Стратифицированный бак холодной воды: тепловая стратификация и геометрия входного/выходного патрубков
Создано Сегодня
Резервуар для хранения охлаждённой воды со стратификацией: тепловая стратификация и геометрия входного/выходного отверстия
В стратифицированном баке-аккумуляторе холодной воды полезная ёмкость — это холод, который можно отдать в пределах полного перепада температур, и этот перепад сохраняется только при защите стабильного плотностного течения. Расположите вход и выход холодной воды внизу, а тёплый возврат — вверху, используйте диффузоры и перегородки, чтобы импульс входящего потока не разрушал термоклин, и измерьте потери на перемешивание при пусконаладке по фактически отданной энергии в сравнении с идеальной.
Введение
Стратифицированный бак-аккумулятор холодной воды — это сосуд для аккумулирования тепловой энергии, компонент системы холодоснабжения и ОВК, а не противопожарный резервуар, поэтому карта глав NFPA 22 по противопожарной защите, регулирующая противопожарное водоснабжение, к нему не применяется. Его продукт — не объём воды, а объём холода, отданный в пределах перепада температур, и этот перепад доступен только при сохранении стратификации в баке. Именно геометрия входа и выхода определяет, сохранится ли перепад.
Эта статья посвящена геометрии, которая поддерживает стратификацию: почему поток плотности между холодным нижним слоем и тёплым верхним слоем — это то, что вы защищаете, где должны располагаться вход и выход, как диффузоры и перегородки не дают входящему потоку разорвать термоклин, и как измеряется штраф за перемешивание, когда геометрия не справляется. Справочными материалами, на которых основано тестирование, являются рекомендации ASHRAE и единые процедуры тестирования IAPMO для резервуаров теплового хранения.
Два числа определяют всё последующее. Запасённая энергия — это rho V cp (T_warm - T_cold), а полезная ёмкость — это доля этой энергии, которую резервуар действительно может отдать. Стратификация — это то, что делает весь диапазон полезным; перемешивание — это то, что его отнимает. Геометрия — это разница между ними, и её стоит проектировать, а не оставлять на волю случая.
Почему стратификация важна для полезной ёмкости
Стратификация важна, потому что продукт резервуара — это энергия, запасённая за счёт разницы температур, а не просто объём воды. Идеальная запасённая энергия равна rho V cp (T_warm - T_cold): для данного резервуара более широкий, полностью используемый разброс температур запасает больше холода. Если резервуар остаётся стратифицированным, чиллер может заряжать холодный нижний слой, а нагрузка может забирать из него, пока тёплый возврат остаётся сверху, и полный разброс доступен обоим.
Если резервуар перемешивается, весь объём движется к единой средней температуре, и полезный холод стремится к нулю, потому что больше нет холодного слоя для забора. Резервуар может быть полон воды и всё равно давать почти ничего полезного. Поэтому геометрия, сохраняющая стратификацию, — это, напрямую, геометрия, сохраняющая полезную ёмкость, и именно поэтому это рассматривается как задача проектирования, а не как деталь.
Плотностной ток и то, что его поддерживает
Плотностной поток — это медленная циркуляция, обусловленная тем, что при рассматриваемых температурах холодная вода плотнее тёплой. В заряженном баке холодный слой находится ниже тёплого, разделённых термоклином, и именно плавучесть между ними удерживает слои раздельно. Поток поддерживается до тех пор, пока сохраняется разность плотностей и ничто не вносит достаточного импульса для перемешивания границы раздела.
На практике это поддерживается дисциплиной в местах соединений. Входящие потоки должны поступать на правильный слой и с достаточно низкой скоростью, чтобы они распространялись вдоль этого слоя, а не пробивали его насквозь. Когда импульс на входе мал относительно восстанавливающей силы плавучести, что описывается высоким числом Ричардсона или низким внутренним числом Фруда, термоклин сохраняется; когда импульс доминирует, он разрушается, и резервуар перемешивается.
