Vases d'expansion et réservoirs sous pression dans les boucles de refroidissement des centres de données
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Récipients d'expansion et réservoirs sous pression dans les boucles de refroidissement des centres de données
Une boucle d'eau glacée fermée nécessite une limite de pression pour trois raisons qui tirent dans des directions opposées : l'eau se dilate lorsqu'elle est chauffée, l'aspiration de la pompe a besoin d'une hauteur positive pour rester au-dessus de la pression de vapeur, et le point haut du système a besoin d'un chemin de décharge avant que le composant le plus résistant n'atteigne sa pression admissible. Un vase d'expansion se déverse dans la boucle à basse température pour remplacer le volume que l'eau cède en se contractant et le récupère lorsque la boucle se réchauffe. Le dimensionnement se fait en deux étapes. La première étape est la variation de volume thermique de l'eau totale du système sur la plage de température de conception. La deuxième étape est une question de pression : ce volume doit être absorbé entre la pression de précharge du vase et la pression maximale admissible, et c'est le rapport entre ces deux valeurs, et non la seule plage de température, qui détermine la taille physique du vase. Le choix entre un vase à membrane ou à vessie et un récipient sous pression estampillé selon le code découle de cette classe de pression et de la réglementation sur les équipements sous pression en vigueur là où l'installation fonctionne pour le réservoir d'expansion d'eau glacée
Pourquoi une boucle fermée nécessite une limite de pression
Un système de tour de refroidissement ouvert ne nécessite aucun récipient sous pression dans la boucle, car le bassin de la tour est à pression atmosphérique et la pompe développe toute la hauteur manométrique. Une boucle fermée supprime cette référence, de sorte que trois exigences apparaissent simultanément et doivent être satisfaites par un seul niveau de pression en chaque point du circuit pour l'eau glacée du vase d'expansion
La première est la dilatation de l'eau, qui n'a nulle part où aller dans une boucle fermée. La deuxième est la limite inférieure : lorsque l'installation est froide, ou qu'une section se vidange, l'aspiration de la pompe doit rester au-dessus de la pression de vapeur de l'eau à la température minimale attendue. La troisième est la limite supérieure : un chemin de décharge au-dessus de la pression admissible du composant le plus faible. Ces éléments fixent la plage de pression utilisable pour l'eau glacée du vase d'expansion
Dimensionnement du vase d'expansion à partir du volume et de la plage de température
Le premier calcul est un calcul thermique. Prenez le volume total d'eau dans le système, y compris le vase d'expansion lui-même, la tuyauterie, les échangeurs de chaleur et tout récipient ou bassin connecté, et multipliez-le par le facteur de dilatation volumétrique de l'eau sur la plage de conception. Le facteur provient du volume spécifique de l'eau aux deux températures : 1,000 L/kg à 5 C et 1,008 L/kg à 40 C pour l'eau glacée du vase d'expansion
En utilisant uniquement des données illustratives, un système contenant 1 000 m3 d'eau rempli à 5 C et conçu pour 40 C produit un volume de dilatation d'environ 8,0 m3, soit le volume que le vase doit accepter et restituer. Un mélange de glycol a un volume spécifique différent, donc une boucle chargée au glycol utilise les propriétés du glycol pour l'eau glacée du vase d'expansion
Étape | Entrée | Méthode | Résultat illustratif |
Variation de volume thermique | Volume total d'eau du système | Multiplier par le facteur de dilatation de l'eau | 1 000 m3 x 0,008 = 8,0 m3 |
Plage de pression | Précharge et pression maximale admissible | Définir la plage dans laquelle le récipient fonctionne | 200 kPa abs à 700 kPa abs |
Facteur d'acceptation | Les deux mêmes pressions | Maximum autorisé divisé par la différence | 700 / (700 - 200) = 1,40 |
Volume du vase | Volume d'expansion et facteur d'acceptation | Multiplier les deux chiffres | 8,0 x 1,40 = 11,2 m3 |
Précharge, pression du système et contrôle d'acceptation
La précharge est la pression de la réserve de gaz dans le vase lorsqu'il est déconnecté du système et ne contient pas d'eau. Elle est définie à partir de la pression statique à froid à l'élévation du vase plus une marge, afin que le vase soit prêt à accepter la contraction de la boucle lors de son refroidissement plutôt que d'être vidé à chaque démarrage. Elle n'est jamais réglée à la pression de refoulement de la pompe pour un vase d'expansion d'eau glacée
