 섭씨 1100도까지 견디는 다공질의 실리카 덩어리로 불에 타지 않는 성질을 이용하여 화재가 발생한 공간을 채워 불을 끄는 방식이다.
▷소리(저주파)를 이용한 소화기법 베이스음과 같은 저주파 음파를 화염에 쏘게 되면 화염 주변에 있던 산소유입이 차단되고 화마 온도가 낮아지며 화재가 진압되는 원리이다.
특허조사
▷상하분사 스프링클러 건물의 천장에 설치된 전기배선 등의 누전과 같은 화재의 발생 시, 상부로만 물을 분사한다. 상부에 부분적으로 물을 분사함으로써, 하부로만 분사하는 형태인 현재 스프링클러의 한계에서 벗어나 초기진압과 더불어 효과적으로 화재진압이 가능하다.
▷랙크식 창고 스프링클러 물품 적재 선반이 다수 적충된 랙크식 창고 내에서 화재 발생 영역을 감지하고, 감지된 화재 발생 영역으로 분사 노즐을 이동시켜 해당 화재 발생 영역에 소화수를 직접 분사할 수 있도록 한다.
▷스프링클러 방사조절장치 화재발생 시, 나사부를 관통하는 상면 커버부 및 스프링클러의 길이방향으로 연장되어 설치된 방사조절장치를 통해 현재 설치된 360도 분사노즐에 의한 2차 수손피해를 막기 위한 방사조절장치이다.
▷길이조절용 스프링클러 평시에는 스프링클러 내부몸체의 길이만큼이 우물천정에 내장되어 있음으로써 공간의 낭비를 최소화 하고 지역적으로 화재가 발생 시에는 해당 지역으로 스프링클러를 내림으로써 화재지역에 집중적으로 물을 분사한다.
특허전략
최신 기술들 대부분이 설치 시에 새로운 설비가 필요하고 소화제를 보관하기 위한 많은 공간을 요구한다. 이에 따라 가격이 매우 높게 책정되기 때문에 일반 주택이나 회사 등에 설치하기에 무리가 있음을 알 수 있다. 이러한 점을 고려할 때 가격을 낮추어 주택 및 회사에 보급기 위해서는 물을 사용하는 것을 전제로 하되 화제 제압 성능과 2차 수손 피해를 줄임으로써 최신 기술에 맞추어가는 것을 목표로 한다.
관련 시장에 대한 분석
경쟁제품 조사 비교
마케팅 전략
본 프로젝트는 스프링클러의 역할을 충실히 수행할 수 있고 가장 큰 목적인 2차 수손피해를 방지할 수 있다는 큰 장점 때문에 다른 경쟁제품대비 높은 경쟁력을 확보할 수 있을 것이라 생각된다. 이러한 장점이 극대화 될 수 있는 아파트나 사무실 등에 먼저 시범적으로 설치함으로써 고객들의 호응을 이끌어낸다. 또한 기존 스프링클러의 일회성인 단점을 보안하고자 재사용이 가능한 구조로 만들고 집중형 분사와 화재진압이 끝난 후에는 살수를 자동으로 중지함으로써 물 소비를 최소화함으로써 다른 경쟁제품의 단점을 보완하는 점을 적극 강조하여 높은 경쟁력을 확보하고자 한다.
구성원 및 추진체계
18.11.07 - 배경조사 및 개념설계를 통한 설계안 확정 18.11.16 - 상세설계 완료 18.11.28 - 부품 구매 완료 18.11.30 - 화재탐지 및 알고리즘 개발 완료 18.12.04 - CAD 모델링 및 3D 프린터 활용한 하드웨어 제작 완료 18.12.07 - 프로토 타입 제작 및 실험 18.12.12 - 최종 모델 완성
▷이*수: 노즐부, 배관부 수학적 해석 및 이론적 검증 ▷장*성: CAD 모델링 및 3D 프린트 ▷홍*욱: 토크 계산 및 하드웨어 제작 ▷정*식: 화재감지 알고리즘 제작 ▷호*민: 구동 시스템 알고리즘 제작
설계
요구사항
화재발생 전
▷유지비 불이 언제 날지도 모르는 상황에 전력을 크게 소모하며 유지되고 있다면 기존의 밀폐형 스프링클러와 비교하여 경제성을 확보하고자 하기 위함.
