Air Lock 현상
가. Air Lock에 대한 사전적 용어 설명
백과사전 Wikipedia에서 찾아본 Air Lock에 대한 설명은 다음과 같다. 액체로 채워진 파이프 시스템에서 높은 지점에 갖힌 증기로 인해 액체의 흐름이 제한을 받거나 흐름이 중단되는 것을 의미한다. 이를 굳이 해석하면 증기 잠금 또는 공기 잠금이라고 볼 수 있다.
나. 압력수조식 가압송수장치에서 발생하는 현상 중의 하나
① 압력수조식 가압송수장치에서 압력수조에는 에어컴프레셔에 의해 공기가 계속 공급되어 소화수를 고층까지 밀어낼 수 있는 일정한 압력을 형성한다. 그런데 화재를 진압하는 시간이 길어지는 경우 압력수조에서 소화수가 모두 토출되게 된다.
② 이때부터는 압력수조에서 배관 내부로 공기 압력이 채워지기 시작한다. 이러한 배관 내부에 형성된 공기 압력으로 인해 고가수조 또는 옥상수조에서의 물이 수직배관을 통해 방수구 또는 헤드 쪽으로 내려오지 못하게 되는 현상을 Air Lock 현상이라고 한다.
체크밸브가 열리지 못한다.
가. 옥상수조에 설치하는 체크밸브
고가수조나 옥상수조에서 소화수가 수직배관인 주배관으로 내려오는 곳에 체크밸브를 설치한다. 이 체크밸브는 펌프와 같은 가압송수장치에서 발생된 압력이 옥상수조 쪽으로 전달되지 않도록 하는 역할, 그리고 옥상수조에서는 소화수가 아래로 연결된 수직배관 부분으로만 흐르게 하는 역할을 한다. 즉 소화수의 흐름이 한쪽으로만 흐를 수 있도록 하기 위해 체크밸브를 설치하다.
나. 체크밸브까지의 배관 내 압력이 옥상수조의 낙차수두보다 클 때
그런데 압력수조에서 지속적인 압력으로 수직 배관에 수압 및 공기압이 존재하여 체크밸브가 열리지 않게 되는 것도 Air Lock 현상의 일종이다. 이때의 Air Lock은 주배관 내에 공기압이 지속적으로 존재함으로 인해, 옥상수조에서 연결된 배관의 체크밸브가 열리지 않게 되는 것을 의미한다. 즉 수직배관 내 들어찬 공기의 압력이 옥상수조의 자연 낙차 수두보다 더 크기 때문에 체크밸브가 개방되지 않는 것이다.
Air Lock 현상이 발생하는 원인
가. 압력수조의 토출측 수직 배관에 연결된 옥상수조
압력수조방식의 가압송수장치는 압력수조 자체가 수원의 역할을 한다. 압력수조가 지하 또는 저층에 설치된 경우, Fail Safe 기능으로 수원의 1/3 이상에 해당하는 수량을 옥상수조로 설치하게 된다. 이때 옥상수조의 높이 즉 낙차기준은 별도로 존재하지 않지만 통상적으로 최상층 방수구 또는 헤드에서 적정한 방수압력이 나올 수 있는 낙차로 설치하게 된다.
나. 옥상수조의 낮은 자연 낙차압(수두)
그런데 옥상수조에서 가장 가까운 최상층에서는 옥내소화전의 경우 0.17Mpa이므로 최소 17m 이상, 스프링클러의 경우 0.1Mpa이므로 최소 10m 이상의 자연 낙차가 필요하다. 그러므로 이 높이가 낮을수록 자연 낙차에 의한 압력(수두)가 작아지고, 낙차 압력이 작을수록 압력수조의 수직배관 내에 형성된 공기압력의 영향을 받게 된다. 그리고 자연 낙차압력과 함께 배관의 마찰손실압력도 영향을 미치므로 수두 계산에서 고려되어야 한다.
다. 배관 내에 공기 압력 또는 Air Pocket 형성
그런데 이 자연 낙차에 의한 압력(수두)보다 배관 내에 형성된 공기 압력이 더 큰 경우 또는 배관 내에 Air Pocket이 형성된 경우에는 옥상수조에서 출발한 소화수가 방수구 또는 헤드로 원활한 흐름이 발생하지 않는다. 따라서 원하는 방수량과 방수압이 형성되지 못하게 되는데 이 원인이 되는 것이 Air Lock 현상이다.
라. 헨리(Henry)의 법칙
이는 헨리(Henry)의 법칙과도 관련이 있다. Henry의 법칙이란 배관 내부의 액체에 압력에 비례하는 양의 기체가 용입되어 존재하다가, 액체 내부의 압력이 내려가면 용입되었던 기체가 분리되면서 기포로 환원되는 현상을 말한다. 즉 압력수조에 형성된 압축공기가 토출측 배관에 유입되었다가 압력이 낮아지는 상층부에서 기포로 환원되어 Air Pocket이 형성된다. 이 Air Pocket이 밀폐된 배관 내에 존재하면 유체의 흐름에 장애 역할을 하기 때문에 Air Lock을 발생시키는 원인 역할을 한다.
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