David Gailey

Sob certas condições, os usuários de gás de dióxido de carbono (de cilindros de alta pressão), experimentam problemas de "congelamento" em válvulas, reguladores e outros equipamentos de gás comprimido. O termo "congelamento", refere-se a um regulador de pressão que fica entupido com neve seca ou cristais de gelo, que restringem o fluxo de gás através do regulador ou outra válvula de controle de pressão. O seguinte explica este fenômeno em um esforço para ajudar os usuários a evitar problemas nos sistemas de distribuição de CO2.

Por que isto acontece
Quando o gás CO2 de alta pressão se expande através de um assento regulador ou outro orifício de controle de fluxo, ele aparece à jusante do orifício no lado de baixa pressão do regulador como uma mistura de gás com CO2 sólido (neve) ou líquido. Se a pressão à jusante for inferior a 60 PSIG, a mistura é gás e neve; acima de 60 PSIG, a mistura é gás e líquido.

A quantidade de sólido (neve) ou líquido pode variar de 0%, em pressões de entrada abaixo de 800 PSI quando o cilindro está frio, a mais de 20% em condições de congelamento severo quando a pressão está acima de 1100 PSI resultante de um cilindro quente.  Ao contrário do que se poderia esperar, a condição mais severa de congelamento com CO2 existe nos dias quentes quando um cilindro cheio está a 90°F ou mais e a pressão do cilindro é de pelo menos 1100 psig. À temperatura ambiente normal e a pressão do cilindro cheio a 700-900 psig, o problema existe, mas não tão grave como nas condições acima.

O CO2 sólido não pode se formar a pressões acima de 60 psig. Ele ocorre quando o gás sofre a queda de pressão na válvula reguladora da pressão de entrada para uma pressão de entrega abaixo de 60 psig, surgindo como uma mistura de CO2 gasoso e sólido a uma temperatura na faixa de -70°F a 60 psig a -100°F nas pressões mais baixas. Sob as condições mais severas de congelamento, uma porcentagem significativa da mistura pode ser sólida, e sob essas condições, cerca de 200 watts de calor /100 scfh de CO2 seriam necessários para vaporizar o sólido e elevar o gás à temperatura ambiente.

Por que usar um regulador aquecido
Os reguladores de gás comprimido normalmente operam em uma faixa de pressões de entrega acima e abaixo de 60 psig.  Reguladores não aquecidos, operando a pressões de entrega abaixo de 60 psig, estão, portanto, sujeitos ao clássico congelamento com CO2 sólido. A neve de CO2 e as partículas de gelo seco podem passar por um regulador se a saída estiver bem aberta.  Se for usado um orifício ou válvula de controle de fluxo, um filtro é necessário para evitar que as partículas sólidas de CO2 entupam o orifício; e isto pode resultar na câmara de baixa pressão no regulador ficar completamente cheia de CO2 sólido. A gravidade do problema depende da vazão de CO2, das condições de entrada, do ciclo de trabalho (porcentagem de tempo que o gás está fluindo) e do tamanho do regulador.

Os pequenos reguladores de etapa única estão limitados a baixas taxas de fluxo e/ou baixos ciclos de serviço. Reguladores maiores de um único estágio podem transferir mais calor para vaporizar o CO2 sólido acumulado dentro do regulador, que pode lidar com um fluxo mais intermitente, porém, sob serviço contínuo, ainda pode experimentar a condição de congelamento.  Reguladores de dois estágios não aquecidos, operando a pressões de entrega abaixo de 60 psig, exibem mais resistência ao congelamento do que os reguladores de um estágio, porque o CO2 no primeiro estágio está na fase líquido-gás (acima de 60 psig), que absorve o calor do corpo regulador mais rapidamente do que o CO2 sólido; e qualquer líquido vaporizado no primeiro estágio reduz os sólidos que podem ser formados no segundo estágio.

Reguladores não aquecidos, mesmo que evitem o problema clássico do congelamento, não podem evitar o efeito refrigerante do CO2. Quando a pressão cai na válvula do regulador, a temperatura do CO2 cai bruscamente para os níveis indicados acima, e com taxas normais de fluxo, o gelo pode cobrir todo o regulador e se estender até o sistema a jusante.  Esta geada é o resultado da umidade no congelamento do ar e do acúmulo na superfície externa.  Ela não está relacionada aos efeitos do CO2 aqui descritos e normalmente não tem efeito sobre o desempenho da válvula.

A solução
Os reguladores aquecidos podem aliviar ou eliminar problemas de congelamento. O novo modelo Harris HP 705 tem 200 watts de calor para fornecer 100 scfh contínuos de CO2 sob as mais severas condições de congelamento e taxas de fluxo mais altas sob condições normais (intermitentes). Os reguladores são de dois estágios, para incluir as vantagens dos reguladores de dois estágios discutidos acima. O primeiro estágio da cavidade serve como caldeira para vaporizar o CO2 líquido e eliminar ou minimizar qualquer sólido de CO2 no segundo estágio. A segunda fase da câmara está então disponível para aquecer o vapor de CO2 antes que ele chegue à saída.

David Gailey é o gerente de Produtos Especiais do The Harris Products Group, A Lincoln Electric Co. Ele está com a Harris há 27 anos e atuou como ex-presidente do Comitê de Aparelhos de Gás Industrial da CGA.