EN 13136: dimensionado de válvulas de seguridad y tuberías de descarga en refrigeración

Qué cubre la norma

La EN 13136, Sistemas de refrigeración y bombas de calor – Dispositivos de alivio de presión y sus tuberías asociadas – Métodos de cálculo, cubre tres cosas: el caudal másico que debe evacuar una válvula de seguridad o un disco de ruptura, la capacidad de descarga del dispositivo al descargar a la atmósfera o a una parte de la instalación a menor presión, y la pérdida de presión en las tuberías antes y después del dispositivo ^[1]. La última edición es la EN 13136:2013 con la modificación A1 de 2018 ^[1][2].

La relación con la EN 378-2, la PED y la ISO 4126

• EN 378-2 cubre toda la instalación: diseño, PS, alivio de presión y ensayos. La EN 13136 (ahora EN ISO 24664) se usa para calcular las válvulas de seguridad y sus tuberías ^[1][4].
• PED 2014/68/UE: las válvulas de seguridad son accesorios de seguridad y, por regla general, se clasifican en la categoría IV ^[3][5]. Una norma armonizada da presunción de conformidad con los requisitos esenciales de la directiva ^[2].
• ISO 4126: la parte 1 trata las válvulas de seguridad y la parte 2 los discos de ruptura. La fórmula de capacidad y el coeficiente de descarga certificado siguen la ISO 4126-1 ^[1][5].

¿Cuándo se necesita alivio de presión?

La norma trata cuatro causas de sobrepresión: calor exterior (incendio), fuentes de calor internas, compresores y dilatación térmica del líquido atrapado ^[1]. Cada sección que pueda aislarse del dispositivo de seguridad existente, por ejemplo mediante una válvula de cierre, debería tener su propia válvula de seguridad o disco de ruptura ^[7]. Una válvula de seguridad típica empieza a abrir a la presión de tarado y está totalmente abierta antes de que la presión la supere en un 10 % ^[5].

Capacidad de descarga necesaria Qmd

Área de paso y capacidad de la válvula

Para gas y vapor, la fórmula da la capacidad de la válvula Qm en kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A es el área de paso en mm², p0 la presión de descarga en bar absolutos (presión de tarado más un 10 % de sobrepresión) y v0 el volumen específico a p0 en m³/kg ^[5]. Despejando A con Qm = Qmd se obtiene el área de paso mínima necesaria.

• C depende del exponente isentrópico κ del refrigerante y se aplica al flujo crítico (estrangulado) ^[5].
• Kdr es el coeficiente de descarga certificado y reducido: Kdr = Kd · 0,9. El valor figura en la hoja técnica del fabricante de la válvula ^[5].
• Kb tiene en cuenta el flujo subcrítico. Kb = 1 mientras la contrapresión esté por debajo de aproximadamente la mitad de la presión de descarga; con una contrapresión mayor, la capacidad disminuye ^[5].
• La tubería de descarga se dimensiona para lo que la válvula puede descargar realmente, no solo para Qmd.

Límites para las tuberías de entrada y de descarga

• Entrada: la caída de presión desde el recipiente hasta la válvula puede ser como máximo del 3 % de la presión de tarado a caudal pleno ^[4][6].
• Contrapresión: en las válvulas de seguridad estándar (convencionales), como máximo el 10 % de la presión de tarado ^[4]. La contrapresión también eleva la presión de apertura de una válvula convencional ^[5]. Las válvulas equilibradas admiten más, según indique el fabricante.
• Tubería de descarga: se calcula con flujo compresible. Compruebe que la velocidad del gas se mantiene por debajo de la velocidad del sonido, o que el flujo estrangulado a la salida está incluido en el cálculo ^[1][4]. La tubería nunca debe ser menor que la salida de la válvula.
• Tubería común: con varias válvulas, la contrapresión de cada una se calcula con todas las válvulas que pueden descargar a la vez, por ejemplo en un incendio ^[1].

El caso especial del CO2 (R744)

• Presiones altas: el punto crítico está a 31,0 °C y 73,8 bar. En las instalaciones transcríticas, la presión de alta suele estar entre 80 y 120 bar, y la presión en parada del lado de baja puede ser mucho mayor que la de funcionamiento ^[7]. Las válvulas de seguridad, las válvulas conmutadoras y las tuberías deben estar dimensionadas para esa presión.
• Punto triple: por debajo de −56,6 °C y 5,2 bar el CO2 no puede existir como líquido ^[7]. Cuando la presión baja a la atmosférica en la descarga se forma hielo seco, que puede bloquear brevemente las secciones estrechas y elevar la contrapresión.
• Vaporización súbita y flujo bifásico: si llega a la válvula líquido o gas supercrítico denso, se vaporiza dentro de la válvula y la fórmula para gases no es válida. La EN ISO 24664 tiene un anexo propio para líquidos que se vaporizan ^[1]; use el método bifásico del fabricante de la válvula.
• Por encima de la presión crítica no hay calor latente, así que los casos de incendio y de fuente de calor no se pueden calcular de la forma habitual. Calcule en su lugar con gas a una temperatura dada e indique el caudal másico.

Válvula conmutadora para dos válvulas de seguridad

Una válvula conmutadora (de tres vías) conecta el recipiente a una de las dos válvulas de seguridad a la vez, de modo que la otra puede revisarse o sustituirse mientras el recipiente sigue protegido ^[6]. Por tanto, cada válvula de seguridad debe evacuar sola todo el Qmd. La caída de presión de la válvula conmutadora cuenta dentro del límite del 3 % a la entrada; los fabricantes indican qué combinaciones cumplen el límite ^[6]. Compruebe la presión máxima de la válvula conmutadora: un modelo habitual en refrigeración industrial está diseñado para 65 bar, lo que no basta en el lado de alta presión de una instalación de CO2 ^[6].

Lista de comprobación práctica

1. Enumere las partes que pueden aislarse y sus causas de sobrepresión.
2. Calcule Qmd para cada causa y dimensione para la mayor.
3. Elija una válvula según la hoja técnica (Kdr, área) con Qm ≥ Qmd.
4. Compruebe la caída de presión a la entrada (como máximo el 3 %), incluida la de la válvula conmutadora.
5. Compruebe la contrapresión con todas las válvulas que pueden descargar a la vez.
6. CO2: compruebe presiones, hielo seco, flujo bifásico y temperatura del material.
7. Documente el cálculo para la evaluación según la PED.