Cryogenic vessels -- Pressure-relief accessories for cryogenic service

ISO 21013-3:2016 provides separate calculation methods for determining the required mass flow to be relieved for each of the following specified conditions: - vacuum-insulated vessels with insulation system (outer jacket + insulating material) intact under normal vacuum, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at temperature of the contents at the specified relieving pressure; - vacuum-insulated vessels with insulation system (outer jacket + insulating material) intact under normal vacuum, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at temperature of the contents at the specified relieving pressure, pressure regulator of the pressure build-up system functioning at full potential; - vacuum or non-vacuum-insulated vessels with insulation system remaining in place, but with loss of vacuum in the case of vacuum-insulated vessels, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at temperature of the contents at the specified relieving pressure or vacuum or non-vacuum-insulated vessels with insulation system remaining fully or partially in place, but with loss of vacuum in the case of vacuum-insulated vessels, fire engulfment, inner vessel at temperature of the contents at the specified relieving pressure; - vacuum-insulated vessels containing fluids with saturation temperature below 75 K at 1 bar with insulation system remaining in place, but with loss of vacuum with air or nitrogen in the vacuum space; - vacuum insulated vessels containing fluids with saturation temperature below 75 K at 1 bar with insulation system remaining in place, but with loss of vacuum with air or nitrogen in the vacuum space with fire engulfment; - vessels with insulation system totally lost and fire engulfment. Good engineering practice based on well-established theoretical physical science needs to be adopted to determine the required mass flow where an appropriate calculation method is not provided for an applicable condition. Recommendations for pressure relief devices for cryostats are given in Annex A.

Récipients cryogéniques -- Dispositifs de sécurité pour le service cryogénique

ISO 21013-3:2016 établit des méthodes de calcul distinctes permettant de déterminer le débit massique ŕ décharger pour chacune des conditions spécifiées suivantes: - récipients isolés sous vide comportant un systčme d'isolation (enveloppe extérieure + matériau isolant) intact sous vide normal, enveloppe extérieure ŕ température ambiante, récipient intérieur ŕ la température du contenu ŕ la pression de décharge spécifiée; - récipients isolés sous vide comportant un systčme d'isolation (enveloppe extérieure + matériau isolant) intact sous vide normal, enveloppe extérieure ŕ température ambiante, récipient intérieur ŕ la température du contenu ŕ la pression de décharge spécifiée, régulateur de pression du systčme de mise en pression fonctionnant ŕ pleine charge; - récipients isolés sous vide ou non, comportant un systčme d'isolation restant en place mais avec perte de vide en cas de récipients isolés sous vide, enveloppe extérieure ŕ température ambiante, récipient intérieur ŕ la température du contenu ŕ la pression de décharge spécifiée, ou récipients isolés sous vide ou non, comportant un systčme d'isolation restant totalement ou partiellement en place, mais avec perte de vide dans le cas des récipients isolés sous vide, feu environnant, récipient intérieur ŕ la température du contenu ŕ la pression de décharge spécifiée; - récipients isolés sous vide contenant des fluides avec une température de saturation inférieure ŕ 75 K ŕ 1 bar avec un systčme d'isolation restant en place, mais avec perte de vide avec de l'air ou de l'azote dans l'espace sous vide; - récipients isolés sous vide contenant des fluides avec une température de saturation inférieure ŕ 75 K ŕ 1 bar avec un systčme d'isolation restant en place, mais avec perte de vide avec de l'air ou de l'azote dans l'espace sous vide avec feu environnant; - récipients avec perte totale du systčme d'isolation et feu environnant. Il est nécessaire qu'une bonne pratique d'ingénierie reposant sur des données de physique théorique bien établies soit adoptée afin de déterminer le débit massique requis lorsqu'aucune méthode de calcul appropriée n'est fournie pour une condition donnée. Des Recommandations concernant les dispositifs de décharge de pression pour cryostats sont données dans l'Annexe A.

General Information

Status
Published
Publication Date
11-May-2016
Current Stage
9020 - International Standard under periodical review
Start Date
15-Apr-2021
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Standards Content (sample)

INTERNATIONAL ISO
STANDARD 21013-3
Second edition
2016-05-01
Cryogenic vessels — Pressure-relief
accessories for cryogenic service —
Part 3:
Sizing and capacity determination
Récipients cryogéniques — Dispositifs de sécurité pour le service
cryogénique —
Partie 3: Détermination de la taille et du volume
Reference number
ISO 21013-3:2016(E)
ISO 2016
---------------------- Page: 1 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)
COPYRIGHT PROTECTED DOCUMENT
© ISO 2016, Published in Switzerland

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or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, or posting on the internet or an intranet, without prior

written permission. Permission can be requested from either ISO at the address below or ISO’s member body in the country of

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Fax +41 22 749 09 47
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www.iso.org
ii © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 2 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)
Contents Page

Foreword ..........................................................................................................................................................................................................................................v

1 Scope ................................................................................................................................................................................................................................. 1

2 Normative references ...................................................................................................................................................................................... 1

3 Symbols .......................................................................................................................................................................................................................... 2

4 Calculation of the total quantity of heat transferred per unit time from the hot wall

(outer jacket) to the cold wall (inner vessel) .......................................................................................................................... 6

4.1 General ........................................................................................................................................................................................................... 6

4.2 Under conditions other than fire ............................................................................................................................................. 6

4.2.1 Vacuum-insulated vessels under normal vacuum .............................................................................. 6

4.2.2 Pressure build-up device .......................................................................................................................................... 7

4.2.3 Vacuum-insulated vessels in the case of loss of vacuum and non-vacuum

insulated vessels .............................................................................................................................................................. 7

4.2.4 Supports and piping ...................................................................................................................................................... 9

4.3 Under fire conditions ......................................................................................................................................................................... 9

4.3.1 Insulation system remains fully or partially in place during fire conditions ............... 9

4.3.2 Insulation system does not remain in place during fire conditions .................................10

4.4 Air or Nitrogen condensation ......... .........................................................................................................................................10

4.4.1 General...................................................................................................................................................................................10

4.4.2 Loss of vacuum with air and nitrogen ........................................................................................................10

4.4.3 Fire with loss of vacuum with air or nitrogen .....................................................................................11

4.5 Heat transfer per unit time (watts) ....................................................................................................................................12

4.5.1 General...................................................................................................................................................................................12

4.5.2 Normal operation .........................................................................................................................................................12

4.5.3 Pressure build up regulator fully open ......................................................................................................12

4.5.4 Loss of vacuum condition ......................................................................................................................................12

4.5.5 Fire condition with loss of vacuum, vacuum jacket, and insulation fully or

partially in place ............................................................................................................................................................13

4.5.6 Fire condition with loss of vacuum, insulation not in place ....................................................13

4.5.7 Total heat transfer rate ............................................................................................................................................13

5 Calculation of the mass flow to be relieved by pressure relief devices .....................................................13

5.1 Relieving pressure, P, less than the critical pressure .........................................................................................13

5.2 Relieving pressure, P, equal to or greater than the critical pressure ....................................................14

5.3 Example ........................................................................................................................................................

............................................................................................................................................................................................................................14

6 Piping for pressure relief devices ....................................................................................................................................................15

6.1 Pressure drop ........................................................................................................................................................................................15

6.1.1 General...................................................................................................................................................................................15

6.1.2 Relief valves .......................................................................................................................................................................15

6.1.3 Bursting discs ..................................................................................................................................................................15

6.2 Back pressure consideration ...................................................................................................................................................16

6.3 Heat transfer ..........................................................................................................................................................................................16

7 Sizing of pressure relief devices ........................................................................................................................................................17

7.1 General ........................................................................................................................................................................................................17

7.2 Sizing of pressure relief valves ...............................................................................................................................................17

7.2.1 Discharge capacity.......................................................................................................................................................17

7.2.2 Determination of critical vs. subcritical flow for gases ...............................................................18

7.2.3 Critical flow .......................................................................................................................................................................18

7.2.4 Subcritical flow ...............................................................................................................................................................19

7.2.5 Recommended analysis method ......................................................................................................................20

7.2.6 Example ................................................................................................................................................................................22

7.3 Sizing of bursting discs .................................................................................................................................................................26

7.3.1 Discharge capacity.......................................................................................................................................................26

© ISO 2016 – All rights reserved iii
---------------------- Page: 3 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)

7.3.2 Determination of critical vs. subcritical flow for gases ...............................................................27

7.3.3 Critical flow .......................................................................................................................................................................27

7.3.4 Subcritical flow ...............................................................................................................................................................27

7.3.5 Recommended analysis method ......................................................................................................................28

7.3.6 Example ................................................................................................................................................................................31

Annex A (informative) Cryostats ............................................................................................................................................................................34

Bibliography .............................................................................................................................................................................................................................35

iv © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 4 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national standards

bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally carried out

through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a technical

committee has been established has the right to be represented on that committee. International

organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in the work.

ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all matters of

electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2 (see www.iso.org/directives).

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

any patent rights identified during the development of the document will be in the Introduction and/or

on the ISO list of patent declarations received (see www.iso.org/patents).

Any trade name used in this document is information given for the convenience of users and does not

constitute an endorsement.

For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity

assessment, as well as information about ISO’s adherence to the WTO principles in the Technical

Barriers to Trade (TBT) see the following URL: Foreword - Supplementary information

The committee responsible for this document is ISO/TC 220, Cryogenic vessels.

This second edition cancels and replaces the first edition (ISO 21013-3:2006), which has been

technically revised.

ISO 21013 consists of the following parts, under the general title Cryogenic vessels — Pressure-relief

accessories for cryogenic service:
— Part 1: Reclosable pressure-relief valves
— Part 2: Non-reclosable pressure-relief devices
— Part 3: Sizing and capacity determination
— Part 4: Pressure-relief accessories for cryogenic service
© ISO 2016 – All rights reserved v
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INTERNATIONAL STANDARD ISO 21013-3:2016(E)
Cryogenic vessels — Pressure-relief accessories for
cryogenic service —
Part 3:
Sizing and capacity determination
1 Scope

This part of ISO 21013 provides separate calculation methods for determining the required mass flow

to be relieved for each of the following specified conditions:

— vacuum-insulated vessels with insulation system (outer jacket + insulating material) intact under

normal vacuum, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at temperature of the contents at

the specified relieving pressure;

— vacuum-insulated vessels with insulation system (outer jacket + insulating material) intact under

normal vacuum, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at temperature of the contents at

the specified relieving pressure, pressure regulator of the pressure build-up system functioning at

full potential;

— vacuum or non-vacuum-insulated vessels with insulation system remaining in place, but with loss of

vacuum in the case of vacuum-insulated vessels, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at

temperature of the contents at the specified relieving pressure or vacuum or non-vacuum-insulated

vessels with insulation system remaining fully or partially in place, but with loss of vacuum in the

case of vacuum-insulated vessels, fire engulfment, inner vessel at temperature of the contents at the

specified relieving pressure;

— vacuum-insulated vessels containing fluids with saturation temperature below 75 K at 1 bar

with insulation system remaining in place, but with loss of vacuum with air or nitrogen in the

vacuum space;

— vacuum insulated vessels containing fluids with saturation temperature below 75 K at 1 bar with

insulation system remaining in place, but with loss of vacuum with air or nitrogen in the vacuum

space with fire engulfment;
— vessels with insulation system totally lost and fire engulfment.

