Vasos de Expansão e Tanques Pressurizados em Circuitos de Arrefecimento de Data Centers
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Vasos de Expansão e Tanques Pressurizados em Circuitos de Resfriamento de Data Centers
Um circuito fechado de água gelada necessita de um limite de pressão por três razões que puxam em direções opostas: a água expande-se quando é aquecida, a aspiração da bomba necessita de uma carga positiva para se manter acima da pressão de vapor, e o topo do sistema necessita de um caminho de alívio antes que o componente mais resistente atinja a sua pressão admissível. Um vaso de expansão descarrega para o circuito a baixa temperatura para substituir o volume que a água cede à medida que contrai e recupera-o à medida que o circuito aquece. O dimensionamento é feito em duas etapas. A primeira etapa é a variação de volume térmico da água total do sistema ao longo do intervalo de temperatura de projeto. A segunda etapa é uma questão de pressão: esse volume tem de ser absorvido entre a pressão de pré-carga do vaso e a pressão máxima admissível, e é a relação entre esses dois valores, e não apenas o intervalo de temperatura, que determina o tamanho físico do vaso. A escolha entre um vaso de diafragma ou de membrana e um vaso de pressão com selo de conformidade decorre dessa classe de pressão e do regulamento de equipamentos sob pressão em vigor no local onde a instalação opera para o tanque de expansão de água gelada
Por que um circuito fechado precisa de um limite de pressão
Um sistema de torre de resfriamento aberto não precisa de um vaso de pressão no circuito, porque o reservatório da torre está à pressão atmosférica e a bomba desenvolve toda a altura manométrica. Um circuito fechado remove essa referência, então três requisitos aparecem ao mesmo tempo e devem ser atendidos por um único nível de pressão em cada ponto do circuito para água gelada do tanque de expansão
O primeiro é a expansão da água, que não tem para onde ir em um circuito fechado. O segundo é o limite inferior: quando a instalação está fria, ou uma seção é drenada, a sucção da bomba deve permanecer acima da pressão de vapor da água na temperatura mínima esperada. O terceiro é o limite superior: um caminho de alívio acima da pressão admissível do componente mais fraco. Estes fixam a faixa de pressão utilizável para água gelada do tanque de expansão
Dimensionamento do vaso de expansão a partir do volume e da faixa de temperatura
O primeiro cálculo é térmico. Considere o volume total de água no sistema, incluindo o próprio vaso de expansão, a tubagem, os permutadores de calor e qualquer vaso ou bacia conectado, e multiplique-o pelo fator de expansão volumétrica da água ao longo do intervalo de projeto. O fator provém do volume específico da água nas duas temperaturas: 1,000 L/kg a 5 °C e 1,008 L/kg a 40 °C para água gelada do vaso de expansão
Usando apenas entradas ilustrativas, um sistema que contém 1.000 m3 de água enchido a 5 °C e projetado para 40 °C produz um volume de expansão de cerca de 8,0 m3, que é o volume que o vaso tem de aceitar e devolver. Uma mistura de glicol tem um volume específico diferente, pelo que um circuito carregado com glicol utiliza as propriedades do glicol para água gelada do vaso de expansão
Etapa | Entrada | Método | Resultado ilustrativo |
Variação de volume térmico | Volume total de água do sistema | Multiplicar pelo fator de expansão da água | 1.000 m3 x 0,008 = 8,0 m3 |
Faixa de pressão | Pré-carga e pressão máxima admissível | Definir a faixa em que o vaso opera | 200 kPa abs a 700 kPa abs |
Fator de aceitação | As mesmas duas pressões | Máximo admissível dividido pela diferença | 700 / (700 - 200) = 1,40 |
Volume do vaso | Volume de expansão e fator de aceitação | Multiplicar os dois valores | 8,0 x 1,40 = 11,2 m3 |
Pré-carga, pressão do sistema e a verificação de aceitação
A pré-carga é a pressão da almofada de gás no vaso quando este está desligado do sistema e não contém água. É definida a partir da pressão estática a frio na elevação do vaso mais uma margem, para que o vaso esteja pronto para aceitar a contração do circuito à medida que arrefece, em vez de ser esvaziado a cada arranque. Nunca é definida para a pressão de descarga da bomba para água gelada do vaso de expansão
