Бак хранения охлажденной воды под давлением против атмосферного бака: что выбрать для спецификации
Создано Сегодня
Бак хранения охлаждённой воды под давлением против атмосферного бака: какой выбрать
Бак хранения охлаждённой воды под давлением входит в состав герметичного гидронного контура, где хранимая вода должна оставаться выше давления её паров. Атмосферный бак дешевле при большом объёме и компенсирует расширение через свободную поверхность, но создаёт разрыв давления, за который платят насосы. Выбирайте тот, который соответствует границе давления и требуемому объёму.
Введение
Выбор между ёмкостью для охлаждённой воды под давлением и атмосферной ёмкостью — это не вопрос покрытия или материала; это решение о том, где находится граница давления системы, и это решение отражается на выборе насосов, энергопотреблении и контроле расширения. Когда вы определяете параметры аккумулятора тепловой энергии для установки охлаждённой воды, вы выбираете между сохранением хранимой воды внутри контура под давлением или её размещением при атмосферном давлении за теплообменником или разрывом давления.
В этой статье рассматривается компромисс в инженерных терминах, а не как предпочтение бренда. Она охватывает то, что физически разделяет два типа сосудов, как рабочее давление изменяет напор насоса и энергетический расчёт, как каждая схема справляется с тепловым расширением и где вступает в силу клеймение по ASME BPVC Section VIII. Выбор — это расчёт, а не лозунг, и завершается структурой, которую вы можете применить к своим собственным данным.
Основными нормативными документами являются ASME BPVC Section VIII для сосуда под давлением, ASME B31.9 для трубопроводов инженерных систем зданий и справочник ASHRAE для расчётной нагрузки. Стандарт устанавливает требование; он не сертифицирует резервуар, поэтому укажите клеймо, которое требует расчёт.
Что отличает сосуд под давлением от атмосферного
Сосуд для хранения охлажденной воды под давлением изготавливается как граница давления: он содержит хранимую воду при манометрическом давлении выше атмосферного, согласованном с рабочим давлением контура, так что свободная поверхность подавляется и вода остается жидкой в точках контура с наименьшим давлением. Его обечайка, патрубки, люки-лазы и путь сброса давления рассчитаны и inspected при этом давлении. Атмосферный резервуар, напротив, сообщается с атмосферой; хранимая вода находится при или около 0 psig (0 кПа(изб.)) и «дышит» через вентиляционное отверстие или сводчатую крышу, при этом обечайка рассчитана только на гидростатическое давление столба жидкости и ветровые или сейсмические нагрузки, а не на удержание давления.
Практическая граница раздела — это граница по давлению. В атмосферном исполнении резервуар обычно подключён к контуру под давлением через теплообменник, либо контур пересекает разрыв, где отдельный узел поддержания давления удерживает давление в контуре, пока резервуар остаётся при атмосферном давлении. В исполнении под давлением резервуар является элементом контура под давлением, поэтому разрыв исчезает, но стоимость сосуда, клеймение и инспекция — нет.
Системное давление и его последствия
Давление в системе определяет, может ли хранимая вода мгновенно превратиться в пар и может ли воздух попасть в контур; граница давления предотвращает и то, и другое. Вода при охлаждённых температурах имеет низкое давление насыщения, поэтому вскипание редко является движущим фактором в самом резервуаре, но в самых высоких точках системы распределения давление может приблизиться к давлению насыщения, и граница давления, поддерживающая весь контур выше этой точки, устраняет риск.
Следствие для проектирования состоит в том, что герметичный бак не снимает с насоса или чиллера их обязанность по созданию давления, а разделяет её. Преимущество — согласованность: один замкнутый контур, один узел поддержания давления, отсутствие подсоса воздуха на границе с баком. Атмосферный бак устраняет эту согласованность: контур находится под давлением со стороны подачи до места разрыва, бак «дышит», и любая утечка является утечкой в атмосферу, а не потерей давления в контуре; для очень больших объёмов устранение границы давления — самый крупный рычаг снижения затрат.
