David Gailey

Dans certaines conditions, les utilisateurs de gaz carbonique (provenant de bouteilles à haute pression) rencontrent des problèmes de "gel" sur les vannes, les détendeurs et autres équipements de gaz comprimé. Le terme "freeze up" fait référence à un régulateur de pression qui se colmate avec de la neige carbonique ou des cristaux de glace sèche, ce qui limite le flux de gaz à travers le régulateur ou toute autre valve de contrôle de pression. Ce qui suit explique ce phénomène dans le but d'aider les utilisateurs à éviter les problèmes dans les systèmes de distribution de CO2.

Pourquoi cela se produit-il 
Lorsque le CO2 gazeux à haute pression se détend à travers un siège de régulateur ou un autre orifice de contrôle du débit, il apparaît en aval de l'orifice, du côté basse pression du régulateur, sous la forme d'un mélange de gaz avec du CO2 solide (neige) ou liquide. Si la pression en aval est inférieure à 60 PSIG, le mélange est du gaz et de la neige ; au-dessus de 60 PSIG, le mélange est du gaz et du liquide.

La quantité de solide (neige) ou de liquide peut varier de 0%, à des pressions d'entrée inférieures à 800 PSI lorsque la bouteille est froide, à plus de 20% dans des conditions de gel sévère lorsque la pression est supérieure à 1100 PSI résultant d'une bouteille chaude.  Contrairement à ce que l'on pourrait penser, les conditions de gel les plus sévères avec le CO2 existent lors des journées chaudes, lorsqu'une bouteille pleine est à 90°F ou plus et que la pression de la bouteille est d'au moins 1100 psig. À température ambiante normale, et à des pressions de bouteille pleine de 700 à 900 psig, le problème existe, mais pas aussi grave que dans les conditions ci-dessus.

Le CO2 solide ne peut pas se former à des pressions supérieures à 60 psig. Il se produit lorsque le gaz subit la chute de pression au niveau du détendeur, de la pression d'entrée à une pression de livraison inférieure à 60 psig, émergeant sous forme de mélange de CO2 gazeux et solide à une température comprise entre -70°F à 60 psig et -100°F aux pressions les plus basses. Dans les conditions de congélation les plus sévères, un pourcentage significatif du mélange peut être solide, et dans ces conditions, environ 200 watts de chaleur /100 scfh de CO2 seraient nécessaires pour vaporiser le solide et élever le gaz à la température ambiante.

Pourquoi utiliser un détendeur chauffé
Les détendeurs de gaz comprimé fonctionnent normalement sur une plage de pressions de refoulement supérieures et inférieures à 60 psig.  Les détendeurs non chauffés, fonctionnant à des pressions de refoulement inférieures à 60 psig, sont donc sujets au gel classique du CO2 solide. La neige carbonique et les particules de glace sèche peuvent traverser un détendeur si la sortie est grande ouverte.  Si un orifice ou un régulateur de débit est utilisé, un filtre est nécessaire pour empêcher les particules solides de CO2 d'obstruer l'orifice, ce qui peut entraîner le remplissage complet de la chambre basse pression du régulateur par du CO2 solide. La gravité du problème dépend du débit de CO2, des conditions d'entrée, du cycle de service (pourcentage de temps pendant lequel le gaz circule) et de la taille du détendeur.

Les petits détendeurs à un étage sont limités à de faibles débits et/ou à de faibles cycles de fonctionnement. Les détendeurs à un étage de plus grande taille peuvent transférer plus de chaleur pour vaporiser le CO2 solide accumulé à l'intérieur du détendeur, ce qui permet de gérer un débit plus intermittent, mais qui, en service continu, peut encore provoquer une congélation.  Les détendeurs à deux étages non chauffés, fonctionnant à des pressions de refoulement inférieures à 60 psig, présentent une plus grande résistance au gel que les détendeurs à un étage, car le CO2 du premier étage est en phase liquide-gazeuse (au-dessus de 60 psig), qui absorbe plus facilement la chaleur du corps du détendeur que le CO2 solide ; et tout liquide vaporisé dans le premier étage réduit les solides qui peuvent se former dans le second étage.

Les détendeurs non chauffés, même s'ils évitent le problème classique de la congélation, ne peuvent pas éviter l'effet réfrigérant du CO2. Lorsque la pression baisse au niveau de la vanne du régulateur, la température du CO2 chute brutalement aux niveaux indiqués ci-dessus et, à des débits normaux, du givre peut recouvrir l'ensemble du régulateur et s'étendre au système en aval.  Ce gel est le résultat de l'humidité de l'air qui gèle et s'accumule sur la surface extérieure.  Il n'est pas lié aux effets du CO2 décrits ici et n'a généralement aucun effet sur les performances de la vanne.

Le Solution
Les détendeurs chauffés peuvent soulager ou éliminer les problèmes de gel. Le nouveau modèle HP 705 de Harris dispose de 200 watts de chaleur pour fournir un débit continu de 100 scfh de CO2 dans les conditions de gel les plus sévères et des débits plus élevés dans des conditions normales (intermittentes). Les régulateurs sont à deux étages, pour inclure les avantages des régulateurs à deux étages discutés ci-dessus. La cavité du premier étage sert de chaudière pour vaporiser le CO2 liquide et éliminer ou minimiser tout solide de CO2 dans le deuxième étage. La cavité du deuxième étage est alors disponible pour chauffer la vapeur de CO2 avant qu'elle n'atteigne la sortie.

David Gailey est responsable des produits spécialisés pour le groupe Harris Products, une société de Lincoln Electric. Il travaille pour Harris depuis 27 ans et a été président du CGA Industrial Gas Apparatus Committee.