EN 13136: dimensionering van veiligheidskleppen en afblaasleidingen in koelinstallaties

Wat de norm behandelt

EN 13136, Koelsystemen en warmtepompen – Drukbeveiligingsinrichtingen en bijbehorende leidingen – Berekeningsmethoden, behandelt drie dingen: de massastroom die een veiligheidsklep of breekplaat moet afvoeren, de afblaascapaciteit van de inrichting bij afblazen naar buiten of naar een deel van de installatie met lagere druk, en het drukverlies in de leidingen vóór en na de inrichting ^[1]. De laatste uitgave is EN 13136:2013 met wijziging A1 uit 2018 ^[1][2].

Het verband met EN 378-2, de PED en ISO 4126

• EN 378-2 behandelt de hele installatie: ontwerp, PS, drukbeveiliging en beproeving. Met EN 13136 (nu EN ISO 24664) worden de veiligheidskleppen en hun leidingen berekend ^[1][4].
• PED 2014/68/EU: veiligheidskleppen zijn veiligheidsappendages en vallen in de regel in categorie IV ^[3][5]. Een geharmoniseerde norm geeft een vermoeden van overeenstemming met de essentiële eisen van de richtlijn ^[2].
• ISO 4126: deel 1 behandelt veiligheidskleppen en deel 2 breekplaten. De capaciteitsformule en de gecertificeerde afblaascoëfficiënt volgen ISO 4126-1 ^[1][5].

Wanneer is drukbeveiliging nodig?

De norm behandelt vier oorzaken van overdruk: uitwendige warmte (brand), inwendige warmtebronnen, compressoren en thermische uitzetting van ingesloten vloeistof ^[1]. Elk deel dat van de bestaande beveiliging kan worden afgesloten, bijvoorbeeld door een afsluiter, hoort een eigen veiligheidsklep of breekplaat te hebben ^[7]. Een gangbare veiligheidsklep begint bij de insteldruk te openen en is volledig open voordat de druk 10 % daarboven is gestegen ^[5].

Vereiste afblaascapaciteit Qmd

Doorlaatoppervlak en capaciteit van de klep

Voor gas en damp geeft de formule de klepcapaciteit Qm in kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A is het doorlaatoppervlak in mm², p0 de afblaasdruk in bar absoluut (insteldruk plus 10 % overdruk) en v0 het specifiek volume bij p0 in m³/kg ^[5]. Lost u de formule op naar A met Qm = Qmd, dan krijgt u het kleinste benodigde doorlaatoppervlak.

• C hangt af van de isentrope exponent κ van het koudemiddel en geldt voor kritische (gesmoorde) stroming ^[5].
• Kdr is de gecertificeerde, gereduceerde afblaascoëfficiënt: Kdr = Kd · 0,9. De waarde staat in het gegevensblad van de klepfabrikant ^[5].
• Kb houdt rekening met subkritische stroming. Kb = 1 zolang de tegendruk onder ongeveer de helft van de afblaasdruk ligt; bij hogere tegendruk daalt de capaciteit ^[5].
• De afblaasleiding wordt gedimensioneerd op wat de klep werkelijk kan afvoeren, niet alleen op Qmd.

Grenzen voor aanvoer- en afblaasleiding

• Aanvoer: het drukverlies van het vat tot de klep mag bij volle stroming hoogstens 3 % van de insteldruk zijn ^[4][6].
• Tegendruk: voor standaard (conventionele) veiligheidskleppen hoogstens 10 % van de insteldruk ^[4]. Tegendruk verhoogt bovendien de openingsdruk van een conventionele klep ^[5]. Gebalanceerde kleppen verdragen meer, volgens opgave van de fabrikant.
• Afblaasleiding: berekenen met compressibele stroming. Controleer dat de gassnelheid onder de geluidssnelheid blijft, of dat gesmoorde stroming aan de uitlaat in de berekening is meegenomen ^[1][4]. De leiding mag nooit kleiner zijn dan de klepuitlaat.
• Gemeenschappelijke leiding: bij meerdere kleppen wordt de tegendruk van elke klep berekend met alle kleppen die tegelijk kunnen afblazen, bijvoorbeeld bij brand ^[1].

Het bijzondere geval CO2 (R744)

• Hoge drukken: het kritisch punt ligt bij 31,0 °C en 73,8 bar. In transkritische installaties ligt de druk aan de hogedrukzijde vaak tussen 80 en 120 bar, en de stilstanddruk aan de lagedrukzijde kan veel hoger zijn dan de bedrijfsdruk ^[7]. Veiligheidskleppen, omschakelkranen en leidingen moeten voor die druk geschikt zijn.
• Tripelpunt: onder −56,6 °C en 5,2 bar kan CO2 niet als vloeistof bestaan ^[7]. Daalt de druk in de afblaasleiding tot atmosferisch, dan ontstaat droogijs, dat nauwe doorgangen kortstondig kan blokkeren en de tegendruk kan verhogen.
• Flashen en tweefasenstroming: bereikt vloeistof of dicht superkritisch gas de klep, dan verdampt het in de klep en geldt de gasformule niet. EN ISO 24664 heeft een eigen bijlage voor flashende vloeistoffen ^[1]; gebruik de tweefasenmethode van de klepfabrikant.
• Boven de kritische druk bestaat geen verdampingswarmte, dus de gevallen brand en warmtebron kunnen niet op de gebruikelijke manier worden berekend. Reken in plaats daarvan met gas bij een bepaalde temperatuur en geef de massastroom op.

Omschakelkraan voor twee veiligheidskleppen

Een omschakelkraan (driewegkraan) verbindt het vat telkens met één van twee veiligheidskleppen, zodat de andere kan worden gecontroleerd of vervangen terwijl het vat beveiligd blijft ^[6]. Elke veiligheidsklep moet daarom in haar eentje de volledige Qmd kunnen afvoeren. Het drukverlies van de omschakelkraan telt mee voor de 3 %-grens van de aanvoer; fabrikanten geven aan welke combinaties aan de grens voldoen ^[6]. Controleer de maximale druk van de omschakelkraan: een gangbaar model voor industriële koeling is geschikt voor 65 bar, wat niet genoeg is aan de hogedrukzijde van een CO2-installatie ^[6].

Praktische checklist

1. Maak een lijst van de delen die kunnen worden afgesloten en hun oorzaken van overdruk.
2. Bereken Qmd voor elke oorzaak en dimensioneer op de grootste.
3. Kies een klep uit het gegevensblad (Kdr, oppervlak) met Qm ≥ Qmd.
4. Controleer het drukverlies in de aanvoer (hoogstens 3 %), ook door de omschakelkraan.
5. Controleer de tegendruk met alle kleppen die tegelijk kunnen afblazen.
6. CO2: controleer drukken, droogijs, tweefasenstroming en materiaaltemperatuur.
7. Documenteer de berekening voor de PED-beoordeling.