EN 13136: 냉동 시스템의 안전밸브와 방출관 산정
EN 13136에 따른 안전밸브와 방출관 산정: 화재, 압축기, 열원, Kdr과 Kb, 입구 손실 3%, 배압, CO2와 드라이아이스, 후속 표준 EN ISO 24664를 설명합니다.
핵심 요약
- EN 13136:2013+A1:2018은 냉동 시스템과 히트펌프에서 필요 방출량, 안전밸브의 방출 용량, 입구관과 방출관의 압력 손실을 계산하는 방법을 규정합니다 [1].
- 이 표준은 EN ISO 24664:2024로 대체되었으며, 이 표준은 2026년 10월 2일부터 압력기기 지침의 조화 표준입니다. EN 13136은 2028년 4월 2일까지만 적합성 추정을 제공합니다 [1][2].
- 필요 방출량은 외부 화재, 닫힌 밸브에 대한 압축기 운전, 내부 열원, 격리된 배관 내 액체 팽창에 대해 계산합니다 [1].
- 밸브 용량은 Qm = 0.2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0)으로 계산하며, Kdr = 0.9 · Kd는 인증된 감소 방출 계수입니다 [5].
- 입구관의 압력 강하는 설정 압력의 최대 3%입니다. 표준 안전밸브의 배압은 최대 10%입니다 [4][6].
- CO2는 압력이 높고, 압력이 삼중점(5.2 bar) 아래로 떨어지면 드라이아이스가 생기며, 액체나 고밀도 가스는 밸브에서 2상 유동을 일으킵니다 [1][7].
표준의 적용 범위
EN 13136 「냉동 시스템 및 히트펌프 – 압력 방출 장치 및 관련 배관 – 계산 방법」은 세 가지를 다룹니다. 안전밸브나 파열판이 처리해야 하는 질량 유량, 대기 또는 시스템의 저압부로 방출할 때 장치의 방출 용량, 그리고 장치 앞뒤 배관의 압력 손실입니다 [1]. 최신판은 EN 13136:2013과 2018년 개정 A1입니다 [1][2].
EN 378-2, PED 및 ISO 4126과의 관계
- EN 378-2는 시스템 전체(설계, PS, 압력 방출, 시험)를 다룹니다. 안전밸브와 그 배관의 계산에는 EN 13136(현재는 EN ISO 24664)을 사용합니다 [1][4].
- PED 2014/68/EU: 안전밸브는 안전 부속품이며 원칙적으로 범주 IV로 분류됩니다 [3][5]. 조화 표준은 지침의 필수 요건에 대한 적합성 추정을 제공합니다 [2].
- ISO 4126: 1부는 안전밸브, 2부는 파열판을 다룹니다. 용량 공식과 인증된 방출 계수는 ISO 4126-1을 따릅니다 [1][5].
압력 방출은 언제 필요한가?
이 표준은 과압의 네 가지 원인을 다룹니다. 외부 열(화재), 내부 열원, 압축기, 갇힌 액체의 열팽창입니다 [1]. 예를 들어 차단 밸브로 기존 안전장치에서 격리될 수 있는 모든 구간에는 자체 안전밸브나 파열판이 있어야 합니다 [7]. 일반적인 안전밸브는 설정 압력에서 열리기 시작하고, 압력이 설정 압력보다 10% 높아지기 전에 완전히 열립니다 [5].
필요 방출량 Qmd
| 원인 | Qmd 계산 방법 | 주의 사항 |
|---|---|---|
| 외부 화재 | 열유속(EN 13136에서는 10 kW/m²) × 용기 외부 표면적 ÷ 방출 압력에서의 증발 잠열 [1] | 용적이 아니라 표면적(m²). |
| 닫힌 밸브에 대한 압축기 운전 | 행정 체적 × 흡입 가스 밀도 × 체적 효율 [1] | 가능한 가장 높은 흡입 온도를 사용합니다. |
| 내부 열원 | 열 입력 ÷ 증발 잠열 [1] | 예: 전기 히터. |
| 갇힌 액체 | 차단될 수 있는 배관이나 용기 내 액체의 열팽창 [1] | 유량은 작지만 압력 상승이 매우 빠릅니다. |
밸브 유로 면적과 용량
기체와 증기의 경우 공식은 밸브 용량 Qm(kg/h)을 제공합니다: Qm = 0.2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A는 유로 면적(mm²), p0는 방출 압력(bar 절대압, 설정 압력 + 10% 과압), v0는 p0에서의 비체적(m³/kg)입니다 [5]. Qm = Qmd로 놓고 A에 대해 풀면 필요한 최소 유로 면적이 나옵니다.
