Depósito de almacenamiento térmico estratificado: reglas de diseño para la capacidad de refrigeración utilizable
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Tanque de almacenamiento térmico estratificado: reglas de diseño para la capacidad de refrigeración utilizable
La capacidad de refrigeración utilizable es el volumen entre las temperaturas de diseño de llenado y descarga multiplicado por la densidad de almacenamiento sensible del agua, no el volumen nominal del tanque. Está determinada por el diferencial de temperatura, reducida por la mezcla y un punto final de descarga elegido, y debe demostrarse mediante una prueba de temperatura estratificada en lugar de suponerse a partir de la placa de identificación del tanque.
Introducción
El almacenamiento térmico estratificado es una de las ideas más sencillas en una planta de refrigeración, y una de las más fáciles de equivocar sobre el papel. Se almacena agua enfriada en un tanque alto, se deja que el agua fría se asiente en el fondo y que el retorno más cálido suba a la parte superior, y se extrae de la capa fría cuando la carga alcanza su punto máximo. Sin embargo, la capacidad que se contabiliza en el dimensionamiento no es el volumen nominal del tanque; es la cantidad menor de refrigeración que realmente se puede entregar entre las temperaturas de diseño.
Este artículo establece las reglas que conectan el volumen nominal con la refrigeración entregable. Abarca la diferencia entre capacidad nominal y capacidad útil, el salto térmico que define la energía, la mezcla que la erosiona, el punto final de descarga que limita la extracción, el conjunto vinculado de reglas que un diseño debe satisfacer, cómo se ensaya la capacidad útil y cómo debe presentarse el resultado al propietario. Las cifras se derivan de la relación de calor sensible y de procedimientos de ensayo reconocidos, no de un único proyecto finalizado.
El punto fundamental es que la capacidad útil es una cantidad calculada y verificada. Un tanque etiquetado por su volumen geométrico no dice casi nada sobre cuánto tiempo soportará la carga, y el trabajo de diseño consiste en convertir uno en el otro con cifras que puedas defender.
Capacidad nominal frente a capacidad útil
El volumen nominal es el volumen interior geométrico del tanque, medido entre la envolvente y el nivel de agua alto de diseño. Es el número que figura en la placa de identificación del tanque y el número que utilizan la mayoría de las estimaciones preliminares. La capacidad de enfriamiento útil es menor, y es el número que importa cuando se verifica el servicio frente al perfil de carga. La diferencia es el volumen que no se puede extraer con plena calidad de temperatura: el volumen retenido por encima de la temperatura plena de diseño en la parte superior, el volumen que queda por debajo de la temperatura de descarga de diseño en la parte inferior, cualquier volumen perdido por la mezcla del chorro de entrada y el volumen muerto por debajo de la boquilla de extracción más baja.
Se dimensiona el tanque según la placa de características, pero se valida la instalación con la cifra de capacidad útil. Una especificación que solo indica el volumen nominal deja al revisor incapaz de confirmar que se cumple el servicio, y te deja incapaz de defender el diseño si la planta se queda corta en el primer verano. La cifra útil es la base sobre la que se dimensiona el resto de la planta, por lo que la diferencia entre ambas es la diferencia entre un diseño que funciona y un diseño que solo parece completo sobre el papel.
El rango de temperatura que define la capacidad
La capacidad de refrigeración almacenada como calor sensible en el agua es el producto de la masa, el calor específico, el volumen utilizable y la diferencia de temperatura entre el retorno cálido y la impulsión fría: Q = rho c V T. Con agua a aproximadamente 1000 kg/m3 y un calor específico de 4,186 kJ/kg.K, un metro cúbico de agua con una diferencia de 10 K almacena aproximadamente 11,6 kWh de refrigeración, escrito como Q = 1,163 V T en kWh con V en m3 y T en K.
