EN 13136: dimensjonering av sikkerhetsventiler og avblåsningsledninger i kuldeanlegg

Hva standarden omfatter

EN 13136, Kuldeanlegg og varmepumper – Trykkavlastningsinnretninger og tilhørende rørsystemer – Beregningsmetoder, omfatter tre ting: massestrømmen en sikkerhetsventil eller sprengplate må klare, innretningens avblåsningskapasitet ved avblåsning til atmosfæren eller til en del av anlegget med lavere trykk, og trykktapet i ledningene før og etter innretningen ^[1]. Siste utgave er EN 13136:2013 med tillegg A1 fra 2018 ^[1][2].

Sammenhengen med EN 378-2, PED og ISO 4126

• EN 378-2 omfatter hele anlegget: konstruksjon, PS, trykkavlastning og prøving. EN 13136 (nå EN ISO 24664) brukes til å beregne sikkerhetsventilene og ledningene deres ^[1][4].
• PED 2014/68/EU: sikkerhetsventiler er sikkerhetsutstyr og klassifiseres som hovedregel i kategori IV ^[3][5]. En harmonisert standard gir presumsjon om samsvar med direktivets grunnleggende krav ^[2].
• ISO 4126: del 1 omfatter sikkerhetsventiler og del 2 sprengplater. Kapasitetsformelen og den sertifiserte utstrømningskoeffisienten følger ISO 4126-1 ^[1][5].

Når trengs trykkavlastning?

Standarden behandler fire årsaker til overtrykk: utvendig varme (brann), indre varmekilder, kompressorer og termisk utvidelse av innestengt væske ^[1]. Hver seksjon som kan stenges av fra den eksisterende sikkerhetsinnretningen, for eksempel med en stengeventil, bør ha egen sikkerhetsventil eller sprengplate ^[7]. En typisk sikkerhetsventil begynner å åpne ved innstillingstrykket og er helt åpen før trykket har steget 10 % over det ^[5].

Nødvendig avblåsningskapasitet Qmd

Ventilens strømningsareal og kapasitet

For gass og damp gir formelen ventilens kapasitet Qm i kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A er strømningsarealet i mm², p0 avblåsningstrykket i bar absolutt (innstillingstrykk pluss 10 % overtrykk) og v0 spesifikt volum ved p0 i m³/kg ^[5]. Løses formelen for A med Qm = Qmd, får man det minste nødvendige strømningsarealet.

• C avhenger av kuldemediets isentropeksponent κ og gjelder for kritisk (struppet) strømning ^[5].
• Kdr er den sertifiserte, reduserte utstrømningskoeffisienten: Kdr = Kd · 0,9. Verdien står i ventilprodusentens datablad ^[5].
• Kb tar hensyn til underkritisk strømning. Kb = 1 så lenge mottrykket er under omtrent halvparten av avblåsningstrykket; ved høyere mottrykk faller kapasiteten ^[5].
• Avblåsningsledningen dimensjoneres for det ventilen faktisk kan blåse av, ikke bare for Qmd.

Grenser for innløps- og avblåsningsledninger

• Innløp: trykkfallet fra beholderen til ventilen kan være høyst 3 % av innstillingstrykket ved full strøm ^[4][6].
• Mottrykk: for vanlige (konvensjonelle) sikkerhetsventiler høyst 10 % av innstillingstrykket ^[4]. Mottrykk øker også åpningstrykket for en konvensjonell ventil ^[5]. Balanserte ventiler tåler mer, etter produsentens angivelser.
• Avblåsningsledning: beregnes med kompressibel strømning. Kontroller at gasshastigheten holder seg under lydhastigheten, eller at struppet strømning ved utløpet er tatt med i beregningen ^[1][4]. Ledningen må aldri være mindre enn ventilens utløp.
• Felles ledning: med flere ventiler beregnes mottrykket for hver ventil med alle ventiler som kan blåse av samtidig, for eksempel ved brann ^[1].

Spesialtilfellet CO2 (R744)

• Høye trykk: det kritiske punktet ligger ved 31,0 °C og 73,8 bar. I transkritiske anlegg er trykket på høytrykkssiden ofte mellom 80 og 120 bar, og stillstandstrykket på lavtrykkssiden kan være mye høyere enn driftstrykket ^[7]. Sikkerhetsventiler, vekselventiler og rør må være dimensjonert for det trykket.
• Trippelpunkt: under −56,6 °C og 5,2 bar kan CO2 ikke finnes som væske ^[7]. Når trykket faller til atmosfærisk i avblåsningen, dannes tørris, som kortvarig kan blokkere trange passasjer og øke mottrykket.
• Flashing og tofasestrømning: hvis væske eller tett superkritisk gass når ventilen, flasher den i ventilen, og gassformelen gjelder ikke. EN ISO 24664 har et eget vedlegg for flashende væsker ^[1]; bruk ventilprodusentens tofasemetode.
• Over det kritiske trykket finnes ingen fordampningsvarme, så brann- og varmetilfellene kan ikke beregnes på vanlig måte. Beregn i stedet med gass ved en gitt temperatur, og oppgi massestrømmen.

Vekselventil for to sikkerhetsventiler

En vekselventil (treveisventil) kobler beholderen til én av to sikkerhetsventiler om gangen, slik at den andre kan kontrolleres eller skiftes mens beholderen fortsatt er sikret ^[6]. Hver sikkerhetsventil må derfor klare hele Qmd alene. Trykkfallet i vekselventilen regnes med i grensen på 3 % for innløpet; produsentene oppgir hvilke kombinasjoner som holder grensen ^[6]. Kontroller vekselventilens høyeste trykk: en vanlig modell for industriell kjøling er godkjent for 65 bar, noe som ikke er nok på høytrykkssiden i et CO2-anlegg ^[6].

Praktisk sjekkliste

1. List opp delene som kan stenges av, og årsakene til overtrykk.
2. Beregn Qmd for hver årsak, og dimensjoner for den største.
3. Velg ventil ut fra databladet (Kdr, areal) med Qm ≥ Qmd.
4. Kontroller trykkfallet på innløpet (høyst 3 %), også gjennom vekselventilen.
5. Kontroller mottrykket med alle ventiler som kan blåse av samtidig.
6. CO2: kontroller trykk, tørris, tofasestrømning og materialtemperatur.
7. Dokumenter beregningen for PED-vurderingen.