Экономайзеры ( написание в США и Оксфорде ), или экономайзеры (Великобритания), представляют собой механические устройства, предназначенные для снижения энергопотребления или выполнения полезных функций, таких как предварительный нагрев жидкости . Термин экономайзер используется и для других целей. В этой статье обсуждается использование котлов , электростанций, систем отопления, охлаждения , вентиляции и кондиционирования воздуха ( HVAC ). Говоря простым языком, экономайзер – это теплообменник .
Инновационный вклад Роберта Стирлинга в разработку двигателей горячего воздуха в 1816 году заключался в том, что он назвал «экономайзером». Теперь известный как регенератор, он накапливал тепло от 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 настолько, что сделало его коммерчески успешным в определенных приложениях, и с тех пор является компонентом каждого воздушного двигателя, называемого двигателем Стирлинга.
В котлах экономайзеры представляют собой теплообменные устройства, которые нагревают жидкости, обычно воду, до температуры кипения этой жидкости, но обычно не выше ее. Экономайзеры названы так потому, что они могут использовать энтальпию потоков жидкости, которые являются горячими, но недостаточно горячими для использования в котле, тем самым восстанавливая больше полезной энтальпии и повышая эффективность котла. Это устройство, установленное на котле, которое экономит энергию за счет использования выхлопных газов котла для предварительного нагрева холодной воды, используемой для его заполнения (питательной воды ).
Паровые котлы используют большое количество энергии для повышения питательной воды до температуры кипения, преобразования воды в пар и иногда перегревания этого пара выше температуры насыщения. Эффективность теплопередачи повышается, когда самые высокие температуры вблизи источников горения используются для кипения и перегрева, а остаточное тепло охлажденных дымовых газов, выходящих из котла через экономайзер, используется для повышения температуры питательной воды, поступающей в паровой барабан.
Конденсационный экономайзер непрямого или прямого контакта рекуперирует остаточное тепло 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 и/или технической воде. Температуру газов можно снизить от температуры кипения жидкости до температуры, немного превышающей температуру поступающей питательной воды, одновременно нагревая эту питательную воду до температуры кипения. Котлы высокого давления обычно имеют большую поверхность экономайзера, чем котлы низкого давления. Трубки экономайзера часто имеют выступы в виде ребер для увеличения поверхности теплопередачи со стороны дымовых газов. [1] В среднем за эти годы [ необходимы разъяснения ] эффективность сгорания котла выросла с 80% до более чем 95%. Эффективность производимого тепла напрямую связана с эффективностью котла. Процент избытка воздуха и температура продуктов сгорания являются двумя ключевыми переменными при оценке эффективности.
Для полного сгорания природного газа требуется определенное количество воздуха, поэтому для работы горелок необходим приток избыточного воздуха. При горении образуется водяной пар, количество которого зависит от количества сожженного природного газа. Также оценка точки росы зависит от избытка воздуха. Природный газ имеет различные кривые эффективности сгорания, связанные с температурой газов и избытком воздуха. Например, если газы [ необходимо уточнение ] охлаждены до 38°С и имеется избыток воздуха 15%, то КПД составит 94%. [ нужна цитата ] Конденсационный экономайзер может таким образом восстанавливать явное и скрытое тепло в конденсате пара, содержащемся в дымовых газах для процесса. Экономайзер изготовлен из сплава алюминия и нержавеющей стали. [ нужна цитата ] Газы проходят через цилиндр, а вода проходит через оребренные трубы. В нем конденсируется около 11% воды, содержащейся в газах. [ нужна цитата ]
Первая удачная конструкция экономайзера была использована для повышения пароподъёмной эффективности котлов стационарных паровых машин . Он был запатентован Эдвардом Грином в 1845 году и с тех пор известен как экономайзер Грина . Он состоял из множества вертикальных чугунных труб, соединенных сверху и снизу с резервуаром с водой, между которыми проходили выхлопные газы котла. Это устройство противоположно тому, которое обычно, но не всегда, наблюдается в жаровых трубах котла; там горячие газы обычно проходят по трубкам, погруженным в воду, тогда как в экономайзере вода проходит по трубкам, окруженным горячими газами. Хотя оба являются теплообменными устройствами, в котле горящие газы нагревают воду для производства пара, приводящего в движение двигатель, будь то поршневой или турбинный, тогда как в экономайзере часть тепловой энергии, которая в противном случае вся была бы потеряна в атмосферу, вместо этого используется для нагрева воды и/или воздуха, поступающего в котел, что позволяет экономить топливо. Самой успешной особенностью конструкции экономайзера Грина было его механическое скребковое устройство, которое было необходимо для очистки трубок от отложений сажи .