Напор насоса, мощность и энергетический расчёт
Мощность насоса определяется по формуле P = rho g Q H / eta, где Q — расход, а H — развиваемый напор. Выбор сосуда изменяет H таким образом, что это легко недооценить. В закрытом контуре под давлением сосуд хранения уже находится под давлением контура, поэтому насосы зарядки и разрядки обеспечивают только преодоление сопротивления трению и геодезического напора в теплообменнике хранения или в контуре; подъёма давления в самом баке нет.
В атмосферной схеме циркуляционные насосы сталкиваются с разрывом давления в баке. Вода, покидающая контур под давлением, переходит в бак при атмосферном давлении, и возвратный насос должен заново создать давление в контуре с учётом высоты подъёма и трения. Энергия не бесплатна: работа по созданию давления перекладывается на главные циркуляционные насосы или на специальный подпиточный насос. Энергетический баланс зависит от того, как часто накопитель заряжается и разряжается, а также от высоты подъёма и трения, которые создаёт система, а не от типа бака как такового.
Регулирование расширения в каждой схеме
Тепловое расширение воды неизбежно при нагреве контура, и две схемы справляются с ним по-разному. Закрытая система под давлением сохраняет постоянный объём воды, поэтому расширение компенсируется закрытым расширительным баком, рассчитанным на объём воды в системе и величину повышения температуры, что удерживает давление в контуре в пределах, допустимых для оборудования. Накопительный бак, будучи частью замкнутого объёма, сам по себе ничего не вносит; его объём учитывается в общем объёме системы, но работу выполняет расширительное устройство.
Атмосферный бак компенсирует расширение за счёт собственной свободной поверхности. По мере нагрева контура вода расширения просто поднимается в бак, и уровень поверхности перемещается; отдельного расширительного сосуда для хранимого объёма нет, и бак одновременно служит приёмником расширения для той части системы, которую он обслуживает. Обратной стороной является то, что контур по-прежнему нуждается в собственной системе поддержания давления и контроля расширения на напорной стороне разрыва; проверка типоразмера остаётся той же: общий объём воды, ожидаемый перепад температур и допустимый диапазон давления.
Обязательства по клеймению и инспекции кода
Вопрос о клеймении решается давлением, а не функцией. ASME BPVC Секция VIII Раздел 1 распространяется на сосуды с внутренним или наружным давлением, превышающим 15 psi (103 кПа(изб.)). Сосуд для хранения охлаждённой воды, работающий выше этого порога, попадает в область применения ASME VIII и изготавливается, клеймится и инспектируется как сосуд под давлением, с паспортной табличкой и отчётом о данных. Сосуд при давлении 15 psi(изб.) или ниже не достигает порога ASME VIII и может быть изготовлен как обычный резервуар для хранения: болтовой стальной резервуар по AWWA D103 или вентилируемый сварной резервуар, без клейма сосуда под давлением.
Обязанность по освидетельствованию следует за клеймом. Сосуд с клеймом несёт записи об изготовлении и гидростатическом испытании, а также действующий режим освидетельствования сосуда под давлением; резервуар большого объёма без клейма несёт программу освидетельствования и технического обслуживания резервуара для хранения воды. Орган, обладающий юрисдикцией, определяет порог и любые дополнительные требования, поэтому клеймо, которое вы указываете, — это то, которого требует расчётное рабочее давление, а не общее правило, применяемое без учёта числа.
Где давление оправдывает свои затраты
Герметичный бак оправдывает свою стоимость, когда хранимая вода должна оставаться внутри замкнутого контура и когда объём достаточно мал, чтобы штамп и освидетельствование были пренебрежимо малой величиной по сравнению со стоимостью стали. Районное охлаждение и центральные станции, которые заряжаются и разряжаются через один и тот же герметичный первичный контур, технологическое охлаждение, где накопитель должен выдерживать давление для технологического процесса, и модернизации, где разрыв давления потребовал бы новой установки под pressurisation, — это случаи, когда герметичный сосуд является выбором с меньшим сопротивлением. Он также оправдывает своё место там, где исключение воздуха строго: поддержание хранимого объёма выше насыщения и вдали от дыхательного вентиля устраняет проникновение кислорода и коррозионную нагрузку, которую приносит открытая поверхность.
