Wie sorgt ein CO2-Feuerlöscher für Kälte? Die Physik erklärt

Warum ein CO2-Feuerlöscher die Dinge kalt macht

Der Reif, der über das Auswurfrohr kriecht, ist kein Fehler und keine Spielerei. Es handelt sich um verflüssigtes Kohlendioxid, das sich über einen Weg von wenigen Zentimetern hinweg in seiner Phase verändert, und wenn man es versteht, ändert sich die Art und Weise, wie man CO2-Geräte spezifiziert, positioniert und wartet.

Entleeren Sie einen 5-kg-Kohlendioxid-Feuerlöscher in einen offenen Schrank und der Ablauf ist schnell und eindeutig. Das Horn wird innerhalb von zwei oder drei Sekunden weiß vor Frost, und ein blasser, schneeartiger Staub streut aus der Düse und verschwindet fast, sobald es landet. Wer dieses Horn mit bloßer Hand ergreift, erfährt etwas über Kohlendioxid, das er nicht vergessen wird.

Die kurze Antwort zuerst: Ein CO2-Feuerlöscher sorgt für Kälte, weil das darin enthaltene Kohlendioxid als unter Druck stehende Flüssigkeit gespeichert wird und beim Austritt die Phase wechseln muss. Die Expansion von etwa 57 bar auf Atmosphärendruck und die Energie, die das CO2 beim Sieden und teilweisen Gefrieren aufnimmt, bringen den austretenden Strom als Gas auf etwa -70 °C und als feste Trockeneispartikel auf etwa -78,5 °C. Diese Kälte ist ein Nebenprodukt der Lagerung des Wirkstoffs. Es ist nicht der Grund, warum eine CO2-Anlage ein Feuer löscht.

Von Flüssigkeit zu Schnee in wenigen Zentimetern

Eine CO2-Flasche ist kein einfacher Druckgasbehälter. Bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C liegt das Kohlendioxid als gesättigte Mischung vor: Flüssigkeit am Boden, Dampf darüber, beide bei etwa 57 bar. Erwärmen Sie den Raum auf 30 °C und der Druck steigt auf etwa 72 bar. Das ist der Grund, warum das Gehäuse dick ist, warum das Gerät eine Berstscheibe trägt, anstatt sich auf den Bediener zu verlassen, und warum das Manometer eigentlich ein Temperaturmesser ist.

Im Inneren des Zylinders reicht ein Siphonrohr bis nahe an den Boden, sodass das Ventil Flüssigkeit statt Dampf ansaugt. Das ist wichtiger, als den meisten Besitzern bewusst ist: Eine flüssige Zufuhr führt zu einem schnellen, kräftigen Ausstoß, während eine reine Dampfzufuhr die Düse verhungern lassen und die Ausstoßzeit weit über den Nennwert hinaus verlängern würde.

Die Umwandlung selbst geschieht an der Ventilöffnung. Über einen Spalt von wenigen Millimetern bricht der Druck von über 50 bar auf Atmosphärendruck zusammen. Unter diesen Bedingungen kann Flüssigkeit nicht flüssig bleiben. Ein Teil der Masse verdampft sofort und der Rest gefriert zu feinen Trockeneispartikeln. Beides lässt das Horn kalt genug, um Metall zu frosten, den Wasserdampf in der Umgebungsluft zu kondensieren und die Haut zu schädigen.

Die beiden Effekte sorgen für die Kühlung

Adiabatische Expansion

Wenn eine unter Druck stehende Flüssigkeit durch eine kleine Öffnung gepresst wird, dehnt sie sich aus, und diese Ausdehnung wird aus der inneren Energie der Flüssigkeit finanziert, da keine Zeit für das Einströmen von Wärme aus der Umgebung bleibt. Bei normalen Arbeitsdrücken hat Kohlendioxid einen positiven Joule-Thomson-Koeffizienten, was bedeutet, dass es durch Drosselung eher gekühlt als erwärmt wird. Der Strahl ist bereits kälter, sobald er die Öffnung verlässt.

