Vasos de Expansión y Tanques Presurizados en Circuitos de Refrigeración de Centros de Datos
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Recipientes de expansión y tanques presurizados en circuitos de refrigeración de centros de datos
Un circuito cerrado de agua enfriada necesita un límite de presión por tres razones que tiran en direcciones opuestas: el agua se expande cuando se calienta, la succión de la bomba necesita una altura positiva para mantenerse por encima de la presión de vapor, y la parte superior del sistema necesita una vía de alivio antes de que el componente más resistente alcance su presión admisible. Un vaso de expansión descarga en el circuito a baja temperatura para reemplazar el volumen que el agua cede al contraerse y lo recupera a medida que el circuito se calienta. El dimensionamiento es en dos etapas. La primera etapa es el cambio de volumen térmico del agua total del sistema en el rango de temperatura de diseño. La segunda etapa es una cuestión de presión: ese volumen debe absorberse entre la presión de precarga del vaso y la presión máxima admisible, y la relación entre esos dos valores, no solo el rango de temperatura, determina el tamaño físico del vaso. La elección entre un vaso de diafragma o de vejiga y un recipiente a presión con sello de código se deriva de esa clase de presión y de la reglamentación de equipos a presión vigente donde opera la instalación para el tanque de expansión de agua enfriada
Por qué un circuito cerrado necesita un límite de presión
Un sistema de torre de enfriamiento abierto no necesita un recipiente a presión en el circuito, porque la balsa de la torre está a presión atmosférica y la bomba desarrolla toda la altura manométrica. Un circuito cerrado elimina esa referencia, por lo que aparecen tres requisitos a la vez y deben cumplirse con un solo nivel de presión en cada punto del circuito para el agua enfriada del tanque de expansión
El primero es la expansión del agua, que no tiene adónde ir en un circuito cerrado. El segundo es el límite inferior: cuando la instalación está fría, o un tramo se vacía, la succión de la bomba debe mantenerse por encima de la presión de vapor del agua a la temperatura mínima esperada. El tercero es el límite superior: una vía de alivio por encima de la presión admisible del componente más débil. Estos fijan la banda de presión utilizable para el agua enfriada del tanque de expansión
Dimensionamiento del vaso de expansión a partir del volumen y el rango de temperatura
El primer cálculo es térmico. Tome el volumen total de agua en el sistema, incluido el propio vaso de expansión, la tubería, los intercambiadores de calor y cualquier recipiente o depósito conectado, y multiplíquelo por el factor de expansión volumétrica del agua en el rango de diseño. El factor proviene del volumen específico del agua a las dos temperaturas: 1,000 L/kg a 5 C y 1,008 L/kg a 40 C para agua enfriada en tanque de expansión
Usando solo entradas ilustrativas, un sistema que contiene 1.000 m3 de agua llenado a 5 C y diseñado para 40 C produce un volumen de expansión de aproximadamente 8,0 m3, que es el volumen que el vaso debe aceptar y devolver. Una mezcla de glicol tiene un volumen específico diferente, por lo que un circuito cargado con glicol utiliza las propiedades del glicol para agua enfriada en tanque de expansión
Etapa | Entrada | Método | Resultado ilustrativo |
Cambio de volumen térmico | Volumen total de agua del sistema | Multiplicar por el factor de expansión del agua | 1.000 m3 x 0,008 = 8,0 m3 |
Banda de presión | Precarga y presión máxima admisible | Establecer la banda en la que trabaja el recipiente | 200 kPa abs a 700 kPa abs |
Factor de aceptación | Las mismas dos presiones | Máximo admisible dividido por la diferencia | 700 / (700 - 200) = 1.40 |
Volumen del recipiente | Volumen de expansión y factor de aceptación | Multiplicar las dos cifras | 8.0 x 1.40 = 11.2 m3 |
Precarga, presión del sistema y la verificación de aceptación
La precarga es la presión del colchón de gas en el recipiente cuando está desconectado del sistema y no contiene agua. Se establece a partir de la presión estática en frío a la elevación del recipiente más un margen, de modo que el recipiente esté listo para aceptar la contracción del circuito a medida que se enfría en lugar de quedar vacío en cada arranque. Nunca se ajusta a la presión de descarga de la bomba para agua enfriada en tanque de expansión