▷점검성 최근 화재사고들을 보면 스프링클러가 고장이 나서 작동을 안 하는 경우들이 있는데 이러한 위협으로부터 벗어나려면 평소에 정기적으로 점검을 해서 스프링클러의 상태가 확인이 가능하도록 함.
▷심미성 내가 사는 집 천장에 큰 설치물이 있다면 미관을 크게 해치기 때문에 거부감이 들기 때문에 크기 최소화를 통해 심미성 추구.
▷내구성 기존의 스프링클러 보다 비싸기 때문에 감가상각을 통해 경쟁력 확보하기 위함.
화재진압 중
▷빠른 화재 감지 속도 스프링클러의 생명은 시간이다. 화재를 빨리 진압하기 위해선 기본적으로 화재를 빨리 감지해야 함.
▷큰 화재도 진압 가능 작은 화재만 진압할 수 있는 것은 큰 화재도 기존의 스프링클러처럼 소화를 할 수 있어야 함.
화재소화 후
▷자동 종료 화재가 진압되고 난 뒤 물 소비를 최소화하고 추가적으로 발생가능한 2차 수손피해를 막기 위해 살수를 멈추어야 함.
필수사항
▷스프링클러 분사거리 방법에 의하면, 스프링클러 수평거리 간격은 아파트의 경우는 3.2m이하, 내화구조가 아닌 사무실의 경우엔 2.1m이하로 설치를 해야 함.
▷방수성 및 내화성 물을 활용하는 전자기기이면서 불이 날수도 있는 구역에 설치하는 기기이기 때문에 화재로 인해 파손이 되면 안됨.
하드웨어 설계변수
제약사항
▷펌프와 파이프, 노즐은 일직선상에 있다. 즉, 위치수두를 무시함. ▷관내의 유동은 난류로 가정함. ▷실제 노즐 내부의 형상은 복잡하지만 단순화를 위해 직경이 작은 짧고 관으로 가정함. ▷집중적으로 화재지역을 소화하는 것이 주된 목표이기에 집중형만 고려하여 설계변수를 결정함.
설계변수 D1, D2
-배관의 직경 D1은 10mm 부터 50mm까지로 제한한다. 또한 D2의 범위를 결정하기 위해서는 우리 제품의 분사거리를 고려하여야 한다. -프링클러는 최소 수평거리 2.1M 까지 직선에 가깝게 분사가 되어야 화재위치에 정확히 분사할 수 있다. 하지만 중력이 존재하기 때문에 분사되는 물은 아래로 처지게 되고 처짐을 최소화하기 위해선 천장높이를 낮게 하거나, 속도를 빠르게 설정하면 가능하다. 이때 천장높이를 낮게 할 수는 없으니 속도를 빠르게 하는 것으로 처짐을 최소화 할 것이다. 우리는 이 제한조건을 최대 0.1M 이내로 처짐이 발생하게끔 설정하고 속도를 구할 것이다.
▷노즐의 분사거리 S = V x T -> 2.1 = V x T ▷처짐 S'= 1/2gt2 -> 0.1 = 1/2 x 9.8 x t2 위의 두 식을 t에 대해서 정리 후 대입하여 V에 대해 정리하면 V= 14.7m/s 가 나온다. 또한 유량 Q=AV를 이용하여 80L/min를 14.7m/s로 나누면 직경이 10mm가 나오며 이 직경이 설계변수 D2범위 중 상한선에 해당한다. 따라서 D2는 1mm에서 10mm까지로 제한된다.
우리의 요구사항은 우선 스프링클러 기준을 만족하는 것이고 이는 손실수두를 최소화하는 것으로 결정할 수 있다. 손실수두에는 관 내 유동에 따른 마찰 손실수두와 돌연축소관에서 발생하는 손실수두가 있다.
마찰 손실수두 h는 다음과 같이 표현된다. ▷마찰 손실수두 h = f x 1/D x V2/2g ( f = 0.3164/RE1/4 , RE = 레이놀즈 수) 돌연 축소관 손실수두 H는 다음과 같이 표현 된다. ▷돌연 축소관 손실수두 H = (1/C - 1)2 x V22/2g (C = 0.62 + 0.38 x (A2/A1)2 D1과 D2의 값에 따라 손실계수 C는 달라진다. 따라서 h + H가 최소화 될 때가 우선적인 배관 직경 D1과 노즐직경 D2의 값이 된다.
