Стратифицированные баки холодной воды: диффузоры, перегородки и контроль термоклина
Создано Сегодня
Стратифицированные резервуары охлаждённой воды: диффузоры, перегородки и контроль термоклина
Стратифицированный бак холодной воды не отдаёт свой объём по оболочке. Полезная ёмкость — это объём, который остаётся в пределах заданного температурного диапазона, и это число определяется геометрией диффузора и перегородок, а не цилиндром, который его содержит. Бак работает потому, что холодная и тёплая вода различаются по плотности и поэтому под действием силы тяжести разделяются на слои, удерживаемые врозь узким термоклином. Три механизма разрушают это разделение: импульс входящего потока, теплопроводность через оболочку, крышу и несущие её конструктивные мосты, а также короткое замыкание, при котором два потока встречаются прежде, чем слои успевают установиться. Поскольку полоса термоклина представляет собой постоянную и неизбежную потерю полезного объёма, и поскольку меры, защищающие её, а именно гильзы датчиков, люки доступа и опоры диффузора, могут быть выполнены только до изоляции сосуда, внутренняя геометрия и проектные резервы должны быть определены в процессе изготовления, а не при пусконаладке. Поэтому приёмка должна быть прописана применительно к полезной ёмкости в заданном температурном диапазоне и подтверждаться температурным профилем, снятым за цикл заполнения и опорожнения, а не применительно к паспортному объёму оболочки, как подробно описано для стратификационного диффузора бака ТЭС.
Почему стратификация, а не объём оболочки, определяет полезную ёмкость
Стратифицированный бак покупают, чтобы одновременно поддерживать две температуры, не смешивая их в одну среднюю, поэтому вопрос заказчика узок: сколько воды бак может выдать при температуре холодного выхода и сколько при температуре тёплого выхода одновременно? Корпус не отвечает ни на один из этих вопросов. Ответ — это объём между двумя слоями, а толщину переходной зоны между ними определяет внутреннее устройство. Два бака с одинаковым цилиндром и покрытием могут вмещать полезные объёмы, различающиеся на десятую часть, потому что один стратифицирует, а другой нет, как подробно описано для tes tank stratification diffuser.
Как термоклин формируется из-за разницы плотностей
Механизм основан на плотности. Плотность воды падает с ростом температуры, поэтому в узком температурном диапазоне системы охлаждённой воды разница невелика, но достаточна: холодная вода, подаваемая в нижнюю часть резервуара, растекается по дну и остаётся под более тёплой водой, уже находящейся там, тогда как тёплая вода поднимается и собирается сверху. Между двумя слоями образуется переходная зона, толщина которой зависит от того, насколько оба потока перемешались до того, как установились. Каждый кубический метр внутри этой полосы — это вода ни при одной из заданных температур, и эта полоса постоянна: она не дренируется и не уменьшается в процессе эксплуатации, поэтому её объём вычитается из договорного количества с самого начала, как подробно описано для tes tank stratification diffuser.
Что его разрушает: импульс, теплопроводность и приток тепла
Три действия атакуют стратификацию. Первое — это импульс, поскольку холодный поток, входящий в виде струи, переносит свой импульс в резервуар и вдавливается в тёплый слой, увлекая тёплую воду вниз на объём, гораздо больший, чем входное отверстие. Второе — это теплопроводность и теплоприток, поскольку тепло проходит через оболочку, крышу и каждое сопло, опору и проходку, которые нарушают изоляцию, и каждый из них создаёт локальный шлейф, который разрушает границу раздела снаружи внутрь. Третье — это короткое замыкание, которое возникает, когда потоки встречаются, потому что выпускное отверстие забирает воду из другого слоя. Все три проявляются в температурном профиле, но не как сигнал тревоги, как подробно описано для диффузора стратификации резервуара TES.