Good engineering practice based on well-established theoretical physical science needs to be adopted

to determine the required mass flow where an appropriate calculation method is not provided for an

applicable condition.
Recommendations for pressure relief devices for cryostats are given in Annex A.
2 Normative references
There are no normative references in this document.
© ISO 2016 – All rights reserved 1
---------------------- Page: 6 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)
3 Symbols

A arithmetic mean of inner and outer surface areas of vessel insulating material m

A actual flow area of a pipe element m

A total outer surface area of pipe network between the outer jacket and location xm

A minimum flow area (reference area) in a pipe network m
A minimum flow area (reference area) in the pipe network, downstream of m
relief valve

A minimum flow area (reference area) in the pipe network, upstream of relief valvem

A total outside surface area of inner vessel m
A total outer surface area of pipe network between the inner and outer jackets m
(interspace)
A larger flow area of a pipe element containing two different flow area sizes m
A cross-sectional area, support, or pipe material m
A area ratio, A /A —
R S L
A smaller flow area of a pipe element containing two different flow area sizes m
A actual flow (orifice) area of a pressure relief valve mm

A actual flow (orifice) area of pressure relief valve selected for final analysis mm

A minimum required relief valve flow (orifice) area mm
A external heat transfer surface area of ambient air vaporizer m
c constant pressure specific heat capacity at the average of T and T kJ/(kg·K)
p n e

C experimentally determined flow rate through a pipe element or device gal/min/psi

e nominal insulating material thickness, normal vacuum, non-fire condition m
e minimum insulating material thickness, considering loss of vacuum, non-fire m
condition
e insulating material thickness remaining in place during fire conditions m
f pipe flow friction coefficient —
h enthalpy of fluid at conditions of ν kJ/kg
h specific enthalpy at relief valve inlet and outlet kJ/kg
K flow resistance coefficient of a pipe element in terms of A —
A F
K flow resistance coefficient of a pipe element in terms of A —
B B
K subcritical flow coefficient —
K derated coefficient of discharge —
2 © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 7 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)

K derated coefficient of discharge of next largest available valve orifice area —

dr,a
greater than A
K derated coefficient of discharge of initially analyzed valve —
dr,1

k mean thermal conductivity of an individual support or pipe, between T and T W/(m·K)

n a
K flow resistance coefficient of complete pipe network in terms of reference —
area, A

K flow resistance coefficient at the transition between critical and subcritical flow—

K overall flow resistance coefficient of pipe network, downstream of pressure —
relief valve
K overall flow resistance coefficient of pipe network, upstream of pressure —
relief valve
K total flow resistance coefficient of a series or parallel pipe network —
SUM
K experimentally determined flow rate through a pipe element or device m /h/bar

k mean thermal conductivity of insulating material, normal vacuum, non-fire W/(m·K)

condition

k mean thermal conductivity of insulating material with air or gaseous lading, W/(m·K)

non-fire condition
L latent heat of vaporization of cryogenic liquid at relieving conditions kJ/kg
l length, pipe element m

L latent heat of vaporization of cryogenic liquid at a pressure of 1,013 bar kJ/kg

l length of support or pipe in vacuum interspace m

L’ enthalpy-to-volume expansion ratio for critical or all-gas fluid flow conditions kJ/kg

M molar mass kg/mol
m maximum mass capacity of vessel kg
max
N normal evaporation rate (NER) %/day
P relieving pressure, inner vessel bar
P pressure, safety relief valve outlet bar

P pressure at relief valve outlet for a downstream built-up backpressure of 10 % bar

b10
P pressure at pipe network exit bar
exit
P pressure, safety relief valve inlet bar
P pressure relief valve set pressure bar
Q mass flow rate kg/h
Q mass flow rate of a relief valve within a given pipe network kg/h
Q mass flow rate due to the normal evaporation rate kg/h
mNER
© ISO 2016 – All rights reserved 3
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ISO 21013-3:2016(E)
R universal gas constant J/(mol·K)
r pipe elbow transition radius m
T relieving temperature, inner vessel K
T maximum external ambient temperature, non-fire condition K
T temperature at relief valve outlet K
b,Pb
T temperature at relief valve outlet for a downstream built-up backpressure K
b10
of 10 %
T external temperature for a given condition K
T temperature at pipe network exit K
exit,Pb
T external temperature, fire condition K
T temperature, safety relief valve inlet K
T temperature of fluid at a given flow start location along the pipe network K
T saturation temperature of fluid at a pressure of 1 bar K
sat
T temperature of fluid at a given location x along the pipe network K

U overall heat transfer coefficient of a pipe network for given temperature W/ (m ·K)

conditions

U heat transfer coefficient of insulating material, normal vacuum, non-fire W/ (m ·K)

condition

U overall convective heat transfer coefficient of ambient air vaporizer W/ (m ·K)

U heat transfer coefficient of insulating material with air or gaseous lading, non- W/ (m ·K)

fire condition

U heat transfer coefficient, air or nitrogen condensation, loss of vacuum, non-fire W/m

condition

U heat transfer coefficient of insulating material with air or gaseous lading, fire W/ (m ·K)

condition

U heat transfer coefficient, air or nitrogen condensation, loss of vacuum, fire W/m

condition
w heat leak from an individual support or pipe W/K
W total heat transfer rate for specified conditions Watt [W]
W total heat transfer rate under normal operation Watt [W]
W total NER heat transfer rate under normal operation Watt [W]
T1NER

W total heat transfer rate under normal operation, including pressure build-up Watt [W]

device

W total NER heat transfer rate under normal operation, including pressure build- Watt [W]

T2NER
up device
4 © ISO 2016 – All rights reserved
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ISO 21013-3:2016(E)

W total heat transfer rate, loss of vacuum, insulation in place, non-fire condition, Watt [W]

T ˃ 75 K
sat

W total heat transfer rate, loss of vacuum, insulation in place, non-fire condition, Watt [W]

T3a
T ≤ 75 K
sat

W total heat transfer rate, loss of vacuum, insulation in place, fire condition, Watt [W]

T ˃ 75 K
sat

W total heat transfer rate, loss of vacuum, insulation in place, fire condition, Watt [W]

T5a
T ≤ 75 K
sat

W total heat transfer rate, loss of vacuum, insulation not in place, fire condition Watt [W]

W heat transfer rate through insulation system, normal vacuum, non-fire conditionWatt [W]

W heat transfer rate through pressure build-up device, fully open regulator Watt [W]

W heat transfer rate through insulation system, loss of vacuum, non-fire conditionWatt [W]

W heat transfer rate through air or nitrogen condensation, loss of vacuum, non- Watt [W]

fire condition
W heat transfer rate through interspace supports and piping Watt [W]

W heat transfer rate through vessel walls, insulation in place, fire condition Watt [W]

W heat transfer rate through air or nitrogen condensation, loss of vacuum, fire Watt [W]

condition

W heat transfer rate through vessel walls, insulation not in place, fire condition Watt [W]

x lengthwise location along a pipe network m
X number of insulation layers —
Y heat transfer rate U or U —
3a 5a
Z compressibility factor at pressure, P , and temperature, T —
i i i
φ pressure ratio P /P —
exit
κ isentropic exponent —
λ subcritical flow coefficient —
λ subcritical flow coefficient —

ν specific volume of critical or all-gas fluid at a given temperature at pressure, P m /kg

ν specific volume at relief valve outlet for a downstream built-up backpres- m /kg

b10
sure of 10 %

ν specific volume at pressure relief valve outlet, evaluated at h and a trial m /kg

b,Pb r
value of P
ν maximum average downstream specific volume, as per desired backpres- m /kg
dmax
sure limit
ν average downstream specific volume, for a downstream built-up backpres- m /kg
d10
sure of 10 %
© ISO 2016 – All rights reserved 5
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ISO 21013-3:2016(E)
ν specific volume at pipe network exit, evaluated at P and T m /kg
exit,Pb exit exit,Pb
ν specific volume at pipe network exit for a downstream built-up backpres- m /kg
exit10
sure of 10 %
ν specific volume of saturated gas at relieving pressure, P m /kg
ν specific volume of saturated gas at a pressure of 1,013 bar m /kg
ν specific volume, safety relief valve inlet m /kg
ν specific volume of saturated liquid at relieving pressure, P m /kg
ν specific volume of saturated liquid at a pressure of 1,013 bar m /kg

ν average specific volume of flowing fluid upstream of pressure relief valve inlet m /kg

3/2 1/2

ψ expression for determining Q and T for critical or gas-full-vessel fluid flow m ·kg /kJ

conditions

4 Calculation of the total quantity of heat transferred per unit time from the hot

wall (outer jacket) to the cold wall (inner vessel)
4.1 General

P (in bar abs) is the actual relieving pressure inside the vessel which is used for calculating the required

mass flow through pressure relief devices.

T (in K) is the maximum ambient temperature for conditions other than fire (as specified, for example,

by a regulation or standard).

T (in K) is the external environment temperature under fire conditions which is taken to be 922 K in

this part of ISO 21013.
T (in K) is the relieving temperature in the vessel to be taken into account.

a) For subcritical fluids, T is the saturation temperature of the liquid at pressure, P.

b) For critical or supercritical fluids, T is calculated from 5.2.
4.2 Under conditions other than fire
4.2.1 Vacuum-insulated vessels under normal vacuum

W is the quantity of heat transferred per unit time (in watts) by heat leak through the insulation system.

WU=⋅AT −T (1)
()()
11 a
where
6 © ISO 2016 – All rights reserved
---------------------- Page: 11 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)

U is the overall heat transfer coefficient of the insulating material under normal vacuum,

in W/(m ⋅K);
U = ;

k is the mean thermal conductivity of the insulating material under normal vacuum, between

T and T , in W/(m⋅K);
e is the nominal insulating material thickness, in metres;

A is the arithmetic mean of the inner and outer surface areas of the vessel insulating material,

in m .
4.2.2 Pressure build-up device

W is the quantity of heat transferred per unit time (in watts) by the pressure build-up device circuit

with the regulator fully open. W is determined from the type (ambient air, water or steam, electrical,

etc.) and design of the pressure build-up device circuit. For example, in the case of an ambient air

vaporizer.
WU=⋅AT −T (2)
()()
22 2 a
where

U is the overall convective heat transfer coefficient of the ambient air vaporizer, in W/(m ⋅K);

A is the external heat transfer surface area of the vaporizer, in m .
As a first approximation, the following may be used:
UT −TT=≤19000W/mfor 75K (3)
2 a
UT −TT=>2850W/mfor 75K (4)
2 a

4.2.3 Vacuum-insulated vessels in the case of loss of vacuum and non-vacuum insulated vessels

W is the quantity of heat transferred per unit time (in watts) by heat leak through the insulating

material.
WU=⋅AT −T (5)
()()
33 a
where

If the insulation is fully effective for conduction, convection, and radiation heat transfer at 328 K,

U may be calculated using Formula (6).
© ISO 2016 – All rights reserved 7
---------------------- Page: 12 ----------------------
ISO 21013-3:2016(E)
U = (6)

U is the overall heat transfer coefficient of the insulating material when saturated with

gaseous lading or air at atmospheric pressure, whichever is greater, in W/(m ·K);

k is the mean thermal conductivity of the insulating material saturated with gaseous lading

or air at atmospheric pressure, whichever provides the greater coefficient, between

T and T , in W/(m·K). Values of k for gases are listed in Table 1;
a 3

e is the minimum insulating material thickness taking into account the manufacturing

tolerances or effects of sudden loss of vacuum, in metres.

