가스계 소화약제의 임계온도를 알아야 하는 이유

임계온도란

가. 임계온도의 뜻

기체는 압력을 가하면 액화되는 특징을 가지고 있다. 그런데 어느 온도에서 부터는 아무리 큰 압력을 가하여도 더 이상 액화되지 않는 온도가 있다. 이를 임계온도라고 한다. 즉, 임계온도 이상에서는 기체로만 존재한다는 것을 의미한다.

 

나. 좀 더 쉽게 이야기해보자.

① 이산화탄소의 임계온도는? 이산화탄소의 경우에는 31.25℃가 임계온도이다. 그 이하의 온도에서는 압력을 가하면 액화가 가능한데 그 이상의 온도에서는 압력을 가해도 액화되지 않고 기체로만 존재한다.

② 물의 임계온도는 얼마일까? 아쉽게도 100℃가 아니다. 1기압일 때는 100℃ 라는 온도가 가능한 이야기 이지만, 100℃ 이상이라도 압력을 가하면 성상이 달라진다. 결론적으로 물의 임계온도는 374.15℃이다. 이 온도 이상에서는 아무리 큰 압력을 가하여도 물이 되지 않는다.

 

이산화탄소의 성상 변화

<이산화탄소 성상에 따른 임계온도 그래프>

가스계 소화약제 저장용기실의 온도

가. 화재안전기준에서 저장용기실에 대한 온도 기준

① 이산화탄소 소화약제 : 온도가 40℃ 이하이고, 온도변화가 적은 곳에 설치할 것

② 할론소화약제 : 온도가 40℃ 이하이고, 온도변화가 적은 곳에 설치할 것.

③ 할로겐화합물 및 불활성기체 소화약제 : 온도가 55℃ 이하이고 온도의 변화가 적은 곳에 설치할 것.

 

나. 주요 소화약제별 임계온도

주요 소화약제의 임계온도

이 표로 알 수 있는 것은 HFC-23과 이산화탄소와 HFC-23의 임계온도는 일상 생활에서 쉽게 접할 수 있는 온도라는 것이다. 특히 여름철이면 무조건 임계온도 이상의 온도에 도달할 수 있다는 것을 의미한다. 

 

다. 소화약제의 임계온도 보다 저장용기실의 기준온도가 더 높다.

화재안전기준에서 규정하고 있는 소화약제 저장용기실의 상한 온도를 보니 이산화탄소 소화약제는 40℃ 이고, 할로겐화합물 소화약제의 경우는 55℃이다. 그런데 이산화탄소의 임계온도가 31.25℃ 이므로 화재안전기준의 저장용기실 상한 온도보다 더 낮다. 그리고 할로겐화합물 소화약제 중 HFC-23의 경우도 화재안전기준에서 규정하고 있는 저장용기실의 상한 온도보다 훨씬 더 낮다.

 

라. 저장용기실의 온도가 소화약제의 임계온도를 넘어서면?

HFC-23 소화약제의 임계온도는 25.9℃ 인데 실내 온도가 40℃가 된다면 어떤 현상이 발생할까? 임계온도에 도달하는 기점에서부터 액체는 표면장력이 없어지면서 기체화된다. 왜냐하면 임계온도는 일정한 압력을 가한다 하더라도 기체로 존재하는 온도이기 때문이다. 따라서 저장용기 내부의 소화약제는 압력이 형성되어 있는 상태이므로 액체도 기체도 아닌 애매한 상태를 유지하게 된다.

 

마. Liquid Full 현상이 되어 저장용기도 위험해진다.

가스계 소화약제 저장용기의 온도가 상승하면 액상 부분이 기화되면서 내부 압력이 증가하게 된다. 온도의 변화로 인해 증가된 압력이 저장용기에 악영향을 주는 압력까지 상승하는 현상을 Liquid Full 현상이라 한다. 임계온도가 낮은 소화약제를 저장하고 있는 저장용기실의 온도가 올라가면 내부 소화약제의 기화로 인한 압력으로 인해 저장용기에도 영향을 미친다. 그래서 저장용기실의 온도를 40℃ 또는 55℃로 제한하고 있는 것이다.