Повторяющимся фактором является частота. Если бак заряжается и разряжается каждый день, устранение перепада давления снимает ежедневные потери энергии на насос, а стоимость клейма амортизируется за годы эксплуатации. Ниже примерно нескольких сотен кубических метров надбавка за сосуд с клеймом ASME мала по сравнению с окружающими его трубопроводами и средствами управления.
Где атмосферное давление — правильное решение
Атмосферное хранение — правильное решение при больших объёмах, и именно в этом сегменте находится большая часть систем аккумулирования тепловой энергии охлаждённой воды. Стратифицированный резервуар объёмом в несколько тысяч кубических метров экономически нецелесообразно эксплуатировать под давлением: корпус, патрубки и осмотровые люки масштабируются в зависимости от расчётного давления, а термоклинному накопителю необходима свободная поверхность, чтобы тёплый и холодный слои могли стратифицироваться без перепада давления, вызывающего перемешивание. Резервуар выполняется как вентилируемый или сводчатый атмосферный сосуд, подключаемый к контуру через теплообменник или специальный насосный агрегат заряда-разряда, а давление контура удерживается по другую сторону разрыва.
Это также правильный ответ в случае, когда на объекте уже эксплуатируется атмосферный контур открытого охлаждения или хранения и когда подпиточная вода и защита от замерзания уже организованы. Свободная поверхность даёт вам расширительную ёмкость бесплатно, корпус дёшев, и единственный недостаток — это перепад давления, который оплачивают насосы, а он невелик, когда бак медленно заряжается за ночь и разряжается в течение пика. Сохраните предусмотренные вентиляцию и защиту от замерзания, и атмосферный бак станет более дешёвым выбором.
Принятие решения по проекту
Выполняйте выбор в виде расчёта, а не по умолчанию. Начните с рабочего давления, необходимого контуру, и температуры охлаждённой воды и проверьте, превышает ли запасаемый объём порог ASME VIII при давлении, которое вы предполагаете; это в первую очередь определяет необходимость клеймения и инспекции. Затем подберите объём хранения под нагрузку: объём исходя из профиля нагрузки и допустимого колебания температуры, а не число, взятое из аналогичного проекта.
Далее сопоставьте энергетические варианты. Оцените напор насоса с разрывом давления и без него, используя реальную высоту подъёма и потери на трение вашей системы распределения, и умножьте на расход и часы работы, чтобы получить годовое энергопотребление насоса для каждого варианта. Добавьте разницу в капитальных затратах: штампованный сосуд с его освидетельствованием против вентилируемого бака и зарядного насоса. Побеждает тот вариант, у которого суммарные энергетические, эксплуатационные и капитальные затраты за срок службы ниже для вашего расхода, объёма и частоты зарядки; там, где объём большой, а зарядка медленная, обычно побеждает атмосферный вариант, а там, где объём малый и контур должен оставаться герметичным, обычно побеждает pressurized.
