Matrices de ventiladores BESS

Cuatro ventiladores instalados no significa automáticamente que tres ventiladores sean suficientes

N+1 es una declaración sobre lo que el conjunto aún puede hacer después de una falla: tiene que demostrar que los ventiladores restantes cumplen con el requisito de enfriamiento normal acordado con un módulo no disponible.

Un atajo común es contar los ventiladores y suponer que un ventilador detenido elimina exactamente una cuarta parte del flujo de aire. El resultado instalado es más complicado. Los ventiladores paralelos comparten una curva del sistema, y la presión, las fugas, la ruta inactiva del ventilador, la geometría de entrada, la respuesta del controlador y la velocidad restante del ventilador afectan el lugar donde se asienta el conjunto después de una falla.

El recuento es un inventario. N+1 es una declaración sobre el rendimiento de refrigeración. Una matriz de cuatro ventiladores es sólo una matriz de tres ventiladores en el sentido de que todavía hay tres ventiladores instalados; Si esos tres pueden mantener el flujo de aire acordado a la presión acordada con la ruta de aire acordada es una medida, no un resultado aritmético. Esa medida también es lo que define un replacement module has to reproduce, razón por la cual el récord de rendimiento instalado es importante más allá de la construcción original.

La guía AMCA sobre ventiladores paralelos señala que agregar un ventilador sin cambiar la resistencia del sistema puede generar menos flujo adicional de lo esperado. El mismo razonamiento se aplica a la inversa cuando un ventilador se detiene: los ventiladores restantes no heredan simplemente una parte fija del flujo original. Un módulo bloqueado o sin alimentación también puede convertirse en una ruta de derivación o de flujo inverso a menos que se haya evaluado la disposición física y cualquier característica de contracorriente.

Este artículo aborda la disponibilidad y el mantenimiento normales de la refrigeración. No define la protección térmica de la batería, la ventilación de emergencia ni las aprobaciones de seguridad. La guía de seguridad del Departamento de Energía de EE. UU. trata el enfriamiento normal y la prevención de propagación como funciones distintas del sistema, y se especifican y prueban de manera diferente.

Defina los requisitos de refrigeración con un ventilador no disponible antes de elegir la matriz

Escriba la condición degradada en el requisito antes de elegir el número, el tamaño y la estrategia de control de los módulos de ventilador.

Defina la carga térmica normal, la condición de entrada local, el flujo de aire requerido a la presión indicada, la configuración del filtro/bobina/rejilla, las temperaturas aceptables y el tiempo de respuesta. Luego defina el estado con un ventilador no disponible: qué ventilador no está disponible, si está girando, está estacionario o retirado, qué comando reciben los ventiladores restantes y cuánto tiempo debe permanecer el sistema en ese estado antes de que intervenga el servicio.

Cuatro valores pertenecen al requisito antes de discutir cualquier hardware: la carga de calor que la ruta de enfriamiento debe eliminar en el estado degradado; el flujo de aire que necesita el equipo protegido a la presión que producen el filtro, el serpentín y la rejilla reales; el límite de temperatura por debajo del cual deben permanecer las baterías, los equipos de conversión de energía o los gabinetes de control; y la ventana de tiempo durante la cual la planta puede operar con un módulo no disponible antes de su restauración.

Una simple verificación eléctrica ilustra por qué el número de ventiladores no es resistente al flujo de aire. Cuatro módulos que consumen 80 W cada uno representan 320 W en esa condición medida. Si un módulo no está disponible, los tres restantes pueden consumir 240 W antes de cualquier respuesta de control. Ésa es sólo una comprobación aritmética eléctrica; no demuestra un flujo de aire del 75%, un rechazo de calor del 75% o el margen térmico requerido. La presión y las temperaturas reales instaladas deben decidir el resultado de la aceptación.

Por qué los ventiladores restantes no pueden heredar una parte fija del flujo de aire

Los ventiladores paralelos añaden flujo de aire a la misma presión. Cuando uno se detiene, la resistencia del sistema no ha cambiado, por lo que cada uno de los ventiladores restantes tiene que mover más aire que antes.

