データセンター冷却ループにおける膨張タンクと加圧タンク
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データセンター冷却ループにおける膨張容器と加圧タンク
閉鎖型冷水ループには、相反する3つの理由から圧力境界が必要である。水は加熱されると膨張し、ポンプ吸入口は蒸気圧を上回るために正のヘッドを必要とし、システムの最上部は最も強い構成部品が許容圧力に達する前に逃がし経路を必要とする。膨張タンクは低温時にループ内へ放出して、水が収縮によって手放す体積を補い、ループが暖まるとそれを再び取り戻す。サイズ決定は2段階である。第1段階は、設計温度範囲におけるシステム全体の水の熱体積変化である。第2段階は圧力の問題である。その体積はタンクの予圧力と最大許容圧力の間で吸収されなければならず、温度範囲だけでなく、これら2つの数値の比率がタンクの物理的サイズを決定する。ダイヤフラム式またはブラダー式タンクとコードスタンプ付き圧力容器のどちらを選ぶかは、その圧力クラスと、プラントが設置されている場所で施行されている圧力機器規制に従う。冷水用膨張タンク
閉ループに圧力境界が必要な理由
開放式冷却塔システムでは、ループ内に圧力容器は不要です。なぜなら、塔の水槽は大気圧にあり、ポンプが全揚程を発生させるからです。閉ループではその基準がなくなるため、一度に3つの要件が現れ、膨張タンク冷水の回路内のあらゆる箇所で単一の圧力レベルによって満たさなければなりません
第一は水の膨張で、閉ループでは行き場がありません。第二は下限です。プラントが冷えているとき、またはある区画が排水されたとき、ポンプ吸込側は予想される最低温度における水の蒸気圧より上に保たれなければなりません。第三は上限です。最も弱い構成部品の許容圧力を超えた場合の逃がし経路です。これらが膨張タンク冷水の使用可能な圧力帯を定めます
容積と温度範囲から膨張容器のサイズを決定する
最初の計算は熱計算です。システム内の総水量（膨張タンク自体、配管、熱交換器、および接続されている容器や槽を含む）を取得し、設計範囲における水の体積膨張係数を掛けます。この係数は、2つの温度における水の比体積から求められます。膨張タンクの冷水の場合、5℃で1.000 L/kg、40℃で1.008 L/kgです
説明用の入力値のみを使用した場合、5℃で充填され40℃向けに設計された1,000 m3の水を保持するシステムでは、約8.0 m3の膨張体積が生じます。これは容器が受け入れ、かつ戻さなければならない体積です。グリコール混合液は比体積が異なるため、グリコールを充填したループでは膨張タンクの冷水に対してグリコールの特性を使用します
段階 | 入力 | 方法 | 参考結果 |
熱による体積変化 | システム総水量 | 水の膨張係数を掛ける | 1,000 m3 x 0.008 = 8.0 m3 |
圧力帯 | 予圧および最大許容圧力 | 容器が作動する圧力帯を設定する | 200 kPa abs から 700 kPa abs |
受入係数 | 同じ2つの圧力 | 最大許容値割る差 | 700 / (700 - 200) = 1.40 |
容器容積 | 膨張容積と受容率 | 2つの数値を掛ける | 8.0 x 1.40 = 11.2 m3 |
予圧、系統圧力、受容チェック
予圧とは、容器が系統から切り離され、水が入っていない状態での容器内のガスクッションの圧力です。これは容器の高さにおける冷間静圧に余裕を加えて設定されるため、容器は冷却に伴うループの収縮を受け入れられる状態にあり、起動のたびに空になることはありません。膨張タンクの冷水に対してポンプ吐出圧に設定されることは決してありません。
受け入れチェックは計算ではなく一連の読み取り値であり、容器の設定ミスが発見される場所です。システムが満水で低温、ポンプが停止している状態で、容器の圧力はほぼ予充填圧を示すはずです。それより低い場合、ガスクッションは圧力を失っているか水を吸収しています。それより高い場合、静圧が膨張タンク冷温水用として想定された値より高くなっています
ダイヤフラム式、ブラダー式、およびコード付き圧力容器の比較
