옥내소화전설비 실기 문제 풀이, 난이도 최상 문제

1. 다음 그림은 어느 옥내소화전설비의 계통을 나타내는 Isometric Diagram이다. 이 옥내 소화전설비에서 펌프의 소요

     정격토출량이 200 [ℓ/min]이라면 다음 조건을 참조하여 각 물음에 답하시오. [11점] ★★★★★

 

[조건]

  ① 옥내소화전 [Ⅰ] 에서 관창선단의 방수압력과 방사량은 각각 0.17 [MPa], 130[ℓ/min] 이다.

  ② 호스길이 100 [m]당 130 [ℓ/min]의 유량으로 마찰손실수두는 15 [m]이고 마찰손실의 크기는 유량의 제곱에 정비례한다.

  ③ 각 밸브 및 관부속품에 대한 등가길이는 다음 표와 같다.

관부속품	등가길이	관부속품	등가길이
옥내소화전 앵글밸브 (40 ㎜)	10 [m]	90 ˚ 앵글밸브 (50 ㎜)	1 [m]
체크밸브 (50 ㎜)	5 [m]	분류티 (50 ㎜)	4 [m]
게이트 밸브 (50 ㎜)	1 [m]	-	-

  ④ 배관의 마찰손실압력은 다음 식에 따른다고 가정한다.

 

       여기서, △Pm : 배관 1 [m] 당 마찰손실 압력 강하 [MPa/m]

                 Q : 유량 [ℓ/min]

                 C : 관의 조도 (120)

                 D : 관의 내경 [㎜] (50 [㎜] 배관의 경우 : 53 [㎜], 40 [㎜] 배관의 경우 : 42 [㎜]

  ⑤ 펌프의 양정력은 토출량의 대소에 관계없이 일정하다고 가정한다.

  ⑥ 물음의 정답을 산정할 때 펌프 흡입측의 마찰손실수두, 정압, 동압 등을 일체 계산에 포함하지 아니한다.

 

가. 최고위 옥내소화전 앵글밸브의 호스접결구에서 관창선단까지의 마찰손실수두 [m]를 구하시오.

나. 최고위 옥내소화전 앵글밸브의 마찰손실압력 [kPa]을 구하시오.

다. 최고위 옥내소화전 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구까지의 총 등가길이 [m]를 구하시오.

라. 최고위 옥내소화전 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구 까지의 마찰손실압력 [kPa]을 구하시오.

마. 펌프의 전동기 소요동력은 몇 [kW]인가 ? (단, 효율은 0.6 이며, 축동력 계수는 1.1 이다.)

바. 옥내 소화전 (Ⅲ)을 조작하여 방수했을 대 방수량을 q [ℓ/min]라고 할 때 각 물음에 답하시오.

   ① 해당 소화전 앵글밸브의 호스접결구에서 관창선단까지의 마찰손실압력 [kPa]은 어떤 식으로 표현되는가 ?

   ② 해당 옥내소화전 앵글밸브에서 마찰손실압력 [kPa]은 어떤 식으로 표현되는가 ?

   ③ 해당 옥내소화전 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구까지의 마찰손실압력 [kPa]은 어떤 식으로 표현되는가 ?

   ④ 해당 관창선단의 방수압 [MPa]과 방수량 [ℓ/min]을 각각 구하시오.

 

[문제 풀이] 1. 문제 파악

                   2. 단위 확인

                    3. 공식의 단위 확인

※ 옥내 소화전의 기준 개수

   ⊙ 29층 이하 : N : 2개, Q = q × t × N = 130 [ℓ/min] ×20 [min] × N = 2.6 N [㎥]

   ⊙ 30층 이상 : 5개

      ▶ 고층 건축물 (30~49층) : 5개, 130 [ℓ/min] × 40 [min] × N = 5.2 N [㎥]

      ▶ 초고층 건축물 :              5개, 130 [ℓ/min] × 60 [min] × N = 7.8 N [㎥]

      ▶ 높이 120 [m] 이상 :        5개, 130 [ℓ/min] × 60 [min] × N = 7.8 N [㎥]

​

[답안작성]

가. 소방호스의 마찰손실수두 [m]​

나. 앵글밸브에서의 마찰손실 압력 [kPa]​

     ※ 위 식에서 ℓ은 조건의 옥내소화전 앵글밸브의 40 [㎜]의 등가길이 10 m를 적용한다.

