Hogyan hűti le a dolgokat a CO2-es tűzoltó készülék? A fizika magyarázata

Miért hűti le a dolgokat a CO2-es tűzoltó készülék?

A dér, amely átkúszik a kisülési kürtön, nem hiba és nem trükk. Ez a cseppfolyósított szén-dioxid változó fázisa néhány centiméteres utazás során, és ennek megértése megváltoztatja a CO2-berendezések meghatározását, elhelyezését és karbantartását.

Öntsön ki egy 5 kg-os szén-dioxiddal oltó készüléket egy nyitott szekrénybe, és a folyamat gyors és összetéveszthetetlen. A kürt két-három másodpercen belül kifehéredik a fagytól, és a fúvókáról sápadt hószerű por szóródik, amely szinte azonnal eltűnik, amint leszáll. Aki puszta kézzel megragadja a kürtöt, az tanul valamit a szén-dioxidról, amit nem felejt.

A rövid válasz először: a CO2-oltókészülék lehűti a dolgokat, mert a benne lévő szén-dioxid nyomás alatti folyadékként raktározódik, és kilépéskor fázist kell váltania. A durván 57 bar nyomásról atmoszférikus nyomásra történő tágulás, plusz az az energia, amelyet a CO2 elnyel, amikor forr és részben megfagy, a távozó áramot körülbelül -70 °C-ra gázként, és körülbelül -78,5 °C-ra szilárd szárazjég részecskékként hozza. Ez a hideg a szer tárolásának mellékterméke. Nem ez az oka annak, hogy egy CO2-egység eloltja a tüzet.

Folyadékból hó néhány centiméteren belül

A CO2-palack nem egy egyszerű sűrített gáztartály. 20 °C környezeti hőmérsékleten a szén-dioxid telített elegyként ül: alul folyadék, fölötte gőz, mindkettő nagyjából 57 bar nyomáson. Melegítse fel a helyiséget 30 °C-ra, és a nyomás körülbelül 72 bar-ra emelkedik. Emiatt vastag a héj, ezért hord az egység egy szakítótárcsát ahelyett, hogy a kezelőre hagyatkozna, és ezért a nyomásmérő valójában egy hőmérsékletmérő.

A henger belsejében egy szifoncső az aljáig ér, így a szelep inkább folyadékot szív fel, mint gőzt. Ez többet számít, mint azt a legtöbb tulajdonos gondolná: a folyékony adagolás gyors, erős ürítést ad, míg a csak gőzt tartalmazó adagolás kiéheztetné a fúvókát, és jóval meghosszabbítaná a kiürítési időt a névleges értéknél.

Maga az átalakulás a szelepnyílásnál történik. Néhány milliméteres résben a nyomás több mint 50 bar-ról atmoszférikusra esik. A folyadék ilyen körülmények között nem maradhat folyékony. A tömeg egy része azonnal gázzá válik, a többi pedig finom szárazjég részecskékké fagy. Mindkettő elég hidegen hagyja a kürtöt ahhoz, hogy megfagyjon a fém, lecsapódjon a környező levegőben lévő vízgőz, és károsítsa a bőrt.

A hűtést végző két effektus

Adiabatikus tágulás

Ha a nyomás alatt álló folyadékot egy kis nyíláson átnyomják, kitágul, és ezt a tágulást a folyadék saját belső energiájából fizetik ki, mert nincs idő a hőnek a környezetből beáramlani. Normál üzemi nyomáson a szén-dioxid pozitív Joule-Thomson együtthatóval rendelkezik, ami azt jelenti, hogy a fojtás inkább hűti, mint melegíteni. A patak már annál hidegebb, amint kitisztítja a nyílást.

Párolgási és szublimációs látens hő

A folyékony CO2 gázzá forralása, majd a gáz egy részének szilárd anyaggá fagyasztása egyaránt energiát fogyaszt. Ezt az energiát a CO2 a saját maradék tömegéből szolgáltatja. A szilárd frakció szárazjég, ugyanaz az anyag, mint a hidegláncos hajózásban, és -78,5 °C-on egyenesen gázzá szublimálódik.

Kombinálja a két hatást, és a helyszíni viselkedés logikus: egy gyorsan mozgó gázköd körülbelül -70 °C-on, amely körülbelül -78,5 °C-on szilárd részecskéket szállít, és áthalad a kürtön, amelyet általában szigetelő polimerből öntöttek, pontosan ezért.

A hideg nem az oltómechanizmus. Ez elkerülhetetlen jele annak, hogy a tűzoltószert cseppfolyósított gázként tárolják és egy másodperc alatt kiengedik.

Milyen hideg és hol

Az alábbi táblázat egy tipikus 5 kg-os CO2-oltókészüléket mutat be, amely 20 °C-os környezeti hőmérsékleten kisüt. A valós számok a henger méretétől, a szelep kialakításától, a töltési sűrűségtől és a környezeti hőmérséklettől függően változnak, de a minta nem.

Mit tesz a hideg a tűzzel és minden mással

A CO2 főként kiszorítással kialszik. A tűzzónába kerülve felhígítja az oxigént, amelytől a lángoló égés függ, mégpedig anélkül, hogy maradékot hagyna maga után vagy elektromosságot vezetne. A hűsítő hatás valódi, de másodlagos. A víz nagyjából 2,26 MJ-t nyel el minden kiforrt kilogrammonként, ezért a víz hűtő, a CO2 pedig fojtó. A CO2 egység gyorsan lecsapja a lángot, de nem távolítja el a mögötte lévő fémben tárolt hőt, ezért gyakori az újragyújtás, amikor a forró berendezéseket feszültség alatt hagyják.

