Как огнетушитель CO2 охлаждает вещи? Объяснение физики

Почему огнетушитель CO2 охлаждает вещи

Иней, стелющийся по выпускному рогу, — это не неисправность и не уловка. Это изменение фазы сжиженного углекислого газа на протяжении нескольких сантиметров пути, и понимание этого меняет то, как вы определяете, размещаете и обслуживаете оборудование CO2.

Выбросьте углекислотный огнетушитель массой 5 ​​кг в открытый шкаф, и последовательность действий будет быстрой и безошибочной. Рог через две-три секунды белеет от инея, а из сопла вылетает бледная снежная пыль, исчезающая почти сразу же приземлившись. Любой, кто схватит этот рог голой рукой, узнает что-то об углекислом газе, которое он никогда не забудет.

Сначала краткий ответ: огнетушитель CO2 делает вещи холодными, потому что углекислый газ внутри него хранится в виде жидкости под давлением и должен менять фазу на выходе. Расширение от примерно 57 бар до атмосферного давления, а также энергия, которую CO2 поглощает при кипении и частичном замерзании, доводит выходящий поток до температуры примерно -70°C в виде газа и примерно -78,5°C в виде твердых частиц сухого льда. Этот холод является побочным продуктом хранения агента. Это не причина, по которой установка CO2 тушит пожар.

От жидкости до снега за несколько сантиметров

Баллон с CO2 — это не простой резервуар со сжатым газом. При температуре окружающей среды 20 °C углекислый газ представляет собой насыщенную смесь: жидкость внизу, пар над ней, оба при давлении примерно 57 бар. Нагрейте помещение до 30 °C, и давление поднимется примерно до 72 бар. Вот почему корпус толстый, почему на агрегате установлен разрывной диск, а не полагаться на оператора, и почему манометр на самом деле является датчиком температуры.

Внутри цилиндра сифонная трубка доходит близко до дна, поэтому клапан всасывает жидкость, а не пар. Это имеет большее значение, чем думает большинство владельцев: жидкая подача обеспечивает быструю и тяжелую подачу, в то время как подача только пара приведет к истощению сопла и увеличению времени выгрузки, значительно превышающему номинальный показатель.

Само преобразование происходит в отверстии клапана. Через зазор в несколько миллиметров давление падает с более чем 50 бар до атмосферного. Жидкость не может оставаться жидкой в ​​таких условиях. Часть массы мгновенно превращается в газ, а остальная часть замерзает в мелкие частицы сухого льда. Оба оставляют рог достаточно холодным, чтобы заморозить металл, конденсировать водяной пар в окружающем воздухе и повредить кожу.

Два эффекта, обеспечивающие охлаждение

Адиабатическое расширение

Когда жидкость под давлением проталкивается через небольшое отверстие, она расширяется, и это расширение оплачивается за счет собственной внутренней энергии жидкости, поскольку у тепла нет времени для поступления тепла из окружающей среды. При нормальном рабочем давлении углекислый газ имеет положительный коэффициент Джоуля-Томсона, что означает, что дросселирование его охлаждает, а не нагревает. Поток становится холоднее в тот момент, когда он выходит из отверстия.

Скрытая теплота испарения и сублимации.

Кипячение жидкого CO2 в газ, а затем замораживание части этого газа в твердое состояние требует затрат энергии. CO2 поставляет эту энергию из своей оставшейся массы. Твердая фракция представляет собой сухой лед, тот же материал, который используется при транспортировке в холодильной цепи, и он сублимируется обратно в газ при температуре -78,5 °C.

Объедините эти два эффекта, и поведение на месте станет понятным: быстро движущийся туман газа с температурой около -70 °C, несущий твердые частицы с температурой около -78,5 °C, проходит через рупор, который обычно изготавливается из изолирующего полимера именно по этой причине.

Холод не является механизмом тушения. Это неизбежный признак хранения огнетушащего вещества в виде сжиженного газа и его высвобождения менее чем за секунду.

Как холодно и где

В таблице ниже показан типичный CO2-огнетушитель массой 5 кг, срабатывающий при температуре окружающей среды 20 °C. Реальные цифры меняются в зависимости от размера цилиндра, конструкции клапана, плотности наполнения и температуры окружающей среды, но закономерность не меняется.

Что холод делает с огнем и всем остальным

CO2 гасится в основном за счет вытеснения. Попав в зону возгорания, он разбавляет кислород, от которого зависит пламя горения, не оставляя остатков и не проводя электричество. Охлаждающий эффект реален, но вторичен. Вода поглощает примерно 2,26 МДж на каждый выкипающий килограмм, поэтому вода является охлаждающим агентом, а CO2 — удушающим. Установка CO2 быстро сбивает пламя, но не отводит тепло, накопленное в металле позади нее, поэтому повторное возгорание является обычным явлением, когда горячее оборудование остается под напряжением.