A verificação de aceitação é um conjunto de leituras em vez de um cálculo, e é onde um vaso mal configurado é detetado. Com o sistema cheio, frio e as bombas paradas, a pressão no vaso deve ler aproximadamente a pré-carga. Abaixo disso, o colchão de gás perdeu pressão ou admitiu água; acima disso, a pressão estática é superior à assumida para a água gelada do vaso de expansão
Comparação entre vasos de pressão de diafragma, bexiga e codificados
As duas construções não codificadas diferem num detalhe que importa para a manutenção: onde a membrana flexível é retida. Num vaso de diafragma, a membrana é soldada à carcaça e às tampas das extremidades, pelo que não é uma peça que retém pressão e uma perda lenta de gás não cria um caminho de fuga. Num vaso de bexiga, a membrana é um saco separado fixado pelas tampas das extremidades para a água gelada do vaso de expansão
A bexiga pode ser substituída sem soldagem, razão pela qual é comum em vasos maiores e onde a troca periódica da bexiga faz parte do plano de manutenção, mas ela absorve água ao longo do tempo na interface e precisa ser renovada com a pré-carga correta definida. Um vaso de pressão com selo de código é um produto diferente, e não uma versão melhor: ele é projetado, fabricado, testado, selado e registrado sob um código de vaso de pressão para tanque de expansão de água gelada
Quando um vaso com código é exigido e o que a documentação deve mostrar
A decisão é tomada em duas etapas. A primeira é regulatória: o regulamento de equipamentos sob pressão na jurisdição onde a planta opera é verificado em relação à pressão de projeto, ao volume do vaso, à classificação do fluido e a qualquer isenção específica de serviço. Os reguladores geralmente definem um limite como uma combinação de volume e pressão, e um vaso acima dele está sujeito à certificação de projeto para tanque de expansão de água gelada
O segundo estágio é a pressão máxima de trabalho admissível do sistema, não a pressão nominal: um circuito que pode apresentar um pico de 900 kPa durante a partida de uma bomba pode necessitar de um vaso codificado mesmo quando a pressão operacional em regime permanente é modesta. A documentação é então uma lista específica: para um vaso segundo a ASME Seção VIII Div 1, o selo U com o designador e a agência de inspeção autorizada, o registro no National Board, o relatório do Formulário U-1, o teste hidrostático a 1,3 vezes a pressão máxima de trabalho admissível, e os registros de rastreabilidade de materiais para água gelada de tanque de expansão
Ventilação, remoção de ar e a sequência de comissionamento
Um vaso de expansão que nunca foi devidamente purgado é a causa mais comum de um sistema que tem pressão e nenhum vaso de expansão a funcionar. O ar retido fica acima da coluna de água dentro do vaso, comprime-se exatamente da forma como o colchão de gás deveria comprimir-se, e o vaso passa então a comportar-se como se fosse uma fração do seu tamanho declarado. O sintoma é uma pressão do sistema a subir lentamente com uma bolha de gás quente para água gelada do tanque de expansão
A sequência de comissionamento segue a ordem física do sistema. O circuito é enchido a partir do ponto de ligação com os purgadores de ponto alto abertos, para que o ar seja deslocado para a frente em vez de ficar retido. O vaso é então isolado e purgado no topo do lado da água para verificar a pressão do lado do gás em relação à pré-carga e recarregado se tiver descido, e a pressão no vaso é lida em condições estáticas frias para água gelada do tanque de expansão
Onde o vaso se situa no circuito e como é isolado
O vaso pertence ao lado de sucção das bombas, conectado ao coletor de sucção no ponto mais baixo disponível. No lado de sucção, ele vê a pressão mais baixa do sistema, o que permite que uma pré-carga modesta mantenha a bomba protegida contra a formação de vapor, e é onde a água que ele descarrega chega à entrada da bomba. Um vaso na descarga da bomba também pode ser usado, mas então ele vê a altura manométrica total da bomba para água gelada do tanque de expansão