 ▣ 직접 kPa 단위로 계산하는 방법​

다. 앵글밸브 ↔ 펌프 토출구 까지 배관의 등가길이 [m]

 ▣ 등가길이 = 직관길이 + 관부속품 등가길이

   ① 직관의 길이 : 6[m ] +3.8 [m] + 3.8 [m] + 8[m] = 21.6 [m]

   ② 관부속품 등가길이

     ㉠ 체크밸브 1개 × 5 [m] = 5 [m]

     ㉡ 개폐밸브 1개 × 1 [m] = 1 [m]

     ㉢ 90˚ 엘보 1개 × 1 [m] = 1 [m]

           소계                            7 [m]

   ∴ 등가길이 = 21.6 [m] + 7 [m] = 28.6 [m]

 

라. 앵글밸브 ↔ 펌프 토출구까지의 마찰손실압력 [kPa]​

※ 직접 계산하는 방법​

마. 펌프의 동력 [kW] ​

   H = h1 + h2 + h3 + 17 [m]

    h1 = 2.25 [m]

    h2 = 5.44[kPa] + 4.86 [kPa] = 10.3 [kPa] = 1.03 [m]

    h3 = 6 [m] + 3.8 [m] + 3.8 [m] =13.6 [m]

    H = 2.25 + 1.03 + 13.6 + 17 = 33.88 [m] = 0.3388 [MPa]​

바. 옥내 소화전 (Ⅲ)을 조작하여 방수했을 대 방수량을 q [ℓ/min]라고 할 때 각 물음에 답하시오.

① 소방호스의 마찰손실압력을 표현 [kPa]

  ※ 조건 ② 에서 마찰손실압력(△P)은 유량 (q)의 제곱에 정비례한다고 하였다.​

② 앵글밸브에서의 마찰손실압력을 표현 [kPa]

  ※ 조건 ② 에서 마찰손실압력(△P)은 유량 (q)의 제곱에 정비례한다고 하였다.​

※ 하젠 - 윌리엄스식을 이용하면​

③ 앵글밸브 (Ⅲ) ↔ 펌프 토출구까지의 마찰손실 압력 표현 [kPa]​

등가길이 (L) = 직관길이 + 관부속품 등가길이

        ㉠ 직관길이 : 6 [m] + 8 [m] = 14 [m]

        ㉡ 관부속품 등가길이

           ⓐ 체크밸브 1개 × 5 m  = 5 [m]

           ⓑ 개폐밸브 1개 × 1 m  = 1 [m]

           ⓒ 분류티 1개 × 4 m      = 4 [m]

                소계                          10 [m]

   ∴ 등가길이 = 14 m + 10 m = 24 [m]​

④ 관창선단의 방수압 · 방수량​

※ 방수량을 구하려면 먼저 방수압력(P)를 구해야 한다.

     방수압력 P = 펌프토출압력 - 낙차수두압력 - 마찰손실압력 (h1 + h2)

     펌프 토출압력 : 0.3388 [MPa]

     낙차손실압력 (△h) : 0.06 [MPa]

     호스마찰손실압력 (h1) : 13.31 × 10-4q2 [MPa]

     배관 및 관부속품 마찰손실 (h2) : 3.22 ×10-4 + 2.41×10-4 [MPa]  = 5.63 × 10-4 q2[MPa]

          P = 0.3388 [MPa] - 0.06[MPa] - (5.63+13.31) × 10-4 q2 [MPa] = 0.2788 - 18.94 × 10-4q2 [MPa]​

   ▣ 방수압​

2. 다음 그림은 어느 옥내 소화전설비의 계통도를 나타내는 Isometric Diagram이다. 이 옥내 소화전 설비에서의 펌프의

    소요정격 토출량이 200 [ℓ/min]이라면 다음의 조건을 참조하여 각 물음에 답하시오. [11점] ★★★★★

 

[조건]

  ① 옥내 소화전 [Ⅰ] 에서 관창선단의 방수압과 방사량은 0.17[MPa], 130[ℓ/min]이다.

  ② 호스의 길이 100 [m]당 130 [ℓ/min]의 유량으로 마찰손실수두는 15 [m]이고, 마찰손실의 크기는 유량의 제곱에

       비례한다.

  ③ 각 밸브 및 관부속품에 대한 등가길이는 다음 표와 같다.

