Як вогнегасник з CO2 робить речі холодними? Пояснення фізики

Чому вогнегасник з СО2 робить речі холодними

Іній, що повзе по розвантажувальному ріжку, це не помилка і не трюк. Це зріджений вуглекислий газ, який змінює фазу на відстані кількох сантиметрів, і розуміння цього змінює спосіб визначення, розташування та обслуговування обладнання CO2.

Розрядіть 5 кг вуглекислотний вогнегасник у відкриту шафу, і послідовність буде швидкою та безпомилковою. Ріг стає білим від інею протягом двох-трьох секунд, а з сопла розсипається блідий сніжний пил, який зникає майже відразу, як тільки він приземляється. Кожен, хто схопить цей ріг голою рукою, дізнається щось про вуглекислий газ, якого не забуде.

Коротка відповідь спочатку: вогнегасник CO2 охолоджує речі, тому що вуглекислий газ всередині нього зберігається у вигляді рідини під тиском і має змінити фазу на виході. Розширення від приблизно 57 бар до атмосферного тиску, плюс енергія, яку CO2 поглинає під час кипіння та часткового замерзання, доводить вихідний потік до приблизно -70 °C у вигляді газу та приблизно до -78,5 °C у вигляді твердих частинок сухого льоду. Цей холод є побічним продуктом того, як засіб зберігається. Це не причина, чому установка CO2 гасить пожежу.

Від рідини до снігу за кілька сантиметрів

Балон CO2 – це не простий резервуар зі стисненим газом. При температурі навколишнього середовища 20 °C вуглекислий газ знаходиться у вигляді насиченої суміші: рідина на дні, пара над нею, обидва під тиском приблизно 57 бар. Нагрійте кімнату до 30 °C, і тиск підніметься приблизно до 72 бар. Ось чому оболонка товста, чому пристрій несе розривну мембрану замість того, щоб покладатися на оператора, і чому манометр насправді є манометром температури.

Усередині циліндра сифонна трубка досягає дна, тому клапан всмоктує рідину, а не пару. Це важливіше, ніж усвідомлюють більшість власників: рідка подача дає швидке, сильне випорожнення, тоді як подача лише парою призведе до голодування насадки та розтягне час викиду значно більше ніж номінальний показник.

Саме перетворення відбувається в отворі клапана. Через щілину в кілька міліметрів тиск падає з понад 50 бар до атмосферного. За таких умов рідина не може залишатися рідкою. Частина маси миттєво перетворюється на газ, а решта замерзає в дрібні частинки сухого льоду. Обидва залишають ріг достатньо холодним, щоб замерзнути метал, конденсувати водяну пару в навколишньому повітрі та пошкодити шкіру.

Два ефекти охолодження

Адіабатичне розширення

Коли рідина під тиском проходить через невеликий отвір, вона розширюється, і це розширення оплачується власною внутрішньою енергією рідини, оскільки немає часу для надходження тепла з навколишнього середовища. За нормального робочого тиску вуглекислий газ має позитивний коефіцієнт Джоуля-Томсона, що означає, що його дроселювання охолоджує, а не нагріває. Потік стає вже холоднішим, як тільки він очищає отвір.

Прихована теплота випаровування та сублімації

Кип’ятіння рідкого CO2 в газ, а потім заморожування частини цього газу в тверду речовину споживають енергію. CO2 постачає цю енергію з власної залишкової маси. Тверда фракція — це сухий лід, той самий матеріал, який використовується в транспортуванні холодного ланцюга, і він перетворюється в газ при -78,5 °C.

Поєднайте два ефекти, і поведінка на місці матиме сенс: швидкий туман газу при температурі приблизно -70 °C, що переносить тверді частинки при температурі приблизно -78,5 °C, подорожуючи крізь рупор, який зазвичай формується з ізоляційного полімеру саме з цієї причини.

Холод не є механізмом гасіння. Це неминучий ознака зберігання протипожежного агента у вигляді зрідженого газу та його вивільнення менш ніж за секунду.

Як холодно і де

У таблиці нижче показано типовий 5 кг CO2 вогнегасника, який розряджається при температурі навколишнього середовища 20 °C. Реальні цифри змінюються залежно від розміру циліндра, конструкції клапана, щільності наповнення та температури навколишнього середовища, але шаблон – ні.

Що холод робить з вогнем і всім іншим

CO2 гаситься в основному шляхом витіснення. Потрапляючи в зону вогню, він розбавляє кисень, від якого залежить полум’яне горіння, і робить це, не залишаючи залишків і не проводячи електрику. Ефект охолодження реальний, але вторинний. Вода поглинає приблизно 2,26 МДж на кожен кілограм википання, тому вода є охолоджувачем, а CO2 – задушливим. Блок CO2 швидко гасить полум’я, але він не видаляє тепло, що зберігається в металі за ним, тому повторне запалювання є поширеним явищем, коли гаряче обладнання залишається під напругою.