Границы давления и требования нормативов в зависимости от рабочего давления
Компоновка | Типичное рабочее давление | Нормативная основа | Инспекция / клеймение | Компенсация расширения |
Сосуд под давлением | Выше 15 psi(изб.) (103 кПа(изб.)) | ASME BPVC Раздел VIII (сосуд под давлением) | Клеймо U, заводская табличка, отчёт о данных, авторизованная инспекция | Закрытый расширительный бак на контуре |
Резервуар под давлением (низкое) | При или ниже 15 psi(изб.) | Ниже порога ASME VIII; общая основа для хранения | Программа инспекции резервуаров | Закрытый расширительный бак в контуре |
Атмосферный резервуар | Около 0 psi(g) (0 кПа(g)) | Вентилируемый/открытый; гидростатическая нагрузка и воздействия окружающей среды | Инспекция и техническое обслуживание резервуара для хранения воды | Свободная поверхность резервуара |
Атмосферный резервуар (болтовой) | Около 0 psi(изб.) (0 кПа(изб.)) | Болтовой стальной резервуар для хранения по AWWA D103 | Записи об изготовлении и покрытии болтового резервуара | Свободная поверхность резервуара |
Факторы выбора: под давлением или атмосферный
Условие проекта | Преимущества | Почему | Контролируемый параметр |
Объём хранения более нескольких тысяч м3 | Атмосферный | Нагнетание давления в большом объёме экономически невыгодно; термоклин требует свободной поверхности | Теплообменник или загрузочный насос на разрыве |
Объём хранения малый (от десятков до низких сотен м3) | Под давлением | Клеймо и инспекция незначительны по сравнению с трубопроводами и средствами управления | Подтвердите рабочее давление относительно 15 psi(g) |
Ежедневный заряд/разряд, герметичный контур | Под давлением | Устраняет повторяющийся штраф за насос при скачках давления | Расчёт объёма закрытого расширительного бака |
Медленная ночная зарядка, пиковая разрядка | Атмосферное | Штраф по напору насоса в среднем снижается с ростом тепловой мощности | Защита от завоздушивания и замерзания |
Строгое исключение воздуха / контроль коррозии | Под давлением | Отсутствие дыхательного клапана, отсутствие проникновения кислорода | Насосная станция поддержания давления на стороне контура |
Существующий открытый контур охлаждения или хранения | Атмосферный | Подпитка и защита от замерзания уже обеспечены | Разрыв давления по контуру |
О Center Enamel
Center Enamel (Shijiazhuang Zhengzhong Technology Co., Ltd.) проектирует и изготавливает сборные резервуары из болтовых стальных конструкций, сварные стальные резервуары, резервуары с эпоксидным покрытием методом напыления, оцинкованные резервуары, сосуды из нержавеющей стали, сосуды под давлением, алюминиевые геодезические купольные крыши и плавающие крыши. Компания имеет более чем 30-летний опыт производства и поставила оборудование для проектов в более чем 100 странах. Алюминиевые геодезические купольные крыши проектируются и изготавливаются в соответствии с API 650 Приложение G, AWWA D108, Руководством по проектированию алюминиевых конструкций, ASCE 7 и IBC, а в 2023 году компания разработала и экспортировала алюминиевую купольную крышу диаметром 72 м. Проектирование, изготовление, нанесение покрытий, контроль качества и сервис на месте выполняются в рамках единого объёма работ, поэтому чертежи, расчётная база и поставленное оборудование могут быть согласованы между собой.
Часто задаваемые вопросы
Должен ли резервуар для хранения охлажденной воды быть под давлением?
Давление следует создавать только в том случае, когда хранимая вода должна оставаться внутри герметичного гидронного контура и рабочее давление превышает порог ASME VIII, или когда удаление воздуха и целостность контура важнее стоимости бака. Для большинства крупнообъёмных систем аккумулирования тепловой энергии ответ отрицательный: бак строится атмосферным и подключается через теплообменник, поскольку создание давления в тысячах кубических метров экономически нецелесообразно, а для термоклина необходима свободная поверхность. Указывайте pressurized (под давлением) там, где объём мал и контур должен оставаться герметичным.
В чем разница между резервуаром под давлением и атмосферным резервуаром?
Резервуар под давлением представляет собой границу давления, удерживающую хранимую воду при давлении выше атмосферного, с корпусом, патрубками и инспекцией согласно ASME BPVC Section VIII, когда давление превышает 15 psi(g); контур остается герметичным в пределах хранилища. Атмосферный резервуар вентилируется или открыт при давлении около 0 psi(g) и рассчитан только на гидростатическую нагрузку и воздействия окружающей среды, подключается к контуру через разрыв или теплообменник. Разница заключается в том, где находится граница давления и кто за нее платит.
Требуется ли на резервуар под давлением клеймо ASME?
Требуется клеймо ASME BPVC Section VIII, когда рабочее давление превышает 15 psi (103 кПа(изб.)); это порог области применения для сосуда под давлением в США. При давлении на этом уровне или ниже сосуд находится ниже порога ASME VIII и может быть изготовлен как обычный резервуар для хранения, например, болтовой резервуар по AWWA D103, без клейма сосуда под давлением. Определяющим числом является ваше расчётное рабочее давление и принятие этого порога органом власти, имеющим юрисдикцию (AHJ), а не само слово «под давлением».
