Podgrzewacz
Ekonomizery ( pisownia amerykańska i oksfordzka ) lub ekonomizery (UK) to urządzenia mechaniczne przeznaczone do zmniejszania zużycia energii lub wykonywania użytecznych funkcji, takich jak wstępne podgrzewanie płynu . Termin ekonomizer jest również używany do innych celów. W tym artykule omówiono zastosowania kotłów , elektrowni, ogrzewania, chłodzenia , wentylacji i klimatyzacji ( HVAC ). Mówiąc prościej, ekonomizer to wymiennik ciepła .
silnik Stirlinga
Roberta Stirlinga w projektowanie silników na ogrzane powietrze w 1816 r. było to, co nazwał „ekonomizerem”. Znany obecnie jako regenerator, magazynował ciepło z gorącej części silnika, gdy powietrze przechodziło na zimną stronę, i oddawał ciepło schłodzonemu powietrzu, gdy wracało do gorącej strony. Ta innowacja poprawiła wydajność silnika Stirlinga na tyle, aby odnieść sukces komercyjny w określonych zastosowaniach i od tego czasu jest elementem każdego silnika powietrznego zwanego silnikiem Stirlinga.
Kotły
W kotłach ekonomizery to urządzenia do wymiany ciepła, które podgrzewają płyny, zwykle wodę, do temperatury wrzenia tego płynu, ale nie powyżej. Ekonomizery są tak nazwane, ponieważ mogą wykorzystywać entalpię w strumieniach płynów, które są gorące, ale nie wystarczająco gorące, aby można je było stosować w kotle, odzyskując w ten sposób bardziej użyteczną entalpię i poprawiając wydajność kotła. Są to urządzenia montowane na kotle, które oszczędzają energię, wykorzystując spaliny z kotła do wstępnego podgrzania zimnej wody służącej do jego napełniania ( wody zasilającej ).
Kotły parowe zużywają duże ilości energii, podnosząc wodę zasilającą do temperatury wrzenia, przekształcając wodę w parę, a czasami przegrzewając tę parę powyżej temperatury nasycenia. Wydajność wymiany ciepła poprawia się, gdy najwyższe temperatury w pobliżu źródeł spalania są wykorzystywane do wrzenia i przegrzewania, podczas gdy ciepło resztkowe schłodzonych gazów spalinowych odprowadzanych z kotła przez ekonomizer do podniesienia temperatury wody zasilającej wchodzącej do bębna parowego.
Ekonomizer kondensacyjny z kontaktem pośrednim lub bezpośrednim odzyskuje ciepło resztkowe z produktów spalania. Szereg przepustnic, wydajny układ sterowania, a także wentylator umożliwiają przejście całości lub części produktów spalania przez ekonomizer w zależności od zapotrzebowania na wodę uzupełniającą i/lub technologiczną. Temperaturę gazów można obniżyć od temperatury wrzenia płynu do temperatury niewiele wyższej niż temperatura doprowadzanej wody zasilającej podczas wstępnego podgrzewania tej wody zasilającej do temperatury wrzenia. Kotły wysokociśnieniowe mają zazwyczaj większe powierzchnie ekonomizera niż kotły niskociśnieniowe. Rury ekonomizera często mają wypustki, takie jak żeberka, aby zwiększyć powierzchnię wymiany ciepła po stronie gazów spalinowych. Średnio na przestrzeni lat [ potrzebne wyjaśnienie ] sprawność spalania kotłów wzrosła z 80% do ponad 95%. Sprawność wytwarzanego ciepła jest bezpośrednio związana ze sprawnością kotła. Procent nadmiaru powietrza i temperatura produktów spalania to dwie kluczowe zmienne przy ocenie tej wydajności.
