Ausdehnungsgefäße und Druckbehälter in Kühlkreisläufen von Rechenzentren
Ein geschlossener Kaltwasserkreis benötigt aus drei Gründen eine Druckbegrenzung, die in entgegengesetzte Richtungen wirken: Das Wasser dehnt sich beim Erwärmen aus, der Pumpensaugdruck benötigt eine positive Vorlaufhöhe, um über dem Dampfdruck zu bleiben, und die Oberseite des Systems benötigt einen Entlastungspfad, bevor die stärkste Komponente ihren zulässigen Druck erreicht. Ein Ausdehnungsgefäß speist bei niedriger Temperatur in den Kreis ein, um das Volumen zu ersetzen, das das Wasser beim Abkühlen abgibt, und nimmt es zurück, wenn sich der Kreis erwärmt. Die Dimensionierung erfolgt in zwei Stufen. Die erste Stufe ist die thermische Volumenänderung des gesamten Systemwassers über den Auslegungstemperaturbereich. Die zweite Stufe ist eine Druckfrage: Dieses Volumen muss zwischen dem Vordruck des Gefäßes und dem maximal zulässigen Druck aufgenommen werden, und das Verhältnis zwischen diesen beiden Werten, nicht der Temperaturbereich allein, bestimmt die physische Größe des Gefäßes. Die Wahl zwischen einem Membran- oder Blasengefäß und einem regelkonform gestempelten Druckbehälter ergibt sich aus dieser Druckklasse und aus der geltenden Druckgeräteregelung am Standort der Anlage für das Ausdehnungsgefäß des Kaltwasserkreises.
Warum ein geschlossener Kreislauf eine Druckgrenze benötigt
Ein offenes Kühlturmsystem benötigt kein Druckgefäß im Kreislauf, da das Turmbecken unter Atmosphärendruck steht und die Pumpe die gesamte Förderhöhe aufbringt. Ein geschlossener Kreislauf hebt diese Referenz auf, sodass gleichzeitig drei Anforderungen auftreten, die durch ein einziges Druckniveau an jedem Punkt des Kreislaufs für Kaltwasser aus dem Ausdehnungsgefäß erfüllt werden müssen
Die erste ist die Ausdehnung des Wassers, die in einem geschlossenen Kreislauf nirgendwohin entweichen kann. Die zweite ist die untere Grenze: Wenn die Anlage kalt ist oder ein Abschnitt entleert wird, muss der Pumpensaugdruck über dem Dampfdruck des Wassers bei der niedrigsten erwarteten Temperatur bleiben. Die dritte ist die obere Grenze: ein Ablassweg oberhalb des zulässigen Drucks der schwächsten Komponente. Diese legen das nutzbare Druckband für Kaltwasser aus dem Ausdehnungsgefäß fest
Dimensionierung des Ausdehnungsgefäßes anhand von Volumen und Temperaturbereich
Die erste Berechnung ist eine thermische. Nehmen Sie das Gesamtwasservolumen im System, einschließlich des Ausdehnungsgefäßes selbst, der Rohrleitungen, der Wärmetauscher und jedes angeschlossenen Gefäßes oder Beckens, und multiplizieren Sie es mit dem volumetrischen Ausdehnungsfaktor von Wasser über den Auslegungsbereich. Der Faktor ergibt sich aus dem spezifischen Volumen von Wasser bei den beiden Temperaturen: 1,000 L/kg bei 5 °C und 1,008 L/kg bei 40 °C für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße
Nur mit illustrativen Eingabewerten: Ein System mit 1.000 m3 Wasser, das bei 5 °C gefüllt und für 40 °C ausgelegt ist, erzeugt ein Ausdehnungsvolumen von etwa 8,0 m3, also das Volumen, das das Gefäß aufnehmen und zurückgeben muss. Eine Glykolmischung hat ein anderes spezifisches Volumen, daher verwendet ein glykolgefüllter Kreislauf die Glykoleigenschaften für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße
Stufe | Eingabe | Methode | Illustratives Ergebnis |
