Depósitos de agua enfriada estratificados: difusores, deflectores y control de la termoclina
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Tanques de agua enfriada estratificada: difusores, deflectores y control de la termoclina
Un tanque de agua enfriada estratificado no entrega su volumen de carcasa. La capacidad útil es el volumen que permanece dentro de una banda de temperatura declarada, y ese número es producido por la geometría del difusor y los deflectores, más que por el cilindro que lo contiene. El tanque funciona porque el agua fría y la caliente difieren en densidad y, por lo tanto, se separan bajo la gravedad en capas mantenidas aparte por una termoclina estrecha. Tres mecanismos destruyen esa separación: el momento del flujo entrante, la conducción de calor a través de la carcasa, el techo y los puentes estructurales que lo soportan, y el cortocircuito donde las dos corrientes se encuentran antes de que las capas se hayan establecido. Debido a que la banda de termoclina es una pérdida permanente e inevitable de volumen útil, y a que las provisiones que la protegen, a saber, los bolsillos para sensores, las bocas de acceso y los soportes del difusor, solo pueden construirse antes de que el recipiente sea aislado, la geometría interna y las reservas de diseño deben resolverse durante la fabricación y no durante la puesta en marcha. Por lo tanto, la aceptación debe redactarse en función de la capacidad útil en una banda de temperatura declarada y demostrarse mediante un perfil de temperatura tomado a través de un ciclo de llenado y vaciado, no en función del volumen nominal de la carcasa, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
Por qué la estratificación, y no el volumen de la envolvente, determina la capacidad utilizable
Se compra un tanque estratificado para mantener dos temperaturas a la vez sin que se mezclen en un promedio, por lo que la pregunta que hace el cliente es concreta: ¿cuánta agua puede entregar el tanque a la temperatura de salida fría, y cuánta a la temperatura de salida cálida, al mismo tiempo? La envolvente no responde a ninguna de las dos preguntas. La respuesta es el volumen entre las dos capas, y el grosor de la banda de transición entre ellas es lo que deciden los componentes internos. Dos tanques con el mismo cilindro y recubrimiento pueden tener capacidades útiles con una diferencia de una décima de volumen, porque uno se estratifica y el otro no, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
Cómo se forma la termoclina por la diferencia de densidad
El mecanismo es la densidad. La densidad del agua disminuye a medida que aumenta la temperatura, por lo que dentro del estrecho rango de temperatura de un sistema de agua enfriada la diferencia es pequeña pero suficiente: el agua fría introducida por la parte baja del tanque se extiende sobre el fondo y permanece por debajo del agua más cálida que ya está allí, mientras que el agua cálida asciende y se acumula por encima. Entre las dos capas se desarrolla una región de transición, y su espesor depende de cuánto se mezclaron ambas corrientes antes de establecerse. Cada metro cúbico dentro de esa banda es agua que no está a ninguno de los dos puntos de consigna, y la banda es permanente: no se drena ni se contrae en servicio, por lo que su volumen se deduce de la cantidad contractual al inicio, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
Qué la destruye: momento, conducción y ganancia de calor
Tres acciones atacan la disposición. La primera es el momento, porque una corriente fría que entra como chorro lleva su momento al tanque y empuja hacia la capa cálida, arrastrando agua caliente hacia abajo sobre un volumen mucho mayor que la entrada. La segunda es la conducción y la ganancia de calor, ya que el calor pasa a través de la envolvente, el techo y cada boquilla, soporte y penetración que puentea el aislamiento, y cada uno de estos produce una pluma local que erosiona la interfaz desde fuera hacia dentro. La tercera es el cortocircuito, que ocurre cuando las corrientes se encuentran porque una salida toma de la otra capa. Las tres aparecen en el perfil de temperatura, no como una alarma, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
Tipos de difusores y el campo de flujo que produce cada uno
El difusor decide cómo la corriente entrante penetra en el volumen estratificado, y elegirlo es una decisión de control de momento frente al acceso de mantenimiento. El requisito en todos los casos es el mismo: descargar sobre el área de la planta a la menor velocidad de salida que permita la geometría, de modo que la corriente no atraviese la interfaz que está destinada a establecer. Las familias de uso común y la limitación que cada una conlleva se exponen a continuación. Ninguna es universalmente correcta, y la correcta se deduce de la orientación del tanque, la tasa de carga y si el recipiente debe ser accedido para limpieza. Cada una también falla de una manera que aparece en el perfil, porque una boquilla obstruida produce una bolsa cálida local en la capa fría, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
Familia de difusores | Patrón de descarga | Dónde encaja | Limitación |
Difusor radial, anillo perforado | Descarga hacia el exterior alrededor de una entrada central | Tanques verticales, entrada central | El impulso del chorro erosiona la interfaz a alta velocidad de salida |
Colector perforado, boquillas a un nivel | Descarga distribuida a lo largo de una línea de boquillas | Recipientes largos, carcasas horizontales | La obstrucción desplaza la distribución, provoca cortocircuito |
Difusor de ranuras, ranuras verticales u horizontales | Descarga de baja velocidad a través de ranuras estrechas | Servicios en los que gobierna el control del momento | Las ranuras acumulan residuos, difíciles de limpiar en servicio |