NOTE This formula might not be applicable at temperatures below 75 K with a small thickness of insulating

material as the maximum heat transfer coefficient would be given by air condensation.

Vacuum space, gas space, or space occupied by the deteriorated insulation shall not be included in the

thickness of the insulation. The effectiveness of these spaces or deteriorated insulation in reducing

conduction, convection, or radiation heat transfer may be evaluated separately and included in

the overall heat transfer coefficient, U , using methods found in published heat transfer literature.

Deterioration of the insulation can be caused by the following:
— moisture condensation;
— air condensation;
— increase in the density of the insulation due to a sudden loss of vacuum.

Table 1 — Thermal conductivity for refrigerated (cryogenic) fluids at the mean temperature

between saturation and 328 K (k ) and 922 K (k ) at 1 bar
3 5
Fluid k [W/(m·K)] k [W/(m·K)]
3 5
Air 0,019 0,043
Argon 0,013 0,027
Carbon dioxide 0,017 0,039
Carbon monoxide 0,020 0,039
Helium 0,104 0,211
Hydrogen 0,116 0,217
Methane 0,024 0,074
Neon 0,034 0,067
Nitrogen 0,
...

DRAFT INTERNATIONAL STANDARD
ISO/DIS 21013-3
ISO/TC 220 Secretariat: AFNOR
Voting begins on: Voting terminates on:
2014-10-16 2015-03-16
Cryogenic vessels — Pressure-relief accessories for
cryogenic service —
Part 3:
Sizing and capacity determination
Récipients cryogéniques — Dispositifs de sécurité pour le service cryogénique —
Partie 3: Détermination de la taille et du volume
ICS: 23.020.40
ISO/CEN PARALLEL PROCESSING
This draft has been developed within the International Organization for
Standardization (ISO), and processed under the ISO lead mode of collaboration
as defined in the Vienna Agreement.
This draft is hereby submitted to the ISO member bodies and to the CEN member
bodies for a parallel five month enquiry.

Should this draft be accepted, a final draft, established on the basis of comments

received, will be submitted to a parallel two-month approval vote in ISO and
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ISO/DIS 21013-3:2014(E)
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ISO/DIS 21013-3:2014(E)
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ISO/DIS 21013-3
Contents Page

Foreword ............................................................................................................................................................ iv

1 Scope ...................................................................................................................................................... 1

2 Normative references ............................................................................................................................. 1

3 Calculation of the total quantity of heat transferred per unit time from the hot wall

(outer jacket) to the cold wall (inner vessel) ........................................................................................ 2

3.1 General .................................................................................................................................................... 2

3.2 Under conditions other than fire ........................................................................................................... 2

3.2.1 For vacuum-insulated vessels under normal vacuum, the quantity of heat transferred per

unit time (in watts) by heat leak through the insulation system is ..................................................... 2

3.3 Under fire conditions ............................................................................................................................. 4

3.3.1 Quantity of heat transferred per unit time (in watts) by heat leak through the vessel walls ............ 4

3.3.2 Quantity of heat transferred by supports and piping located in the interspace can be

neglected in this case ............................................................................................................................. 5

3.4 Air or Nitrogen condensation ................................................................................................................ 5

3.4.1 General .................................................................................................................................................... 5

3.4.2 Loss of vacuum with air and nitrogen ................................................................................................... 6

3.4.3 Fire with loss of vacuum with air or nitrogen ....................................................................................... 6

3.5 Heat transfer per unit time (watts) ....................................................................................................... 8

3.5.1 General .................................................................................................................................................... 8

3.5.2 Normal operation ................................................................................................................................... 8

3.5.3 Pressure build up regulator fully open ................................................................................................. 8

3.5.4 Loss of vacuum condition ....................................................................................................................... 8

3.5.5 Fire condition with loss of vacuum, insulation fully or partially in place ........................................... 9

3.5.6 Fire condition with loss of vacuum, insulation not in place ................................................................. 9

4 Calculation of the mass flow Q to be relieved by the pressure-relief devices .................................. 9

4.1 The relieving pressure P in the vessel is less than 40% of the critical pressure: ................................ 9

4.2 The relieving pressure P is below the critical pressure, but equal to or greater than 40 % of

critical pressure: .................................................................................................................................... 9

5 Piping for pressure relief devices ........................................................................................................ 10

5.1 Pressure drop ....................................................................................................................................... 10

5.2 Back pressure consideration ............................................................................................................... 10

5.3 Heat transfer ......................................................................................................................................... 11

6 Sizing of pressure relief devices .......................................................................................................... 11

6.1 General .................................................................................................................................................. 11

6.2 Sizing of pressure relief valves ............................................................................................................ 11

6.2.1 General .................................................................................................................................................. 11

6.2.2 Critical and subcritical flow ................................................................................................................. 12

6.2.3 Discharge capacity at critical flow for gases ....................................................................................... 12

6.2.4 Discharge capacity at subcritical flow for gases ................................................................................. 13

6.3 Sizing of bursting discs ......................................................................................................................... 14

6.3.1 Discharge capacity at critical flow for gases ....................................................................................... 14

6.3.2 Discharge capacity at sub-critical flow for gases ................................................................................ 14

6.3.3 Determination of critical vs. sub-critical flow for gases ..................................................................... 15

6.3.4 Recommended analysis method .......................................................................................................... 15

6.3.5 Example ................................................................................................................................................ 18

Bibliography ...................................................................................................................................................... 23

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ISO/DIS 21013-3
Foreword

ISO (the International Organization for Standardization) is a worldwide federation of national

standards bodies (ISO member bodies). The work of preparing International Standards is normally

carried out through ISO technical committees. Each member body interested in a subject for which a

technical committee has been established has the right to be represented on that committee.

International organizations, governmental and non-governmental, in liaison with ISO, also take part in

the work. ISO collaborates closely with the International Electrotechnical Commission (IEC) on all

matters of electrotechnical standardization.

The procedures used to develop this document and those intended for its further maintenance are

described in the ISO/IEC Directives, Part 1. In particular the different approval criteria needed for the

different types of ISO documents should be noted. This document was drafted in accordance with the

editorial rules of the ISO/IEC Directives, Part 2. www.iso.org/directives

Attention is drawn to the possibility that some of the elements of this document may be the subject of

patent rights. ISO shall not be held responsible for identifying any or all such patent rights. Details of

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constitute an endorsement.

For an explanation on the meaning of ISO specific terms and expressions related to conformity

assessment, as well as information about ISO's adherence to the WTO principles in the Technical

Barriers to Trade (TBT), see the following URL: Foreword - Supplementary information

ISO 21013-3 was prepared by Technical Committee ISO/TC 220, Cryogenic vessels, and by Technical

Committee CEN/TC 268, Cryogenic vessels in collaboration.

This second edition cancels and replaces the first edition (EN 13648-3:2002 and ISO 21013-3:2006), which

have been technically revised.

ISO 21013 consists of the following parts, under the general title Cryogenic vessels — Pressure relief

accessories for cryogenic service:
 Part 1: Reclosable pressure-relief valves
 Part 2:Non-reclosable pressure-relief devices
 Part 3: Sizing and capacity determination
 Part 4:Pressure-relief accessories for cryogenic service
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DRAFT INTERNATIONAL STANDARD ISO/DIS 21013-3
Cryogenic vessels — Pressure relief accessories for cryogenic
service — Part 3: Sizing and capacity determination
1 Scope

This part of ISO 21013 provides separate calculation methods for determining the required mass flow to be

relieved for each of the following specified conditions.

 Vacuum-insulated vessels with insulation system (outer jacket + insulating material) intact under normal

vacuum; outer jacket at ambient temperature; inner vessel at temperature of the contents at the relieving

pressure.

 Vacuum-insulated vessels with insulation system (outer jacket + insulating material) intact under normal

vacuum; outer jacket at ambient temperature; inner vessel at temperature of the contents at the relieving

pressure; pressure regulator of the pressure build-up system functioning at full potential.

 Vacuum or non-vacuum-insulated vessels with insulation system remaining in place, but with loss of vacuum

in the case of vacuum-insulated vessels, outer jacket at ambient temperature, inner vessel at temperature of

the contents at the relieving pressure. OR: Vacuum or non-vacuum-insulated vessels with insulation system

remaining fully or partially in place, but with loss of vacuum in the case of vacuum-insulated vessels, fire

engulfment; inner vessel at temperature of the contents at the relieving pressure.

 Vacuum-insulated vessels containing fluids with saturation temperature below 75 K at 1 bar with insulation

system remaining in place, but with loss of vacuum with air in the vacuum space.

 Vacuum insulated vessels containing fluids with saturation temperature below 75 K at 1 bar with insulation

system remaining in place, but with loss of vacuum with air in the vacuum space with fire engulfment.

 Vessels with insulation system totally lost and fire engulfment.

Good engineering practice based on well-established theoretical physical science shall be adopted to determine

the required mass flow where an appropriate calculation method is not provided for an applicable condition.

Cryostats can be considered pressure vessels for application of this standard. Additional upset conditions

(quenching, etc.) and resulting heat transfer shall be considered in the calculations.

2 Normative references

The following referenced documents are indispensable for the application of this document. For dated references,

only the edition cited applies. For undated references, the latest edition of the referenced document (including any

amendments) applies.

ISO 4126-1, Safety devices for protection against excessive pressure — Part 1: Safety valves

ISO 4126-6:2014, Safety devices for protection against excessive pressure — Part 6: Application, selection and

installation of bursting disc safety devices
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ISO/DIS 21013-3

3 Calculation of the total quantity of heat transferred per unit time from the hot wall

(outer jacket) to the cold wall (inner vessel)
3.1 General

P (in bar abs) is the actual relieving pressure inside the vessel, which is used for calculating the required mass

flow through pressure-relief devices.

T (in K) is the maximum ambient temperature for conditions other than fire (as specified, for example, by a

regulation or standard).

T (in K) is the external environment temperature under fire conditions, which is taken to be 922 K in this part of

ISO 21013.
T (in K) is the relieving temperature in the vessel to be taken into account:

a) For sub-critical fluids, T is the saturation temperature of the liquid at pressure P;

b) For critical or supercritical fluids, T is calculated from 4.3.
3.2 Under conditions other than fire

3.2.1 For vacuum-insulated vessels under normal vacuum, the quantity of heat transferred per unit time

(in watts) by heat leak through the insulation system is
W()T T U A
1 a 1
where

U is the overall heat transfer coefficient of the insulating material under normal vacuum, in W/(m²K),

U 
where

k Is the mean thermal conductivity of the insulating material under normal vacuum, between T and T , in

1 a
W/(mK);
e Is the nominal insulating material thickness, in m;

A Is the arithmetic mean of the inner and outer surface areas of the vessel insulating material, in m².

