CO2消火器はどのようにして物を冷たくするのでしょうか?物理学の説明

CO2消火器を使うとなぜ寒くなるのか

放電ホーンに霜が這うのは故障ではなく、ギミックでもありません。これは液化二酸化炭素の数センチメートルの移動で段階を変化させるものであり、これを理解することで CO2 装置の指定、配置、保守の方法が変わります。

5 kg の二酸化炭素消火器をオープンキャビネットに放出すると、その手順は迅速かつ間違いなく行われます。角は2、3秒以内に霜で白くなり、ノズルからは淡い雪のような粉塵が飛散し、着地と同時に消えてしまいます。その角を素手でつかんだ人は、二酸化炭素について忘れられない何かを学ぶことになります。

まず簡単に答えます。CO2 消火器は、内部の二酸化炭素が加圧液体として蓄えられ、途中で相変化する必要があるため、物体を冷たくします。約 57 バールから大気圧までの膨張に加え、CO2 が沸騰して部分的に凍結するときに吸収するエネルギーにより、流出するストリームはガスとして約 -70 °C、固体ドライアイス粒子として約 -78.5 °C になります。この寒さは、薬剤の保管方法の副産物です。 CO2ユニットが火災を消す理由ではありません。

数センチメートルで液体から雪へ

CO2 シリンダーは、圧縮ガスの単純なタンクではありません。周囲温度 20 °C では、二酸化炭素は飽和混合物として存在します。底部は液体、その上は蒸気で、どちらも約 57 bar です。部屋を 30 °C まで暖めると、圧力は約 72 bar まで上昇します。シェルが厚い理由、オペレータに頼らずにユニットが破裂板を搭載している理由、圧力計が実際には温度計である理由はここにあります。

シリンダー内ではサイフォン管が底近くまで伸びており、バルブが蒸気ではなく液体を吸い込みます。これはほとんどの所有者が認識しているよりも重要です。液体の供給では高速で大量の吐出が行われますが、蒸気のみの供給ではノズルが枯渇し、吐出時間が定格値を大幅に超えてしまいます。

変形自体は弁開口部で起こります。数ミリメートルの隙間を越えると、圧力は 50 bar 以上から大気圧まで下がります。このような条件下では、液体は液体のままでいることはできません。塊の一部は瞬時にガスになり、残りは凍結して細かいドライアイス粒子になります。どちらの場合も、ホーンは金属を凍らせたり、周囲の空気中の水蒸気を凝縮させたり、皮膚を損傷したりするほど冷たくなります。

冷却を行う 2 つの効果

断熱膨張

加圧された液体が小さな開口部から押し込まれると膨張しますが、周囲から熱が流入する時間がないため、その膨張は液体自身の内部エネルギーで賄われます。通常の作動圧力では、二酸化炭素は正のジュール・トムソン係数を持ちます。これは、二酸化炭素を絞ると、二酸化炭素が暖まるのではなく、むしろ冷却されることを意味します。川はオリフィスを通過した瞬間からすでに冷たくなっています。

蒸発潜熱と昇華潜熱

液体 CO2 を沸騰させてガスにし、そのガスの一部を凍結して固体にするのはどちらもエネルギーを消費します。 CO2 は、それ自体の残りの質量からエネルギーを供給します。固体部分はドライアイスであり、コールドチェーン輸送で使用されるのと同じ材料であり、-78.5 °C で直接昇華してガスに戻ります。

2 つの効果を組み合わせると、現場での動作は理にかなっています。約 -70 °C で高速で移動するガスの霧が、約 -78.5 °C の固体粒子を運び、まさにその理由から通常は絶縁ポリマーで成形されるホーンを通過します。

寒さは消火のメカニズムではありません。これは、消火剤を液化ガスとして貯蔵し、1 秒以内に放出するという避けられない兆候です。

どれくらい寒いか、どこで

以下の表は、周囲 20 °C での典型的な 5 kg の CO2 消火器の放出を示しています。実際の数値はシリンダーのサイズ、バルブの設計、充填密度、周囲温度によって変化しますが、パターンは変化しません。

寒さは火やその他すべてのものに与える影響

CO2 は主に置換によって消滅します。火災ゾーンに放出されると、炎の燃焼に必要な酸素を希釈し、残留物を残さず、電気を通さずに薄めます。萎縮効果は実際にはありますが、二次的なものです。水は沸騰する 1 キログラムあたり約 2.26 MJ を吸収します。これが、水が冷却剤であり、CO2 が窒息剤である理由です。 CO2 ユニットは炎をすぐに消しますが、背後の金属に蓄えられた熱を除去することはできません。そのため、高温になった機器に通電したままにすると再点火がよく起こります。