Por lo tanto, el salto térmico fija el tamaño del tanque para un servicio dado: un diseño con un salto de 6 K necesita aproximadamente dos tercios más de volumen que un salto de 10 K para la misma energía. El salto térmico se establece a partir de las capacidades del enfriador y de la batería, no por la conveniencia del tanque, porque reducir el salto térmico aumenta tanto el volumen del tanque como el caudal de la bomba para el mismo servicio. Los números de Froude y Richardson describen cómo el momento de entrada perturba la termoclina, y son la razón por la que un salto térmico pequeño es más difícil de proteger que uno grande, algo que la selección del difusor debe respetar.
La mezcla y la pérdida que provoca
La estratificación se mantiene solo si el agua caliente regresa a la parte superior y el agua fría sale por la parte inferior sin que las dos corrientes se crucen entre sí. El impulso de entrada y salida, la conducción a través de las paredes y la ganancia de calor a través de la envolvente erosionan cada uno la termoclina, la interfaz donde la temperatura cambia más bruscamente. La pérdida se manifiesta como una capacidad útil por debajo del valor que predice el cálculo de dispersión de temperatura pura, porque una interfaz difusa arrastra agua caliente hacia la extracción de agua fría y fuerza un apagado anticipado.
Usted limita la pérdida con difusores dimensionados para mantener bajo el número de Froude de entrada, con la velocidad de entrada por debajo del umbral que respaldan los datos de rendimiento del difusor, y con una relación de aspecto del tanque que dé espacio a la termoclina para mantenerse delgada. La penalización no es pequeña: una entrada mal gestionada puede perder entre el 10 y el 20 por ciento de la capacidad útil que sugiere el volumen nominal, por lo que la mezcla se trata como una variable de diseño de primer orden en lugar de un detalle resuelto en la etapa de dimensionamiento de tuberías.
Elección del punto final de descarga
El punto final de descarga es la temperatura de suministro frío a la que se deja de extraer del tanque, y es una elección de diseño en lugar de una propiedad fija del agua. Se establece a partir del serpentín de enfriamiento: el serpentín necesita una temperatura de suministro y un caudal, y la temperatura más baja del tanque que aún satisface el serpentín a su caudal de diseño se convierte en el punto final.
Establezca el punto final demasiado frío y podría dejar capacidad utilizable en el tanque pero arriesgarse a perderla por el mínimo acercamiento de la bobina; establézcalo demasiado cálido y desperdicia agua fría que la bobina podría haber utilizado. El punto final también interactúa con el enfriador, porque la temperatura mínima del evaporador del enfriador y el acercamiento de la bobina establecen el límite práctico inferior. Declarar el punto final explícitamente, junto con la temperatura de acercamiento de la bobina y la elevación mínima del enfriador, le permite convertir el volumen nominal en un único número utilizable y defendible, y evita que la selección se desvíe durante el diseño detallado.
Las reglas que deben cumplirse conjuntamente
Un tanque estratificado funciona solo cuando se cumplen varias reglas a la vez, y una instalación que satisface una e ignora las demás rendirá por debajo de lo esperado. El tanque debe almacenar la energía requerida dentro del rango de temperaturas establecido, la termoclina debe mantenerse lo suficientemente delgada para que la pérdida por mezcla permanezca dentro del margen de diseño, el punto final de descarga debe situarse donde el serpentín y el enfriador lo permitan, la ganancia de calor a través de la envolvente debe mantenerse por debajo de la capacidad que el servicio puede absorber, y la disposición de entrada debe mantener el número de Froude dentro del rango que el rendimiento del difusor admite.
Cada regla tiene un número: el balance de energía, la velocidad de entrada del difusor, la UA de la envolvente, el enfoque del serpentín. Se escriben como un conjunto vinculado, porque aumentar la dispersión cambia el volumen, el volumen cambia la relación de aspecto y la relación de aspecto cambia el dimensionamiento del difusor. El diseño es el conjunto de números consistentes, no cualquiera de ellos, y la entrega debe mostrar que se resolvieron juntos en lugar de elegirse de forma aislada, que es la razón habitual por la que un diseño revisado sigue fallando el servicio.
Verificación y pruebas
La capacidad utilizable se verifica mediante una prueba de temperatura estratificada, no leyendo la placa de características. Se llena el tanque por la entrada fría, se establece la termoclina y luego se extrae y se mide: registre el perfil de temperatura de arriba a abajo a medida que el tanque se descarga, e integre el volumen utilizable entre las temperaturas de llenado y de descarga con el caudal medido y las temperaturas medidas.