3.2.2 Quantity of heat transferred per unit time (in watts) by the pressure build-up device circuit with the

regulator fully open:

W determined from the type (ambient air, water or steam, electrical, etc.) and the design of the pressure

build-up device circuit. For example, in the case of an ambient air vaporizer;
W U A (TaT)
2 2 2
where

U is the overall convective heat transfer coefficient of the ambient air vaporizer, in W/(m K);

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ISO/DIS 21013-3
A is the external heat transfer surface area of the vaporizer, in m .
As a first approximation, the following may be used:
U (T T)19000 W/m² for T  75 K
2 a
U (TaT) 2850 W/m² for T > 75 K
W shall be included in W .
1 2

3.2.3 For vacuum-insulated vessels in case of loss of vacuum or non-vacuum-insulated vessels, quantity of heat

transferred per unit time (in watts) by heat leak through the insulating material:

W()T T U A
3 a 3
where

U Is the overall heat transfer coefficient of the insulating material when saturated with gaseous lading or

air at atmospheric pressure, whichever is greater, in W/(m²K);

If the insulation is fully effective for conduction, convection and radiation heat transfer at 328 K, then U may be

calculated as
U 

Vacuum space, gas space, or space occupied by the deteriorated insulation shall not be included in the thickness of

the insulation. The effectiveness of these spaces or deteriorated insulation in reducing conduction, convection, or

radiation heat transfer may be evaluated separately and included in the overall heat transfer coefficient, U , using

methods found in published heat transfer literature. Deterioration of the insulation can be caused by the

following:
 moisture condensation;
 air condensation;
 increase in density of the insulation due to sudden loss of vacuum

k Is the mean thermal conductivity of the insulating material saturated with gaseous lading or air at

atmospheric pressure, whichever provides the greater coefficient, between T and T , in W/(mK); Values

of k for gases are listed in Table 1.

Table 1 — Thermal conductivity for refrigerated (cryogenic) fluids at the mean temperature between

saturation and 328 K (k3) and 922 K (k5) at 1 bar
Fluid k [W/(m·K)] k [W/(m·K)]
3 5
Air 0,019 0,043
Argon 0,013 0,027
Carbon dioxide 0,017 0,039
Carbon monoxide 0,020 0,039
Helium 0,104 0,211
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ISO/DIS 21013-3
Fluid k3 [W/(m·K)] k5 [W/(m·K)]
Hydrogen 0,116 0,217
Methane 0,024 0,074
Neon 0,034 0,067
Nitrogen 0,019 0,040
Oxygen 0,019 0,043

e3 Is the minimum insulating material thickness taking into account the manufacturing tolerances or effects

of sudden loss of vacuum, in m.

NOTE This formula cannot be applicable at temperatures below 75 K with a small thickness of insulating material, as the

maximum heat transfer coefficient would be given by air condensation.

3.2.4 Quantity of heat transferred per unit time (in watts) by supports and piping located in the interspace:

W  (T T)(w w  ...w  ...)
4 a 1 2 n
where

w Is the heat leak per degree K contributed by one of the supports or the pipes, in W/K,

w k
n n
where

k Is the mean thermal conductivity of the support or pipe material between T and T , in W/(mK);

n a
A Is the support or pipe section area, in m ;
l Is the support or pipe length in the vacuum interspace, in m.
3.3 Under fire conditions

3.3.1 Quantity of heat transferred per unit time (in watts) by heat leak through the vessel walls

3.3.1.1 Insulation system remains fully or partially in place during fire conditions:

0,82
W  2,6(922T)U A
5 5
where

U Is the overall heat transfer coefficient of the container-insulating material when saturated with gaseous

lading or air at atmospheric pressure, whichever is greater, in W/(m K).

If the insulation is fully effective for conduction, convection, and radiation heat transfer for an external

temperature of 922 K, U may be calculated as:
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ISO/DIS 21013-3
U  , in W/(m K)

Vacuum space, gas space, or space occupied by the deteriorated insulation shall not be included in the thickness of

the insulation. The effectiveness of these spaces or deteriorated insulation in reducing conduction, convection, or

radiation heat transfer may be evaluated separately and included in the overall heat transfer coefficient, U , using

methods found in published heat transfer literature. Deterioration of the insulation can be caused by the

following:
 Moisture condensation;
 Air condensation;
 Increase in density of the insulation due to sudden loss of vacuum;
 Degradation due to heat.

k Is the mean thermal conductivity of the insulating material saturated with gaseous lading or air at

atmospheric pressure, whichever provides the greater coefficient, between T and 922 K, in W/(mK); Values of

k for gases are given in Table 1.

e Is the thickness of the insulating material remaining in place during fire conditions, in m;

A Is the mean surface area of the insulating material remaining in place during fire conditions, in m .

If the outer jacket remains in place during fire conditions, but if the insulating material is entirely destroyed, U is

equal to the overall heat transfer coefficient with gaseous lading or air at atmospheric pressure in the space

between the outer jacket and the inner vessel, whichever provides the greater coefficient, between T and 922 K. A

is equal to the mean surface area of the interspace.
3.3.1.2 Insulation system does not remain in place during fire conditions:
0,82
W  7,110 A
5 i
where
A Is the total outside surface area of the inner vessel, in m .
W is the quantity of heat transferred per unit time, in watts

3.3.2 Quantity of heat transferred by supports and piping located in the interspace can be neglected in this case

3.4 Air or Nitrogen condensation
3.4.1 General

Air or nitrogen condensation case for loss of vacuum condition shall be considered for fluids with saturation

temperature below 75 K at 1 bar absolute pressure.

Air condensation, for the case of loss of vacuum to the atmosphere on a vacuum insulated container is highly

dependent on the type of insulation and how the insulation is designed. Since air condensation occurs primarily

below 75 K, and fluids with saturation temperature below 75 K are generally stored and transported in containers

insulated with multi-layer insulation, this standard covers air condensation on multi-layer insulated containers

only. In the absence of pertinent reliable data on perlite insulated vessels, data for the high air access case may be

used as a minimum.
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ISO/DIS 21013-3

Condensation of air on a multi-layer insulated surface below 75 K will depend on the rate of air access to the

insulated surface. On a multi-layer insulated container, air condensation rate can vary depending on the number

of layers and air access allowed by the design of the insulation.

Figures 1 and 2 provide heat transfer rates from air condensation to the stored fluid as a function of the number of

layers of insulation, for low air access insulation design and high air access insulation design, respectively.

Examples of high air access insulation include multilayer insulation of vessel heads and multilayer insulation

using strips of materials. The fire engulfment curves are extrapolated values for 922K ambient temperature.

Unless heat transfer rates under loss of vacuum condition from air condensation can be determined for the same

type and design of multi-layer insulation from prototype tests or actual incidents, heat transfer rates from Figures

1 and 2 as applicable shall be used.
3.4.2 Loss of vacuum with air and nitrogen

For vacuum-insulated vessels in the case of a loss of vacuum, heat transfer from air or nitrogen condensation is

given by:
W U A
3a 3a i
where
W is the heat transfer through air or nitrogen condensation, in watts.

U is the heat transfer through air or nitrogen condensation, in watts per square meter of the inner

vessel outer surface area, from Figures 1 and 2.
3.4.3 Fire with loss of vacuum with air or nitrogen

For vacuum-insulated vessels in the case of fire and with loss of vacuum with air or nitrogen, heat transfer from

air or nitrogen condensation is given by:
0.82
W 1,95U (A )
5a 5a i
4 0.82
W  7,1(10) (A )
6 i
where

W is the heat transfer through air or nitrogen condensation during fire conditions, in watts.

U is the heat transfer through air or nitrogen condensation during fire conditions, in watts per square

meter of the inner vessel surface area, from Figures 1 and 2.
W is the heat transfer during fire conditions, in watts.
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ISO/DIS 21013-3
Key
X Number of insulation layers
Y Heat transfer [W/m²]
1 U
2 U
Figure 1 — Low Air Access
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ISO/DIS 21013-3
Key
X Number of insulation layers
Y Heat transfer [W/m²]
1 U3a
2 U5a
Figure 2 — High Air Access
3.5 Heat transfer per unit time (watts)
3.5.1 General

The required mass flow rate Q to be relieved can be calculated from the heat transfer W for the following

conditions, where W is the total heat transfer applicable to the specified condition:

3.5.2 Normal operation
W W W
1 4
3.5.3 Pressure build up regulator fully open
W W W
2 4
3.5.4 Loss of vacuum condition
Larger of:
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ISO/DIS 21013-3
W W W
3 4

W W W if saturation temperature of fluid is less than 75 K at 1 bar absolute pressure.

3a 4
3.5.5 Fire condition with loss of vacuum, insulation fully or partially in place
Larger of:

W W andW W if saturation temperature of fluid is less than 75 K at 1 bar absolute pressure.

5 5a
3.5.6 Fire condition with loss of vacuum, insulation not in place
Larger of:
W W andW W calculated with U5a for bare surface from Figure 1 or Figure 2.
6 5a
4 Calculation of the mass flow Q to be relieved by the pressure-relief devices

4.1 The relieving pressure P in the vessel is less than 40% of the critical pressure:

Q  3,6
where

L is the latent vaporization heat of the cryogenic liquid in relieving conditions, in kJ/kg.

Qm is the mass flow rate, in kg/hr

4.2 The relieving pressure P is below the critical pressure, but equal to or greater than 40 % of critical pressure:

vv
Q,36
where
v Is the specific volume of saturated gas at the relieving pressure P, in m /kg;

v Is the specific volume of saturated liquid at the relieving pressure P, in m /kg.

4.3 The relieving pressure P is equal to or greater than the critical pressure:
Q  3,6
where
h

L Is the specific heat input v at the relieving pressure P and at the temperature T (in K), in kJ/kg.

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ISO/DIS 21013-3
is a maximum
where

 is the specific volume of critical or supercritical fluid at the relieving pressure P in the vessel and any

temperature within the operating range, in m /kg;
h is the enthalpy of the fluid in the same conditions as above, in kJ/kg.

EXAMPLE Calculate the value of L and T to be used for liquid hydrogen relieving at pressure P = 13,8 bar abs as given in

Table 2.
Table 2
Temperature
 h
 
K  
m /kg
  h
p  
 
 
kJ/kg
33,3 0,027 156 7 214,09 0,0007 697
34,7 0,058 296 1 236,56 0,001 020 6
34,8 0,058 845 0 237,49 0,001 021 4 max
34,9 0,059 348 8 238,65 0,001 020 8
38,9 0,085 537 1 304,53 0,000 960 3
44,4 0,110 970 7 384,77 0,000 865 7
At P = 13,8 bar abs, the maximum value of occurs at T = 34,8 K for hydrogen.
h
 
 
In these conditions, L = 237,49 kJ/kg.
5 Piping for pressure relief devices
5.1 Pressure drop

If the pipe between the outer jacket and safety device is longer than 0,6m, heat transfer to the released flow shall

be taken into account. This heat transfer reduces the product density and consequently reduces the effective

discharge rate of the relief system.

The maximum pressure drop of the inlet piping of the pressure-relief valve at the maximum flow capacity to be

discharged from the tank according to section 3 shall be 3% of the valve’s set pressure.

5.2 Back pressure consideration

Whenever flow capacity of a recloseable pressure relief device is added to the flow capacity of another recloseable

or non-recloseable pressure relief device or devices, the effect of back pressure from the open (flowing) devices or

other sources on keeping the recloseable pressure relief devices open shall be evaluated.

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ISO/DIS 21013-3
5.3 Heat transfer

For loss of vacuum and fire engulfment cases (with or without air condensation), adjusted flow temper

...

