Vasi di espansione e serbatoi in pressione nei circuiti di raffreddamento dei data center
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Recipienti di espansione e serbatoi in pressione nei circuiti di raffreddamento dei data center
Un circuito chiuso di acqua refrigerata necessita di un confine di pressione per tre ragioni che tirano in direzioni opposte: l'acqua si espande quando viene riscaldata, l'aspirazione della pompa necessita di un carico positivo per rimanere al di sopra della pressione di vapore, e la sommità dell'impianto necessita di un percorso di scarico prima che il componente più resistente raggiunga la sua pressione ammissibile. Un vaso di espansione scarica nel circuito a bassa temperatura per sostituire il volume che l'acqua cede contraendosi e lo riassorbe man mano che il circuito si riscalda. Il dimensionamento è a due stadi. Il primo stadio è la variazione di volume termica dell'acqua totale dell'impianto nell'intervallo di temperatura di progetto. Il secondo stadio è una questione di pressione: tale volume deve essere assorbito tra la pressione di precarica del vaso e la pressione massima ammissibile, e il rapporto tra questi due valori, non solo l'intervallo di temperatura, determina la dimensione fisica del vaso. La scelta tra un vaso a membrana o a sacco e un recipiente in pressione con marchio di conformità deriva da quella classe di pressione e dalla normativa sulle attrezzature a pressione in vigore dove l'impianto opera per il serbatoio di espansione dell'acqua refrigerata
Perché un circuito chiuso necessita di un confine di pressione
Un sistema a torre di raffreddamento aperto non necessita di un recipiente in pressione nel circuito, perché la vasca della torre è a pressione atmosferica e la pompa sviluppa tutta la prevalenza. Un circuito chiuso elimina questo riferimento, quindi compaiono contemporaneamente tre requisiti che devono essere soddisfatti da un unico livello di pressione in ogni punto del circuito per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Il primo è l'espansione dell'acqua, che in un circuito chiuso non ha dove andare. Il secondo è il limite inferiore: quando l'impianto è freddo, o una sezione si svuota, l'aspirazione della pompa deve rimanere al di sopra della pressione di vapore dell'acqua alla temperatura minima prevista. Il terzo è il limite superiore: un percorso di scarico al di sopra della pressione ammissibile del componente più debole. Questi fissano la banda di pressione utilizzabile per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Dimensionamento del vaso di espansione in base al volume e all'intervallo di temperatura
Il primo calcolo è di tipo termico. Prendere il volume totale d'acqua nel sistema, compreso il vaso di espansione stesso, le tubazioni, gli scambiatori di calore e qualsiasi recipiente o bacino collegato, e moltiplicarlo per il fattore di espansione volumetrica dell'acqua nell'intervallo di progetto. Il fattore deriva dal volume specifico dell'acqua alle due temperature: 1,000 L/kg a 5 C e 1,008 L/kg a 40 C per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Utilizzando solo dati illustrativi, un sistema che contiene 1.000 m3 d'acqua riempito a 5 C e progettato per 40 C produce un volume di espansione di circa 8,0 m3, che è il volume che il vaso deve accettare e restituire. Una miscela di glicole ha un volume specifico diverso, quindi un circuito caricato a glicole utilizza le proprietà del glicole per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Fase | Input | Metodo | Risultato illustrativo |
Variazione di volume termico | Volume totale dell'acqua dell'impianto | Moltiplicare per il fattore di espansione dell'acqua | 1.000 m3 x 0,008 = 8,0 m3 |
Banda di pressione | Precarica e pressione massima ammissibile | Impostare la banda in cui opera il recipiente | Da 200 kPa ass a 700 kPa ass |
Fattore di accettazione | Le stesse due pressioni | Massimo consentito diviso per la differenza | 700 / (700 - 200) = 1,40 |
Volume del recipiente | Volume di espansione e fattore di accettazione | Moltiplicare le due cifre | 8,0 x 1,40 = 11,2 m3 |
Precarica, pressione dell'impianto e verifica di accettazione
La precarica è la pressione del cuscinetto di gas nel recipiente quando è scollegato dall'impianto e non contiene acqua. Viene impostata dalla pressione statica a freddo all'altezza del recipiente più un margine, in modo che il recipiente sia pronto ad accettare la contrazione del circuito mentre si raffredda, invece di essere svuotato a ogni avvio. Non viene mai impostata alla pressione di mandata della pompa per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Il controllo di accettazione consiste in una serie di letture piuttosto che in un calcolo, ed è il momento in cui un vaso mal regolato viene individuato. Con l'impianto pieno, freddo e le pompe ferme, la pressione sul vaso dovrebbe leggersi approssimativamente pari alla precarica. Al di sotto, il cuscinetto di gas ha perso pressione o ha assorbito acqua; al di sopra, la pressione statica è superiore a quella ipotizzata per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Confronto tra vasi a membrana, a sacco e a pressione codificati
