Стратифицированный бак теплового хранения: правила проектирования для полезной холодопроизводительности
Создано Сегодня
Стратифицированный бак тепловой аккумуляции: правила проектирования для полезной холодопроизводительности
Полезная холодопроизводительность — это объём между расчётной температурой полного заряда и температурой разряда, умноженный на удельную теплоёмкость воды, а не номинальный объём бака. Она определяется температурным перепадом, уменьшается за счёт перемешивания и выбранной конечной точки разряда, и должна подтверждаться испытанием на стратификацию температуры, а не приниматься на основании паспортной таблички бака.
Введение
Стратифицированная тепловая аккумуляция — одна из простейших идей в холодильной установке и одна из тех, которые легче всего неправильно рассчитать на бумаге. Вы храните охлаждённую воду в высоком баке, даёте холодной воде осесть на дно, а более тёплой обратной воде подняться наверх, и забираете из холодного слоя при пиковой нагрузке. Однако мощность, которую вы учитываете при подборе, — это не паспортный объём бака; это меньшее количество холода, которое вы действительно можете отдать между расчётными температурами.
В этой статье изложены правила, связывающие номинальный объём с располагаемой холодопроизводительностью. Она охватывает разницу между номинальной и полезной ёмкостью, температурный перепад, определяющий энергию, перемешивание, которое её снижает, конечную точку разряда, ограничивающую отбор, связанный набор правил, которым должно удовлетворять проектирование, способ испытания полезной ёмкости и то, как результат должен быть представлен владельцу. Цифры получены из соотношения для явного тепла и признанных процедур испытаний, а не из одного завершённого проекта.
Главное на протяжении всего текста — это то, что полезная ёмкость является расчётной и проверяемой величиной. Резервуар, обозначенный по его геометрическому объёму, почти ничего не говорит о том, как долго он будет нести нагрузку, и суть проектирования состоит в преобразовании одного в другое с помощью чисел, которые вы можете обосновать.
Номинальная и полезная ёмкость
Номинальный объем — это геометрический внутренний объем резервуара, измеренный между корпусом и проектным высоким уровнем воды. Это число, которое указывается на заводской табличке резервуара, и число, которое используется в большинстве предварительных оценок. Полезная холодопроизводительность меньше, и именно это число имеет значение при проверке соответствия нагрузки профилю потребления. Разница представляет собой объем, который не может быть отобран при полном качестве температуры: объем, удерживаемый выше проектной полной температуры в верхней части, объем, остающийся ниже проектной температуры разряда в нижней части, любой объем, потерянный из-за перемешивания впускной струи, и мертвый объем ниже самого низкого патрубка отбора.
Вы подбираете резервуар по паспортным данным, но подтверждаете установку по полезному значению. Спецификация, в которой указан только номинальный объём, не позволяет проверяющему убедиться в том, что требуемый режим соблюдён, и не позволяет вам защитить проект, если установка не справится в первое же лето. Именно на полезную величину рассчитываются остальные элементы установки, поэтому разрыв между этими двумя значениями — это разрыв между проектом, который работает, и проектом, который лишь выглядит завершённым на бумаге.
Температурный диапазон, определяющий ёмкость
Холодопроизводительность, запасённая в воде в виде явной теплоты, равна произведению массы, удельной теплоёмкости, полезного объёма и разности температур между тёплым обратным и холодным подающим потоком: Q = rho c V T. При воде с плотностью около 1000 кг/м3 и удельной теплоёмкостью 4,186 кДж/кг·К один кубический метр воды при разности температур 10 К запасает около 11,6 кВт·ч холода, что записывается как Q = 1,163 V T в кВт·ч, где V в м3, а T в К.
Таким образом, разность температур определяет размер бака для заданной нагрузки: при разности температур 6 K требуется примерно на две трети больше объёма, чем при разности 10 K для той же энергии. Разность температур задаётся исходя из возможностей чиллера и теплообменника, а не из удобства бака, поскольку уменьшение разности температур увеличивает как объём бака, так и расход насоса при той же нагрузке. Числа Фруда и Ричардсона описывают, как входной импульс нарушает термоклин, и именно поэтому малую разность температур защитить труднее, чем большую, что необходимо учитывать при выборе диффузора.
Перемешивание и вызываемые им потери
Стратификация сохраняется только в том случае, если теплая вода возвращается в верхнюю часть, а холодная уходит из нижней, и при этом два потока не пересекаются. Импульс впускного и выпускного потоков, теплопроводность стенок и теплоприток через ограждающую конструкцию — каждый из этих факторов разрушает термоклин, границу раздела, на которой температура изменяется наиболее резко. Потери проявляются в виде полезной емкости ниже значения, предсказываемого расчетом чистого распределения температур, поскольку размытая граница раздела увлекает теплую воду в холодный забор и вынуждает более раннее отключение.