Высота входного и выходного отверстий
Правило высотного расположения следует из плотности: холодная вода должна находиться внизу, а тёплая — вверху. Подача охлаждённой воды, холодный поток, входит в резервуар и отбирается из его нижней части, а тёплый обратный поток входит сверху. Это удерживает каждый поток в своём плотностном слое и позволяет термоклину располагаться между ними без нарушений.
Правильное высотное расположение — это не только вопрос того, какой конец где находится; это вопрос размещения подключений так, чтобы входящий поток достигал своего слоя, не пересекая термоклин по пути. Слишком высоко расположенный холодный впуск или слишком низко расположенный тёплый обратный впуск вводит воду неправильной плотности в неправильный слой и запускает перемешивание с первой же загрузки. Поэтому высотные отметки устанавливаются исходя из целевого положения термоклина и слоя, который должно питать каждое сопло.
Компоновки диффузоров и перегородок
Диффузоры и перегородки существуют для гашения входного импульса. Диффузор распределяет входящий поток по большой площади с низкой скоростью через множество небольших отверстий, так что поток мягко поступает в свой слой, а не в виде струи, которая пробила бы термоклин. Перегородки отклоняют и распределяют поток с той же целью там, где коллектор неприменим.
· Используйте диффузор с достаточной открытой площадью, чтобы скорость подхода была низкой, обычно небольшая величина, например доля метра в секунду, согласованная со слоем, который он питает.
· Распределяйте отверстия по поперечному сечению резервуара так, чтобы поток поступал в виде листа, а не точки.
· Размещайте диффузор в правильном слое плотности: выше холодной границы раздела для тёплого возврата и ниже неё для холодной подачи.
· Подберите размер перегородки так, чтобы изменить направление потока, не создавая высокоскоростной струи, которая снова вовлекает термоклин.
Как измеряется штраф за смешивание
Штраф за смешивание измеряется как разница между энергией, которую бак фактически отдаёт, и идеальной rho V cp (T_warm - T_cold). Обычный полевой метод регистрирует профиль температуры по высоте бака во время заряда и разряда и интегрирует отданный холод относительно идеального; отношение представляет собой эффективность хранения, а единица минус оно — это штраф.
Второй практический показатель — толщина термоклина: резкая граница раздела означает малое смешивание, толстая размытая граница означает, что слои перемешиваются и штраф растёт. Единые процедуры испытаний IAPMO дают структурированный способ провести это, и результатом является число, которое рецензент может сравнить с проектной эффективностью, а не впечатление о том, выглядит ли бак стратифицированным.
Короткое замыкание потока и как его обнаружить
Короткое замыкание — это неисправность, при которой поток входит в бак и выходит из него, не проходя через его хранимый объём, поэтому запасённый холод так и не доставляется, а тёплый обратный поток не присоединяется к тёплому слою. Оно вызвано геометрией, позволяющей входу и выходу напрямую сообщаться друг с другом: патрубки, расположенные близко друг к другу, единое совмещённое подключение или вход, направленный поперёк короткого размера бака.
Это выявляется по температурному профилю и по материальному балансу. Если температура отбора слишком точно повторяет температуру обратного потока или если датчики на средней высоте так и не фиксируют образование термоклина, поток обходит накопитель. Расчётное исследование потока на этапе проектирования и журнал профиля при вводе в эксплуатацию — это два способа обнаружить это до приёмки бака, потому что бак с коротким замыканием выглядит полным, но работает как пустой.
Проверки при вводе в эксплуатацию
Проверки при вводе в эксплуатацию подтверждают, что термоклин образуется, сохраняется и обеспечивает работу. Датчики температуры на нескольких уровнях регистрируют профиль в течение полного цикла заряда и разряда, а проверяющий убеждается, что появляются выраженный холодный слой, тёплый слой и термоклин, а поставленная энергия соответствует проектной эффективности.
· Установите датчики температуры на нескольких уровнях, включая зону термоклина, предсказанную проектом.
· Зарегистрируйте полный цикл заряда и разряда и подтвердите, что слои и граница раздела образуются согласно проекту.