관부속품	등가길이	관부속품	등가길이
옥내소화전 앵글밸브 (40 ㎜)	10 [m]	90 ˚ 앵글밸브 (50 ㎜)	1 [m]
체크밸브 (50 ㎜)	5 [m]	분류티 (50 ㎜)	4 [m]
게이트 밸브 (50 ㎜)	1 [m]	-	-

  ④ 배관의 마찰손실압력은 다음 식에 따른다고 가정한다.​

    여기서, △Pm : 배관 1[m] 당 마찰손실압력 강하 [kPa/m]

                  Q : 유량 [ℓ/min]

                  C : 관의 조도 (120)

                  D : 관의 내경 [㎜] (50 ㎜ 배관의 경우 : 53 ㎜, 40 ㎜ 배관의 경우 : 40 ㎜)

  ⑤ 펌프의 양정력은 토출량의 대소에 관계없이 일정하다고 가정한다.

  ⑥ 물음의 정답을 산출할 때 펌프흡입측의 마찰손실수두, 정압, 동압 등은 일체 계산에 포함시키지 아니한다.

가. 최고위 옥내소화전 앵글밸브의 호스접결구에서 관창선단까지의 마찰손실수두 [m]를 구하시오.

나. 최고위 옥내소화전 앵글밸브에서의 마찰손실압력 [kPa]를 구하시오.

다. 최고위 옥내소화전 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구 까지의 총 등가길이 [m]를 구하시오.

라. 최고위 옥내소화전 인입구로 부터 펌프 토출구까지의 마찰손실압력[kPa]을 구하시오.

마. 펌프의 전동기 소요동력은 몇 [kW]인가 ? (단, 효율은 0.6이며, 축동력 계수는 1.1 이다.)

바. 옥내소화전 (Ⅲ)을 조작하여 방수했을 때 방수량을 q[ℓ/min]라고 할 때 다음 각 물음에 답하시오.

 ① 해당 옥내소화전 앵글밸브의 호스접결구에서 관창선단까지의 마찰손실압력[Pa]은 어떤 식으로 표현되는가 ?

 ② 해당 옥내 소화전 앵글밸브에서의 마찰손실압력 [Pa]은 어떤 식으로 표현되는가 ?

 ③ 해당 옥내 소화전 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구까지의 마찰손실압력 [Pa]은 어떤식으로 표현되는가 ?

 ④ 해당 관창선단의 방수압 [MPa]과 방수량 [ℓ/min]을 각각 구하시오.

 

[답안작성]

 

가. 소방호스의 마찰손실수두 [m]​

나. 앵글밸브에서의 마찰손실압력 [kPa]​

※ 위 식에서 ℓ은 조건의 옥내소화전 앵글밸브의 40 [㎜]의 등가길이 10 m를 적용한다.

다. 앵글밸브 ↔ 펌프 토출구까지 배관의 등가길이 [m]

 ▣ 등가길이 = 직관길이 + 관부속품의 등가길이

   ① 직관의 길이 : 6 [m] + 3.8 [m] + 3.8 [m] + 8 [m] = 21.6 [m]

   ② 관부속품의 등가길이

      ㉠ 체크밸브 1개 × 5 [m]        = 5 [m]

      ㉡ 개폐밸브 1개 × 1 [m]       = 1 [m]

      ㉢ 90˚ 앵글밸브 1개 × 1 [m] = 1 [m]

              소계                                  7[m]

   ∴ 등가길이 = 21.6 + 7 = 28.6 [m]

 

라. 앵글밸브 ↔ 펌프 토출구까지의 마찰손실압력 [kPa]​

마. 펌프의 동력 [kW]​

       전양정 H = h1 + h2 + h3 + 17 [m]

       호스마찰손실수두 h1 : 2.25 [m]

       배관 및 관부속품 마찰손실수두 h2 : 0.544 + 0.486 = 1.03 [m]

       실양정 h3 : 6 m + 3.8 m + 3.8 m =13.6 [m]

         ∴ 전양정 = 2.25 + 1.03 + 13.6 + 17 =33.88 [m]​

바. 옥내소화전 (Ⅲ)을 조작하여 방수했을 때 방수량을 q[ℓ/min]라고 할 때 다음 각 물음에 답하시오.