В течение десятилетий после изобретения Грина экономайзеры были установлены практически на всех стационарных паровых двигателях. На некоторых сохранившихся стационарных площадках с паровыми двигателями до сих пор имеются экономайзеры Грина, хотя обычно они не используются. Одним из таких сохранившихся объектов является Фонд насосных двигателей Claymills в Стаффордшире, Англия, который находится в процессе восстановления одного комплекта экономайзеров и связанного с ним парового двигателя, который их приводил. Другим примером является британский инженерный завод в Брайтон-энд-Хове, где используется экономайзер, связанный с котлами двигателя № 2, в комплекте с соответствующим небольшим стационарным двигателем. Третий объект — Музей рабочей шерсти фабрики Колдхарбор , где экономайзер Грина находится в рабочем состоянии вместе с приводными валами парового двигателя Поллита и Вигзелля.
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 , они нагревают конденсат из турбин перед его закачкой в котлы.
Экономайзеры обычно используются как часть парогенератора -утилизатора (HRSG) на электростанциях с комбинированным циклом . В котле-утилизаторе вода проходит через экономайзер, затем котел и перегреватель . Экономайзер также предотвращает затопление котла жидкой водой, которая слишком холодна для кипячения, учитывая скорость потока и конструкцию котла.
Обычно экономайзеры на паровых электростанциях используются для улавливания отходящего тепла из дымовых газов котла ( дымовых газов ) и передачи его в питательную воду котла. Это повышает температуру питательной воды котла, снижая необходимое потребление энергии, что, в свою очередь, снижает интенсивность горения, необходимую для номинальной мощности котла. Экономайзеры снижают температуру дымовой трубы, что может вызвать конденсацию кислых дымовых газов и серьезное коррозионное повреждение оборудования, если не соблюдать осторожность при их конструкции и выборе материалов.
В системе HVAC (отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха) здания может использоваться воздушный экономайзер для экономии энергии в зданиях за счет использования прохладного наружного воздуха в качестве средства охлаждения внутреннего пространства. Когда температура наружного воздуха ниже температуры рециркулируемого воздуха, кондиционирование наружным воздухом более энергоэффективно, чем кондиционирование рециркуляционным воздухом. Когда наружный воздух достаточно прохладный и достаточно сухой (в зависимости от климата), количество энтальпии в воздухе является приемлемым, и его дополнительное кондиционирование не требуется; эта часть схемы управления экономайзером на воздушной стороне называется естественным охлаждением .
Экономайзеры на стороне воздуха могут снизить затраты на энергию для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха в холодном и умеренном климате, а также потенциально улучшить качество воздуха в помещении , но чаще всего они не подходят для жаркого и влажного климата. При наличии соответствующих средств управления экономайзеры можно использовать в климатических условиях с различными погодными условиями. [2]
Когда температура наружного воздуха по сухому и влажному термометрам достаточно низка, водяной экономайзер может использовать воду, охлажденную мокрой градирней или сухим охладителем (также называемым жидкостным охладителем), для охлаждения зданий без включения охладителя . Исторически они известны как цикл сетчатого фильтра , но экономайзер на стороне воды не является настоящим термодинамическим циклом. Кроме того, вместо того, чтобы пропускать воду из градирни через сетчатый фильтр, а затем в охлаждающие змеевики, что приводит к загрязнению, чаще всего между градирней и контурами охлажденной воды вставляют пластинчатый теплообменник.
