Tanque de Armazenamento Térmico de Água Gelada: Água Gelada, Gelo e Mudança de Fase Comparados
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Tanque de Armazenamento Térmico de Água Gelada: Água Gelada, Gelo e Mudança de Fase Comparados
Para a maioria dos data centers, o tanque de armazenamento térmico de água gelada é a escolha certa. A água sensível armazena cerca de 6-8 kWh por metro cúbico dentro de uma janela de 5-7 K, não necessita de mudança de fase e custa pouco mais do que o próprio vaso; o gelo armazena várias vezes mais por metro cúbico, mas deve ser produzido com energia da máquina e depois derretido, enquanto o PCM aumenta ainda mais a densidade e ainda precisa de uma serpentina ou camisa para carregar. O meio é decidido pela área do piso, pela duração da janela de pico e pelo orçamento de COP permitido para a instalação, e não pela densidade energética de destaque. Um tanque de armazenamento térmico de água gelada mantém a capacidade de refrigeração como água fria, em vez de gelo ou material de mudança de fase, o que mantém o projeto hidráulico da instalação inalterado e o casco à pressão atmosférica.
Uma questão de armazenamento é, na verdade, uma questão de área útil vestindo uma fantasia de energia. Dois salões com a mesma carga de resfriamento podem alcançar o mesmo resultado de deslocamento de pico com invólucros diferentes, porque o meio interno define quantos metros cúbicos são necessários, quanto tempo o chiller funciona para preenchê-los e como a instalação se comporta na manhã em que o tanque não está pronto.
Três meios concentram a maior parte da base instalada em instalações críticas: água gelada armazenada sensivelmente, gelo formado em uma serpentina interna e material de mudança de fase em um feixe. Cada um proporciona maior densidade com uma penalidade que recai em outro ponto do projeto mecânico, geralmente na energia elétrica, na automação de válvulas ou nas horas de manutenção. Este artigo os coloca lado a lado com base nas quantidades que o engenheiro do proprietário deve defender.
Água Sensível: A Linha de Base Pela Qual Todos os Outros Meios São Medidos
A água é o caso de referência, porque seu mecanismo de armazenamento também é o fluido da tubulação.
· A densidade vem da janela de temperatura. Com cp ≈ 4,186 kJ/kg·K e ρ ≈ 1000 kg/m³, um metro cúbico contém cerca de 1,163 kWh por kelvin, então uma janela de 6 K fornece aproximadamente 7 kWh por m³ antes da desclassificação.
· A disponibilidade utilizável é compreendida. Um tanque de armazenamento térmico de água gelada normalmente entrega 70-90% do teórico, sendo a diferença devida à termoclina e às reservas mantidas em cada extremidade.
· A falha é ruidosa em vez de silenciosa. Uma válvula presa aparece como um aumento da temperatura de alimentação em minutos; a mesma falha num meio congelado desaparece ao longo de horas.
O custo dessa simplicidade é o volume, razão pela qual o estudo do terreno deve começar antes de a escolha do meio ser finalizada.
Armazenamento de Gelo: Densidade Comprada com Energia da Máquina
O gelo aumenta a densidade usando calor latente em vez de calor sensível, e o preço é pago no compressor.
· O caminho de fusão adiciona uma superfície. A descarga acontece através de uma serpentina interna ou de um trocador de calor de fusão, e a taxa é limitada por essa superfície e não pelo volume armazenado.
· O ciclo diário é a norma operacional. A janela de carga repete-se quase todos os dias, colocando a serpentina, a lógica de degelo e o controle de sucção sob ciclagem térmica rotineira.
· Onde o espaço é limitado, o volume cai drasticamente. Em um local urbano com área de casa de máquinas já comprometida com salões, a mesma demanda precisa de uma fração do volume de água.
O gelo deixa um projeto quando o proprietário não consegue justificar o custo extra de energia, ou quando a planta não tem espaço para uma serpentina de degelo que deve permanecer limpa.
Material de Mudança de Fase: Maior Densidade, Mais Trabalho de Integração
O PCM armazena energia em um material que muda de estado próximo à temperatura da água de alimentação.
· A superfície de transferência de calor torna-se o problema. O frio deve entrar e sair da cápsula ou do pacote por condução, então a potência de descarga segue a geometria do pacote em vez do fluxo da bomba.
