EN 13136: dimensionar válvulas de segurança e linhas de descarga na refrigeração

O que a norma abrange

A EN 13136, Sistemas de refrigeração e bombas de calor – Dispositivos de alívio de pressão e respetiva tubagem – Métodos de cálculo, abrange três aspetos: o caudal mássico que uma válvula de segurança ou um disco de rutura tem de evacuar, a capacidade de descarga do dispositivo quando descarrega para a atmosfera ou para uma parte do sistema a pressão mais baixa, e a perda de carga nas linhas antes e depois do dispositivo ^[1]. A edição mais recente é a EN 13136:2013 com a emenda A1 de 2018 ^[1][2].

A ligação à EN 378-2, à PED e à ISO 4126

• EN 378-2 abrange o sistema completo: projeto, PS, alívio de pressão e ensaios. A EN 13136 (agora EN ISO 24664) serve para calcular as válvulas de segurança e as suas linhas ^[1][4].
• PED 2014/68/UE: as válvulas de segurança são acessórios de segurança e, em regra, são classificadas na categoria IV ^[3][5]. Uma norma harmonizada confere presunção de conformidade com os requisitos essenciais da diretiva ^[2].
• ISO 4126: a parte 1 abrange as válvulas de segurança e a parte 2 os discos de rutura. A fórmula de capacidade e o coeficiente de descarga certificado seguem a ISO 4126-1 ^[1][5].

Quando é necessário alívio de pressão?

A norma trata quatro causas de sobrepressão: calor exterior (incêndio), fontes de calor internas, compressores e dilatação térmica de líquido aprisionado ^[1]. Cada secção que possa ser isolada do dispositivo de segurança existente, por exemplo por uma válvula de corte, deve ter a sua própria válvula de segurança ou disco de rutura ^[7]. Uma válvula de segurança típica começa a abrir à pressão de regulação e está totalmente aberta antes de a pressão subir 10 % acima dela ^[5].

Capacidade de descarga necessária Qmd

Secção de passagem e capacidade da válvula

Para gás e vapor, a fórmula dá a capacidade da válvula Qm em kg/h: Qm = 0,2883 · C · Kb · A · Kdr · √(p0/v0). A é a secção de passagem em mm², p0 a pressão de descarga em bar absolutos (pressão de regulação mais 10 % de sobrepressão) e v0 o volume específico a p0 em m³/kg ^[5]. Resolvendo a fórmula em ordem a A com Qm = Qmd obtém-se a menor secção de passagem necessária.

• C depende do expoente isentrópico κ do fluido frigorigéneo e aplica-se ao escoamento crítico (bloqueado) ^[5].
• Kdr é o coeficiente de descarga certificado e reduzido: Kdr = Kd · 0,9. O valor consta da ficha técnica do fabricante da válvula ^[5].
• Kb tem em conta o escoamento subcrítico. Kb = 1 enquanto a contrapressão for inferior a cerca de metade da pressão de descarga; com contrapressão mais alta a capacidade diminui ^[5].
• A linha de descarga é dimensionada para o que a válvula consegue realmente descarregar, não só para Qmd.

Limites para as linhas de entrada e de descarga

• Entrada: a perda de carga do recipiente até à válvula pode ser, no máximo, 3 % da pressão de regulação com caudal total ^[4][6].
• Contrapressão: nas válvulas de segurança convencionais, no máximo 10 % da pressão de regulação ^[4]. A contrapressão também aumenta a pressão de abertura de uma válvula convencional ^[5]. As válvulas equilibradas aceitam mais, conforme indicado pelo fabricante.
• Linha de descarga: calculada com escoamento compressível. Verifique se a velocidade do gás se mantém abaixo da velocidade do som, ou se o escoamento bloqueado na saída está incluído no cálculo ^[1][4]. A linha nunca pode ser menor do que a saída da válvula.
• Linha comum: com várias válvulas, a contrapressão de cada uma é calculada com todas as válvulas que podem descarregar ao mesmo tempo, por exemplo num incêndio ^[1].

O caso especial do CO2 (R744)

• Pressões elevadas: o ponto crítico situa-se a 31,0 °C e 73,8 bar. Em sistemas transcríticos a pressão do lado de alta fica frequentemente entre 80 e 120 bar, e a pressão de paragem no lado de baixa pode ser muito superior à pressão de funcionamento ^[7]. As válvulas de segurança, as válvulas de comutação e os tubos têm de ser dimensionados para essa pressão.
• Ponto triplo: abaixo de −56,6 °C e 5,2 bar o CO2 não pode existir no estado líquido ^[7]. Quando a pressão desce para a atmosférica na descarga, forma-se gelo seco, que pode bloquear momentaneamente secções estreitas e aumentar a contrapressão.
• Vaporização instantânea e escoamento bifásico: se líquido ou gás supercrítico denso chegar à válvula, vaporiza dentro dela e a fórmula para gás não se aplica. A EN ISO 24664 tem um anexo próprio para líquidos que vaporizam ^[1]; use o método bifásico do fabricante da válvula.
• Acima da pressão crítica não há calor latente, pelo que os casos de incêndio e de fonte de calor não podem ser calculados da forma habitual. Calcule antes com gás a uma dada temperatura e indique o caudal mássico.

Válvula de comutação para duas válvulas de segurança

Uma válvula de comutação (de três vias) liga o recipiente a uma de duas válvulas de segurança de cada vez, para que a outra possa ser inspecionada ou substituída enquanto o recipiente continua protegido ^[6]. Cada válvula de segurança tem, por isso, de evacuar sozinha a totalidade de Qmd. A perda de carga da válvula de comutação conta para o limite de 3 % na entrada; os fabricantes indicam as combinações que cumprem o limite ^[6]. Verifique a pressão máxima da válvula de comutação: um modelo comum para refrigeração industrial está classificado para 65 bar, o que não basta no lado de alta pressão de um sistema de CO2 ^[6].

Lista de verificação prática

1. Liste as partes que podem ser isoladas e as respetivas causas de sobrepressão.
2. Calcule Qmd para cada causa e dimensione para a maior.
3. Escolha uma válvula a partir da ficha técnica (Kdr, secção) com Qm ≥ Qmd.
4. Verifique a perda de carga na entrada (no máximo 3 %), incluindo através da válvula de comutação.
5. Verifique a contrapressão com todas as válvulas que podem descarregar em simultâneo.
6. CO2: verifique as pressões, o gelo seco, o escoamento bifásico e a temperatura do material.
7. Documente o cálculo para a avaliação segundo a PED.