Thermische Volumenänderung | Gesamtwasservolumen des Systems | Mit dem Wasserausdehnungsfaktor multiplizieren | 1.000 m3 x 0,008 = 8,0 m3 |
Druckband | Vordruck und maximal zulässiger Druck | Das Band festlegen, in dem das Gefäß arbeitet | 200 kPa abs bis 700 kPa abs |
Akzeptanzfaktor | Die gleichen zwei Drücke | Maximal zulässig geteilt durch die Differenz | 700 / (700 - 200) = 1,40 |
Gefäßvolumen | Ausdehnungsvolumen und Akzeptanzfaktor | Multiplizieren Sie die beiden Werte | 8,0 x 1,40 = 11,2 m3 |
Vordruck, Systemdruck und die Akzeptanzprüfung
Der Vordruck ist der Druck des Gaspolsters im Gefäß, wenn es vom System getrennt ist und kein Wasser enthält. Er wird aus dem kalten statischen Druck auf der Höhe des Gefäßes plus einem Zuschlag festgelegt, damit das Gefäß bereit ist, die Kontraktion des Kreislaufs beim Abkühlen aufzunehmen, anstatt bei jedem Start leer gezogen zu werden. Er wird niemals auf den Pumpendruck für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße eingestellt
Die Abnahmeprüfung besteht aus einer Reihe von Messwerten und nicht aus einer Berechnung, und hier wird ein falsch eingestelltes Gefäß erkannt. Bei gefüllter, kalter Anlage und gestoppten Pumpen sollte der Druck am Gefäß ungefähr dem Vordruck entsprechen. Darunter hat das Gaspolster Druck verloren oder Wasser aufgenommen; darüber ist der statische Druck höher als für das Kaltwasser des Ausdehnungsgefäßes angenommen
Membran-, Blasen- und kodierte Druckgefäße im Vergleich
Die beiden nicht kodierten Bauarten unterscheiden sich in einem für die Wartung wichtigen Detail: wo die flexible Membran gehalten wird. Bei einem Membrangefäß ist die Membran mit dem Mantel und den Endabdeckungen verschweißt, sodass sie kein drucktragendes Teil ist und ein langsamer Gasverlust keinen Leckagepfad erzeugt. Bei einem Blasengefäß ist die Membran ein separater Beutel, der von den Endabdeckungen für das Kaltwasser des Ausdehnungsgefäßes gehalten wird
Die Blase kann ohne Schweißen ausgetauscht werden, weshalb sie bei größeren Behältern und dort, wo der regelmäßige Blasenaustausch Teil des Wartungsplans ist, üblich ist; sie nimmt jedoch im Laufe der Zeit Wasser an der Grenzfläche auf und muss mit dem korrekten Vordruck erneuert werden. Ein code-gestempelter Druckbehälter ist ein anderes Produkt und keine bessere Version: Er wird nach einem Druckbehälter-Code für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße ausgelegt, gefertigt, geprüft, gestempelt und registriert.
Wann ein codierter Behälter erforderlich ist und was die Dokumentation zeigen muss
Die Entscheidung wird in zwei Stufen getroffen. Die erste ist regulatorisch: Die Druckgeräteregelung in der Jurisdiktion, in der die Anlage betrieben wird, wird gegen den Auslegungsdruck, das Behältervolumen, die Fluidklassifizierung und eine etwaige dienstspezifische Ausnahme geprüft. Regulierungsbehörden definieren in der Regel einen Schwellenwert als Kombination aus Volumen und Druck, und ein Behälter oberhalb dieses Werts fällt unter die Auslegungszertifizierung für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße
Die zweite Stufe ist der maximal zulässige Betriebsdruck des Systems, nicht der Nenndruck: Ein Kreislauf, bei dem beim Anlaufen einer Pumpe eine Spitze von 900 kPa auftreten kann, benötigt möglicherweise selbst dann einen codierten Behälter, wenn der stationäre Betriebsdruck moderat ist. Die Dokumentation ist dann eine spezifische Liste: für einen Behälter nach ASME Section VIII Div 1 der U-Stempel mit der Kennzeichnung und der zugelassenen Inspektionsstelle, die National Board-Registrierung, der Form U-1-Bericht, die hydrostatische Prüfung bei 1,3-fachem des maximal zulässigen Betriebsdrucks und Materialrückverfolgbarkeitsaufzeichnungen für Kaltwasser in Ausdehnungsgefäßen
Entlüftung, Luftabscheidung und die Inbetriebnahmesequenz
Ein Ausdehnungsgefäß, das nie ordnungsgemäß entlüftet wurde, ist die häufigste Ursache für ein System, das Druck hat und kein funktionierendes Ausdehnungsgefäß. Die eingeschlossene Luft sitzt über der Wassersäule im Inneren des Gefäßes, sie komprimiert sich genau so, wie sich das Gaspolster komprimieren soll, und das Gefäß verhält sich dann, als wäre es nur ein Bruchteil seiner angegebenen Größe. Das Symptom ist ein langsam ansteigender Systemdruck mit einer heißen Gasblase für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße
Die Inbetriebnahmesequenz folgt der physischen Reihenfolge des Systems. Der Kreislauf wird vom Anschlusspunkt aus mit geöffneten Hochpunktentlüftern gefüllt, sodass Luft nach vorne verdrängt statt eingeschlossen wird. Anschließend wird das Gefäß isoliert und an der Oberseite der Wasserseite entlüftet, um den Gasseitendruck gegen die Vorfüllung zu prüfen und bei Abfall nachzufüllen, und der Druck am Gefäß wird unter kalten statischen Bedingungen für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße abgelesen
Wo das Gefäß im Kreislauf sitzt und wie es abgesperrt wird
Das Gefäß gehört auf die Saugseite der Pumpen und wird am tiefsten verfügbaren Punkt an den Saugverteiler angeschlossen. Auf der Saugseite herrscht der niedrigste Druck im System, wodurch eine moderate Vorbefüllung die Pumpe vor Dampfbildung schützt, und dort erreicht das von ihm abgegebene Wasser den Pumpeneintritt. Ein Gefäß auf der Druckseite der Pumpe kann ebenfalls verwendet werden, es sieht dann jedoch die volle Förderhöhe der Pumpe für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße
Die Anschlussdetails sind wichtiger als die Position auf der Zeichnung. Jedes Gefäß benötigt Absperrventile, damit es entfernt werden kann, ohne den Kreislauf zu entleeren, ein Entleerungsventil am tiefsten Punkt, damit das Gefäß geleert und die Blase oder Membran gewechselt werden kann, sowie einen Füll- und Entlüftungsanschluss auf der Gasseite zum Einstellen des Vordrucks. Der Anschluss muss außerdem so dimensioniert sein, dass er den Zufluss in das Gefäß während der Ausdehnung bei Kaltwasser-Ausdehnungsgefäßen nicht einschränkt
Wasserqualität, Glykolverträglichkeit und Korrosion
Die Flüssigkeit im Kreislauf bestimmt mehrere Dinge gleichzeitig: den bei der Dimensionierung verwendeten Ausdehnungsfaktor, das Korrosionsverhalten der benetzten Materialien und die Verträglichkeit der Membran mit der Flüssigkeit in ihrem Inneren. Ein mit Glykol befüllter Kreislauf muss mit den Eigenschaften von Glykol dimensioniert werden, und die Membran muss für dieses Glykol bei der Auslegungskonzentration und -temperatur geeignet sein. Glykol zersetzt sich mit der Zeit, und die Abbauprodukte sind aggressiver, daher gehören das Inhibitorpaket und das Intervall für den Flüssigkeitsaustausch zum Wasserqualitätsprogramm für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße.
