Tanques de Água Gelada Estratificados: Difusores, Defletores e Controle da Termoclina
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Tanques de Água Gelada Estratificada: Difusores, Defletores e Controle de Termoclina
Um tanque de água gelada estratificado não entrega o volume do seu casco. A capacidade útil é o volume que permanece dentro de uma faixa de temperatura declarada, e esse número é produzido pela geometria do difusor e das chicanas, e não pelo cilindro que o contém. O tanque funciona porque a água fria e a água quente diferem em densidade e, portanto, separam-se sob a ação da gravidade em camadas mantidas afastadas por uma termoclina estreita. Três mecanismos destroem essa separação: o momento da corrente de entrada, a condução de calor através do casco, da cobertura e das pontes estruturais que a sustentam, e o curto-circuito onde as duas correntes se encontram antes de as camadas se terem estabelecido. Como a faixa da termoclina é uma perda permanente e inevitável de volume útil, e como as disposições que a protegem, nomeadamente os poços de sensores, as portas de acesso e os suportes do difusor, só podem ser construídas antes de o vaso ser isolado, a geometria interna e as reservas de projeto têm de ser definidas durante o fabrico e não durante a comissionamento. A aceitação deve, portanto, ser redigida em função da capacidade útil numa faixa de temperatura declarada e demonstrada por um perfil de temperatura obtido através de um ciclo de enchimento e esvaziamento, e não em função do volume nominal do casco, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque tes.
Por que a estratificação, e não o volume do casco, define a capacidade utilizável
Um tanque estratificado é comprado para manter duas temperaturas ao mesmo tempo sem que elas se misturem numa única média, então a pergunta que o cliente faz é específica: quanta água o tanque pode fornecer na temperatura da saída fria, e quanta na temperatura da saída quente, ao mesmo tempo? O casco não responde a nenhuma das duas perguntas. A resposta é o volume entre as duas camadas, e a espessura da faixa de transição entre elas é o que os internos decidem. Dois tanques com o mesmo cilindro e revestimento podem ter capacidades úteis com um décimo de volume de diferença, porque um estratifica e o outro não, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
Como a termoclina se forma por diferença de densidade
O mecanismo é a densidade. A densidade da água diminui à medida que a temperatura sobe, pelo que, dentro do estreito intervalo de temperatura de um sistema de água gelada, a diferença é pequena mas suficiente: a água fria introduzida na parte inferior do tanque espalha-se pelo fundo e permanece sob a água mais quente já presente, enquanto a água quente sobe e se acumula por cima. Entre as duas camadas desenvolve-se uma região de transição, cuja espessura depende do quanto as duas correntes se misturaram antes de se estabelecerem. Cada metro cúbico dentro dessa faixa é água que não está em nenhum dos pontos de ajuste, e a faixa é permanente: não drena e não encolhe em serviço, pelo que o seu volume é deduzido da quantidade contratada no início, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
O que a destrói: momento, condução e ganho de calor
Três ações atacam o arranjo. A primeira é o momento, porque um fluxo frio que entra como jato carrega seu momento para dentro do tanque e empurra para a camada quente, arrastando a água quente para baixo sobre um volume muito maior que a entrada. A segunda é a condução e o ganho de calor, pois o calor passa pela carcaça, pelo teto e por cada bocal, suporte e penetração que faz a ponte sobre o isolamento, e cada um deles produz uma pluma local que erode a interface de fora para dentro. A terceira é o curto-circuito, que ocorre quando os fluxos se encontram porque uma saída puxa da outra camada. Todas as três aparecem no perfil de temperatura, não como um alarme, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque tes.
Tipos de difusor e o campo de escoamento que cada um produz
O difusor decide como o fluxo de entrada penetra no volume estratificado, e escolhê-lo é uma escolha de controlo de momento face ao acesso de manutenção. O requisito em todos os casos é o mesmo: descarregar sobre a área do plano à menor velocidade de saída que a geometria permita, para que o fluxo não atravesse a interface que se pretende estabelecer. As famílias em uso comum e a limitação que cada uma acarreta são apresentadas abaixo. Nenhuma é universalmente correta, e a correta decorre da orientação do tanque, da taxa de carga e de se o vaso tem de ser acedido para limpeza. Cada uma também falha de uma forma que aparece no perfil, porque um bocal obstruído produz uma bolsa quente local na camada fria, como detalhado para o difusor de estratificação do tanque tes.