NORME ISO
INTERNATIONALE 21013-3
Deuxième édition
2016-05-01
Récipients cryogéniques —
Dispositifs de sécurité pour le service
cryogénique —
Partie 3:
Détermination de la taille et du volume
Cryogenic vessels — Pressure-relief accessories for cryogenic
service —
Part 3: Sizing and capacity determination
Numéro de référence
ISO 21013-3:2016(F)
ISO 2016
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ISO 21013-3:2016(F)
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ISO 21013-3:2016(F)
Sommaire Page

Avant-propos ................................................................................................................................................................................................................................v

1 Domaine d’application ................................................................................................................................................................................... 1

2 Références normatives ................................................................................................................................................................................... 1

3 Symboles ....................................................................................................................................................................................................................... 2

4 Calcul de la quantité totale de chaleur transférée par unité de temps, de la paroi

chaude (enveloppe extérieure) à la paroi froide (récipient intérieur) .......................................................5

4.1 Généralités .................................................................................................................................................................................................. 5

4.2 Dans des conditions autres que le feu................................................................................................................................. 5

4.2.1 Récipients isolés sous vide normal .................................................................................................................. 5

4.2.2 Dispositif de mise en pression ............................................................................................................................. 6

4.2.3 Récipients isolés sous vide en cas de perte de vide et récipients non isolés

sous vide ................................................................................................................................................................................. 6

4.2.4 Supports et tuyauteries .............................................................................................................................................. 8

4.3 Dans des conditions de feu ........................................................................................................................................................... 8

4.3.1 Le système d’isolation reste totalement ou partiellement en place dans

des conditions de feu.................................................................................................................................................... 8

4.3.2 Le système d’isolation ne reste pas en place dans des conditions de feu ....................... 9

4.4 Condensation de l’air ou de l’azote ........................................................................................................................................ 9

4.4.1 Généralités ............................................................................................................................................................................ 9

4.4.2 Perte de vide avec de l’air et de l’azote ......................................................................................................10

4.4.3 Feu avec perte de vide avec de l’air ou de l’azote .............................................................................10

4.5 Transfert de chaleur par unité de temps (watts) ...................................................................................................11

4.5.1 Généralités .........................................................................................................................................................................11

4.5.2 Fonctionnement normal .........................................................................................................................................11

4.5.3 Régulateur de pression entièrement ouvert .........................................................................................11

4.5.4 Condition de perte de vide ...................................................................................................................................12

4.5.5 Condition de feu avec perte de vide, enveloppe sous vide, et isolation

totalement ou partiellement en place ........................................................................................................12

4.5.6 Condition de feu avec perte de vide, pas d’isolation ......................................................................12

4.5.7 Taux de transfert de chaleur total ..................................................................................................................12

5 Calcul du débit massique à décharger par les dispositifs de décharge de pression ...................13

5.1 Pression de décharge, P, inférieure à la pression critique .............................................................................13

5.2 Pression de décharge, P, égale ou supérieure à la pression critique ......... ............................................13

5.2.1 Exemple ................................................................................................................................................................................14

6 Tuyauterie pour dispositifs de décharge de pression ................................................................................................14

6.1 Chute de pression ..............................................................................................................................................................................14

6.1.1 Généralités .........................................................................................................................................................................14

6.1.2 Soupapes de décharge ........................................................................................................................................... ...14

6.1.3 Disques de rupture......................................................................................................................................................15

6.2 Prise en compte de la contre-pression ............................................................................................................................15

6.3 Transfert de chaleur ........................................................................................................................................................................15

7 Dimensionnement des dispositifs de décharge de pression ...............................................................................16

7.1 Généralités ...............................................................................................................................................................................................16

7.2 Dimensionnement des soupapes de décharge .........................................................................................................17

7.2.1 Capacité de débit .................. .................................................... .....................................................................................17

7.2.2 Détermination de l’écoulement critique et de l’écoulement sous-critique

pour les gaz ........................................................................................................................................................................17

7.2.3 Écoulement critique ...................................................................................................................................................17

7.2.4 Écoulement sous-critique .....................................................................................................................................18

7.2.5 Méthode d’analyse recommandée .................................................................................................................19

7.2.6 Exemple ................................................................................................................................................................................21

7.3 Dimensionnement des disques de rupture .................................................................................................................26

© ISO 2016 – Tous droits réservés iii
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ISO 21013-3:2016(F)

7.3.1 Capacité de débit .................. .................................................... .....................................................................................26

7.3.2 Détermination de l’écoulement critique et de l’écoulement sous-critique

pour les gaz ........................................................................................................................................................................26

7.3.3 Écoulement critique ...................................................................................................................................................27

7.3.4 Écoulement sous-critique .....................................................................................................................................27

7.3.5 Méthode d’analyse recommandée .................................................................................................................27

7.3.6 Exemple ................................................................................................................................................................................31

Annexe A (informative) Cryostats .........................................................................................................................................................................34

Bibliographie ...........................................................................................................................................................................................................................35

iv © ISO 2016 – Tous droits réservés
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ISO 21013-3:2016(F)
Avant-propos

L’ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d’organismes

nationaux de normalisation (comités membres de l’ISO). L’élaboration des Normes internationales est

en général confiée aux comités techniques de l’ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude

a le droit de faire partie du comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales,

gouvernementales et non gouvernementales, en liaison avec l’ISO participent également aux travaux.

L’ISO collabore étroitement avec la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui

concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont

décrites dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents

critères d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été

rédigé conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir www.

iso.org/directives).

L’attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable

de ne pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant

les références aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de

l’élaboration du document sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de

brevets reçues par l’ISO (voir www.iso.org/brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données

pour information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un

engagement.

Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à

l’évaluation de la conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes

de l’OMC concernant les obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant: Avant-propos -

Informations supplémentaires

Le comité chargé de l’élaboration du présent document est l’ISO/TC 220, Récipients cryogéniques.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (ISO 21013-3:2006), qui a fait l’objet

d’une révision technique.

L’ISO 21013 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Récipients cryogéniques —

Dispositifs de sécurité pour le service cryogénique:
— Partie 1: Soupapes refermables
— Partie 2: Dispositifs de sécurité non refermables
— Partie 3: Détermination de la taille et du volume
— Partie 4: Dispositifs de sécurité pour la pression à pilotage automatique
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NORME INTERNATIONALE ISO 21013-3:2016(F)
Récipients cryogéniques — Dispositifs de sécurité pour le
service cryogénique —
Partie 3:
Détermination de la taille et du volume
1 Domaine d’application

La présente partie de l’ISO 21013 établit des méthodes de calcul distinctes permettant de déterminer le

débit massique à décharger pour chacune des conditions spécifiées suivantes:

— récipients isolés sous vide comportant un système d’isolation (enveloppe extérieure + matériau

isolant) intact sous vide normal, enveloppe extérieure à température ambiante, récipient intérieur

à la température du contenu à la pression de décharge spécifiée;

— récipients isolés sous vide comportant un système d’isolation (enveloppe extérieure + matériau

isolant) intact sous vide normal, enveloppe extérieure à température ambiante, récipient intérieur

à la température du contenu à la pression de décharge spécifiée, régulateur de pression du système

de mise en pression fonctionnant à pleine charge;

— récipients isolés sous vide ou non, comportant un système d’isolation restant en place mais avec

perte de vide en cas de récipients isolés sous vide, enveloppe extérieure à température ambiante,

récipient intérieur à la température du contenu à la pression de décharge spécifiée, ou récipients

isolés sous vide ou non, comportant un système d’isolation restant totalement ou partiellement en

place, mais avec perte de vide dans le cas des récipients isolés sous vide, feu environnant, récipient

intérieur à la température du contenu à la pression de décharge spécifiée;

— récipients isolés sous vide contenant des fluides avec une température de saturation inférieure à

75 K à 1 bar avec un système d’isolation restant en place, mais avec perte de vide avec de l’air ou de

l’azote dans l’espace sous vide;

— récipients isolés sous vide contenant des fluides avec une température de saturation inférieure à

75 K à 1 bar avec un système d’isolation restant en place, mais avec perte de vide avec de l’air ou de

l’azote dans l’espace sous vide avec feu environnant;
— récipients avec perte totale du système d’isolation et feu environnant.

Il est nécessaire qu’une bonne pratique d’ingénierie reposant sur des données de physique théorique

bien établies soit adoptée afin de déterminer le débit massique requis lorsqu’aucune méthode de calcul

appropriée n’est fournie pour une condition donnée.

Des Recommandations concernant les dispositifs de décharge de pression pour cryostats sont données

dans l’Annexe A.
2 Références normatives
Le présent document ne contient aucune référence normative.
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ISO 21013-3:2016(F)
3 Symboles

A moyenne arithmétique des surfaces intérieure et extérieure du matériau isolant du m

récipient
A section d’écoulement réelle d’un élément de tuyauterie m

A surface extérieure totale du réseau de canalisations entre l’enveloppe extérieure et m

un emplacement x

A section d’écoulement minimale (section de référence) dans un réseau de canalisations m

A section d’écoulement minimale (section de référence) dans le réseau de canalisations, m

en aval de la soupape de décharge

A section d’écoulement minimale (section de référence) dans le réseau de canalisations, m

en amont de la soupape de décharge
A surface extérieure totale du récipient intérieur m

A surface extérieure totale du réseau de canalisations entre les enveloppes intérieure m

et extérieure (interparoi)

A grande section d’écoulement d’un élément de tuyauterie comprenant deux dimen- m

sions différentes de sections d’écoulement
A section transversale, matière du support ou du tube m
A rapport de sections, A /A —
R S L

A petite section d’écoulement d’un élément de tuyauterie comprenant deux dimensions m

différentes de sections d’écoulement
A section d’écoulement (orifice) réelle d’une soupape de décharge de pression mm

A section d’écoulement (orifice) réelle de la soupape de décharge de pression choisie mm

pour l’analyse finale
A section d’écoulement (orifice) minimale requise d’une soupape de décharge mm
A surface extérieure de transfert de chaleur du réchauffeur atmosphérique m

c capacité thermique massique à pression constante à la moyenne de T et T kJ/(kg·K)

p n e

C débit déterminé expérimentalement à travers un élément de tuyauterie ou un dispositif gal/min/psi

e épaisseur nominale du matériau isolant, vide normal, sans condition de feu m

e épaisseur minimale du matériau isolant, tenant compte de la perte de vide, sans m

condition de feu
e épaisseur du matériau isolant restant en place dans des conditions de feu m
f coefficient de frottement dans la canalisation —
h enthalpie du fluide dans les conditions de ν kJ/kg
h enthalpie massique à l’entrée et à la sortie de la soupape de décharge kJ/kg

K coefficient de résistance à l’écoulement d’un élément de tuyauterie en fonction de A —

A F

K coefficient de résistance à l’écoulement d’un élément de tuyauterie en fonction de A —

B B
K coefficient d’écoulement sous-critique —
K coefficient de débit après abattement —

K coefficient de débit après abattement de l’orifice de la soupape ayant la plus grande —

dr,a
section suivante supérieure à A
K coefficient de débit après abattement de la soupape initialement analysée —
dr,1

k conductivité thermique moyenne d’un support ou d’un tube individuel, entre T et T W/(m·K)

n a

K coefficient de résistance à l’écoulement de l’ensemble du réseau de canalisations en —

fonction de la section de référence A

K coefficient de résistance à l’écoulement au niveau de la transition entre écoulement —

critique et sous-critique

K coefficient de résistance à l’écoulement global du réseau de canalisations, en aval de —

la soupape de décharge de pression
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ISO 21013-3:2016(F)

K coefficient de résistance à l’écoulement global du réseau de canalisations, en amont —

de la soupape de décharge de pression

K coefficient de résistance à l’écoulement total d’un réseau de canalisations en série ou —