Как давление влияет на мощность насоса?
Мощность насоса определяется по формуле P = ρ g Q H / η. Бак под давлением уже находится под давлением контура, поэтому насосы зарядки и разрядки добавляют только потери на трение и геометрический напор. Бак атмосферного давления создаёт разрыв давления: вода переходит к атмосферному давлению в баке, и возвратный насос должен заново создать давление контура, поэтому подъём появляется в напоре насоса. Энергия не уничтожается; она перекладывается с узла поддержания давления на главные циркуляционные насосы, и затраты растут с расходом и с частотой зарядки бака.
Какая компоновка имеет более низкое энергопотребление?
Ни один из них не ниже во всех случаях; ответ зависит от режима работы. Герметизированный контур устраняет штраф за разрыв давления, поэтому при высокой частоте заряда и разряда закрытая система может потреблять меньше энергии насоса. Атмосферный бак переносит этот штраф на циркуляционные насосы, но при медленном ночном заряде и разряде в течение пикового периода средний напор насоса определяется тепловым темпом, поэтому штраф невелик. Сравнивайте годовое потребление энергии насосами для вашего расхода, высоты и трения, а не тип бака в отдельности.
Когда достаточно атмосферного давления?
Атмосферное исполнение достаточно, когда объём хранения велик, контур может выдержать разрыв давления за теплообменником, а зарядка происходит достаточно медленно, чтобы потеря напора насоса была небольшой. Большинство стратифицированных систем хранения охлаждённой воды объёмом в несколько тысяч кубических метров являются атмосферными, поскольку создание в них избыточного давления экономически невыгодно, а термоклину необходима свободная поверхность. Оно также достаточно там, где подпиточная вода, вентиляция и защита от замерзания уже организованы на объекте и исключение воздуха не является строгим требованием.
Как компенсируется расширение в каждом случае?
В закрытой системе под давлением расширение компенсируется отдельным закрытым расширительным баком, рассчитанным на общий объём воды и колебание температуры; накопительный бак входит в фиксированный объём, но сам по себе не обеспечивает компенсацию расширения. В атмосферной схеме свободная поверхность бака принимает расширение обслуживаемого им объёма, поэтому бак выполняет роль расширительного приёмника на своей стороне разрыва. В обоих случаях по-прежнему требуется контроль давления на стороне контура, находящейся под давлением.
Решение «под давлением или атмосферный» — это прежде всего решение о границе давления, и именно за эту границу вы платите. Задайте рабочее давление и температуру охлаждённой воды, проверьте порог ASME VIII при 15 psi(изб.), и вопрос о клеймении и инспекции решится сам собой. Выше порога сосуд является сосудом под давлением; ниже — накопительным баком.
Тогда экономический расчёт вытекает из объёма и обязанности. Большие, медленно заряжаемые стратифицированные хранилища являются атмосферными, потому что создание в них давления неэкономично, а термоклин требует свободной поверхности; малые объёмы внутри герметичного контура находятся под давлением, потому что штамп дешёв, а разрыв давления дорог. Выполните сравнение напора насоса и годовой энергии для вашего собственного расхода и высоты, а не принимайте значение по умолчанию.
Пришлите нам рабочее давление контура, температуру охлаждённой воды, нагрузку на хранение и частоту зарядки, и мы вернём основу для штамповки, энергетическое сравнение и схему контроля расширения для обоих вариантов, рассчитанные по вашим цифрам, а не по эмпирическому правилу.
Свяжитесь с нашей инженерной командой
Отправьте рабочую нагрузку, объёмную основу, применимый код и ограничения площадки, и наша инженерная команда вернётся со спецификацией, которую поставщик сможет оценить, а рецензент — утвердить. Мы также прямо сообщим вам, когда другой тип резервуара или другой объём работ будет лучшим решением.
WhatsApp