Os detalhes da conexão importam mais do que a posição no desenho. Cada vaso precisa de válvulas de isolamento para que possa ser removido sem drenar o circuito, uma válvula de dreno no ponto mais baixo para que o vaso possa ser esvaziado e o balão ou diafragma substituído, e uma conexão de carga e purga no lado do gás para definir a pré-carga. A conexão também deve ser dimensionada de modo que não restrinja o fluxo para o vaso durante a expansão para água gelada do tanque de expansão
Qualidade da água, compatibilidade com glicol e corrosão
O fluido no circuito determina várias coisas ao mesmo tempo: o fator de expansão utilizado no dimensionamento, o comportamento à corrosão dos materiais molhados e a compatibilidade da membrana com o fluido no seu interior. Um circuito carregado com glicol tem de ser dimensionado com as propriedades do glicol, e a membrana deve ser adequada para esse glicol na concentração e temperatura de projeto. O glicol degrada-se ao longo do tempo e os produtos de degradação são mais agressivos, pelo que o pacote de inibidores e o intervalo de substituição do fluido fazem parte do programa de qualidade da água para a água gelada do vaso de expansão.
A questão da corrosão é separada da compatibilidade de fluidos. Num circuito fechado, a entrada de oxigénio é o iniciador habitual, razão pela qual os circuitos são mantidos pressurizados e ventilados através de um dispositivo que mantém o ar afastado. Quando o enchimento é uma ligação de reposição aberta, a tolerância à corrosão e a escolha entre aço carbono e aço inoxidável têm de ser abordadas. Para um vaso revestido, o revestimento tem de ser compatível com o fluido e verificado antes do enchimento para água gelada do vaso de expansão
A lista de especificações e a lista de verificação de pré-comissionamento
Uma especificação de vaso pressurizado tem de fixar a faixa de pressão antes de nomear o vaso, porque tudo a jusante depende disso. O pedido de cotação deve conter o volume total de água do sistema, incluindo a tubagem, as temperaturas máximas de enchimento e de projeto, o fluido e a sua concentração, a pressão estática na elevação do vaso no enchimento a frio, a pressão máxima admissível de trabalho do circuito, a regulamentação local e o percurso de certificação, e o arranjo de isolamento e ventilação para a água gelada do vaso de expansão.
A lista de verificação de pré-comissionamento, então, fecha a lacuna entre o cálculo e o vaso instalado, e é curta: a identificação do vaso e a placa de identificação em relação ao projeto, a pré-carga registrada antes e depois da conexão, a leitura da pressão de enchimento a frio em relação à pré-carga, a purga de ar do vaso e dos pontos altos do circuito, o ajuste da válvula de alívio confirmado, e a posição e o travamento de cada válvula de isolamento para água gelada do tanque de expansão
· Volume total de água do sistema, incluindo tubulação, trocadores de calor e qualquer reservatório para água gelada do tanque de expansão
· Temperatura máxima de enchimento e de projeto, e o fluido com a sua concentração para água gelada do vaso de expansão
· Pressão estática na elevação do vaso no enchimento a frio, usada para definir a pré-carga do tanque de expansão de água gelada
· Pressão máxima de trabalho admissível do circuito e o ajuste de alívio para o tanque de expansão de água gelada
· Fator de aceitação entre a pré-carga e a pressão máxima admissível para o tanque de expansão de água gelada
· Rota de certificação: a regulamentação local e a marcação exigida para o tanque de expansão de água gelada
· Especificação do material molhado e o material da membrana com sua classificação de fluido e temperatura para o tanque de expansão de água gelada
· Válvulas de isolamento, válvula de drenagem, conexão de carga e ponto de ventilação no vaso para o tanque de expansão de água gelada
· Registros de verificação do revestimento, incluindo o teste de vazamento, antes do enchimento para o tanque de expansão de água gelada
Estudo de Caso do Projeto
Referência de entrega para esta função, citada da biblioteca de projetos verificados. Nível de correspondência C. Um vaso de pressão soldado projetado conforme EN 13445, em ASTM A516 Gr.70, com revestimento epóxi C5M para um ambiente semimarítimo. Evidencia capacidade de engenharia e fabricação de vasos de pressão. Não é um vaso certificado pela ASME Seção VIII, portanto não é usado como caso ASME neste artigo, conforme detalhado para tanque de expansão de água gelada.