Le contrôle de réception est un ensemble de relevés plutôt qu'un calcul, et c'est là qu'un vase mal réglé est détecté. Avec le système plein, froid et les pompes arrêtées, la pression au niveau du vase devrait être approximativement égale à la précharge. En dessous, le coussin de gaz a perdu de la pression ou a pris de l'eau ; au-dessus, la pression statique est plus élevée que supposé pour l'eau glacée du vase d'expansion
Comparaison des vases à membrane, à vessie et à pression codés
Les deux constructions non codées diffèrent sur un détail qui compte pour la maintenance : l'endroit où la membrane flexible est retenue. Dans un vase à membrane, la membrane est soudée à l'enveloppe et aux couvercles d'extrémité, elle n'est donc pas une pièce retenant la pression et une lente perte de gaz ne crée pas de chemin de fuite. Dans un vase à vessie, la membrane est une poche séparée maintenue par les couvercles d'extrémité pour l'eau glacée du vase d'expansion
La vessie peut être remplacée sans soudage, c'est pourquoi elle est courante sur les grands récipients et lorsque le remplacement périodique de la vessie fait partie du plan de maintenance, mais elle absorbe l'eau au fil du temps à l'interface et doit être renouvelée avec la précharge correcte. Un récipient sous pression estampillé selon un code est un produit différent plutôt qu'une meilleure version : il est conçu, fabriqué, testé, estampillé et enregistré selon un code de récipients sous pression pour le réservoir d'expansion d'eau glacée
Quand un récipient certifié est requis et ce que la documentation doit montrer
La décision est prise en deux étapes. La première est réglementaire : la réglementation sur les équipements sous pression de la juridiction où l'installation est exploitée est vérifiée par rapport à la pression de conception, au volume du récipient, à la classification du fluide et à toute exemption spécifique au service. Les autorités de régulation définissent généralement un seuil comme une combinaison de volume et de pression, et un récipient au-dessus de ce seuil relève de la certification de conception pour le vase d'expansion d'eau glacée
La deuxième étape est la pression maximale admissible de service du système, et non la pression nominale : un circuit susceptible de subir un pic de 900 kPa lors du démarrage d'une pompe peut nécessiter un récipient codé même lorsque la pression de service en régime permanent est modérée. La documentation est alors une liste précise : pour un récipient conforme à l'ASME Section VIII Div 1, le timbre U avec le sigle et l'organisme d'inspection agréé, l'enregistrement au National Board, le rapport Form U-1, l'épreuve hydrostatique à 1,3 fois la pression maximale admissible de service, et les enregistrements de traçabilité des matériaux pour le réservoir d'expansion d'eau glacée
Évacuation de l'air, élimination de l'air et séquence de mise en service
Un vase d'expansion qui n'a jamais été correctement purgé est la cause la plus fréquente d'un système sous pression sans vase d'expansion fonctionnel. L'air emprisonné se situe au-dessus de la colonne d'eau à l'intérieur du vase, il se comprime exactement de la manière dont la poche de gaz est censée se comprimer, et le vase se comporte alors comme s'il ne représentait qu'une fraction de sa taille nominale. Le symptôme est une pression du système qui augmente lentement avec une poche de gaz chaude pour le réservoir d'expansion d'eau glacée
La séquence de mise en service suit l'ordre physique du système. La boucle est remplie depuis le point de raccordement avec les purgeurs hauts ouverts, afin que l'air soit chassé vers l'avant plutôt que piégé. Le vase est ensuite isolé et purgé en haut du côté eau pour vérifier la pression côté gaz par rapport à la précharge et rechargé si elle a chuté, et la pression au niveau du vase est relevée dans des conditions statiques à froid pour le réservoir d'expansion d'eau glacée
Où se situe le vase dans la boucle et comment il est isolé
Le vase doit être placé du côté aspiration des pompes, raccordé au collecteur d'aspiration au point le plus bas disponible. Du côté aspiration, il subit la pression la plus faible du système, ce qui permet à une précharge modérée de protéger la pompe contre la formation de vapeur, et c'est là que l'eau qu'il refoule atteint l'entrée de la pompe. Un vase placé au refoulement de la pompe peut également être utilisé, mais il subit alors la hauteur manométrique totale de la pompe pour l'eau glacée du vase d'expansion
