EN 13136: dimensionare valvole di sicurezza e tubazioni di scarico in refrigerazione

Cosa copre la norma

La EN 13136, Impianti di refrigerazione e pompe di calore – Dispositivi di limitazione della pressione e relative tubazioni – Metodi di calcolo, copre tre aspetti: la portata massica che una valvola di sicurezza o un disco di rottura deve scaricare, la capacità di scarico del dispositivo quando scarica in atmosfera o verso una parte dell'impianto a pressione più bassa, e la perdita di carico nelle tubazioni a monte e a valle del dispositivo ^[1]. L'edizione più recente è la EN 13136:2013 con l'aggiornamento A1 del 2018 ^[1][2].

Il legame con EN 378-2, PED e ISO 4126

• EN 378-2 copre l'intero impianto: progettazione, PS, protezione dalla sovrapressione e prove. La EN 13136 (ora EN ISO 24664) serve per calcolare le valvole di sicurezza e le relative tubazioni ^[1][4].
• PED 2014/68/UE: le valvole di sicurezza sono accessori di sicurezza e di regola sono classificate in categoria IV ^[3][5]. Una norma armonizzata conferisce presunzione di conformità ai requisiti essenziali della direttiva ^[2].
• ISO 4126: la parte 1 tratta le valvole di sicurezza e la parte 2 i dischi di rottura. La formula della capacità e il coefficiente di efflusso certificato seguono la ISO 4126-1 ^[1][5].

Quando serve la protezione dalla sovrapressione?

La norma tratta quattro cause di sovrapressione: calore esterno (incendio), fonti di calore interne, compressori e dilatazione termica del liquido intrappolato ^[1]. Ogni sezione che può essere intercettata rispetto al dispositivo di sicurezza esistente, ad esempio con una valvola di intercettazione, dovrebbe avere una propria valvola di sicurezza o un proprio disco di rottura ^[7]. Una valvola di sicurezza tipica inizia ad aprire alla pressione di taratura ed è completamente aperta prima che la pressione la superi del 10 % ^[5].

Portata di scarico richiesta Qmd

Area di efflusso e capacità della valvola

Per gas e vapori la formula dà la capacità della valvola Qm in kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A è l'area di efflusso in mm², p0 la pressione di scarico in bar assoluti (pressione di taratura più il 10 % di sovrapressione) e v0 il volume specifico a p0 in m³/kg ^[5]. Risolvendo la formula per A con Qm = Qmd si ottiene l'area di efflusso minima necessaria.

• C dipende dall'esponente isoentropico κ del refrigerante e vale per il flusso critico (strozzato) ^[5].
• Kdr è il coefficiente di efflusso certificato e ridotto: Kdr = Kd · 0,9. Il valore è nella scheda tecnica del costruttore della valvola ^[5].
• Kb tiene conto del flusso subcritico. Kb = 1 finché la contropressione resta sotto circa metà della pressione di scarico; con una contropressione più alta la capacità diminuisce ^[5].
• La tubazione di scarico si dimensiona per ciò che la valvola può effettivamente scaricare, non solo per Qmd.

Limiti per le tubazioni di ingresso e di scarico

• Ingresso: la perdita di carico dal recipiente alla valvola può essere al massimo il 3 % della pressione di taratura a piena portata ^[4][6].
• Contropressione: per le valvole di sicurezza standard (convenzionali) al massimo il 10 % della pressione di taratura ^[4]. La contropressione aumenta anche la pressione di apertura di una valvola convenzionale ^[5]. Le valvole bilanciate ne accettano di più, secondo il costruttore.
• Tubazione di scarico: si calcola con flusso comprimibile. Verificate che la velocità del gas resti sotto la velocità del suono, oppure che il flusso strozzato all'uscita sia incluso nel calcolo ^[1][4]. La tubazione non deve mai essere più piccola dell'uscita della valvola.
• Tubazione comune: con più valvole, la contropressione di ciascuna si calcola con tutte le valvole che possono scaricare contemporaneamente, ad esempio in caso di incendio ^[1].

Il caso particolare della CO2 (R744)

• Pressioni elevate: il punto critico è a 31,0 °C e 73,8 bar. Negli impianti transcritici la pressione di alta è spesso tra 80 e 120 bar, e la pressione a impianto fermo sul lato di bassa può essere molto più alta di quella di esercizio ^[7]. Valvole di sicurezza, valvole di scambio e tubazioni devono essere dimensionate per quella pressione.
• Punto triplo: sotto −56,6 °C e 5,2 bar la CO2 non può esistere allo stato liquido ^[7]. Quando nello scarico la pressione scende a quella atmosferica si forma ghiaccio secco, che può ostruire brevemente le sezioni strette e aumentare la contropressione.
• Flash e flusso bifase: se alla valvola arriva liquido o gas supercritico denso, questo evapora all'interno della valvola e la formula per i gas non vale. La EN ISO 24664 ha un allegato apposito per i liquidi che evaporano ^[1]; usate il metodo bifase del costruttore della valvola.
• Sopra la pressione critica non c'è calore latente, quindi i casi di incendio e di fonte di calore non si possono calcolare nel modo consueto. Calcolate invece con gas a una data temperatura e indicate la portata massica.

Valvola di scambio per due valvole di sicurezza

Una valvola di scambio (a tre vie) collega il recipiente a una delle due valvole di sicurezza alla volta, in modo che l'altra possa essere controllata o sostituita mentre il recipiente resta protetto ^[6]. Ogni valvola di sicurezza deve quindi scaricare da sola l'intera Qmd. La perdita di carico della valvola di scambio rientra nel limite del 3 % in ingresso; i costruttori indicano quali combinazioni rispettano il limite ^[6]. Verificate la pressione massima della valvola di scambio: un modello comune per la refrigerazione industriale è previsto per 65 bar, che non basta sul lato di alta pressione di un impianto a CO2 ^[6].

Lista di controllo pratica

1. Elencate le parti intercettabili e le loro cause di sovrapressione.
2. Calcolate Qmd per ogni causa e dimensionate per la maggiore.
3. Scegliete una valvola dalla scheda tecnica (Kdr, area) con Qm ≥ Qmd.
4. Verificate la perdita di carico in ingresso (al massimo 3 %), compresa quella della valvola di scambio.
5. Verificate la contropressione con tutte le valvole che possono scaricare insieme.
6. CO2: verificate pressioni, ghiaccio secco, flusso bifase e temperatura dei materiali.
7. Documentate il calcolo per la valutazione PED.