David Gailey

W pewnych warunkach użytkownicy gazu dwutlenku węgla (z butli wysokociśnieniowych) doświadczają problemów z "zamarzaniem" zaworów, reduktorów i innego sprzętu do sprężonego gazu. Termin "zamarzanie" odnosi się do zatkania reduktora ciśnienia śniegiem lub kryształkami suchego lodu, które ograniczają przepływ gazu przez reduktor lub inny zawór regulacji ciśnienia. Poniżej wyjaśniono to zjawisko, aby pomóc użytkownikom uniknąć problemów w systemach dystrybucji CO2.

Dlaczego tak się dzieje
Kiedy gaz CO2 pod wysokim ciśnieniem rozpręża się przez gniazdo reduktora lub inną kryzę regulującą przepływ, pojawia się za kryzą po stronie niskiego ciśnienia reduktora jako mieszanina gazu ze stałym (śniegiem) lub ciekłym CO2. Jeśli ciśnienie poniżej 60 PSIG, mieszanina jest gazem i śniegiem; powyżej 60 PSIG, mieszanina jest gazem i cieczą.

Ilość ciała stałego (śniegu) lub cieczy może wahać się od 0%, przy ciśnieniu wlotowym poniżej 800 PSI, gdy butla jest chłodna, do ponad 20% w warunkach silnego zamarzania, gdy ciśnienie wynosi powyżej 1100 PSI, co wynika z ciepłej butli.  W przeciwieństwie do tego, czego można by się spodziewać, najcięższe warunki zamarzania CO2 występują w ciepłe dni, gdy pełna butla ma temperaturę 90°F lub wyższą, a ciśnienie w butli wynosi co najmniej 1100 psig. W normalnej temperaturze pokojowej i przy ciśnieniu w pełnej butli 700-900 psig problem istnieje, ale nie jest tak poważny jak w powyższych warunkach.

Stały CO2 nie może tworzyć się przy ciśnieniu powyżej 60 psig. Powstaje on, gdy gaz przechodzi spadek ciśnienia na zaworze redukcyjnym od ciśnienia wlotowego do ciśnienia tłoczenia poniżej 60 psig, pojawiając się jako mieszanina gazowego i stałego CO2 w temperaturze w zakresie od -70°F przy ciśnieniu 60 psig do -100°F przy najniższych ciśnieniach. W najcięższych warunkach zamarzania znaczny procent mieszaniny może mieć postać stałą, a w takich warunkach do odparowania ciała stałego i podniesienia gazu do temperatury pokojowej wymagane jest około 200 watów ciepła na 100 scfh CO2.

Dlaczego warto używać podgrzewanego regulatora
Regulatory sprężonego gazu zazwyczaj pracują w zakresie ciśnień tłoczenia powyżej i poniżej 60 psig.  Nieogrzewane reduktory, pracujące przy ciśnieniach poniżej 60 psig, są zatem narażone na klasyczne zamarzanie stałego CO2. Cząsteczki śniegu CO2 i suchego lodu mogą przechodzić przez regulator, jeśli jego wylot jest szeroko otwarty.  Jeśli stosuje się kryzę lub zawór sterujący przepływem, potrzebny jest filtr, aby zapobiec zatykaniu kryzy przez stałe cząsteczki CO2; a to może doprowadzić do całkowitego wypełnienia komory niskiego ciśnienia w regulatorze stałym CO2. Powaga problemu zależy od natężenia przepływu CO2, warunków wlotowych, cyklu pracy (procent czasu, przez jaki gaz przepływa) oraz od wielkości reduktora.

Małe regulatory jednostopniowe są ograniczone do niskich wartości przepływu i/lub niskich cykli pracy. Większe regulatory jednostopniowe mogą przekazywać więcej ciepła w celu odparowania stałego CO2 zgromadzonego wewnątrz regulatora, co może obsługiwać bardziej przerywany przepływ, jednak przy ciągłym obciążeniu nadal może wystąpić stan zamarzania.  Nieogrzewane regulatory dwustopniowe, pracujące przy ciśnieniu dostawy poniżej 60 psig, wykazują większą odporność na zamarzanie niż regulatory jednostopniowe, ponieważ CO2 w pierwszym stopniu jest w fazie ciekło-gazowej (powyżej 60 psig), która łatwiej absorbuje ciepło z korpusu regulatora niż CO2 w stanie stałym; a każda ciecz odparowana w pierwszym stopniu zmniejsza ilość ciał stałych, które mogą powstać w drugim stopniu.

Nieogrzewane regulatory, nawet jeśli unikają klasycznego problemu zamarzania, nie mogą uniknąć efektu chłodzenia CO2. Gdy ciśnienie spada na zaworze regulatora, temperatura CO2 gwałtownie spada do poziomów podanych powyżej, a przy normalnym natężeniu przepływu szron może pokryć cały regulator i rozszerzyć się na dalszy system.  Ten szron jest wynikiem zamarzania wilgoci zawartej w powietrzu i gromadzenia się jej na zewnętrznej powierzchni.  Nie jest to związane z opisanymi tutaj efektami CO2 i zazwyczaj nie ma wpływu na działanie zaworu.

Rozwiązanie
Podgrzewane regulatory mogą złagodzić lub wyeliminować problem zamarzania. Nowy model Harris HP 705 ma 200 watów ciepła, aby zapewnić ciągłe 100 scfh CO2 w najcięższych warunkach zamarzania i wyższe przepływy w normalnych (przerywanych) warunkach. Regulatory są dwustopniowe, aby uwzględnić zalety dwustopniowych regulatorów omówionych powyżej. Wnęka pierwszego stopnia służy jako kocioł do odparowania cieczy CO2 i wyeliminowania lub zminimalizowania wszelkich stałych cząstek CO2 w drugim stopniu. Komora drugiego stopnia jest następnie dostępna do podgrzewania pary CO2 zanim dotrze ona do wylotu.

David Gailey jest menadżerem ds. produktów specjalnych w Harris Products Group, A Lincoln Electric Co. Pracuje w Harris od 27 lat i był w przeszłości przewodniczącym Komitetu CGA Industrial Gas Apparatus Committee.