気温が低いと、それ自体が問題を引き起こします。熱いガラス、セラミック、薄いプラスチックは、氷点下 70 度の水流に当たると割れることがあります。また、非常に熱い表面が急速に局所的に冷えることは、密に詰め込まれた電気アセンブリ内での真のリスクです。

寒さの振る舞いを決定する設計の詳細

公称容量が同じ 2 つの消火器は、現場では大きく異なる動作をする可能性があり、その違いは通常、マーケティングではなくハードウェアにあります。

• ホーンとグリップ。 絶縁ポリマーホーンまたは成形ハンドルグリップにより、氷点下の表面にオペレーターの手が触れないようにします。
• バルブ構造とシール。 バルブは液化ガスを 50 ～ 70 bar でシールし、長期保管後も正常に動作する必要があるため、本体の材質とシールコンパウンドは低温での動作に適したものが選択されています。
• ホース。 ホースが硬いとねじれが発生し、排出中にホースがねじれるのは、利便性の問題ではなく、圧力の問題です。
• サイフォン管。 その長さとフィット感によって、ユニットが定格充電量を供給できるか、蒸気で早期に機能しなくなるかが決まります。
• ラプチャーディスク。 圧力は使用ではなく周囲温度によって上昇するため、リリーフ装置はシリンダーが熱くなって危険になるのを防ぎます。

輸出バイヤーにとって、材料のグレードは容量の数字と同じくらい重要です。適合するバルブを備えた CK45 本体に構築された CE マーク付きユニットは、同じ 5 kg ラベルが貼られたノーブランドのアセンブリとは別の品物です。

周囲温度は仕様の残りの半分です。メーカーは通常、-20 °C ～ 60 °C などの動作範囲を見積もっており、冷蔵倉庫、工場室、暖房のない倉庫での有効な動作範囲は、試運転時の仮定ではなく、調査中に明確に回答される価値があります。公開された 温度適応範囲 5 kg の CK45 CE ユニットの場合は、ハードウェアを特定の環境に適合させる場合に便利な基準点となります。

能力と仕事のマッチング

放電の挙動はサイズに応じて変化し、霜のパターンも変化します。小さいシリンダーは空になるのが早く、霜が付くのが早くなりますが、大きいシリンダーはより多くの薬剤を長期間にわたって供給します。そのため、プラントルームや燃料取り扱いエリアでは、手持ち式ユニットのクラスターではなく、10 kg のトロリーユニットが通常正しい答えとなります。ポータブル範囲は 2 kg、3 kg、5 kg であり、各ステップでは物理的性質ではなく、発射時間と投擲時間が変わります。サイズを比較する購入者 CO2消火器の範囲 容量だけではなく、放電時間と範囲の数値を合わせて読む必要があります。

実際の取り扱いとメンテナンスの規則

寒さによって CO2 消火器のメンテナンス方法は変わりませんが、扱い方は変わります。これらのルールは、問題のほとんどをカバーします。

1. シリンダーを垂直に保ちます。サイフォン管は垂直位置でのみ設計どおりに機能します。
2. 放電中または放電直後は、ホーンや金属コンセントには絶対に触れないでください。霜が降りるまで待ちます。
3. 冷たい水流の射程は見た目よりも短いため、小さな火で短いバーストを使用し、推奨距離から攻撃してください。
4. ゲージだけを信頼するのではなく、検査ごとにシリンダーの重量を測定してください。ゆっくりと充電が失われると、ゲージは正常に見えます。
5. ラプチャーディスク、ホース、ホーンに損傷がなく、ホーンに前回の冷間サイクルによる亀裂がないことを確認します。
6. 閉め切った部屋で使用した後は、火災の程度に関わらず、人が再び入る前に換気してください。

指定した場合の意味

CO2 機器を指定、購入、または運用している人にとって、実際的な結論は簡単です。放電ストリームをガスの雲ではなく、冷たい高速ジェットとして扱います。ホーンとグリップが現実に合わせて設計されていることを確認し、バルブと本体の材質が現場の周囲温度に適合していることを確認し、霜が消えるまでハードウェアに手を触れないようオペレーターを訓練します。

そのメカニズムを理解すると、霜が欠陥のように見えなくなります。これは予測可能な設計上の制約となり、最初の排出から 10 回目の排出まで対応できるように適切な圧力容器の製造と正しいバルブ工学が構築される必要があります。