Família de difusores | Padrão de descarga | Onde se encaixa | Limitação |
Difusor radial, anel perfurado | Descarga para fora ao redor de uma entrada central | Tanques verticais, entrada central | O momento do jato erode a interface em alta velocidade de saída |
Coletor perfurado, bocais em um nível | Descarga distribuída ao longo de uma linha de bocais | Vasos longos, cascos horizontais | O entupimento altera a distribuição e causa curto-circuito |
Difusor de fenda, fendas verticais ou horizontais | Descarga de baixa velocidade através de fendas estreitas | Serviços em que o controle do momento é determinante | As fendas acumulam detritos, difíceis de limpar em serviço |
Saída de baixa velocidade, distribuidor de área em planta | Descarga sobre toda a área em planta | Tanques verticais grandes, altas taxas de carga | Requer uma grande área em planta, impraticável em diâmetros pequenos |
Distribuidor de tubo descendente com ramais | Alimentações ao longo do comprimento do vaso | Vasos estratificados horizontais | O fluxo lateral desigual deixa gradientes |
Chicanas num vaso horizontal, onde a gravidade e o fluxo são perpendiculares
Num casco horizontal, o eixo de fluxo e o vetor de gravidade são perpendiculares, o que altera completamente a geometria da estratificação. A água fria injetada numa extremidade não assenta sob o fluxo de entrada como faria num casco vertical; tem de ser guiada para o fundo e aí mantida, enquanto a água quente é guiada para o topo e impedida de retroceder ao longo do vaso. Defletores verticais interrompem o percurso longitudinal que transporta água quente para a extremidade da entrada fria, a rota dominante de curto-circuito. Defletores inclinados redirecionam o fluxo, mas a sua orientação determina o efeito, e um defletor mal orientado envia uma corrente fria ao longo do casco para além da saída quente, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
Instrumentação que mede a termoclina em vez de assumi-la
Um tanque estratificado é o único tanque na instalação onde uma única medição de temperatura não prova quase nada. A condição de interesse é um perfil vertical, portanto a instrumentação é um conjunto de sondas em múltiplos níveis, e a especificação deve indicar quantas, em quais elevações e com qual precisão. As sondas são normalmente alojadas em bolsos de sensor selados, soldados ao casco ou a suportes internos, de modo que possam ser removidas sem drenar o tanque, e esses bolsos não podem ser adicionados posteriormente. O encaminhamento de cabos é onde o serviço é mais frequentemente comprometido, porque um cabo que entra por um ponto não selado rompe a barreira de vapor e cria um caminho de condensado para o revestimento, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque tes.
Isolamento, barreira de vapor e a condição da superfície fria
A superfície isolada de um tanque de água gelada fica abaixo do ponto de orvalho do ar circundante durante a maior parte do ano, o que significa que a barreira de vapor decide se o tanque funciona, e o isolamento é apenas o material que torna a barreira vantajosa. Uma barreira contínua e selada mantém o isolamento seco; uma barreira interrompida permite que a humidade entre no isolamento, onde condensa, onde molha o revestimento e onde remove o desempenho térmico que o isolamento foi instalado para proporcionar. A barreira tem de correr da carcaça para o telhado e atravessar a junção telhado-parede sem interrupção, e cada penetração tem de ser selada no detalhe, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
As disposições de projeto que não podem esperar pela fase de comissionamento
Várias características de um tanque estratificado são fisicamente impossíveis de adaptar retroativamente depois que o vaso foi isolado, e são, portanto, decisões de projeto com um prazo de fabricação associado. São também as características mais frequentemente ausentes de um edital de licitação, porque cada uma parece menor em um desenho de arranjo geral. As provisões estruturais merecem atenção, uma vez que os internos não são isentos de peso: um conjunto de difusor grande o suficiente para espalhar o fluxo sobre a área em planta, um conjunto de defletores que se estende pelo vaso e um conjunto de suportes de sensores impõem todos cargas ao casco e ao fundo, e essas cargas têm de ser suportadas pelo arranjo de reforço e pela fundação, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque tes.
