Экономайзеры ( написание в США и Оксфорде ), или экономайзеры (Великобритания), представляют собой механические устройства, предназначенные для снижения потребления энергии или для выполнения полезной функции, такой как предварительный нагрев жидкости . Термин экономайзер используется и для других целей. Бойлер , электростанция, отопление, охлаждение , вентиляция и кондиционирование воздуха ( HVAC ) могут использовать экономайзеры. Проще говоря, экономайзер — это теплообменник .
Инновационный вклад Роберта Стирлинга в проектирование двигателей горячего воздуха 1816 года состоял в том, что он назвал «экономайзером». Позже известный как регенератор, он сохранял тепло из горячей части двигателя , когда воздух проходил на холодную сторону, и отдавал тепло охлажденному воздуху, когда тот возвращался на горячую сторону. Это нововведение повысило эффективность двигателя Стирлинга достаточно, чтобы сделать его коммерчески успешным в определенных приложениях, и с тех пор является компонентом каждого воздушного двигателя, который называется двигателем Стирлинга.
В котлах экономайзеры — это теплообменные устройства, которые нагревают жидкости, обычно воду, до, но обычно не выше точки кипения этой жидкости. Экономайзеры так называются, потому что они могут использовать энтальпию в потоках жидкости, которые горячие, но недостаточно горячие для использования в котле, тем самым восстанавливая больше полезной энтальпии и повышая эффективность котла. Это устройство, установленное на котле, которое экономит энергию, используя выхлопные газы из котла для предварительного нагрева холодной воды, используемой для его заполнения (питательной воды ).
Паровые котлы используют большое количество энергии, доводя питательную воду до температуры кипения, превращая воду в пар и иногда перегревая этот пар выше температуры насыщения . Эффективность теплопередачи повышается, когда для кипения и перегрева используются самые высокие температуры вблизи источников сгорания , а остаточное тепло охлажденных дымовых газов, выходящих из котла через экономайзер, используется для повышения температуры питательной воды, поступающей в паровой барабан.
Конденсационный экономайзер с косвенным или прямым контактом восстановит остаточное тепло из продуктов сгорания. Ряд заслонок, эффективная система управления, а также вентилятор позволяют всем или части продуктов сгорания проходить через экономайзер в зависимости от потребности в подпиточной воде и/или технологической воде. Температура газов может быть снижена от температуры кипения жидкости до температуры, немного превышающей температуру входящей питательной воды, при предварительном нагреве этой питательной воды до температуры кипения. Котлы высокого давления обычно имеют большую поверхность экономайзера, чем котлы низкого давления. Трубы экономайзера часто имеют выступы, такие как ребра, для увеличения поверхности теплопередачи на стороне газа сгорания. [1] В среднем за эти годы [ необходимо разъяснение ] эффективность сгорания котла выросла с 80% до более чем 95%. Эффективность вырабатываемого тепла напрямую связана с эффективностью котла . Процент избыточного воздуха и температура продуктов сгорания являются двумя ключевыми переменными при оценке этой эффективности.
Для полного сгорания природного газа требуется определенное количество воздуха, поэтому горелкам для работы необходим поток избыточного воздуха. При сгорании образуется водяной пар, и его количество зависит от количества сожженного природного газа. Кроме того, оценка точки росы зависит от избыточного воздуха. Природный газ имеет различные кривые эффективности сгорания, связанные с температурой газов и избыточным воздухом. Например, если газы [ необходимо разъяснение ] охлаждаются до 38 °C и имеется 15% избыточного воздуха, то эффективность составит 94%. [ необходима цитата ] Таким образом, конденсационный экономайзер может извлекать явную и скрытую теплоту из парового конденсата, содержащегося в дымовых газах, для процесса. Экономайзер изготовлен из сплава алюминия и нержавеющей стали. [ необходима цитата ] Газы проходят через цилиндр, а вода проходит через ребристые трубки. Он конденсирует около 11% воды, содержащейся в газах. [ необходима цитата ]
Первая успешная конструкция экономайзера использовалась для повышения эффективности пароподъёма котлов стационарных паровых двигателей . Она была запатентована Эдвардом Грином в 1845 году и с тех пор известна как экономайзер Грина . Она состояла из ряда вертикальных чугунных труб, соединённых с баком с водой сверху и снизу, между которыми проходили выхлопные газы котла. Это обратная компоновка по сравнению с тем, что обычно, но не всегда можно увидеть в жаровых трубах котла; там горячие газы обычно проходят через трубы, погруженные в воду, тогда как в экономайзере вода проходит через трубы, окружённые горячими газами. Хотя оба являются теплообменными устройствами, в котле горящие газы нагревают воду для производства пара, приводящего в действие двигатель , будь то поршневой или турбинный, тогда как в экономайзере часть тепловой энергии, которая в противном случае была бы потеряна в атмосфере, вместо этого используется для нагрева воды и/или воздуха, которые поступают в котел, тем самым экономя топливо. Наиболее успешной особенностью конструкции экономайзера Грина было наличие в нем механического скребкового аппарата, который был необходим для очистки трубок от отложений сажи .