Que puedan hacerlo depende de la forma de la curva del sistema más que del número de ventiladores. La guía publicada sobre el tamaño del conjunto de ventiladores describe el efecto directamente: en una curva pronunciada del sistema, donde dominan los filtros y serpentines, una pequeña reducción en el flujo total produce una gran reducción en la presión requerida, por lo que los ventiladores restantes captan el flujo con relativa facilidad. En un sistema curvo plano, donde dominan grandes áreas libres, la presión apenas se mueve cuando un ventilador se apaga, por lo que los ventiladores restantes permanecen cerca de su punto de funcionamiento existente y necesitan mucha velocidad adicional para recuperar el flujo de aire perdido. El mismo razonamiento explica por qué series and parallel fans behave so differently una vez que la matriz tiene que trabajar contra una resistencia real del sistema.

Es por eso que el diseño real del conjunto N+1 se basa en el espacio libre, no en una unidad adicional. La guía de diseño para conjuntos de ventiladores recomienda seleccionar cada ventilador aproximadamente entre el 80 y el 90 por ciento de su flujo de aire máximo a la presión del sistema. Ese 10 a 20 por ciento de capacidad no utilizada es lo que hace que la redundancia sea real: es lo que permite que siete ventiladores hagan el trabajo de ocho. Sin espacio libre, un arreglo vendido como N+1 es un ventilador adicional que no puede compensar una falla, y la falla se convierte en un evento de reducción de potencia.

Vale la pena poner la aritmética frente a un equipo de proyecto antes de que se arregle el recuento de fanáticos. Tome un camino de enfriamiento que necesita 24,000 CFM a la presión estática de diseño, construido a partir de ventiladores que cada uno entrega alrededor de 5,300 CFM a la velocidad operativa de diseño y alrededor de 7,060 CFM a velocidad máxima. Cinco ventiladores cubren el requerimiento; N+1 hace seis. Con un ventilador, los cinco que quedan pueden alcanzar aproximadamente 35.300 CFM de capacidad combinada frente a un requisito de 24.000 CFM, por lo que la matriz aún cumple con el requisito. Con los seis funcionando en el punto de funcionamiento de diseño, cada ventilador transporta alrededor de 4000 CFM, aproximadamente las tres cuartas partes de su flujo de aire en el punto de diseño. El ventilador de repuesto no desperdicia energía en esa configuración; es lo que permite que la matriz funcione de forma más lenta y silenciosa en un día normal.

Las guías de ventilación industrial publicadas para conjuntos de ventiladores llegan a una conclusión similar desde la otra dirección: con un ventilador no disponible, los ventiladores restantes generalmente entregan del orden del 80 al 90 por ciento del flujo de aire de diseño a medida que los motores aumentan. Para un sistema de ventilación que es una interrupción que se puede sobrevivir. Para un gabinete de baterías que tiene que mantener una temperatura estrecha distribuida entre los bastidores, puede que no sea así, porque el número de aceptación es una temperatura y una ventana de tiempo, no un porcentaje del flujo de aire de diseño.

Un comando de velocidad no es flujo de aire. Una vez que el conjunto abandona su punto de funcionamiento documentado, la curva del ventilador y la curva del sistema deciden el resultado, y el controlador solo decide en qué parte de esa curva se le pide que se asiente el conjunto.

Interactivo: compare los estados de la matriz antes de llamarlo N+1

Cambie de estado para ver por qué la ruta de falla y la restricción del servicio deben ser parte del mismo plan de prueba.

Los tres estados en el modelo son los tres estados que tienen que aparecer en el registro de validación: la línea base limpia, la condición definida de ventilador no disponible y la falla combinada con la restricción de servicio en la que realmente se mantendrá el equipo. Un resultado tomado solo en el primer estado no dice nada sobre los otros dos.

Este modelo es cualitativo. No calcula la curva del conjunto de ventiladores, la temperatura de la batería ni el funcionamiento a prueba de fallos. Identifica las señales que deben registrarse juntas en la ruta de enfriamiento representativa BESS.

La posición inactiva del ventilador es una condición de la ruta del aire, no solo una señal de alarma

Un módulo fallido no es sólo una pérdida de unidad. También es un cambio en la red de flujo, y es necesario medir la dirección de ese cambio.

Sin una compuerta de contratiro o una persiana de aislamiento, los ventiladores en funcionamiento recirculan el aire hacia atrás a través de la posición del ventilador inactivo. La guía de campo publicada para el conjunto de ventiladores sitúa la penalización entre el 10 y el 20 por ciento del flujo de aire del conjunto y describe el mecanismo con precisión: el conjunto pierde la contribución del ventilador fallido y luego resta el flujo que acaban de producir los ventiladores restantes. Esa es la diferencia entre un resultado de N+1 que sobrevive a una prueba con un ventilador no disponible y uno que solo sobrevive a una hoja de datos.