Los Procedimientos Uniformes de Prueba de IAPMO para Tanques de Almacenamiento Térmico proporcionan un método reconocido para esta medición, y la guía de ASHRAE describe la instrumentación y la duración de la prueba. Un solo sensor superior e inferior no es suficiente; una sonda de termoclina vertical o una escalera de sensores es lo que muestra si la interfaz se mantuvo delgada o se difuminó. Se informa la capacidad útil medida, la dispersión alcanzada y la pérdida por mezcla frente al margen de diseño, y se mantiene la prueba el tiempo suficiente para que el resultado sea repetible en lugar de una sola instantánea.
Fallos de diseño comunes
Los fallos se repiten. Un tanque dimensionado según el volumen nominal sin cálculo de capacidad utilizable llega con entre un 15 y un 25 por ciento menos de refrigeración entregable de lo que implicaba la estimación. Un difusor elegido por el tamaño de la tubería en lugar de por el número de Froude destruye la termoclina en el primer ciclo. Un punto final de descarga fijado por conjetura, no por el enfoque del serpentín, deja agua fría sin usar o deja el serpentín sin suministro.
Un depósito sin sellado de vapor gana calor que el régimen de trabajo no presupuestó, por lo que el tanque se calienta desde arriba incluso cuando está inactivo. Un único sensor superior e inferior oculta la mezcla, por lo que el propietario culpa al enfriador. Y un diseño revisado sección por sección, nunca como un conjunto vinculado, pasa cada verificación y aun así falla el régimen de trabajo. Cada uno de estos es un número faltante, no un producto faltante, por lo que el cálculo de la capacidad útil y la prueba son lo que separa un tanque funcional de uno meramente etiquetado.
Presentar la capacidad útil al propietario
Cuando entregue el tanque, presente primero el número útil y segundo el número nominal. Proporcione el balance energético con la dispersión que asumió, el punto final de descarga que eligió y la pérdida por mezcla que permitió, luego indique la capacidad útil resultante en kWh y en tiempo de funcionamiento equivalente a la carga de diseño.
Muestre el valor medido de la prueba estratificada junto al valor de diseño, con la diferencia explicada por la dispersión y el punto final realizados en lugar de dejarla como una sorpresa. El propietario dimensiona el resto de la planta con la cifra utilizable, y un caudal que se contabilizó en el modelo del edificio sobre volumen nominal se encontrará deficitario cuando la planta opere. Una declaración de capacidad de una página, firmada en conformidad con la prueba, es lo que evita que el almacenamiento se vuelva a litigar cada verano, y es el documento que el operador realmente utiliza al decidir si el tanque puede soportar el siguiente pico.
Lista de verificación de reglas de diseño de tanques estratificados
Regla de diseño | Cantidad determinante | Lo que debe indicar |
Volumen nominal versus volumen utilizable | Volumen interior del tanque versus energía entregable | kWh utilizables y tiempo de funcionamiento equivalente, no solo el volumen nominal |
Diferencia de temperatura | Q = 1.163 V T (kWh, V en m3, T en K) | Diferencia entre retorno y suministro tomada del enfriador y la bobina |
Pérdida por mezcla | Número de Froude de entrada, velocidad del difusor | Pérdida permitida y espesor de termoclina realizado |
Punto final de descarga | Enfoque de bobina más elevación mínima del enfriador | Temperatura mínima utilizable y la razón de ello |
Ganancia de calor del envolvente | UA del tanque | Ganancia en reposo mantenida dentro del presupuesto de carga |
Verificación vinculada | Prueba de temperatura estratificada | Capacidad utilizable medida frente al valor de diseño |
Pérdida de capacidad del volumen nominal a la capacidad útil
Fuente de pérdida | Magnitud típica | Mecanismo | Control |
Volumen muerto bajo la boquilla | 1 al 3 por ciento de lo nominal | El agua por debajo de la toma más baja no es recuperable | Ubicación de la boquilla inferior |