La prueba de aceptación es un conjunto de lecturas en lugar de un cálculo, y es donde se detecta un recipiente mal configurado. Con el sistema lleno, frío y las bombas detenidas, la presión en el recipiente debería leerse aproximadamente igual a la precarga. Por debajo de eso, el colchón de gas ha perdido presión o ha admitido agua; por encima, la presión estática es mayor que la supuesta para el agua enfriada del tanque de expansión
Comparación de recipientes a presión de diafragma, vejiga y codificados
Las dos construcciones no codificadas difieren en un detalle que importa para el mantenimiento: dónde se retiene la membrana flexible. En un recipiente de diafragma, la membrana está soldada a la carcasa y a las tapas extremas, por lo que no es una parte que retenga presión y una pérdida lenta de gas no crea una vía de fuga. En un recipiente de vejiga, la membrana es una bolsa separada sujeta por las tapas extremas para el agua enfriada del tanque de expansión
La vejiga se puede reemplazar sin soldadura, por lo que es común en recipientes más grandes y donde el cambio periódico de la vejiga forma parte del plan de mantenimiento, pero absorbe agua con el tiempo en la interfaz y debe renovarse con la precarga correcta establecida. Un recipiente a presión con sello de código es un producto diferente en lugar de una versión mejor: está diseñado, fabricado, probado, sellado y registrado bajo un código de recipientes a presión para el tanque de expansión de agua enfriada
Cuándo se requiere un recipiente con código y qué debe mostrar la documentación
La decisión se toma en dos etapas. La primera es regulatoria: la normativa de equipos a presión de la jurisdicción donde opera la planta se compara con la presión de diseño, el volumen del recipiente, la clasificación del fluido y cualquier exención específica del servicio. Los reguladores generalmente definen un umbral como una combinación de volumen y presión, y un recipiente por encima de él queda sujeto a la certificación de diseño para agua enfriada de tanque de expansión
La segunda etapa es la presión máxima de trabajo admisible del sistema, no la presión nominal: un circuito que puede experimentar un pico de 900 kPa durante el arranque de una bomba puede necesitar un recipiente codificado incluso cuando la presión de operación estable es moderada. La documentación es entonces una lista específica: para un recipiente según ASME Sección VIII Div 1, el sello U con el designador y la agencia de inspección autorizada, el registro del National Board, el informe del Formulario U-1, la prueba hidrostática a 1,3 veces la presión máxima de trabajo admisible y los registros de trazabilidad de materiales para el agua enfriada del tanque de expansión.
Venteo, eliminación de aire y secuencia de puesta en marcha
Un vaso de expansión que nunca se ha purgado correctamente es la causa más común de un sistema que tiene presión y ningún vaso de expansión en funcionamiento. El aire atrapado se sitúa por encima de la columna de agua dentro del vaso, se comprime exactamente de la misma manera en que se supone que debe comprimirse el colchón de gas, y el vaso entonces se comporta como si fuera una fracción de su tamaño nominal. El síntoma es una presión del sistema que aumenta lentamente con una burbuja de gas caliente para el agua enfriada del tanque de expansión
La secuencia de puesta en marcha sigue el orden físico del sistema. El circuito se llena desde el punto de conexión con los purgadores de punto alto abiertos, de modo que el aire se desplaza hacia delante en lugar de quedar atrapado. A continuación, el vaso se aísla y se purga en la parte superior del lado del agua para verificar la presión del lado del gas frente a la precarga y recargarlo si ha disminuido, y la presión en el vaso se lee en condiciones estáticas en frío para el agua enfriada del tanque de expansión
Dónde se ubica el recipiente en el circuito y cómo se aísla
El recipiente pertenece al lado de succión de las bombas, conectado al colector de succión en el punto más bajo disponible. En el lado de succión ve la presión más baja del sistema, lo que permite que una carga previa modesta mantenga la bomba protegida contra la formación de vapor, y es donde el agua que descarga llega a la entrada de la bomba. También se puede usar un recipiente en la descarga de la bomba, pero entonces ve la altura total de la bomba para el agua enfriada del tanque de expansión
Los detalles de conexión importan más que la posición en el plano. Cada recipiente necesita válvulas de aislamiento para que pueda retirarse sin drenar el circuito, una válvula de drenaje en el punto más bajo para que el recipiente pueda vaciarse y cambiarse la vejiga o el diafragma, y una conexión de carga y purga en el lado del gas para ajustar la precarga. La conexión también debe dimensionarse de modo que no restrinja el flujo hacia el recipiente durante la expansión para agua enfriada de tanque de expansión