Типы диффузоров и создаваемое каждым из них поле потока
Диффузор определяет, как входящий поток попадает в стратифицированный объём, и его выбор — это выбор управления импульсом в противовес доступу для обслуживания. Требование в каждом случае одно и то же: распределение по площади плана с как можно меньшей скоростью на выходе, насколько позволяет геометрия, чтобы поток не пробивал границу раздела, которую он призван создать. Ниже изложены обычно применяемые семейства и ограничение, присущее каждому из них. Ни одно не является универсально правильным, и правильное следует из ориентации резервуара, скорости зарядки и того, требуется ли доступ внутрь ёмкости для очистки. Каждое также отказывает способом, который проявляется в профиле, поскольку засорённое сопло создаёт локальный тёплый карман в холодном слое, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
Семейство диффузоров | Схема выпуска | Область применения | Ограничение |
Радиальный диффузор, перфорированное кольцо | Наружный выпуск вокруг центрального впуска | Вертикальные резервуары, центральный впуск | Импульс струи разрушает границу раздела при высокой скорости истечения |
Перфорированный коллектор, сопла на одном уровне | Распределённый выпуск вдоль линии сопел | Длинные сосуды, горизонтальные оболочки | Засорение смещает распределение, вызывает короткое замыкание |
Щелевой диффузор, вертикальные или горизонтальные щели | Низкоскоростной выпуск через узкие щели | Режимы, где управляет контроль импульса | Щели собирают мусор, трудно очищаются в процессе эксплуатации |
Низкоскоростной выпуск, распределитель по площади | Выпуск по всей площади | Большие вертикальные резервуары, высокие скорости загрузки | Требуется большая площадь, что нецелесообразно при малых диаметрах |
Распределитель с опускной трубой и ответвлениями | Подача по длине сосуда | Горизонтальные стратифицированные сосуды | Неравномерный боковой поток оставляет градиенты |
Перегородки в горизонтальном сосуде, где гравитация и поток перпендикулярны
В горизонтальном корпусе ось потока и вектор силы тяжести перпендикулярны, что полностью меняет геометрию стратификации. Холодная вода, подаваемая с одного конца, не оседает под входящим потоком так, как это происходило бы в вертикальном корпусе; её необходимо направлять ко дну и удерживать там, тогда как тёплая вода направляется кверху и не должна возвращаться обратно вдоль сосуда. Вертикальные перегородки прерывают продольный путь, по которому тёплая вода движется к холодному входному концу, — доминирующий маршрут короткого замыкания. Наклонные перегородки перенаправляют поток, но их ориентация определяет эффект, и неправильно ориентированная перегородка направляет холодный поток вдоль корпуса мимо тёплого выхода, как подробно описано для стратификационного диффузора теплового аккумулятора.
Контрольно-измерительные приборы, которые измеряют термоклин, а не предполагают его
Стратифицированный резервуар — это тот единственный резервуар на установке, где одно измерение температуры почти ничего не доказывает. Интересующее состояние — это вертикальный профиль, поэтому контрольно-измерительные приборы представляют собой набор датчиков на нескольких уровнях, и в спецификации должно быть указано, сколько их, на каких отметках и с какой точностью. Датчики обычно размещаются в герметичных защитных гильзах, приваренных к корпусу или к внутренним опорам, чтобы их можно было извлечь без опорожнения резервуара, и эти гильзы невозможно добавить позже. Прокладка кабелей — это место, где требования чаще всего нарушаются, поскольку кабель, входящий через негерметичную точку, нарушает паровой барьер и создаёт путь для конденсата во футеровку, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
Изоляция, пароизоляционный барьер и состояние холодной поверхности
Изолированная поверхность резервуара с охлаждённой водой в течение большей части года находится ниже точки росы окружающего воздуха, а это означает, что пароизоляция определяет, будет ли резервуар работать, а изоляция — лишь материал, который делает пароизоляцию оправданной. Непрерывная и герметичная пароизоляция сохраняет изоляцию сухой; прерывистая пароизоляция пропускает влагу в изоляцию, где она конденсируется, где она увлажняет облицовку и где она лишает изоляцию тепловых характеристик, для обеспечения которых она была установлена. Пароизоляция должна проходить от обечайки на крышу и через узел соединения крыши со стеной без разрывов, и каждое проникновение должно быть герметизировано в детали, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
Проектные решения, которые нельзя откладывать до этапа ввода в эксплуатацию
Некоторые особенности стратифицированного резервуара физически невозможно дооснастить после того, как сосуд был изолирован, и поэтому они являются проектными решениями с привязанным к производству сроком. Это также те особенности, которые чаще всего отсутствуют в тендерной документации, поскольку каждая из них выглядит незначительной на общем виде компоновочного чертежа. Конструктивные решения заслуживают внимания, поскольку внутренние элементы не являются невесомыми: диффузорная сборка, достаточно большая, чтобы распределить поток по площади в плане, комплект перегородок, перекрывающих сосуд, и комплект опор датчиков — все они создают нагрузки на обечайку и днище, и эти нагрузки должны восприниматься усиливающей конструкцией и фундаментом, как подробно описано для диффузора стратификации резервуара TES.
· Положение и количество карманов для датчиков: привариваются к корпусу при изготовлении, как подробно описано для tes tank stratification diffuser.