· Posições e número de bolsas para sensores: soldadas à carcaça durante o fabrico, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
· Tamanho e localização da boca de visita: fixados no padrão da chapa e cortados antes da esmalação, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Suporte do difusor e caminho de carga interno: parte do projeto do vaso e da fundação, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Tamanhos e posições dos bocais: as penetrações no casco não podem ser soldadas em campo posteriormente, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Detalhamento da barreira de vapor em cada penetração: projetado antes da instalação do isolamento, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
Aceitação com base na capacidade utilizável, e o teste de comissionamento que a comprova
O critério de aceitação decorre do dever. Não é o volume do casco e não é uma única leitura de temperatura da saída. É o volume entregue à temperatura de saída fria e o volume entregue à temperatura de saída quente, com a espessura da termoclina registada através de um ciclo definido de enchimento e descarga. O volume do casco no cálculo ilustrativo abaixo é de 628,3 m3, a partir de um diâmetro de 10 m e uma altura reta do casco de 8 m; a banda, os volumes mortos e as descargas de saída são então deduzidos dele. Todos os valores na tabela são entradas ilustrativas usadas para demonstrar o método e não são uma proposta de design ou um requisito de projeto, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
· Capacidade utilizável nas temperaturas de saída fria e quente declaradas, e a tolerância de banda, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Orientação do tanque com as entradas fria e quente e as tomadas de saída em um desenho de arranjo geral, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Família de difusores, área de descarga e a taxa de carga de projeto para a qual é dimensionado, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Arranjo de defletores com orientação, extensão e os tamanhos de folga que mantêm o tanque lavável, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
· Cronograma de bolsas de sensores com elevações, contagem e o método de vedação da boca da bolsa, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
Banda de transição | Capacidade utilizável | Participação do casco | Leitura para o contrato |
10 m3 | 618,3 m3 | 98,4% | Perda de faixa dentro da tolerância usual de saída |
20 m3 | 608,3 m3 | 96,8% | A perda torna-se um item contratual assim que a faixa é declarada |
40 m3 | 588,3 m3 | 93,6% | Os volumes do casco e útil separaram-se materialmente |
Perguntas Frequentes
P1. Por que a estratificação determina a capacidade útil?
Porque as duas camadas são separadas por uma faixa de transição na qual a temperatura muda continuamente, e essa faixa não pertence a nenhuma das saídas. A capacidade útil é o volume do casco menos a faixa, as zonas mortas atrás dos defletores e os volumes fora dos pontos de captação. A espessura da faixa decorre da geometria do difusor, não das dimensões do tanque, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque tes.
P2. Como se forma uma termoclina?
A água fria e a água quente diferem em densidade, pelo que um fluxo frio introduzido na parte inferior do tanque se espalha sob a água mais quente já presente e permanece abaixo dela, enquanto a água quente sobe e se acumula por cima. Entre elas forma-se uma região de transição, cuja espessura depende de quanto os dois fluxos se misturaram antes de as camadas se estabelecerem. A disposição da entrada e a velocidade de entrada são tão importantes quanto a geometria do tanque, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
P3. O que a destrói?
Três mecanismos. O momento do jato de entrada empurra para a camada quente e arrasta a água quente para baixo. A condução e o ganho de calor através da carcaça, do teto e de cada penetração que atravessa o isolamento produzem plumas locais que erodem a interface de fora para dentro. O curto-circuito permite que os fluxos se encontrem, porque uma saída recorre à outra camada, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
P4. Que tipos de difusores existem?
As famílias comuns são o difusor radial que descarrega para fora sobre uma área circular, o coletor perfurado com bicos num único nível, o difusor de fenda com fendas verticais ou horizontais, a saída de baixa velocidade que se espalha por toda a área em planta, e o distribuidor de perna descendente com ramais usados em cascos horizontais. Cada um equilibra o controle de momento contra o acesso para limpeza, conforme detalhado para o difusor de estratificação de tanque tes.
P5. Por que os vasos horizontais precisam de chicanas?
Num casco horizontal, o eixo de fluxo e o vetor de gravidade são perpendiculares, pelo que os fluxos têm de ser guiados em vez de serem deixados a assentar. Os defletores interrompem o percurso longitudinal que transporta água quente para a entrada fria, e os defletores inclinados podem redirecionar um fluxo para baixo ou para cima. A sua orientação determina o efeito, e um defletor vedado deixa volumes mortos, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
Q6. Como é medida a posição da termoclina?