SOMME
en parallèle

K débit déterminé expérimentalement à travers un élément de tuyauterie ou un dispositif m /h/bar

k conductivité thermique moyenne du matériau isolant, vide normal, sans condition de W/(m·K)

feu

k conductivité thermique moyenne du matériau isolant avec l’air ou le chargement W/(m·K)

gazeux, sans condition de feu

L chaleur latente de vaporisation du liquide cryogénique dans des conditions de kJ/kg

décharge
l longueur, élément de tuyauterie m

L chaleur latente de vaporisation du liquide cryogénique à une pression de 1,013 bar kJ/kg

l longueur du support ou du tube dans l’interparoi sous vide m

L’ rapport enthalpie/dilatation volumique pour des conditions de débit critique ou de kJ/kg

fluide «tout gaz»
M masse molaire kg/mol
m capacité massique maximale du récipient kg
max
N taux d’évaporation normal (NER) %/jour
P pression de décharge, récipient intérieur bar
P pression, sortie de la soupape de sûreté bar

P pression à la sortie de la soupape de décharge pour une contre-pression engendrée en bar

b10
aval de 10 %
P pression à la sortie du réseau de canalisations bar
sortie
P pression, entrée de la soupape de sûreté bar
P pression de tarage de la soupape de décharge de pression bar
Q débit massique kg/h

Q débit massique d’une soupape de décharge dans un réseau de canalisations donné kg/h

Q débit massique dû au taux d’évaporation normal kg/h
mNER
R constante des gaz parfaits J/(mol·K)
r rayon de transition de coude m
T température de décharge, récipient intérieur K
T température ambiante extérieure maximale, sans condition de feu K
T température à la sortie de la soupape de décharge K
b,Pb

T température à la sortie de la soupape de décharge pour une contre-pression engen- K

b10
drée en aval de 10 %
T température extérieure pour une condition donnée K
T température à la sortie du réseau de canalisations K
sortie,Pb
T température extérieure, condition de feu K
T température, entrée de la soupape de sûreté K

T température du fluide en un emplacement donné de début d’écoulement le long du K

réseau de canalisations
T température de saturation du fluide à une pression de 1 bar K
sat

T température du fluide en un emplacement x donné le long du réseau de canalisations K

U coefficient de transfert de chaleur global d’un réseau de canalisations pour des condi- W/ (m ·K)

tions de température données

U coefficient de transfert de chaleur du matériau isolant, vide normal, sans condi- W/ (m ·K)

tion de feu

U coefficient de transfert de chaleur global par convection du réchauffeur atmosphérique W/ (m ·K)

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ISO 21013-3:2016(F)

U coefficient de transfert de chaleur du matériau isolant avec l’air ou le chargement W/ (m ·K)

gazeux, sans condition de feu

U coefficient de transfert de chaleur, condensation de l’air ou de l’azote, perte de vide, W/m

sans condition de feu

U coefficient de transfert de chaleur du matériau isolant avec l’air ou le chargement W/ (m ·K)

gazeux, condition de feu

U coefficient de transfert de chaleur, condensation de l’air ou de l’azote, perte de vide, W/m

condition de feu
w entrée de chaleur due à un support ou à un tube individuel W/K
W taux de transfert de chaleur total pour des conditions spécifiées Watt [W]
W taux de transfert de chaleur total en fonctionnement normal Watt [W]
W taux de transfert de chaleur total dû au NER en fonctionnement normal Watt [W]
T1NER

W taux de transfert de chaleur total en fonctionnement normal, y compris le dispositif Watt [W]

de mise en pression

W taux de transfert de chaleur total dû au NER en fonctionnement normal, y compris le Watt [W]

T2NER
dispositif de mise en pression

W taux de transfert de chaleur total, perte de vide, isolation en place, sans condition de Watt [W]

feu, T ˃ 75 K
sat

W taux de transfert de chaleur total, perte de vide, isolation en place, sans condition de Watt [W]

T3a
feu, T ≤ 75 K
sat

W taux de transfert de chaleur total, perte de vide, isolation en place, condition de feu, Watt [W]

T ˃ 75 K
sat

W taux de transfert de chaleur total, perte de vide, isolation en place, condition de feu, Watt [W]

T5a
T ≤ 75 K
sat

W taux de transfert de chaleur total, perte de vide, pas d’isolation, condition de feu Watt [W]

W taux de transfert de chaleur à travers le système d’isolation, vide normal, sans condi- Watt [W]

tion de feu

W taux de transfert de chaleur à travers le dispositif de mise en pression, régulateur Watt [W]

entièrement ouvert

W taux de transfert de chaleur à travers le système d’isolation, perte de vide, sans Watt [W]

condition de feu

W taux de transfert de chaleur dû à la condensation de l’air ou de l’azote, perte de vide, Watt [W]

sans condition de feu

W taux de transfert de chaleur à travers les supports et les tubes dans l’interparoi Watt [W]

W taux de transfert de chaleur à travers les parois du récipient, isolation en place, condi- Watt [W]

tion de feu

W taux de transfert de chaleur dû à la condensation de l’air ou de l’azote, perte de vide, Watt [W]

condition de feu

W taux de transfert de chaleur à travers les parois du récipient, pas d’isolation, condi- Watt [W]

tion de feu
x emplacement longitudinal le long d’un réseau de canalisations m
X nombre de couches d’isolation —
Y taux de transfert de chaleur U ou U —
3a 5a
Z facteur de compressibilité à la pression P et à la température T —
i i i
φ rapport de pressions, P /P —
sortie
κ exposant isentropique —
λ coefficient d’écoulement sous-critique —
λ coefficient d’écoulement sous-critique —

ν volume massique du fluide critique ou tout-gaz à une température donnée à la m /kg

pression P
4 © ISO 2016 – Tous droits réservés
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ISO 21013-3:2016(F)

ν volume massique à la sortie de la soupape de décharge pour une contre-pression m /kg

b10
engendrée en aval de 10 %

ν volume massique à la sortie de la soupape de décharge de pression, évalué à h et à m /kg

b,Pb r
une valeur d’essai de P

ν volume massique aval moyen maximal, selon la limite de contre-pression voulue m /kg

dmax

ν volume massique aval moyen, pour une contre-pression engendrée en aval de 10 % m /kg

d10
ν volume massique à la sortie du réseau de canalisations, évalué à P et T m /kg
sortie,Pb sortie sortie,Pb

ν volume massique à la sortie du réseau de canalisations pour une contre-pression m /kg

sortie10
engendrée en aval de 10 %
ν volume massique du gaz saturé à la pression de décharge P m /kg
ν volume massique du gaz saturé à une pression de 1,013 bar m /kg
ν volume massique, entrée de la soupape de sûreté m /kg
ν volume massique du liquide saturé à la pression de décharge P m /kg
ν volume massique du liquide saturé à une pression de 1,013 bar m /kg

ν volume massique moyen du liquide s’écoulant en amont de l’entrée de la soupape de m /kg

décharge de pression
3/2 1/2

ψ expression pour la détermination de Q et T pour des conditions de débit de fluide m ·kg /kJ

critique ou de récipient rempli de gaz
4 Calcul de la quantité totale de chaleur transférée par unité de temps, de la
paroi chaude (enveloppe extérieure) à la paroi froide (récipient intérieur)
4.1 Généralités

P (en bar abs) est la pression de décharge réelle à l’intérieur du récipient, qui est utilisée pour calculer le

débit massique requis à travers les dispositifs de décharge de pression.

T (en K) est la température ambiante maximale pour des conditions autres que le feu (comme spécifié,

par exemple, par une réglementation ou une norme).

T (en K) est la température de l’environnement extérieur dans des conditions de feu, prise comme égale

à 922 K dans la présente partie de l’ISO 21013.

T (en K) est la température de décharge dans le récipient, devant être prise en compte.

a) Pour les fluides sous-critiques, T est la température de saturation du liquide à la pression P.

b) Pour les fluides critiques ou surcritiques, T est calculée à partir de 5.2.
4.2 Dans des conditions autres que le feu
4.2.1 Récipients isolés sous vide normal

W est la quantité de chaleur transférée par unité de temps (en watts) due à l’entrée de chaleur à travers

le système d’isolation.
WU=⋅AT −T (1)
()()
11 a
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ISO 21013-3:2016(F)

U est le coefficient de transfert de chaleur global du matériau isolant sous vide normal, en

W/(m ⋅K);
U = ;

k est la conductivité thermique moyenne du matériau isolant sous vide normal, entre T et T , en

1 a
W/(m⋅K);
e est l’épaisseur nominale du matériau isolant, en mètres;

A est la moyenne arithmétique des surfaces intérieure et extérieure du matériau isolant du réci-

pient, en m .
4.2.2 Dispositif de mise en pression

W est la quantité de chaleur transférée par unité de temps (en watts) par le circuit du dispositif

de mise en pression, le régulateur étant entièrement ouvert. W est déterminée en fonction du type

(atmosphérique, eau ou vapeur, électrique, etc.) et de la conception du circuit du dispositif de mise en

pression. Par exemple, dans le cas d’un réchauffeur atmosphérique:
WU=⋅AT −T (2)
()()
22 2 a

U est le coefficient de transfert de chaleur global par convection du réchauffeur atmosphérique,

en W/(m ⋅K);
A est la surface extérieure de transfert de chaleur du récha
...

PROJET DE NORME INTERNATIONALE
ISO/DIS 21013-3
ISO/TC 220 Secrétariat: AFNOR
Début de vote: Vote clos le:
2014-10-16 2015-03-16
Récipients cryogéniques — Dispositifs de sécurité pour le
service cryogénique —
Partie 3:
Détermination de la taille et du volume
Cryogenic vessels — Pressure-relief accessories for cryogenic service —
Part 3: Sizing and capacity determination
ICS: 23.020.40
TRAITEMENT PARRALLÈLE ISO/CEN

Le présent projet a été élaboré dans le cadre de l’Organisation internationale de

normalisation (ISO) et soumis selon le mode de collaboration sous la direction
de l’ISO, tel que défini dans l’Accord de Vienne.
Le projet est par conséquent soumis en parallèle aux comités membres de l’ISO et
aux comités membres du CEN pour enquête de cinq mois.