Экономайзеры в конечном итоге были установлены практически на всех стационарных паровых двигателях в течение десятилетий после изобретения Грина. Некоторые сохранившиеся стационарные паровые двигатели все еще имеют свои экономайзеры Грина, хотя обычно они не используются. Одним из таких сохранившихся мест является Claymills Pumping Engines Trust в Стаффордшире, Англия, который находится в процессе восстановления одного набора экономайзеров и связанного с ним парового двигателя, который их приводил. Другим таким примером является British Engineerium в Брайтоне и Хоуве, где используется экономайзер, связанный с котлами для двигателя № 2, в комплекте с его связанным небольшим стационарным двигателем. Третьим местом является Coldharbour Mill Working Wool Museum , где экономайзер Грина находится в рабочем состоянии, в комплекте с приводными валами от парового двигателя Pollit and Wigzell.
Современные котлы , например, на угольных электростанциях , по-прежнему оснащены экономайзерами, которые являются потомками оригинальной конструкции Грина. В этом контексте их часто называют подогревателями питательной воды , и они нагревают конденсат из турбин перед его перекачкой в котлы.
Экономайзеры обычно используются как часть парогенератора-утилизатора (HRSG) на электростанции комбинированного цикла . В HRSG вода проходит через экономайзер, затем котел и затем пароперегреватель . Экономайзер также предотвращает затопление котла жидкой водой, которая слишком холодна для кипения, учитывая расход и конструкцию котла.
Распространенным применением экономайзеров на паровых электростанциях является улавливание отходящего тепла от дымовых газов котла ( дымовой газ ) и передача его в питательную воду котла. Это повышает температуру питательной воды котла, снижая необходимый ввод энергии, в свою очередь, снижая скорость горения, необходимую для номинальной мощности котла. Экономайзеры снижают температуру дымовых газов, что может привести к конденсации кислых дымовых газов и серьезному коррозионному повреждению оборудования, если не принять меры при их проектировании и выборе материала.
Система HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) здания может использовать экономайзер на стороне воздуха для экономии энергии в зданиях за счет использования холодного наружного воздуха в качестве средства охлаждения внутреннего пространства. Когда температура наружного воздуха ниже температуры рециркулируемого воздуха, кондиционирование наружным воздухом более энергоэффективно, чем кондиционирование рециркулируемым воздухом. Когда наружный воздух и достаточно прохладный, и достаточно сухой (в зависимости от климата), количество энтальпии в воздухе приемлемо, и его дополнительное кондиционирование не требуется; эта часть схемы управления экономайзером на стороне воздуха называется свободным охлаждением .
Экономайзеры на стороне воздуха могут снизить затраты на энергию HVAC в холодном и умеренном климате, а также потенциально улучшить качество воздуха в помещении , но чаще всего не подходят для жаркого и влажного климата . При соответствующем управлении экономайзеры можно использовать в климате, который испытывает различные погодные системы. [2]
Когда температура наружного воздуха по сухому и влажному термометру достаточно низкая, экономайзер на стороне воды может использовать воду, охлажденную мокрой градирней или сухим охладителем (также называемым жидкостным охладителем), для охлаждения зданий без использования охладителя . Они исторически известны как цикл фильтра , но экономайзер на стороне воды не является настоящим термодинамическим циклом. Кроме того, вместо пропускания воды градирни через фильтр и затем в охлаждающие змеевики, что приводит к загрязнению , чаще всего между градирней и контурами охлажденной воды вставляют пластинчатый теплообменник.
