이산화탄소 소화약제 저장용기의 온도 변화에 따른 압력 변화

이산화탄소 소화약제는 다른 소화약제 보다 온도에 따라 압력의 변화가 심하고, 압력의 변화에 따라 이산화탄소 소화약제의 성상이 변한다. 이번에는 이산화탄소 소화약제 저장용기의 온도 변화에 따른 압력 변화에 대해 알아보고자 한다.

 

이산화탄소 소화약제 저장용기

충전비와 저장량에 대한 이야기

가. 충전비라는 것이 무엇인가?

이산화탄소 소화약제의 저장방식은 고압식과 저압식 두 가지로 구분된다. 주위에서 볼 수 있는 이산화탄소 소화설비는 대부분 고압식이다. 이산화탄소 소화약제를 저장용기 속에 압축하여 액상으로 저장하는 방식을 사용한다. 68ℓ의 저장용기들이 설치되어 있다면 고압식이라고 생각하면 된다.

고압식인 경우 충전비는 1.5이상 1.9이하로 하게 되어 있으며, 저압식의 충전비는 1.1이상 1.4이하로 유지하게 하고 있다. 충전비라는 것은 용기의 용적과 소화약제 중량과의 비율을 말한다. 다시 말하면 저장용기의 내용적에 이산화탄소 소화약제를 얼마를 저장했는가를 가지고 계산한다.

 

충전비 = 용기의 내용적(ℓ) / 소화약제의 저장 중량(kg)

 

위 공식과 관련하여 68리터 용기에 45kg을 저장한다면, 총전비 = 68리터/45kg = 1.5에 해당한다.

 

나. 충전비에 따른 이산화탄소 저장 중량

고압식 저장방식에서는 충전비를 1.5이상 1.9이하에서 선택할 수 있다. 충전비가 1.5라면 68ℓ의 용기에 45Kg을 저장했다는 의미이다. 충전비가 1.9라면 68ℓ의 용기에 36Kg를 저장했다는 의미이다. 실무에서는 충전비를 1.5가 되도록 하여 하나의 용기에 45Kg을 저장하는 경우가 대부분이다. 그래야 동일한 소화약제의 양을 적은 숫자의 저장용기 수에 저장할 수 있어 경제적이기 때문이다.

 

 

온도 변화에 따른 저장용기 내부의 압력변화

가. 온도 변화에 따른 내부 압력 변화

온도 변화에 따른 이산화탄소 소화약제의 저장용기 내부의 압력 변화를 살펴보면 온도가 올라갈수록 내부 압력도 상승하는 것을 알 수 있다. 이는 충전비에 따라서도 약간씩 다른 변화를 보여준다. 20℃ 이하에서는 내부 압력이 충전비에 따라 특별한 차이를 보이지 않는다. 그러나 20℃ 이상부터 온도가 높아질수록 충전비에 따라 소화약제 저장용기 내부의 압력도 큰 차이를 보이는 것을 알 수 있다.

화재안전기준에서는 저장용기실의 온도를 40℃ 이하로 유지하도록 하고 있으며 온도 변화가 적은 곳이어야 한다고 규정하고 있다. 40℃ 이상으로 온도가 변화 할수록 저장용기 내부의 압력변화도 급격하게 커지기 때문이다.

 

이산화탄소 저장용기 충전비에 따른 온도 및 압력 변화 (자료 : 건국방재)

나. 충전비에 따른 내부 압력 변화

표에서 40℃를 보면 충전비에 따라 변하는 내부 압력을 볼 수 있다. 이산화탄소 소화설비는 대부분 고압식 저장용기를 사용하고 있으므로 충전비가 1.5에서 1.9이하를 유지한다. 표를 보면 15℃에서는 충전비와 상관없이 약 53Kg/㎠의 압력을 갖는다. 가장 많이 사용하는 충전비가 1.5일 때의 그래프를 보면 40℃에서 약 130Kg/㎠인 것을 알 수 있다. 같은 온도에서 충전비가 1.7일 때는 약 110Kg/㎠에 해당한다. 충전비가 1에 가까워질수록, 즉 저장용기에 이산화탄소 소화약제의 충전량이 많아질수록 내부 압력이 더 상승하는 것을 알 수 있다.

 

다. 충전비와 내부 공간 및 압력과의 상관관계

68ℓ라는 한정된 공간에 충전량을 45Kg(충전비 1.5) 했느냐 36Kg(충전비 1.9) 했느냐에 따라 저장용기 내부의 기상의 공간이 달라진다. 액화된 액체가 많을수록 기화될 수 있는 기상 공간은 줄어든다. 온도가 상승하여 내부 액화된 이산화탄소가 기화되는 경우 기체의 공간이 적으므로 압력이 더 올라가는 것이다. 결국, 충전비가 낮을수록 기체의 공간은 작고 온도의 변화에 더 민감해 지는 것을 알 수 있다.

소화약제 저장용기의 최소 설계압력과 내압시험 압력

가. 최소 설계압력

화재안전기준에서는 이산화탄소 소화약제 저장용기실의 온도를 40℃ 이하로 유지하게 하고 있다. 즉 이산화탄소 소화약제 저장용기의 내부 압력이 충전비가 1.5인 경우에 130Kg/㎠을 넘지 않도록 하고 있는 것으로 생각하면 된다. 이 압력이 이산화탄소 소화약제의 저장용기가 가져야 할 최소 설계압력이다. 저장용기가 견딜 수 있는 압력이 최소 이 압력 이상은 되어야 40℃의 온도에도 저장용기가 파괴되지 않고 기능을 유지할 수 있다.

 

나. 내압시험 압력

저장용기가 가져야 할 최소 설계압력은 130Kg/㎠ 이지만 내압시험 압력은 다르다. 고압식 저장용기의 내압시험은 25Mpa 이상의 압력으로, 그리고 저압식의 저장용기는 3.5Mpa 이상의 압력으로 시험하여 합격한 것을 사용하게 되어 있다. 표에서 25Mpa에 해당하는 250Kg/㎠은 충전비 1.5인 경우의 저장용기 내 온도가  80℃ 이상의 온도일 때에 형성되는 최대 압력의 경우를 의미한다. 화재안전기준에서는 주위 온도를 40℃ 이하로 유지하게 하고 있지만 내압시험 압력은 80℃까지 온도가 올라가는 상황에서도 저장용기가 안전성을 확보할 수 있도록 내압시험 압력을 규정하고 있다.

 

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