Le due costruzioni non codificate differiscono in un dettaglio importante per la manutenzione: dove è trattenuta la membrana flessibile. In un vaso a membrana, la membrana è saldata al mantello e ai coperchi di estremità, quindi non è una parte che trattiene la pressione e una lenta perdita di gas non crea un percorso di fuga. In un vaso a sacco, la membrana è una sacca separata trattenuta dai coperchi di estremità per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
La membrana può essere sostituita senza saldatura, motivo per cui è comune su recipienti più grandi e dove la sostituzione periodica della membrana fa parte del piano di manutenzione, ma assorbe acqua nel tempo all'interfaccia e deve essere rinnovata con la corretta precarica impostata. Un recipiente in pressione con timbro di conformità è un prodotto diverso piuttosto che una versione migliore: è progettato, fabbricato, collaudato, timbrato e registrato secondo un codice per recipienti in pressione per il serbatoio di espansione dell'acqua refrigerata
Quando è richiesto un recipiente con timbro di conformità e cosa deve mostrare la documentazione
La decisione viene presa in due fasi. La prima è normativa: la regolamentazione sulle apparecchiature a pressione nella giurisdizione in cui opera l'impianto viene verificata rispetto alla pressione di progetto, al volume del recipiente, alla classificazione del fluido e a qualsiasi esenzione specifica per il servizio. Le autorità di regolamentazione generalmente definiscono una soglia come combinazione di volume e pressione, e un recipiente al di sopra di essa rientra nella certificazione di progetto per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
La seconda fase è la massima pressione di esercizio ammissibile del sistema, non la pressione nominale: un circuito che può presentare un picco di 900 kPa durante l'avvio di una pompa può richiedere un recipiente codificato anche laddove la pressione di esercizio a regime sia modesta. La documentazione è quindi un elenco specifico: per un recipiente secondo ASME Sezione VIII Div 1, il marchio U con il designatore e l'agenzia di ispezione autorizzata, la registrazione presso il National Board, il rapporto Form U-1, la prova idrostatica a 1,3 volte la massima pressione di esercizio ammissibile e i registri di rintracciabilità dei materiali per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Sfiato, rimozione dell'aria e sequenza di messa in servizio
Un vaso di espansione che non è mai stato adeguatamente sfiatato è la causa più comune di un impianto che ha pressione e nessun vaso di espansione funzionante. L'aria intrappolata si trova sopra la colonna d'acqua all'interno del vaso, si comprime esattamente nel modo in cui dovrebbe comprimersi il cuscinetto di gas, e il vaso si comporta quindi come se fosse una frazione della sua dimensione dichiarata. Il sintomo è una pressione dell'impianto che sale lentamente con una bolla di gas caldo per l'acqua refrigerata del serbatoio di espansione
La sequenza di messa in servizio segue l'ordine fisico dell'impianto. Il circuito viene riempito dal punto di connessione con le valvole di sfogo nel punto più alto aperte, in modo che l'aria venga spostata in avanti anziché intrappolata. Il vaso viene quindi isolato e spurgato nella parte superiore del lato acqua per verificare la pressione del lato gas rispetto alla precarica e ricaricato se è diminuita, e la pressione al vaso viene letta in condizioni statiche a freddo per l'acqua refrigerata del serbatoio di espansione
Dove si trova il vaso nel circuito e come viene isolato
Il recipiente va collocato sul lato aspirazione delle pompe, collegato al collettore di aspirazione nel punto più basso disponibile. Sul lato aspirazione è soggetto alla pressione più bassa del sistema, il che consente a una modesta precarica di mantenere la pompa protetta dalla formazione di vapore, ed è qui che l'acqua scaricata raggiunge l'ingresso della pompa. È possibile utilizzare anche un recipiente sulla mandata della pompa, ma in tal caso è soggetto all'intera prevalenza della pompa per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
I dettagli del collegamento contano più della posizione sul disegno. Ogni recipiente necessita di valvole di isolamento affinché possa essere rimosso senza svuotare il circuito, una valvola di scarico nel punto più basso così che il recipiente possa essere svuotato e la membrana o il diaframma sostituiti, e un collegamento di carica e sfiato sul lato gas per impostare la precarica. Il collegamento deve inoltre essere dimensionato in modo da non limitare il flusso nel recipiente durante l'espansione per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