· O meio de carga ainda precisa de uma serpentina de qualquer forma. Água, glicol ou refrigerante devem mover o calor para dentro e para fora, e esse equipamento ocupa o espaço que o PCM deveria aliviar.
· O superarrefecimento e a sedimentação importam. Um PCM que nunca nucleia, ou que se separa em repouso, transforma silenciosamente um ativo num bloco sem utilidade útil.
O PCM é uma resposta credível numa planta rica, e uma resposta fraca para uma instalação que quer um tanque no qual um técnico possa entrar e verificar com um termómetro.
Escolher pela Consequência, Não pela Densidade
A decisão decorre do que cada meio obriga o resto do projeto a fazer.
1. Verifique o espaço em relação ao seu uso alternativo. Uma carcaça que desloca espaço de salão ou obriga a uma estrutura mais alta custa mais do que o seu preço sugere.
2. Veja o que a equipa de manutenção consegue reparar. A água precisa de tratamento; o gelo precisa de higiene das serpentinas e lógica de degelo; o PCM precisa de um fornecedor que responda pelo módulo após cinco anos de ciclos.
3. Mantenha um meio por linha de armazenamento. Misturar um tanque de água e um vaso de PCM no mesmo coletor acrescenta uma lógica de mudança de modo difícil de comprovar durante a comissionamento.
Onde a planta tem espaço, o tanque de armazenamento térmico de água gelada continua sendo a rota de menor risco: o fluido de armazenamento é o fluido circulante, a medição é um termômetro e um medidor de vazão, e os fatores de desclassificação são os que a indústria registra há décadas.
Especificação Técnica
Item | Água gelada (sensível) | Gelo sobre serpentina | Material de mudança de fase |
Mecanismo de armazenamento | Resfriamento sensível de água líquida | Fusão latente de água em uma serpentina interna | Fusão latente de uma liga ou hidrato projetado |
Densidade de energia teórica | ≈ 1,163 kWh por m³ por K; cerca de 7 kWh por m³ a 6 K | Calor latente do gelo, várias vezes o volume de água | Definido pelo calor de fusão do material |
Fração de retirada utilizável | 70-90% do teórico | Limitado pela superfície da serpentina de fusão e pela taxa de fusão | Limitado pela condução do pacote e pela área de contato |
Energia de carga extra | Nenhuma além da operação normal do chiller | Calor latente de fusão mais uma temperatura de evaporação mais baixa | Carregar energia média mais a aproximação da camisa |
Peças móveis dentro da carcaça | Nenhum | Serpentina, possivelmente agitadores | Nenhum, mas o leito deve ser suportado |
Principal item de manutenção | Biocida, inibidor, controle de incrustação, limpeza periódica | Higiene da serpentina, degelo e controle de sucção | Integridade da cápsula, acomodação do leito, nucleação |
Assinatura de falha | A temperatura de alimentação aumenta em minutos | A capacidade diminui ao longo da janela de descarga | O desempenho entra em colapso quando o leito para de ciclar |
Encaixe típico | Campi com espaço externo, turno de 2 a 6 h | Locais urbanos onde a área útil é limitada | Terrenos compactos que precisam de longas horas em pequeno volume |
Caso de projeto
O nosso trabalho de referência entregue no setor de água e águas residuais inclui grandes instalações multi-tanque entregues segundo os mesmos padrões pelos quais o escopo TES do data center é projetado, incluindo o projeto abaixo.
Resumo do Caso do Projeto
Projeto | Produto | Capacidade | Dimensões | Conclusão |
Namíbia - água potável (P-A) | 01 tanque aparafusado GFS | 44.900 m³ no total | Quatro tanques com φ41.260 × 8.400 mm | Setembro de 2022 |
Quatro cascos com este diâmetro são a prova de uma fraqueza e de uma força da rota da água: a força é que um casco deste tamanho mantém a temperatura quase inalterada ao longo de anos em repouso; a fraqueza é que manter esse frio exige volume. Um tanque de armazenamento térmico de água gelada dimensionado segundo a mesma lógica mantém a sua termoclina onde o difusor a deixa, e a sequência de montagem de quatro tanques iguais é a disciplina usada para colocar em funcionamento uma fazenda de armazenamento multiunidade por etapas.