Низкая температура сама по себе создает проблемы. Горячее стекло, керамика и тонкий пластик могут треснуть под воздействием струи, температура которой составляет семьдесят градусов ниже нуля, а быстрое локальное охлаждение очень горячих поверхностей представляет собой реальный риск внутри плотно упакованных электрических сборок.

Детали дизайна, которые определяют, как будет вести себя холод

Два огнетушителя с одинаковой номинальной мощностью могут вести себя на объекте по-разному, и разница обычно заключается в аппаратном обеспечении, а не в маркетинге:

• Рог и рукоятка. Изолирующий полимерный рожок или литая рукоятка удерживают руку оператора от поверхности, температура которой значительно ниже нуля.
• Конструкция клапана и уплотнения. Клапан должен герметизировать сжиженный газ при давлении от 50 до 70 бар и сохранять чистоту в работе после длительного хранения, поэтому материал корпуса и уплотнительные соединения выбираются с учетом низкотемпературных характеристик.
• Шланг. Жесткий шланг перегибается, а перегиб шланга во время слива — это скорее проблема с давлением, чем проблема с удобством.
• Сифонная трубка. От его длины и посадки зависит, будет ли устройство обеспечивать номинальный заряд или рано выйдет из строя из-за испарения.
• Разрывной диск. Предохранительное устройство — это то, что не дает нагретому цилиндру стать опасным, поскольку давление повышается с температурой окружающей среды, а не с использованием.

Для экспортных покупателей сорт материала имеет такое же значение, как и мощность. Устройство с маркировкой CE, построенное на корпусе CK45 с подходящим клапаном, отличается от изделия другого производителя с той же этикеткой весом 5 кг.

Температура окружающей среды — это вторая половина спецификации. Производители обычно указывают рабочий диапазон от -20 °C до 60 °C, а полезный рабочий диапазон в холодильных камерах, технических помещениях и неотапливаемых складах заслуживает четкого ответа во время запроса, а не предположения при вводе в эксплуатацию. Опубликованные диапазон температурной адаптации для блока CK45 CE весом 5 кг является полезным ориентиром при подборе оборудования для конкретной среды.

Сопоставление возможностей с работой

Поведение разряда меняется в зависимости от размера, как и характер замерзания. Баллоны меньшего размера опорожняются быстрее и быстрее замерзают, тогда как баллоны большего размера доставляют больше агента в течение более длительного периода, поэтому тележка весом 10 кг обычно является правильным решением в производственных помещениях и на участках обращения с топливом, а не группа портативных устройств. Портативный диапазон варьируется от 2 кг до 3 кг и до 5 кг, и каждый шаг меняет время разряда и бросок, а не физику, лежащую в основе. Покупатели сравнивают размеры Диапазон огнетушителей CO2 следует читать данные о времени разряда и диапазоне вместе, а не только о емкости.

Практические правила обращения и обслуживания

Холод не меняет способа обслуживания огнетушителя CO2, но меняет способ обращения с ним. Эти правила охватывают большую часть того, что идет не так:

1. Держите цилиндр вертикально. Сифонная трубка работает так, как задумано, только в вертикальном положении.
2. Никогда не прикасайтесь к звуковому сигналу или металлическому выходному отверстию во время или сразу после разряда; подождите, пока мороз рассеется.
3. Используйте короткие очереди при небольших пожарах и атакуйте с рекомендованного расстояния, поскольку бросок холодного потока короче, чем кажется.
4. Взвешивайте баллон при каждой проверке, а не доверяйте только манометру; медленная потеря заряда приводит к тому, что датчик выглядит нормально.
5. Убедитесь, что разрывная мембрана, шланг и звуковой сигнал не повреждены и что звуковой сигнал не имеет трещин в результате предыдущего холодного цикла.
6. После любого использования в закрытом помещении проветрите его, прежде чем кто-либо снова войдет в него, независимо от того, насколько мал был огонь.

Что это означает, когда вы указываете

Для любого, кто определяет, покупает или эксплуатирует оборудование CO2, практический вывод очевиден. Рассматривайте поток разряда как холодную высокоскоростную струю, а не как облако газа. Убедитесь, что звуковой сигнал и рукоятка рассчитаны на эту реальность, убедитесь, что материалы клапана и корпуса соответствуют температуре окружающей среды на вашем объекте, и обучите операторов держать руки подальше от оборудования, пока не исчезнет иней.

Поймите этот механизм, и мороз перестанет выглядеть дефектом. Это становится предсказуемым проектным ограничением, с которым должны справиться хорошее производство сосудов под давлением и правильная конструкция клапанов от первого до десятого сброса.