Retención por encima de la temperatura de plena carga | 2 a 5 por ciento | La capa superior queda por encima del límite térmico de diseño | Control de nivel hasta el punto alto de diseño |
Mezcla por chorro de entrada | 10 a 20 por ciento | Termoclina difusa, parada anticipada | Difusor dimensionado para un número de Froude bajo |
Conducción en paredes y techo | 1 a 4 por ciento por día inactivo | Calentamiento lento en la interfaz | Aislamiento con sellado de vapor |
Punto final de descarga establecido alto | hasta 10 por ciento | Agua fría sin usar | Establecido por el enfoque de la bobina, no por conjeturas |
Acerca de Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd.) diseña y fabrica tanques de almacenamiento de acero atornillado, tanques de acero soldado, tanques de epoxi unido por fusión, tanques galvanizados, recipientes de acero inoxidable, recipientes a presión, techos de cúpula geodésica de aluminio y techos flotantes. La empresa cuenta con más de 30 años de experiencia en producción y ha suministrado equipos a proyectos en más de 100 países. Los techos de cúpula geodésica de aluminio se diseñan y fabrican conforme a API 650 Apéndice G, AWWA D108, el Manual de Diseño en Aluminio, ASCE 7 e IBC, y la empresa desarrolló y exportó un techo de cúpula de aluminio de 72 m de diámetro en 2023. La ingeniería, la fabricación, el recubrimiento, el control de calidad y el servicio en sitio se gestionan como un solo alcance, razón por la cual los planos, la base de cálculo y el hardware entregado pueden conciliarse entre sí.
Preguntas frecuentes
¿Cómo se define la capacidad de refrigeración utilizable para un tanque de almacenamiento?
La capacidad de refrigeración utilizable es la energía de refrigeración que realmente se puede extraer del tanque entre la temperatura de diseño de plena carga y la temperatura de descarga elegida. Es igual al volumen utilizable multiplicado por la densidad de almacenamiento sensible del agua para el diferencial de temperatura, y excluye el volumen muerto por debajo de la boquilla más baja, el volumen retenido por encima de la temperatura de plena carga y la capacidad perdida por mezcla. El recipiente se dimensiona según el volumen nominal, pero la prestación se demuestra y se reporta según la cifra utilizable, porque solo el número utilizable indica al operador cuánto tiempo el tanque soportará la carga.
¿Qué limita la capacidad utilizable de un tanque estratificado?
Tres cosas lo limitan: el diferencial de temperatura que se asume, porque la capacidad escala con la diferencia entre el retorno cálido y el suministro frío; el punto final de descarga establecido por el enfoque del serpentín y el levantamiento mínimo del enfriador, que fija la temperatura utilizable más baja; y la mezcla, que difumina la termoclina y arrastra agua cálida hacia la extracción fría. La ganancia de calor por la envolvente añade una pérdida lenta durante los períodos de inactividad. En conjunto, estos factores convierten un volumen nominal del tanque en una capacidad utilizable más pequeña y defendible, y cada uno es un número que se establece o se mide, en lugar de una propiedad de la carcasa del tanque.
¿Cómo se elige la temperatura de descarga?
Lo eliges a partir del serpentín de refrigeración, no del tanque. El serpentín necesita una temperatura de impulsión y un caudal, y la temperatura más baja del tanque que aún satisface el serpentín a su caudal de diseño es tu punto final. Ese límite inferior está por encima de la temperatura mínima del evaporador del enfriador más el enfoque del serpentín, de modo que el salto térmico del enfriador siga siendo viable. Si lo ajustas demasiado frío, puedes dejar varada capacidad utilizable que el serpentín no puede usar; si lo ajustas demasiado cálido, desperdicias agua fría. Declara el punto final con el enfoque del serpentín y el mínimo del enfriador, y la capacidad utilizable resulta como un único número calculado.
¿Cuánta capacidad cuesta la mezcla?