ID do projeto | País | Produto | Capacidade | Número de vasos | Dimensões | Conclusão | Âmbito de fornecimento |
MT-PRESS-2.29 | Malta | Vaso de Pressão | 2,29 m3 | 2 | DI1240 × 1840 mm e DI1200 × 1665 mm | Não registado na fonte disponível | Não registado |
Um vaso de pressão soldado projetado conforme a EN 13445, em ASTM A516 Gr.70, com revestimento epóxi C5M para um ambiente semimarítimo. Evidencia capacidade de engenharia e fabricação de vasos de pressão. Não é um vaso certificado pela ASME Seção VIII, portanto não é usado como caso ASME neste artigo, conforme detalhado para tanque de expansão de água gelada.
Perguntas Frequentes
P1. Por que um circuito fechado precisa de um limite de pressão?
Um circuito fechado perde a referência atmosférica que um sistema de torre aberta fornece, portanto três requisitos devem ser atendidos apenas pelo nível de pressão: a água se expande à medida que aquece, a sucção da bomba precisa de carga positiva para permanecer acima da pressão de vapor quando a planta está fria, e o ponto mais alto precisa de um caminho de alívio acima da pressão admissível do componente mais fraco para tanque de expansão de água gelada
P2. Como é dimensionado um vaso de expansão?
Em duas etapas. Primeiro, a expansão térmica da água total do sistema ao longo da faixa de projeto é calculada a partir dos volumes específicos da água, fornecendo o volume que o vaso deve aceitar. Segundo, esse volume deve ser absorvido entre a pré-carga e a pressão máxima admissível, e a razão entre os dois fornece o fator de aceitação para água gelada do vaso de expansão
P3. Qual é a relação entre a pré-carga e a pressão do sistema?
A pré-carga é definida a partir da pressão estática a frio na elevação do vaso, acrescida de uma margem que cobre a variação da carga estática e a perda de carga da tubulação, de modo que o vaso esteja pronto para aceitar a contração em vez de ser esvaziado a cada partida. Ela nunca é definida para a pressão de descarga da bomba. A verificação de aceitação lê a pressão do vaso no enchimento a frio para água gelada do vaso de expansão
P4. Como se escolhe um vaso de diafragma em vez de um vaso de bexiga?
O diafragma é soldado ao casco e às tampas de extremidade, portanto não é uma parte que retém pressão e uma perda lenta de gás não se torna um caminho de vazamento. O balão é uma bolsa fechada separada mantida pelas tampas de extremidade, e é o elemento que retém pressão, o que o torna substituível sem soldagem, mas significa que ele absorve para água gelada do tanque de expansão
P5. Quando é necessário um vaso com código ASME?
Quando o regulamento local de equipamentos sob pressão coloca o vaso acima do seu limiar de certificação, normalmente definido por uma combinação de pressão de projeto, volume do vaso e classificação do fluido, ou quando a especificação do proprietário, segurador ou cliente exige certificação independentemente desse limiar. A verificação é feita em relação à pressão máxima admissível de trabalho, e não à pressão nominal para água gelada do tanque de expansão
P6. Como são comissionados o desaereamento e a remoção de ar?