Низька температура створює свої проблеми. Гаряче скло, кераміка та тонкі пластики можуть тріснути, якщо на них натрапити потік, температура якого становить сімдесят градусів нижче нуля, а швидке локальне охолодження дуже гарячих поверхонь є справжнім ризиком усередині щільно упакованих електричних вузлів.

Деталі дизайну, які визначають поведінку холоду

Два вогнегасники з однаковою номінальною потужністю можуть дуже по-різному поводитися на місці, і різниця, як правило, полягає в апаратному забезпеченні, а не в маркетингу:

• Рог і хватка. Ізоляційний полімерний рупор або лита рукоятка утримує руку оператора від поверхні, яка знаходиться під температурою замерзання.
• Конструкція клапана та ущільнення. Клапан має герметизувати скраплений газ при тиску від 50 до 70 бар і продовжувати чистий цикл після тривалого зберігання, тому матеріал корпусу та ущільнювальні суміші вибираються з урахуванням низьких температур.
• Шланг. Жорсткий шланг перегинається, а перегнутий шланг під час зливу – це проблема тиску, а не проблема зручності.
• Сифонна трубка. Його довжина та підгонка вирішують, чи блок забезпечує свій номінальний заряд, чи вмирає передчасно від пари.
• Розривний диск. Запобіжний пристрій запобігає небезпеці теплого циліндра, оскільки тиск зростає з температурою навколишнього середовища, а не з використанням.

Для експортних покупців клас матеріалу має таке ж значення, як і показник потужності. Пристрій із маркуванням CE, побудований на корпусі CK45 із відповідним клапаном, відрізняється від вузла без бренду з такою ж етикеткою 5 кг.

Температура навколишнього середовища є іншою половиною специфікації. Виробники зазвичай вказують таке робоче вікно, як -20 °C до 60 °C, а корисний робочий діапазон у холодильних камерах, виробничих приміщеннях і неопалюваних складах заслуговує на чітку відповідь під час запиту, а не на припущення під час введення в експлуатацію. Опублікований діапазон температурної адаптації для блоку CK45 CE вагою 5 кг є корисною точкою відліку при підборі апаратного забезпечення до певного середовища.

Відповідність потенціалу до роботи

Поведінка розряду змінюється з розміром, як і модель інею. Менші балони спустошуються швидше та швидше показують іній, тоді як більші балони доставляють більше агента протягом більш тривалого періоду, тому 10-кілограмовий візок зазвичай є правильною відповіддю в заводських приміщеннях і зонах обробки палива, а не кластер портативних блоків. Портативний діапазон варіюється від 2 кг через 3 кг до 5 кг, і кожен крок змінює час розряду та кидок, а не фізичні властивості. Покупці порівнюють розміри Асортимент вогнегасників CO2 слід зчитувати час розряду та діапазон цифр разом, а не лише ємність.

Практичні правила поводження та обслуговування

Холод не змінює спосіб обслуговування вогнегасника CO2, але змінює спосіб поводження з ним. Ці правила охоплюють більшість випадків, коли йде не так:

1. Тримайте циліндр вертикально. Сифонна трубка працює за проектом лише у вертикальному положенні.
2. Ніколи не торкайтеся ріжка або металевого випускного отвору під час або відразу після розряду; дочекайтеся, поки мороз розійдеться.
3. Використовуйте короткі черги на невеликих вогнищах і атакуйте з рекомендованої відстані, оскільки кидок холодного потоку коротший, ніж виглядає.
4. Зважуйте циліндр під час кожного огляду, а не довіряйте лише манометру; повільна втрата заряду залишає датчик виглядати нормально.
5. Переконайтеся, що розривна мембрана, шланг і гудок не пошкоджені, і що гудок не тріщин від попереднього холодного циклу.
6. Після будь-якого використання в закритому приміщенні провітріть, перш ніж хтось увійде, незалежно від того, наскільки малим був вогонь.

Що це означає, коли ви вказуєте

Для будь-кого, хто визначає, купує або експлуатує обладнання CO2, практичний висновок є простим. Розглядайте потік розряду як холодний високошвидкісний струмінь, а не хмару газу. Переконайтеся, що гудок і рукоятка розроблені для цієї реальності, підтвердьте, що матеріали клапана та корпусу відповідають температурі навколишнього середовища на вашій ділянці, і навчіть операторів тримати руки подалі від обладнання, доки не зникне мороз.

Зрозумійте цей механізм, і мороз перестане виглядати як дефект. Це стає передбачуваним проектним обмеженням, яке вдале виробництво резервуарів під тиском і правильне проектування клапанів створено, щоб впоратися з першим викидом до десятого.