- C는 냉매의 등엔트로피 지수 κ에 따라 달라지며 임계(초크) 유동에 적용됩니다 [5].
- Kdr은 인증된 감소 방출 계수입니다: Kdr = Kd · 0.9. 값은 밸브 제조사의 데이터시트에 있습니다 [5].
- Kb는 아임계 유동을 반영합니다. 배압이 방출 압력의 약 절반 미만이면 Kb = 1이고, 배압이 더 높으면 용량이 떨어집니다 [5].
- 방출관은 Qmd만이 아니라 밸브가 실제로 방출할 수 있는 양에 맞춰 산정합니다.
입구관과 방출관의 한계
- 입구: 전체 유량에서 용기에서 밸브까지의 압력 강하는 설정 압력의 최대 3%입니다 [4][6].
- 배압: 표준(일반형) 안전밸브의 경우 설정 압력의 최대 10%입니다 [4]. 배압은 일반형 밸브의 개방 압력도 높입니다 [5]. 밸런스형 밸브는 제조사가 명시한 대로 더 높은 배압을 견딥니다.
- 방출관: 압축성 유동으로 계산합니다. 가스 속도가 음속 이하인지, 또는 출구의 초크 유동이 계산에 포함되었는지 확인하십시오 [1][4]. 배관은 밸브 출구보다 작아서는 안 됩니다.
- 공통관: 밸브가 여러 개인 경우, 각 밸브의 배압은 화재 시처럼 동시에 방출할 수 있는 모든 밸브를 고려해 계산합니다 [1].
CO2(R744)의 특수한 경우
- 고압: 임계점은 31.0 °C, 73.8 bar입니다. 초임계 시스템에서 고압측 압력은 흔히 80~120 bar이며, 저압측의 정지 시 압력은 운전 압력보다 훨씬 높을 수 있습니다 [7]. 안전밸브, 전환 밸브, 배관은 그 압력에 맞는 등급이어야 합니다.
- 삼중점: −56.6 °C, 5.2 bar 미만에서는 CO2가 액체로 존재할 수 없습니다 [7]. 방출 중 압력이 대기압까지 떨어지면 드라이아이스가 생겨 좁은 부분을 일시적으로 막고 배압을 높일 수 있습니다.
- 플래시와 2상 유동: 액체나 고밀도 초임계 가스가 밸브에 도달하면 밸브 안에서 플래시되며 기체 공식이 적용되지 않습니다. EN ISO 24664에는 플래시 액체에 관한 별도의 부속서가 있습니다 [1]. 밸브 제조사의 2상 유동 계산법을 사용하십시오.
- 임계 압력 이상에서는 증발 잠열이 없으므로 화재와 열원 경우를 일반적인 방법으로 계산할 수 없습니다. 대신 특정 온도의 기체로 계산하고 질량 유량을 제시하십시오.
두 안전밸브용 전환 밸브
전환 밸브(3방 밸브)는 용기를 두 안전밸브 중 한 번에 하나에만 연결하므로, 용기가 계속 보호되는 동안 다른 하나를 점검하거나 교체할 수 있습니다 [6]. 따라서 각 안전밸브는 단독으로 Qmd 전체를 처리할 수 있어야 합니다. 전환 밸브의 압력 강하는 입구 한계 3%에 포함되며, 제조사는 어떤 조합이 한계를 충족하는지 명시합니다 [6]. 전환 밸브의 최고 압력을 확인하십시오. 산업용 냉동에 흔히 쓰이는 한 모델은 65 bar 등급인데, 이는 CO2 시스템의 고압측에는 부족합니다 [6].
실무 체크리스트
- 격리될 수 있는 부분과 그 과압 원인을 나열합니다.
- 원인별로 Qmd를 계산하고 가장 큰 값으로 산정합니다.
- 데이터시트(Kdr, 면적)에서 Qm ≥ Qmd인 밸브를 선택합니다.
- 전환 밸브를 포함해 입구 압력 강하(최대 3%)를 확인합니다.
- 함께 방출할 수 있는 모든 밸브로 배압을 확인합니다.
- CO2: 압력, 드라이아이스, 2상 유동, 재료 온도를 확인합니다.
- PED 평가를 위해 계산을 문서화합니다.
직접 계산해 보기
이 글의 용어
출처
- 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)