Как подобрать размер расширительного бака для жидкостного охлаждения

Вкратце

• Все зависит от трех параметров: общего объема системы, уровня заполнения холодной жидкостью и максимальной рабочей температуры, а также характеристик расширения охлаждающей жидкости. Еще два параметра определяют давление: статическая высота и положение предохранительного клапана.

• Объем расширения: V_e = V_sys × (ρ_cold / ρ_hot − 1)

• Объем сосуда: V_vessel = (V_e + V_reserve) / (1 − Pθ/P_f), где давления являются абсолютными, а V_reserve — минимальный запас воды по стандарту EN 12828, составляющий 0,5 % от объема системы.

• Термин (1 − Pθ/P_f) — это коэффициент приемлемости — доля номинального объема сосуда, которая фактически пригодна для использования. Обычно он составляет 0,5–0,65, поэтому объем сосуда обычно в 2–3 раза превышает объем расширения. Именно отсюда и возникают случаи выбора недостаточного размера.

• Гликоль расширяется сильнее, чем вода. Чистый пропиленгликоль имеет коэффициент объемного расширения примерно в 2,7 раза выше, чем у воды при 20 °C; смесь с 25 % пропиленгликоля обычно расширяется примерно в 1,3–1,5 раза сильнее, чем вода, при том же повышении температуры. Расчет размеров сосуда на основе свойств воды приводит к его недостаточному диаметру.

• Пример расчета (вторичный контур AI, PG25, 3000 л, 20→50 °C): расчетный объем 94 л → выбор номинального объема 100 л.

• Пример расчета (система водоснабжения предприятия, 50 000 л, 10→40 °C): рассчитано 1186 л → выбрано 1200–1500 л. 

Почему неправильно выбирают размер

Расчет размеров расширительного бака не является сложной задачей. Однако в этом расчете есть четыре возможности для внесения погрешности, и все они указывают в одном направлении — на слишком малый размер бака.

1. Использование коэффициента расширения воды для гликолевой петли.

2. Забыть о запасе воды согласно стандарту EN 12828.

3. Использование избыточного давления вместо абсолютного давления в выражении отношения.

4. Путаница между объемом расширения и объемом емкости. Это самая большая ошибка. Емкость, вмещающая 43 л расширения, на самом деле не 43-литровая — обычно это 100-литровая емкость.

сосуд, поскольку в диапазоне между предварительной загрузкой и конечным давлением используется лишь часть номинального объема.

Последствия недостаточного размера клапана очевидны и неприятны: давление в системе во время нормальной работы поднимается до уровня, необходимого для срабатывания предохранительного клапана, клапан протекает или поднимается, происходит утечка жидкости, падает давление, при охлаждении происходит засасывание воздуха, и контур начинает корродировать. Ничто из этого не настолько критично, чтобы немедленно срабатывала сигнализация. Это просто незаметно ухудшает работу установки в течение многих лет.

Необходимые данные перед началом работы

Соберите эти семь значений. Без них любая «оценка» будет лишь догадкой.

Предупреждение относительно V_sys. С технологической стороны развертывания ИИ объем определяется не столько трубопроводами, сколько внутренним объемом блока распределения питания (CDU), внутристоечными коллекторами и охлаждающими пластинами. Стойка GB200 NVL72 содержит 54 охлаждающие пластины плюс сеть коллекторов для вычислительных лотков; умножив это на общий объем в ряду с общим распределением, вы быстро получите значительный объем. Получайте данные об объеме от поставщика CDU и OEM-производителя стойки, а не оценивайте его по протяженности трубопроводов. Если получить данные невозможно, оцените объем с запасом.

Предупреждение относительно P_sv. Настройка предохранительного клапана ограничена самым слабым компонентом. В системах охлаждения оборудования это обычно холодная пластина или быстроразъемное соединение, рассчитанные на давление в диапазоне 2,4–3,5 бар для вторичного применения, а не 6 или 10 бар, которые может выдержать распределительный трубопровод. Перед тем как устанавливать значение давления, подтвердите фактическое значение в письменном виде у поставщиков оборудования.

Шаг 1 — Рассчитайте объем расширения

Фундаментальная связь вытекает из изменения плотности теплоносителя между холодным и горячим состояниями:

V_e = V_sys × (ρ_cold / ρ_hot __ 1)

Аналогично, используя табличный кумулятивный коэффициент расширения e:

V_e = V_sys × e

Обе формы идентичны; используйте ту, которая подходит для ваших данных. Значения плотности более обоснованы в расчетной таблице, поскольку их можно соотнести с опубликованной таблицей характеристик.

