Cómo dimensionar un vaso de expansión para refrigeración líquida

De un vistazo

• Tres parámetros determinan todo: el volumen total del sistema, la temperatura de llenado en frío y la temperatura máxima de funcionamiento, así como el comportamiento de expansión del refrigerante. Otros dos parámetros definen la presión: la altura estática y el ajuste de la válvula de seguridad.

• Volumen de expansión: V_e = V_sys × (ρ_frío / ρ_caliente − 1)

• Volumen del recipiente: V_recipiente = (V_e + V_reserva) / (1 − Pθ/P_f), donde las presiones son absolutas y V_reserva es la reserva mínima de agua según la norma EN 12828 del 0,5 % del volumen del sistema.

• El término (1 − Pθ/P_f) es el índice de aceptación: la fracción del volumen nominal del recipiente que es realmente utilizable. Suele estar entre 0,5 y 0,65, razón por la cual el recipiente suele tener un volumen de 2 a 3 veces mayor que el volumen de expansión. De ahí provienen las selecciones de tamaño insuficiente.

• El glicol se expande más que el agua. El propilenglicol puro tiene un coeficiente de expansión volumétrica aproximadamente 2,7 veces mayor que el del agua a 20 °C; una mezcla de PG al 25 % se expande típicamente entre 1,3 y 1,5 veces más que el agua ante el mismo aumento de temperatura. El dimensionamiento basado en las propiedades del agua resulta en un tamaño insuficiente del recipiente.

• Ejemplo práctico (bucle secundario de AI, PG25, 3000 L, 20→ 50 °C): 94 L calculados → seleccionar 100 L nominales.

• Ejemplo práctico (sistema de agua de la instalación, 50 000 L, 10→40 °C): 1186 L calculados → seleccionar 1200–1500 L. 

Por qué se equivocan con las tallas

El dimensionamiento de un vaso de expansión no es un cálculo complicado. Sin embargo, es un cálculo con cuatro oportunidades distintas para introducir un error por sobreestimación, y todas apuntan en la misma dirección: hacia un vaso demasiado pequeño.

1. Utilización del coeficiente de expansión del agua para un bucle de glicol.

2. Olvidar la reserva de agua de la norma EN 12828.

3. Utilizar presiones manométricas en lugar de presiones absolutas en el término de relación.

4. Confundir el volumen de expansión con el volumen del recipiente. Este es el error más importante. Un recipiente que admite 43 L de expansión no es un recipiente de 43 L, sino que normalmente es de 100 L.

recipiente, porque solo una parte del volumen nominal es utilizable entre la precarga y la presión final.

Las consecuencias de un dimensionamiento insuficiente son visibles y desagradables: la presión del sistema aumenta hasta el nivel de la válvula de alivio durante el funcionamiento normal, la válvula gotea o se abre, se pierde fluido, la presión disminuye, entra aire durante el enfriamiento y el circuito comienza a corroerse. Nada de esto es lo suficientemente grave como para activar una alarma de inmediato. Simplemente, la planta se deteriora silenciosamente durante años.

Los datos que necesitas antes de empezar

Reúna estos siete valores. Sin ellos, cualquier "estimación" es una mera conjetura.

Advertencia sobre V_sys. En el aspecto tecnológico de una implementación de IA, el volumen no está determinado principalmente por las tuberías, sino por el volumen interno de la CDU, los colectores dentro del rack y las placas de refrigeración. Un rack GB200 NVL72 contiene 54 placas de refrigeración, además de una red de colectores de bandejas de computación; al multiplicarse por una fila con distribución compartida, el volumen secundario aumenta rápidamente. Obtenga el volumen del proveedor de la CDU y del fabricante del rack en lugar de estimarlo a partir de las tuberías. Si no puede obtenerlo, sobreestime el volumen.

Advertencia sobre P_sv: El ajuste de la válvula de seguridad está limitado por el componente más débil. En un sistema de refrigeración, este suele ser la placa fría o el conector rápido, con una presión nominal de entre 2,4 y 3,5 bar para servicio secundario, no los 6 o 10 bar que podría soportar la tubería de distribución. Confirme el valor exacto por escrito con los proveedores del equipo antes de ajustar la presión.

