W jaki sposób gaśnica CO2 powoduje ochłodzenie? Wyjaśnienie fizyki

Dlaczego gaśnica CO2 powoduje zimno

Szron pojawiający się na tubie wylotowej nie jest wadą ani sztuczką. Jest to faza zmiany skroplonego dwutlenku węgla na przestrzeni kilku centymetrów przesuwu, a zrozumienie tego zmienia sposób określania, rozmieszczania i konserwacji sprzętu CO2.

Włóż 5 kg gaśnicę na dwutlenek węgla do otwartej szafki, a sekwencja będzie szybka i jednoznaczna. W ciągu dwóch lub trzech sekund róg staje się biały od szronu, a z dyszy wydobywa się blady, przypominający śnieg pył, który znika niemal natychmiast po wylądowaniu. Każdy, kto chwyci ten róg gołą ręką, dowie się o dwutlenku węgla czegoś, czego nie zapomni.

Najpierw krótka odpowiedź: gaśnica CO2 powoduje ochłodzenie, ponieważ znajdujący się w niej dwutlenek węgla jest magazynowany w postaci cieczy pod ciśnieniem i po wyjściu musi zmienić fazę. Rozprężanie się od około 57 barów do ciśnienia atmosferycznego plus energia pochłaniana przez CO2 podczas wrzenia i częściowego zamarzania, powoduje, że wypływający strumień osiąga temperaturę około -70°C w postaci gazu i około -78,5°C w postaci stałych cząstek suchego lodu. To zimno jest produktem ubocznym sposobu przechowywania środka. To nie jest powód, dla którego jednostka CO2 gasi pożar.

Od cieczy do śniegu w kilka centymetrów

Butla CO2 nie jest prostą butlą ze sprężonym gazem. W temperaturze otoczenia 20°C dwutlenek węgla występuje w postaci nasyconej mieszaniny: ciecz na dole, para nad nim, oba pod ciśnieniem około 57 barów. Ogrzej pomieszczenie do 30°C, a ciśnienie wzrośnie do około 72 barów. Właśnie dlatego obudowa jest gruba, dlatego urządzenie jest wyposażone w płytkę bezpieczeństwa, zamiast polegać na operatorze, i dlatego manometr jest w rzeczywistości wskaźnikiem temperatury.

Wewnątrz cylindra rurka syfonowa sięga blisko dna, dzięki czemu zawór zasysa ciecz, a nie parę. Ma to większe znaczenie, niż większość właścicieli zdaje sobie sprawę: zasilanie płynne zapewnia szybki i intensywny wypływ, podczas gdy zasilanie oparte wyłącznie na parze spowodowałoby zagłodzenie dyszy i wydłużenie czasu wypływu znacznie powyżej wartości znamionowej.

Sama przemiana zachodzi na otworze zaworu. W odstępie kilku milimetrów ciśnienie spada z ponad 50 barów do atmosferycznego. W takich warunkach ciecz nie może pozostać płynna. Część masy natychmiast zamienia się w gaz, a reszta zamarza w drobne cząsteczki suchego lodu. W obu przypadkach róg jest wystarczająco zimny, aby spowodować oszronienie metalu, skroplenie pary wodnej w otaczającym powietrzu i uszkodzenie skóry.

Dwa efekty powodujące chłodzenie

Rozprężanie adiabatyczne

Kiedy ciecz pod ciśnieniem jest przepychana przez mały otwór, rozszerza się, a ekspansja ta jest opłacana z własnej energii wewnętrznej płynu, ponieważ nie ma czasu na przepływ ciepła z otoczenia. Przy normalnym ciśnieniu roboczym dwutlenek węgla ma dodatni współczynnik Joule’a-Thomsona, co oznacza, że ​​dławienie go chłodzi, a nie ogrzewa. Strumień jest już zimniejszy w chwili opuszczenia otworu.

Utajone ciepło parowania i sublimacji

Zagotowanie ciekłego CO2 w gaz, a następnie zamrożenie części tego gazu w substancję stałą zużywa energię. CO2 dostarcza tę energię z własnej pozostałej masy. Frakcją stałą jest suchy lód, ten sam materiał, który jest używany w transporcie w łańcuchu chłodniczym, który sublimuje z powrotem do stanu gazowego w temperaturze -78,5°C.

Po połączeniu tych dwóch efektów zachowanie na miejscu ma sens: szybko poruszająca się mgła gazu o temperaturze około -70°C niosąca cząstki stałe o temperaturze około -78,5°C, przemieszczająca się przez róg, który jest zwykle formowany z polimeru izolacyjnego właśnie z tego powodu.

Zimno nie jest mechanizmem gaszącym. Jest to nieunikniony znak przechowywania środka gaśniczego w postaci skroplonego gazu i uwolnienia go w czasie krótszym niż sekunda.

Jak zimno i gdzie

Poniższa tabela przedstawia typowy wyładunek gaśnicy 5 kg CO2 w temperaturze otoczenia 20°C. Rzeczywiste wartości zmieniają się w zależności od rozmiaru cylindra, konstrukcji zaworu, gęstości napełnienia i temperatury otoczenia, ale wzór się nie zmienia.

Co zimno robi z ogniem i wszystkim innym

CO2 gaśnie głównie poprzez wypieranie. Uwolniony do strefy pożaru rozrzedza tlen, od którego zależy spalanie płomieniowe, i robi to nie pozostawiając osadu ani nie przewodząc prądu. Efekt mrożący jest rzeczywisty, ale drugorzędny. Woda pochłania około 2,26 MJ na każdy kilogram, który się zagotuje, dlatego woda jest czynnikiem chłodzącym, a CO2 – czynnikiem dławiącym. Jednostka CO2 szybko tłumi płomień, ale nie usuwa ciepła zmagazynowanego w metalu znajdującym się za nim, dlatego też częstym zjawiskiem jest ponowny zapłon, gdy gorący sprzęt pozostaje pod napięciem.