Die Korrosionsfrage ist getrennt von der Fluidverträglichkeit zu betrachten. In einem geschlossenen Kreislauf ist der Sauerstoffeintrag der übliche Auslöser, weshalb Kreisläufe unter Druck gehalten und über eine Vorrichtung entlüftet werden, die Luft fernhält. Wo die Befüllung über einen offenen Nachspeiseanschluss erfolgt, müssen die Korrosionszuschläge und die Wahl zwischen Kohlenstoffstahl und Edelstahl behandelt werden. Bei einem beschichteten Behälter muss die Beschichtung mit dem Fluid verträglich sein und vor dem Befüllen für Kaltwasser in Ausdehnungsgefäßen überprüft werden
Die Spezifikationsliste und die Checkliste für die Inbetriebnahmevorbereitung
Eine Druckbehälter-Spezifikation muss das Druckband festlegen, bevor sie den Behälter benennt, denn alles Nachgelagerte hängt davon ab. Die Anfrage zur Angebotsabgabe sollte das gesamte Systemwasservolumen einschließlich der Rohrleitungen, die Füll- und Auslegungsmaximaltemperaturen, das Fluid und seine Konzentration, den statischen Druck auf Behälterhöhe bei Kaltfüllung, den maximal zulässigen Betriebsdruck des Kreislaufs, die lokale Vorschrift und den Zertifizierungsweg sowie die Absperr- und Entlüftungsanordnung für das Kaltwasser des Ausdehnungsgefäßes enthalten.
Die Inbetriebnahme-Checkliste schließt dann die Lücke zwischen der Berechnung und dem installierten Gefäß, und sie ist kurz: die Gefäßidentifikation und das Typenschild gegen die Auslegung, die Vorbefüllung vor und nach dem Anschluss aufgezeichnet, der Kaltfülldruck im Vergleich zur Vorbefüllung, die Entlüftung des Gefäßes und der Hochpunkte des Kreislaufs, die bestätigte Einstellung des Sicherheitsventils sowie die Position und Verriegelung jedes Absperrventils für das Kaltwasser des Ausdehnungsgefäßes
· Gesamtwasservolumen des Systems, einschließlich Rohrleitungen, Wärmetauschern und etwaigem Becken für das Kaltwasser des Ausdehnungsgefäßes
· Füll- und Auslegungsmaximaltemperatur sowie das Fluid mit seiner Konzentration für Kaltwasser im Ausdehnungsgefäß
· Statischer Druck auf Höhe des Behälters bei Kaltbefüllung, verwendet zur Einstellung des Vordrucks für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
· Maximal zulässiger Betriebsdruck des Kreislaufs und die Abblaseeinstellung für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
· Akzeptanzfaktor zwischen dem Vordruck und dem maximal zulässigen Druck für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
· Zertifizierungsweg: die lokale Vorschrift und die erforderliche Kennzeichnung für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
· Spezifikation der benetzten Materialien und das Membranmaterial mit seiner Fluid- und Temperaturbewertung für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
· Absperrventile, Ablassventil, Füllanschluss und Entlüftungspunkt am Behälter für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
· Nachweise zur Beschichtungsprüfung, einschließlich des Dichtheitstests, vor der Befüllung für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
Projekt-Fallstudie
Referenzlieferung für diese Aufgabe, zitiert aus der verifizierten Projektbibliothek. Übereinstimmungsstufe C. Ein geschweißter Druckbehälter nach EN 13445, aus ASTM A516 Gr.70, mit einer C5M-Epoxidbeschichtung für eine semimarine Umgebung. Er belegt die Engineering- und Fertigungsfähigkeit für Druckbehälter. Es handelt sich nicht um einen nach ASME Section VIII zertifizierten Behälter, daher wird er in diesem Artikel nicht als ASME-Fall verwendet, wie für Ausdehnungsgefäße für Kaltwasser im Detail beschrieben.
Projekt-ID | Land | Produkt | Kapazität | Anzahl der Behälter | Abmessungen | Fertigstellung | Lieferumfang |
MT-PRESS-2.29 | Malta | Druckbehälter | 2,29 m3 | 2 | ID1240 × 1840 mm und ID1200 × 1665 mm | In der verfügbaren Quelle nicht erfasst | Nicht erfasst |
Ein geschweißter Druckbehälter nach EN 13445, aus ASTM A516 Gr.70, mit einer C5M-Epoxidbeschichtung für eine halbmarine Umgebung. Er belegt die Engineering- und Fertigungsfähigkeit für Druckbehälter. Es handelt sich nicht um einen nach ASME Section VIII zertifizierten Behälter, daher wird er in diesem Artikel nicht als ASME-Fall verwendet, wie für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße im Detail beschrieben.
