成層式冷水貯蔵タンク：熱成層と入口/出口の形状
作成日 今日
成層冷水貯蔵タンク：熱成層と入口/出口の形状
成層化された冷水貯蔵タンクでは、有効容量とは温度差全体にわたって供給できる冷熱のことであり、その温度差は安定した密度流が保護されて初めて維持されます。冷水入口と出口を低く、温水戻りを高く配置し、ディフューザーとバッフルを用いて入口の運動量が温度躍層を破壊しないようにし、試運転時に実際に供給されたエネルギーと理想値との比較によって混合損失を測定します。
はじめに
成層化された冷水貯蔵タンクは熱エネルギー貯蔵容器であり、冷水・HVAC用途の構成要素であって消防用水貯蔵タンクではないため、消防用水用途を規定するNFPA 22の防火章のマップは適用されません。その製品は水の体積ではなく、温度差全体にわたって供給される冷熱の体積であり、その温度差はタンクが成層化されている場合にのみ利用可能です。入口と出口の形状が、その温度差が維持されるかどうかを決定します。
この記事は、成層を維持する形状について述べています。冷たい下層と暖かい上層の間の密度流が守るべき対象である理由、入口と出口をどこに配置すべきか、ディフューザーとバッフルが流入流によって温度躍層が破壊されるのをどう防ぐか、そして形状が機能しない場合に混合による損失がどのように測定されるかについてです。テストの枠組みとなる参考文献は、ASHRAEのガイダンスと、蓄熱タンクに関するIAPMOの統一テスト手順です。
以降のすべてを左右する2つの数値があります。蓄えられるエネルギーは rho V cp (T_warm - T_cold) であり、有効容量はタンクが実際に供給できるそのエネルギーの割合です。成層は全温度範囲を有効に使えるようにするものであり、混合はそれを奪うものです。形状はこの2つの差を生むものであり、偶然に任せるのではなく設計する価値があります。
成層が有効容量にとって重要な理由
成層化が重要なのは、タンクの製品が水温差に蓄えられたエネルギーであり、単なる水の体積ではないからです。理想的な蓄えられるエネルギーは rho V cp (T_warm - T_cold) です。あるタンクに対して、より広く完全に利用された温度差はより多くの冷熱を蓄えます。タンクが成層化を保てば、チラーは底部の冷たい層を蓄冷でき、負荷はそこから取り出すことができ、温かい戻り水は上部に留まり、温度差全体が両方に利用可能です。
タンクが混合すると、全体積が単一の平均温度に向かって移動し、利用可能な冷熱はゼロに向かって崩壊します。なぜなら、取り出すべき冷たい層がもはや存在しないからです。タンクは水で満たされていても、有用なものをほとんど供給できません。したがって、成層化を保つ形状は、直接的に、利用可能な容量を保つ形状であり、それがこれが細部ではなく設計上の問題として扱われる理由です。
密度流とそれを維持するもの
密度流とは、対象となる温度において冷水が温水より密度が高いという事実によって駆動される緩やかな循環です。充填されたタンクでは、冷たい層が温かい層の下にあり、温度躍層によって隔てられており、両者の間の浮力が層を分離したままにします。この流れは、密度差が保たれ、界面を撹拌するのに十分な運動量を注入するものが何もない限り維持されます。
実際にそれを支えているのは、接続部における規律である。流入する流れは正しい層に、その層に沿って広がる程度に十分低い速度で入らなければならず、層を突き抜けてはならない。浮力の復元力に対して入口の運動量が小さい場合、すなわち高いリチャードソン数または低い内部フルード数で表される場合、水温躍層は維持される。運動量が支配的になると、躍層は破壊され、タンク内は混合する。
入口と出口の高さ
温度成層のルールは密度に従います。冷水は下部に、温水は上部に配置されます。冷水供給（冷流）はタンクの底部から入り、底部から取り出され、温水戻りは上部から入ります。これにより各流れがそれぞれの密度層に保たれ、温度躍層がそれらの間に乱されずに位置します。
