Congelamento da CO2: perché si verifica, cosa si può fare

In determinate condizioni, gli utilizzatori di gas a base di anidride carbonica contenuti in bombole ad alta pressione possono incorrere in problemi di "congelamento" delle valvole, dei regolatori e delle altre attrezzature per gas compresso. Questo fenomeno si verifica quando il regolatore viene ostruito da ghiaccio secco o cristalli di ghiaccio, che limitano il flusso di gas attraverso il regolatore stesso o la valvola di controllo pressione.

Perché si verifica il congelamento
Quando la CO2 ad alta pressione si espande attraverso la sede del regolatore o l'orifizio di controllo flusso, si presenta a valle dell'orifizio, sul lato di bassa pressione del regolatore, come una miscela di gas solido (neve) o liquido. Se la pressione a valle è inferiore a 4 bar, la miscela è gas e neve, se invece è superiore, la miscela è gas e liquido.

La quantità di gas solido (neve) o liquido può variare da 0%, con pressioni di ingresso inferiori a 55 bar quando la bombola è fredda, ad oltre il 20% in condizione di forte congelamento quando la pressione è superiore a 76 bar, quando la bombola è calda. Contrariamente a quanto ci si possa aspettare, la condizione di congelamento più forte con la CO2 si verifica nei giorni caldi, quando una bombola piena si trova ad oltre 32° C e la relativa pressione è almeno 76 bar. Il problema esiste anche a temperatura ambiente e con una pressione di 48- 62 bar di una bombola piena, ma non è così accentuato come nelle condizioni sopra elencate.

Perché utilizzare un regolatore riscaldato
I regolatori di gas compresso funzionano normalmente con un intervallo di pressione di uscita superiore a 4 bar. I regolatori non riscaldati, che funzionano con pressioni di uscita inferiori a 4 bar, sono pertanto soggetti al classico fenomeno del congelamento e solidificazione della CO2. La neve e le particelle di ghiaccio secco che si formano possono passare attraverso il regolatore se l'uscita è sufficientemente ampia. Se si utilizzano un orifizio o una valvola di controllo flusso, è necessario l’utilizzo di un filtro per impedire che le particelle solide ostruiscano l'orifizio, riempiendo la camera a bassa pressione del regolatore con CO2 solida. La gravità del problema dipende dalla portata di CO2, dalle condizioni di ingresso, dal rendimento (volume di gas per unità di tempo) e dalla dimensione del regolatore.

I regolatori monostadio di piccole dimensioni sono limitati, con portate e cicli di rendimento bassi. I regolatori monostadio più grandi possono trasferire più calore per vaporizzare la CO2 solida accumulatasi all'interno del regolatore, tuttavia, in condizioni di rendimento continuo, è possibile che si verifichi comunque la condizione di congelamento. I regolatori a due stadi non riscaldati che funzionano a pressioni di uscita inferiori a 4 bar, mostrano una maggior resistenza al congelamento rispetto ai monostadio poiché la CO2 al primo stadio si trova in uno stato liquido-gassoso (superiore a 4 bar), assorbendo più prontamente il calore derivante dal corpo del regolatore rispetto a quanto si verifica con la CO2 solida; inoltre il liquido vaporizzato al primo stadio riduce le parti solide che si possono formare nel secondo stadio.

I regolatori non riscaldati risentono dell'effetto refrigerante della CO2. Quando la pressione diminuisce in corrispondenza della valvola del regolatore, la temperatura del CO2 si diminuisce improvvisamente e, in condizioni di portata normale, uno strato di brina copre l'intero regolatore e si estende fino a valle del sistema. La brina è il risultato del congelamento e dell'accumulo di umidità presente nell'aria sulla superficie esterna.

La soluzione
I regolatori riscaldati eliminano i problemi del congelamento. Il nuovo modello a doppio stadio Harris HP 705 a 200 watt fornisce 47 Lpm continui di CO2 nelle condizioni di congelamento più forti e portate maggiori in condizioni normali (intermittenti). I due stadi di questo modello presentano i vantaggi descritti precedentemente. La cavità di primo stadio agisce da caldaia per vaporizzare la CO2 liquida ed eliminare o ridurre l'eventuale CO2 solida nel secondo stadio. La camera di secondo stadio viene quindi utilizzata per riscaldare il vapore di CO2, prima che questo raggiunga l'uscita.

David Gailey è il responsabile dei Prodotti speciali per The Harris Products Group, A Lincoln Electric Co.  Ha lavorato in Harris per 27 anni ed è stato presidente del CGA Industrial Gas Apparatus Committee.