 

 

임계온도가 우리에게 주는 의미

가. 저장용기 내부 소화약제의 성상

각 가스계 소화약제의 임계온도를 살펴보아야 하는 이유는 해당 소화약제 저장용기 내부에서 어떤 상태로 저장되고 있는가와 관계가 있다. 이산화탄소와 할로겐화합물 소화약제는 압력을 통해 액화하여 저장한다. 일정한 용량의 저장용기에 보다 많은 양의 소화약제를 저장하기 위해서 압력을 통해 압축하는 것이다.

 

나. 배관 내에서 기화되는 2상계 흐름의 문제

가스계 소화약제는 화재가 발생하면 액상으로 배관을 타고 헤드까지 도착한 후 화재 구역에서 기화되어 방사되는 특징을 가진다. 배관 내에서 소화약제가 배관의 온도에 의해 기화되기 때문에 액상과 기상으로 움직이는 2상계 흐름(Two Phase Flow)을 최소화 시키는 것이 관건이기도 하다. 배관 내에서 기화되는 것을 최소화 시켜야 액화되어 있는 소화약제가 헤드에 빨리 도달하여 방사될 수 있기 때문이다.

 

다. 여름철 화재시 소화 가능성

그만큼 가스계 소화약제는 저장용기와 배관 내에서 액상을 유지하는 것이 중요하다. 그런데 온도의 상승으로 미리 저장용기에서 기화되어 기상으로 존재한다면 방호구역에서 소화효과가 없어지는 결과를 가져온다. 헤드에서 10초 이내에 방사되어야 독성 물질의 생성을 최소화하고 설계농도에 도달하게 된다. 방호구역 전체에서 균일한 농도로 정해진 시간 이내에 방사되도록 토너먼트 배관 시스템을 구축해 놓았다 하더라도, 저장용기에서 미리 기화된 소화약제에 의해 이러한 노력이 실패로 이어진다. 저장용기실의 온도가 올라가는 여름철일수록 소화효과를 장담하기 곤란한 이유이다.

 

라. 소화약제량 측정 방법

임계온도가 실온과 비슷한 소화약제의 경우에는 소화약제량을 측정하기 위해 LSI를 사용해도 측정이 곤란하다. 액상으로 존재해야 액위를 측정하는데 온도의 상승으로 기화된 부분이 많은 경우 액위 측정이 의미가 없기 때문이다. 이런 경우에는 저울을 이용해서 무게를 측정해야 한다. 그런데 CO2나 HFC-23 저장용기의 소화약제량 액위 측정을 냉방장치도 없는 저장용기실에서 여름철에 실시했다면 저 높이가 정말 가능했을까 하는 의문이 남는다.

법령에서 손 봐야 할 부분

가. 저장용기실의 상한 온도 수정

고압가스 안전관리법 시행규칙 제2조(정의) 제1항 제3호에서 “액화가스”란 가압·냉각 등의 방법에 의하여 액체 상태로 되어 있는 것으로서 대기압에서의 끓는점이 섭씨 40도 이하 또는 상용 온도 이하인 것을 말한다고 규정하고 있다. 하지만 이 법과의 연관성보다는 임계온도와 연관된 온도 제어가 더 현실적일 것이다. 따라서 실온과 유사한 가스계 소화약제에 대해서는 저장용기실의 상한 온도 규정을 낮추어야 할 것으로 보인다.

 

나. 임계온도에 따른 저장용기실의 온도 유지

만약 각 가스계 소화시설별 저장용기실의 상한 온도 규정을 그대로 유지해야 할 필요성이 있다면 어떤 방법이 필요할까? 임계온도 이하로 유지될 수 있도록 소화약제 저장용기실을 냉방하는 조치를 취하게 할 수 있을 것이다. 그러면 저장용기실에서의 Liquid Full 현상을 예방할 수 있고, 소화약제 방출시 배관에서의 2상계 흐름에도 대응할 수 있으리라 본다.

 

--------------------------------------------------------------------------------------------------------

끝까지 읽어 주셔서 감사 드립니다.

글 내용 중에 제가 잘못 생각하고 있는 부분이 있거나,

더 좋은 의견이 있으시면, 댓글로 저를 일깨워 주시면 감사하겠습니다.