Для обеспечения правильной работы экономайзеров на стороне воздуха и воды необходимы хорошие средства управления, клапаны или заслонки, а также техническое обслуживание.
Распространенной формой экономайзера холодильного оборудования является «экономайзер с встроенным охладителем» или «система охлаждения наружным воздухом». В такой системе наружный воздух, который холоднее, чем воздух внутри охлаждаемого помещения, подается в это помещение, и такое же количество более теплого внутреннего воздуха выводится наружу. Полученное охлаждение дополняет или заменяет работу компрессорной холодильной системы. Если воздух внутри охлаждаемого помещения всего лишь примерно на 5 °F теплее, чем заменяющий его наружный воздух (т. е. ∆T>5 °F), этот эффект охлаждения достигается более эффективно, чем такое же количество охлаждения, получаемое от компрессора. основанная система. Если наружный воздух недостаточно холоден, чтобы преодолеть холодильную нагрузку помещения, компрессорная система также должна будет работать, иначе температура внутри помещения повысится.
Другое использование этого термина встречается в промышленном охлаждении, в частности в парокомпрессионном охлаждении . Обычно концепция экономайзера применяется, когда конкретная конструкция или особенность холодильного цикла позволяет сократить либо количество энергии , используемой из электросети, либо размер компонентов (в основном номинальную мощность газового компрессора ), используемых для производства электроэнергии. охлаждение или и то, и другое. Например, для морозильной камеры, в которой поддерживается температура -20 °F (-29 °C), основные компоненты охлаждения будут включать в себя: змеевик испарителя (плотное расположение труб, содержащих хладагент, и тонких металлических ребер, используемых для отвода тепла). изнутри морозильной камеры), вентиляторы, обдувающие змеевик и вокруг коробки воздухом, конденсаторный блок с воздушным охлаждением , расположенный снаружи, а также клапаны и трубопроводы. Конденсаторный агрегат будет включать в себя компрессор , змеевик и вентиляторы для обмена тепла с окружающим воздухом.
Дисплей экономайзера использует тот факт, что холодильные системы повышают эффективность при повышении давления и температуры. Мощность, необходимая газовому компрессору, сильно зависит как от соотношения, так и от разницы между давлениями 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 накачка компрессора менее эффективна в низкотемпературных системах. Это явление печально известно, если принять во внимание, что температура испарения в морозильной камере при -20 °F (-29 °C) может составлять около -35 °F (-37 °C). Системы с экономайзерами предназначены для выполнения части холодильной работы при высоком давлении, в условиях, при которых газовые компрессоры обычно более эффективны. В зависимости от применения эта технология либо позволяет использовать меньшие мощности сжатия, чтобы обеспечить достаточное давление и расход для системы, для которой обычно требуются более крупные компрессоры, либо увеличивает производительность системы, которая без экономайзера производила бы меньше холода, либо позволяет системе производить такое же количество холода, используя меньшую мощность.
Концепция экономайзера связана с переохлаждением , поскольку температура трубопровода конденсированной жидкости обычно выше, чем температура на испарителе , что делает его подходящим местом для применения идеи повышения эффективности. [3] Если вспомнить пример с морозильной камерой, то нормальная температура жидкостной линии в этой системе составляет около 60 °F (16 °C) или даже выше (она варьируется в зависимости от температуры конденсации). Это условие гораздо менее неблагоприятно для производства охлаждения, чем испаритель при температуре -35 ° F (-37 ° C).
Некоторые конфигурации холодильного цикла включают экономайзер и извлекают выгоду из этой идеи. Проектирование этих систем требует опыта и дополнительных компонентов. Необходимо учитывать падение давления, электронное управление клапаном и сопротивление масла.