Salida de baja velocidad, difusor de área en planta | Descarga sobre toda el área en planta | Tanques verticales grandes, altas tasas de carga | Requiere una gran área en planta, impracticable en diámetros pequeños |
Distribuidor de bajante con ramales | Alimentaciones a lo largo de la longitud del recipiente | Recipientes estratificados horizontales | El flujo lateral desigual deja gradientes |
Deflectores en un recipiente horizontal, donde la gravedad y el flujo son perpendiculares
En una carcasa horizontal, el eje de flujo y el vector de gravedad son perpendiculares, lo que cambia completamente la geometría de la estratificación. El agua fría inyectada en un extremo no se asienta bajo la corriente entrante como lo haría en una carcasa vertical; debe ser guiada hacia el fondo y mantenida allí, mientras que el agua caliente se guía hacia la parte superior y se evita que retroceda a lo largo del recipiente. Los deflectores verticales interrumpen la trayectoria longitudinal que lleva el agua caliente hacia el extremo de entrada fría, la ruta dominante de cortocircuito. Los deflectores inclinados redirigen el flujo, pero su orientación determina el efecto, y un deflector mal orientado envía una corriente fría a lo largo de la carcasa más allá de la salida caliente, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
Instrumentación que mide la termoclina en lugar de suponerla
Un tanque estratificado es el único tanque en la planta donde una sola medición de temperatura no prueba casi nada. La condición de interés es un perfil vertical, por lo que la instrumentación es un conjunto de sondas en múltiples elevaciones, y la especificación debe indicar cuántas, en qué elevaciones y con qué precisión. Las sondas normalmente se alojan en vainas de sensor selladas soldadas al casco o a los soportes internos para que puedan retirarse sin drenar el tanque, y esas vainas no pueden añadirse después. El tendido de cables es donde el servicio se ve comprometido con mayor frecuencia, porque un cable que entra por un punto no sellado rompe la barrera de vapor y crea una trayectoria de condensado hacia el revestimiento, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque tes.
Aislamiento, barrera de vapor y el estado de la superficie fría
La superficie aislada de un tanque de agua enfriada se encuentra por debajo del punto de rocío del aire circundante durante la mayor parte del año, lo que significa que la barrera de vapor determina si el tanque funciona, y el aislamiento es solo el material que hace que la barrera valga la pena. Una barrera continua y sellada mantiene seco el aislamiento; una barrera interrumpida permite que la humedad entre en el aislamiento, donde se condensa, donde moja el revestimiento y donde elimina el rendimiento térmico que el aislamiento fue instalado para proporcionar. La barrera debe recorrer desde el cuerpo del tanque hasta el techo y a través de la unión entre el techo y la pared sin interrupción, y cada penetración debe sellarse en el detalle, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
Las disposiciones de diseño que no pueden esperar a la etapa de puesta en marcha
Varias características de un tanque estratificado son físicamente imposibles de adaptar una vez que el recipiente ha sido aislado, y por lo tanto son decisiones de diseño con una fecha límite de fabricación asociada. También son las características que más a menudo faltan en una licitación, porque cada una parece menor en un plano de disposición general. Las provisiones estructurales merecen atención, ya que los internos no son ingrávidos: un conjunto difusor lo suficientemente grande como para distribuir el flujo sobre el área en planta, un conjunto de deflectores que abarcan el recipiente y un conjunto de soportes de sensores imponen todos cargas sobre la envolvente y el fondo, y esas cargas tienen que ser soportadas por la disposición de refuerzo y la cimentación, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
· Posiciones y cantidad de las bolsas para sensores: soldadas a la carcasa durante la fabricación, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
· Tamaño y ubicación de la boca de hombre: fijados en el patrón de placas y cortados antes del esmaltado, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Soporte del difusor y trayectoria de carga interna: parte del diseño del recipiente y de la cimentación, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Tamaños y posiciones de las boquillas: las penetraciones del casco no se pueden soldar en obra posteriormente, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Detalle de la barrera de vapor en cada penetración: diseñado antes de instalar el aislamiento, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
Aceptación frente a la capacidad utilizable, y la prueba de puesta en marcha que lo demuestra
El criterio de aceptación se deriva del deber. No es el volumen del tanque y no es una lectura única de temperatura en la salida. Es el volumen entregable a la temperatura de salida fría y el volumen entregable a la temperatura de salida cálida, con el espesor de la termoclina registrado a través de un ciclo definido de llenado y extracción. El volumen del tanque en el cálculo ilustrativo a continuación es de 628,3 m3, a partir de un diámetro de 10 m y una altura recta del tanque de 8 m; a partir de ello se deducen la banda, los volúmenes muertos y las extracciones de salida. Todos los valores de la tabla son entradas ilustrativas utilizadas para demostrar el método y no constituyen una propuesta de diseño ni un requisito del proyecto, según se detalla para tes tank stratification diffuser.