Qualità dell'acqua, compatibilità con il glicole e corrosione
Il fluido nel circuito determina contemporaneamente diverse cose: il fattore di espansione utilizzato nel dimensionamento, il comportamento alla corrosione dei materiali bagnati e la compatibilità della membrana con il fluido al suo interno. Un circuito caricato con glicole deve essere dimensionato con le proprietà del glicole, e la membrana deve essere idonea per quel glicole alla concentrazione e alla temperatura di progetto. Il glicole si degrada nel tempo e i prodotti di degradazione sono più aggressivi, pertanto il pacchetto di inibitori e l'intervallo di sostituzione del fluido rientrano nel programma di qualità dell'acqua per l'acqua refrigerata del vaso di espansione.
La questione della corrosione è separata dalla compatibilità del fluido. In un circuito chiuso, l'ingresso di ossigeno è il solito innesco, motivo per cui i circuiti vengono mantenuti in pressione e sfogati tramite un dispositivo che impedisce l'ingresso dell'aria. Dove il riempimento avviene tramite un collegamento di rabbocco aperto, occorre affrontare la riserva di corrosione e la scelta tra acciaio al carbonio e acciaio inossidabile. Per un serbatoio rivestito, il rivestimento deve essere compatibile con il fluido e verificato prima del riempimento per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
L'elenco delle specifiche e la lista di controllo per la pre-messa in servizio
Una specifica di un recipiente in pressione deve fissare la fascia di pressione prima di denominare il recipiente, perché tutto ciò che segue dipende da essa. La richiesta di offerta deve riportare il volume totale d'acqua dell'impianto, comprese le tubazioni, le temperature di riempimento e massima di progetto, il fluido e la sua concentrazione, la pressione statica all'altezza del recipiente a riempimento a freddo, la massima pressione di esercizio ammissibile del circuito, la normativa locale e il percorso di certificazione, nonché la disposizione di isolamento e sfogo per l'acqua refrigerata del vaso di espansione.
La checklist di pre-commissioning colma quindi il divario tra il calcolo e il vaso installato, ed è breve: l'identificazione del vaso e la targhetta rispetto al progetto, la precarica registrata prima e dopo il collegamento, la lettura della pressione di riempimento a freddo rispetto alla precarica, lo sfogo dell'aria dal vaso e dai punti alti del circuito, la conferma della taratura della valvola di sicurezza, e la posizione e il bloccaggio di ogni valvola di isolamento per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
· Volume totale dell'acqua dell'impianto, comprese tubazioni, scambiatori di calore e qualsiasi bacino per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
· Temperatura massima di riempimento e di progetto, e il fluido con la sua concentrazione per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
· Pressione statica all'altezza del vaso a riempimento freddo, utilizzata per impostare la precarica del vaso di espansione dell'acqua refrigerata
· Pressione massima ammissibile di esercizio del circuito e taratura della valvola di sicurezza per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
· Fattore di accettazione tra la precarica e la pressione massima ammissibile per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
· Percorso di certificazione: la normativa locale e la marcatura richiesta per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
· Specifica del materiale a contatto con il fluido e del materiale della membrana con la relativa classificazione per fluido e temperatura per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
· Valvole di isolamento, valvola di scarico, raccordo di carica e punto di sfiato sul vaso per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
· Registrazioni di verifica del rivestimento, incluso il test di tenuta, prima del riempimento per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
Caso di studio del progetto
Riferimento di fornitura per questo servizio, citato dalla libreria di progetti verificati. Livello di corrispondenza C. Un recipiente a pressione saldato progettato secondo EN 13445, in ASTM A516 Gr.70, con rivestimento epossidico C5M per un ambiente semi-marino. Dimostra capacità di ingegnerizzazione e fabbricazione di recipienti a pressione. Non è un recipiente certificato ASME Sezione VIII, quindi non viene utilizzato come caso ASME in questo articolo, come dettagliato per il serbatoio di espansione dell'acqua refrigerata.