Niska temperatura sama w sobie stwarza problemy. Gorące szkło, ceramika i cienkie tworzywa sztuczne mogą pęknąć pod wpływem strumienia o temperaturze siedemdziesięciu stopni poniżej zera, a szybkie lokalne schłodzenie bardzo gorących powierzchni stanowi realne ryzyko wewnątrz ciasno upakowanych zespołów elektrycznych.

Szczegóły projektu, które decydują o tym, jak zachowuje się zimno

Dwie gaśnice o tej samej pojemności nominalnej mogą zachowywać się bardzo różnie na miejscu, a różnica polega zwykle na sprzęcie, a nie na marketingu:

• Róg i chwyt. Izolujący róg polimerowy lub formowany uchwyt utrzymują rękę operatora z dala od powierzchni, która jest znacznie niższa od temperatury zamarzania.
• Konstrukcja zaworu i uszczelnienia. Zawór musi uszczelniać skroplony gaz pod ciśnieniem od 50 do 70 barów i zapewniać czystość pracy po długim przechowywaniu, dlatego materiał korpusu i materiały uszczelniające zostały dobrane pod kątem zachowania w niskich temperaturach.
• Wąż gumowy. Sztywny wąż załamuje się i zagina podczas opróżniania jest raczej problemem związanym z ciśnieniem, a nie wygodą.
• Rurka syfonowa. Jego długość i dopasowanie decydują o tym, czy jednostka dostarczy ładunek znamionowy, czy też wcześnie umrze pod wpływem pary.
• Pęknięcie dysku. Urządzenie nadmiarowe zapobiega sytuacji, w której ciepła butla staje się zagrożeniem, ponieważ ciśnienie wzrasta wraz z temperaturą otoczenia, a nie w trakcie użytkowania.

Dla odbiorców eksportowych gatunek materiału ma takie samo znaczenie jak pojemność. Jednostka ze znakiem CE zbudowana na korpusie CK45 z dopasowanym zaworem to inny artykuł niż niemarkowy zespół opatrzony tą samą etykietą 5 kg.

Temperatura otoczenia to druga połowa specyfikacji. Producenci często podają okno robocze, takie jak -20°C do 60°C, a użyteczny zakres pracy w chłodniach, pomieszczeniach produkcyjnych i nieogrzewanych magazynach zasługuje na wyraźną odpowiedź podczas zapytania, a nie na założenie przy uruchomieniu. Opublikowane zakres dostosowania temperatury dla 5 kg jednostki CK45 CE stanowi przydatny punkt odniesienia przy dopasowywaniu sprzętu do konkretnego środowiska.

Dopasowanie wydajności do zadania

Zachowanie wyładowań zmienia się wraz z rozmiarem, podobnie jak wzór szronu. Mniejsze butle opróżniają się szybciej i szybciej wykazują szron, podczas gdy większe dostarczają więcej środka przez dłuższy czas, dlatego też 10-kilogramowy wózek jest zwykle właściwym rozwiązaniem w pomieszczeniach produkcyjnych i obszarach transportu paliwa, a nie w grupie jednostek ręcznych. Zakres obciążeń przenośnych wynosi od 2 kg przez 3 kg do 5 kg, a każdy krok zmienia czas rozładowania i rzut, a nie fizykę pod spodem. Kupujący porównujący rozmiary w różnych miejscach Asortyment gaśnic CO2 należy odczytywać czas rozładowania i zasięg łącznie, a nie samą pojemność.

Praktyczne zasady obsługi i konserwacji

Zimno nie zmienia sposobu konserwacji gaśnicy CO2, ale zmienia sposób obchodzenia się z nią. Te zasady obejmują większość tego, co pójdzie nie tak:

1. Trzymaj cylinder w pozycji pionowej. Rura syfonowa działa zgodnie z przeznaczeniem wyłącznie w pozycji pionowej.
2. Nigdy nie dotykaj klaksonu ani metalowego wylotu podczas rozładowania lub zaraz po nim; poczekaj, aż mróz opadnie.
3. Używaj krótkich serii na małych pożarach i atakuj z zalecanej odległości, gdyż rzut zimnego strumienia jest krótszy niż się wydaje.
4. Zważ butlę przy każdej kontroli, zamiast polegać wyłącznie na mierniku; powolna utrata ładunku powoduje, że wskaźnik wygląda normalnie.
5. Sprawdź, czy płytka bezpieczeństwa, wąż i klakson nie są uszkodzone i czy klakson nie jest pęknięty w wyniku poprzedniego cyklu na zimno.
6. Po każdym użyciu w zamkniętym pomieszczeniu należy przewietrzyć zanim ktokolwiek wejdzie ponownie, niezależnie od tego jak mały był pożar.

Co to oznacza, gdy określisz

Dla każdego, kto określa, kupuje lub obsługuje sprzęt CO2, praktyczny wniosek jest prosty. Traktuj strumień wylotowy jako zimny strumień o dużej prędkości, a nie chmurę gazu. Sprawdź, czy klakson i uchwyt zostały zaprojektowane z myślą o takich warunkach, upewnij się, że materiały zaworu i korpusu odpowiadają temperaturze otoczenia w miejscu pracy, a także przeszkol operatorów, aby trzymali ręce z dala od sprzętu, dopóki nie zniknie szron.

Zrozum ten mechanizm, a mróz przestanie wyglądać jak usterka. Staje się to przewidywalnym ograniczeniem projektowym, które wymaga dobrej produkcji zbiorników ciśnieniowych i prawidłowej konstrukcji zaworów od pierwszego do dziesiątego wyładowania.