Latente Verdampfungs- und Sublimationswärme

Das Kochen von flüssigem CO2 zu Gas und das anschließende Gefrieren eines Teils dieses Gases zu einem Feststoff verbraucht Energie. Das CO2 liefert diese Energie aus seiner eigenen Restmasse. Der feste Anteil ist Trockeneis, das gleiche Material, das auch im Kühlkettenversand verwendet wird, und es sublimiert bei -78,5 °C direkt wieder zu Gas.

Kombiniert man die beiden Effekte, ergibt das Verhalten vor Ort Sinn: Ein sich schnell bewegender Gasnebel bei etwa -70 °C, der Feststoffpartikel mit etwa -78,5 °C trägt, wandert durch ein Horn, das aus genau diesem Grund normalerweise aus einem isolierenden Polymer geformt wird.

Die Kälte ist nicht der Löschmechanismus. Es ist das unvermeidliche Merkmal, ein Feuerlöschmittel als Flüssiggas zu speichern und in weniger als einer Sekunde freizusetzen.

Wie kalt und wo

In der folgenden Tabelle ist die Entladung eines typischen 5-kg-CO2-Feuerlöschers bei einer Umgebungstemperatur von 20 °C dargestellt. Die tatsächlichen Werte ändern sich mit der Zylindergröße, der Ventilkonstruktion, der Fülldichte und der Umgebungstemperatur, das Muster jedoch nicht.

Was die Kälte mit dem Feuer und allem anderen macht

CO2 löscht hauptsächlich durch Verdrängung. Wenn es in die Brandzone freigesetzt wird, verdünnt es den Sauerstoff, der für die Flammenverbrennung erforderlich ist, und zwar ohne Rückstände zu hinterlassen oder Elektrizität zu leiten. Der abschreckende Effekt ist real, aber zweitrangig. Wasser absorbiert etwa 2,26 MJ pro Kilogramm, das verdampft, weshalb Wasser ein Kühlmittel und CO2 ein erstickendes Mittel ist. Eine CO2-Einheit löscht die Flamme zwar schnell, entzieht aber nicht die im dahinter liegenden Metall gespeicherte Wärme, weshalb es häufig zu einer Wiederzündung kommt, wenn heiße Geräte unter Strom stehen.

Die niedrige Temperatur verursacht eigene Probleme. Heißes Glas, Keramik und dünne Kunststoffe können reißen, wenn sie von einem Wasserstrahl mit einer Temperatur von 20 Grad unter dem Gefrierpunkt getroffen werden, und eine schnelle lokale Abkühlung sehr heißer Oberflächen stellt in dicht gepackten elektrischen Baugruppen ein echtes Risiko dar.

Designdetails, die darüber entscheiden, wie sich die Kälte verhält

Zwei Feuerlöscher mit gleicher Nennkapazität können sich vor Ort sehr unterschiedlich verhalten, und der Unterschied liegt meist in der Hardware und nicht im Marketing:

• Hupe und Griff. Ein isolierendes Polymerhorn oder ein geformter Griff halten die Hand des Bedieners von einer Oberfläche fern, die deutlich unter dem Gefrierpunkt liegt.
• Ventilkonstruktion und Dichtungen. Das Ventil muss ein verflüssigtes Gas bei 50 bis 70 bar abdichten und auch nach längerer Lagerung noch sauber funktionieren. Daher werden Gehäusematerial und Dichtungsmaterialien für das Verhalten bei niedrigen Temperaturen ausgewählt.
• Schlauch. Ein steifer Schlauch knickt, und ein geknickter Schlauch beim Entleeren ist eher ein Druckproblem als ein Komfortproblem.
• Siphonrohr. Seine Länge und Passform entscheiden darüber, ob das Gerät seine Nennladung abgibt oder vorzeitig durch Dampf abstirbt.
• Berstscheibe. Die Entlastungseinrichtung verhindert, dass eine warme Flasche zu einer Gefahr wird, da der Druck mit der Umgebungstemperatur und nicht mit der Nutzung steigt.