Таблица соответствия расширению воды

Суммарное объемное расширение воды относительно 4 °C (получено на основе стандартных данных о плотности):

Разница температур между двумя значениями определяется по отношению плотностей, а не путем вычитания табличных коэффициентов (хотя в малых диапазонах эти два показателя близки):

Обратите внимание на нелинейность. Расширение от 10 до 40 °C составляет 0,75 %; от 60 до 90 °C — примерно 2 %. Коэффициент расширения воды возрастает с температурой, поэтому одинаковое ΔT при более высокой средней температуре приводит к большему расширению. Это менее важно в низкотемпературных контурах вторичного охлаждения, чем в системах отопления, но имеет большое значение для водопроводной системы предприятия, если температура подаваемой воды повышена.

Коррекция гликолем — наиболее распространенная ошибка.

Пропиленгликоль расширяется значительно сильнее, чем вода. Чистый пропиленгликоль имеет коэффициент объемного расширения примерно 0,00057 /K при 20 °C, тогда как у воды он составляет около 0,000214 /K — примерно в 2,7 раза выше.

25%-ный раствор ПГ не расширяется в 2,7 раза сильнее, чем вода, потому что он по-прежнему на 75% состоит из воды. На практике расширение 25%-ного раствора ПГ при заданной разнице температур обычно в 1,3–1,5 раза превышает расширение чистой воды. Точный множитель зависит от температуры и от конкретного пакета ингибиторов, поэтому наиболее обоснованный подход таков:

Уточните у поставщика охлаждающей жидкости коэффициент теплового расширения или таблицу зависимости плотности от температуры для конкретного продукта и его концентрации, которые вы используете.

Если получить его невозможно, используйте значение, равное 1,4 × объему воды, в качестве консервативного планового значения и отметьте его как предположение в расчетной таблице.

Контекст свойств гликоля

Поскольку выбор одной и той же жидкости влияет на мощность насоса, теплопередачу, емкость хранения, а также на расширение, вот полная картина для PG25 по сравнению с водой при температуре около 40 °C:

PG25 остается стандартной рекомендацией для контуров охлаждения с алюминиевыми пластинами, поскольку защита от замерзания и ингибирование коррозии важнее, чем потеря объемной теплоемкости примерно на 5%. Инженерное решение заключается в правильном подборе размера сосуда для используемой жидкости, а не в возвращении к воде.

Шаг 2 — Установите давление предварительной зарядки Pθ

Предварительная накачка — это избыточное давление, преобразованное в абсолютное для расчета параметров. Два источника:

Минимальные требования стандарта EN 12828:

Pθ ≥ H/10 + 0,2 бар (H в метрах, результат в барах)

Распространенная инженерная практика (рекомендуется больший запас прочности):

• Pθ = H/10 + 0,3 бар для систем до 100 °C

• +0,5 бар для систем с температурой до 105 °C

• +0,7 бар для систем с температурой до 110 °C

Запас гарантирует положительное остаточное давление — обычно не менее 0,2 бар выше статического напора — в самой верхней точке системы при любых условиях, что предотвращает попадание воздуха. Более высокие запасы при повышенной температуре дополнительно поддерживают температуру охлаждающей жидкости ниже точки насыщения на самой горячей поверхности.

Для низкотемпературного контура вторичного охлаждения с подачей воздуха при температуре 18–32 °C, ограничивающим фактором является не запас по температуре кипения, а статический напор. Однако не следует уменьшать этот запас ниже 0,2 бар.

Перевод в абсолютные значения: Pθ (абс.) = Pθ (манометрическое) + 1,0 бар.

Шаг 3 — Установите конечное давление P_f

P_f — это давление, при котором сосуд полностью заполнен жидкостью и дальнейшее расширение невозможно — по сути, это положение предохранительного клапана.

P_f(абс) = P_sv(манометр) + 1,0 бар

В некоторых методах расчета добавляется небольшой запас ниже установленного значения предохранительного клапана, чтобы клапан не начал протекать до полного сброса давления в сосуде. Обычно принято принимать значение P_f примерно на 0,5 бар ниже установленного значения предохранительного клапана в манометрических единицах. Оба варианта оправданы; задокументируйте, какой из них вы использовали, и будьте последовательны.