ID progetto | Paese | Prodotto | Capacità | Numero di vasi | Dimensioni | Completamento | Ambito di fornitura |
MT-PRESS-2.29 | Malta | Recipiente in pressione | 2,29 m3 | 2 | ID1240 × 1840 mm e ID1200 × 1665 mm | Non registrato nella fonte disponibile | Non registrato |
Un recipiente in pressione saldato progettato secondo EN 13445, in ASTM A516 Gr.70, con rivestimento epossidico C5M per un ambiente semi-marino. Dimostra capacità di ingegnerizzazione e fabbricazione di recipienti in pressione. Non è un recipiente certificato ASME Sezione VIII, quindi non viene utilizzato come caso ASME in questo articolo, come dettagliato per il serbatoio di espansione dell'acqua refrigerata.
Domande frequenti
D1. Perché un circuito chiuso necessita di un confine di pressione?
Un circuito chiuso perde il riferimento atmosferico fornito da un sistema a torre aperta, quindi tre requisiti devono essere soddisfatti dal solo livello di pressione: l'acqua si espande quando si riscalda, l'aspirazione della pompa necessita di prevalenza positiva per rimanere al di sopra della pressione di vapore quando l'impianto è freddo, e il punto più alto necessita di un percorso di scarico al di sopra della pressione ammissibile del componente più debole per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
D2. Come si dimensiona un vaso di espansione?
In due fasi. Prima l'espansione termica dell'acqua totale dell'impianto nell'intervallo di progetto viene calcolata dai volumi specifici dell'acqua, fornendo il volume che il vaso deve accettare. Secondo, tale volume deve essere assorbito tra la precarica e la pressione massima consentita, e il rapporto tra i due fornisce il fattore di accettazione per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
D3. Qual è la relazione tra precarica e pressione dell'impianto?
La precarica è impostata dalla pressione statica a freddo all'altezza del vaso più un margine che copre la variazione del carico statico e la perdita di pressione delle tubazioni, così il vaso è pronto ad accettare la contrazione invece di essere svuotato a ogni avvio. Non è mai impostata alla pressione di mandata della pompa. Il controllo di accettazione legge la pressione del vaso al riempimento a freddo per il vaso di espansione dell'acqua refrigerata
D4. Come si sceglie un vaso a membrana rispetto a un vaso a sacco?
Il diaframma è saldato al mantello e ai coperchi di estremità, quindi non è una parte atta a trattenere la pressione e una lenta perdita di gas non diventa un percorso di fuga. La vescica è una sacca chiusa separata trattenuta dai coperchi di estremità ed è l'elemento atto a trattenere la pressione, il che la rende sostituibile senza saldature ma significa che assorbe per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
D5. Quando è richiesto un recipiente con codice ASME?
Quando la normativa locale sulle apparecchiature a pressione colloca il recipiente al di sopra della sua soglia di certificazione, normalmente definita da una combinazione di pressione di progetto, volume del recipiente e classificazione del fluido, oppure quando la specifica del proprietario, dell'assicuratore o del cliente richiede la certificazione indipendentemente da tale soglia. La verifica viene effettuata rispetto alla pressione massima ammissibile di esercizio, non alla pressione nominale per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
D6. Come vengono messi in servizio lo sfogo e la rimozione dell'aria?