· Capacidad utilizable a las temperaturas de salida fría y caliente indicadas, y la tolerancia de banda, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Orientación del tanque con las entradas fría y caliente y las tomas en un plano de disposición general, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Familia de difusores, área de descarga y la tasa de carga de diseño para la que está dimensionado, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Disposición de deflectores con orientación, extensión y los tamaños de separación que mantienen el tanque lavable, según lo detallado para el difusor de estratificación del tanque TES.
· Programa de bolsillos de sensores con elevaciones, recuento y el método de sellado de la boca del bolsillo, según lo detallado para el difusor de estratificación del tanque TES.
Banda de transición | Capacidad utilizable | Proporción de la envolvente | Lectura para el contrato |
10 m3 | 618,3 m3 | 98,4% | Pérdida de banda dentro de la tolerancia habitual de salida |
20 m3 | 608,3 m3 | 96,8% | La pérdida se convierte en un elemento contractual una vez que se declara la banda |
40 m3 | 588,3 m3 | 93,6% | Los volúmenes de carcasa y útil se han separado materialmente |
Preguntas frecuentes
P1. ¿Por qué la estratificación determina la capacidad útil?
Porque las dos capas están separadas por una banda de transición dentro de la cual la temperatura cambia continuamente, y esa banda no pertenece a ninguna de las dos salidas. La capacidad útil es el volumen del tanque menos la banda, las zonas muertas detrás de los deflectores y los volúmenes fuera de los puntos de extracción. El espesor de la banda se deriva de la geometría del difusor, no de las dimensiones del tanque, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
P2. ¿Cómo se forma una termoclina?
El agua fría y el agua caliente difieren en densidad, por lo que un flujo frío introducido en la parte baja del tanque se extiende bajo el agua más cálida que ya está allí y permanece por debajo de ella, mientras que el agua cálida asciende y se acumula por encima. Entre ambas se forma una región de transición, y su espesor depende de cuánto se mezclaron los dos flujos antes de que las capas se establecieran. La disposición de la entrada y la velocidad de entrada importan tanto como la geometría del tanque, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
P3. ¿Qué lo destruye?
Tres mecanismos. El momento del chorro entrante empuja hacia la capa cálida y arrastra agua cálida hacia abajo. La conducción y la ganancia de calor a través de la envolvente, el techo y cada penetración que puentea el aislamiento producen penachos locales que erosionan la interfaz desde fuera hacia dentro. El cortocircuito permite que los flujos se encuentren, porque una salida toma de la otra capa, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
P4. ¿Qué tipos de difusores existen?
Las familias comunes son el difusor radial que descarga hacia afuera sobre un área circular, el cabezal perforado con boquillas a un nivel, el difusor de ranura con ranuras verticales u horizontales, la salida de baja velocidad que se extiende sobre toda el área en planta, y el distribuidor de pierna descendente con ramales usado en envolventes horizontales. Cada uno equilibra el control del momento frente al acceso para limpieza, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque tes.
P5. ¿Por qué los recipientes horizontales necesitan deflectores?
En un tanque horizontal, el eje de flujo y el vector de gravedad son perpendiculares, por lo que las corrientes deben ser guiadas en lugar de dejarse asentar. Los deflectores interrumpen la trayectoria longitudinal que lleva el agua caliente hacia la entrada fría, y los deflectores inclinados pueden redirigir una corriente hacia abajo o hacia arriba. Su orientación decide el efecto, y un deflector sellado deja volúmenes muertos, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
P6. ¿Cómo se mide la posición de la termoclina?