La mezcla puede costar entre el 10 y el 20 por ciento de la capacidad útil implícita en el volumen nominal, y en una entrada mal diseñada la pérdida es mayor. Aparece como una termoclina difusa que permite que el agua caliente de retorno alcance la toma de agua fría, forzando un apagado anticipado antes de que el tanque se vacíe. El costo está determinado por el momento de entrada, medido por el número de Froude en el difusor, y por la ganancia de calor a través de la envolvente. Un difusor dimensionado para mantener la velocidad de entrada dentro de su rango de rendimiento, junto con una relación de aspecto del tanque que dé espacio a la termoclina, es lo que recupera la mayor parte de esa capacidad.
¿Qué reglas debe cumplir un diseño de tanque estratificado?
Un diseño de tanque estratificado debe satisfacer un conjunto vinculado: almacenar la energía requerida dentro del rango declarado, mantener la termoclina lo suficientemente delgada para que la pérdida por mezcla se mantenga dentro del margen de diseño, ubicar el punto de descarga donde la serpentina y el enfriador lo permitan, mantener la ganancia de calor de la envolvente por debajo de lo que absorbe la carga, y mantener el número de Froude de entrada dentro del rango soportado por el difusor. Cada regla tiene un número, y estas interactúan: el rango establece el volumen, el volumen establece la relación de aspecto, y la relación de aspecto establece el dimensionamiento del difusor. El diseño es el conjunto consistente, no cualquier valor individual.
¿Cómo se verifica la capacidad utilizable?
Verifíquelo con una prueba de temperatura estratificada. Llene a través de la entrada fría, establezca la termoclina y luego vacíe el tanque mientras registra un perfil de temperatura vertical, el caudal y las temperaturas de impulsión y retorno. Integre el volumen utilizable entre las temperaturas de llenado y descarga con los datos medidos. Los Procedimientos Uniformes de Prueba de IAPMO para Tanques de Almacenamiento Térmico describen un método reconocido, y se necesita una sonda vertical o una escalera de sensores para ver si la interfaz se mantuvo delgada. Informe la capacidad utilizable medida, la dispersión lograda y la pérdida por mezcla frente al margen de diseño.
¿Por qué un tanque entrega menos de lo planificado?
Debido a que el volumen nominal no es el volumen entregable. El tanque entrega la energía entre las temperaturas de llenado y descarga después de eliminar la mezcla, la ganancia de calor y el volumen muerto, y esas pérdidas son fáciles de ignorar en una hoja de cálculo que utiliza únicamente el volumen geométrico y una sola dispersión. Un diseño que nunca ejecuta el cálculo de capacidad útil, nunca dimensiona el difusor mediante el número de Froude y nunca establece el punto final mediante el enfoque de serpentín reportará una capacidad que el tanque no puede producir. La diferencia es un cálculo faltante, no un tanque defectuoso.
La capacidad de enfriamiento utilizable es la cifra sobre la que realmente se dimensiona la planta, y es una cantidad calculada y probada en lugar de un número de placa de características. Establezca el diferencial de temperatura a partir del enfriador y la bobina, dimensione el difusor según el número de Froude para que la termoclina se mantenga delgada, fije el punto final de descarga según el enfoque de la bobina y el mínimo del enfriador, y mantenga la ganancia de calor del envolvente dentro del presupuesto de carga. Esas reglas deben resolverse en conjunto, porque cada una modifica a las demás.
Entregue el tanque con la capacidad útil indicada primero y el volumen nominal en segundo lugar, y respáldelo con una prueba de temperatura estratificada que mida la dispersión real y la pérdida por mezcla. Envíenos el servicio, la dispersión que puede aceptar, el enfoque de la bobina y las restricciones del sitio, y le devolveremos una especificación de tanque estratificado con la capacidad útil calculada y un método de prueba definido, para que el almacenamiento que cuenta en el modelo sea el almacenamiento que recibe la planta.
Hable con nuestro equipo de ingeniería
Envíe el servicio, la base del volumen, el código aplicable y las restricciones del sitio, y nuestro equipo de ingeniería volverá con una especificación que un proveedor pueda cotizar y un revisor pueda aprobar. También le diremos claramente cuándo un tipo de tanque diferente o un alcance diferente es la mejor respuesta.
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