Spalanie gazu ziemnego wymaga pewnej ilości powietrza, aby było kompletne, więc palniki potrzebują dopływu nadmiaru powietrza, aby mogły działać. Spalanie wytwarza parę wodną, a jej ilość zależy od ilości spalonego gazu ziemnego. Również ocena punktu rosy zależy od nadmiaru powietrza. Gaz ziemny ma różne krzywe wydajności spalania związane z temperaturą gazów i nadmiarem powietrza. Na przykład, jeśli gazy [ wymagane wyjaśnienie ] są schłodzone do 38 ° C i jest 15% nadmiaru powietrza, to wydajność wyniesie 94%. [ Potrzebne źródło ] Ekonomizer kondensacyjny może zatem odzyskiwać jawne i utajone ciepło w kondensacie pary zawartej w gazach spalinowych dla procesu. Ekonomizer wykonany jest ze stopu aluminium i stali nierdzewnej. [ Potrzebne źródło ] Gazy przechodzą przez cylinder, a woda przepływa przez żebrowane rurki. Skrapla około 11% wody zawartej w gazach. [ potrzebne źródło ]
Historia
wydajności wytwarzania pary w kotłach stacjonarnych maszyn parowych . Został opatentowany przez Edwarda Greena w 1845 roku i od tego czasu jest znany jako ekonomizer Greena . Składał się z szeregu pionowych żeliwnych połączonych ze zbiornikiem wody powyżej i poniżej, pomiędzy którymi przechodziły spaliny z kotła. Jest to układ odwrotny do tego, który zwykle, ale nie zawsze, występuje w płomieniówkach kotła; tam gorące gazy przechodzą zwykle przez rurki zanurzone w wodzie, podczas gdy w ekonomizerze woda przepływa przez rurki otoczone gorącymi gazami. Podczas gdy oba są urządzeniami do wymiany ciepła, w kotle spalające się gazy podgrzewają wodę, aby wytworzyć parę napędzającą silnik, tłok lub turbinę, podczas gdy w ekonomizerze część energii cieplnej, która w przeciwnym razie zostałaby utracona do atmosfery, jest zamiast tego służy do podgrzewania wody i/lub powietrza, które trafią do kotła, oszczędzając w ten sposób paliwo. Najbardziej udaną cechą ekonomizera zaprojektowanego przez Greena było mechaniczne urządzenie zgarniające, które było potrzebne do usuwania osadów sadzy z rur .
Ekonomizery zostały ostatecznie zamontowane w praktycznie wszystkich stacjonarnych silnikach parowych w dziesięcioleciach następujących po wynalazku Greena. Niektóre zachowane stanowiska z stacjonarnymi maszynami parowymi nadal mają ekonomizery Greena, chociaż zwykle nie są one używane. Jednym z takich zachowanych miejsc jest fundusz Claymills Pumping Engines Trust w Staffordshire w Anglii, który jest w trakcie przywracania jednego zestawu ekonomizerów i związanego z nimi silnika parowego, który je napędzał. Innym takim przykładem jest British Engineerium w Brighton & Hove, gdzie używany jest ekonomizer powiązany z kotłami silnika numer 2 wraz z powiązanym z nim małym silnikiem stacjonarnym. Trzecim miejscem jest Coldharbour Mill Working Wool Museum , w którym działa ekonomizer Greena wraz z wałami napędowymi silnika parowego Pollit i Wigzell.
Elektrownie
Współczesne kotły, takie jak te w elektrowniach węglowych , są nadal wyposażone w ekonomizery , które są potomkami oryginalnego projektu Greena. W tym kontekście nazywane są często podgrzewaczami wody zasilającej i podgrzewają kondensat z turbin przed przepompowaniem go do kotłów.
Ekonomizery są powszechnie stosowane jako część generatora pary z odzyskiem ciepła (HRSG) w elektrowni o cyklu kombinowanym . W HRSG woda przepływa przez ekonomizer, następnie kocioł , a następnie przegrzewacz . Ekonomizer zapobiega również zalaniu kotła wodą w stanie ciekłym, która jest zbyt zimna do zagotowania, biorąc pod uwagę natężenie przepływu i konstrukcję kotła.
Powszechnym zastosowaniem ekonomizerów w elektrowniach parowych jest wychwytywanie ciepła odpadowego z gazów kominowych ( spalin ) i przekazywanie go do wody zasilającej kocioł. To podnosi temperaturę wody zasilającej kocioł, obniżając wymagany pobór energii, co z kolei zmniejsza szybkość spalania potrzebną do znamionowej mocy kotła. Ekonomizery obniżają temperaturę komina, co może powodować skraplanie się kwaśnych gazów spalinowych i poważne uszkodzenia korozyjne sprzętu, jeśli nie zachowa się ostrożności w ich konstrukcji i doborze materiałów.