Для обеспечения надлежащей работы экономайзеров на стороне воздуха и воды необходимы качественные элементы управления, клапаны или заслонки, а также техническое обслуживание.
Распространенной формой экономайзера охлаждения является «экономайзер с холодильной камерой» или «система охлаждения наружным воздухом». В такой системе наружный воздух, который холоднее воздуха внутри охлаждаемого помещения, подается в это помещение, а такое же количество более теплого внутреннего воздуха выводится наружу. Получающееся в результате охлаждение дополняет или заменяет работу холодильной системы на основе компрессора. Если воздух внутри охлаждаемого помещения всего на 5 °F теплее наружного воздуха, который его заменяет (то есть ∆T>5 °F), этот эффект охлаждения достигается более эффективно, чем такое же количество охлаждения в результате использования системы на основе компрессора. Если наружный воздух недостаточно холодный, чтобы преодолеть холодильную нагрузку помещения, то компрессорной системе также придется работать, иначе температура внутри помещения повысится.
Другое использование термина происходит в промышленном охлаждении, в частности, в парокомпрессионном охлаждении . Обычно концепция экономайзера применяется, когда конкретная конструкция или функция в холодильном цикле позволяет уменьшить либо количество энергии, используемой из электросети, либо размер компонентов (в основном номинальная мощность газового компрессора ), используемых для производства охлаждения, либо и то, и другое. Например, для морозильной камеры, которая поддерживается при температуре -20 °F (-29 °C), основными компонентами охлаждения будут: испарительный змеевик (плотное расположение труб, содержащих хладагент и тонкие металлические ребра, используемые для отвода тепла изнутри морозильной камеры), вентиляторы для продувки воздуха над змеевиком и вокруг корпуса, конденсаторный блок с воздушным охлаждением, расположенный снаружи, а также клапаны и трубопроводы. Конденсационный блок будет включать компрессор , змеевик и вентиляторы для обмена теплом с окружающим воздухом.
Дисплей экономайзера использует тот факт, что холодильные системы имеют возрастающую эффективность при повышении давления и температуры. Мощность, необходимая газовому компрессору , тесно связана как с соотношением, так и с разницей между давлением нагнетания и всасывания (а также с другими характеристиками, такими как теплоемкость хладагента и тип компрессора). Низкотемпературные системы, такие как морозильники, перемещают меньше жидкости в тех же объемах. Это означает, что перекачка компрессора менее эффективна в низкотемпературных системах. Это явление печально известно, если принять во внимание, что температура испарения для морозильной камеры при −20 °F (−29 °C) может быть около −35 °F (−37 °C). Системы с экономайзерами нацелены на то, чтобы производить часть работы по охлаждению при высоких давлениях, условиях, в которых газовые компрессоры обычно более эффективны. В зависимости от области применения эта технология либо позволяет использовать меньшие мощности сжатия для обеспечения достаточного давления и расхода для системы, для которой обычно требуются более мощные компрессоры, либо увеличивает производительность системы, которая без экономайзера производила бы меньше холода, либо позволяет системе производить то же количество холода, потребляя меньше энергии.
Концепция экономайзера связана с переохлаждением , поскольку температура конденсированной жидкой линии обычно выше, чем на испарителе , что делает его хорошим местом для применения понятия повышения эффективности. [3] Вспоминая пример с морозильной камерой, нормальная температура жидкой линии в этой системе составляет около 60 °F (16 °C) или даже выше (она меняется в зависимости от температуры конденсации). Это условие гораздо менее враждебно для производства охлаждения, чем испаритель при −35 °F (−37 °C).
Несколько конфигураций холодильного цикла включают экономайзер и выигрывают от этой идеи. Проектирование этих систем требует экспертных знаний и дополнительных компонентов. Падение давления, электронное управление клапаном и сопротивление масла — все это необходимо учитывать.
Система называется двухступенчатой, если два газовых компрессора работают вместе последовательно для создания сжатия. Обычная бустерная установка представляет собой двухступенчатую систему, которая получает жидкость для охлаждения нагнетания первого компрессора, прежде чем она поступит во второй компрессор. Жидкость, которая поступает на промежуточную ступень обоих компрессоров, поступает из жидкостной линии и обычно контролируется клапанами расширения , давления и электромагнитными клапанами.