Вы ограничиваете потери с помощью диффузоров, размеры которых подобраны так, чтобы поддерживать низкое число Фруда на входе, при скорости на входе ниже порога, который поддерживается данными о характеристиках диффузора, и с таким соотношением сторон резервуара, которое даёт термоклину возможность оставаться тонким. Штраф немал: плохо организованный вход может потерять от 10 до 20 процентов полезной ёмкости, которую предполагает номинальный объём, поэтому перемешивание рассматривается как первостепенная проектная переменная, а не деталь, решаемая на этапе подбора размеров труб.
Выбор конечной точки разбора
Конечная точка разбора — это температура холодной подачи, при которой вы прекращаете забирать воду из резервуара, и это проектный выбор, а не фиксированное свойство воды. Вы задаёте её исходя из охлаждающего змеевика: змеевику нужны температура подачи и расход, и самая низкая температура в резервуаре, которая всё ещё удовлетворяет змеевик при его расчётном расходе, становится конечной точкой.
Задайте конечную точку слишком холодной, и вы можете оставить полезную емкость в баке, но рискуете потерять ее из-за минимального температурного напора змеевика; задайте ее слишком теплой, и вы выбрасываете холодную воду, которую змеевик мог бы использовать. Конечная точка также взаимодействует с чиллером, поскольку минимальная температура испарителя чиллера и температурный напор змеевика задают практический нижний предел. Явное указание конечной точки вместе с температурным напором змеевика и минимальным напором чиллера позволяет преобразовать номинальный объем в единое обоснованное полезное значение и не дает выбору смещаться в ходе детального проектирования.
Правила, которые должны выполняться совместно
Стратифицированный бак работает только тогда, когда одновременно выполняются несколько правил, и установка, которая удовлетворяет одному и игнорирует остальные, будет работать с недобором. Бак должен запасать требуемую энергию в пределах заявленного диапазона, термоклин должен оставаться достаточно тонким, чтобы потери на перемешивание оставались в пределах проектного допуска, конечная точка разряда должна находиться там, где это позволяют змеевик и чиллер, теплоприток через оболочку должен оставаться ниже мощности, которую может поглотить рабочий режим, а схема входного патрубка должна удерживать число Фруда в диапазоне, который обеспечивает работоспособность диффузора.
Каждое правило имеет номер: энергетический баланс, скорость на входе диффузора, UA оболочки, приближение змеевика. Вы записываете их как связанный набор, потому что увеличение разброса изменяет объём, объём изменяет соотношение сторон, а соотношение сторон изменяет размеры диффузора. Проект — это набор согласованных чисел, а не какое-то одно из них, и при передаче должно быть показано, что они решались вместе, а не выбирались изолированно, что является обычной причиной, по которой проверенный проект всё ещё не справляется с задачей.
Проверка и испытания
Полезная ёмкость проверяется стратифицированным температурным тестом, а не чтением шильдика. Вы заполняете бак через холодный вход, устанавливаете термоклин, затем отбираете и измеряете: записывайте температурный профиль сверху вниз по мере разряда бака и интегрируйте полезный объём между температурами полного и разрядного состояния с учётом измеренного расхода и измеренных температур.
Единые процедуры испытаний IAPMO для теплоаккумулирующих баков предоставляют признанный метод такого измерения, а руководство ASHRAE описывает приборное оснащение и продолжительность испытания. Одного датчика сверху и снизу недостаточно; вертикальный зонд термоклина или линейка датчиков — это то, что показывает, оставалась ли граница раздела тонкой или размылась. Вы сообщаете измеренную полезную ёмкость, достигнутый разброс и потери на перемешивание относительно проектного допуска, и вы поддерживаете испытание достаточно долго, чтобы результат был воспроизводимым, а не единичным снимком.
Типичные ошибки проектирования
Ошибки повторяются. Бак, рассчитанный по номинальному объёму без расчёта полезной ёмкости, обеспечивает на 15–25 процентов меньше располагаемого охлаждения, чем предполагала оценка. Диффузор, выбранный по размеру трубы, а не по числу Фруда, разрушает термоклин на первом же цикле. Точка окончания разряда, заданная наугад, а не по температурному напору змеевика, оставляет холодную воду неиспользованной или лишает змеевик питания.
Оболочка без пароизоляции получает тепло, которое не было предусмотрено рабочим режимом, поэтому бак нагревается сверху даже в режиме простоя. Единственный датчик сверху и снизу скрывает перемешивание, поэтому владелец винит чиллер. А проект, проверяемый раздел за разделом, никогда как связанный набор, проходит каждую проверку и всё равно не выдерживает рабочий режим. Каждый из этих случаев — недостающее число, а не недостающий продукт, поэтому именно расчёт полезной ёмкости и испытание отличают работающий бак от просто маркированного.
