David Gailey

In certe condizioni, gli utenti di gas di anidride carbonica (da cilindri ad alta pressione), sperimentano problemi di "freeze-up" su valvole, regolatori e altre attrezzature di gas compresso. Il termine "congelamento" si riferisce a un regolatore di pressione che si intasa con neve o cristalli di ghiaccio secco, che limitano il flusso di gas attraverso il regolatore o altre valvole di controllo della pressione. Quanto segue spiega questo fenomeno nel tentativo di aiutare gli utenti ad evitare problemi nei sistemi di distribuzione di CO2.

Perché succede
Quando il gas CO2 ad alta pressione si espande attraverso una sede del regolatore o un altro orifizio di controllo del flusso, appare a valle dell'orifizio sul lato a bassa pressione del regolatore come una miscela di gas con CO2 solida (neve) o liquida. Se la pressione a valle è inferiore a 60 PSIG, la miscela è gas e neve; sopra i 60 PSIG, la miscela è gas e liquido.

La quantità di solido (neve) o liquido può variare dallo 0%, a pressioni d'ingresso inferiori a 800 PSI quando la bombola è fredda, a più del 20% in condizioni di congelamento grave quando la pressione è superiore a 1100 PSI risultante da una bombola calda.  Contrariamente a quanto ci si potrebbe aspettare, la condizione di congelamento più grave con la CO2 esiste nei giorni caldi quando una bombola piena è a 90°F o superiore e la pressione della bombola è di almeno 1100 psig. A temperatura ambiente normale, e pressioni della bombola piena a 700-900 psig, il problema esiste, ma non così grave come nelle condizioni di cui sopra.

La CO2 solida non può formarsi a pressioni superiori a 60 psig. Si verifica quando il gas subisce la caduta di pressione alla valvola di regolazione dalla pressione d'ingresso a una pressione di consegna inferiore a 60 psig, emergendo come una miscela di CO2 gassosa e solida a una temperatura compresa tra -70°F a 60 psig e -100°F alle pressioni più basse. Nelle condizioni di congelamento più severe, una percentuale significativa della miscela può essere solida, e in quelle condizioni, circa 200 watt di calore /100 scfh di CO2 sarebbero necessari per vaporizzare il solido e portare il gas a temperatura ambiente.

Perché usare un regolatore riscaldato
I regolatori di gas compresso normalmente operano su una gamma di pressioni di mandata sopra e sotto i 60 psig.  I regolatori non riscaldati, che operano a pressioni di mandata inferiori a 60 psig, sono quindi soggetti al classico congelamento con CO2 solida. La neve di CO2 e le particelle di ghiaccio secco possono passare attraverso un regolatore se l'uscita è molto aperta.  Se viene usato un orifizio o una valvola di controllo del flusso, è necessario un filtro per evitare che le particelle solide di CO2 ostruiscano l'orifizio; e questo può portare alla camera di bassa pressione del regolatore a riempirsi completamente di CO2 solida. La gravità del problema dipende dalla portata di CO2, dalle condizioni di ingresso, dal duty cycle (percentuale di tempo in cui il gas scorre) e dalle dimensioni del regolatore.

I piccoli regolatori monostadio sono limitati a basse portate e/o bassi cicli di lavoro. I regolatori monostadio più grandi possono trasferire più calore per vaporizzare la CO2 solida accumulata all'interno del regolatore, che può gestire un flusso più intermittente, tuttavia, in caso di servizio continuo, può ancora verificarsi la condizione di congelamento.  I regolatori a due stadi non riscaldati, che operano a pressioni di mandata inferiori a 60 psig, mostrano una maggiore resistenza al congelamento rispetto ai regolatori a uno stadio perché la CO2 nel primo stadio è nella fase liquido-gas (sopra i 60 psig), che assorbe il calore più facilmente dal corpo del regolatore rispetto alla CO2 solida; e qualsiasi liquido vaporizzato nel primo stadio riduce i solidi che si possono formare nel secondo stadio.

I regolatori non riscaldati, anche se evitano il classico problema del congelamento, non possono evitare l'effetto refrigerante della CO2. Quando la pressione scende alla valvola del regolatore, la temperatura della CO2 scende bruscamente ai livelli indicati sopra, e a portate normali, la brina può coprire l'intero regolatore ed estendersi al sistema a valle.  Questa brina è il risultato dell'umidità dell'aria che congela e si accumula sulla superficie esterna.  Non è legato agli effetti della CO2 qui descritti e in genere non ha alcun effetto sulle prestazioni della valvola.

La soluzione
I regolatori riscaldati possono alleviare o eliminare i problemi di congelamento. Il nuovo modello Harris HP 705 ha 200 watt di calore per fornire 100 scfh continui di CO2 nelle condizioni di congelamento più severe e portate più elevate in condizioni normali (intermittenti). I regolatori sono a due stadi, per includere i vantaggi dei regolatori a due stadi discussi sopra. La cavità del primo stadio serve da caldaia per vaporizzare la CO2 liquida ed eliminare o ridurre al minimo i solidi di CO2 nel secondo stadio. La cavità del secondo stadio è quindi disponibile per riscaldare il vapore di CO2 prima che raggiunga l'uscita.

David Gailey è il responsabile dei prodotti speciali per The Harris Products Group, A Lincoln Electric Co. È stato con Harris per 27 anni ed è stato presidente del comitato CGA Industrial Gas Apparatus.