Шаг 4 — Примените уравнение для расчета размеров судна.

V_vessel = (V_e + V_reserve) / (1 __ Pθ/P_f)

с:

Знаменатель (1 __ Pθ/P_f) — это коэффициент использования (также называемый коэффициентом полезного использования). Он показывает, какая доля номинального объема сосуда фактически пригодна для использования в состоянии до заполнения жидкостью и в состоянии полного заполнения жидкостью.

Типичные коэффициенты приемки:

Обратите внимание на закономерность: чем ближе предварительная загрузка к конечному давлению, тем меньше коэффициент допустимости и тем большего объема должен быть сосуд. Наихудший сценарий — здание с высоким статическим напором и низким значением настройки предохранительного клапана: Pθ и P_f сходятся, коэффициент резко падает, и требуемый объем сосуда резко возрастает. Если ваши расчеты дают коэффициент допустимости ниже примерно 0,3, пересмотрите настройку предохранительного клапана или рассмотрите возможность динамического (управляемого насосом) создания давления вместо статического сосуда с газовой подушкой.

Затем округлите до следующего стандартного размера. Емкости выпускаются со стандартными номинальными объемами — обычно 25, 35, 50, 80, 100, 140, 200, 300, 500, 750, 1000 л и более, в зависимости от производителя и типа конструкции.

Пример решения 1 — Вторичный контур искусственного интеллекта (система охлаждения технологии)

Сценарий. Четыре стойки класса GB200 на общем рядовом распределительном щите, обслуживаемые расположенным в ряду блоком CDU, работающим под управлением PG25.

Шаг 1 — Объем расширения.

Расширение воды при 20→50 °C: 998,21 / 988,04 − 1 = 0,0103. Поправочный коэффициент PG25: 1,4 (консервативное расчетное значение).

e = 0,0103 × 1,4 = 0,0144

V_e = 3000 × 0,0144 = 43,2 л

Шаг 2 — Запас воды.

Резервный объем = 0,005 × 3000 = 15,0 л

Шаг 3 — Предварительная зарядка.

Pθ (манометрическое) = 4/10 + 0,3 = 0,7 бар Pθ (абс.) = 0,7 + 1,0 = 1,7 бар

Шаг 4 — Финальное давление.

P_f(abs) = 3,5 + 1,0 = 4,5 бар

Шаг 5 — Коэффициент приемлемости.

1 − 1,7/4,5 = 1 − 0,378 = 0,622 Шаг 6 — Объем сосуда.

V_vessel = (43,2 + 15,0) / 0,622 = 58,2 / 0,622 = 93,6 л Шаг 7 — Выбор.

Округлить до следующего стандартного размера: номинальный объем 100 л, рассчитанный на давление не менее 6 бар, с диафрагмой, совместимой с ингибированным PG25, соответствующий стандарту PED, предварительно заправленный до 0,7 бар.

азот, подключенный к вторичному возврату на всасывании насоса.

Пример решения 2 — Система водоснабжения объекта                             

Сценарий. Водоохладительная установка, обслуживающая зал, вода (без гликоля), статическое давление в высоком здании.

Шаг 1 — Объем расширения.

Расширение воды при 10→40 °C: 999,70 / 992,22 − 1 = 0,00754 V_e = 50 000 × 0,00754 = 377 л

Шаг 2 — Запас воды.

Резервный объем = 0,005 × 50 000 = 250 л

Шаг 3 — Предварительная зарядка.

Pθ (манометрическое) = 20/10 + 0,3 = 2,3 бар Pθ (абс.) = 3,3 бар

Шаг 4 — Финальное давление.

P_f(abs) = 6.0 + 1.0 = 7.0 бар

Шаг 5 — Коэффициент приемлемости.

1 − 3,3/7,0 = 1 − 0,471 = 0,529 Шаг 6 — Объем сосуда.

V_vessel = (377 + 250) / 0,529 = 627 / 0,529 = 1186 л Шаг 7 — Выбор.

Номинальный объем 1200–1500 л или два сосуда объемом 600–750 л, соединенных параллельно для обеспечения резервирования и удобства обслуживания (с запорными клапанами, позволяющими извлекать один из них для проверки перед заправкой без слива системы). Номинальное давление выше 6 бар, соответствует требованиям PED или ASME Section VIII Div. 1.

Обратите внимание, какой вклад вносит здесь резерв: 250 л из 627 л общего числителя, или 40 %. В больших системах резерв по стандарту EN 12828 не является округляющим параметром — его отсутствие приводит к тому, что емкость оказывается примерно на треть меньше необходимого объема.