Paso 1: Calcular el volumen de expansión

La relación fundamental proviene del cambio en la densidad del refrigerante entre los estados frío y caliente:

V_e = V_sys × (ρ_frío / ρ_caliente __ 1)

De forma equivalente, utilizando un coeficiente de expansión acumulativa tabulado e:

V_e = V_sys × e

Ambas formas son idénticas; utilice la que mejor se adapte a sus datos. Los valores de densidad son más fiables en una hoja de cálculo porque se pueden vincular a una tabla de propiedades publicada.

Tabla de referencia de expansión del agua

Expansión volumétrica acumulativa del agua con respecto a 4 °C (derivada de datos de densidad estándar):

La expansión entre dos temperaturas se obtiene a partir de la relación de densidades, no restando los coeficientes tabulados (aunque para rangos pequeños ambos coinciden bastante):

Nótese la no linealidad. La expansión de 10 a 40 °C es del 0,75 %; de 60 a 90 °C es aproximadamente del 2 %. El coeficiente de expansión del agua aumenta con la temperatura, por lo que la misma ΔT a una temperatura media más alta produce una mayor expansión. Esto tiene menos importancia en los circuitos secundarios de aireación a baja temperatura que en los sistemas de calefacción, pero es crucial en el sistema de agua de la instalación si las temperaturas de suministro son elevadas.

La corrección del glicol: el error más común

El propilenglicol se expande considerablemente más que el agua. El propilenglicol puro tiene un coeficiente de expansión volumétrica de aproximadamente 0,00057 /K a 20 °C, frente a unos 0,000214 /K para el agua, lo que supone aproximadamente 2,7 veces más.

Una solución de PG al 25 % no se expande 2,7 veces más que el agua, porque sigue siendo 75 % agua. En la práctica, la expansión de PG25 sobre un ΔT dado suele ser de 1,3 a 1,5 veces la del agua pura. El multiplicador exacto depende de la temperatura y del paquete de inhibidores específico, por lo que el enfoque más adecuado es:

Solicite al proveedor del refrigerante el coeficiente de expansión o la tabla de densidad en función de la temperatura para el producto y la concentración exactos que está utilizando.

Si no puede obtenerlo, utilice 1,4 veces la cifra de agua como valor de planificación conservador e indíquelo como una suposición en la hoja de cálculo.

Contexto de las propiedades del glicol

Dado que la elección del mismo fluido afecta a la potencia de bombeo, la transferencia de calor y la capacidad de almacenamiento, así como a la expansión, aquí se muestra el panorama completo para PG25 frente al agua a unos 40 °C:

El PG25 sigue siendo la recomendación estándar para los circuitos de placas frías de aluminio, ya que la protección contra la congelación y la inhibición de la corrosión son más importantes que la pérdida de aproximadamente un 5 % en la capacidad calorífica volumétrica. La solución técnica consiste en dimensionar el recipiente correctamente para el fluido que se esté utilizando, no en volver a usar agua.

Paso 2 — Ajustar la presión de precarga P θ

La precarga es una presión manométrica convertida a absoluta para la ecuación de dimensionamiento. Dos referencias:

Mínimo según EN 12828:

Pθ ≥ H/10 + 0,2 bar (H en metros, resultado en bar calibre)

Práctica de ingeniería común (margen mayor, recomendado):

• Pθ = H/10 + 0,3 bar para sistemas de hasta 100 °C

• + 0,5 bar para sistemas de hasta 105 °C

• + 0,7 bar para sistemas de hasta 110 °C

El margen garantiza una presión residual positiva —normalmente de al menos 0,2 bar por encima de la presión estática— en el punto más alto del sistema en todas las condiciones, lo que impide la entrada de aire. Además, los márgenes más elevados a temperaturas altas mantienen el refrigerante por debajo de su punto de saturación en la superficie más caliente.

Para un circuito secundario de alcalinidad a baja temperatura con suministro a 18–32 °C, el margen de ebullición no es la restricción principal; el término de presión estática sí lo es. Pero no reduzca el margen por debajo de 0,2 bar.

Conversión a absoluto: Pθ (abs) = Pθ (manual) + 1,0 bar

Paso 3: Establezca la presión final P_f.

P_f es la presión a la que el recipiente está completamente lleno de líquido y no puede admitir más expansión; en la práctica, es el ajuste de la válvula de seguridad.

P_f(abs) = P_sv(manómetro) + 1,0 bar

Algunos métodos de cálculo añaden un pequeño margen por debajo del ajuste de alivio para evitar que la válvula gotee antes de que el recipiente esté completamente vacío. Una convención común es tomar P_f aproximadamente 0,5 bar por debajo del ajuste de la válvula de seguridad en términos de presión. Ambos métodos son válidos; documente cuál utilizó y sea coherente.