コードなしの2つの構造は、保守にとって重要な1つの点で異なります。それは柔軟膜がどこに保持されているかです。ダイヤフラム式容器では、膜はシェルと端蓋に溶接されているため、耐圧部品ではなく、ガスのゆっくりした損失が漏れ経路を生じることはありません。ブラダー式容器では、膜は膨張タンク冷温水用の端蓋によって保持される別個の袋です
ブレダーは溶接なしで交換できるため、大型容器や定期ブレダー交換が保守計画に含まれる場合に一般的ですが、経時的に界面で水を吸収するため、正しい予圧設定で更新する必要があります。コードスタンプ付き圧力容器は、より優れたバージョンというよりも別の製品であり、冷水膨張タンク用として圧力容器コードに基づいて設計、製作、試験、スタンプ、登録されています。
コード付き容器が必要とされる場合と、文書に示す必要がある内容
決定は二段階で行われます。第一段階は規制上の判断です。プラントが稼働する管轄区域の圧力機器規制に照らして、設計圧力、容器容積、流体分類、および用途別の免除規定が確認されます。規制当局は通常、容積と圧力の組み合わせで閾値を定義しており、それを超える容器は膨張タンクの冷水に対する設計認証の対象となります
第2段階は、システムの最大許容使用圧力であり、呼び圧力ではありません。ポンプ起動時に900 kPaのスパイクが発生する可能性があるループでは、定常運転圧力が低くても、コード対応の容器が必要になる場合があります。その後、ドキュメントは具体的なリストとなります。ASME Section VIII Div 1の容器の場合、設計者および公認検査機関を示すUスタンプ、National Board登録、Form U-1報告書、最大許容使用圧力の1.3倍での水圧試験、および膨張タンク冷温水の材料トレーサビリティ記録です。
ベント、空気抜き、および試運転の手順
適切に空気抜きが行われたことのない膨張タンクは、圧力はあるものの膨張タンクが機能していないシステムの最も一般的な原因です。閉じ込められた空気はタンク内部の水柱の上に位置し、ガスクッションが圧縮されるべきまさにその方法で圧縮され、その結果タンクは公称容量のほんの一部しかないかのように振る舞います。症状は、チラーユニット冷温水用膨張タンクにおいて、高温の気泡を伴いながらシステム圧力が徐々に上昇することです
試運転の手順はシステムの物理的な順序に従います。ループは高所の空気抜き弁を開けた状態で接続点から充填され、空気が閉じ込められるのではなく前方へ押し出されます。次にタンクを隔離し、水側の上部で空気抜きを行ってガス側の圧力を予圧と照合し、低下していれば再充填します。そしてチラーユニット冷温水用膨張タンクについて、冷間静水状態でタンクの圧力が読み取られます
容器がループ内のどこに配置され、どのように隔離されるか
容器はポンプの吸込側に設置し、利用可能な最も低い位置で吸込ヘッダーに接続します。吸込側ではシステム内で最も低い圧力がかかるため、適度な予圧でポンプを蒸気形成から保護でき、また吐出された水がポンプ入口に到達する場所でもあります。ポンプ吐出側に容器を設置することもできますが、その場合はポンプ全揚程がかかり、膨張タンク用冷温水に対応します
接続の詳細は図面上の位置よりも重要です。各容器には、ループを排水せずに取り外せるように隔離弁が必要であり、容器を空にしてブラダーまたはダイヤフラムを交換できるように最下点にドレン弁が必要であり、予圧を設定するためにガス側に充填・ブリード接続が必要です。また、膨張タンクの冷水の膨張時に容器への流れを制限しないように、接続のサイズを決定する必要があります。
水質、グリコール適合性、腐食
ループ内の流体は、一度に複数の事柄を決定します。サイジングに使用される膨張係数、接液材料の腐食挙動、そして膜が内部の流体と適合するかどうかです。グリコール充填ループは、グリコールの特性に基づいてサイジングする必要があり、膜は設計濃度および設計温度におけるそのグリコールに対して定格を有するものでなければなりません。グリコールは時間の経過とともに劣化し、劣化生成物はより腐食性が高くなるため、インヒビターパッケージと流体の交換間隔は、膨張タンク冷温水の水質管理プログラムに含まれます。
腐食の問題は流体適合性とは別です。閉ループでは、酸素の侵入が通常の引き金となるため、ループは加圧状態に保たれ、空気を遮断する装置を通してベントされます。充填が開放式の補給接続である場合、腐食代と炭素鋼かステンレスかの選択に対処する必要があります。コーティングされた容器の場合、コーティングは流体と適合性があり、膨張タンクの冷水を充填する前に検証する必要があります