O circuito é enchido a partir do ponto de ligação com as ventilações de ponto alto abertas, de modo que o ar seja deslocado para a frente. O vaso é então isolado e purgado no topo para comparar a pressão do lado do gás com a pré-carga e recarregado se esta tiver descido, e a pressão no vaso é lida em condições estáticas frias para água gelada do vaso de expansão
P7. Onde o vaso se posiciona no circuito e como é isolado?
No lado de aspiração das bombas, ligado ao coletor de aspiração no ponto mais baixo disponível, para que veja a pressão mais baixa do circuito e possa proteger a bomba contra a formação de vapor em pré-carga baixa. Cada vaso necessita de válvulas de isolamento, uma válvula de drenagem para troca da membrana e uma ligação de carga e purga no lado do gás para água gelada do vaso de expansão
Q8. O que exigem a qualidade da água e a corrosão?
O fluido determina o fator de expansão utilizado no dimensionamento, o comportamento à corrosão dos materiais molhados e a compatibilidade e classificação de temperatura da membrana. Os circuitos de glicol são dimensionados com as propriedades do glicol, e o pacote de inibidor e o intervalo de substituição do fluido pertencem ao programa de qualidade da água, conforme detalhado para água gelada do vaso de expansão.
A pressão de projeto e a temperatura de projeto têm de ser fixadas antes de se escolher qualquer vaso de expansão, porque a faixa de pressão entre a pré-carga e a pressão máxima admissível determina o tamanho físico do vaso, e o regulamento local de equipamentos sob pressão determina se o vaso é um vaso sob pressão certificado ou uma peça sob pressão não certificada. Essa ordem é todo o conteúdo deste tópico: um vaso especificado apenas com base na faixa de temperatura terá o tamanho errado, e um especificado com base numa pressão nominal terá a classe de certificação errada. As duas etapas do cálculo, a verificação de aceitação da pré-carga e a sequência de comissionamento, são o que transforma a especificação num vaso que pode ser verificado como desempenhando a função para a qual foi adquirido para água gelada de vaso de expansão
Fale com um Engenheiro
Para um vaso de expansão ou tanque pressurizado num circuito de água arrefecida, envie o volume total de água do sistema, incluindo a tubagem e os permutadores de calor, a temperatura de enchimento e a temperatura máxima de projeto, o fluido e a sua concentração, a pressão estática à cota do vaso no enchimento a frio, a pressão máxima admissível de serviço do circuito e a pressão de taragem prevista da válvula de segurança, o regulamento local de equipamentos sob pressão e a via de certificação exigida, e o esquema de isolamento e purga. Devolveremos um estudo de dimensionamento que apresenta o volume de expansão térmica, o fator de aceitação, o volume resultante do vaso, a pré-carga a definir e as leituras de aceitação a registar, a recomendação de material e membrana, e a lista de verificação de pré-comissionamento para o local para o tanque de expansão de água arrefecida.
Sobre o Center Enamel
A Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd (Center Enamel) é uma fabricante profissional dedicada ao projeto e fabricação de tanques de armazenamento parafusados desde 2008. A linha de produtos inclui tanques de Vidro Fundido ao Aço (GFS), tanques de Epóxi Fundido (FBE), tanques de aço inoxidável, tanques de aço galvanizado e coberturas geodésicas de alumínio, juntamente com suporte técnico EPC e acessórios para tanques. A produção é realizada sob as normas ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001, e a linha de produtos é certificada pelas normas NSF/ANSI 61, WRAS, CE e EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 e NFPA onde a aplicação exige. A empresa possui cerca de 200 patentes de esmaltação, opera uma base de produção de 150.000 m2, produz cerca de 300.000 chapas de aço revestidas com esmalte por ano, concluiu mais de 30.000 projetos instalados e enviou tanques para mais de 100 países. A capacidade de projeto de engenharia abrange volumes de tanques de até 60.000 m3, conforme detalhado para tanque de expansão de água gelada.
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