Paso 4: Aplicar la ecuación de dimensionamiento del recipiente

V_vaso = (V_e + V_reserva) / (1 __ Pθ/P_f)

con:

El denominador (1 __ Pθ/P_f) es el índice de aceptación (también llamado factor de utilización). Indica qué fracción del volumen nominal del recipiente es realmente utilizable entre el estado de precarga y el estado de llenado completo.

Índices de aceptación típicos:

Observe el patrón: cuanto más se acerque la precarga a la presión final, menor será la relación de aceptación y mayor deberá ser el recipiente. Un edificio con alta presión estática y un ajuste bajo de la válvula de seguridad representa el peor escenario: Pθ y P_f convergen, la relación se reduce drásticamente y el volumen del recipiente necesario aumenta considerablemente. Si su cálculo arroja una relación de aceptación inferior a 0,3, revise el ajuste de la válvula de seguridad o considere la presurización dinámica (controlada por bomba) en lugar de un recipiente con colchón de gas estático.

Luego, redondee al siguiente tamaño estándar. Los recipientes vienen en volúmenes nominales estándar, comúnmente 25, 35, 50, 80, 100, 140, 200, 300, 500, 750, 1000 L y superiores, dependiendo del fabricante y el tipo de construcción.

Ejemplo práctico 1: Circuito secundario de IA (sistema de refrigeración de tecnología)

Escenario. Cuatro bastidores de la clase GB200 en un colector de fila compartido, atendidos por una CDU en fila, que ejecutan PG25.

Paso 1 — Volumen de expansión.

Expansión del agua 20→ 50 °C: 998,21 / 988,04 − 1 = 0,0103 Factor de corrección PG25: 1,4 (valor de planificación conservador)

e = 0,0103 × 1,4 = 0,0144

V_e = 3000 × 0,0144 = 43,2 litros

Paso 2 — Reserva de agua.

V_reserva = 0,005 × 3000 = 15,0 L

Paso 3: Precarga.

Pθ (manométrica) = 4/10 + 0,3 = 0,7 bar Pθ (abs) = 0,7 + 1,0 = 1,7 bar

Paso 4 — Presión final.

P_f(abs) = 3,5 + 1,0 = 4,5 bar

Paso 5: Índice de aceptación.

1 − 1,7/4,5 = 1 − 0,378 = 0,622 Paso 6 — Volumen del vaso.

V_vessel = (43,2 + 15,0) / 0,622 = 58,2 / 0,622 = 93,6 L Paso 7 — Selección.

Redondear al siguiente tamaño estándar: recipiente nominal de 100 L, clasificado para al menos 6 bar con un diafragma compatible con PG25 inhibido, conforme a PED, precargado a 0,7 bar.

nitrógeno, conectado al retorno secundario en la succión de la bomba.

Ejemplo práctico 2: Sistema de agua de la instalación                             

Escenario. Planta de agua fría que abastece a un salón, agua (sin glicol), presión estática en un edificio alto.

Paso 1 — Volumen de expansión.

Expansión del agua de 10 a 40 °C: 999,70 / 992,22 − 1 = 0,00754 V_e = 50 000 × 0,00754 = 377 L

Paso 2 — Reserva de agua.

V_reserva = 0,005 × 50.000 = 250 L

Paso 3: Precarga.

Pθ (manométrica) = 20/10 + 0,3 = 2,3 bar Pθ (abs) = 3,3 bar

Paso 4 — Presión final.

P_f(abs) = 6,0 + 1,0 = 7,0 bar

Paso 5: Índice de aceptación.

1 − 3.3/7.0 = 1 − 0.471 = 0.529 Paso 6 — Volumen del vaso.

V_vessel = (377 + 250) / 0,529 = 627 / 0,529 = 1.186 L Paso 7 — Selección.

Capacidad nominal de 1200 a 1500 L, o dos depósitos de 600 a 750 L en paralelo para mayor redundancia y facilidad de mantenimiento (con válvulas de aislamiento para poder extraer uno y realizar comprobaciones de precarga sin vaciar el sistema). Presión nominal superior a 6 bar, conforme a la Directiva PED o a la Sección VIII, División 1 de la ASME.