Пример решения 3 — Схема подключения одноблочного блока распределения питания к стойке

Сценарий. Один блок распределения питания (CDU), обслуживающий одну стойку высокой плотности, с небольшим вторичным объемом. 

Расширение воды при 20→45 °C: 998,21 / 990,21 − 1 = 0,00808. Коэффициент PG25 1,4 → e = 0,0113

V_e = 400 × 0,0113 = 4,5 л

V_резерв = 0,005 × 400 = 2,0 л

Pθ (абс.) = (0,2 + 0,3) + 1,0 = 1,5 бар

P_f(abs) = 3.0 + 1.0 = 4.0 бар

Коэффициент приемлемости = 1 − 1,5/4,0 = 0,625

Объем сосуда (V_vessel) = 6,5 / 0,625 = 10,4 л → выберите 18 или 25 л

Этот пример содержит самый важный практический урок статьи. При небольших объемах системы расчетная потребность ничтожно мала — и почти каждая установка первичной переработки нефти уже имеет внутренний запас большего объема. Правильное инженерное решение заключается не в добавлении внешнего резервуара объемом 25 л, а в проверке заявленного производителем установки первичной переработки максимального поддерживаемого объема внешней системы и подтверждении того, что встроенная система охватывает весь контур. Добавление ненужных резервуаров увеличивает затраты, количество точек утечки и нагрузку на техническое обслуживание.

И наоборот, когда несколько стоек используют один коллектор, а объем контура превышает заявленные габариты блока распределения, становится обязательным внешнее герметизация — и именно этот расчет определяет его размеры.

Проверка на адекватность и перекрестная проверка

Упрощенный метод в стиле BS 7074. Умножьте объем расширения на 3 и округлите до следующего стандартного размера. Это приблизительный метод, унаследованный от практики отопления, и он менее точен для высоких или больших систем, но является полезной независимой перекрестной проверкой. В примере 1: 43,2 × 3 = 130 л против строгого значения 94 л. Упрощенный метод здесь консервативен; в примере 2 он дает 377 × 3 = 1131 л против строгого значения 1186 л — несколько неконсервативный, поскольку он игнорирует 0,5 % запаса, который преобладает в больших системах. Используйте строгий метод; используйте эмпирическое правило только для выявления грубых ошибок.

Проверка правильности 1 — Является ли коэффициент принятия разумным? Если он ниже примерно 0,3, ваша предварительная заправка слишком близка к конечному давлению. Пересмотрите настройку предохранительного клапана или переключитесь на динамическое нагнетание давления.

Проверка здравого смысла 2 — Действительно ли объем расширительного бака в 2–3 раза превышает объем резервуара? Для типичных диапазонов давления — да. Если ваш ответ близок к 1×, вы, вероятно, использовали избыточное давление вместо абсолютного или забыли про резерв.

Проверка правильности 3 — Превышает ли давление заполнения давление предварительного наполнения? Если они равны, жидкость никогда не поступает в сосуд, и контур фактически становится жестким. Это наиболее распространенная ошибка при вводе в эксплуатацию, встречающаяся на практике. Укажите давление заполнения четко на чертеже, обычно это давление предварительного наполнения + 0,2–0,3 бар.

Проверка правильности 4 — Использовали ли вы правильную жидкость? Перечитайте шаг 1. Если контур работает по стандарту PG25, а вы использовали коэффициент воды, то емкость сосуда примерно на 30 % меньше необходимого размера.

Когда статическое давление — неправильное решение

Давление в газоподушкообразном сосуде неизбежно изменяется в зависимости от объема и температуры. В случаях, когда применим любой из следующих факторов, следует рассмотреть динамический режим работы (с регулированием скорости насоса).

Вместо этого используется блок повышения давления:

• Объем системы очень большой, и колебания объема значительные.

• Высокий статический напор снижает коэффициент приемлемости.

• Лента, создающая давление, должна быть очень туго затянута (лучше, чем это возможно в случае со статическим сосудом).

• Вам требуется непрерывная вакуумная дегазация, интегрированная с созданием давления.

• Вам необходим точный, оснащенный измерительными приборами учет утечек и производственных дефектов.