Les détails de raccordement importent plus que la position sur le plan. Chaque vase doit être équipé de vannes d'isolement afin de pouvoir être déposé sans vidanger la boucle, d'une vanne de vidange au point le plus bas pour permettre de vider le vase et de remplacer la vessie ou la membrane, ainsi que d'un raccord de remplissage et de purge côté gaz pour régler la précharge. Le raccordement doit également être dimensionné de manière à ne pas restreindre l'écoulement vers le vase lors de la dilatation pour l'eau glacée d'un vase d'expansion
Qualité de l'eau, compatibilité avec le glycol et corrosion
Le fluide dans le circuit détermine plusieurs choses à la fois : le facteur de dilatation utilisé dans le dimensionnement, le comportement à la corrosion des matériaux mouillés et la compatibilité de la membrane avec le fluide qu'elle contient. Un circuit chargé au glycol doit être dimensionné avec les propriétés du glycol, et la membrane doit être adaptée à ce glycol à la concentration et à la température de conception. Le glycol se dégrade avec le temps et les produits de dégradation sont plus agressifs, de sorte que le dosage d'inhibiteurs et l'intervalle de remplacement du fluide font partie du programme de qualité de l'eau pour l'eau glacée du vase d'expansion.
La question de la corrosion est distincte de la compatibilité des fluides. Dans une boucle fermée, l'entrée d'oxygène est l'initiateur habituel, c'est pourquoi les boucles sont maintenues sous pression et purgées par un dispositif qui empêche l'air d'entrer. Lorsque le remplissage se fait par un raccord d'appoint ouvert, la marge de corrosion et le choix entre l'acier au carbone et l'acier inoxydable doivent être traités. Pour un récipient revêtu, le revêtement doit être compatible avec le fluide et vérifié avant le remplissage pour l'eau glacée du vase d'expansion
La liste des spécifications et la liste de contrôle de pré-mise en service
Une spécification de vase sous pression doit fixer la plage de pression avant de nommer le vase, car tout ce qui en découle en dépend. La demande de devis doit comporter le volume total d'eau du système, y compris la tuyauterie, les températures de remplissage et de conception maximale, le fluide et sa concentration, la pression statique à l'élévation du vase à froid au remplissage, la pression maximale admissible de service de la boucle, la réglementation locale et la voie de certification, ainsi que la disposition d'isolement et d'évent pour l'eau glacée du vase d'expansion.
La liste de contrôle de pré-mise en service comble ensuite l'écart entre le calcul et le vase installé, et elle est courte : l'identification du vase et la plaque signalétique par rapport à la conception, la précharge enregistrée avant et après le raccordement, la lecture de la pression de remplissage à froid par rapport à la précharge, l'évacuation de l'air du vase et des points hauts de la boucle, le réglage du limiteur de pression confirmé, ainsi que la position et le verrouillage de chaque vanne d'isolement pour l'eau glacée du vase d'expansion
· Volume total d'eau du système, y compris la tuyauterie, les échangeurs de chaleur et tout bassin pour l'eau glacée du vase d'expansion
· Température maximale de remplissage et de conception, et le fluide avec sa concentration pour l'eau glacée du vase d'expansion
· Pression statique à l'élévation du vase à remplissage à froid, utilisée pour régler la précharge du vase d'expansion pour l'eau glacée
· Pression maximale admissible de service de la boucle, et le réglage du limiteur de pression pour le vase d'expansion pour l'eau glacée
· Facteur d'acceptation entre la précharge et la pression maximale admissible pour le vase d'expansion pour l'eau glacée
· Voie de certification : la réglementation locale et l'estampillage requis pour le vase d'expansion pour l'eau glacée
· Spécification des matériaux en contact avec le fluide et le matériau de la membrane avec son fluide et sa température nominale pour le vase d'expansion pour l'eau glacée
· Vannes d'isolement, vanne de vidange, raccord de remplissage et point d'évent au niveau du vase pour le vase d'expansion pour l'eau glacée
· Enregistrements de vérification du revêtement, y compris l'essai d'étanchéité, avant le remplissage pour le vase d'expansion pour l'eau glacée
Étude de cas de projet
Référence de livraison pour ce service, citée depuis la bibliothèque de projets vérifiés. Niveau de correspondance C. Un récipient sous pression soudé conçu selon EN 13445, en ASTM A516 Gr.70, avec un revêtement époxy C5M pour un environnement semi-marin. Il atteste de la capacité d'ingénierie et de fabrication de récipients sous pression. Il ne s'agit pas d'un récipient certifié ASME Section VIII, il n'est donc pas utilisé comme cas ASME dans cet article, comme détaillé pour le réservoir d'expansion d'eau glacée.
