EN 13136: Bemessung von Sicherheitsventilen und Abblaseleitungen in Kälteanlagen

Was die Norm abdeckt

EN 13136, Kälteanlagen und Wärmepumpen – Druckentlastungseinrichtungen und zugehörige Leitungen – Berechnungsverfahren, behandelt drei Dinge: den Massenstrom, den ein Sicherheitsventil oder eine Berstscheibe abführen muss, die Abblaseleistung der Einrichtung beim Abblasen ins Freie oder in einen Anlagenteil mit niedrigerem Druck und den Druckverlust in den Leitungen vor und nach der Einrichtung ^[1]. Die neueste Ausgabe ist EN 13136:2013 mit der Änderung A1 von 2018 ^[1][2].

Der Bezug zu EN 378-2, DGRL und ISO 4126

• EN 378-2 behandelt die gesamte Anlage: Auslegung, PS, Druckentlastung und Prüfung. Mit EN 13136 (jetzt EN ISO 24664) werden die Sicherheitsventile und ihre Leitungen berechnet ^[1][4].
• DGRL 2014/68/EU: Sicherheitsventile sind Ausrüstungsteile mit Sicherheitsfunktion und werden in der Regel in Kategorie IV eingestuft ^[3][5]. Eine harmonisierte Norm begründet die Vermutung, dass die grundlegenden Anforderungen der Richtlinie erfüllt sind ^[2].
• ISO 4126: Teil 1 behandelt Sicherheitsventile, Teil 2 Berstscheiben. Die Leistungsformel und die zuerkannte Ausflussziffer folgen der ISO 4126-1 ^[1][5].

Wann ist eine Druckentlastung nötig?

Die Norm behandelt vier Ursachen für Überdruck: äußere Wärme (Brand), innere Wärmequellen, Verdichter und die Wärmeausdehnung eingeschlossener Flüssigkeit ^[1]. Jeder Abschnitt, der von der vorhandenen Sicherheitseinrichtung abgesperrt werden kann, etwa durch ein Absperrventil, sollte ein eigenes Sicherheitsventil oder eine eigene Berstscheibe haben ^[7]. Ein typisches Sicherheitsventil beginnt beim Ansprechdruck zu öffnen und ist voll geöffnet, bevor der Druck um 10 % darüber gestiegen ist ^[5].

Erforderlicher Abblasemassenstrom Qmd

Strömungsquerschnitt und Leistung des Ventils

Für Gas und Dampf liefert die Formel die Ventilleistung Qm in kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A ist der engste Strömungsquerschnitt in mm², p0 der Abblasedruck in bar absolut (Ansprechdruck plus 10 % Drucksteigerung) und v0 das spezifische Volumen bei p0 in m³/kg ^[5]. Löst man die Formel mit Qm = Qmd nach A auf, erhält man den kleinsten erforderlichen Strömungsquerschnitt.

• C hängt vom Isentropenexponenten κ des Kältemittels ab und gilt für kritische (überkritische) Strömung ^[5].
• Kdr ist die zuerkannte, abgeminderte Ausflussziffer: Kdr = Kd · 0,9. Der Wert steht im Datenblatt des Ventilherstellers ^[5].
• Kb berücksichtigt unterkritische Strömung. Kb = 1, solange der Gegendruck unter etwa der Hälfte des Abblasedrucks liegt; bei höherem Gegendruck sinkt die Leistung ^[5].
• Die Abblaseleitung wird für das bemessen, was das Ventil tatsächlich abführen kann, nicht nur für Qmd.

Grenzwerte für Zu- und Abblaseleitung

• Zuleitung: Der Druckverlust vom Behälter bis zum Ventil darf bei vollem Durchfluss höchstens 3 % des Ansprechdrucks betragen ^[4][6].
• Gegendruck: bei Standard-Sicherheitsventilen (konventionelle Bauart) höchstens 10 % des Ansprechdrucks ^[4]. Gegendruck erhöht außerdem den Öffnungsdruck eines konventionellen Ventils ^[5]. Balgventile (gegendruckkompensiert) vertragen mehr, nach Herstellerangabe.
• Abblaseleitung: mit kompressibler Strömung berechnen. Prüfen Sie, dass die Gasgeschwindigkeit unter der Schallgeschwindigkeit bleibt oder dass die kritische Strömung am Austritt in der Berechnung berücksichtigt ist ^[1][4]. Die Leitung darf nie kleiner als der Ventilaustritt sein.
• Sammelleitung: Bei mehreren Ventilen wird der Gegendruck jedes Ventils mit allen Ventilen berechnet, die gleichzeitig abblasen können, etwa im Brandfall ^[1].

Sonderfall CO2 (R744)

• Hohe Drücke: Der kritische Punkt liegt bei 31,0 °C und 73,8 bar. In transkritischen Anlagen liegt der Hochdruck oft zwischen 80 und 120 bar, und der Stillstandsdruck auf der Niederdruckseite kann deutlich über dem Betriebsdruck liegen ^[7]. Sicherheitsventile, Wechselventile und Rohre müssen für diesen Druck ausgelegt sein.
• Tripelpunkt: Unterhalb von −56,6 °C und 5,2 bar kann CO2 nicht flüssig vorliegen ^[7]. Fällt der Druck in der Abblaseleitung auf Atmosphärendruck, bildet sich Trockeneis, das enge Stellen kurzzeitig verstopfen und den Gegendruck erhöhen kann.
• Entspannungsverdampfung und Zweiphasenströmung: Erreicht Flüssigkeit oder dichtes überkritisches Gas das Ventil, verdampft sie im Ventil, und die Gasformel gilt nicht. EN ISO 24664 hat einen eigenen Anhang für ausdampfende Flüssigkeiten ^[1]; verwenden Sie das Zweiphasenverfahren des Ventilherstellers.
• Oberhalb des kritischen Drucks gibt es keine Verdampfungsenthalpie, daher lassen sich Brand- und Wärmefall nicht wie üblich berechnen. Rechnen Sie stattdessen mit Gas bei einer bestimmten Temperatur und geben Sie den Massenstrom an.

Wechselventil für zwei Sicherheitsventile

Ein Wechselventil (Dreiwegeventil) verbindet den Behälter jeweils mit einem von zwei Sicherheitsventilen, damit das andere geprüft oder getauscht werden kann, während der Behälter weiterhin abgesichert ist ^[6]. Jedes Sicherheitsventil muss daher allein den vollen Qmd abführen können. Der Druckverlust des Wechselventils zählt zur 3-%-Grenze der Zuleitung; die Hersteller geben an, welche Kombinationen die Grenze einhalten ^[6]. Prüfen Sie den zulässigen Druck des Wechselventils: Ein verbreitetes Modell für Industriekälte ist für 65 bar ausgelegt, was auf der Hochdruckseite einer CO2-Anlage nicht ausreicht ^[6].

Checkliste für die Praxis

1. Die absperrbaren Anlagenteile und ihre Überdruckursachen auflisten.
2. Qmd für jede Ursache berechnen und nach der größten bemessen.
3. Ein Ventil aus dem Datenblatt (Kdr, Querschnitt) mit Qm ≥ Qmd wählen.
4. Den Druckverlust in der Zuleitung prüfen (höchstens 3 %), einschließlich Wechselventil.
5. Den Gegendruck mit allen Ventilen prüfen, die gemeinsam abblasen können.
6. CO2: Drücke, Trockeneis, Zweiphasenströmung und Werkstofftemperatur prüfen.
7. Die Berechnung für die DGRL-Bewertung dokumentieren.