EN 13136 : dimensionner soupapes et conduites d'échappement en froid
Dimensionner soupapes et conduites d'échappement selon l'EN 13136 : incendie, compresseur, source de chaleur, Kdr et Kb, perte d'entrée 3 %, contre-pression, CO2, glace carbonique, EN ISO 24664.
L'essentiel
- L'EN 13136:2013+A1:2018 décrit comment calculer le débit de décharge requis, la capacité de la soupape et la perte de charge dans les conduites d'entrée et d'échappement des installations frigorifiques et des pompes à chaleur [1].
- La norme a été remplacée par l'EN ISO 24664:2024, harmonisée au titre de la directive équipements sous pression depuis le 2 octobre 2026. L'EN 13136 ne donne présomption de conformité que jusqu'au 2 avril 2028 [1][2].
- Le débit requis se calcule pour un incendie extérieur, un compresseur refoulant contre une vanne fermée, des sources de chaleur internes et la dilatation de liquide dans une conduite isolée [1].
- La capacité de la soupape se calcule avec Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0), où Kdr = 0,9 · Kd est le coefficient de débit certifié et réduit [5].
- La perte de charge dans la conduite d'entrée est limitée à 3 % de la pression de tarage. Pour les soupapes standard, la contre-pression est limitée à 10 % [4][6].
- Le CO2 a des pressions élevées, de la glace carbonique se forme quand la pression descend sous le point triple (5,2 bar), et du liquide ou du gaz dense provoque un écoulement diphasique dans la soupape [1][7].
Ce que couvre la norme
L'EN 13136, Systèmes de réfrigération et pompes à chaleur – Dispositifs de limitation de pression et tuyauteries associées – Méthodes de calcul, couvre trois points : le débit massique que doit évacuer une soupape ou un disque de rupture, la capacité de décharge du dispositif lorsqu'il évacue à l'atmosphère ou vers une partie de l'installation à plus basse pression, et la perte de charge dans les conduites en amont et en aval du dispositif [1]. La dernière édition est l'EN 13136:2013 avec l'amendement A1 de 2018 [1][2].
Le lien avec l'EN 378-2, la DESP et l'ISO 4126
- EN 378-2 couvre l'installation entière : conception, PS, protection contre les surpressions et essais. L'EN 13136 (désormais EN ISO 24664) sert à calculer les soupapes et leurs conduites [1][4].
- DESP 2014/68/UE : les soupapes sont des accessoires de sécurité et sont en règle générale classées en catégorie IV [3][5]. Une norme harmonisée donne présomption de conformité aux exigences essentielles de la directive [2].
- ISO 4126 : la partie 1 traite des soupapes de sûreté et la partie 2 des disques de rupture. La formule de capacité et le coefficient de débit certifié suivent l'ISO 4126-1 [1][5].
Quand faut-il une protection contre les surpressions ?
La norme traite quatre causes de surpression : la chaleur extérieure (incendie), les sources de chaleur internes, les compresseurs et la dilatation thermique du liquide emprisonné [1]. Chaque partie pouvant être isolée du dispositif de sécurité existant, par exemple par une vanne d'arrêt, devrait avoir sa propre soupape ou son propre disque de rupture [7]. Une soupape type commence à s'ouvrir à la pression de tarage et est pleinement ouverte avant que la pression ne la dépasse de 10 % [5].
Débit de décharge requis Qmd
| Cause | Calcul de Qmd | Points d'attention |
|---|---|---|
| Incendie extérieur | Densité de flux thermique (10 kW/m² dans l'EN 13136) multipliée par la surface extérieure du récipient, divisée par la chaleur latente à la pression de décharge [1] | Surface en m², pas le volume. |
| Compresseur contre une vanne fermée | Volume balayé × masse volumique du gaz aspiré × rendement volumétrique [1] | Prendre la température d'aspiration la plus haute possible. |
| Source de chaleur interne | Apport de chaleur divisé par la chaleur latente [1] | P. ex. une résistance électrique. |
| Liquide emprisonné | Dilatation thermique du liquide dans une conduite ou un récipient pouvant être isolé [1] | Faible débit, montée en pression très rapide. |
Section de passage et capacité de la soupape
Pour les gaz et vapeurs, la formule donne la capacité de la soupape Qm en kg/h : Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A est la section de passage en mm², p0 la pression de décharge en bar absolu (pression de tarage plus 10 % de surpression) et v0 le volume massique à p0 en m³/kg [5]. En résolvant la formule pour A avec Qm = Qmd, on obtient la plus petite section de passage nécessaire.
- C dépend de l'exposant isentropique κ du fluide frigorigène et vaut pour un écoulement critique (bloqué) [5].
- Kdr est le coefficient de débit certifié et réduit : Kdr = Kd · 0,9. La valeur figure dans la fiche technique du fabricant de la soupape [5].