温度成層を正しく設定することは、どちらがどちらかということだけでなく、流入する流れが途中で温度躍層を横切ることなくその層に到達するように接続部を配置することでもあります。冷水入口が高すぎる位置に設定されたり、温水戻りが低すぎる位置に設定されたりすると、誤った密度の水が誤った層に注入され、最初の充填から混合が始まります。したがって、温度成層は目標とする温度躍層の位置と各ノズルが供給すべき層から設定されます。
ディフューザーとバッフルの配置
ディフューザーとバッフルは、入口の運動量を減衰させるために存在します。ディフューザーは、多数の小さな開口部を通して低速で入流を広い面積に分散させるため、流れはサーモクラインを突き抜けるジェットとしてではなく、穏やかにその層に到達します。バッフルは、マニホールドが実用的でない場所で同じ目的のために流れを偏向・分配します。
· 接近流速が低くなる十分な開口面積を持つディフューザーを使用してください。通常は毎秒1メートルの何分の1かといった小さな値で、供給する層に合わせます。
· 開口部をタンク断面全体に分散させ、流れが点ではなく面として入るようにしてください。
· ディフューザーを正しい密度層内に配置してください。温水戻りの場合は低温界面より上、冷水供給の場合はその下です。
· バッフルは、熱成層を再巻き込む高速ジェットを生じさせることなく流れを転向させるようにサイズを決定する。
混合ペナルティの測定方法
混合ペナルティは、タンクが実際に供給するエネルギーと理想的な rho V cp (T_warm - T_cold) との差として測定される。一般的な現場手法では、充填時と放流時にタンク高さ方向の温度プロファイルを記録し、供給された冷熱を理想値と比較して積分する。その比率が貯蔵効率であり、1からそれを引いたものがペナルティである。
第二の実用的な指標は熱成層の厚さである。鋭い界面は混合が少ないことを意味し、厚くぼやけた界面は層が混ざり合ってペナルティが増大していることを意味する。IAPMOの統一試験手順はこれを実施するための構造化された方法を提供し、その結果は、タンクが成層しているように見えるかどうかという印象ではなく、設計効率と比較できる数値となる。
ショートサーキットとその見つけ方
ショートサーキットとは、流体がタンク内に貯留された容積を通らずに流入・流出してしまう故障であり、蓄えた冷熱が供給されず、温かい戻り水が温水層に合流しない現象です。これは、入口と出口が直接つながるような形状、すなわちノズルが近接して配置されている、単一の結合された接続部がある、または入口がタンクの短手方向に向けられていることによって引き起こされます。
これは温度プロファイルと物質収支によって発見されます。取り出し温度が戻り温度にあまりにも近く追従する場合、または中段高さのセンサーが温度成層の形成をまったく検知しない場合、流体は蓄熱槽をバイパスしています。設計時の数値流体解析と試運転時のプロファイル記録が、タンクが受け入れられる前にこれを捉える2つの方法です。なぜなら、ショートサーキットしたタンクは満杯に見えても空の性能しか発揮しないからです。
試運転チェック
試運転検査では、温度躍層が形成され、持続し、機能することを確認します。複数の高さの温度センサーが、完全な充電と放電を通じてプロファイルを記録し、レビュー担当者は、明確な低温層、高温層、温度躍層が現れること、および供給されたエネルギーが設計上の有効性と一致することを確認します。
· 設計が予測する温度躍層帯を含む、複数の高さに温度センサーを設置します。
· 完全な充電と放電を記録し、層と界面が設計どおりに形成されることを確認します。
· 供給された冷熱と理想エネルギーから貯蔵有効性を計算します。
· 中間高さのプロファイルと物質収支を確認することで、短絡がないことを確かめます。
· 後でタンクを再検証できるよう、IAPMO形式の試験基準に照らして結果を記録します。
幾何学的手法の限界