La guía de diseño de matrices es coherente con la solución. Cada ventilador en una matriz paralela debe tener una compuerta de aislamiento que se cierre cuando ese ventilador falla o se detiene por servicio, y la misma compuerta evita que el ventilador retroceda durante el arranque. El rendimiento de la compuerta no es una compra genérica: la tasa de fuga, la caída de presión, el cierre dinámico y el par de operación son propiedades separadas, probadas bajo un estándar de compuerta reconocido como ANSI/AMCA 500-D. Pregunte por la clase de fuga a la presión diferencial que realmente produce el conjunto, no por la presencia de una compuerta.

El estado del módulo no disponible es tan importante como el número de fans. Un módulo detenido cuyas aspas pueden girar libremente es una ruta de retorno de baja resistencia y será impulsado hacia atrás por la presión del conjunto. Un módulo que se deja en su lugar pero funciona libremente se comporta de la misma manera en la red de flujo aunque no se le ordene. Un módulo retirado para mantenimiento deja el marco abierto a menos que una placa ciega o un obturador cierre la abertura. Sólo el estado aislado elimina completamente la posición de la red de flujo, y sólo ese estado da a los ventiladores restantes una tarea limpia. Las protecciones, las pantallas de servicio, los paneles ciegos y las juntas también añaden resistencia, por lo que pertenecen tanto a la configuración de prueba normal como a la degradada; una protección instalada en servicio pero ausente de la prueba es un cambio de configuración que invalida la comparación.

Es fácil pasar por alto una consecuencia más. Cuando se especifica la redundancia del ventilador N+1, la guía de matriz publicada requiere que los ventiladores en la condición operativa N se verifiquen dentro del rango operativo recomendado de sus curvas, lejos de la zona de inestabilidad, para evitar un flujo de aire y presión desiguales, aumento de ruido y daños mecánicos. Aumentar los ventiladores restantes después de una falla es exactamente la operación que puede empujarlos hacia esa región, por lo que la prueba de aceptación con un ventilador no disponible también es una verificación de estabilidad.

Convierta una prueba de falla del ventilador en un requisito listo para producción

Una prueba útil con un ventilador no disponible produce una especificación rastreable para la siguiente muestra, no solo una captura de pantalla de pasa o falla.

Primero ejecute una línea de base normal documentada, luego introduzca el estado definido de ventilador no disponible mientras conserva los paneles, filtros, rejillas y serpentines previstos. Repita cualquier resistencia de servicio requerida o estado de carga alta. Alinee la respuesta térmica en el tiempo con presión, control, retroalimentación, entrada eléctrica e historial de alarmas para que un ingeniero pueda distinguir un flujo de aire insuficiente del ventilador de un camino bloqueado, una mala ubicación del sensor o una limitación del controlador.

El criterio de aceptación debe expresarse en las unidades del equipo protegido. La eliminación de una alarma no es un resultado de aceptación y el ventilador restante tampoco alcanza la velocidad ordenada. El resultado es si los sensores de temperatura nombrados permanecen dentro de los límites de temperatura acordados durante el período de tiempo acordado con el módulo definido no disponible, y si el conjunto lo hizo sin salir de su rango operativo recomendado.

Ejecute la secuencia más de una vez y no siempre desde el mismo estado inicial. Una falla que ocurre mientras el arreglo ya está a alta velocidad es un evento diferente de una falla que ocurre con carga baja y obliga al arreglo a acelerar. Ambos son realistas y el más lento de los dos suele decidir la ventana de intervención permitida.

MEGA Tech puede utilizar este registro para desarrollar un módulo de ventilador DC personalizado o evaluar un reemplazo rentable para el enfriamiento normal BESS. Proporcione el módulo o dibujo existente, el paso del conjunto y los detalles de sellado, el flujo objetivo a la presión indicada, el voltaje, los requisitos de PWM/FG/RD, las condiciones de entrada esperadas, el límite de ruido, las horas de funcionamiento esperadas y el plan de aceptación con un ventilador no disponible. Un reemplazo no está calificado simplemente porque las dimensiones exteriores encajan; debe acreditar el rendimiento instalado acordado en el conjunto representativo.

Dónde termina el enfriamiento del N+1 y comienza la ventilación de seguridad del BESS

La disponibilidad normal de enfriamiento y la eliminación de gas de emergencia son dos requisitos diferentes con dos modos de falla diferentes. Un conjunto de ventiladores no se puede contar para ambos.