Häufig gestellte Fragen
F1. Warum benötigt ein geschlossener Kreislauf eine Druckbegrenzung?
Ein geschlossener Kreislauf verliert die atmosphärische Referenz, die ein offenes Turmsystem bietet, daher müssen drei Anforderungen allein durch das Druckniveau erfüllt werden: Das Wasser dehnt sich beim Erwärmen aus, der Pumpensauganschluss benötigt positiven Vordruck, um bei kalter Anlage über dem Dampfdruck zu bleiben, und der höchste Punkt benötigt einen Entlastungspfad oberhalb des zulässigen Drucks der schwächsten Komponente für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße
F2. Wie wird ein Ausdehnungsgefäß dimensioniert?
In zwei Stufen. Zuerst wird die Wärmeausdehnung des gesamten Systemwassers über den Auslegungsbereich aus den spezifischen Wasservolumina berechnet, was das Volumen ergibt, das das Gefäß aufnehmen muss. Zweitens muss dieses Volumen zwischen dem Vordruck und dem maximal zulässigen Druck aufgenommen werden, und das Verhältnis der beiden ergibt den Annahmefaktor für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
F3. Wie ist die Beziehung zwischen Vordruck und Systemdruck?
Der Vordruck wird aus dem kalten statischen Druck auf der Höhe des Gefäßes plus einer Marge festgelegt, die die Schwankung der statischen Höhe und den Druckabfall in der Rohrleitung abdeckt, sodass das Gefäß bereit ist, Kontraktion aufzunehmen, anstatt bei jedem Start leer gezogen zu werden. Er wird niemals auf den Pumpendruck eingestellt. Die Annahmeprüfung liest den Gefäßdruck bei Kaltbefüllung für das Kaltwasser-Ausdehnungsgefäß
F4. Wie wird ein Membrangefäß gegenüber einem Blasengefäß ausgewählt?
Die Membran ist mit dem Mantel und den Endabdeckungen verschweißt, sodass sie kein drucktragendes Teil ist und ein langsamer Gasverlust nicht zu einer Leckagestelle wird. Der Blasebalg ist ein separater geschlossener Sack, der von den Endabdeckungen gehalten wird, und er ist das drucktragende Element, was ihn ohne Schweißen austauschbar macht, aber bedeutet, dass er für Kaltwasser-Ausdehnungsgefäße aufnimmt
F5. Wann ist ein ASME-zertifiziertes Gefäß erforderlich?
Wenn die örtliche Druckgeräteverordnung das Behältnis über seine Zertifizierungsschwelle einstuft, die normalerweise durch eine Kombination aus Auslegungsdruck, Behältervolumen und Fluidklassifizierung definiert wird, oder wenn die Spezifikation des Eigentümers, Versicherers oder Kunden unabhängig von dieser Schwelle eine Zertifizierung verlangt. Die Prüfung erfolgt gegen den maximal zulässigen Betriebsdruck, nicht gegen den Nenndruck für Kaltwasser in Ausdehnungsgefäßen
F6. Wie werden Entlüftung und Luftabscheidung in Betrieb genommen?
Der Kreislauf wird vom Anschlusspunkt aus bei geöffneten Hochpunktentlüftungen gefüllt, sodass die Luft nach vorn verdrängt wird. Anschließend wird der Behälter abgesperrt und oben entlüftet, um den Gasseitendruck mit dem Vordruck zu vergleichen und bei einem Abfall nachzufüllen; der Druck am Behälter wird unter kalten statischen Bedingungen für Kaltwasser in Ausdehnungsgefäßen abgelesen
F7. Wo befindet sich das Gefäß im Kreislauf und wie wird es abgesperrt?
Auf der Saugseite der Pumpen, verbunden mit dem Saugverteiler am tiefsten verfügbaren Punkt, sodass sie den niedrigsten Druck im Kreislauf sieht und die Pumpe gegen Dampfbildung bei niedriger Vorbefüllung schützen kann. Jedes Gefäß benötigt Absperrventile, ein Ablassventil für den Blasenaustausch sowie einen Füll- und Entlüftungsanschluss auf der Gasseite für Kaltwasser im Ausdehnungsgefäß
F8. Was erfordern Wasserqualität und Korrosion?