① 소방호스의 마찰손실압력을 표현 [Pa]

   ※ 조건②에서 마찰손실압력(△P)은 유량(q)의 제곱에 정비례한다고 하였다.​

② 앵글밸브에서의 마찰손실압력 표현 [Pa]

  ※ 조건②에서 마찰손실압력(△P)은 유량(q)의 제곱에 정비례한다고 하였다.​

  ※ 하젠 - 윌리엄스식을 이용하면​

③ 앵글밸브 (Ⅲ) ↔ 펌프 토출구 까지의 마찰손실압력 표현 (kPa)​

 ▣ 등가길이 = 직관길이 + 관부속품 등가길이

  ① 직관길이 : 6 [m] + 8 [m] = 14 [m]

  ② 관부속품 등가길이

    ㉠ 체크밸브 1개 × 5 m = 5 m

    ㉡ 개폐밸브 1개 × 1 m = 1 m

    ㉢ 분류티 1개 × 4 m = 4 m

         소계                       = 10 m

    ∴ 등가길이 : 14 m + 10 m = 24 [m]​

④ 관창선단의 방수압[MPa] · 방수량 [ℓ/min]

  ※ 방수량을 계산하기 위하여 우선 방수계수 K를 먼저 구한다.​

  ※ 방수량을 구하기 전에 펌프 토출 방수압력을 이용하여 관창선단의 방수압력식을 구해 보자.

       관창선단 압력 = 펌프 토출압력 - 낙차수두(△h) - 마찰손실압력 (h1 + h2)

      ㉠ 펌프토출압력 : 33.88 [m] =0.3388 [MPa]

      ㉡ 낙차수두 (△h) : 6 [m] = 0.06 [MPa]

      ㉢ 호스마찰손실압력 (h1) : 1.331 × 10-6 q2[MPa]

      ㉣ 배관 및 관부속품 마찰손실 압력 (h2) : 0.322×10-6 q2 + 0.241 ×10-6 q2 = 0.563 × 10-6 q2

      ㉤ 관창선단압력 P = 0.3388-0.06 - (1.331+0.563) × 10-6 q2 = 0.2788 - 1.894 × 10-6 q2​

   ▣ 방수압​

3. 다음 그림은 어느 옥내소화전설비의 계통을 나타내는 구조도 (Isometric Diagram)이다. 이 옥내소화전설비에서 펌프의

     정격토출량이 200 [ℓ/min]이라면 다음 조건을 참조하여 각 물음에 답하시오. [11점] ★★★★★

 

[조건]

 ① 옥내소화전 [Ⅰ]에서 관창선단의 방수압력과 방사량은 각각 0.17 [MPa], 130[ℓ/min] 이다.

 ② 호스의 길이 100 [m]당 130 [ℓ/min]의 유량으로 마찰손실수두는 15[m]이다.

 ③ 각 밸브 및 관부속품에 대한 등가길이는 다음과 같다.

   ⊙ 앵글 밸브 (φ 40 ㎜) : 10 [m]

   ⊙ 게이트 밸브 (φ 50 ㎜) : 1 [m]

   ⊙ 체크 밸브 (φ 50 ㎜) : 5 [m]

   ⊙ 티 (φ 50 ㎜, 분류) : 4 [m]

   ⊙ 엘보 (φ 50 ㎜) : 1 [m]

 ④ 배관의 마찰손실압은 다음 식에 따른다고 가정한다.​

     여기서, △P : 배관 1 [m]당 마찰손실압력 [MPa]

                  Q : 유량 [ℓ/min]

                  D : 관의 내경 [㎜], (50 ㎜ 배관의 경우 : 53 ㎜, 40 ㎜ 배관의 경우 : 42 ㎜

  ⑤ 펌프의 양정은 토출량의 대소에 관계없이 일정하다고 가정한다.

  ⑥ 물음의 정답을 산출할 때 펌프흡입측의 마찰손실수두, 정압, 동압 등은 일체 계산에 포함하지 않는다.

  ⑦ 본 조건에- 자료가 제시되지 아니한 것은 계산에 포함시키지 않는다.

가. 소방호스의 마찰손실수두 [m]를 구하시오.

나. 최고위 앵글밸브에서의 마찰손실압력 [kPa]을 구하시오.

다. 최고위 앵글밸브 인입구로 부터 펌프토출구까지의 배관의 총 등가길이[m]를 구하시오.

라. 최고위 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구 까지의 마찰손실압력 [kPa]을 구하시오.

마. 펌프의 전동기 소요동력은 몇 [kW]인가 ? (단, 효율은 0.6이며, 축동력 계수는 1.1이다)

바. 옥내소화전 (Ⅲ)을 조작하여 방수했을 때 방수량을 q [ℓ/min]라고 할 때 다음 각 물음에 답하시오.