仕様リストと試運転前チェックリスト
圧力容器の仕様は、容器を特定する前に圧力帯を確定しなければならない。なぜなら、下流のすべてがそれに依存するからである。見積依頼には、配管を含むシステム全体の水量、充填温度と設計最高温度、流体とその濃度、冷水充填時の容器設置高さにおける静圧、ループの最高許容使用圧力、地域の規制と認証ルート、および膨張タンク冷水用の隔離・通気配置を含める必要がある。
試運転前チェックリストは、計算と設置済みの容器との間のギャップを埋めるものであり、内容は簡潔である。設計に対する容器の識別と銘板、接続前後の予充電記録、予充電に対する冷水充填圧力の読み取り、容器およびループの高所からの空気抜き、リリーフ設定の確認、膨張タンク冷水用の各隔離弁の位置とロック状態である
· 配管、熱交換器、および膨張タンク冷水用のあらゆる槽を含む、システム全体の水量
· 充填および設計最高温度、ならびに膨張タンク冷水用の流体とその濃度
· 冷水充填時の容器高さにおける静圧。膨張タンクの冷水用予圧設定に使用
· ループの最大許容使用圧力、および膨張タンクの冷水用リリーフ設定
· 膨張タンクの冷水用予圧と最大許容圧力の間の許容係数
· 認証ルート：現地規制および膨張タンクの冷水用に必要なスタンピング
· 接液材料仕様、および膨張タンクの冷水用の膜材料とその流体・温度定格
· 膨張タンクの冷水用の容器における隔離弁、ドレン弁、充填接続部およびベントポイント
· 膨張タンクの冷水用の充填前の漏れ試験を含むコーティング検証記録
プロジェクトケーススタディ
この用途における参考納入事例で、検証済みプロジェクトライブラリから引用。マッチレベルC。EN 13445に準拠して設計された溶接圧力容器で、ASTM A516 Gr.70製、準海洋環境向けのC5Mエポキシコーティングを施している。圧力容器のエンジニアリングおよび製作能力を実証するものである。ASME Section VIII認証容器ではないため、本記事ではASMEのケースとしては使用されておらず、膨張タンクの冷水について詳述されているとおりである。
プロジェクトID | 国 | 製品 | 容量 | タンク数 | 寸法 | 完了 | 供給範囲 |
MT-PRESS-2.29 | マルタ | 圧力容器 | 2.29 m3 | 2 | ID1240 × 1840 mm および ID1200 × 1665 mm | 利用可能な情報源には記録されていません | 記録なし |
EN 13445に準拠して設計された溶接圧力容器で、ASTM A516 Gr.70製、準海洋環境向けのC5Mエポキシコーティングを施しています。これは圧力容器のエンジニアリングおよび製作能力を示すものです。ASME Section VIII認証容器ではないため、この記事ではASMEケースとしては使用されておらず、冷水膨張タンクについて詳述されているとおりです。
よくある質問
Q1. 閉ループに圧力境界が必要なのはなぜですか？
閉ループは、開放型冷却塔システムが提供する大気圧の基準を失うため、圧力レベルだけでは三つの要件を満たす必要があります。水は温まると膨張し、ポンプ吸入口はプラントが低温のときに蒸気圧を上回るために正のヘッドを必要とし、最高点には膨張タンクの冷水に対する最も弱い部品の許容圧力を超える逃し経路が必要です
Q2. 膨張タンクのサイズはどのように決定しますか？
2段階で行います。まず、設計範囲におけるシステム全体の水の熱膨張を水の比体積から計算し、容器が受け入れるべき体積を求めます。次に、その体積を予圧と最大許容圧力の間で吸収する必要があり、両者の比率が膨張タンク冷水用の受容係数となります
Q3. 予圧とシステム圧力の関係は何ですか？
予圧は、容器の設置高さにおける冷間静圧に、静水頭の変動と配管の圧力損失をカバーするマージンを加えて設定されるため、容器は毎回の起動時に空になるのではなく、収縮を受け入れる準備ができています。ポンプ吐出圧力に設定されることは決してありません。受容性チェックでは、膨張タンク冷水用の冷間充填時の容器圧力を読み取ります
Q4. ダイヤフラム容器はブレダー容器に対してどのように選定されますか？