Observe la importancia de la reserva: 250 L del total de 627 L, es decir, el 40 %. En sistemas grandes, la reserva según la norma EN 12828 no es un término de redondeo; omitirla da como resultado un recipiente aproximadamente un tercio más pequeño de lo necesario.

Ejemplo práctico 3: Bucle de rack de una sola CDU

Escenario. Una unidad de control de discos (CDU) que da servicio a un único rack de alta densidad, con un pequeño volumen secundario. 

Expansión del agua 20→45 °C: 998,21 / 990,21 − 1 = 0,00808 Factor PG25 1,4 → e = 0,0113

V_e = 400 × 0,0113 = 4,5 L

V_reserva = 0,005 × 400 = 2,0 L

Pθ (abs) = (0,2 + 0,3) + 1,0 = 1,5 bar

P_f(abs) = 3,0 + 1,0 = 4,0 bar

Tasa de aceptación = 1 − 1,5/4,0 = 0,625

V_vessel = 6,5 / 0,625 = 10,4 L → seleccione 18 o 25 L

Este ejemplo resume la lección práctica más importante del artículo. Con volúmenes de sistema pequeños, el requerimiento calculado es mínimo, y casi todas las unidades de tratamiento de aguas residuales (CDU) ya ofrecen un volumen interno superior. La solución técnica correcta no consiste en añadir un depósito externo de 25 litros, sino en verificar el volumen máximo de sistema externo admitido por el fabricante de la CDU y confirmar que la capacidad integrada cubre el circuito. Añadir depósitos innecesarios incrementa los costos, los puntos de fuga y la carga de mantenimiento.

Por el contrario, cuando varios bastidores comparten un colector y el volumen del circuito supera la capacidad indicada de la CDU, la presurización externa se vuelve obligatoria, y este cálculo es la forma de dimensionarla.

Controles de coherencia y verificación cruzada

Método simplificado al estilo BS 7074. Multiplique el volumen de expansión por 3 y redondee al siguiente tamaño estándar. Este es un método aproximado heredado de la práctica de calefacción y es menos preciso para sistemas altos o grandes, pero es una verificación cruzada independiente útil. En el Ejemplo resuelto 1: 43,2 × 3 = 130 L, frente a los 94 L rigurosos. El método simplificado es conservador aquí; en el Ejemplo resuelto 2 da 377 × 3 = 1131 L frente a los 1186 L rigurosos, ligeramente no conservador, porque ignora la reserva del 0,5 % que predomina en sistemas grandes. Use el método riguroso; use la regla general solo para detectar errores graves.

Verificación de coherencia 1: ¿Es razonable la relación de aceptación? Si es inferior a 0,3, la precarga está demasiado cerca de la presión final. Revise el ajuste de la válvula de seguridad o cambie a presurización dinámica.

Verificación de coherencia 2: ¿El volumen del recipiente es 2 o 3 veces mayor que el volumen de expansión? Para rangos de presión típicos, sí. Si su respuesta se acerca a 1 vez, probablemente haya utilizado presiones manométricas en lugar de absolutas, o haya olvidado la reserva.

Verificación de coherencia 3: ¿La presión de llenado supera la presión de precarga? Si son iguales, no entra fluido en el recipiente y el circuito queda prácticamente rígido. Este es el fallo de puesta en marcha más común. Especifique la presión de llenado explícitamente en el plano, normalmente precarga + 0,2 a 0,3 bar.

Verificación de cordura 4: ¿Utilizó el fluido correcto? Vuelva a leer el paso 1. Si el circuito funciona con PG25 y utilizó el coeficiente del agua, el recipiente es aproximadamente un 30 % más pequeño.

Cuando la presurización estática es la respuesta incorrecta

La presión de un recipiente con colchón de gas varía necesariamente con el volumen y la temperatura. Cuando se aplique alguna de las siguientes condiciones, considere un sistema dinámico (controlado por una bomba de velocidad variable).

unidad de presurización en su lugar:

• El volumen del sistema es muy grande y la variación de volumen es amplia.

• La carga estática es alta, lo que reduce el índice de aceptación.

• La banda de presión debe mantenerse muy ajustada (mejor que la que puede lograr un recipiente estático).

• Desea un desgasificado al vacío continuo integrado con la presurización.

• Necesita un control preciso y instrumentado de las fugas y de la composición del maquillaje.

Las unidades dinámicas mantienen la presión constante mediante bombas de reposición y controles, con un depósito de almacenamiento independiente para el suministro de agua. Son más caras y requieren energía, pero solucionan problemas que un depósito estático no puede. Muchos sistemas de agua de grandes instalaciones las utilizan, mientras que los circuitos secundarios en racks casi siempre usan depósitos estáticos.