Los códigos contra incendios como el NFPA 855 requieren que los sistemas de almacenamiento de energía estén provistos de ventilación o detección capaz de mantener las concentraciones de gas combustible por debajo del 25 por ciento del límite inflamable inferior. Ese requisito se dimensiona según el volumen del recinto y la generación de gas. El enfriamiento normal se dimensiona en función de la carga de calor y la uniformidad de la temperatura. Los dos números no se reemplazan entre sí, y los planes de seguridad de la industria para el almacenamiento en contenedores comúnmente especifican el sistema de purga de gas como un sistema separado del HVAC que mantiene la temperatura de la batería, con su propia redundancia.

La ruta aérea es importante en ambas direcciones. El análisis publicado por CFD de ventilación en contenedores BESS encontró que un recinto sellado acumulaba concentraciones de hidrógeno inflamable en aproximadamente un minuto, que una configuración de solo escape sin una ruta de reposición correspondiente elevaba la presión del recinto a aproximadamente 86 kPa por debajo de la temperatura ambiente en aproximadamente 12 segundos, y que este peligro estructural llegó antes que cualquier beneficio de eliminación de gas. El mismo trabajo recomienda una entrada verificada o una ruta de alivio de presión siempre que funcione el escape mecánico, presiones de apertura de alivio de presión en el rango de 100 a 300 pascales para recintos típicos, detección de gas en la elevación más alta posible debido a la estratificación de flotabilidad y enclavamientos de baja presión para que los extractores no puedan seguir funcionando bajo vacío.

Esta es una disciplina de ingeniería diferente del fan-array N+1, y se trata de esa manera en la práctica. La ventilación de emergencia normalmente está interconectada para que una falla del sistema de ventilación cierre el proceso en lugar de ser ignorada, y su desconexión está marcada para que los socorristas no apaguen la ventilación durante un incidente.

Entonces, cuando un proyecto indica que la refrigeración es N+1, la primera pregunta es qué función se describe. Una matriz que mantiene la temperatura de la batería con un ventilador apagado es una declaración de disponibilidad de enfriamiento normal con un límite térmico definido y una ventana de intervención. No dice nada sobre la eliminación de gas en el límite de concentración requerido por el código, que es un sistema separado con una prueba separada. Mantener normal cooling and emergency ventilation como dos líneas de aceptación claramente separadas es lo que impide que un resultado se tome prestado para el otro.

Alcance de MEGA Tech: Lo que una muestra personalizada de módulo de ventilador BESS tiene que demostrar

MEGA Tech suministra módulos de ventilador axial DC personalizados y puede evaluar un reemplazo rentable para los ventiladores utilizados en la refrigeración normal BESS, con el mismo rendimiento que las marcas internacionales establecidas y mejor servicio y precio.

Un módulo de reemplazo está calificado por el arreglo en el que está instalado, no por el banco de pruebas. El punto de partida útil es el rendimiento instalado: el flujo de aire que el módulo tiene que entregar a la presión que producen el filtro, la bobina y la rejilla reales, a la interfaz de voltaje y control que el conjunto ya utiliza, con el conector, el marco y el sellado que le permiten caer en la misma abertura.

Luego, la muestra se puede probar en la matriz representativa con la misma secuencia de prueba con un ventilador no disponible, de modo que el resultado de aceptación sea comparable con el registro del módulo original. Lo que MEGA Tech no ofrece es alcance a nivel de instalación: no suministramos la plataforma de contenedor HVAC, el circuito de refrigeración líquida o el sistema de purga de gas de emergencia, y no ofrecemos una plataforma de ventilador de instalación EC como producto MEGA. El alcance es el módulo de ventilador axial DC y su rendimiento instalado documentado dentro del arreglo que el cliente ya tiene.

• Módulo o dibujo existente, incluido el impulsor, el marco, la protección y cualquier disposición de contraventana o compuerta.
• Diseño de la matriz: paso del módulo, espacio de entrada, detalles de sellado y apertura que debe cerrar el módulo.
• Flujo de aire requerido a una presión establecida, medida en la configuración de servicio en lugar de al aire libre.
• Voltaje, rango de control de velocidad PWM y retroalimentación FG o RD que espera el controlador.
• Rango esperado de temperatura y humedad del aire de entrada, condiciones de polvo y limpieza, y cualquier exposición costera o corrosiva.
• Límite de ruido en la distancia operativa relevante para el sitio y la velocidad máxima permitida.
• Ciclo de trabajo esperado, incluidas las horas a máxima velocidad y el número de arranques por día.
• La prueba de estado normal documentada y el plan de aceptación con un ventilador no están disponibles, por lo que las piezas de muestra y de serie se juzgan de la misma manera.