<D1과 D2에 따른 손실수두>
위 두 그래프에서 보듯이 노즐 D2에 따른 손실수두에 비해 배관 D1에 다른 손실수두가 매우 작기에 무시할 수 있다.<설계 변수 범위 내에서 D1,D2의 모든 경우의 수를 고려한 손실수두>
위 그래프는 D1,D2 범위내에 있는 모든 값을 조합하여 손실수두를 계산한 것이다. 그래프에서 보듯이 D1 변화에 의한 손실수두 변화는 거의 없기에 D2에 대한 것만 고려하면 된다. 따라서 D1은 범위 내에서 가격이 제일 낮은 D1을 결정하면 된다. D2는 2mm전까진 비교적 높은 손실수두를 발생시키기에 D2를 2mm부터 10mm까지 안에서 가격이 낮은 D2를 결정하면 된다.
<D1과 D2에 따른 손실수두와 가격>
D1에 의한 손실은 무시할 수 있기에 가장 작은 직경인 10mm의 배관을 사용한다. D2는 손실수두가 매우 작으며 합리적인 가격을 위해 직경이 3mm 인 노즐을 사용한다.
설계변수 X
X의 범위는 0º~100º까지로 설정한다. 우리의 목표는 분사거리가 2.1m일 때, 소화 직경이 50cm이며 분사노즐은 분사각에 따라 소화 직경이 달라진다. 따라서 우리의 목표를 만족시킬 수 있는 분사각을 찾아야한다.
<분사각과 분사거리에 따른 소화직경>
다음은 10°, 20° 일 때, 분사거리에 따른 소화 직경이다. 이 두 데이터를 바탕으로 보간하여 다음과 같은 그래프를 얻을 수 있다.
<보간을 통한 소화직경 그래프>
위 그래프에서 보듯이 10°일 때, 분사거리 2.1m에 소화 직경 36.9cm이며 20°일 때, 분사거리 2.1m에 소화 직경 74.0cm이다. 따라서 우리가 원하는 분사각은 10°와 20° 사이에 있음을 알 수 있다. 하지만 우리가 보유하고 있는 데이터는 10°, 20°, 30° 와 같이 10° 단위로만 표기되어 있기에 세밀한 각도에 대한 값은 보간을 통해 구해야 한다. 다음 그래프는 분사거리 2.1m일 때, 10°~100° 사이에 소화 직경을 나타낸다.
<분사거리 2.1m일 때의 소화직경>
위 그래프에서 보듯 분사각이 12.6°일 때, 소화 직경이 49.91cm로 50cm에 근접함을 알 수 있다. 하지만 실제로 파는 노즐의 분사직경은 10°단위이기 때문에 분사각을 20°로 결정한다.
소프트웨어 설계변수
소프트웨어 제약사항
| 설계변수 | 제약 사항 |
| 카메라의 영상 각도 | 56° |
| 카메라의 영상 픽셀 수 | 최대 640*480 |
| 카메라의 영상 fps | 최대 30fps |
알고리즘 부하
| 알고리즘 | 시간 복잡도 |
| 붉은 계열 색상 감지 | N |
| 유동성 감지 | N+1 |
| 연기 감지 | 2N+1 |
| 합계 | 4N+2 |
설계변수 최적값
| 설계변수 | 최종 값 |
| 카메라의 회전 속도 | 6 rpm |
| 카메라의 회전수 | 2회전 |
| 카메라의 영상 픽셀 수 | 640 x 480 |
| 카메라의 영상 fps | 15 |
| 알고리즘 부하 | 초당 23,040,030회 |
하드웨어 상세설계
전체 모델링
▷싱글 보드 컴퓨터 : 싱글 보드 컴퓨터는 기능에 필수적인 마이크로프로세서, 메모리, 입출력 등의 기능이 있는 단일 회로 기판으로 구성된 완전한 컴퓨터이다. -아두이노 연기감지기 신호 확인(가연성 가스, 연기를 검출하며 범위는 300 ~ 10,000ppm) -웹캠이 촬영한 이미지 처리 -화재 지역을 찾기 위한 상부 서보모터 회전 제어 -하부의 각도를 조절하기 위한 서보모터 회전 제어 -집중 또는 광역살수를 선택하기 위한 솔레노이드 밸브 제어
▷웹캠: 화재 지역을 검출하기 위한 장치이다.
