Serbatoi di acqua refrigerata stratificati: diffusori, deflettori e controllo della termoclina
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Serbatoi di acqua refrigerata stratificata: diffusori, deflettori e controllo della termoclina
Un serbatoio di acqua refrigerata stratificato non eroga il volume del suo mantello. La capacità utile è il volume che rimane all'interno di una fascia di temperatura dichiarata, e quel numero è prodotto dalla geometria del diffusore e dei deflettori piuttosto che dal cilindro che lo contiene. Il serbatoio funziona perché l'acqua fredda e quella calda differiscono in densità e quindi si separano per gravità in strati tenuti distinti da una sottile termoclina. Tre meccanismi distruggono tale separazione: la quantità di moto del flusso in ingresso, la conduzione del calore attraverso il mantello, la copertura e i ponti strutturali che la sostengono, e il cortocircuito in cui i due flussi si incontrano prima che gli strati si siano stabilizzati. Poiché la fascia della termoclina è una perdita permanente e inevitabile di volume utile, e poiché gli accorgimenti che la proteggono, ovvero i pozzetti per i sensori, i passi d'uomo di accesso e i supporti del diffusore, possono essere realizzati solo prima che il recipiente sia isolato, la geometria interna e le riserve di progetto devono essere definite durante la fabbricazione anziché durante la messa in servizio. L'accettazione dovrebbe quindi essere redatta in riferimento alla capacità utile a una fascia di temperatura dichiarata e dimostrata mediante un profilo di temperatura rilevato attraverso un ciclo di riempimento e svuotamento, non in riferimento al volume di targa del mantello, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
Perché la stratificazione, non il volume del mantello, determina la capacità utilizzabile
Un serbatoio stratificato viene acquistato per mantenere due temperature contemporaneamente senza che si mescolino in un'unica media, quindi la domanda che il cliente pone è ristretta: quanta acqua può erogare il serbatoio alla temperatura dell'uscita fredda, e quanta alla temperatura dell'uscita calda, contemporaneamente? L'involucro non risponde a nessuna delle due domande. La risposta è il volume compreso tra i due strati, e lo spessore della banda di transizione tra di essi è ciò che decidono i componenti interni. Due serbatoi con lo stesso cilindro e lo stesso rivestimento possono contenere capacità utili che differiscono di un decimo di volume, perché uno stratifica e l'altro no, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
Come si forma la termoclina per differenza di densità
Il meccanismo è la densità. La densità dell'acqua diminuisce all'aumentare della temperatura, quindi nell'angusto intervallo di temperatura di un sistema ad acqua refrigerata la differenza è piccola ma sufficiente: l'acqua fredda immessa in basso nella vasca si diffonde sul fondo e rimane al di sotto dell'acqua più calda già presente, mentre l'acqua calda sale e si raccoglie sopra. Tra i due strati si sviluppa una regione di transizione, il cui spessore dipende da quanto i due flussi si sono mescolati prima di stabilizzarsi. Ogni metro cubo all'interno di quella fascia è acqua che non si trova a nessuno dei due set point, e la fascia è permanente: non si svuota e non si restringe durante l'esercizio, per cui il suo volume viene detratto dalla quantità contrattuale all'inizio, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
Cosa la distrugge: quantità di moto, conduzione e apporto di calore
Tre azioni attaccano l'arrangiamento. La prima è la quantità di moto, perché un flusso freddo che entra come getto porta la sua quantità di moto nel serbatoio e spinge nello strato caldo, trascinando l'acqua calda verso il basso su un volume molto più grande di quello dell'ingresso. La seconda è la conduzione e il guadagno di calore, poiché il calore passa attraverso il mantello, il tetto e ogni ugello, supporto e penetrazione che collega l'isolamento, e ciascuno di questi produce un pennacchio locale che erode l'interfaccia dall'esterno verso l'interno. La terza è il cortocircuito, che si verifica quando i flussi si incontrano perché un'uscita attinge dall'altro strato. Tutte e tre compaiono nel profilo di temperatura, non come un allarme, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
Tipi di diffusore e il campo di flusso che ciascuno produce
Il diffusore decide come il flusso in ingresso entra nel volume stratificato, e sceglierlo è una scelta di controllo della quantità di moto contro l'accesso per la manutenzione. Il requisito in ogni caso è lo stesso: scaricare sull'area in pianta con una velocità di uscita il più bassa possibile consentita dalla geometria, in modo che il flusso non perfori l'interfaccia che è destinato a stabilire. Le famiglie di uso comune e la limitazione che ciascuna comporta sono esposte di seguito. Nessuna è universalmente corretta, e quella corretta deriva dall'orientamento del serbatoio, dalla portata di carica e dalla necessità o meno di accedere al recipiente per la pulizia. Ciascuna fallisce anche in un modo che appare nel profilo, perché un ugello otturato produce una sacca calda locale nello strato freddo, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio tes.