Für Exportkäufer ist die Materialqualität ebenso wichtig wie die Kapazitätszahl. Eine CE-gekennzeichnete Einheit, die auf einem CK45-Gehäuse mit passendem Ventil aufgebaut ist, unterscheidet sich von einer Baugruppe ohne Markenzeichen, die das gleiche 5-kg-Etikett trägt.

Die Umgebungstemperatur ist die andere Hälfte der Spezifikation. Hersteller geben üblicherweise einen Betriebsbereich von -20 °C bis 60 °C an, und der nutzbare Arbeitsbereich in Kühlhäusern, Betriebsräumen und unbeheizten Lagerhallen verdient bei der Anfrage eine explizite Antwort und nicht eine Annahme bei der Inbetriebnahme. Die veröffentlichten Temperaturanpassungsbereich für eine 5 kg schwere CK45 CE-Einheit ist ein nützlicher Bezugspunkt bei der Anpassung der Hardware an eine bestimmte Umgebung.

Passende Kapazität für den Job

Mit der Größe ändert sich das Abflussverhalten und damit auch das Frostmuster. Kleinere Zylinder entleeren sich schneller und zeigen früher Frost, während größere Zylinder über einen längeren Zeitraum mehr Wirkstoff abgeben. Aus diesem Grund ist ein 10-kg-Trolley in Technikräumen und Kraftstoffbereichen in der Regel die richtige Lösung und nicht eine Gruppe von Handgeräten. Der tragbare Bereich reicht von 2 kg über 3 kg bis hin zu 5 kg, und jeder Schritt verändert die Entladezeit und die Wurfweite und nicht die zugrunde liegende Physik. Käufer vergleichen Größen im gesamten CO2-Feuerlöscher-Sortiment Entladezeit und Reichweite sollten zusammen angezeigt werden, nicht nur die Kapazität.

Praktische Handhabungs- und Wartungsregeln

Die Kälte verändert nicht die Wartung eines CO2-Feuerlöschers, wohl aber die Handhabung. Diese Regeln decken das meiste ab, was schief geht:

1. Halten Sie den Zylinder aufrecht. Das Siphonrohr funktioniert nur in vertikaler Position wie vorgesehen.
2. Berühren Sie niemals die Hupe oder den Metallauslass während oder unmittelbar nach dem Entladen; warten Sie, bis der Frost verschwunden ist.
3. Verwenden Sie bei kleinen Bränden kurze Feuerstöße und greifen Sie aus der empfohlenen Entfernung an, da die Wurfweite eines kalten Strahls kürzer ist, als es aussieht.
4. Wiegen Sie die Flasche bei jeder Inspektion, anstatt sich nur auf das Messgerät zu verlassen. Bei einem langsamen Ladungsverlust sieht die Anzeige normal aus.
5. Stellen Sie sicher, dass die Berstscheibe, der Schlauch und das Horn unbeschädigt sind und dass das Horn keine Risse aus einem früheren Kältezyklus aufweist.
6. Lüften Sie nach jedem Gebrauch in einem geschlossenen Raum, bevor jemand ihn wieder betritt, unabhängig davon, wie klein das Feuer war.

Was dies bedeutet, wenn Sie angeben

Für jeden, der CO2-Geräte spezifiziert, kauft oder betreibt, ist die praktische Schlussfolgerung klar. Behandeln Sie den Entladungsstrom als kalten Hochgeschwindigkeitsstrahl und nicht als Gaswolke. Überprüfen Sie, ob die Hupe und der Griff für diese Realität ausgelegt sind, vergewissern Sie sich, dass die Ventil- und Gehäusematerialien den Umgebungstemperaturen an Ihrem Standort entsprechen, und schulen Sie die Bediener darin, die Hände von der Hardware fernzuhalten, bis der Frost verschwindet.

Wenn Sie diesen Mechanismus verstehen, sieht der Frost nicht mehr wie ein Defekt aus. Es wird zu einer vorhersehbaren Konstruktionsbeschränkung, die von der ersten bis zur zehnten Entladung durch eine gute Herstellung von Druckbehältern und eine korrekte Ventiltechnik bewältigt werden muss.