Através de um perfil de temperatura vertical obtido com sondas em múltiplas elevações, normalmente alojadas em bolsas de sensores vedadas soldadas ao casco ou a suportes internos. O número e as elevações têm de ser indicados na especificação, e o perfil é registado ao longo de um ciclo de enchimento e descarga em vez de ser amostrado uma única vez, porque uma leitura única não consegue separar uma faixa estável de uma transitória, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
Q7. Porque são necessários tanto o isolamento como uma barreira de vapor?
A superfície isolada fica abaixo do ponto de orvalho do ar circundante durante grande parte do ano, pelo que a barreira de vapor mantém a humidade fora do isolamento e mantém a superfície exterior próxima da temperatura ambiente. Uma barreira danificada condensa a humidade dentro do isolamento, humedece o revestimento e elimina o desempenho térmico que o isolamento foi instalado para proporcionar. Os dois componentes desempenham funções diferentes e nenhum substitui o outro, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
P8. Que disposições de projeto devem ser definidas antes do fabrico?
As posições e a quantidade dos poços dos sensores, os tamanhos e as localizações das bocas de visita, o suporte do difusor e o caminho de carga interno, os tamanhos e as posições dos bocais, e o detalhamento da barreira de vapor em torno de cada penetração. Tudo é fabricado no vaso ou definido antes da instalação do isolamento, portanto nada pode ser adicionado durante a comissionamento sem cortar o casco, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
P9. Por que a aceitação é baseada na capacidade utilizável em vez do volume do casco?
Porque o cliente compra duas temperaturas ao mesmo tempo, não uma quantidade de aço. O volume do casco é o ponto de partida geométrico; a quantidade contratual é o volume entregável nas temperaturas de saída fria e quente. Na geometria ilustrativa de 10 m de diâmetro e 8 m de casco reto, o volume do casco é de 628,3 m3 e uma faixa de 40 m3 deixa 588,3 m3 utilizáveis, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
Q10. Como a comissionamento verifica a estratificação?
Ao executar o ciclo de carga e descarga que a função realmente verá e registrando o perfil de temperatura em intervalos fixos até que se estabilize, registrando então a banda entre as duas camadas e os volumes fornecidos em cada saída. O teste deve ser executado nas taxas de carga e descarga de projeto, porque uma taxa reduzida estratificará um tanque que se mistura mal em serviço, conforme detalhado para o difusor de estratificação do tanque TES.
Um tanque de água gelada estratificado é comprado pelo volume que fornece a duas temperaturas, e esse volume é produzido pela geometria do difusor e das chicanas, e não pelo casco no qual é fornecido. A consequência de engenharia é que os componentes internos são o projeto, e que as reservas em torno deles, os poços de sensores, as portas de acesso, o suporte interno e o detalhamento da barreira de vapor, são decisões de fabricação com um prazo associado. Especificar o tanque com base no volume do casco e comissioná-lo com uma única temperatura de saída deixa o comprador com a diferença. Especificar a capacidade útil em uma faixa declarada, fixar as provisões antes de o vaso ser isolado e aceitar o resultado com base em um perfil de temperatura obtido através de um ciclo de enchimento e esvaziamento nas vazões de projeto são as decisões que transformam um vaso de água em um armazenamento estratificado, conforme detalhado para o difusor de estratificação de tanque tes.
Fale com um Engenheiro
Para um tanque de água gelada estratificado, envie as taxas de carga e descarga, as temperaturas de fornecimento e retorno frio e quente com a faixa de tolerância, a capacidade útil necessária em cada saída, a orientação do tanque e a área disponível, o volume do casco em consideração com sua geometria, o arranjo de isolamento e barreira de vapor, o requisito de teto ou cúpula, a base sísmica e de vento do local, e o número e posições dos pontos de medição de temperatura que o teste de comissionamento necessita. Retornaremos um arranjo geral com o arranjo do difusor e defletor desenvolvido em função da taxa de carga, um cálculo de capacidade útil com a dedução da faixa de transição declarada, um cronograma de bolsas de sensores e bocas de visita, uma avaliação estrutural das cargas internas, e um teste de comissionamento com o intervalo de registro e o valor de aceitação para a faixa, conforme detalhado para tes tank stratification diffuser.
Sobre a 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 Aço Vitrificado (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 o difusor de estratificação de tanques tes.
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