Представление полезной ёмкости владельцу
При передаче бака сначала представьте полезное число, а номинальное — вторым. Приведите энергобаланс с принятым вами разбросом, выбранной вами конечной точкой разряда и допущенными вами потерями на перемешивание, затем укажите результирующую полезную ёмкость в кВт·ч и в эквивалентном времени работы при расчётной нагрузке.
Покажите измеренное значение из стратифицированного испытания рядом с проектным значением, а разницу объясните фактическим разбросом и конечной точкой, а не оставляйте её неожиданностью. Владелец рассчитывает остальную часть установки по полезному показателю, и нагрузка, которая учитывалась в модели здания по номинальному объёму, окажется недостаточной, когда установка заработает. Одностраничное заявление о мощности, подписанное по результатам испытания, — это то, что удерживает хранилище от повторных споров каждое лето, и именно этот документ оператор фактически использует, решая, выдержит ли резервуар следующий пик.
Контрольный список правил проектирования стратифицированного резервуара
Правило проектирования | Определяющая величина | Что вы должны указать |
Номинальный и полезный объём | Внутренний объём резервуара в сравнении с полезной энергией | Полезные кВт·ч и эквивалентное время работы, а не только паспортный объём |
Разность температур | Q = 1,163 V T (кВт·ч, V в м3, T в K) | Разность между обратной и подающей водой, взятая из чиллера и змеевика |
Потери на перемешивание | Число Фруда на входе, скорость в диффузоре | Допустимые потери и реализованная толщина термоклина |
Точка окончания разряда | Подход к змеевику плюс минимальный напор чиллера | Наименьшая полезная температура и причина этого |
Теплоприток через ограждение | UA резервуара | Потери в режиме простоя в пределах бюджета нагрузки |
Связанная проверка | Испытание на стратификацию температуры | Измеренная полезная ёмкость в сравнении с проектным значением |
Потеря ёмкости от номинального объёма до полезного
Источник потерь | Типичная величина | Механизм | Управление |
Мёртвый объём под соплом | от 1 до 3 процентов от номинала | Вода ниже самого низкого уровня разбора не подлежит извлечению | Расположение нижнего патрубка |
Выдержка при температуре выше полной | От 2 до 5 процентов | Верхний слой находится выше проектного предела нагрева | Регулирование уровня до проектной верхней точки |
Смешивание входной струи | от 10 до 20 процентов | Размытый термоклин, преждевременное отключение | Диффузор, рассчитанный на низкое число Фруда |
Теплопроводность стен и крыши | от 1 до 4 процентов за день простоя | Медленный нагрев на границе раздела | Изоляция с пароизоляцией |
Точка окончания разряда задана высокой | до 10 процентов | Холодная вода остаётся неиспользованной | Задаётся подходом к змеевику, а не догадками |
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 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 сервисное обслуживание на объекте выполняются в рамках единого комплекса работ, что обеспечивает взаимную согласованность чертежей, расчётной базы и поставленного оборудования.
Часто задаваемые вопросы
Как определяется полезная холодопроизводительность для резервуара-накопителя?
Полезная холодопроизводительность — это холод, который вы фактически можете получить из бака между расчётной полной температурой и выбранной температурой разряда. Она равна полезному объёму, умноженному на удельную объёмную теплоёмкость воды для данного перепада температур, и исключает мёртвый объём ниже самого низкого патрубка, объём, удерживаемый выше полной температуры, и потери ёмкости из-за перемешивания. Вы подбираете размер сосуда по номинальному объёму, но подтверждаете и отчитываетесь о производительности по полезной величине, потому что только полезное значение говорит оператору, как долго бак будет нести нагрузку.
Что ограничивает полезную ёмкость стратифицированного резервуара?
Его ограничивают три вещи: принимаемый вами температурный разброс, поскольку ёмкость масштабируется с разницей между тёплым обратным потоком и холодной подачей; конечная точка разряда, задаваемая недогревом змеевика и минимальным напором чиллера, что фиксирует наинизшую используемую температуру; и перемешивание, которое размывает термоклин и заносит тёплую воду в холодный отбор. Теплоприток через оболочку добавляет медленные потери в периоды простоя. В совокупности всё это превращает номинальный объём бака в меньшую, обоснованную полезную ёмкость, и каждый из этих факторов — это число, которое вы задаёте или измеряете, а не свойство оболочки бака.
Как выбрать температуру разряда?