Documentación que se debe solicitar con el buque

Un buque del tamaño correcto que llega sin documentación sigue siendo un riesgo para el proyecto. Requerir:

• Hoja de cálculo de dimensionamiento que muestra las siete entradas y el índice de aceptación.

• Declaración de conformidad: CE según la Directiva PED 2014/68/UE para instalaciones en la UE, o sello U de la Sección VIII, División 1 de la ASME para Norteamérica.

• Certificados de materiales para la carcasa y la membrana

• Informe de prueba hidrostática

• Declaración del material de la membrana con confirmación de compatibilidad con su paquete específico de refrigerante e inhibidor.

• Certificado de precarga que indique la presión del lado del gas tal como se envió, y el requisito de verificarla en el sitio con el buque aislado y vaciado.

Preguntas frecuentes

¿Qué ocurre si desconozco el volumen del sistema?

No adivine. Calcule el volumen a partir de las hojas de datos de los componentes: volumen interno de la CDU, volumen del colector y de la placa fría por rack, y tuberías de distribución. Si el volumen de un componente no está publicado, solicítelo al proveedor. Si realmente no puede obtenerlo, sobreestime el volumen en un 20-30 % y documente la suposición: un recipiente sobredimensionado supone un coste menor, mientras que uno infradimensionado representa un fallo operativo.

¿Puedo usar dos recipientes más pequeños en lugar de uno grande?

Sí, y en sistemas grandes suele ser preferible. Dos recipientes en paralelo, cada uno con su propia válvula de aislamiento, permiten retirar uno para verificar la precarga sin vaciar el sistema. Asegúrese de que el volumen de aceptación combinado cumpla con el requisito y que ambos estén precargados de forma idéntica.

¿La ubicación del buque modifica el cálculo?

Esto modifica la altura estática H, medida desde el punto de conexión del recipiente hasta el punto más alto del sistema. Montar el recipiente a menor altura en el edificio aumenta H y, por lo tanto, la precarga necesaria, lo que reduce la relación de aceptación y aumenta el volumen requerido. Por consiguiente, montarlo en un punto bajo mecánicamente conveniente puede reducir el tamaño del recipiente.

¿Cuánto margen debo añadir?

La ecuación ya tiene en cuenta la física; no añada un margen general arbitrario encima. En su lugar, añada un margen donde las entradas sean inciertas, principalmente el volumen del sistema y la temperatura máxima de funcionamiento. Un margen del 20 % en V_sys donde los volúmenes se estiman es defendible; un margen del 50 % en el volumen final del recipiente "para estar seguros" generalmente solo significa que

No se establecieron los datos de entrada.

¿Debo dimensionar el circuito para la temperatura máxima que podría alcanzar o para la temperatura máxima normal?

Diseño máximo. Si una condición de falla (falla de la bomba, válvula de control atascada, falla de la unidad de control de refrigeración) pudiera elevar la temperatura del refrigerante por encima del máximo normal, dimensione el sistema para esa condición o proporcione protección que la limite. Los recipientes son baratos; la descarga de la válvula de alivio en un grupo de control de aire comprimido en funcionamiento no lo es.

¿Y qué hay de la refrigeración por inmersión?

Los sistemas de inmersión monofásicos utilizan hidrocarburos sintéticos o aceites minerales con un comportamiento densidad-temperatura muy diferente y coeficientes de expansión mucho mayores que el agua. Se aplica la misma ecuación, pero los datos de las propiedades deben provenir del fabricante del fluido de inmersión. No reutilice los coeficientes del agua ni del PG25.

Obtenga un cálculo de tamaño documentado.

Dimensionar correctamente un vaso de expansión requiere siete datos y unos quince minutos, siempre que los datos sean correctos. La mayoría de las fallas que investigamos se deben a un volumen estimado del sistema o a un ajuste incorrecto de la válvula de seguridad, no a errores matemáticos.

Envíenos el volumen de su sistema, las temperaturas de llenado en frío y de funcionamiento máximo, las especificaciones del refrigerante, la altura estática y el ajuste de la válvula de seguridad, y le devolveremos una hoja de cálculo completa con la selección del recipiente, la relación de aceptación, las especificaciones de presión de precarga y llenado, la recomendación del material de la membrana y la documentación de conformidad.