Calidad del agua, compatibilidad con glicol y corrosión
El fluido en el circuito determina varias cosas a la vez: el factor de expansión utilizado en el dimensionamiento, el comportamiento frente a la corrosión de los materiales en contacto con el fluido y la compatibilidad de la membrana con el fluido en su interior. Un circuito cargado con glicol debe dimensionarse con las propiedades del glicol, y la membrana debe estar clasificada para ese glicol a la concentración y temperatura de diseño. El glicol se degrada con el tiempo y los productos de degradación son más agresivos, por lo que el paquete de inhibidores y el intervalo de sustitución del fluido forman parte del programa de calidad del agua para el agua enfriada del tanque de expansión.
La cuestión de la corrosión es independiente de la compatibilidad de fluidos. En un circuito cerrado, la entrada de oxígeno es el iniciador habitual, por lo que los circuitos se mantienen presurizados y se ventilan mediante un dispositivo que impide la entrada de aire. Cuando el llenado se realiza mediante una conexión de reposición abierta, deben abordarse el margen de corrosión y la elección entre acero al carbono y acero inoxidable. Para un recipiente recubierto, el recubrimiento debe ser compatible con el fluido y verificarse antes del llenado para agua refrigerada de tanque de expansión
La lista de especificaciones y la lista de verificación de puesta en servicio
Una especificación de recipiente a presión debe fijar la banda de presión antes de designar el recipiente, porque todo lo que sigue depende de ello. La solicitud de cotización debe incluir el volumen total de agua del sistema, incluida la tubería, las temperaturas máximas de llenado y de diseño, el fluido y su concentración, la presión estática a la elevación del recipiente en el llenado en frío, la presión máxima admisible de trabajo del circuito, la reglamentación local y la vía de certificación, y la disposición de aislamiento y venteo para el agua enfriada del tanque de expansión.
La lista de verificación previa a la puesta en marcha cierra entonces la brecha entre el cálculo y el recipiente instalado, y es breve: la identificación del recipiente y la placa de características frente al diseño, la precarga registrada antes y después de la conexión, la lectura de la presión de llenado en frío frente a la precarga, el purgado de aire del recipiente y de los puntos altos del circuito, la confirmación del ajuste de la válvula de alivio, y la posición y el bloqueo de cada válvula de aislamiento para el agua enfriada del tanque de expansión
· Volumen total de agua del sistema, incluidos tuberías, intercambiadores de calor y cualquier depósito para el agua enfriada del tanque de expansión
· Temperatura máxima de llenado y de diseño, y el fluido con su concentración para agua enfriada del tanque de expansión
· Presión estática a la elevación del recipiente en llenado en frío, utilizada para establecer la precarga del tanque de expansión de agua enfriada
· Presión máxima de trabajo permitida del circuito, y el ajuste de alivio para el tanque de expansión de agua enfriada
· Factor de aceptación entre la precarga y la presión máxima permitida para el tanque de expansión de agua enfriada
· Ruta de certificación: la regulación local y el estampado requerido para el tanque de expansión de agua enfriada
· Especificación del material en contacto con el fluido y el material de la membrana con su clasificación de fluido y temperatura para el tanque de expansión de agua enfriada
· Válvulas de aislamiento, válvula de drenaje, conexión de carga y punto de venteo en el recipiente para el tanque de expansión de agua enfriada
· Registros de verificación del recubrimiento, incluida la prueba de fugas, antes del llenado para el tanque de expansión de agua enfriada
Estudio de caso del proyecto
Entrega de referencia para este servicio, citada de la biblioteca de proyectos verificados. Nivel de coincidencia C. Un recipiente a presión soldado diseñado según EN 13445, en ASTM A516 Gr.70, con un recubrimiento epoxi C5M para un entorno semi-marino. Evidencia la capacidad de ingeniería y fabricación de recipientes a presión. No es un recipiente certificado según ASME Sección VIII, por lo que no se utiliza como caso ASME en este artículo, como se detalla para el tanque de expansión de agua enfriada.