HVAC
System HVAC (ogrzewanie, wentylacja i klimatyzacja) budynku może wykorzystywać ekonomizer po stronie powietrza, aby oszczędzać energię w budynkach, wykorzystując chłodne powietrze zewnętrzne do chłodzenia przestrzeni wewnętrznej. Gdy temperatura powietrza zewnętrznego jest niższa niż temperatura powietrza recyrkulacyjnego, klimatyzacja z wykorzystaniem powietrza zewnętrznego jest bardziej energooszczędna niż klimatyzacja z recyrkulacją powietrza. Kiedy powietrze na zewnątrz jest zarówno wystarczająco chłodne, jak i wystarczająco suche (w zależności od klimatu), ilość entalpii w powietrzu jest akceptowalna i nie jest potrzebne żadne dodatkowe kondycjonowanie; ta część schematu sterowania ekonomizerem po stronie powietrza jest nazywana chłodzeniem swobodnym .
Ekonomizery po stronie powietrza mogą obniżyć koszty energii HVAC w zimnym i umiarkowanym klimacie, jednocześnie potencjalnie poprawiając jakość powietrza w pomieszczeniach , ale najczęściej nie są odpowiednie w gorącym i wilgotnym klimacie. Dzięki odpowiednim kontrolom ekonomizery mogą być używane w klimatach, w których występują różne systemy pogodowe.
Gdy temperatury termometru suchego i mokrego powietrza zewnętrznego są wystarczająco niskie, ekonomizer po stronie wody może wykorzystywać wodę chłodzoną przez mokrą wieżę chłodniczą lub suchą chłodnicę (zwaną również chłodnicą cieczy) do chłodzenia budynków bez obsługi agregatu chłodniczego . Historycznie są one znane jako obieg sitowy , ale ekonomizer po stronie wody nie jest prawdziwym cyklem termodynamicznym . Ponadto, zamiast przepuszczać wodę z wieży chłodniczej przez filtr siatkowy, a następnie do wężownic chłodniczych, co powoduje zanieczyszczenie, częściej między wieżą chłodniczą a pętlami wody lodowej wstawiany jest płytowo-ramowy wymiennik ciepła.
Aby zapewnić prawidłowe działanie ekonomizerów po stronie powietrza i wody, potrzebne są dobre elementy sterujące, zawory lub przepustnice, a także konserwacja.
Chłodzenie
Ekonomizer chłodnicy
Powszechną formą ekonomizera chłodniczego jest „ekonomizer chłodnicy z wejściem” lub „system chłodzenia powietrzem zewnętrznym”. W takim systemie powietrze zewnętrzne, które jest chłodniejsze niż powietrze wewnątrz chłodzonej przestrzeni, jest doprowadzane do tej przestrzeni i taka sama ilość cieplejszego powietrza wewnętrznego jest odprowadzana na zewnątrz. Powstałe chłodzenie uzupełnia lub zastępuje działanie układu chłodniczego opartego na sprężarce. Jeśli powietrze w chłodzonej przestrzeni jest tylko o około 5°F cieplejsze niż powietrze zewnętrzne, które je zastępuje (tj. ∆T>5°F), ten efekt chłodzenia jest osiągany wydajniej niż taka sama ilość chłodzenia wynikająca ze sprężarki systemie opartym. Jeśli powietrze zewnętrzne nie jest wystarczająco zimne, aby pokonać obciążenie chłodnicze pomieszczenia, układ sprężarki również będzie musiał działać, w przeciwnym razie temperatura wewnątrz pomieszczenia wzrośnie.
Chłodzenie ze sprężaniem pary
Inne użycie tego terminu występuje w chłodnictwie przemysłowym, w szczególności w chłodnictwie ze sprężaniem pary . Zwykle koncepcja ekonomizera jest stosowana, gdy szczególna konstrukcja lub funkcja cyklu chłodzenia umożliwia zmniejszenie ilości energii zużywanej z sieci energetycznej, rozmiaru komponentów (zasadniczo nominalnej wydajności sprężarki gazu ) używanych do produkcji chłodnictwo lub jedno i drugie. Na przykład w przypadku zamrażarki, która jest utrzymywana w temperaturze -20 ° F (-29 ° C), główne elementy chłodnicze obejmowałyby: wężownicę parownika ( gęsty układ rur zawierających czynnik chłodniczy i cienkie metalowe żeberka służące do odprowadzania ciepła z wnętrza zamrażarki), wentylatory nadmuchujące powietrze na wężownicę i wokół skrzynki, agregat skraplający chłodzony powietrzem umieszczony na zewnątrz oraz zawory i orurowanie. Agregat skraplający składałby się ze sprężarki , wężownicy i wentylatorów do wymiany ciepła z otaczającym powietrzem.