Capacidade de Engenharia da Center Enamel
A Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd) projeta e fabrica tanques de armazenamento parafusados desde 2008. Como o primeiro fabricante de tanques de aço revestido com vidro (GFS) da China, a empresa possui cerca de 200 patentes relacionadas a esmalte, produz aproximadamente 300.000 placas de aço revestidas com esmalte por ano, concluiu mais de 30.000 projetos instalados e fornece seus tanques para mais de 100 países. A nova base de produção de 150.000 m² foi adicionada para aumentar a capacidade de produção, e tanques individuais são fornecidos com capacidade de até 60.000 m³. A fabricação opera sob as normas ISO 9001 e ISO 45001, com certificação de produtos incluindo NSF/ANSI 61, WRAS, FDA, LFGB, CE (EN 1090), ISO 28765, FM, BSCI e EUROCODE, e o design é referenciado nas normas AWWA D103-09, AWWA C550 e NFPA onde a aplicação exige.
Escolha do meio e do casco
· A água como meio de armazenamento mantém o circuito à pressão atmosférica, que é a maneira mais barata e de menor risco de manter várias horas de resfriamento para um grande salão; gelo e PCM aumentam a densidade energética, mas adicionam geometria de serpentina, coletor ou cápsula dentro do casco.
· Cascos de esmalte e epóxi com ligação por fusão são inertes contra água tratada, e a rota do esmalte é verificada com um teste de férias de 1500 V DC e uma camada queimada de 0,25-0,45 mm.
· Nosso histórico de entrega de tanques de água, desde o esquema de 44.900 m³ da Namíbia até plantas industriais com múltiplos tanques de algumas centenas de metros cúbicos, atende tanto a armazenamentos em escala de serviços públicos quanto em escala de galpões.
Perguntas Frequentes
P1: A água gelada é realmente o meio de menor risco para um data center?
R1: É o de menor risco onde há espaço e a janela de pico é curta. A água é o mesmo fluido do meio circulante, não possui superfície interna de fusão e seus fatores de derating são bem documentados, o que torna o teste de comissionamento mais fácil de comprovar.
P2: Quanta mais energia o armazenamento de gelo consome por quilowatt-hora armazenado?
R2: Mais, e isso pertence ao balanço energético da planta em vez de uma afirmação. A produção de gelo adiciona o calor latente de fusão mais a aproximação do evaporador; compare isso com a demanda de pico e a economia tarifária que o deslocamento produz.
P3: Um tanque de armazenamento térmico de água gelada pode compartilhar uma planta com um sistema de gelo?
R3: Eles podem compartilhar um coletor comum, mas a lógica então precisa decidir qual meio atende o circuito, e essa mudança de modo deve ser testada antes de ser confiada durante uma interrupção.
P4: Quantas horas de armazenamento a água e o gelo justificam cada um?
R4: A água é confortável para duas a seis horas de carga deslocada e se estende mais com volume; o gelo e o PCM ganham seu equipamento extra quando as horas exigidas empurram o volume de água para uma área indisponível.
P5: Qual meio falha mais silenciosamente?
A5: O meio denso. Um tanque de água mostra uma temperatura de alimentação subindo rapidamente, enquanto um pacote congelado ou de mudança de fase libera capacidade gradualmente ao longo da janela de descarga, portanto o teste deve ser executado contra a carga de projeto e registrado.
Q6: O meio altera a especificação do casco?
A6: O básico do casco permanece o mesmo: atmosférico ou dentro do limite de pressão do sistema, isolado, com entrada e saída controladas e um revestimento ajustado à água. Gelo e PCM alteram o suporte interno, a penetração da serpentina e o layout dos bocais, em vez do envelope.
Comparar água gelada, gelo e material de mudança de fase resume-se a qual penalidade o projeto pode suportar. A água carrega volume, o gelo carrega energia do compressor e superfície de fusão, o PCM carrega integração e comportamento do pacote a longo prazo. Para a maioria das instalações críticas com um pátio mecânico utilizável, o tanque de armazenamento térmico de água gelada entrega a carga deslocada com o menor número de novos modos de falha, razão pela qual vale a pena especificá-lo primeiro.
Fale com um Engenheiro
Envie-nos a carga de TI de pico, as horas que você precisa deslocar, o espaço mecânico disponível e a estrutura tarifária. Retornaremos uma comparação de meios com base nos seus números: densidade energética e volume bruto para água, gelo e PCM, a energia de carga extra que cada um exige, a fração utilizável que esperaríamos e o diâmetro e altura do casco que se ajustam ao seu terreno. Para um esquema com água, seguimos com uma folha de especificações cobrindo revestimento, isolamento, geometria de entrada e bocais.
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