이산화탄소 소화약제는 방출되면 부피가 몇 배로 팽창할까?

이상기체상태 방정식

이산화탄소 소화약제의 부피를 계산할 때에는 이상기체상태 방정식을 사용해보면 알 수 있다. PV = nRT 라는 대명제에서 시작한다. 이산화탄소 1Kg이 1기압, 그리고 실온인 21℃에서 얼마의 부피를 갖는지 알아보자.

 

이상기체상태 방정식을 통한 이산화탄소 팽창비 계산

우리나라의 실온 계산은 20℃ 또는 21℃를 계산한다. 나는 공학자가 아니라 어떤 것이 맞다고 할 수는 없으나 대부분 21℃를 기준으로 계산했던 기억이 있다. 그래서 T값에 21℃를 적용해보면 1Kg은 약 550리터로 변화하므로 약 550배의 체적으로 팽창되는 것을 알 수 있다.

적용 온도에 따른 차이

서적마다 이산화탄소의 체적 팽창에 대한 이야기가 조금씩 다르다. 아마도 온도 적용에 있어 서로 차이가 있어서 그럴 것이라고 본다.

 

온도 변화에 따른 팽창비의 변화

계산할 때 온도를 0℃로 한 경우에는 이산화탄소의 부피가 약 508리터가 나왔다. 이런 때에는 약 500배 팽창한다고 설명한다. 그런데 방출되는 곳의 온도를 10℃로 적용한 경우에는 K값이 283(273 + 10)K로 변화하여 이산화탄소의 부피가 약 527리터가 나왔다. 그래서 530배 팽창한다고 설명한다. 결국 적용 온도인 T값을 얼마로 적용했느냐에 따라 달라진다. 서적마다 조금씩 팽창 배수가 다른 이유이다. 다만, 이산화탄소가 방출되면 체적이 500배로 이상으로 팽창한다는 것은 대부분 동일하다.

화재 현장의 온도의 변화

가. 실제 소화약제 방출까지 걸리는 시간의 소요

문제는 화재 현장인 방호구역의 실제 온도이다. 지금까지의 계산은 1기압, 21℃에서의 이상기체상태 방정식에 의한 계산이었다. 그러나 화재 현장은 21℃가 아니다. 화재가 발생했다고 해서 바로 이산화탄소 소화약제가 방출되는 것이 아니다.

화재가 발생한 후 교차회로의 A, B 감지기를 통해 화재가 인식되면 제어반에서 30초 정도의 지연시간을 갖는다. 그리고 기동용 가스용기가 개방되고 선택밸브가 개방되면서 동시에 소화약제 저장용기의 니들밸브가 봉판을 개방시킨다. 그러면 소화약제가 방출되기 시작하는데 소화설비 배관 내부에서 기화되는 소화약제 때문에 마찰손실이 발생한다. 그래서 헤드에서 액상의 이산화탄소 소화약제가 주를 이루면서 방출되는 시간이 늦어지게 되는데 이는 소화약제 저장용기의 저장실과 방호구역과의 거리에 따라 방출되는 시간이 달라진다.

이 시간 동안 방호구역의 화재는 확산된다. 화재가 확산되는 만큼 방호구역 내부의 온도는 올라가게 되는데 실온의 온도인 21℃ 이상을 훨씬 넘을 것으로 본다. 화재가 많이 확산되지 않아 일부분만 연소되고 있을 때 실내 온도는 얼마나 될까?

 

 

나. 방호구역 크기에 따른 실내 온도의 변화

방호구역의 크기에 따라 화염에 의한 온도 상승률이 전체 방호구역에 전파 되는 속도는 달라질 것이다. 방호구역이 큰 경우라면 일부분에서 발생한 화재가 방호구역 전체에 온도 상승을 유발하지는 않는다. 그러므로 큰 방호구역에서는 천천히 온도가 상승하게 된다. 그러나 작은 방호구역의 상황은 다르다. 규모가 작은 방호구역에서는 화재의 크기는 작더라도 온도의 상승은 빠르게 진행된다. 그래서 시간이 흐름에 따라 방호구역 내부의 온도도 가파르게 상승하게 된다.

 

다. 방호대상물의 종류에 따른 온도의 변화

방호구역의 크기 외에 방호대상물의 종류가 무엇인가에 따라 온도의 변화 속도가 다르다. 표면화재의 경우에는 화재의 확산 속도가 빠를 수밖에 없다. 가연성 증기에 의한 화재 확산이므로 시간이 지날수록 화재는 엄청난 기세로 성장하게 된다.

심부화재의 경우에는 방호구역 내부에 연기가 먼저 충만되므로 실온이 상승하는 것은 더딜 것으로 본다. 심부에서 발생한 화재가 표면으로 나올 때까지 시간이 소요될뿐더러 연기가 먼저 발생하여 교차회로로 구성된 감지기를 작동시켜주기 때문에 온도의 성장은 느릴 것이다.

 

라. 화재 현장의 온도에 따른 이산화탄소 체적 팽창

이상기체상태 방정식에 따라 실온인 21℃에서의 이산화탄소 소화약제 팽창률은 약 550배라고 하였다. 그런데 이산화탄소 소화약제가 방출되는 시점에 방호구역의 평균 온도가 50℃라고 가정하면 이산화탄소는 몇 배로 팽창하는가? 약 600배이다. 방호구역의 평균 온도가 100℃라면 이때에는 약 700배로 팽창한다.

표면화재의 경우 특히 가연성 가스가 발생하는 곳에서 온도의 변화는 더 극심할 것으로 본다. 이산화탄소 소화약제가 방출되는 시간에 250℃까지 실온이 상승하였다면 975배까지 상승한다.

 

과압배출구 구하는 공식

무엇을 말하고자 함인가?

이것이 의미하는 것은 방호구역의 실내 과압이 예상보다 더 크다는 것을 의미한다. 그동안 우리는 21℃ 실온에서 이산화탄소 소화약제가 약 550배 정도 팽창된다고 생각했다. 팽창되면 과압이 발생할 것이니까 과압배출구를 적용하여 방호구역에서 발생하는 과압을 외부로 빼주어야 한다고 생각했다. 지극히 맞는 말이다.

그런데 방호구역의 실제 온도 계산을 의미 있게 해봐야 한다. 심부화재와 표면화재에 따라 방호구역의 실제 온도가 달라진다는 것을 위에서 알았으니 팽창률도 현격하게 차이가 난다는 것을 알게 되었다. 그런데 과압배출구 필요 면적을 계산하는 공식에서는 내부의 변화하는 압력은 빠져있다. 다만, 해당 방호구역의 건축 종류별로 허용강도(P 값)만 세 가지로 구분하여 계산하고 있다. 그러므로 방호구역에 설치하는 과압배출구 면적 산정식에 방호구역의 크기에 따라, 예상되는 온도 변화에 따라, 표면화재와 심부화재의 차이에 따라 여유율을 적용시키는 것을 고려해야 한다. 그러면 해당 방호구역에 설치하는 과압배출구의 필요 면적이 달라진다.

 

 

끝까지 읽어주셔서 감사 드립니다.

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