· Размер и расположение лаза: фиксируются в раскладке листов и вырезаются до эмалирования, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
· Опоры диффузора и внутренний путь нагрузки: часть конструкции сосуда и фундамента, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
· Размеры и расположение патрубков: проходы в оболочке не могут быть приварены на месте позже, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
· Детализация пароизоляции в каждом проходе: проектируется до установки изоляции, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
Приёмка по полезной ёмкости и пусконаладочное испытание, которое это подтверждает
Критерий приемки следует из обязанности. Это не объем корпуса и не показание температуры на одном выходе. Это объем, поставляемый при температуре холодного выхода, и объем, поставляемый при температуре теплого выхода, с толщиной термоклина, зафиксированной в ходе определенного цикла заполнения и слива. Объем корпуса в приведенном ниже иллюстративном расчете составляет 628,3 м3, исходя из диаметра 10 м и высоты прямого корпуса 8 м; затем из него вычитаются полоса, мертвые объемы и отборы на выходах. Все значения в таблице являются иллюстративными входными данными, используемыми для демонстрации метода, и не являются проектным предложением или требованием проекта, как подробно описано для диффузора стратификации резервуара TES.
· Полезная ёмкость при указанных температурах холодного и тёплого патрубков, а также допуск по полосе, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
· Ориентация бака с холодными и тёплыми входами и отборами на общем виде компоновки, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
· Семейство диффузоров, площадь выпуска и проектная скорость заряда, под которую он рассчитан, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
· Схема перегородок с ориентацией, протяжённостью и размерами зазоров, обеспечивающими промываемость резервуара, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
· График гильз датчиков с отметками, количеством и методом герметизации устья гильзы, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
Переходная полоса | Полезная ёмкость | Доля оболочки | Чтение для контракта |
10 м3 | 618,3 м3 | 98,4% | Потери в полосе в пределах обычного допуска на выходе |
20 м3 | 608,3 м3 | 96,8% | Потери становятся предметом договора, как только полоса указана |
40 м3 | 588,3 м3 | 93,6% | Оболочка и полезные объёмы существенно разделились |
Часто задаваемые вопросы
В1. Почему стратификация определяет полезную ёмкость?
Потому что два слоя разделены переходной зоной, в пределах которой температура изменяется непрерывно, и эта зона не принадлежит ни одному из выходов. Полезная ёмкость — это объём оболочки за вычетом зоны, мёртвых зон за перегородками и объёмов за пределами точек отбора. Толщина зоны определяется геометрией диффузора, а не размерами резервуара, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
В2. Как образуется термоклин?
Холодная и тёплая вода различаются по плотности, поэтому холодный поток, вводимый в нижнюю часть резервуара, растекается под уже находящейся там более тёплой водой и остаётся ниже неё, тогда как тёплая вода поднимается и собирается сверху. Между ними образуется переходная область, толщина которой зависит от того, насколько оба потока перемешались до того, как слои установились. Расположение входных патрубков и скорость входа имеют такое же значение, как и геометрия резервуара, как подробно описано для tes tank stratification diffuser.
Вопрос 3. Что её разрушает?
Три механизма. Импульс входящей струи проникает в тёплый слой и увлекает тёплую воду вниз. Теплопроводность и приток тепла через оболочку, крышу и каждое проникновение, нарушающее изоляцию, создают локальные шлейфы, которые разрушают границу раздела снаружи внутрь. Короткое замыкание позволяет потокам встретиться, поскольку выходной патрубок забирает воду из другого слоя, как подробно описано для tes tank stratification diffuser.
Вопрос 4. Какие типы диффузоров существуют?
К распространённым семействам относятся радиальный диффузор, выпускающий поток наружу через круговую область, перфорированный коллектор с соплами на одном уровне, щелевой диффузор с вертикальными или горизонтальными щелями, низкоскоростной выпуск, распределяющийся по всей площади в плане, и распределитель с опускной ветвью и боковыми отводами, применяемый в горизонтальных корпусах. Каждый из них обеспечивает баланс между контролем импульса и доступом для очистки, как подробно описано для диффузора стратификации резервуара tes.
Вопрос 5. Почему горизонтальным сосудам нужны перегородки?
В горизонтальном резервуаре ось потока и вектор гравитации перпендикулярны, поэтому потоки должны направляться, а не отстаиваться. Перегородки прерывают продольный путь, по которому тёплая вода движется к холодному входу, а наклонные перегородки могут перенаправлять поток вниз или вверх. Их ориентация определяет эффект, а герметичная перегородка оставляет застойные зоны, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
Вопрос 6. Как измеряется положение термоклина?
С помощью вертикального профиля температуры, снимаемого датчиками на нескольких уровнях, обычно размещёнными в герметичных карманах для датчиков, приваренных к корпусу или к внутренним опорам. Количество и уровни должны быть указаны в спецификации, а профиль регистрируется в течение цикла заполнения и слива, а не отбирается однократно, поскольку одно измерение не может отделить стабильную зону от переходной, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
Вопрос 7. Почему требуются и изоляция, и пароизоляционный барьер?
