EN 13136：冷凍設備の安全弁と放出管のサイズ計算
EN 13136 による安全弁と放出管の計算方法。火災、圧縮機、熱源、Kdr と Kb、入口損失 3%、背圧、CO2 とドライアイス、後継規格 EN ISO 24664 を解説します。
要点
- EN 13136:2013+A1:2018 は、冷凍設備とヒートポンプについて、必要吹出し量、安全弁の吹出し容量、入口管と放出管の圧力損失の計算方法を定めています [1]。
- この規格は EN ISO 24664:2024 に置き換えられ、同規格は 2026年10月2日から圧力機器指令の整合規格となっています。EN 13136 による適合の推定は 2028年4月2日までです [1][2]。
- 必要吹出し量は、外部火災、閉じた弁に対する圧縮機運転、内部熱源、閉じ込められた配管内の液膨張について計算します [1]。
- 弁の吹出し容量は Qm = 0.2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0) で計算します。Kdr = 0.9 · Kd は認証された低減吹出し係数です [5]。
- 入口管の圧力損失は設定圧力の 3% 以下とします。標準的な安全弁では背圧は 10% 以下です [4][6]。
- CO2 は圧力が高く、三重点（5.2 bar）を下回るとドライアイスができ、液や高密度ガスが弁に入ると二相流になります [1][7]。
規格の対象
EN 13136「冷凍システムとヒートポンプ – 圧力逃がし装置とその関連配管 – 計算方法」は 3 つの事項を扱います。安全弁または破裂板が処理すべき質量流量、大気またはシステムの低圧部へ放出する場合の装置の吹出し容量、そして装置の前後の配管の圧力損失です [1]。最新版は EN 13136:2013 と 2018年の追補 A1 です [1][2]。
EN 378-2、PED、ISO 4126 との関係
- EN 378-2 はシステム全体（設計、PS、圧力逃がし、試験）を扱います。安全弁とその配管の計算には EN 13136（現在は EN ISO 24664）を使います [1][4]。
- PED 2014/68/EU：安全弁は安全付属品であり、原則としてカテゴリー IV に分類されます [3][5]。整合規格は指令の必須要求事項への適合の推定を与えます [2]。
- ISO 4126：第 1 部は安全弁、第 2 部は破裂板を扱います。容量式と認証された吹出し係数は ISO 4126-1 に従います [1][5]。
圧力逃がしが必要になるのはいつか
規格は過圧の 4 つの原因を扱います。外部からの熱（火災）、内部熱源、圧縮機、閉じ込められた液の熱膨張です [1]。止め弁などで既存の安全装置から隔離できる区間には、それぞれ専用の安全弁または破裂板を設けるべきです [7]。一般的な安全弁は設定圧力で開き始め、圧力が設定圧力の 10% 増しに達する前に全開します [5]。
必要吹出し量 Qmd
| 原因 | Qmd の計算方法 | 注意点 |
|---|---|---|
| 外部火災 | 熱流束（EN 13136 では 10 kW/m²）× 容器の外表面積 ÷ 吹出し圧力での蒸発潜熱 [1] | 容積ではなく表面積（m²）。 |
| 閉じた弁に対する圧縮機運転 | 押しのけ量 × 吸込みガス密度 × 体積効率 [1] | 想定し得る最高の吸込み温度を使う。 |
| 内部熱源 | 入熱量 ÷ 蒸発潜熱 [1] | 例：電気ヒーター。 |
| 閉じ込められた液 | 閉止され得る配管や容器内の液の熱膨張 [1] | 流量は小さいが、圧力上昇は非常に速い。 |
弁の流路面積と吹出し容量
気体と蒸気について、式は弁の吹出し容量 Qm（kg/h）を与えます：Qm = 0.2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0)。A は流路面積（mm²）、p0 は吹出し圧力（bar 絶対圧、設定圧力 + 10% の過圧）、v0 は p0 における比体積（m³/kg）です [5]。Qm = Qmd として A について解くと、必要な最小流路面積が得られます。
- C は冷媒の等エントロピー指数 κ に依存し、臨界（チョーク）流に適用されます [5]。
- Kdr は認証された低減吹出し係数で、Kdr = Kd · 0.9 です。値は弁メーカーのデータシートに記載されています [5]。
- Kb は亜臨界流を考慮します。背圧が吹出し圧力の約半分未満なら Kb = 1 で、背圧がそれより高いと容量が下がります [5]。
- 放出管は Qmd だけでなく、弁が実際に吹き出せる量に対してサイズを決めます。
入口管と放出管の制限
- 入口：全流量時、容器から弁までの圧力損失は設定圧力の 3% 以下です [4][6]。
- 背圧：標準（従来型）安全弁では設定圧力の 10% 以下です [4]。背圧は従来型の弁の開弁圧力も上げます [5]。バランス型の弁はメーカーの表示どおり、より高い背圧に耐えます。
- 放出管：圧縮性流れとして計算します。ガス速度が音速未満であるか、出口でのチョーク流を計算に含めているかを確認してください [1][4]。配管は弁の出口より細くしてはなりません。
- 共通管：複数の弁がある場合、各弁の背圧は、火災時など同時に吹き出し得るすべての弁を考慮して計算します [1]。
CO2（R744）の特殊なケース
- 高圧：臨界点は 31.0 °C、73.8 bar です。遷臨界システムでは高圧側の圧力が 80〜120 bar になることが多く、低圧側の停止時圧力は運転圧力よりはるかに高くなることがあります [7]。安全弁、切替弁、配管はその圧力に対応している必要があります。
- 三重点：−56.6 °C、5.2 bar を下回ると CO2 は液体として存在できません [7]。放出中に圧力が大気圧まで下がるとドライアイスができ、狭い部分を一時的に閉塞させて背圧を上げることがあります。
- フラッシュと二相流：液や高密度の超臨界ガスが弁に達すると弁内でフラッシュし、気体の式は適用できません。EN ISO 24664 にはフラッシュする液のための附属書があります [1]。弁メーカーの二相流計算法を使ってください。
- 臨界圧力を超えると蒸発潜熱がないため、火災と熱源のケースは通常の方法では計算できません。代わりに、ある温度の気体として計算し、質量流量を示します。
2 台の安全弁用の切替弁
切替弁（三方弁）は容器を 2 台の安全弁のどちらか一方にだけ接続するので、容器を保護したまま、もう一方を点検・交換できます [6]。したがって各安全弁は単独で Qmd の全量を処理できなければなりません。切替弁の圧力損失は入口制限 3% に含まれます。メーカーはどの組み合わせが制限を満たすかを示しています [6]。切替弁の最高圧力を確認してください。産業用冷凍で一般的なある機種の定格は 65 bar で、CO2 システムの高圧側には不足します [6]。
実務チェックリスト
- 隔離できる部分とその過圧原因を洗い出す。
- 原因ごとに Qmd を計算し、最大のものでサイズを決める。
- データシート（Kdr、面積）から Qm ≥ Qmd の弁を選ぶ。
- 切替弁を含めて入口圧力損失（3% 以下）を確認する。
- 同時に吹き出し得るすべての弁で背圧を確認する。
- CO2：圧力、ドライアイス、二相流、材料温度を確認する。
- PED の評価用に計算を文書化する。
自分で計算する
この記事の用語
出典
- 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)