En cas d’acceptation de ce projet, un projet final, établi sur la base des observations

CE DOCUMENT EST UN PROJET DIFFUSÉ POUR

OBSERVATIONS ET APPROBATION. IL EST DONC reçues, sera soumis en parallèle à un vote d’approbation de deux mois au sein de

SUSCEPTIBLE DE MODIFICATION ET NE PEUT
l’ISO et à un vote formel au sein du CEN.
ÊTRE CITÉ COMME NORME INTERNATIONALE
AVANT SA PUBLICATION EN TANT QUE TELLE.
OUTRE LE FAIT D’ÊTRE EXAMINÉS POUR
Pour accélérer la distribution, le présent document est distribué tel qu’il est
ÉTABLIR S’ILS SONT ACCEPTABLES À DES
FINS INDUSTRIELLES, TECHNOLOGIQUES ET
parvenu du secrétariat du comité. Le travail de rédaction et de composition de
COMMERCIALES, AINSI QUE DU POINT DE VUE
texte sera effectué au Secrétariat central de l’ISO au stade de publication.
DES UTILISATEURS, LES PROJETS DE NORMES
INTERNATIONALES DOIVENT PARFOIS ÊTRE
CONSIDÉRÉS DU POINT DE VUE DE LEUR
POSSIBILITÉ DE DEVENIR DES NORMES
POUVANT SERVIR DE RÉFÉRENCE DANS LA
RÉGLEMENTATION NATIONALE.
Numéro de référence
LES DESTINATAIRES DU PRÉSENT PROJET
ISO/DIS 21013-3:2014(F)
SONT INVITÉS À PRÉSENTER, AVEC LEURS
OBSERVATIONS, NOTIFICATION DES DROITS
DE PROPRIÉTÉ DONT ILS AURAIENT
ÉVENTUELLEMENT CONNAISSANCE ET À
FOURNIR UNE DOCUMENTATION EXPLICATIVE. ISO 2014
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ISO/DIS 21013-3:2014(F)
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ISO/DIS 21013-3
Sommaire Page

Avant-propos ..................................................................................................................................................... iv

1 Domaine d'application .......................................................................................................................... 1

2 Références normatives ......................................................................................................................... 2

3 Calcul de la quantité totale de chaleur transférée par unité de temps de la paroi chaude

(enveloppe extérieure) à la paroi froide (récipient intérieur) ............................................................ 2

3.1 Généralités ............................................................................................................................................. 2

3.2 Pour des conditions autres que le feu ................................................................................................ 2

3.3 Dans des conditions de feu .................................................................................................................. 5

3.4 Condensation de l'air ou de l'azote ..................................................................................................... 6

3.4.1 Généralités ............................................................................................................................................. 6

3.4.2 Perte de vide avec de l'air et de l'azote ............................................................................................... 6

3.4.3 Feu avec perte de vide avec de l'air ou de l'azote .............................................................................. 6

3.5 Transfert de chaleur par unité de temps (watts) ................................................................................ 8

3.5.1 Généralités ............................................................................................................................................. 8

3.5.2 Fonctionnement normal ........................................................................................................................ 8

3.5.3 Régulateur de pression entièrement ouvert ....................................................................................... 8

3.5.4 Condition de perte de vide ................................................................................................................... 9

3.5.5 Condition de feu avec perte de vide, isolation totalement ou partiellement en place ................... 9

3.5.6 Condition de feu avec perte de vide, isolation pas en place ............................................................ 9

4 Calcul du débit massique Q à décharger par les dispositifs de décharge de pression ............. 9

5 Tuyauterie pour dispositifs de décharge de pression ..................................................................... 10

5.1 Chute de pression ............................................................................................................................... 10

5.2 Prise en compte de la contre-pression ............................................................................................. 11

5.3 Transfert de chaleur ............................................................................................................................ 11

6 Dimensionnement des dispositifs de décharge de pression ......................................................... 12

6.1 Généralités ........................................................................................................................................... 12

6.2 Dimensionnement des soupapes de décharge ................................................................................ 12

6.2.1 Généralités ........................................................................................................................................... 12

6.2.2 Débit critique et subcritique ............................................................................................................... 12

6.2.3 Capacité de débit à l'écoulement critique pour les gaz................................................................... 13

6.2.4 Capacité de débit à l'écoulement subcritique pour les gaz ............................................................ 14

6.3 Dimensionnement des disques de rupture....................................................................................... 14

6.3.1 Capacité de débit à l'écoulement critique pour les gaz................................................................... 14

6.3.2 Capacité de débit à l'écoulement subcritique pour les gaz ............................................................ 15

6.3.3 Détermination de l'écoulement critique en fonction de l'écoulement subcritique pour les

gaz ......................................................................................................................................................... 15

6.3.4 Méthode d'analyse recommandée ..................................................................................................... 15

6.3.5 Exemple ................................................................................................................................................ 19

Annexe ZA (informative) Relation entre la présente Norme européenne et les exigences

essentielles de la Directive UE (97/23/CE – Équipement sous pression) ...................................... 24

Bibliographie ..................................................................................................................................................... 25

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ISO/DIS 21013-3
Avant-propos

L'ISO (Organisation internationale de normalisation) est une fédération mondiale d'organismes nationaux de

normalisation (comités membres de l'ISO). L'élaboration des Normes internationales est en général confiée

aux comités techniques de l'ISO. Chaque comité membre intéressé par une étude a le droit de faire partie du

comité technique créé à cet effet. Les organisations internationales, gouvernementales et non

gouvernementales, en liaison avec l'ISO participent également aux travaux. L'ISO collabore étroitement avec

la Commission électrotechnique internationale (IEC) en ce qui concerne la normalisation électrotechnique.

Les procédures utilisées pour élaborer le présent document et celles destinées à sa mise à jour sont décrites

dans les Directives ISO/IEC, Partie 1. Il convient, en particulier de prendre note des différents critères

d’approbation requis pour les différents types de documents ISO. Le présent document a été rédigé

conformément aux règles de rédaction données dans les Directives ISO/IEC, Partie 2 (voir

www.iso.org/directives).

L'attention est appelée sur le fait que certains des éléments du présent document peuvent faire l’objet de

droits de propriété intellectuelle ou de droits analogues. L’ISO ne saurait être tenue pour responsable de ne

pas avoir identifié de tels droits de propriété et averti de leur existence. Les détails concernant les références

aux droits de propriété intellectuelle ou autres droits analogues identifiés lors de l’élaboration du document

sont indiqués dans l’Introduction et/ou dans la liste des déclarations de brevets reçues par l’ISO (voir

www.iso.org/brevets).

Les appellations commerciales éventuellement mentionnées dans le présent document sont données pour

information, par souci de commodité, à l’intention des utilisateurs et ne sauraient constituer un engagement.

Pour une explication de la signification des termes et expressions spécifiques de l’ISO liés à l’évaluation de la

conformité, ou pour toute information au sujet de l’adhésion de l’ISO aux principes de l’OMC concernant les

obstacles techniques au commerce (OTC), voir le lien suivant : Avant-propos – Informations supplémentaires.

L'ISO 210133 a été élaborée par le comité technique ISO/TC 220, Récipients cryogéniques, en collaboration

avec le comité technique CEN/TC 268, Récipients cryogéniques.

Cette deuxième édition annule et remplace la première édition (EN 13648-3:2002 et l’ISO 21013-3:2006), qui

ont fait l’objet d'une révision technique.

L'ISO 21013 comprend les parties suivantes, présentées sous le titre général Récipients cryogéniques —

Dispositifs de sécurité pour le service cryogénique :
 Partie 1 : Soupapes refermables
 Partie 2 : Dispositifs de sécurité non refermables
 Partie 3 : Détermination de la taille et du volume
 Partie 4 : Dispositifs de sécurité pour la pression à pilotage automatique
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PROJET DE NORME INTERNATIONALE ISO/DIS 21013-3
Récipients cryogéniques — Dispositifs de sécurité pour le
service cryogénique — Partie 3: Détermination de la taille et du
volume
1 Domaine d'application

La présente partie de l'ISO 21013 établit des méthodes de calcul distinctes permettant de déterminer le débit

massique à décharger pour chacune des conditions spécifiées suivantes.

 Récipients isolés sous vide comportant un système d'isolation (enveloppe extérieure + matériau isolant)

intact sous vide normal ; enveloppe extérieure à température ambiante ; récipient intérieur à la

température du contenu à la pression de décharge.

 Récipients isolés sous vide comportant un système d'isolation (enveloppe extérieure + matériau isolant)

intact sous vide normal ; enveloppe extérieure à température ambiante ; récipient intérieur à la

température du contenu à la pression de décharge ; régulateur de pression du système de mise en

pression fonctionnant à pleine charge.

 Récipients isolés sous vide ou non, comportant un système d'isolation restant en place mais avec perte

de vide en cas de récipients isolés sous vide ; enveloppe extérieure à température ambiante ; récipient

intérieur à la température du contenu à la pression de décharge. OU : Récipients isolés sous vide ou non,

comportant un système d'isolation restant totalement ou partiellement en place, mais avec perte de vide

dans le cas des récipients isolés sous vide ; feu environnant ; récipient intérieur à la température du

contenu à la pression de décharge.

 Récipients isolés sous vide contenant des fluides avec une température de saturation inférieure à 75 K à

1 bar avec un système d'isolation restant en place, mais avec perte de vide avec de l'air dans l'espace

sous vide.

 Récipients isolés sous vide contenant des fluides avec une température de saturation inférieure à 75 K à

1 bar avec un système d'isolation restant en place, mais avec perte de vide avec de l'air dans l'espace

sous vide avec feu environnant.
 Récipients avec perte totale du système d’isolation et feu environnant.

Une bonne pratique d’ingénierie reposant sur des données de physique théorique bien établies doit être

adoptée afin de déterminer le débit massique requis lorsqu’aucune méthode de calcul appropriée n'est fournie

pour une condition donnée.

Pour l'application de la présente norme, les cryostats peuvent être considérés comme des récipients sous

pression. Les conditions dégradées (refroidissement) supplémentaires et le transfert thermique résultant

doivent être pris en compte dans les calculs.
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ISO/DIS 21013-3
2 Références normatives

Les documents de référence suivants sont indispensables à l'application du présent document. Pour les

références datées, seule l’édition citée s’applique. Pour les références non datées, la dernière édition du

document de référence (y compris les éventuels amendements) s'applique.

ISO 4126-1, Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions excessives — Partie 1 : Soupapes de

sûreté

ISO 4126-6:2014, Dispositifs de sécurité pour protection contre les pressions excessives — Partie 6 :

Application, sélection et installation des dispositifs de sûreté à disque de rupture

3 Calcul de la quantité totale de chaleur transférée par unité de temps de la paroi

chaude (enveloppe extérieure) à la paroi froide (récipient intérieur)
3.1 Généralités

P (en bar abs) est la pression de décharge réelle à l'intérieur du récipient, qui est utilisée pour calculer le débit

massique requis à travers les dispositifs de décharge de pression.

T (en K) est la température ambiante maximale pour des conditions autres que le feu (telle que spécifiée, par

exemple, par une réglementation ou une norme).

T (en K) est la température de l’environnement extérieur dans des conditions de feu, prise comme égale à

922 K dans la présente partie de l'ISO 21013.
T (en K) est la température de décharge dans le récipient, à prendre en compte :

a) Pour les fluides subcritiques, T est la température de saturation du liquide à la pression P ;

b) pour les fluides critiques ou supercritiques, T est calculée à partir de 4.3.
3.2 Pour des conditions autres que le feu

3.2.1 Pour les récipients isolés sous vide normal, la quantité de chaleur transférée par unité de temps (en

watts) par entrée de chaleur à travers le système d’isolation est
WT()TUA
1a 1

U est le coefficient de conductibilité thermique global du matériau isolant sous vide normal, en

W/(m²K),
U 

k est le coefficient moyen de conductivité thermique du matériau isolant sous vide normal, entre T et

T , en W/(mK) ;
e est l'épaisseur nominale du matériau isolant, en m ;
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ISO/DIS 21013-3

A est la moyenne arithmétique des surfaces intérieure et extérieure du matériau isolant du récipient,

en m².