形状には限界があり、それを明示することで設計の誠実さが保たれます。適切な入口と出口の形状であっても、サイズが間違っているタンク、貯蔵する価値がないほど小さすぎる温度差、あるいは設計の悪い分配システムからすでに混合された状態で流入する水を回復することはできません。壁を通じた外部からの熱取得も時間の経過とともに温度差を侵食し、これはディフューザーの設計ではなく断熱によって対処されます。
形状効果も存在します。非常に幅が広く浅いタンク、あるいは非常に狭く高いタンクは、ディフューザーが流れを広げなければならない距離と層の安定性を変化させるため、形状は別のタンクからコピーするのではなくアスペクト比に合わせて調整されます。要点は、形状は使用可能な容量を得るための必要条件ではあるが十分条件ではないということであり、設計は形状が達成するものと達成できないものの両方を明示します。
成層を維持する形状基準
要素 | ルール | 理由 | 誤った場合の障害 |
冷水入口／出口 | タンク底部にて | 冷水は密度が高く、低位置に留まる | 誤った層への注入は混合を引き起こす |
温水戻り | タンク上部にて | 温水は浮上する | 初回充填時に温度躍層が破壊される |
ディフューザー流速 | 低く、面積全体に分散 | 低い運動量が界面を保護する | ジェットが温度躍層を貫通する |
ディフューザー位置 | 正しい層内に配置 | 適切な密度に供給する | 層間の巻き込み |
バッフル | ジェットを伴わずに流れを変向する | 穏やかに分散する | 界面を再巻き込む |
ノズル | 分離され、統合されていない | ショートサーキットを防ぐ | 流れが蓄熱部をバイパスする |
混合ペナルティと有効性
量 | 定義 | 理想値 | 測定位置 |
蓄えられたエネルギー | rho V cp (T_warm - T_cold) | 全範囲が使用される | 設計基準 |
供給エネルギー | 積分された冷熱取出し量 | 蓄えられた量と等しい | 充放電ログ |
蓄熱有効性 | 実供給量 / 理想値 | 1.0 | 試運転 |
混合ペナルティ | 1 - 有効性 | 0 | 試運転調整 |
温度躍層の厚さ | インターフェースの鮮明さ | 薄型 | プロファイルセンサー |
Center Enamelについて
Center Enamel（石家庄正中科技有限公司）は、ボルト締め鋼製貯蔵タンク、溶接鋼製タンク、溶融結合エポキシタンク、亜鉛メッキタンク、ステンレス鋼製容器、圧力容器、アルミニウムジオデシックドーム屋根および浮き屋根の設計・製作を行っています。同社は30年以上の生産経験を有し、100か国以上のプロジェクトに設備を供給してきました。アルミニウムジオデシックドーム屋根はAPI 650 Appendix G、AWWA D108、Aluminum Design Manual、ASCE 7およびIBCに準拠して設計・製作されており、同社は2023年に直径72 mのアルミニウムドーム屋根を開発・輸出しました。エンジニアリング、製作、コーティング、品質管理および現場サービスを一つのスコープとして処理しているため、図面、計算根拠および納入されたハードウェアを相互に照合することができます。
よくある質問
冷水タンクにおける温度成層とは何ですか？
冷水タンク内の温度成層とは、密度によって低温の下層と高温の上層が安定して分離され、その間に温度躍層が形成される現象です。冷水は密度が高いため底部に留まり、温かい還水が上部に浮かぶことで、温度差全体が保持され、チラーと負荷に対して利用可能となります。蓄えられるエネルギーは rho V cp (T_warm - T_cold) であり、成層化によってこの温度差全体が単一の混合温度に平均化されることなく利用可能になるのです。
入口と出口はどこに配置すべきですか？
冷水は密度が高いため下に、温水は上に位置します。冷水の供給と冷たい取り出しはタンクの底部にあり、温かい戻り水は上部から入るため、各流れはそれぞれの密度層にとどまり、その間に温度躍層が位置します。正確な高さは、目標とする温度躍層の位置と各ノズルが供給すべき層から設定されるため、誤った層に配置された入口や出口は最初の充填から混合を引き起こします。