Series de ventiladores recomendadas para empezar

Estas series del catálogo pueden ser un punto de partida para esta aplicación. La selección final depende del caudal, la presión estática, la tensión, el objetivo de ruido y el entorno de trabajo instalados.

Solicite una muestra para validarla en su equipo.

Preguntas frecuentes de los ingenieros: conjuntos de ventiladores BESS y refrigeración N+1

Estas preguntas mantienen la discusión sobre la redundancia adjunta a una prueba instalada repetible.

P: ¿Una matriz de cuatro ventiladores proporciona automáticamente refrigeración N+1 de tres ventiladores? R: No. El conjunto debe cumplir con los requisitos térmicos y de presión de flujo de aire instalados definidos con un módulo específico no disponible en la ruta de aire representativa.

P: ¿Un ventilador parado siempre reduce el flujo de aire en un 25%? R: No. El comportamiento del ventilador en paralelo depende de la curva combinada, la resistencia del sistema, las fugas, la ruta del módulo inactivo y los controles restantes del ventilador. Mida el resultado instalado.

P: ¿El RPM normal de los ventiladores restantes demuestra que se enfría con un ventilador no disponible? R: No. RPM confirma la rotación. Empareje el comando y la retroalimentación con la presión instalada, la entrada eléctrica y las mediciones térmicas relevantes.

P: ¿Es opcional una compuerta de contracorriente si el arreglo está dentro de un gabinete? R: No. Sin él, los ventiladores en funcionamiento recirculan el aire hacia atrás a través de la posición inactiva, y las pautas publicadas sitúan esa penalización entre el 10 y el 20 por ciento del flujo de aire del conjunto. La compuerta es lo que elimina la posición fallida de la red de flujo.

P: ¿Se debe realizar la prueba con un ventilador no disponible con filtros limpios? R: Ejecute ambos. El resultado limpio es la base; el resultado cargado es el estado en el que realmente se mantendrá el equipo. Un resultado de ruta limpia N+1 no se puede transferir a un filtro cargado sin evidencia.

P: ¿Se puede contar el conjunto de ventiladores de refrigeración normal para el requisito de extracción de gas de emergencia? R: No. La extracción de gas se dimensiona según el volumen del recinto y la generación de gas frente a un límite de concentración, y normalmente se especifica y prueba como un sistema separado con su propia redundancia. Es una función diferente con sus propios análisis y homologaciones de seguridad.

P: ¿Qué se debe incluir en una solicitud de muestra de conjunto de ventiladores BESS personalizado? R: Incluya el dibujo del ventilador o módulo, el diseño y el sellado del conjunto, la ruta de aire completa, el flujo requerido a la presión indicada, el voltaje, la interfaz PWM/FG/RD, el entorno, el objetivo de ruido y la prueba documentada de estado normal y la prueba con un ventilador no disponible.

Preguntas para una revisión de diseño

Llévelos a la revisión que aprueba el paquete de enfriamiento, antes de ordenar la matriz.

• ¿Qué es exactamente lo que no está disponible en caso de avería: parado, en marcha libre, desmontado o aislado?
• ¿Cuál es el punto de diseño de cada ventilador como porcentaje de su flujo de aire máximo a la misma presión del sistema?
• Si esa respuesta es cercana al 100 por ciento, ¿de dónde proviene el flujo de aire en caso de falla?
• ¿Hay una compuerta de aislamiento en cada ventilador y cuál es su clase de fuga a la presión diferencial del conjunto?
• ¿Se realizó la prueba con un ventilador no disponible en el estado de filtro de servicio y en el estado de limpieza?
• ¿Qué sensor de temperatura con nombre y qué ventana de tiempo definen la aceptación térmica en el estado degradado?
• ¿Los ventiladores restantes permanecen dentro de su rango operativo recomendado cuando aumentan después de la falla?
• ¿Se mantiene separada la declaración N+1 de refrigeración normal del requisito de eliminación de gas de emergencia en la documentación de seguridad y el procedimiento de mantenimiento restaura el conjunto a la configuración probada?