건식밸브 1차측과 2차측의 면적을 다르게 하는 과학적 이유

건식밸브는 2차측 배관에 압축공기가 존재함으로 해서 클래퍼가 쉽게 개방될 수 없는 상황에 직면한다. 그래서 이러한 단점을 방지하고자 클래퍼 1차측과 2차측의 단면적의 면적비를 조정하여 클래퍼 개방에 걸리는 시간을 최소화하기 위한 조치를 사용하고 있다. 건식밸브의 개방을 위한 조치로 어떤 과학적 원리가 적용되고 있는지, 건식밸브에 적용되는 파스칼(Pascal)의 원리에 대해 알아보자.

파스칼(Pascal)의 원리

가. 어떤 원리 이길래?

밀폐된 용기에 담긴 유체에 가해진 압력은 유체의 모든 부분과 유체를 담은 용기의 벽까지 동일하게 전달된다는 원리이다. 여기서 유체는 비압축성 유체여야 한다. 압축되는 것이라면 의미가 없다. 따라서 비압축성 유체에 압력을 가하면 유체 뿐만아니라 유체를 담고 있는 모든 부분에 동일한 힘이 전달된다는 것을 말한다.

그래서 최초 힘을 발생시키는 한쪽은 작은 관을 사용해서 면적을 줄이고, 힘을 발휘해야 할 곳에는 큰 관을 사용해서 면적을 넓혀 놓는다. 그러면 각 면적마다 압력이 가해지므로 면적 넓이만큼 엄청난 힘이 생성되는 것이다.

 

파스칼 원리른 알려주는 그림

나. 어떤 분야에서 사용하고 있나?

주변에서 볼 수 있는 파스칼의 원리는 유압장치에서 응용되고 있다. 자동차 공업사에서 자동차를 들어 올릴 때 이용하거나, 운전 중 브레이크를 밟았을 때 적은 힘으로 빠른 속도의 차량을 정지시킬 수 있게 하는 원리이다. 즉 작은 힘으로 큰 힘을 얻어 내고자 하는 곳에서 사용한다. 물론 건식 스프링클러 설비의 건식밸브 클래퍼에서도 파스칼의 원리를 적용하고 있다.

 

다. F = PA

어디서 본 듯한 공식이다. 힘(F)은 압력(P)과 면적(A)을 곱한 것에 비례한다는 공식이다.

면적 A1에 가해지는 압력 P1의 크기에 따라 힘 F1이 결정된다. 면적이 커지면 힘도 커진다. 압력이 커지면 힘도 역시 커진다.

양쪽의 용기가 밀폐되어 F1과 F2가 존재한다면 서로 평행관계를 유지하고 있을 것이다. 이때의 평행관계를 F1 = F2라고 정의하는데 이를 다시 설명하면 P1•A1 = P2•A2가 된다. F = PA이기 때문에 이를 각각 F1과 F2에 대입하면 위의 공식이 된다.

건식밸브 클래퍼의 2차측 단면적이 1차측 물과 접하는 부분과 대비하여 5배가 넓다면, 1차측 수압의 1/5의 공기 압력만으로도 상호간 힘의 균형이 이루어진다는 것을 공식을 통해 알 수 있다.

 

힘의 균형을 알려주는 공식

우리는 무엇을 알려고 하는 것인가?

가. 1차측과 2차측의 힘의 균형을 알려고 하는 것이다.

건식밸브 클래퍼의 1차측 단면적과 2차측 단면적을 비교하여, 1차측 배관의 소화수 압력과 동일한 압력을 가질 수 있는 2차측 배관의 공기압이 궁금한 것이다. 파스칼의 원리를 통하여 건식밸브 1차측과 2차측의 단면적을 알면, 1차측의 소화수 압력 대비 2차측의 공기압이 어느 정도여야 힘의 균형이 이루어질 수 있는지 알 수 있다.

 

나. 1차측 대비 2차측의 단면적을 알려고 하는 것이다.

또한, 2차측의 압력과 더불어 2차측의 단면적이 될 수도 있다. 상호간 힘의 균형을 위해 1차측과 2차측이 동일한 압력이 되려면 1차측 단면적 대비 2차측 단면적은 얼마여야 하는가를 알고자 하는 것이다. 즉, 1차측 소화수 압력에 개방되지 않는 클래퍼 2차측의 공기압을 알려는 것인데, 이 기초가 되는 것이 2차측의 단면적이기 때문이다.

 

건식밸브 1차측과 2차측의 단면적 차이

결국, 건식밸브 클래퍼가 닫힌 상태를 유지하는 원리는

가. 클래퍼 단면적의 크기를 이용한 것이다.

건식밸브의 클레퍼가 닫힌 상태를 유지하는 것은 클레퍼의 단면적의 크기를 이용한 것이다. 2차측의 단면적(가압공기에 의해 압력을 받음)을 1차측의 단면적(가압수에 의해 압력을 받음)보다 5～6배 크게 만들어서, 저압의 공기로도 상호간의 힘의 균형을 유지하려는 것이다.

클래퍼가 닫힌 상태를 유지하는 이유는 힘의 균형 외에도 Priming Water의 중량, 클래퍼 자체의 중량이 2차측의 힘을 보완하고 있기 때문이다.

 

나. 왜 2차측의 압축공기를 최대한 저압으로 유지하려 할까?

2차측의 공기압이 강하면 강할수록 클래퍼가 열리는 Trip Time이 길어진다. 또한 헤드까지 배관을 통과해야 하는 Transit Time도 길어진다. 이는 곧 소화수의 늑장 방수로 이어지고 화재의 초기 진화에도 실패하는 결과를 초래하기 때문이다. 따라서 2차측의 공기압을 최대한 저압으로 유지해야 클래퍼가 쉽게 개방되고, 소화수가 배관을 빠르게 통과할 수 있다. 이를 위해 클래퍼의 1차측과 2차측의 단면적을 조절함으로써 2차측의 압력을 저압으로 유지 가능한 것이다.

 

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