Wyświetlacz ekonomizera wykorzystuje fakt, że systemy chłodnicze mają coraz większą wydajność przy rosnących ciśnieniach i temperaturach. Moc sprężarce gazu jest silnie skorelowana zarówno ze stosunkiem, jak i różnicą między ciśnieniem tłoczenia i ssania (a także z innymi cechami, takimi jak pojemność cieplna czynnika chłodniczego i typ sprężarki). Systemy niskotemperaturowe, takie jak zamrażarki, przenoszą mniej płynów w tych samych objętościach. Oznacza to, że pompowanie sprężarki jest mniej wydajne w systemach o niskiej temperaturze. Zjawisko to jest znane, jeśli weźmie się pod uwagę, że temperatura parowania zamrażarki w temperaturze -20 ° F (-29 ° C) może wynosić około -35 ° F (-37 ° C). Układy z ekonomizerami mają na celu wykonanie części pracy chłodniczej przy wysokich ciśnieniach, czyli warunkach, w których sprężarki gazu są zwykle bardziej wydajne. W zależności od zastosowania, technologia ta umożliwia albo mniejsze możliwości sprężania, aby zapewnić wystarczające ciśnienie i przepływ dla systemu, który normalnie wymagałby większych sprężarek, albo zwiększa wydajność systemu, który bez ekonomizera generowałby mniej chłodzenia, albo umożliwia systemowi wyprodukować taką samą ilość chłodu przy mniejszym zużyciu energii.
Koncepcja ekonomizera jest powiązana z przechłodzeniem , ponieważ temperatura w przewodzie skroplonej cieczy jest zwykle wyższa niż w parowniku , co sprawia, że jest to dobre miejsce do zastosowania koncepcji zwiększania wydajności. Przywołując przykład zamrażarki, normalna temperatura linii cieczy w tym systemie wynosi około 60 ° F (16 ° C) lub nawet więcej (zmienia się w zależności od temperatury skraplania). Ten stan jest znacznie mniej nieprzyjazny do wytworzenia chłodzenia niż parownik w temperaturze -35 ° F (-37 ° C).
Ustawienia ekonomizera w chłodnictwie
Kilka wyświetlaczy pozwala cyklowi chłodniczemu działać jako ekonomizer i korzystać z tego pomysłu. Projektowanie tego rodzaju systemów wymaga pewnej wiedzy w tej materii, a wykonanie niektórych elementów zębatych szczególnej finezji i trwałości. Spadek ciśnienia, sterowanie elektrozaworem i opór oleju muszą być obserwowane ze szczególną ostrożnością.
Dwa etapowe systemy i boostery
Mówi się, że system jest w konfiguracji dwustopniowej, jeśli dwie oddzielne sprężarki gazu na wyświetlaczu szeregowym współpracują ze sobą w celu wytworzenia sprężenia. Normalna instalacja wspomagająca to system dwustopniowy, który odbiera płyn, który schładza wypływ z pierwszej sprężarki, zanim dotrze do wejścia drugiej sprężarki. Płyn, który dociera do międzystopniowych obu sprężarek, pochodzi z linii cieczowej i jest zwykle kontrolowany przez zawory rozprężne , ciśnieniowe i elektromagnetyczne.
Standardowy dwuetapowy obieg tego rodzaju będzie posiadał zawór rozprężny , który rozpręża i moduluje ilość czynnika chłodniczego wpływającego do międzystopniowego. Gdy płyn docierający do międzystopniowego rozszerza się, będzie miał tendencję do odparowywania , powodując ogólny spadek temperatury i chłodzenie ssania drugiej sprężarki podczas mieszania z płynem odprowadzanym przez pierwszą sprężarkę. Ten rodzaj konfiguracji może mieć wymiennik ciepła między rozprężaniem a międzystopniem, sytuacja, w której ten drugi parownik może również służyć do wytwarzania chłodzenia, chociaż nie tak chłodnego jak parownik główny (na przykład do wytwarzania klimatyzacji lub do utrzymywania świeżości produkty). Mówi się, że system dwustopniowy jest ustawiony na wyświetlaczu wspomagającym z dochładzaniem , jeśli czynnik chłodniczy docierający do międzystopniowego przechodzi przez wymiennik ciepła dochładzający , który dochładza główny przewód cieczy docierający do głównego parownika tego samego układu.
Sprężarki gazu z ekonomizerem
Konieczność użycia dwóch sprężarek przy rozważaniu konfiguracji wspomagania zwykle zwiększa koszt układu chłodniczego. Poza ceną przekładni, systemy dwustopniowe wymagają szczególnej uwagi w zakresie synchronizacji, kontroli ciśnienia i smarowania. Aby obniżyć te koszty, opracowano specjalne koło zębate.