Стандартный двухступенчатый цикл такого типа имеет расширительный клапан , который расширяется и модулирует количество хладагента, поступающего на промежуточном этапе. Поскольку жидкость, поступающая на промежуточный этап, расширяется, она будет стремиться испаряться , создавая падение температуры и охлаждая всасывание второго компрессора при смешивании с жидкостью, выбрасываемой первым компрессором. Этот тип установки может иметь теплообменник между расширением и промежуточным этапом, который может быть вторым испарителем для создания дополнительного эффекта охлаждения, хотя и не таким холодным, как основной испаритель (например, для кондиционирования воздуха или для сохранения свежести продуктов). Двухступенчатая система, как говорят, настроена как бустер с переохлаждением , если хладагент, поступающий на промежуточный этап, проходит через теплообменник переохлаждения, который переохлаждает основную жидкостную линию , поступающую на основной испаритель той же системы. [4]
Необходимость использования двух компрессоров в бустерной установке имеет тенденцию увеличивать стоимость холодильной системы. Двухступенчатая система также нуждается в синхронизации, контроле давления и смазке. Для снижения этих расходов было разработано специализированное оборудование.
Винтовые компрессоры Economizer выпускаются несколькими производителями, такими как Refcomp, Mycom, Bitzer и York. Эти машины объединяют оба компрессора двухступенчатой системы в один винтовой компрессор с двумя входами: основным всасыванием и промежуточным боковым входом для газа более высокого давления. [ необходима цитата ] Это означает, что нет необходимости устанавливать два компрессора и при этом по-прежнему использовать преимущества концепции бустера.
Для этих компрессоров существует два типа установок экономайзера: флэш и переохлаждение . Последний работает как двухступенчатый бустер с переохлаждением. Экономайзер флэш отличается тем, что не использует теплообменник для создания переохлаждения. Вместо этого он имеет камеру флэш или резервуар, в котором производится газ флэш для снижения температуры жидкости перед расширением. Газ флэш , который производится в этом резервуаре, покидает жидкостную линию и поступает на вход экономайзера винтового компрессора. [5]
Вышеуказанные системы создают эффект экономайзера, используя компрессоры, счетчики, клапаны и теплообменники в холодильном цикле. В некоторых холодильных системах экономайзер может быть независимым холодильным механизмом. Таков случай переохлаждения жидкостной линии любым другим способом, который вытягивает тепло из основной системы. Например, теплообменник, который предварительно нагревает холодную воду, необходимую для другого процесса или использования человеком, может забирать тепло из жидкостной линии, эффективно переохлаждать ее и увеличивать производительность системы. [6]
Недавно были разработаны машины, специально предназначенные для этой цели. В Чили производитель EcoPac Systems разработал оптимизатор цикла, способный стабилизировать температуру жидкостной линии и позволяющий либо увеличить холодопроизводительность системы, либо снизить потребление электроэнергии . [ 7] Такие системы имеют то преимущество, что не вмешиваются в первоначальную конструкцию холодильной системы и являются способом расширения одноступенчатой системы, которая не имеет компрессора -экономайзера . [8]
Переохлаждение также может быть получено путем перегрева газа, выходящего из испарителя и направляющегося в газовый компрессор . [9] Эти системы отбирают тепло из жидкостной линии и нагревают всасывающую линию газового компрессора. Это очень распространенное решение, гарантирующее, что газ достигает компрессора, а жидкость достигает клапана . Это также позволяет максимально использовать теплообменник , поскольку минимизирует часть теплообменников, используемых для изменения температуры жидкости, и максимизирует объем, в котором хладагент изменяет свою фазу (явления, включающие гораздо больший поток тепла, базовый принцип парокомпрессионного охлаждения).
Внутренний теплообменник — это просто теплообменник, который использует холодный газ, выходящий из испарительного змеевика, для охлаждения жидкости под высоким давлением, которая направляется в начало испарительного змеевика через расширительное устройство. Газ используется для охлаждения камеры, которая обычно имеет ряд труб для протекающей через нее жидкости. Затем перегретый газ поступает в компрессор. Термин переохлаждение относится к охлаждению жидкости ниже точки кипения. 10 °F (5,6 °C) переохлаждения означает, что она на 10 °F холоднее, чем точка кипения при данном давлении. Поскольку это представляет собой разницу температур, значение переохлаждения измеряется не по абсолютной шкале температур, а только по относительной шкале как разница температур.