Famiglia di diffusori | Schema di scarico | Dove si inserisce | Limitazione |
Diffusore radiale, anello perforato | Scarico verso l'esterno attorno a un ingresso centrale | Serbatoi verticali, ingresso centrale | La quantità di moto del getto erode l'interfaccia ad alta velocità di uscita |
Collettore perforato, ugelli a un solo livello | Scarico distribuito lungo una linea di ugelli | Serbatoi lunghi, mantelli orizzontali | L'ostruzione sposta la distribuzione, causa cortocircuito |
Diffusore a fessura, fessure verticali o orizzontali | Scarico a bassa velocità attraverso fessure strette | Impieghi in cui il controllo della quantità di moto è determinante | Le fessure raccolgono detriti, difficili da pulire in esercizio |
Uscita a bassa velocità, diffusore a superficie in pianta | Scarico su tutta l'area in pianta | Grandi serbatoi verticali, elevate portate di carica | Richiede una grande area in pianta, impraticabile a piccoli diametri |
Distributore a caduta con laterali | Alimentazioni lungo la lunghezza del recipiente | Recipienti stratificati orizzontali | Un flusso laterale non uniforme lascia gradienti |
Deflettori in un recipiente orizzontale, dove gravità e flusso sono perpendicolari
In un guscio orizzontale l'asse di flusso e il vettore di gravità sono perpendicolari, il che cambia completamente la geometria della stratificazione. L'acqua fredda immessa a un'estremità non si deposita sotto il flusso in ingresso come farebbe in un guscio verticale; deve essere guidata verso il basso e mantenuta lì, mentre l'acqua calda viene guidata verso l'alto e impedita dal rifluire lungo il recipiente. I deflettori verticali interrompono il percorso longitudinale che porta l'acqua calda verso l'estremità di ingresso fredda, la principale via di cortocircuito. I deflettori inclinati reindirizzano il flusso, ma la loro orientazione decide l'effetto, e un deflettore orientato in modo errato invia un flusso freddo lungo il guscio oltre l'uscita calda, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
Strumentazione che misura la termoclina invece di presumerla
Un serbatoio stratificato è l'unico serbatoio dell'impianto in cui una singola misura di temperatura non prova quasi nulla. La condizione di interesse è un profilo verticale, quindi la strumentazione è costituita da un insieme di sonde a più quote, e la specifica deve indicare quante, a quali quote e con quale accuratezza. Le sonde sono normalmente alloggiate in pozzetti sigillati saldati al mantello o ai supporti interni, in modo che possano essere rimosse senza svuotare il serbatoio, e tali pozzetti non possono essere aggiunti successivamente. Il percorso dei cavi è il punto in cui il servizio viene più spesso compromesso, perché un cavo che entra attraverso un punto non sigillato viola la barriera al vapore e crea un percorso di condensa nel rivestimento, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
Isolamento, barriera al vapore e condizione della superficie fredda
La superficie isolata di un serbatoio di acqua refrigerata si trova al di sotto del punto di rugiada dell'aria circostante per la maggior parte dell'anno, il che significa che la barriera al vapore decide se il serbatoio funziona, e l'isolamento è solo il materiale che rende la barriera utile. Una barriera continua e sigillata mantiene asciutto l'isolamento; una barriera interrotta consente all'umidità di penetrare nell'isolamento, dove condensa, dove bagna il rivestimento e dove elimina le prestazioni termiche che l'isolamento era stato installato per fornire. La barriera deve correre dal mantello al tetto e attraverso la giunzione tetto-parete senza interruzioni, e ogni penetrazione deve essere sigillata nel dettaglio, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio tes.
Le disposizioni progettuali che non possono attendere la fase di messa in servizio
Alcune caratteristiche di un serbatoio stratificato sono fisicamente impossibili da aggiungere a posteriori una volta che il serbatoio è stato isolato, e sono quindi decisioni progettuali con una scadenza di fabbricazione associata. Sono anche le caratteristiche più spesso assenti da un capitolato d'appalto, perché ciascuna appare di importanza minore su un disegno di disposizione generale. Le predisposizioni strutturali meritano attenzione, poiché le parti interne non sono prive di peso: un gruppo diffusore abbastanza grande da distribuire il flusso sull'area in pianta, una serie di deflettori che attraversano il serbatoio e una serie di supporti per sensori impongono tutti dei carichi sul mantello e sul fondo, e tali carichi devono essere sopportati dall'irrigidimento e dalla fondazione, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio tes.
