Things We Learned About Trapping Liquid After It Was Too Late

Avoiding Common Mistakes That Can Lead To A Hydrostatic Situation

Don Tragethon – Western Precooling

What Is Hydrostatic Pressure?

• Pressure is a force applied over an area.

• Force is expressed in poundsArea is expressed in square inches

• Typical pressure readings are expressed in “Gauge” terms.  0 PSIG is the standard pressure of the atmosphere at sea level at standard temperature and pressure (PSIG)

Refrigeration Pressures

• Boiling pressure: 33 psig evaporator pressure will boil at 20°F.

181 psig condenser pressure will condense liquid at 95°F

• Boiling and Condensing is heat transferring at “Saturated” refrigerant conditions.

• Saturated Liquid and Saturated Gas have specific properties of Temperature, Volume, and Pressure

Refrigerant Pressures

Liquid Ammonia Temperature / Density

TEMPERATURE °F POUNDS PER CUBIC FOOT‐40° 43.08

‐20° 42.22

0 41.34

20 40.43

40 39.49

60 38.50

80 37.48

100 36.40

120 35.26

125 34.96

Saturated Liquid Ammonia Swells As It Is Warmed And The Pressure Increases• One Cubic Foot of ‐40°F Liquid Ammonia Weighs 43.08 Pounds and Will “Swell” up to 1.19 Cubic Feet of Volume and the Saturated Pressure will Increase From 8.7”Hg (‐4.3 psig) to 293 psig.  [  34.96  /  43.08  =  0.812   or  81% ]

• This is the basis for the ‘do not fill beyond 80% rule’.

• If One Cubic Foot of ‐40°F Liquid Ammonia Is Put In A One Cubic Foot Box, sealed AND Warmed Up, The PRESSURE Of The Liquid Will Rise To MUCH MORE THAN 293 psig. 

How High Will The Pressure Raise?

• “WAY HIGH” ‐ This is HYDROSTATIC Pressure Exerted By The Liquid And Is NOT In Agreement With The Values In The Saturation Tables.

• The Force Is Enormous.  The Hydrostatic Force Increases Approximately 150 psig for EACH One Degree F Rise In Temperature.

• ‐40° ‐ 125°F  =  165°F Temperature Rise165 x 150 = 24,750 psig Potential.

Proving The Rule of Thumb

Proving The Rule of Thumb

Possible Liquid Trapping Spots

• Pumped Liquid Header Lines – This is a location where cold liquid can be confined between a discharge check valve from a pump and the closed solenoid valves of the evaporators.

• Happens as a matter of design – is significant when there is a power failure

• Protected by an over‐pressure device such as a relieving regulator that exhausts to the recirculator vessel.

Typical Automatic Protection

Another Type Of Liquid Pumping Device – “Pumper Drum”

• Check valves prevent reverse flow into the drum that is filling while the other is discharging.

• When pumping down to dismantle a tube with a pumper drum, it is very important to follow procedure to not trap liquid between the check valves and the header downstream isolation valve

Common Liquid Trapping SpotsService Related

Common Liquid Trapping Spots –Service Related

• Evaporator liquid feed valve stations are made up of an upstream isolation valve, strainer, positive shut‐off solenoid valve, and a down stream isolation valve.

• Liquid solenoid valves seal tightly in the forward direction – but will un‐seat and allow reverse flow when the pressure is but a few psi higher downstream than upstream. 

Typical Valve Station

What Can Happen?

Common Liquid Trapping SpotsService Related

• Evaporative Condenser Coils• Inadvertent back‐filling of coils has happened• Condenser is “Pumped Down” incorrectly –Fans and pumps are run while compressors are off.  Inlet and Outlet isolation valves are closed.  Coils warm up and liquid expands within them.

• Ends up in a rupture of the coil – usually the head

Other Force of Liquid Problems

• Liquid Hammer: The shock and shudder that the pipes and valves experience when liquid is moving quickly and comes to a sudden change in direction or stop

• Can happen when a liquid solenoid valve on a high pressure receiver has closed because of a low level and the evaporators have been calling for liquid – the pressure in the pipe downstream of the solenoid valve is “Low”.

Other Force of Liquid Problems

• The large solenoid valve opens quickly.

• The liquid screams down the liquid line filling the pipe as it goes forward.  The liquid is moving faster than the design intentions (Feet‐Per‐Minute more than planned for)

• The pipes can “Hammer” when the liquid decelerates at its destination, which may be the expansion valves, etc.

Vapor Propelled Liquid Slugs• Vapor propelled liquid in a low temperature wet‐suction or dry‐suction pipe that has a “Bullet” of liquid rapidly moving through it.

• Many times happens at manual termination of evaporator defrost.

• Evaporator has liquid and vapor in it at defrost pressure and an impatient operator ‘strobes’through the defrost steps to end it.

• The wave of liquid fills the cross section of the pipe and becomes moving plug of liquid acting like a “Piston”.

Vapor Propelled Liquid Slugs

• As the plug moves along the cold pipe the vapor ahead of it is compressed.

• The raising of the vapor pressure ahead of the moving plug causes the vapor to condense into liquid.

• The void left by the condensed vapor causes the plug to accelerate

• The plug comes to a dead end or elbow – The kinetic force plus the gas force slams into the cap and sometimes tears it off the pipe

Final Exam

• Is it always safe to close the KING Valve in a release situation?

• What do you need to know in order to take the best action?

Conclusions

• Be On The Watch – for liquid trapping situations

• When doing service – Follow written procedures that have been validated

• Be EXTREMELY cautious when stepping through a hot gas defrost circuit

• When in doubt – seek help and input from experienced persons

Conclusions

• Things are NOT supposed to go BANG in the pipes.

• The Pressures Developed in a Hydrostatic Lock‐up Do Not Follow The Normal Pressure/Temperature Saturation Curve.

• For Ammonia – The Pressure On Hydrostatically Trapped Liquid Will RISE Approximately 150 PSIG for EACH 1°F Rise

Questions?

• A Very Special Thank You To Jake and Arlie Farley of Farley’s Fridgeration for the Pressure/Temperature data, photos, and the HYDROSTATIC display