이산화탄소의 액화 저장과 관련된 물리적 특성
가. 임계점과 삼중점
이산화탄소의 물리적 특성을 알기 위해서는 임계점과 삼중점이라는 용어를 알아야 한다. 임계점은 31℃인데 이때의 압력은 75.2Kg/㎠이다. 임계점 이상에서는 압력을 가하여도 기체로만 존재하고, 임계점 이하에서는 압력에 따라 기체 또는 액체로 존재하는데 압력을 가하면 액체로 저장된다.
삼중점은 –56.6℃에 해당하고. 이때의 압력은 5.3Kg/㎠이다. 삼중점에서는 용기 내부의 상태는 압력에 따라 고체(드라이아이스), 액체, 또는 기체로 존재한다. 즉 세 가지 성상이 공존할 수 있는 지점이라 하여 삼중점이라 한다.
나. 저온을 선택하는 이유
다시 그래프를 보자. 임계점과 삼중점 사이의 온도를 살펴보면 압력에 따라 액체와 기체로 존재할 수 있다는 것을 알 수 있다. 온도가 낮아질수록 액체로 변할 수 있고, 압력이 높아질수록 액화가 용이하다. 온도가 높을 때는 그만큼 높은 압력을 가해야만 액화가 되는데 온도를 낮추면 낮은 압력으로도 액화가 가능하다. 그러므로 낮은 압력으로도 액상을 유지하기 위하여 저온을 선택하는 것이다. 그러면 보다 많은 양의 이산화탄소를 저장할 수 있게 된다.
화재안전기준에서는 어떤 근거로 온도와 압력을 설정하였나?
가. -18℃에서 저장압력이 2.1Mpa이라는 규정
이산화탄소 소화설비의 화재안전기준(NFSC 106) 제4조(소화약제의 저장용기 등)를 보면 저압식 저장용기는 용기 내부의 온도가 섭씨 영하 18℃ 이하에서 2.1Mpa의 압력을 유지할 수 있는 자동냉동장치를 설치하여야 한다고 규정하고 있다.
이산화탄소의 온도와 압력에 대한 그래프를 보면 –18℃에서 액화를 위한 최소압력은 21kg/㎠(정확히는 20.4kg/㎠)에 해당한다는 것을 알 수 있다. 이를 Mpa로 환산하면 2.1Mpa에 해당하므로 화재안전기준에서도 –18℃일 때 2.1Mpa 이상의 압력을 유지할 것을 규정하는 것이다.
나. 온도를 더 낮출 수도 있잖아?
그래프를 보면 알 수 있듯이 온도를 더 낮추면 액화가 더 용이해진다. 그리고 더 낮은 압력으로도 이산화탄소를 액화 시킬 수 있다. 그런데 저장압력이 낮아지면 저장용기에서의 출발압력, 즉 방출압력이 문제가 된다. 또한, 헤드에서의 방출압력(1.05Map 이상)까지도 영향을 받는다. 온도가 낮을수록 Vapor Delay Time에 영향을 준다. 배관 내에서 기화되는 현상 때문에 마찰손실에 따라 방출시간에도 문제를 야기한다.
저압식 이산화탄소 소화약제 저장장치를 사용하는 경우는 규모가 큰 방호구역에 전역방출방식설비를 적용할 때이다. 그러므로 표면화재는 1분, 심부화재는 7분 이내에 방출을 완료해야 한다. 온도가 낮아지면 저장 압력을 줄일 수는 있지만, 나머지 조건을 충족시킬 수 없으므로 최소 저장기준압력 값인 2.1Mpa을 규정하고 있으며 그때의 온도가 –18℃인 것이다. 중요한 것은 온도가 -18℃ 이하로 내려가더라도 저압식 저장용기의 최소 저장압력은 2.1Mpa 이상이 되어야 한다.
저압식 저장방식을 선택하는 이유가 뭘까?
가. 소화약제를 많이 저장할 수 있다.
저압식 이산화탄소 소화약제의 저장용기는 충전비 1.1 이상 1.4 이하로 할 수 있다. 저장용기의 내용적을 거의 다 채워도 된다는 의미이다. 고압식은 충전비가 1.5 이상 1.9 이하이므로 한정된 저장용기에 많은 양을 저장할 수 없다. 방호구역이 커서 많은 이산화탄소 약제량이 필요한 경우에는 저압식 저장방식을 사용하면 이득이다.
나. 저압이므로 설비가 안전해 진다.
저장압력이 2.1Mpa의 저압이므로 설비에 무리를 주지 않는다. 배관의 스케줄도 40이면 충분하다. 고압식 배관의 스케줄이 80이므로 1/2 수준에서 압력을 견뎌낼 수 있다. 헤드에서의 방사압력도 1.05Mpa 이상이므로 배관에 전달되는 방출압력이 무리를 주지 않는다.
다. 유지 관리의 장점이 있다.
이산화탄소 소화약제 고압식 저장방식은 저장용기가 수십 개에 이른다. 가장 큰 규모의 방호구역을 담당할 수 있는 용량 이상이어야 하기 때문이다. 그러므로 저장용기의 저장량을 확인하려면 각각의 용기를 검사해야 누설이 있는지 여부를 알 수 있다. 그런데 저압식 저장방식은 하나의 저장용기에 모든 소화약제량을 저장하는 시스템이므로 소화약제량의 확인과 관리가 편리하다. 최근에는 약제량을 제어반에서 모니터링 할 수 있어서 굳이 저장실에 가보지 않아도 방재실에서 원격으로 확인이 가능하다.
라. 저장용기실의 면적을 작게 할 수 있다.
고압식의 경우에는 충전비가 1.5인 경우 68ℓ 용기에 45Kg씩을 충전한다. 큰 규모의 방호구역이라면 수십 개의 이산화탄소 용기가 열을 지어 진열이 되어야만 한다. 그러나 저압식 저장방식은 탱크 하나면 된다. 그러므로 건물 내에서 이산화탄소 소화약제 저장용기실의 면적을 줄일 수 있다.
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