ID du projet | Pays | Produit | Capacité | Nombre de vases | Dimensions | Achèvement | Périmètre de fourniture |
MT-PRESS-2.29 | Malte | Vase sous pression | 2,29 m3 | 2 | ID1240 × 1840 mm et ID1200 × 1665 mm | Non consigné dans la source disponible | Non consigné |
Un récipient sous pression soudé conçu selon EN 13445, en ASTM A516 Gr.70, avec un revêtement époxy C5M pour un environnement semi-marin. Il témoigne de la capacité d'ingénierie et de fabrication de récipients sous pression. Il ne s'agit pas d'un récipient certifié ASME Section VIII, il n'est donc pas utilisé comme cas ASME dans cet article, comme détaillé pour le réservoir d'expansion d'eau glacée.
Questions fréquemment posées
Q1. Pourquoi un circuit fermé a-t-il besoin d'une limite de pression ?
Une boucle fermée perd la référence atmosphérique que fournit un système à tour ouverte, de sorte que trois exigences doivent être satisfaites par le seul niveau de pression : l'eau se dilate en se réchauffant, l'aspiration de la pompe nécessite une hauteur positive pour rester au-dessus de la pression de vapeur lorsque l'installation est froide, et le point le plus haut nécessite un chemin de décharge au-dessus de la pression admissible du composant le plus faible pour le vase d'expansion d'eau glacée
Q2. Comment dimensionne-t-on un vase d'expansion ?
En deux étapes. D'abord, la dilatation thermique de l'eau du système total sur la plage de conception est calculée à partir des volumes spécifiques de l'eau, ce qui donne le volume que le vase doit accepter. Ensuite, ce volume doit être absorbé entre la précharge et la pression maximale admissible, et le rapport des deux donne le facteur d'acceptation pour l'eau glacée du vase d'expansion
Q3. Quelle est la relation entre la précharge et la pression du système ?
La précharge est réglée à partir de la pression statique à froid à l'élévation du vase, plus une marge couvrant la variation de hauteur statique et la perte de charge des tuyauteries, afin que le vase soit prêt à accepter la contraction plutôt que d'être vidé à chaque démarrage. Elle n'est jamais réglée sur la pression de refoulement de la pompe. Le contrôle d'acceptation lit la pression du vase au remplissage à froid pour l'eau glacée du vase d'expansion
Q4. Comment choisir un vase à membrane plutôt qu'un vase à vessie ?
Le diaphragme est soudé à l'enveloppe et aux couvercles d'extrémité, il n'est donc pas un élément retenant la pression et une lente perte de gaz ne devient pas un chemin de fuite. La vessie est une poche fermée séparée maintenue par les couvercles d'extrémité, et c'est l'élément retenant la pression, ce qui la rend remplaçable sans soudure mais signifie qu'elle absorbe pour l'eau glacée du vase d'expansion
Q5. Quand un vase codé ASME est-il requis ?
Lorsque la réglementation locale sur les équipements sous pression place le récipient au-dessus de son seuil de certification, normalement défini par une combinaison de pression de conception, de volume du récipient et de classification du fluide, ou lorsque les spécifications du propriétaire, de l'assureur ou du client exigent une certification indépendamment de ce seuil. La vérification est effectuée par rapport à la pression maximale admissible de service, et non à la pression nominale pour l'eau glacée du vase d'expansion
Q6. Comment la purge et l'évacuation de l'air sont-elles mises en service ?