ID del proyecto | País | Producto | Capacidad | Número de tanques | Dimensiones | Finalización | Alcance de suministro |
MT-PRESS-2.29 | Malta | Recipiente a presión | 2.29 m3 | 2 | ID1240 × 1840 mm e ID1200 × 1665 mm | No registrado en la fuente disponible | No registrado |
Un recipiente a presión soldado diseñado según EN 13445, en ASTM A516 Gr.70, con un recubrimiento epoxi C5M para un entorno semimarino. Evidencia la capacidad de ingeniería y fabricación de recipientes a presión. No es un recipiente certificado según ASME Sección VIII, por lo que no se utiliza como caso ASME en este artículo, como se detalla para el tanque de expansión de agua enfriada.
Preguntas frecuentes
P1. ¿Por qué necesita un circuito cerrado un límite de presión?
Un circuito cerrado pierde la referencia atmosférica que proporciona un sistema de torre abierta, por lo que el nivel de presión por sí solo debe cumplir tres requisitos: el agua se expande al calentarse, la succión de la bomba necesita una altura positiva para mantenerse por encima de la presión de vapor cuando la planta está fría, y el punto más alto necesita una vía de alivio por encima de la presión admisible del componente más débil para agua enfriada de tanque de expansión
P2. ¿Cómo se dimensiona un vaso de expansión?
En dos etapas. Primero se calcula la expansión térmica del agua total del sistema en el rango de diseño a partir de los volúmenes específicos del agua, lo que da el volumen que debe admitir el recipiente. Segundo, ese volumen debe absorberse entre la precarga y la presión máxima admisible, y la relación entre ambos da el factor de aceptación para el agua enfriada del tanque de expansión
P3. ¿Cuál es la relación entre la precarga y la presión del sistema?
La precarga se ajusta a partir de la presión estática en frío en la elevación del recipiente más un margen que cubre la variación de la altura estática y la caída de presión de la tubería, de modo que el recipiente esté listo para admitir la contracción en lugar de quedar vacío en cada arranque. Nunca se ajusta a la presión de descarga de la bomba. La verificación de aceptación lee la presión del recipiente en el llenado en frío para el agua enfriada del tanque de expansión
P4. ¿Cómo se elige un recipiente de diafragma frente a un recipiente de vejiga?
El diafragma está soldado a la carcasa y a las tapas extremas, por lo que no es una parte que retenga presión y una pérdida lenta de gas no se convierte en una vía de fuga. La vejiga es una bolsa cerrada separada sostenida por las tapas extremas, y es el elemento que retiene la presión, lo que hace que sea reemplazable sin soldadura pero significa que absorbe para el agua enfriada del tanque de expansión
P5. ¿Cuándo se requiere un recipiente con código ASME?
Cuando la normativa local de equipos a presión sitúa el recipiente por encima de su umbral de certificación, normalmente definido por una combinación de presión de diseño, volumen del recipiente y clasificación del fluido, o cuando la especificación del propietario, la aseguradora o el cliente exige certificación independientemente de dicho umbral. La comprobación se realiza contra la presión máxima de trabajo admisible, no contra la presión nominal para agua enfriada de tanque de expansión
P6. ¿Cómo se ponen en servicio la ventilación y la eliminación de aire?
