EN 13136: kylmälaitteistojen varoventtiilien ja ulospuhallusputkien mitoitus

Mitä standardi kattaa

EN 13136, Kylmälaitteistot ja lämpöpumput – Paineenrajoittimet ja niihin liittyvä putkisto – Laskentamenetelmät, kattaa kolme asiaa: massavirran, joka varoventtiilin tai murtolevyn on pystyttävä purkamaan, laitteen purkauskapasiteetin purettaessa ilmakehään tai matalampipaineiseen järjestelmän osaan sekä laitetta edeltävien ja sen jälkeisten putkien painehäviön ^[1]. Uusin painos on EN 13136:2013 ja sen muutos A1 vuodelta 2018 ^[1][2].

Yhteys EN 378-2:een, PED:hen ja ISO 4126:een

• EN 378-2 kattaa koko järjestelmän: suunnittelun, PS:n, paineenrajoituksen ja testauksen. EN 13136:lla (nyt EN ISO 24664) lasketaan varoventtiilit ja niiden putket ^[1][4].
• PED 2014/68/EU: varoventtiilit ovat varolaitteita, ja ne luokitellaan pääsääntöisesti luokkaan IV ^[3][5]. Yhdenmukaistettu standardi antaa olettaman direktiivin olennaisten vaatimusten täyttymisestä ^[2].
• ISO 4126: osa 1 koskee varoventtiilejä ja osa 2 murtolevyjä. Kapasiteettikaava ja sertifioitu purkauskerroin noudattavat ISO 4126-1:tä ^[1][5].

Milloin paineenrajoitusta tarvitaan?

Standardi käsittelee neljää ylipaineen syytä: ulkoista lämpöä (tulipalo), sisäisiä lämmönlähteitä, kompressoreita ja suljettuun tilaan jääneen nesteen lämpölaajenemista ^[1]. Jokaisessa osassa, joka voidaan erottaa olemassa olevasta varolaitteesta esimerkiksi sulkuventtiilillä, pitäisi olla oma varoventtiili tai murtolevy ^[7]. Tyypillinen varoventtiili alkaa avautua asetuspaineessa ja on täysin auki ennen kuin paine on noussut 10 % sen yli ^[5].

Tarvittava purkauskapasiteetti Qmd

Venttiilin virtauspinta-ala ja kapasiteetti

Kaasulle ja höyrylle kaava antaa venttiilin kapasiteetin Qm yksikössä kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A on virtauspinta-ala mm², p0 purkauspaine absoluuttisina baareina (asetuspaine plus 10 % ylipaine) ja v0 ominaistilavuus paineessa p0 yksikössä m³/kg ^[5]. Kun kaava ratkaistaan A:n suhteen ja Qm = Qmd, saadaan pienin tarvittava virtauspinta-ala.

• C riippuu kylmäaineen isentrooppieksponentista κ ja pätee kriittiselle (kuristuneelle) virtaukselle ^[5].
• Kdr on sertifioitu, alennettu purkauskerroin: Kdr = Kd · 0,9. Arvo on venttiilivalmistajan tuotelehdessä ^[5].
• Kb ottaa huomioon alikriittisen virtauksen. Kb = 1 niin kauan kuin vastapaine on alle noin puolet purkauspaineesta; suuremmalla vastapaineella kapasiteetti pienenee ^[5].
• Ulospuhallusputki mitoitetaan sen mukaan, mitä venttiili todella pystyy purkamaan, ei pelkän Qmd:n mukaan.

Tulo- ja ulospuhallusputkien rajat

• Tuloputki: painehäviö säiliöltä venttiilille saa olla täydellä virtauksella enintään 3 % asetuspaineesta ^[4][6].
• Vastapaine: tavallisilla (konventionaalisilla) varoventtiileillä enintään 10 % asetuspaineesta ^[4]. Vastapaine myös nostaa konventionaalisen venttiilin avautumispainetta ^[5]. Tasapainotetut venttiilit sietävät enemmän valmistajan ilmoituksen mukaan.
• Ulospuhallusputki: lasketaan kokoonpuristuvana virtauksena. Tarkista, että kaasun nopeus pysyy äänennopeuden alapuolella tai että ulostulon kuristunut virtaus on otettu laskelmaan mukaan ^[1][4]. Putki ei saa koskaan olla venttiilin ulostuloa pienempi.
• Yhteinen putki: useilla venttiileillä kunkin venttiilin vastapaine lasketaan kaikilla venttiileillä, jotka voivat purkaa samanaikaisesti, esimerkiksi tulipalossa ^[1].

Erikoistapaus CO2 (R744)

• Korkeat paineet: kriittinen piste on 31,0 °C:ssa ja 73,8 baarissa. Transkriittisissä järjestelmissä korkeapainepuolen paine on usein 80–120 bar, ja matalapainepuolen seisontapaine voi olla paljon käyttöpainetta korkeampi ^[7]. Varoventtiilien, vaihtoventtiilien ja putkien on kestettävä tämä paine.
• Kolmoispiste: alle −56,6 °C:n ja 5,2 baarin CO2 ei voi olla nesteenä ^[7]. Kun paine laskee ulospuhalluksessa ilmakehän paineeseen, muodostuu kuivajäätä, joka voi hetkellisesti tukkia ahtaita kohtia ja nostaa vastapainetta.
• Höyrystyminen ja kaksifaasivirtaus: jos neste tai tiheä ylikriittinen kaasu tulee venttiilille, se höyrystyy äkillisesti venttiilissä, eikä kaasukaava päde. EN ISO 24664:ssä on oma liite höyrystyville nesteille ^[1]; käytä venttiilivalmistajan kaksifaasimenetelmää.
• Kriittisen paineen yläpuolella ei ole höyrystymislämpöä, joten tulipalo- ja lämpötapauksia ei voi laskea tavalliseen tapaan. Laske sen sijaan kaasuna tietyssä lämpötilassa ja ilmoita massavirta.

Vaihtoventtiili kahdelle varoventtiilille

Vaihtoventtiili (kolmitieventtiili) yhdistää säiliön kerrallaan toiseen kahdesta varoventtiilistä, jotta toinen voidaan tarkastaa tai vaihtaa säiliön ollessa yhä suojattu ^[6]. Kummankin varoventtiilin on siksi pystyttävä yksin purkamaan koko Qmd. Vaihtoventtiilin painehäviö lasketaan mukaan tuloputken 3 %:n rajaan; valmistajat ilmoittavat, mitkä yhdistelmät täyttävät rajan ^[6]. Tarkista vaihtoventtiilin suurin paine: eräs teollisuuskylmässä yleinen malli on mitoitettu 65 baarille, mikä ei riitä CO2-järjestelmän korkeapainepuolella ^[6].

Käytännön tarkistuslista

1. Luettele osat, jotka voidaan erottaa, ja niiden ylipaineen syyt.
2. Laske Qmd kullekin syylle ja mitoita suurimman mukaan.
3. Valitse tuotelehden perusteella (Kdr, pinta-ala) venttiili, jolle Qm ≥ Qmd.
4. Tarkista tuloputken painehäviö (enintään 3 %), myös vaihtoventtiilin läpi.
5. Tarkista vastapaine kaikilla venttiileillä, jotka voivat purkaa yhtä aikaa.
6. CO2: tarkista paineet, kuivajää, kaksifaasivirtaus ja materiaalin lämpötila.
7. Dokumentoi laskelma PED-arviointia varten.