- Kb tient compte de l'écoulement sous-critique. Kb = 1 tant que la contre-pression reste inférieure à environ la moitié de la pression de décharge ; au-delà, la capacité diminue [5].
- La conduite d'échappement se dimensionne pour ce que la soupape peut réellement évacuer, pas seulement pour Qmd.
Limites pour les conduites d'entrée et d'échappement
- Entrée : la perte de charge entre le récipient et la soupape est limitée à 3 % de la pression de tarage à plein débit [4][6].
- Contre-pression : pour les soupapes standard (conventionnelles), au plus 10 % de la pression de tarage [4]. La contre-pression augmente aussi la pression d'ouverture d'une soupape conventionnelle [5]. Les soupapes équilibrées acceptent davantage, selon le fabricant.
- Conduite d'échappement : calculée en écoulement compressible. Vérifiez que la vitesse du gaz reste inférieure à la vitesse du son, ou que l'écoulement bloqué en sortie est pris en compte dans le calcul [1][4]. La conduite ne doit jamais être plus petite que la sortie de la soupape.
- Conduite commune : avec plusieurs soupapes, la contre-pression de chacune se calcule avec toutes les soupapes susceptibles de décharger en même temps, par exemple en cas d'incendie [1].
Le cas particulier du CO2 (R744)
- Pressions élevées : le point critique se situe à 31,0 °C et 73,8 bar. Dans les installations transcritiques, la pression haute est souvent comprise entre 80 et 120 bar, et la pression à l'arrêt côté basse pression peut être bien supérieure à la pression de fonctionnement [7]. Soupapes, vannes d'inversion et tuyauteries doivent être prévues pour cette pression.
- Point triple : en dessous de −56,6 °C et 5,2 bar, le CO2 ne peut pas exister à l'état liquide [7]. Quand la pression retombe à la pression atmosphérique dans l'échappement, de la glace carbonique se forme, ce qui peut obstruer brièvement les sections étroites et augmenter la contre-pression.
- Vaporisation et écoulement diphasique : si du liquide ou du gaz supercritique dense atteint la soupape, il se vaporise dans la soupape et la formule pour les gaz ne s'applique pas. L'EN ISO 24664 contient une annexe propre aux liquides qui se vaporisent [1] ; utilisez la méthode diphasique du fabricant de la soupape.
- Au-dessus de la pression critique, il n'y a pas de chaleur latente, et les cas incendie et source de chaleur ne peuvent pas se calculer de la manière habituelle. Calculez plutôt avec du gaz à une température donnée et indiquez le débit massique.
Vanne d'inversion pour deux soupapes
Une vanne d'inversion (trois voies) relie le récipient à l'une de deux soupapes à la fois, de sorte que l'autre peut être contrôlée ou remplacée pendant que le récipient reste protégé [6]. Chaque soupape doit donc évacuer seule la totalité de Qmd. La perte de charge de la vanne d'inversion compte dans la limite de 3 % à l'entrée ; les fabricants indiquent quelles combinaisons respectent cette limite [6]. Vérifiez la pression maximale de la vanne d'inversion : un modèle courant en froid industriel est prévu pour 65 bar, ce qui ne suffit pas côté haute pression d'une installation au CO2 [6].
Liste de contrôle pratique
- Listez les parties pouvant être isolées et leurs causes de surpression.
- Calculez Qmd pour chaque cause et dimensionnez pour la plus grande.
- Choisissez une soupape d'après la fiche technique (Kdr, section) avec Qm ≥ Qmd.
- Vérifiez la perte de charge à l'entrée (au plus 3 %), y compris à travers la vanne d'inversion.
- Vérifiez la contre-pression avec toutes les soupapes pouvant décharger simultanément.
- CO2 : vérifiez les pressions, la glace carbonique, l'écoulement diphasique et la température des matériaux.
- Documentez le calcul pour l'évaluation DESP.
Calculez vous-même
Termes de l'article
Sources
- CEN (iTeh Standards catalogue) – EN ISO 24664:2024 Refrigerating systems and heat pumps – Pressure relief devices and their associated piping – Methods for calculation (replaces EN 13136:2013+A1:2018)
- Commission Implementing Decision (EU) 2026/2211 of 1 October 2026 on harmonised standards for refrigerating systems and heat pumps (and others) under Directive 2014/68/EU – EUR-Lex
- Pressure Equipment Directive 2014/68/EU – EUR-Lex
- Danfoss – How to select the best safety valve for your system (EN 378 / EN 13136, inlet and outlet pressure drop)
- Danfoss – Safety relief valve SFA, data sheet (discharge capacity to ISO 4126-1 / EN 13136, Kdr, Kb, PED category)
- Danfoss – Change-over valve DSV 10, DSV 1 and DSV 2, data sheet
- Danfoss – A guide to designing transcritical refrigeration systems with carbon dioxide (CO2)