El circuito se llena desde el punto de conexión con las ventilaciones de punto alto abiertas para que el aire se desplace hacia delante. A continuación, el recipiente se aísla y se purga por la parte superior para comparar la presión del lado del gas con la precarga y recargarlo si ha disminuido, y la presión en el recipiente se lee en condiciones estáticas en frío para agua refrigerada de tanque de expansión
P7. ¿Dónde se ubica el recipiente en el circuito y cómo se aísla?
En el lado de succión de las bombas, conectado al colector de succión en el punto más bajo disponible, de modo que vea la presión más baja del circuito y pueda proteger la bomba contra la formación de vapor a baja precarga. Cada recipiente necesita válvulas de aislamiento, una válvula de drenaje para el cambio de vejiga y una conexión de carga y purga en el lado del gas para agua enfriada del tanque de expansión
P8. ¿Qué requieren la calidad del agua y la corrosión?
El fluido determina el factor de expansión utilizado en el dimensionamiento, el comportamiento frente a la corrosión de los materiales en contacto con el fluido y la compatibilidad y la clasificación de temperatura de la membrana. Los circuitos de glicol se dimensionan con las propiedades del glicol, y el paquete de inhibidores y el intervalo de sustitución del fluido pertenecen al programa de calidad del agua, como se detalla para el agua enfriada del tanque de expansión.
La presión de diseño y la temperatura de diseño deben fijarse antes de elegir cualquier vaso de expansión, porque la banda de presión entre la precarga y la presión máxima admisible determina el tamaño físico del vaso, y la reglamentación local de equipos a presión determina si el vaso es un recipiente a presión estampado o una parte a presión no codificada. Ese ordenamiento es todo el contenido de este tema: un vaso especificado únicamente en función del rango de temperatura tendrá el tamaño incorrecto, y uno especificado en función de una presión nominal tendrá la clase de certificación incorrecta. Las dos etapas del cálculo, la verificación de aceptación de la precarga y la secuencia de puesta en servicio, son lo que convierte la especificación en un vaso que puede verificarse como capaz de cumplir la función para la que fue adquirido para agua enfriada de tanque de expansión.
Habla con un ingeniero
Para un vaso de expansión o tanque presurizado en un circuito de agua enfriada, envíe el volumen total de agua del sistema, incluida la tubería y los intercambiadores de calor, la temperatura de llenado y la temperatura máxima de diseño, el fluido y su concentración, la presión estática a la elevación del vaso en llenado en frío, la presión máxima admisible de trabajo del circuito y el ajuste de alivio previsto, la reglamentación local de equipos a presión y la ruta de certificación requerida, y la disposición de aislamiento y venteo. Devolveremos un estudio de dimensionamiento que muestre el volumen de expansión térmica, el factor de aceptación, el volumen resultante del vaso, la precarga a configurar y las lecturas de aceptación a registrar, la recomendación de material y membrana, y la lista de verificación previa a la puesta en marcha para el sitio para el tanque de expansión de agua enfriada
Acerca de Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) es un fabricante profesional dedicado al diseño y fabricación de tanques de almacenamiento atornillados desde 2008. La gama de productos incluye tanques de vidrio fundido a acero (GFS), tanques de epoxi unido por fusión (FBE), tanques de acero inoxidable, tanques de acero galvanizado y cúpulas geodésicas de aluminio, junto con soporte técnico EPC y accesorios para tanques. La producción se realiza bajo ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, y la gama de productos está certificada según NSF/ANSI 61, WRAS, CE y EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 y NFPA donde la aplicación lo requiera. La empresa posee cerca de 200 patentes de esmaltado, opera una base de producción de 150.000 m2, produce aproximadamente 300.000 placas de acero recubiertas de esmalte al año, ha completado más de 30.000 proyectos instalados y ha enviado tanques a más de 100 países. La capacidad de diseño de ingeniería abarca volúmenes de tanques de hasta 60.000 m3, según se detalla para tanque de expansión de agua enfriada.
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