La boucle est remplie depuis le point de raccordement avec les évents de point haut ouverts afin que l'air soit chassé vers l'avant. Le récipient est ensuite isolé et purgé par le haut pour comparer la pression côté gaz avec la précharge et rechargé si elle a chuté, et la pression au niveau du récipient est relevée dans des conditions statiques à froid pour l'eau glacée du vase d'expansion
Q7. Où se situe le vase dans la boucle et comment est-il isolé ?
Du côté aspiration des pompes, raccordé au collecteur d'aspiration au point le plus bas disponible, afin qu'il voie la pression la plus faible du circuit et puisse protéger la pompe contre la formation de vapeur à faible précharge. Chaque vase doit être équipé de vannes d'isolement, d'une vanne de vidange pour le remplacement de la membrane, et d'un raccord de remplissage et de purge côté gaz pour l'eau glacée du vase d'expansion
Q8. Que requièrent la qualité de l'eau et la corrosion ?
Le fluide détermine le facteur de dilatation utilisé dans le dimensionnement, le comportement à la corrosion des matériaux en contact avec le fluide ainsi que la compatibilité et la classe de température de la membrane. Les boucles glycolées sont dimensionnées avec les propriétés du glycol, et le dosage d'inhibiteur ainsi que l'intervalle de remplacement du fluide font partie du programme de qualité de l'eau, comme détaillé pour l'eau glacée du vase d'expansion.
La pression de conception et la température de conception doivent être fixées avant de choisir tout vase d'expansion, car la plage de pression entre la précharge et la pression maximale admissible détermine la taille physique du vase, et la réglementation locale sur les équipements sous pression détermine si le vase est un appareil à pression estampillé ou une pièce sous pression non codée. Cet ordre constitue tout le contenu de ce sujet : un vase spécifié sur la seule plage de température aura une taille incorrecte, et un vase spécifié sur une pression nominale aura une classe de certification incorrecte. Les deux étapes du calcul, la vérification d'acceptation de la précharge et la séquence de mise en service, sont ce qui transforme la spécification en un vase dont on peut vérifier qu'il fait le travail pour lequel il a été acheté pour le réservoir d'expansion d'eau glacée
Parler à un ingénieur
Pour un vase d'expansion ou un réservoir sous pression dans un circuit d'eau glacée, envoyez le volume total d'eau du système, y compris la tuyauterie et les échangeurs de chaleur, la température de remplissage et la température maximale de conception, le fluide et sa concentration, la pression statique à l'élévation du vase à froid au remplissage, la pression maximale admissible de service du circuit et le tarage de soupape de décharge prévu, la réglementation locale sur les équipements sous pression et la voie de certification requise, ainsi que la disposition d'isolement et de purge. Nous renverrons une étude de dimensionnement montrant le volume de dilatation thermique, le facteur d'acceptation, le volume résultant du vase, la précharge à régler et les relevés d'acceptation à enregistrer, la recommandation de matériau et de membrane, ainsi que la liste de contrôle de pré-mise en service pour le site pour le vase d'expansion eau glacée
À propos de Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) est un fabricant professionnel dédié à la conception et à la fabrication de réservoirs de stockage boulonnés depuis 2008. La gamme de produits comprend des réservoirs en acier vitrifié (GFS), des réservoirs en époxy fusionné (FBE), des réservoirs en acier inoxydable, des réservoirs en acier galvanisé et des toits en dôme géodésique en aluminium, ainsi qu'un support technique EPC et des accessoires de réservoirs. La production est réalisée sous les normes ISO 9001, ISO 14001 et ISO 45001, et la gamme de produits est certifiée NSF/ANSI 61, WRAS, CE et EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 et NFPA lorsque l'application l'exige. L'entreprise détient près de 200 brevets d'émaillage, exploite une base de production de 150 000 m2, produit environ 300 000 plaques d'acier émaillé par an, a réalisé plus de 30 000 projets installés et a expédié des réservoirs dans plus de 100 pays. La capacité de conception technique couvre des volumes de réservoirs allant jusqu'à 60 000 m3, comme détaillé pour le réservoir d'expansion d'eau glacée.
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