· Рассчитайте эффективность хранения по поставленному холоду относительно идеальной энергии.
· Подтвердите отсутствие короткого замыкания, проверив профиль на средней высоте и баланс массы.
· Зафиксируйте результаты в соответствии с методикой испытаний в стиле IAPMO, чтобы резервуар можно было повторно проверить позже.
Ограничения геометрического подхода
У геометрии есть пределы, и их обозначение делает проект честным. Хорошая геометрия входного и выходного отверстий не может исправить резервуар неправильного размера, слишком малый перепад температур, который не стоит накапливать, или воду, которая поступает уже перемешанной из-за плохо спроектированной распределительной системы. Внешний приток тепла через стенки также со временем снижает расслоение, и это решается изоляцией, а не конструкцией диффузора.
Также существует эффект формы: очень широкий и мелкий резервуар или очень узкий и высокий изменяет расстояние, на которое диффузор должен распределять поток, и устойчивость слоёв, поэтому геометрия подстраивается под соотношение сторон, а не копируется с другого резервуара. Суть в том, что геометрия является необходимым условием для полезной ёмкости, но не достаточным, и проект указывает как то, чего геометрия достигает, так и то, чего она не может.
Критерии геометрии, поддерживающие стратификацию
Элемент | Правило | Причина | Последствия при ошибке |
Холодный вход / выход | В нижней части резервуара | Холодная вода плотнее и остаётся внизу | Неправильный слой вызывает перемешивание |
Тёплый возврат | В верхней части резервуара | Тёплая вода всплывает | Термоклин разрушается при первой зарядке |
Скорость на диффузоре | Низкая, распределена по площади | Низкий импульс защищает границу раздела | Струя проникает через термоклин |
Расположение диффузора | В пределах правильного слоя | Подаёт нужную плотность | Захват через слои |
Перегородка | Изменяет поток без струи | Распределяет мягко | Повторно захватывает границу раздела |
Сопла | Разделены, не объединены | Предотвращает короткое замыкание | Поток обходит накопитель |
Штраф за перемешивание и эффективность
Количество | Определение | Идеал | Измерено при |
Запасённая энергия | rho V cp (T_warm - T_cold) | Используется полный разброс | Расчётная база |
Поставленная энергия | Интегрированный холодный отбор | Равна запасённой | Журнал зарядки/разрядки |
Эффективность накопления | Фактическая / идеальная | 1,0 | Пусконаладка |
Штраф за перемешивание | 1 - эффективность | 0 | Пусконаладка |
Толщина термоклина | Четкость интерфейса | Тонкий | Профильные датчики |
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 наплавления, оцинкованные резервуары, сосуды из нержавеющей стали, сосуды под давлением, алюминиевые геодезические купольные крыши и плавающие крыши. Компания имеет более чем 30-летний производственный опыт и поставляла 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, расчётное обоснование и поставленное оборудование могут быть согласованы между собой.
Часто задаваемые вопросы
Что такое тепловое расслоение в резервуаре с охлажденной водой?
Термическая стратификация в баке с охлаждённой водой — это устойчивое разделение холодного нижнего слоя и тёплого верхнего слоя по плотности с термоклином между ними. Поскольку холодная вода плотнее, она находится внизу, а тёплая обратная вода плавает сверху, поэтому весь диапазон температур сохраняется и доступен для чиллера и нагрузки. Запасённая энергия равна rho V cp (T_warm - T_cold); стратификация — это то, что делает весь этот диапазон usable, а не усреднённым в единую смешанную температуру.
Где следует расположить вход и выход?
Холодная вода находится внизу, а тёплая — вверху, потому что холодная плотнее. Подача охлаждённой воды и холодный отбор находятся в нижней части бака, а тёплый возврат входит сверху, поэтому каждый поток остаётся в своём слое плотности, а термоклин располагается между ними. Точные отметки задаются исходя из целевого положения термоклина и слоя, который должно питать каждое сопло, поэтому вход или выход, размещённый в неправильном слое, начинает перемешивание с первой зарядки.