Динамические установки поддерживают постоянное заданное давление с помощью подпиточных насосов и систем управления, а запас воды обеспечивается отдельным резервуаром. Они дороже и требуют электроэнергии, но решают проблемы, с которыми не справляются статические установки. Многие крупные водопроводные системы предприятий используют их, в то время как в системах вторичного контура на уровне стойки почти всегда используются статические установки.

Документацию, которую необходимо запросить у судна.

Судно, правильно подобранное по размерам, но прибывшее без необходимой документации, по-прежнему представляет собой проектный риск. Требуется:

• Расчетная таблица размеров, показывающая все семь входных параметров и коэффициент приемлемости.

• Декларация соответствия — CE в соответствии с директивой PED 2014/68/EU для установок в ЕС или клеймо ASME Section VIII Div. 1 U для Северной Америки.

• Сертификаты на материалы для оболочки и мембраны

• Отчет о гидростатических испытаниях

• Заявление о материале мембраны с подтверждением совместимости с вашим конкретным пакетом охлаждающей жидкости и ингибиторов.

• Сертификат предварительной заправки, подтверждающий давление газа при отгрузке, и требование проверить его на месте при отключении и сливе газа из резервуара.

Часто задаваемые вопросы

Что, если я не знаю системный объем?

Не гадайте. Рассчитайте объем на основе технических характеристик компонентов: внутренний объем ЦПДУ, объем коллектора и холодной пластины на одну стойку, объем распределительных трубопроводов. Если объем компонента не указан, запросите его у поставщика. В тех случаях, когда получить его действительно невозможно, завысьте оценку на 20–30 % и задокументируйте это предположение — емкость большего размера приведет к незначительным затратам, а емкость меньшего размера — к эксплуатационной ошибке.

Можно ли использовать две меньшие емкости вместо одной большой?

Да, и в больших системах это часто предпочтительнее. Два параллельно установленных резервуара, каждый со своим запорным клапаном, позволяют отсоединить один из них для проверки предварительной заправки без слива системы. Убедитесь, что общий объем принимаемого топлива соответствует требованиям и что оба резервуара предварительно заправлены одинаково.

Влияет ли местоположение судна на расчеты?

Это изменяет величину статической высоты H, измеряемую от точки подключения резервуара до самой высокой точки системы. Установка резервуара ниже в здании увеличивает H и, следовательно, требуемую предварительную загрузку, что снижает коэффициент приемки и увеличивает требуемый объем. Таким образом, установка его в механически удобной нижней точке может привести к увеличению размера резервуара.

Какой отступ мне следует добавить?

Уравнение уже учитывает физические параметры; не следует добавлять произвольный запас. Вместо этого добавьте запас там, где входные данные неопределенны — в первую очередь, объем системы и максимальную рабочую температуру. 20% запас по V_sys там, где объемы оцениваются, является оправданным; 50% запас по конечному объему сосуда «на всякий случай» обычно просто означает...

Входные данные не были установлены.

Следует ли рассчитывать параметры контура, исходя из максимальной температуры, которую он когда-либо сможет достичь, или из нормального максимального значения?

Расчетный максимум. Если неисправность (отказ насоса, заклинивание регулирующего клапана, неисправность блока управления охлаждением) может привести к повышению температуры охлаждающей жидкости выше нормального максимума, следует рассчитать параметры с учетом этой неисправности или обеспечить защиту, ограничивающую ее. Резервуары дешевы; срабатывание предохранительного клапана на работающем кластере AI – нет.

А как насчет иммерсионного охлаждения?

В однофазных погружных системах используются синтетические углеводороды или минеральные масла с совершенно иным поведением плотности и температуры, а также гораздо более высокими коэффициентами расширения, чем у воды. Применяется то же уравнение, но данные о свойствах должны быть получены от производителя погружной жидкости. Не используйте повторно воду или коэффициенты PG25.

Получите документально подтвержденный расчет размера.

Правильный подбор размера расширительного бака требует семи параметров и около пятнадцати минут — при условии, что эти параметры верны. Большинство исследуемых нами неисправностей связаны с расчетным объемом системы или неподтвержденной настройкой предохранительного клапана, а не с арифметическими вычислениями.

Отправьте нам объем вашей системы, температуру холодного заполнения и максимальную рабочую температуру, спецификацию охлаждающей жидкости, статическую высоту и настройку предохранительного клапана, и мы вышлем вам полный расчетный лист с указанием выбора емкости, коэффициента приемки, спецификации давления предварительной заправки и заполнения, рекомендаций по материалу мембраны и документации по соответствию.