Sprężarki śrubowe Economizer są budowane przez kilku producentów, takich jak Refcomp, Mycom, Bitzer i York. Maszyny te łączą obie sprężarki systemu dwustopniowego w jedną sprężarkę śrubową i mają dwa wejścia: główne ssanie i boczne wejście międzystopniowe dla gazu o wyższym ciśnieniu. [ potrzebne źródło ] Oznacza to, że nie ma potrzeby instalowania dwóch sprężarek i nadal można korzystać z koncepcji wzmacniacza.
Istnieją dwa rodzaje konfiguracji ekonomizera dla tych sprężarek, flash i dochładzanie . Ten ostatni działa na tej samej zasadzie, co dwustopniowe wyświetlacze wspomagające z dochłodzeniem . Ekonomizer flash jest inny, ponieważ nie wykorzystuje wymiennika ciepła do wytworzenia dochładzania . Zamiast tego ma komorę błyskową lub zbiornik, w którym gaz błyskowy w celu obniżenia temperatury cieczy przed rozprężeniem. Wytwarzany w tym zbiorniku gaz rzutowy opuszcza przewód cieczowy i trafia do wlotu ekonomizera sprężarki śrubowej .
Optymalizatory cyklu dochładzania i chłodzenia
Wszystkie poprzednie systemy wytwarzają efekt ekonomizera, wykorzystując sprężarki, liczniki, zawory i wymienniki ciepła w cyklu chłodniczym. W zależności od systemu, w niektórych cyklach chłodniczych wygodne może być wykonanie ekonomizera z wykorzystaniem niezależnego mechanizmu chłodniczego. Tak jest w przypadku dochładzania rurociągu cieczy w jakikolwiek inny sposób, który usuwa ciepło z głównego układu. Na przykład wymiennik ciepła , który wstępnie podgrzewa zimną wodę potrzebną do innego procesu lub użytku przez ludzi, może odbierać ciepło z linii cieczy , skutecznie przechładzając linię i zwiększając wydajność systemu.
Ostatnio opracowano maszyny przeznaczone wyłącznie do tego celu. W Chile producent EcoPac Systems opracował optymalizator cyklu, który jest w stanie ustabilizować temperaturę linii cieczowej i umożliwia albo zwiększenie wydajności chłodniczej systemu, albo zmniejszenie zużycia energii . Takie układy mają tę zaletę, że nie ingerują w pierwotną konstrukcję układu chłodniczego , stanowiąc ciekawą alternatywę dla rozbudowy układów jednostopniowych nie posiadających sprężarki ekonomizera .
Wewnętrzne wymienniki ciepła
Dochłodzenie może być również wytwarzane przez przegrzanie gazu opuszczającego parownik i kierowanego do sprężarki gazu . Systemy te pobierają ciepło z linii cieczy , ale podgrzewają ssanie sprężarki gazu. Jest to bardzo powszechne rozwiązanie zapewniające dotarcie gazu do sprężarki, a cieczy do zaworu . Pozwala to również na maksymalne wymiennika ciepła , ponieważ minimalizuje część wymienników ciepła używaną do zmiany temperatury płynu i maksymalizuje objętość, w której czynnik chłodniczy zmienia swoją fazę (zjawiska obejmujące znacznie większy przepływ ciepła, podstawowa zasada sprężania pary chłodzenie).
Wewnętrzny wymiennik ciepła to po prostu rodzaj wymiennika ciepła, który wykorzystuje zimny gaz opuszczający wężownicę parownika do chłodzenia cieczy pod wysokim ciśnieniem, która jest kierowana na początek wężownicy parownika przez urządzenie rozprężne. Gaz jest używany do schładzania komory, w której zwykle znajduje się szereg rur, przez które przepływa ciecz. Przegrzany gaz trafia następnie do sprężarki. Termin przechłodzenie odnosi się do schładzania cieczy poniżej jej temperatury wrzenia. Przechłodzenie o 10 ° F (5,6 ° C) oznacza, że jest o 10 ° F zimniej niż wrzenie przy danym ciśnieniu. Ponieważ reprezentuje różnicę temperatur, wartość dochładzania nie zmieni się, jeśli jest mierzona w skali bezwzględnej lub względnej (10 ° F przechłodzenia równa się 10 ° R (5,6 K) przechłodzenia).