▷서보모터(상부 본체 회전용): 제품 상단부에 장착되어 횡 방향 회전을 담당한다.
▷기어: 일반적인 서보모터는 동작범위가 0 - 180º로 제한되어있다. 따라서 기어박스(기어비 1:2)를 이용해 실제 동작범위를 0 - 360º로 변경시켜준다.
▷서보모터(하부 본체 회전용): 제품 하단부에 장착되어 종 방향 회전을 담당한다.
▷링크: 상부 본체와 하부 본체를 연결하는 역할을 한다. 제품 자체의 무게와 분사 시 반발력을 고려한 강도를 지니도록 한다.
▷솔레노이드 밸브: 2개의 솔레노이드 밸브가 설치되어 집중형, 광역형 분사방식을 결정한다. 평상시에는 두개의 밸브가 모두 닫혀있지만, 화재가 발생하면 둘 중 적합한 밸브를 개방하여 살수를 실시한다.
▷노즐: 국소형, 광역형 살수 시 사용되는 노즐로써 2개가 위치해있다.
▷지지대: 벽면과 연결되어 스프링클러를 고정시키는 역할을 한다.
서포터
<서포터의 3D 모델링과 2D 모델링의 평면도>
상부본체 PART1
<상부 본체의 윗부분의 3D 모델링과 2D 모델링의 저면도와 배면도>
상부본체 PART2
<상부 본체의 아랫부분의 3D 모델링과 2D모델링의 평면도와 정면도>
하부본체
<하부본체의 3D 모델링과 2D 모델링의 평면도와 정면도>
소프트웨어 상세설계
평상 시 소프트웨어
국소 화재 감지 시 소프트웨어
광역 화재 감지 시 소프트웨어
화재 종료 시 소프트웨어
화재 지역 특정 알고리즘
토크 계산
개선사항
내장형
<개선 전> <개선 후>
▷전선을 본체 내부에 위치하게 함으로써 화재의 열기 및 물로 인한 사고 발생가능성 최소화
분리형
<개선 전> <개선 후>
▷스프링클러를 분리형으로 만듦으로써 손쉽게 부속품들 장탈착 가능
비대칭형
<개선 전> <개선 후>
▷소화재 배관을 중앙이 아님 정면으로 비대칭함으로써 스프링클러 크기 최소화
결과 및 평가
완료작품 소개
프로토타입 사진
포스터
특허출원번호 통지서
개발사업비 내역서
완료 작품의 평가
<화재 동영상 실험> <화재 모의 실험> <가격>
향후평가
▷금속으로 적용 시 높은 방수성 및 기밀성 확보 가능 ▷내부 부속품들(솔레노이드 밸브, 노즐 등)의 개별 제작을 통해 제작비 절감 가능 ▷내부 부속품들(솔레노이드 밸브, 노즐 등)의 개별 제작을 통해 무게 절감 가능 - 솔레노이드 밸브 각 4.18 kg
부록
참고문헌 및 참고사이트
1)https://www.kfpa.or.kr/business/pdf/07_02/datasheet5.pdf
2)http://riskcenter.tistory.com/archive/20180525
3)http://nownews.seoul.co.kr/news/newsView.php?id=20150328601002
4) (주)건일에임씨, 상하분사 스픵클러 방식의 건물용 소방장치, 10-1700733, 2016.05.16., 2017.01.23.
5) 전주대학교 산학협력단, 랙크식 창고 자동 소화 살수 시스템, 10-1868603, 2017.01.19, 2018.06.11.
6) (주) 비전엔지니어링, 스프링클러 방사조절장치, 10-0070943, 2015.12.14, 2017.06.23.
7) 송준영, 길이조절용 스프링클러, 20-0000418, 2009.07.08, 2011.01.14.
8)http://www.paratech.co.kr/korea/product/goods/goods_view.asp?num=186&sj=&sw=&option1=8&option3