Как перемешивание снижает полезную ёмкость?
Перемешивание сводит разброс температур к единой средней температуре, поэтому не остаётся отдельного холодного слоя для отбора, и полезный холод стремится к нулю даже в полном резервуаре. Формула запасённой энергии предполагает, что доступна полная разность T_warm минус T_cold; перемешивание заменяет её гораздо меньшим эффективным разбросом. Потери от перемешивания — это потерянная отпущенная энергия, измеряемая как единица минус эффективность хранения при вводе в эксплуатацию.
Что вызывает короткое замыкание в резервуаре-хранилище?
Короткое замыкание происходит, когда поток входит и выходит, не проходя через хранимый объём, поэтому холодный заряд так и не доставляется, а тёплый возврат никогда не присоединяется к своему слою. Это вызывается геометрией, которая позволяет входу и выходу сообщаться напрямую: патрубки, расположенные близко друг к другу, единое объединённое подключение или вход, направленный поперёк короткого размера. Это обнаруживается по температурному профилю, который никогда не показывает термоклин, и по материальному балансу, который не сходится.
Как проверяется стратификация при вводе в эксплуатацию?
Проверьте стратификацию при вводе в эксплуатацию, регистрируя температурный профиль по высоте резервуара в течение полного цикла заряда и разряда, с датчиками, размещёнными, в том числе, в предполагаемой зоне термоклина. Подтвердите образование чёткого холодного слоя, тёплого слоя и границы раздела, вычислите эффективность хранения по поданному холоду относительно идеального rho V cp delta-T и проверьте наличие короткого замыкания по профилю на средней высоте и по балансу массы в соответствии с единой методикой испытаний IAPMO.
Влияет ли форма резервуара на стратификацию?
Да, косвенно. Соотношение сторон резервуара изменяет то, насколько далеко диффузор должен распределять входящий поток и насколько стабильными остаются слои, поэтому очень мелкий или очень высокий резервуар требует иной геометрии диффузора, чем приземистый. Форма сама по себе не создаёт стратификацию, но она определяет сложность её сохранения, и геометрия входа и выхода настраивается под фактическую форму резервуара, а не копируется с другого резервуара.
Сколько полезной ёмкости теряется в баке с хорошим перемешиванием?
В полностью перемешанном баке полезная ёмкость стремится к нулю, поскольку весь объём находится при одной средней температуре и отсутствует холодный слой для выдачи; разброс в формуле запасаемой энергии исчезает. Поэтому бак с хорошим перемешиванием может потерять почти весь свой потенциал хранения, и именно поэтому сохранение термоклина за счёт геометрии входного и выходного патрубков считается основой конструкции, а не её усовершенствованием.
Стратифицированный бак для хранения охлаждённой воды обеспечивает полезную ёмкость только до тех пор, пока сохраняется разность температур, а эта разность сохраняется лишь тогда, когда геометрия входного и выходного патрубков защищает плотностной поток между холодным нижним слоем и тёплым верхним слоем. Холод — внизу, тепло — вверху, диффузоры и перегородки для гашения входного импульса, а также проверка при пусконаладке фактической энергии относительно идеальной.
Геометрия необходима, но недостаточна: она не может исправить неправильный объём, слишком малый разброс или воду, которая поступает уже перемешанной, а изоляция всё ещё должна контролировать теплоприток. Пришлите нам целевой разброс, скорости заряда и разряда и форму резервуара, и мы вернём геометрию входного и выходного патрубков с обоснованием диффузора и проверкой штрафа за перемешивание, изложенными для проверяющего.
Свяжитесь с нашей инженерной командой
Отправьте нам данные о режиме работы, базе объема, применимых нормах и ограничениях площадки, и наша инженерная команда вернется со спецификацией, которую поставщик сможет оценить, а рецензент — утвердить. Мы также прямо скажем вам, когда другой тип резервуара или другой объем работ будет лучшим решением.
WhatsApp