Mediante un perfil de temperatura vertical tomado con sondas en múltiples elevaciones, normalmente alojadas en bolsillos de sensores sellados soldados al tanque o a los soportes internos. El número y las elevaciones deben especificarse en la especificación, y el perfil se registra a lo largo de un ciclo de llenado y vaciado en lugar de muestrearse una sola vez, porque una única lectura no puede separar una banda estable de una transitoria, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
P7. ¿Por qué se requieren tanto el aislamiento como una barrera de vapor?
La superficie aislada se sitúa por debajo del punto de rocío del aire circundante durante gran parte del año, por lo que la barrera de vapor mantiene la humedad fuera del aislamiento y mantiene la superficie exterior cerca de la temperatura ambiente. Una barrera rota condensa la humedad dentro del aislamiento, moja el revestimiento y elimina el rendimiento térmico que el aislamiento fue instalado para proporcionar. Los dos componentes realizan funciones diferentes y ninguno sustituye al otro, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
P8. ¿Qué disposiciones de diseño deben resolverse antes de la fabricación?
Las posiciones y el número de las bolsas para sensores, los tamaños y las ubicaciones de las bocas de hombre, el soporte del difusor y la trayectoria de carga interna, los tamaños y las posiciones de las boquillas, y el detalle de la barrera de vapor alrededor de cada penetración. Todo se fabrica en el recipiente o se compromete antes de instalar el aislamiento, por lo que nada puede añadirse durante la puesta en marcha sin cortar la envolvente, como se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
P9. ¿Por qué se acepta en función de la capacidad utilizable en lugar del volumen de la envolvente?
Porque el cliente compra dos temperaturas a la vez, no una cantidad de acero. El volumen del casco es el punto de partida geométrico; la cantidad contractual es el volumen entregable a las temperaturas de salida fría y cálida. Sobre la geometría ilustrativa de 10 m de diámetro y 8 m de casco recto, el volumen del casco es de 628,3 m3 y una banda de 40 m3 deja 588,3 m3 utilizables, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
P10. ¿Cómo verifica la puesta en marcha la estratificación?
Al ejecutar el ciclo de carga y descarga, el servicio verá realmente y registrará el perfil de temperatura a intervalos fijos hasta que se estabilice, luego registrará la banda entre las dos capas y los volúmenes entregados en cada salida. La prueba debe ejecutarse a las tasas de carga y descarga de diseño, porque una tasa reducida estratificará un tanque que se mezcla mal en servicio, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque TES.
Un tanque de agua enfriada estratificado se compra por el volumen que entrega a dos temperaturas, y ese volumen es producido por la geometría del difusor y del deflector, más que por la envolvente en la que se suministra. La consecuencia de ingeniería es que los internos son el diseño, y que las reservas en torno a ellos —los bolsillos para sensores, las bocas de acceso, el soporte interno y el detalle de la barrera de vapor— son decisiones de fabricación con una fecha límite asociada. Especificar el tanque por el volumen de la envolvente y ponerlo en servicio con una sola temperatura de salida deja al comprador siendo dueño de la diferencia. Especificar la capacidad útil en una banda declarada, fijar las provisiones antes de que el recipiente sea aislado, y aceptar el resultado contra un perfil de temperatura tomado a través de un ciclo de llenado y vaciado a los caudales de diseño son las decisiones que convierten un recipiente de agua en un almacén estratificado, como se detalla para tes tank stratification diffuser.
Hable con un ingeniero
Para un tanque de agua enfriada estratificado, envíe las tasas de carga y descarga, las temperaturas de suministro y retorno frío y caliente con la banda de tolerancia, la capacidad útil requerida en cada salida, la orientación del tanque y la huella disponible, el volumen de la envolvente en consideración con su geometría, la disposición de aislamiento y barrera de vapor, el requisito de techo o cúpula, la base sísmica y de viento del sitio, y el número y posiciones de los puntos de medición de temperatura que necesita la prueba de puesta en marcha. Devolveremos un arreglo general con la disposición del difusor y deflector desarrollada en función de la tasa de carga, un cálculo de capacidad útil con la deducción de la banda de transición indicada, un programa de bolsillos de sensores y bocas de acceso, una evaluación estructural de las cargas internas, y una prueba de puesta en marcha con el intervalo de registro y el valor de aceptación para la banda, según lo detallado para tes tank stratification diffuser.
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 cubre volúmenes de tanques de hasta 60.000 m3, según se detalla para el difusor de estratificación del tanque tes.
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