混合はどのようにして有効容量を減少させるのですか？
混合は温度差を単一の平均温度に向かって崩壊させるため、取り出すべき明確な低温層が残らず、タンクが満杯であっても利用可能な冷熱はゼロに近づく。蓄えられたエネルギー式は、T_warmからT_coldを引いた全量が利用可能であると仮定しているが、混合はそれをはるかに小さな実効温度差に置き換えてしまう。混合による損失は、引き渡しエネルギーの損失として測定され、試運転時の蓄熱効率を1から引いた値で表される。
貯蔵タンク内でショートサーキットが発生する原因は何ですか？
ショートサーキットは、流体が貯蔵容積を通過せずに流入・流出する場合に発生し、その結果、供給された冷熱が届けられることはなく、還流する温水がその層に合流することもありません。これは、入口と出口が直接連通できる形状、すなわちノズルが近接して配置されている場合、単一の統合接続部がある場合、または入口が短い寸法方向に向けられている場合に引き起こされます。これは、サーモクラインが決して現れない温度プロファイルと、収支が合わない物質収支によって特定されます。
試運転時に成層状態はどのように検証されますか？
試運転時に、タンク高さ方向の温度プロファイルを完全な充電と放電にわたって記録し、予測される温度躍層帯を含む位置にセンサーを配置して成層を検証すること。明確な低温層、高温層、界面が形成されることを確認し、供給された冷熱と理想的な rho V cp delta-T から蓄熱効率を計算し、中間高さのプロファイルと物質収支からショートサーキットの有無を、IAPMO の均一試験基準に照らして確認すること。
タンクの形状は成層に影響しますか？
はい、間接的に影響します。タンクのアスペクト比は、ディフューザーが流入流をどの程度広げる必要があるか、また層がどの程度安定して維持されるかを変えるため、非常に浅いタンクや非常に高いタンクでは、ずんぐりしたタンクとは異なるディフューザー形状が必要になります。形状自体が成層を生み出すわけではありませんが、成層を維持する難易度を左右し、入口と出口の形状は他のタンクから流用するのではなく、実際のタンク形状に合わせて調整されます。
よく混合されたタンクではどの程度の容量が失われるか？
完全混合タンクでは、使用可能な容量はほぼゼロに近づきます。なぜなら、全体積が一つの平均温度にあり、供給できる冷たい層が存在しないため、蓄えられたエネルギーの式の広がりが崩壊するからです。したがって、よく混合されたタンクはその潜在的貯蔵能力のほとんどすべてを無駄にする可能性があり、そのため入口と出口の形状を通じて温度成層を維持することが、改良ではなく設計の核心と見なされています。
成層化された冷水貯蔵タンクが使用可能な容量を供給できるのは、温度差が維持されている間だけであり、その温度差が維持されるのは、入口と出口の形状が冷たい下層と暖かい上層の間の密度流を保護する場合に限られます。冷たい水は下に、暖かい水は上に、入口の運動量を殺すためのディフューザーとバッフル、そして実供給エネルギーを理想値と比較する試運転チェックが重要です。
ジオメトリは必要ですが十分ではありません。誤った容量、小さすぎるスプレッド、すでに混合された状態で流入する水を修正することはできず、断熱は依然として熱取得を制御しなければなりません。目標スプレッド、充放電速度、タンク形状をお送りいただければ、ディフューザーの根拠と混合ペナルティのチェックをレビュー担当者向けに明記した入口・出口のジオメトリをお返しします。
エンジニアリングチームに相談する
負荷、容量の基準、適用される規格、および設置場所の制約条件をお送りください。当社のエンジニアリングチームが、サプライヤーが見積もり可能で、レビュー担当者が承認できる仕様をご提案します。また、別のタンクタイプや別の範囲の方が適切な回答となる場合は、その旨も率直にお伝えします。
WhatsApp