Az alacsony hőmérséklet önmagában is problémákat okoz. A forró üvegek, kerámiák és vékony műanyagok megrepedhetnek, ha hetven fokkal fagypont alatti patak éri őket, és a nagyon forró felületek gyors helyi lehűlése valódi kockázatot jelent a szorosan összecsomagolt elektromos szerelvényekben.

Tervezési részletek, amelyek meghatározzák a hideg viselkedését

Két azonos névleges kapacitású tűzoltó készülék nagyon eltérően viselkedhet a helyszínen, és a különbség általában hardver, nem pedig marketing:

• Kürt és markolat. A szigetelő polimer kürt vagy az öntött markolat távol tartja a kezelő kezét a fagypont alatti felületektől.
• Szelepszerkezet és tömítések. A szelepnek 50-70 bar nyomáson kell tömítenie a cseppfolyósított gázt, és hosszú tárolás után is tisztán kell működnie, ezért a test anyagát és a tömítőanyagot az alacsony hőmérsékletű viselkedéshez kell megválasztani.
• Tömlő. A merev tömlő megtörik és a ürítés során megtört tömlő nyomásproblémát jelent, nem pedig kényelmi problémát.
• Szifon cső. A hossza és illeszkedése dönti el, hogy az egység leadja-e a névleges töltést, vagy korán elpárolog.
• Tárcsaszakadás. A tehermentesítő eszköz megakadályozza, hogy a meleg palack veszélyt jelentsen, mivel a nyomás a környezeti hőmérséklettel növekszik, nem pedig a használat során.

Az export vásárlók számára az anyagminőség éppúgy számít, mint a kapacitás. A CK45 karosszériára épített CE-jelölésű, hozzáillő szeleppel ellátott egység más termék, mint az ugyanazt az 5 kg-os címkét hordozó, márka nélküli szerelvény.

A környezeti hőmérséklet a specifikáció másik fele. A gyártók általában -20 °C és 60 °C közötti üzemi ablakot adnak meg, és a hűtőházakban, üzemi helyiségekben és fűtetlen raktárakban a hasznos munkatartomány megérdemli, hogy a megkeresés során egyértelmű választ adjanak, semmint feltételezést az üzembe helyezéskor. A megjelent hőmérséklet alkalmazkodási tartomány egy 5 kg-os CK45 CE egység esetében hasznos referenciapont a hardver egy adott környezethez való illesztése során.

Kapacitás a munkához igazítása

A kisülési viselkedés a mérettel változik, és a fagyminta is változik. A kisebb palackok gyorsabban ürülnek ki, és hamarabb megjelenik a fagy, míg a nagyobbak hosszabb idő alatt több szert szállítanak ki, ezért általában a 10 kg-os kocsi egység a megfelelő megoldás az üzemi helyiségekben és az üzemanyag-kezelési területeken, nem pedig a kézi egységek csoportjában. A hordozható tartomány 2 kg-tól 3 kg-ig és 5 kg-ig terjed, és minden lépésnél a kisülési idő és a dobás változik, nem pedig az alatta lévő fizika. A vásárlók a méreteket hasonlítják össze CO2 tűzoltó készülékek a kisülési időt és a tartományt együtt kell olvasni, nem egyedül a kapacitást.

Gyakorlati kezelési és karbantartási szabályok

A hideg nem változtatja meg a CO2-oltókészülék karbantartását, de megváltoztatja a kezelését. Ezek a szabályok a legtöbb hibát lefedik:

1. Tartsa függőlegesen a hengert. A szifoncső csak függőleges helyzetben működik a tervezett módon.
2. Soha ne érintse meg a kürtöt vagy a fém kimenetet a kisütés közben vagy közvetlenül utána; várja meg, amíg a fagy kitisztul.
3. Kis tüzeknél használjon rövid sorozatokat, és az ajánlott távolságból támadjon, mivel a hideg patak dobása rövidebb, mint amilyennek látszik.
4. Minden ellenőrzéskor mérje le a hengert, ne bízzon egyedül a mérőeszközben; a lassú töltésvesztés miatt a mérőműszer normálisnak tűnik.
5. Győződjön meg arról, hogy a szakítótárcsa, a tömlő és a kürt sértetlenek, és hogy a kürt nem repedt-e meg egy korábbi hidegciklusból.
6. Zárt helyiségben történő minden használat után szellőztessen, mielőtt bárki újra belépne, függetlenül attól, hogy milyen kicsi volt a tűz.

Mit jelent ez, ha megadja

Bárki, aki CO2-berendezést határoz meg, vásárol vagy üzemeltet, a gyakorlati következtetés egyértelmű. Kezelje a kisülési áramot hideg, nagy sebességű sugárnak, nem pedig gázfelhőnek. Ellenőrizze, hogy a kürt és a markolat erre a valóságra lett-e kialakítva, ellenőrizze, hogy a szelep és a test anyaga megfelel-e a környezeti hőmérsékletnek a helyszínen, és tanítsa meg a kezelőket, hogy tartsák távol a kezüket a hardvertől, amíg a fagy el nem tűnik.

Értsd meg ezt a mechanizmust, és a fagy már nem tűnik hibának. Ez kiszámítható tervezési korláttá válik, amelyet a jó nyomástartó edénygyártás és a megfelelő szelepgyártás az első kiürítéstől a tizedikig kezelni kell.