Il circuito viene riempito dal punto di collegamento con gli sfiati nel punto più alto aperti, in modo che l'aria venga spostata in avanti. Il serbatoio viene quindi isolato e spurgato in alto per confrontare la pressione lato gas con la precarica e ricaricato se è diminuita, e la pressione al serbatoio viene letta in condizioni statiche a freddo per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
D7. Dove si trova il vaso nel circuito e come viene isolato?
Sul lato aspirazione delle pompe, collegato al collettore di aspirazione nel punto più basso disponibile, in modo che veda la pressione più bassa nel circuito e possa proteggere la pompa dalla formazione di vapore a bassa precarica. Ogni serbatoio necessita di valvole di isolamento, una valvola di scarico per la sostituzione della membrana e un collegamento di carica e sfiato sul lato gas per l'acqua refrigerata del vaso di espansione
D8. Cosa richiedono la qualità dell'acqua e la corrosione?
Il fluido determina il fattore di espansione utilizzato nel dimensionamento, il comportamento alla corrosione dei materiali bagnati e la compatibilità e la classificazione di temperatura della membrana. I circuiti a glicole vengono dimensionati con le proprietà del glicole, e il pacchetto di inibitori e l'intervallo di sostituzione del fluido rientrano nel programma di qualità dell'acqua, come dettagliato per l'acqua refrigerata del vaso di espansione.
La pressione di progetto e la temperatura di progetto devono essere fissate prima di scegliere qualsiasi vaso di espansione, perché la banda di pressione tra la precarica e la pressione massima ammissibile determina la dimensione fisica del vaso, e la normativa locale sulle apparecchiature a pressione determina se il vaso è un recipiente a pressione marcato o un componente a pressione non certificato. Questo ordine è l'intero contenuto di questo argomento: un vaso specificato solo in base all'intervallo di temperatura avrà la dimensione sbagliata, e uno specificato in base a una pressione nominale avrà la classe di certificazione sbagliata. Le due fasi del calcolo, la verifica di accettazione della precarica e la sequenza di messa in servizio, sono ciò che trasforma la specifica in un vaso che può essere verificato come in grado di svolgere il lavoro per cui è stato acquistato per il serbatoio di espansione acqua refrigerata
Parla con un ingegnere
Per un vaso di espansione o serbatoio in pressione in un circuito ad acqua refrigerata, inviare il volume totale d'acqua dell'impianto comprensivo di tubazioni e scambiatori di calore, la temperatura di riempimento e la temperatura massima di progetto, il fluido e la sua concentrazione, la pressione statica all'altezza del vaso a freddo al riempimento, la pressione massima ammissibile di esercizio del circuito e la taratura di scarico prevista, la normativa locale sulle apparecchiature in pressione e il percorso di certificazione richiesto, e la disposizione di isolamento e sfogo. Restituiremo uno studio dimensionale che mostra il volume di espansione termica, il fattore di accettazione, il volume risultante del vaso, la precarica da impostare e le letture di accettazione da registrare, la raccomandazione sui materiali e sulla membrana, e la checklist di pre-commissioning per il sito per il vaso di espansione acqua refrigerata
Informazioni su Center Enamel
Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) è un produttore professionale dedicato alla progettazione e fabbricazione di serbatoi di stoccaggio bullonati dal 2008. La gamma di prodotti comprende serbatoi in vetro-acciaio (GFS), serbatoi in epossidica fusa a legame (FBE), serbatoi in acciaio inossidabile, serbatoi in acciaio zincato e coperture a cupola geodetica in alluminio, insieme al supporto tecnico EPC e agli accessori per serbatoi. La produzione è conforme alle norme ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, e la gamma di prodotti è certificata NSF/ANSI 61, WRAS, CE e EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 e NFPA ove l'applicazione lo richieda. L'azienda detiene quasi 200 brevetti sulla smaltatura, gestisce una base produttiva di 150.000 m2, produce circa 300.000 lastre in acciaio smaltato all'anno, ha completato più di 30.000 progetti installati e ha spedito serbatoi in più di 100 paesi. La capacità di progettazione ingegneristica copre volumi di serbatoi fino a 60.000 m3, come dettagliato per il serbatoio di espansione per acqua refrigerata.
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