David Gailey

Unter bestimmten Bedingungen kann es bei Anwendern von Kohlendioxidgas (aus Hochdruckflaschen) zu Problemen mit Ventilen, Reglern und anderen Druckgasgeräten kommen, die einfrieren". Der Begriff "Einfrieren" bezieht sich auf die Verstopfung eines Druckreglers mit Trockeneisschnee oder -kristallen, die den Gasfluss durch den Regler oder ein anderes Druckregelventil behindern. Im Folgenden wird dieses Phänomen erläutert, um den Benutzern zu helfen, Probleme in CO2-Verteilungssystemen zu vermeiden.

Warum dies geschieht
Wenn sich unter hohem Druck stehendes CO2-Gas durch einen Reglersitz oder eine andere Durchflusskontrollöffnung ausdehnt, erscheint es stromabwärts der Öffnung auf der Niederdruckseite des Reglers als ein Gemisch aus Gas mit festem (Schnee) oder flüssigem CO2. Liegt der Druck hinter der Drosselstelle unter 60 PSIG, handelt es sich um ein Gemisch aus Gas und Schnee; über 60 PSIG ist das Gemisch gasförmig und flüssig.

Die Menge an festem (Schnee) oder flüssigem CO2 kann von 0 % bei einem Eingangsdruck von unter 800 PSI, wenn die Flasche kalt ist, bis zu mehr als 20 % bei starkem Einfrieren bei einem Druck von über 1100 PSI bei einer warmen Flasche variieren.  Anders als man vielleicht erwarten würde, tritt der schwerste Gefrierzustand bei CO2 an warmen Tagen auf, wenn eine volle Flasche eine Temperatur von 90°F oder mehr hat und der Flaschendruck mindestens 1100 psig beträgt. Bei normaler Raumtemperatur und vollem Flaschendruck von 700-900 psig besteht das Problem zwar auch, aber nicht so stark wie unter den oben genannten Bedingungen.

Bei einem Druck von über 60 psig kann sich kein festes CO2 bilden. Es tritt auf, wenn das Gas den Druckabfall am Regelventil vom Eingangsdruck auf einen Förderdruck unter 60 psig erfährt und als Mischung aus gasförmigem und festem CO2 bei einer Temperatur im Bereich von -70°F bei 60 psig bis -100°F bei den niedrigsten Drücken austritt. Unter den härtesten Einfrierbedingungen kann ein erheblicher Prozentsatz des Gemischs fest sein, und unter diesen Bedingungen wären etwa 200 Watt Wärme / 100 scfh CO2 erforderlich, um den Feststoff zu verdampfen und das Gas auf Raumtemperatur zu bringen.

Warum einen beheizten Regler verwenden?
Druckgasregler arbeiten normalerweise in einem Bereich von Förderdrücken über und unter 60 psig.  Unbeheizte Druckminderer, die bei einem Druck von weniger als 60 psig arbeiten, sind daher dem klassischen Einfrieren von festem CO2 ausgesetzt. Der CO2-Schnee und die Trockeneispartikel können einen Regler durchdringen, wenn der Auslass weit geöffnet ist.  Wird eine Düse oder ein Durchflussregelventil verwendet, ist ein Filter erforderlich, um zu verhindern, dass die festen CO2-Partikel die Düse verstopfen; dies kann dazu führen, dass die Niederdruckkammer des Reglers vollständig mit festem CO2 gefüllt wird. Die Schwere des Problems hängt von der CO2-Durchflussmenge, den Einlassbedingungen, dem Arbeitszyklus (Prozentsatz der Zeit, in der das Gas strömt) und der Größe des Reglers ab.

Kleine einstufige Regler sind auf niedrige Durchflussraten und/oder niedrige Arbeitszyklen beschränkt. Größere einstufige Regler können mehr Wärme übertragen, um das feste CO2 zu verdampfen, das sich im Regler angesammelt hat, und sie können einen intermittierenden Durchfluss bewältigen.  Unbeheizte zweistufige Regler, die bei Förderdrücken unter 60 psig betrieben werden, weisen einen höheren Widerstand gegen das Einfrieren auf als einstufige Regler, da sich das CO2 in der ersten Stufe in der Flüssiggasphase (über 60 psig) befindet, die die Wärme des Reglerkörpers leichter absorbiert als das feste CO2; und jede in der ersten Stufe verdampfte Flüssigkeit reduziert die Feststoffe, die sich in der zweiten Stufe bilden können.

Unbeheizte Regler, auch wenn sie das klassische Problem des Einfrierens vermeiden, können die Kältemittelwirkung des CO2 nicht vermeiden. Wenn der Druck am Reglerventil abfällt, sinkt die CO2-Temperatur stark auf die oben genannten Werte, und bei normalen Durchflussmengen kann Frost den gesamten Regler bedecken und auf das nachgeschaltete System übergreifen.  Dieser Reif entsteht, wenn die in der Luft enthaltene Feuchtigkeit gefriert und sich an der Außenfläche ansammelt.  Er steht in keinem Zusammenhang mit den hier beschriebenen CO2-Effekten und hat in der Regel keine Auswirkungen auf die Leistung des Ventils.

Die Lösung
Beheizte Regler können Einfrierprobleme lindern oder beseitigen. Das neue Harris-Modell HP 705 verfügt über eine Heizleistung von 200 Watt, die eine kontinuierliche CO2-Durchflussmenge von 100 scfh unter schwersten Einfrierbedingungen und höhere Durchflussmengen unter normalen (intermittierenden) Bedingungen ermöglicht. Die Regler sind zweistufig, um die oben beschriebenen Vorteile der zweistufigen Regler zu nutzen. Der Hohlraum der ersten Stufe dient als Kessel zur Verdampfung der CO2-Flüssigkeit und zur Beseitigung oder Minimierung von CO2-Feststoffen in der zweiten Stufe. Die Kammer der zweiten Stufe steht dann zur Verfügung, um den CO2-Dampf zu erhitzen, bevor er den Auslass erreicht.

David Gailey ist Manager für Spezialprodukte bei der Harris Products Group, A Lincoln Electric Co. Er ist seit 27 Jahren bei Harris tätig und war früher Vorsitzender des CGA-Ausschusses für Industriegasgeräte.