· Posizioni e numero delle tasche per sensori: saldate al mantello durante la fabbricazione, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
· Dimensione e posizione dell'apertura di accesso: fissate nel modello delle lastre e tagliate prima della smaltatura, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
· Supporto del diffusore e percorso di carico interno: parte della progettazione del serbatoio e della fondazione, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
· Dimensioni e posizioni degli ugelli: le penetrazioni del mantello non possono essere saldate in campo successivamente, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
· Dettagli della barriera al vapore su ogni penetrazione: progettati prima del montaggio dell'isolamento, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
Accettazione rispetto alla capacità utilizzabile, e il test di messa in servizio che lo dimostra
Il criterio di accettazione deriva dal dovere. Non è il volume del guscio e non è una singola lettura della temperatura di uscita. È il volume erogabile alla temperatura di uscita fredda e il volume erogabile alla temperatura di uscita calda, con lo spessore della termoclina registrato attraverso un ciclo definito di riempimento e svuotamento. Il volume del guscio nel calcolo illustrativo seguente è 628,3 m3, da un diametro di 10 m e un'altezza rettilinea del guscio di 8 m; la fascia, i volumi morti e gli abbassamenti all'uscita vengono poi dedotti da esso. Tutti i valori nella tabella sono input illustrativi utilizzati per dimostrare il metodo e non costituiscono una proposta di progettazione né un requisito di progetto, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
· Capacità utilizzabile alle temperature di mandata fredda e calda indicate, e tolleranza di banda, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
· Orientamento del serbatoio con gli ingressi freddo e caldo e i prelievi su un disegno di disposizione generale, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
· Famiglia di diffusori, area di scarico e portata di carica di progetto rispetto alla quale è dimensionato, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
· Disposizione dei deflettori con orientamento, estensione e dimensioni delle fessure che mantengono il serbatoio lavabile, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
· Programma delle tasche per sensori con quote, conteggio e metodo di sigillatura della bocca della tasca, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
Banda di transizione | Capacità utilizzabile | Quota del mantello | Lettura per il contratto |
10 m3 | 618,3 m3 | 98,4% | Perdita di banda entro la tolleranza usuale in uscita |
20 m3 | 608,3 m3 | 96,8% | La perdita diventa una voce contrattuale una volta dichiarata la banda |
40 m3 | 588,3 m3 | 93,6% | Il volume del mantello e il volume utile si sono separati in modo sostanziale |
Domande frequenti
D1. Perché la stratificazione determina la capacità utilizzabile?
Perché i due strati sono separati da una banda di transizione all'interno della quale la temperatura cambia continuamente, e quella banda non appartiene a nessuna delle due uscite. La capacità utilizzabile è il volume del mantello meno la banda, le zone morte dietro i deflettori e i volumi esterni ai punti di prelievo. Lo spessore della banda dipende dalla geometria del diffusore, non dalle dimensioni del serbatoio, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
D2. Come si forma una termoclina?
L'acqua fredda e quella calda differiscono in densità, quindi un flusso freddo introdotto in basso nel serbatoio si diffonde sotto l'acqua più calda già presente e rimane al di sotto di essa, mentre l'acqua calda sale e si raccoglie sopra. Tra di esse si forma una regione di transizione, e il suo spessore dipende da quanto i due flussi si sono mescolati prima che gli strati si stabilizzassero. La disposizione degli ingressi e la velocità di ingresso contano quanto la geometria del serbatoio, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
D3. Cosa lo distrugge?
Tre meccanismi. La quantità di moto del getto in ingresso spinge nel strato caldo e trascina l'acqua calda verso il basso. La conduzione e l'apporto di calore attraverso il mantello, il tetto e ogni penetrazione che attraversa l'isolamento producono pennacchi locali che erodono l'interfaccia dall'esterno verso l'interno. Il cortocircuito consente ai flussi di incontrarsi, perché un'uscita attinge dall'altro strato, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
D4. Quali tipi di diffusore esistono?
Le famiglie comuni sono il diffusore radiale che scarica verso l'esterno su un'area circolare, il collettore perforato con ugelli a un livello, il diffusore a fessura con fessure verticali o orizzontali, l'uscita a bassa velocità che si diffonde sull'intera area in pianta e il distributore a gamba di caduta con laterali utilizzato nei gusci orizzontali. Ognuno bilancia il controllo della quantità di moto rispetto all'accesso per la pulizia, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio tes.
D5. Perché i recipienti orizzontali necessitano di deflettori?
In un guscio orizzontale l'asse di flusso e il vettore di gravità sono perpendicolari, quindi i flussi devono essere guidati anziché lasciati depositare. I deflettori interrompono il percorso longitudinale che trasporta l'acqua calda verso l'ingresso freddo, e i deflettori inclinati possono reindirizzare un flusso verso il basso o verso l'alto. La loro orientazione decide l'effetto, e un deflettore sigillato lascia volumi morti, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
D6. Come viene misurata la posizione della termoclina?