Говорят, что система представляет собой двухступенчатую установку, если два газовых компрессора работают вместе последовательно для обеспечения сжатия. Обычная установка повышения давления представляет собой двухступенчатую систему, в которую подается жидкость для охлаждения нагнетания первого компрессора перед ее подачей во второй компрессор. Жидкость, которая поступает в 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 расширяет и модулирует количество хладагента , поступающего на промежуточный этап. По мере того как жидкость, попадающая в промежуточную ступень, расширяется, она будет стремиться испаряться , вызывая падение температуры и охлаждение всасываемого канала второго компрессора при смешивании с жидкостью, выпускаемой первым компрессором. Установка такого типа может иметь теплообменник между расширением и промежуточной ступенью, который может быть вторым испарителем для создания дополнительного эффекта охлаждения, хотя и не такого охлаждения, как основной испаритель (например, для кондиционирования воздуха или для сохранения свежести). продукты). Двухступенчатая система считается настроенной как бустер с переохлаждением , если хладагент, поступающий на промежуточную ступень, проходит через теплообменник переохлаждения, который переохлаждает основную жидкостную линию , поступающую в главный испаритель той же системы. [4]
Необходимость использования двух компрессоров в бустерной установке приводит к увеличению стоимости холодильной системы. Двухступенчатая система также нуждается в синхронизации, контроле давления и смазке. Для снижения этих затрат было разработано специализированное оборудование.
Винтовые компрессоры экономайзера производятся 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 межступенчатым боковым входом для газа более высокого давления. [ нужна ссылка ] Это означает, что нет необходимости устанавливать два компрессора и при этом получать выгоду от концепции повышения давления.
Для этих компрессоров существует два типа экономайзеров: мгновенное охлаждение и переохлаждение . Последний работает как двухступенчатый бустер с переохлаждением. Флэш-экономайзер отличается тем, что в нем не используется теплообменник для переохлаждения. Вместо этого он имеет испарительную камеру или резервуар, в котором вырабатывается газ мгновенного испарения для снижения температуры жидкости перед расширением. Образующийся в этом резервуаре газ мгновенного испарения покидает жидкостную линию и поступает на вход экономайзера винтового компрессора. [5]
Вышеупомянутые системы создают эффект экономайзера за счет использования компрессоров, счетчиков, клапанов и теплообменников в холодильном цикле. В некоторых холодильных системах экономайзер может быть независимым холодильным механизмом. Так обстоит дело с переохлаждением жидкостной линии любым другим способом, отводящим 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 переохлаждая ее и увеличивая производительность системы. [6]
Недавно были разработаны машины, предназначенные исключительно для этой цели. В Чили производитель EcoPac Systems разработал оптимизатор цикла, способный стабилизировать температуру жидкостной линии и позволить либо увеличить холодопроизводительность системы, либо снизить энергопотребление . [7] Преимущество таких систем заключается в том, что они не мешают исходной конструкции холодильной системы и являются способом расширения одноступенчатой системы, не имеющей компрессора -экономайзера . [8]
Переохлаждение также может быть произведено путем перегрева газа, выходящего из испарителя и направляющегося в газовый компрессор . [9] Эти системы отводят тепло из жидкостной линии и нагревают линию всасывания газового компрессора. Это очень распространенное решение, позволяющее гарантировать, что газ достигнет компрессора, а жидкость достигнет клапана . Это также позволяет максимально использовать теплообменник, поскольку сводит к минимуму часть теплообменников, используемых для изменения температуры жидкости, и максимизирует объем, в котором хладагент меняет свою фазу (феномен, связанный с гораздо большим тепловым потоком, основной принцип сжатия пара охлаждение).
Внутренний теплообменник — это просто теплообменник, который использует холодный газ, выходящий из змеевика испарителя, для охлаждения жидкости под высоким давлением, которая направляется в начало змеевика испарителя через расширительное устройство. Газ используется для охлаждения камеры, которая обычно имеет ряд труб для жидкости, проходящей через нее. Затем перегретый газ поступает в компрессор. Термин «переохлаждение» относится к охлаждению жидкости ниже точки кипения. Переохлаждение на 10 °F (5,6 °C) означает, что температура на 10 °F холоднее, чем кипение при данном давлении. Поскольку оно представляет собой разницу температур, значение переохлаждения измеряется не в абсолютной шкале температур, а только в относительной шкале как разность температур.