Вы выбираете её по охлаждающей батарее, а не по баку. Батарее нужны температура подачи и расход, и самая низкая температура бака, которая всё ещё обеспечивает работу батареи при её расчётном расходе, — это и есть ваша конечная точка. Этот нижний предел находится выше минимальной температуры испарителя чиллера плюс температурный напор батареи, поэтому подъём температуры чиллера остаётся выполнимым. Задайте слишком низкую температуру — и вы можете потерять полезную мощность, которую батарея не сможет использовать; задайте слишком высокую — и вы потеряете холодную воду. Укажите конечную точку с учётом температурного напора батареи и минимума чиллера, и полезная мощность получится как одно рассчитанное число.
Сколько ёмкости стоит перемешивание?
Смешивание может стоить от 10 до 20 процентов полезной емкости, подразумеваемой номинальным объемом, а в плохо спроектированном впускном патрубке потери еще больше. Оно проявляется в виде размытого термоклина, который позволяет теплой обратной воде достигать холодного забора, вынуждая к раннему отключению до опустошения бака. Потери обусловлены импульсом входящего потока, измеряемым числом Фруда на диффузоре, и теплопритоком через оболочку. Диффузор, рассчитанный так, чтобы скорость на входе оставалась в пределах его рабочего диапазона, плюс соотношение сторон бака, дающее термоклину пространство, — вот что восстанавливает большую часть этой емкости.
Каким правилам должна удовлетворять конструкция стратифицированного резервуара?
Стратифицированная конструкция резервуара должна удовлетворять связанному набору условий: запасать требуемую энергию в пределах заданного разброса температур, поддерживать термоклин достаточно тонким, чтобы потери на перемешивание оставались в пределах проектного допуска, размещать точку разряда там, где это позволяют змеевик и чиллер, удерживать теплоприток через оболочку ниже того, что поглощается полезной нагрузкой, и поддерживать число Фруда на входе в пределах поддерживаемого диапазона диффузора. Каждое правило имеет числовое выражение, и они взаимодействуют: разброс температур задаёт объём, объём задаёт соотношение сторон, а соотношение сторон задаёт размеры диффузора. Конструкция — это согласованный набор, а не какое-либо отдельное значение.
Как проверяется полезная ёмкость?
Вы проверяете его с помощью испытания на стратификацию температуры. Заполните через холодный вход, установите термоклин, затем опорожните бак, регистрируя вертикальный профиль температуры, расход и температуры подачи и возврата. Интегрируйте полезный объём между полной и разрядной температурами по измеренным данным. Единые процедуры испытаний IAPMO для теплоаккумулирующих баков описывают признанный метод, и для того чтобы увидеть, осталась ли граница раздела тонкой, необходим вертикальный зонд или гирлянда датчиков. Сообщите измеренную полезную ёмкость, реализованный разброс и потери на перемешивание относительно проектного допуска.
Почему резервуар выдаёт меньше запланированного?
Поскольку номинальный объём не является полезным объёмом. Бак отдаёт энергию между температурами полного и разряженного состояния после удаления перемешивания, теплопритоков и мёртвого объёма, и эти потери легко упустить в таблице, использующей только геометрический объём и единичный разброс. Проект, в котором никогда не выполняется расчёт полезной ёмкости, никогда не подбирается размер диффузора по числу Фруда и никогда не задаётся конечная точка по температурному напору змеевика, будет заявлять мощность, которую бак не способен обеспечить. Этот разрыв — недостающий расчёт, а не неисправный бак.
Полезная холодопроизводительность — это величина, по которой фактически подбирается установка, и она является расчётной, испытанной величиной, а не паспортным числом. Задайте температурный перепад от чиллера и змеевика, подберите диффузор по числу Фруда, чтобы термоклин оставался тонким, зафиксируйте конечную точку разряда по подходу к змеевику и минимальному напору чиллера, и удерживайте теплоприток через ограждение в пределах бюджета нагрузки. Эти правила должны решаться совместно, поскольку каждое из них влияет на остальные.
Передайте резервуар с указанием сначала полезной ёмкости, а затем номинального объёма, и подкрепите это испытанием на стратификацию температуры, которое измеряет фактический разброс и потери на перемешивание. Сообщите нам режим работы, допустимый для вас разброс, температурный напор змеевика и ограничения площадки, и мы вернём спецификацию стратифицированного резервуара с рассчитанной полезной ёмкостью и определённым методом испытаний, чтобы объём хранения, который вы учитываете в модели, был тем объёмом, который получит предприятие.
Свяжитесь с нашей инженерной командой
Сообщите режим работы, основу для расчёта объёма, применимый норматив и ограничения площадки, и наша инженерная команда вернётся со спецификацией, которую поставщик сможет оценить, а рецензент — утвердить. Мы также прямо скажем вам, когда лучшим ответом будет другой тип резервуара или другой объём работ.
WhatsApp