ダイヤフラムはシェルとエンドカバーに溶接されているため、耐圧部品ではなく、ガスのゆっくりとした損失が漏れ経路になることはありません。ブラダはエンドカバーで保持された独立した密閉袋であり、耐圧要素であるため、溶接なしで交換可能ですが、膨張タンク用冷温水に対して吸収を行います
Q5. ASMEコード容器はいつ必要ですか？
地域の圧力容器規制により、設計圧力、容器容積、流体分類の組み合わせで通常定義される認証基準値を容器が上回る場合、または所有者、保険会社、顧客の仕様によりその基準値に関係なく認証が要求される場合。チェックは、膨張タンク冷水の公称圧力ではなく、最大許容使用圧力に対して行われます
Q6. ベントと空気抜きはどのように試運転されますか？
ループは、高点ベントを開いた状態で接続点から充填され、空気が前方へ押し出されます。その後、容器は隔離され、上部でブリードされてガス側圧力が予充填圧力と比較され、低下していれば再充填され、容器の圧力は膨張タンクの冷水の冷間静的状態で読み取られます
Q7. 容器はループ内のどこに位置し、どのように隔離されていますか？
ポンプの吸入側では、利用可能な最も低い位置で吸入ヘッダーに接続し、回路内で最も低い圧力がかかるようにすることで、低予備圧時の蒸気形成からポンプを保護できます。各容器には遮断弁、ブラダ交換用のドレン弁、および膨張タンク冷水用のガス側の充填・ブリード接続が必要です
Q8. 水質と腐食には何が必要ですか？
流体は、サイジングに使用される膨張係数、接液材料の腐食挙動、および膜の適合性と温度定格を決定します。グリコールループはグリコールの特性に基づいてサイジングされ、インヒビターパッケージと流体交換間隔は、膨張タンク冷水用について詳述されているように、水質プログラムに含める必要があります。
設計圧力と設計温度は、膨張タンクを選定する前に確定しなければならない。なぜなら、予圧と最大許容圧力の間の圧力帯がタンクの物理的サイズを決定し、地域の圧力機器規制がそのタンクが刻印付き圧力容器であるか非コード圧力部品であるかを決定するからである。この順序がこのトピックの全体内容である。温度範囲だけで指定されたタンクはサイズが不適切になり、呼び圧力だけで指定されたタンクは認証クラスが不適切になる。計算の2つの段階、すなわち予圧受入検査と試運転手順が、仕様を、冷水用膨張タンクとして購入された目的を果たしていることを検証できるタンクへと変えるのである。
エンジニアに相談する
冷水ループ内の膨張タンクまたは加圧タンクについて、配管および熱交換器を含むシステム総水量、充填温度と設計最高温度、流体とその濃度、冷間充填時のタンク設置高さにおける静圧、ループの最大許容使用圧力と意図する逃し設定圧力、現地の圧力機器規制と必要な認証ルート、および隔離・ベント配置をお送りください。熱膨張量、受入係数、結果としてのタンク容積、設定すべき予圧と記録すべき受入測定値、材料と膜の推奨、および冷水用膨張タンクの現地向け試運転前チェックリストを示すサイジング検討書を返却いたします。
Center Enamelについて
石家荘正忠科技有限公司（Center Enamel）は、2008年からボルト締め貯蔵タンクの設計と製造に専念している専門メーカーです。製品範囲には、ガラス融着鋼（GFS）タンク、溶融結合エポキシ（FBE）タンク、ステンレス鋼タンク、亜鉛メッキ鋼タンク、アルミニウムジオデシックドーム屋根が含まれ、さらにEPC技術サポートとタンク付属品も提供しています。生産はISO 9001、ISO 14001、ISO 45001の下で行われ、製品範囲は用途に応じてNSF/ANSI 61、WRAS、CE、EN 1090、ISO 28765、AWWA D103-09、NFPAの認証を取得しています。同社は約200件の琺瑯特許を保有し、150,000 m2の生産拠点を運営し、年間約300,000枚の琺瑯コーティング鋼板を生産し、30,000件以上の設置プロジェクトを完了し、100か国以上にタンクを出荷しています。エンジニアリング設計能力は最大60,000 m3のタンク容量に対応しており、膨張タンクの冷水用として詳述されています。
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