4조 - 불 꺼줘

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

가스를 활용한 스프링클러의 경우 본 프로젝트보다 2차 수손피해 방지 효과가 더 높다. 그 중 이산화탄소를 활용할 경우 직접적으로 산소의 공급을 차단하므로 가장 높은 화재진압효과를 갖고 있다. 본 프로젝트 또한 카메라를 통해 국소지역을 지정해서 화재를 진압하므로 2차 수손피해 방지 효과가 높다. 다만, 대형화재의 경우에는 물을 사용하기 때문에 고체 에어로즐이나 폼챔버와 같이 고체를 통해 화재를 진압하는 스프링클러보다는 화재진압효과가 조금 떨어진다고 평가된다. 미세물분무의 경우에는 2차 수손피해를 최소화할 수 있지만 화재 규모가 커지는 경우에는 화재진압효과가 떨어지는 치명적인 단점이 있다.

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

특허와 경쟁제품들의 장점과 단점 분석을 통해 요구사항을 다음의 단계별로 도출했다.

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.

조립도

조립도

내용

조립순서

내용

부품도

내용

제어부 및 회로설계

내용

소프트웨어 설계

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자재소요서

내용

결과 및 평가

완료작품 소개

프로토타입 사진

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포스터

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특허출원번호 통지서

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개발사업비 내역서

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완료 작품의 평가

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향후평가

내용

부록

참고문헌 및 참고사이트

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관련특허

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소프트웨어 프로그램 소스

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