Изолированная поверхность большую часть года находится ниже точки росы окружающего воздуха, поэтому пароизоляция не пропускает влагу в изоляцию и поддерживает температуру наружной поверхности близкой к температуре окружающей среды. Повреждённая пароизоляция приводит к конденсации влаги внутри изоляции, увлажняет облицовку и лишает изоляцию тех теплотехнических характеристик, ради которых она была установлена. Эти два компонента выполняют разные функции, и ни один из них не заменяет другой, как подробно описано для tes tank stratification diffuser.
В8. Какие проектные решения должны быть определены до изготовления?
Позиции и количество карманов для датчиков, размеры и расположение лазов, опора диффузора и внутренний путь нагрузки, размеры и расположение патрубков, а также детали пароизоляции вокруг каждого прохода. Всё это встраивается в сосуд или фиксируется до установки изоляции, поэтому ничего нельзя добавить во время пусконаладки без резки корпуса, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
В9. Почему приёмка ведётся по полезной ёмкости, а не по объёму корпуса?
Потому что заказчик покупает две температуры одновременно, а не количество стали. Объём оболочки — это геометрическая отправная точка; договорное количество — это объём, поставляемый при холодной и тёплой температурах на выходе. На иллюстративной геометрии диаметром 10 м и прямой оболочкой 8 м объём оболочки составляет 628,3 м3, а полоса 40 м3 оставляет 588,3 м3 полезного объёма, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
В10. Как пусконаладка проверяет стратификацию?
Путём выполнения цикла заряда и разряда фиксируется фактическая нагрузка, а профиль температуры регистрируется через фиксированные интервалы до стабилизации, после чего записывается полоса между двумя слоями и подаваемые объёмы на каждом патрубке. Испытание должно проводиться при проектных скоростях заряда и разряда, поскольку пониженная скорость приведёт к стратификации бака, который плохо перемешивается в эксплуатации, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
Стратифицированный бак холодной воды приобретается ради объёма, который он выдаёт при двух температурах, и этот объём обеспечивается геометрией диффузора и перегородок, а не корпусом, в котором он поставляется. Инженерное следствие состоит в том, что внутренние элементы и есть конструкция, а оговорки вокруг них — гильзы датчиков, люки доступа, внутренние опоры и детали пароизоляции — являются производственными решениями с привязанным к ним сроком. Если указывать бак по объёму корпуса и вводить его в эксплуатацию по одной температуре на выходе, покупатель останется владельцем разницы. Указание полезной ёмкости при заявленном диапазоне, фиксация всех provisions до изоляции сосуда и приёмка результата по температурному профилю, снятому за цикл заполнения и опорожнения при проектных расходах, — это решения, которые превращают сосуд с водой в стратифицированный запас, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
Связаться с инженером
Для стратифицированного бака холодной воды необходимо предоставить скорости зарядки и разбора, температуры подачи и возврата холодной и теплой воды с допуском, требуемую полезную емкость на каждом выходе, ориентацию бака и доступную площадь застройки, рассматриваемый объем корпуса с его геометрией, схему изоляции и пароизоляции, требования к крыше или куполу, сейсмические и ветровые нагрузки площадки, а также количество и расположение точек измерения температуры, необходимых для пусконаладочных испытаний. Мы предоставим общую компоновку с расположением диффузоров и перегородок, разработанным под скорость зарядки, расчет полезной емкости с указанием вычета переходной зоны, схему гильз датчиков и люков-лазов, оценку конструкционной прочности внутренних нагрузок, а также программу пусконаладочных испытаний с интервалом регистрации и приемлемым значением для допуска, как подробно описано для стратификационного диффузора бака TES.
О Center Enamel
Шицзячжуан Чжэнчжун Текнолоджи Ко., Лтд. (Center Enamel) — профессиональный производитель, специализирующийся на проектировании и изготовлении сборных резервуаров для хранения с 2008 года. Ассортимент продукции включает резервуары из стеклоплавильной стали (GFS), резервуары с эпоксидным покрытием методом плавления (FBE), резервуары из нержавеющей стали, оцинкованные стальные резервуары и алюминиевые геодезические купольные крыши, а также техническую поддержку EPC и вспомогательное оборудование для резервуаров. Производство осуществляется в соответствии с ISO 9001, ISO 14001 и ISO 45001, а ассортимент продукции сертифицирован по NSF/ANSI 61, WRAS, CE и EN 1090, ISO 28765, AWWA D103-09 и NFPA там, где этого требует применение. Компания владеет почти 200 патентами на эмалирование, располагает производственной базой площадью 150 000 м2, выпускает около 300 000 стальных пластин с эмалевым покрытием в год, реализовала более 30 000 установленных проектов и поставила резервуары более чем в 100 стран. Возможности инженерного проектирования охватывают объемы резервуаров до 60 000 м3, как подробно описано для стратификационного диффузора резервуара TES.
WhatsApp