Das Fluid bestimmt den bei der Dimensionierung verwendeten Ausdehnungsfaktor, das Korrosionsverhalten der benetzten Materialien sowie die Kompatibilität und Temperaturbeständigkeit der Membran. Glykolkreisläufe werden mit Glykoleigenschaften dimensioniert, und das Inhibitorpaket sowie das Fluidwechselintervall gehören in das Wasserqualitätsprogramm, wie für Kaltwasser im Ausdehnungsgefäß detailliert beschrieben.
Der Auslegungsdruck und die Auslegungstemperatur müssen festgelegt werden, bevor ein Ausdehnungsgefäß ausgewählt wird, denn das Druckband zwischen dem Vordruck und dem maximal zulässigen Druck bestimmt die physikalische Größe des Gefäßes, und die örtliche Druckgeräterichtlinie bestimmt, ob das Gefäß ein gestempeltes Druckgerät oder ein nicht kodifiziertes Druckteil ist. Diese Reihenfolge ist der gesamte Inhalt dieses Themas: Ein Gefäß, das allein auf der Grundlage des Temperaturbereichs spezifiziert wird, wird die falsche Größe haben, und eines, das auf der Grundlage eines Nenndrucks spezifiziert wird, wird die falsche Zertifizierungsklasse haben. Die beiden Stufen der Berechnung, die Vordruck-Abnahmeprüfung und die Inbetriebnahmesequenz, sind es, die die Spezifikation in ein Gefäß verwandeln, das nachweislich die Aufgabe erfüllt, für die es gekauft wurde, für Ausdehnungsgefäß Kaltwasser
Mit einem Ingenieur sprechen
Für ein Ausdehnungsgefäß oder einen Druckbehälter in einem Kaltwasserkreis senden Sie bitte das gesamte Systemwasservolumen einschließlich Rohrleitungen und Wärmetauschern, die Fülltemperatur und die maximale Auslegungstemperatur, das Fluid und seine Konzentration, den statischen Druck auf Höhe des Gefäßes bei Kaltbefüllung, den maximal zulässigen Betriebsdruck des Kreises und die vorgesehene Abblaseeinstellung, die örtliche Druckgeräteregelung und den erforderlichen Zertifizierungsweg sowie die Absperr- und Entlüftungsanordnung. Wir liefern Ihnen eine Dimensionierungsstudie mit dem thermischen Ausdehnungsvolumen, dem Akzeptanzfaktor, dem resultierenden Gefäßvolumen, dem festzulegenden Vordruck und den zu protokollierenden Akzeptanzmesswerten, der Material- und Membranempfehlung sowie der Inbetriebnahme-Checkliste für die Baustelle für das Ausdehnungsgefäß im Kaltwasserkreis.
Über Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) ist ein professioneller Hersteller, der sich seit 2008 der Entwicklung und Fertigung von verschraubten Lagertanks widmet. Das Produktsortiment umfasst Glass-Fused-to-Steel (GFS)-Tanks, Fusion-Bonded Epoxy (FBE)-Tanks, Edelstahltanks, feuerverzinkte Stahltanks und geodätische Aluminium-Kuppeldächer, zusammen mit EPC-technischer Unterstützung und Tankzubehör. Die Produktion erfolgt unter ISO 9001, ISO 14001 und ISO 45001, und das Produktsortiment ist nach NSF/ANSI 61, WRAS, CE und EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 und NFPA zertifiziert, wo die Anwendung dies erfordert. Das Unternehmen verfügt über nahezu 200 Emaillierungs-Patente, betreibt eine Produktionsbasis von 150.000 m2, produziert jährlich etwa 300.000 emaillierte Stahlplatten, hat mehr als 30.000 installierte Projekte abgeschlossen und Tanks in mehr als 100 Länder geliefert. Die technische Konstruktionskompetenz deckt Tankvolumina bis zu 60.000 m3 ab, wie für Ausdehnungsgefäß-Kaltwasser detailliert beschrieben.