3.2.2 Quantité de chaleur transférée par unité de temps (en watts) par le circuit du dispositif de mise en

pression, le régulateur étant entièrement ouvert :

W déterminé en fonction du type (atmosphérique, eau ou vapeur, électrique, etc.) et de la conception

du circuit du dispositif de mise en pression. Par exemple, dans le cas d'un réchauffeur

atmosphérique :
W  U A (Ta T)
2 2 2

U est le coefficient de conductibilité global de chaleur par convection du réchauffeur atmosphérique, en

W/(mK) ;
A est la surface extérieure de transfert de chaleur du réchauffeur, en m .
Dans une première approximation, les formules suivantes peuvent être utilisées :
U (T  T ) 19000 W/m² pour T 75 K
2 a
U (Ta T) 2850 W/m² pour T > 75 K
W doit être inclus dans W .
1 2

3.2.3 Pour les récipients isolés sous vide en cas de perte de vide ou les récipients non isolés sous vide ;

quantité de chaleur transférée par unité de temps (en watts) par entrée de chaleur à travers le matériau

isolant :
WT()TUA
3a 3

U est le coefficient de conductibilité thermique global du matériau isolant lorsque celui-ci est saturé par

le gaz de chargement ou par l’air à la pression atmosphérique, en retenant la valeur la plus élevée,

en W/(m²K) ;

Si l'isolation est totalement efficace pour le transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement à

328 K, alors U peut être calculé comme suit :
U 

Un espace sous vide, un espace rempli de gaz ou un espace occupé par l'isolation détériorée ne doit pas être

inclus dans l'épaisseur de l'isolation. La capacité de ces espaces ou de l'isolation détériorée à réduire le

transfert de chaleur par conduction, convection ou rayonnement peut être évaluée séparément et incluse

dans le coefficient de transfert thermique global, U , en utilisant des méthodes décrites dans des ouvrages

publiés traitant du transfert de chaleur. La détérioration de l'isolation peut être due aux phénomènes suivants :

 condensation de l'humidité ;
 condensation de l'air ;
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 augmentation de la masse volumique de l'isolation due à une perte soudaine de vide.

k est la conductivité thermique moyenne du matériau isolant saturé par le gaz de chargement ou par

l'air à la pression atmosphérique, en prenant la valeur qui donne le coefficient le plus élevé, entre T

et T , en W/(mK) ; les valeurs de k pour les gaz sont indiquées dans le Tableau 1.

a 3

Tableau 1 — Conductivité thermique pour les fluides réfrigérés (cryogéniques) à la température

moyenne entre la saturation et 328 K (k ) et 922 K (k ) à 1 bar
3 5
Fluide k [W/(m·K)] k [W/(m·K)]
3 5
Air 0,019 0,043
Argon 0,013 0,027
Dioxyde de carbone 0,017 0,039
Monoxyde de
carbone 0,020 0,039
Hélium 0,104 0,211
Hydrogène 0,116 0,217
Méthane 0,024 0,074
Néon 0,034 0,067
Azote 0,019 0,040
Oxygène 0,019 0,043

e est l’épaisseur minimale du matériau isolant, en m, en tenant compte des tolérances de fabrication

ou des effets de perte soudaine de vide.

NOTE Cette formule ne peut pas être appliquée à des températures inférieures à 75 K avec une petite épaisseur de

matériau isolant, puisque le coefficient de transfert thermique maximal serait donné par la condensation de l'air.

3.2.4 Quantité de chaleur transférée par unité de temps (en watts) par les supports et les tuyauteries

situées dans l'interparoi :
W  (T  T)(w  w  ... w  ...)
4 a 1 2 n

w est l'entrée de chaleur par degré K, due à l'un des supports ou des tubes, en W/K,

w  k
n n

k est la conductivité thermique moyenne du matériau du support ou du tube entre T et T , en W/(mK) ;

n a
A est la surface de la section du support ou du tube, en m ;
l est la longueur du support ou du tube dans l'interparoi sous vide, en m.
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3.3 Dans des conditions de feu

3.3.1 Quantité de chaleur transférée par unité de temps (en watts) par entrée de chaleur à travers les

parois du récipient

3.3.1.1 Le système d’isolation reste totalement ou partiellement en place dans les conditions de feu :

0,82
W  2,6 (922 T)U A
5 5

U est le coefficient de conductibilité thermique global du matériau isolant du récipient lorsque celui-ci

est saturé par le gaz de chargement ou par l’air à la pression atmosphérique, en retenant la valeur la

plus élevée, en W/(mK).

Si l'isolation est totalement efficace pour le transfert de chaleur par conduction, convection et rayonnement à

une température externe de 922 K, alors U peut être calculé comme suit :
U 
e 2
, en W/(mK)

Un espace sous vide, un espace rempli de gaz ou un espace occupé par l'isolation détériorée ne doit pas être

inclus dans l'épaisseur de l'isolation. La capacité de ces espaces ou de l'isolation détériorée à réduire le

transfert de chaleur par conduction, convection ou rayonnement peut être évaluée séparément et incluse

dans le coefficient de transfert thermique global, U , en utilisant des méthodes décrites dans des ouvrages

publiés traitant du transfert de chaleur. La détérioration de l'isolation peut être due aux phénomènes suivants :

 condensation de l'humidité ;
 condensation de l'air ;

 augmentation de la masse volumique de l'isolation due à une perte soudaine de vide ;

 dégradation due à la chaleur.

k est la conductivité thermique moyenne du matériau isolant saturé par le gaz de chargement ou par l'air à

la pression atmosphérique, en prenant la valeur qui donne le coefficient le plus élevé, entre T et 922 K, in

W/(mK) ; les valeurs de k pour les gaz sont indiquées dans le Tableau 1.

e est l’épaisseur du matériau isolant restant en place dans des conditions de feu, en m ;

A est la surface moyenne du matériau isolant restant en place dans des conditions de feu, en m .

Lorsque l'enveloppe extérieure reste en place dans des conditions de feu, mais que le matériau isolant est

totalement détruit, U est égal au coefficient de transfert thermique global avec le gaz de chargement ou l'air à

la pression atmosphérique dans l'espace entre l'enveloppe extérieure et le récipient intérieur, en prenant la

valeur qui donne le coefficient le plus élevé, entre T et 922 K. A est égal à la surface moyenne de l'interparoi.

3.3.1.2 Le système d’isolation ne reste pas en place dans les conditions de feu :

4 0,82
W  7,110 A
5 i
A est la surface extérieure totale du récipient intérieur, en m .
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W est la quantité de chaleur transférée par unité de temps, en watts.

3.3.2 La quantité de chaleur transférée par les supports et la tuyauterie situés dans l'interparoi peut être

négligée dans ce cas.
3.4 Condensation de l'air ou de l'azote
3.4.1 Généralités

La condensation de l'air ou de l'azote pour la condition de perte de vide doit être prise en compte pour les

fluides ayant une température de saturation inférieure à 75 K à une pression absolue de 1 bar.

La condensation de l'air, pour le cas de la perte de vide vers l'atmosphère sur un récipient isolé sous vide,

dépend fortement du type d'isolation et de la manière dont l'isolation a été conçue. Dans la mesure où la

condensation de l'air se produit essentiellement à une température inférieure à 75 K et où les fluides ayant

une température de saturation inférieure à 75 K sont généralement stockés et transportés dans des récipients

munis d'une isolation multicouche, la présente norme traite uniquement de la condensation de l'air sur des

récipients munis d'une isolation multicouche. En l'absence de données fiables pertinentes sur les récipients

munis d'une isolation en perlite, il est possible d'utiliser au minimum les données relatives à la forte

pénétration d'air.

La condensation de l'air sur une surface à isolation multicouche à une température inférieure à 75 K dépendra

du taux de pénétration de l'air dans la surface isolée. Sur un récipient muni d'une isolation multicouche, le

taux de condensation de l'air peut varier selon le nombre de couches et la pénétration de l'air permise par la

conception de l'isolation.

Les Figures 1 et 2 indiquent les taux de transfert de chaleur dus à la condensation de l'air, vers le fluide

stocké, en fonction du nombre de couches d'isolation, pour une conception d'isolation permettant une faible

pénétration d'air et pour une conception d'isolation permettant une forte pénétration d'air respectivement.

Parmi les exemples d'isolation permettant une forte pénétration d'air, il est possible de citer l'isolation

multicouche de couvercles de récipients et l'isolation multicouche utilisant des bandes de matériaux. Les

courbes de feu environnant sont des valeurs extrapolées pour une température ambiante de 922 K. À moins

de pouvoir déterminer, à partir d'essais de prototypes ou d'incidents réels, les taux de transfert de chaleur

dans une condition de perte de vide due à la condensation de l'air pour une isolation multicouche de même

type et de même conception, il est nécessaire d'utiliser les taux de transfert de chaleur indiqués dans les

Figures 1 et 2.
3.4.2 Perte de vide avec de l'air et de l'azote

Pour les récipients isolés sous vide en cas de perte de vide, le transfert de chaleur dû à la condensation de

l'air ou de l'azote est donnée par :
W  U  A
3a 3a i

W est le transfert de chaleur dû à la condensation de l'air ou de l'azote, en watts.

U est le transfert de chaleur dû à la condensation de l'air ou de l'azote, en watts par mètre carré de la

surface extérieure du récipient intérieur, comme indiqué dans les Figures 1 et 2.

3.4.3 Feu avec perte de vide avec de l'air ou de l'azote

Pour les récipients isolés sous vide en cas de feu avec perte de vide avec de l'air ou de l'azote, le transfert de

chaleur dû à la condensation de l'air ou de l'azote est donnée par :
0.82
W  1,95U (A )
5a 5a i
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4 0.82
W  7,1(10) (A )
6 i

W est le transfert de chaleur dû à la condensation de l'air ou de l'azote dans des conditions de feu,

en watts.

U est le transfert de chaleur dû à la condensation de l'air ou de l'azote dans des conditions de feu,

en watts par mètre carré de la surface du récipient intérieur, comme indiqué dans les Figures 1

et 2.
W est le transfert de chaleur dans les conditions de feu, en watts.
Légende
X Nombres de couches d'isolation
Y Transfert de chaleur [W/m²]
1 U
2 U
Figure 1 — Faible pénétration d'air
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Légende
X Nombres de couches d'isolation
Y Transfert de chaleur [W/m²]
1 U
2 U
Figure 2 — Forte pénétration d'air
3.5 Transfert de chaleur par unité de temps (watts)
3.5.1 Généralités

Le débit massique, Q , à décharger, peut être calculé à partir du transfert de chaleur, W, pour les conditions

suivantes, où W est le transfert de chaleur total dans la condition spécifiée :
3.5.2 Fonctionnement normal
W W  W
1 4
3.5.3 Régulateur de pression entièrement ouvert
W W  W
2 4
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3.5.4 Condition de perte de vide
Plus grande valeur de :
W W  W
3 4
W W  W

si la température de saturation du fluide est inférieure à 75 K sous une pression

3a 4
absolue de 1 bar.

3.5.5 Condition de feu avec perte de vide, isolation totalement ou partiellement en place

Plus grande valeur de :

W W et W W si la température de saturation du fluide est inférieure à 75 K sous une pression

5 5a
absolue de 1 bar.
3.5.6 Condition de feu avec perte de vide, isolation pas en place
Plus grande valeur de :

W W et W W calculée avec U pour une surface nue à partir de la Figure 1 ou de la Figure 2.

6 5a 5a
4 Calcul du débit massique Q à décharger par les dispositifs de décharge de
pression

4.1 La pression de décharge P dans le récipient est inférieure à 40 % de la pression critique :

Q  3,6

L est la chaleur latente de vaporisation du liquide cryogénique dans des conditions de décharge,

en kJ/kg.
Q est le débit massique, en kg/h.

4.2 La pression de décharge P est inférieure à la pression critique, mais égale ou supérieure à 40 % de la

pression critique :
vv
gl W
Q,36
v est le volume massique du gaz saturé à la pression de décharge P, en m /kg ;

v est le volume massique du liquide saturé à la pression de décharge P, en m /kg.

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4.3 La pression de décharge P est
...

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