  ① 이 옥내소화전 호스를 통하여 일어나는 마찰손실압력 [Pa]은 얼마인지 쓰시오. (단, q는 기호 그대로 사용하고

       마찰손실 크기는 유량의 제곱에 정비례한다.)

  ② 당해 앵글밸브 인입구로 부터 펌프 토출구까지의 마찰손실압력 [Pa]를 구하시오. (단, q는 기호 그대로 사용한다.)

  ③ 당해 앵글밸브의 마찰손실압력 [Pa]을 구하시오. (단, q는 기호 그대로 사용한다.)

  ④ 당해 호스 관창선단의 방수압 [kPa]과 방수량 [ℓ/min]을 각각 구하시오.

​

[문제풀이]

 

가. 소방호스의 마찰손실수두 [m]​

나. 앵글밸브에서의 마찰손실압력 [kPa]​

    ※ 위 식에서 길이(L)는 앵글밸브의 등가길이를 적용한다.

다. 앵글밸브 ↔ 펌프토출구까지 배관의 등가길이 [m]

  ▣ 배관의 등가길이 = 직관길이 + 관부속품의 등가길이

   ① 직관의 길이 = 6 m + 3.8 m + 3.8 m + 8 m = 21.6 [m]

   ② 관부속품의 등가길이

     ㉠ 체크밸브 1개 × 5 m = 5 m

     ㉡ 개폐밸브 1개 × 1m = 1 m

     ㉢ 엘보 1개 × 1 m        = 1 m

           소계                           7 m

   ∴ 배관의 등가길이 : 21.6 + 7 = 28.6 [m]

 

라. 앵글밸브 ↔ 펌프토출구 까지의 마찰손실압력 [kPa]​

   ※ 길이 L 의 '다'에서 구한 배관의 등가길이를 적용한다.

마. 펌프의 동력 [kW]​

▣ 전양정 H = h1 + h2 + h3 + 17 [m]

    호스마찰손실수두 (h1) : 2.25 [m]

    배관 및 관부속품 마찰손실수두 (h2) : (5.39+4.82)kPa =10.21 [kPa]=1.021 m

    실양정 (h3) : 6 + 3.8 + 3.8 = 13.6 [m]

      ∴ 전양정 : 2.25 + 1.021 + 13.6 + 17 = 33.87 [m]​

바. 옥내소화전 (Ⅲ)을 조작하여 방수했을 때 방수량을 q [ℓ/min]라고 할 때 다음 각 물음에 답하시오.

 ① 옥내소화전 소방호스의 마찰손실압력을 표현 [Pa]

    ※ 문제의 조건에서 마찰손실압력은 유량의 제곱에 비례한다고 하였다.​

② 앵글밸브에서의 마찰손실압력을 표현 [Pa]​

  ※ 하젠 - 윌리엄스식을 이용하면​

③ 앵글 밸브(Ⅲ) ↔ 펌프 토출구 까지의 마찰손실압력 [Pa]​

  ▣ 등가길이 L : 직관의 길이 + 관부속품의 마찰 등가길이 [m]

   ㉠ 직관의 길이 : 6 m + 8 m = 14 [m]

   ㉡ 관부속품의 등가길이

     ⓐ 체크 밸브 1개 × 5 m = 5 [m]

     ⓑ 개폐 밸브 1개 × 1 m = 1 [m]

     ⓒ 분류티 1개 × 4 m      = 4 [m]

           소계                        10 [m]

   ∴ 배관의 등가길이 : 14 + 10 = 24 [m]​

④ 관창선단의 방수압[MPa] · 방수량 [ℓ/min]

   ※ 방수량을 계산하기 위하여 우선 방수계수 K를 먼저 구한다.​

   ※ 방수량을 구하기 위해 관창선단의 압력식을 먼저 구한다.

  ▣ 관창선단 압력 = 펌프토출압력 - 낙차수두 - 마찰손실압력 (h1+h2)

   ㉠ 펌프토출압력 : 33.87[m] =0.3387 [MPa]

   ㉡ 낙차수두 : 6 [m] = 0.06 [kPa]

   ㉢ 호스마찰손실수두 (h1) : 1.33 × 10-6q2 [MPa]

   ㉣ 배관 및 관부속품 마찰손실(h2) : (0.32 + 0.24) ×10-6 q2 [kPa]

      ∴ 관창선단압력 = 0.3387 - 0.06 - 1.33 × 10-6 - 0.56 × 10-6 q2 [kPa] = 0.2787 - 1.89 × 10-6 q2 [kPa]​

   ▣ 방수압 [kPa]​

 

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