Tramite un profilo di temperatura verticale rilevato con sonde a più quote, normalmente alloggiate in tasche per sensori sigillate saldate al guscio o ai supporti interni. Il numero e le quote devono essere specificati nella specifica, e il profilo viene registrato attraverso un ciclo di riempimento e svuotamento anziché campionato una sola volta, perché una singola lettura non può separare una banda stabile da una transitoria, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
D7. Perché sono necessari sia l'isolamento che una barriera al vapore?
La superficie isolata si trova al di sotto del punto di rugiada dell'aria circostante per gran parte dell'anno, quindi la barriera al vapore impedisce all'umidità di penetrare nell'isolamento e mantiene la superficie esterna vicina alla temperatura ambiente. Una barriera danneggiata condensa l'umidità all'interno dell'isolamento, bagna il rivestimento e annulla le prestazioni termiche che l'isolamento era stato installato per fornire. I due componenti svolgono funzioni diverse e nessuno dei due sostituisce l'altro, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
D8. Quali disposizioni progettuali devono essere definite prima della fabbricazione?
Le posizioni e il numero dei pozzetti per sensori, le dimensioni e le posizioni delle aperture di accesso, il supporto del diffusore e il percorso dei carichi interni, le dimensioni e le posizioni degli ugelli e i dettagli della barriera al vapore attorno a ogni penetrazione. Tutto viene fabbricato nel serbatoio o definito prima dell'installazione dell'isolamento, quindi nulla può essere aggiunto durante la messa in servizio senza tagliare il mantello, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
D9. Perché l'accettazione si basa sulla capacità utilizzabile anziché sul volume del mantello?
Perché il cliente acquista due temperature contemporaneamente, non una quantità di acciaio. Il volume del mantello è il punto di partenza geometrico; la quantità contrattuale è il volume erogabile alle temperature di uscita fredda e calda. Sulla geometria illustrativa di 10 m di diametro e 8 m di mantello rettilineo, il volume del mantello è 628,3 m3 e una fascia di 40 m3 lascia 588,3 m3 utilizzabili, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
D10. Come verifica la messa in servizio la stratificazione?
Eseguendo il ciclo di carica e prelievo si osserverà effettivamente il carico di lavoro e si registrerà il profilo di temperatura a intervalli fissi fino alla stabilizzazione, quindi si registrerà la banda tra i due strati e i volumi erogati a ciascuna uscita. Il test deve essere eseguito alle portate di carica e prelievo di progetto, perché una portata ridotta stratificherà un serbatoio che in esercizio si mescola male, come dettagliato per il diffusore di stratificazione del serbatoio TES.
Un serbatoio di acqua refrigerata stratificato viene acquistato per il volume che fornisce a due temperature, e quel volume è prodotto dalla geometria del diffusore e del deflettore piuttosto che dall'involucro in cui viene fornito. La conseguenza ingegneristica è che le parti interne costituiscono il progetto, e che le riserve attorno ad esse, le tasche per i sensori, i passi d'uomo di accesso, il supporto interno e i dettagli della barriera al vapore, sono decisioni di fabbricazione con una scadenza associata. Specificare il serbatoio sul volume dell'involucro e metterlo in servizio su una singola temperatura di uscita lascia all'acquirente la proprietà della differenza. Specificare la capacità utile a una banda dichiarata, fissare le predisposizioni prima che il recipiente venga isolato e accettare il risultato rispetto a un profilo di temperatura rilevato attraverso un ciclo di riempimento e svuotamento alle portate di progetto sono le decisioni che trasformano un recipiente d'acqua in un accumulo stratificato, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
Parla con un ingegnere
Per un serbatoio di acqua refrigerata a stratificazione, inviare le portate di carica e prelievo, le temperature di mandata e ritorno fredda e calda con la banda di tolleranza, la capacità utile richiesta a ciascuna uscita, l'orientamento del serbatoio e l'ingombro disponibile, il volume del mantello in esame con la sua geometria, la disposizione dell'isolamento e della barriera al vapore, il requisito del tetto o della cupola, la base sismica e del vento del sito, e il numero e le posizioni dei punti di misura della temperatura necessari per il test di messa in servizio. Restituiremo una disposizione generale con la disposizione del diffusore e dei deflettori sviluppata in base alla portata di carica, un calcolo della capacità utile con la deduzione della banda di transizione dichiarata, un programma dei pozzetti dei sensori e dei passi d'uomo, una valutazione strutturale dei carichi interni, e un test di messa in servizio con l'intervallo di registrazione e il valore di accettazione per la banda, come dettagliato per tes tank stratification diffuser.
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 fusion-bonded (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 diffusore di stratificazione del serbatoio tes.
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