Кіріспе
Жылу алмастырғыштар. Экономизаторлар (АҚШ және Оксфорд орфографиясы) немесе экономизерлер (Ұлыбритания) – энергия тұтынуды азайтуға немесе сұйықтықты алдын ала қыздыру сияқты пайдалы функцияларды орындауға арналған механикалық құрылғылар. Экономизатор термині басқа мақсаттарда да қолданылады. Бұл мақалада қазандықтар, электр станциялары, жылыту, салқындату, желдету және ауа кондициялау (ЖАК) жүйелері қарастырылады. Қарапайым тілмен айтқанда, экономизатор – жылу алмастырғыш.
Economizers (US and Oxford spelling), or economisers (UK), are mechanical devices intended to reduce energy consumption, or to perform useful function such as preheating a fluid. The term economizer is used for other purposes as well. Boiler, power plant, heating, refrigeration, ventilating, and air conditioning (HVAC) uses are discussed in this article. In simple terms, an economizer is a heat exchanger.
Стирлингтік қозғалтқыш
Роберт Стирлингтің 1816 жылы ыстық ауалы қозғалтқыштардың дизайнына қосқан жаңашыл үлесін ол "Экономайзер" деп атады. Қазір регенератор деп танылатын бұл құрылғы, ауа ыстық бөліктен салқын бөлікке өтетін кезде жылуды жинап сақтайды, ал салқындаған ауа ыстық бөлікке қайтып келгенде оған жылуды қайтарады. Бұл жаңалық Стирлинг қозғалтқышының тиімділігін арттырып, оны нақты қолданыстарда коммерциялық тұрғыдан табысты етті және содан бері Стирлинг қозғалтқышы деп аталатын барлық ауа қозғалтқыштарының құрамдас бөлігіне айналды.
Қазандықтар
Қазандарда экономизаторлар – сұйықтықты, әдетте суды, қайнау температурасына дейін, бірақ одан әрі қайнау нүктесін басып өтпейтін жылу алмасу құрылғылары. Экономизаторлар осылай аталған, себебі олар ыстық, бірақ қазандықта пайдалануға жеткілікті ыстық емес сұйық ағындарының энтальпиясын пайдалана алады, соның арқасында пайдалы энтальпияны қалпына келтіріп, қазандықтың тиімділігін арттырады. Бұл қазандыққа орнатылатын құрылғы, ол қазандықтың түтін газдарын пайдаланылатын суық суды (қоректендіру суын) алдын ала қыздыруға қолданып, энергияны үнемдейді. Бу қазандары қоректендіру суын қайнау температурасына дейін көтеруге, суды буға айналдыруға және кейде буды қанығу температурасынан жоғарырақ қыздыруға көп мөлшерде энергия жұмсайды. Жылу беру тиімділігі қайнату және қыздыру үшін жану көздеріне жақын ең жоғары температураны қолданғанда жақсарады, ал салқындатылған жану газдарының қалдық жылуын экономизатор арқылы бу барабанына кіретін қоректендіру суының температурасын көтеру үшін пайдалану арқылы тиімділік артады. Тікелей немесе жанама конденсациялық экономизатор жану өнімдерінен қалдық жылуды қалпына келтіреді. Демпферлер тізбегі, тиімді басқару жүйесі және желдеткіш жану өнімдерінің барлығын немесе бір бөлігін суды және/немесе процестік суға қарай экономизатор арқылы өткізуге мүмкіндік береді. Газдардың температурасын сұйықтың қайнау температурасынан кіріс судың температурасынан сәл жоғарырақ деңгейге дейін төмендетуге болады, сонымен қатар осы қоректендіру суын қайнау температурасына дейін қыздыруға болады. Жоғары қысымды қазандарда экономизатордың беткі ауданы, әдетте, төмен қысымды қазандарға қарағанда үлкен болады. Экономизатор құбырларында жану газы жағындағы жылу беру бетін арттыру үшін қанаттар сияқты тіректер жиі кездеседі. Жылдар бойы қазандықтың жану тиімділігі 80%-дан 95%-дан астам деңгейге дейін өсті. Шығарылған жылудың тиімділігі қазандықтың тиімділігімен тікелей байланысты. Артық ауаның пайыздық көрсеткіші және жану өнімдерінің температурасы осы тиімділікті бағалаудағы екі маңызды фактор болып табылады. Табиғи газдың толық жануы үшін белгілі бір мөлшерде ауа қажет, сондықтан жағыштардың жұмыс істеуі үшін артық ауа ағыны керек. Жану нәтижесінде су буы пайда болады, оның мөлшері күйдірілген табиғи газдың көлеміне байланысты. Сонымен қатар, шұғына нүктесін бағалау артық ауаға байланысты. Табиғи газдың газ температурасы мен артық ауаға байланысты әртүрлі жану тиімділігі қисықтары бар. Мысалы, егер газдар 38°C дейін салқындатылса және 15% артық ауа болса, тиімділік 94% құрайды. Осылайша, конденсациялық экономизатор процеске арналған түтін газдарындағы бу конденсатындағы сезімтал және жасырын жылуды қалпына келтіре алады. Экономизатор алюминий мен тот баспайтын болат қорытпасынан жасалған. Газдар цилиндрден өтеді, ал су қанатты құбырлар арқылы өтеді. Ол газдағы судың шамамен 11%-ын конденсациялайды.
Тарих
Экономизатордың алғашқы табысты конструкциясы стационарлық бу машиналарының қазандықтарының бу көтеру тиімділігін арттыру үшін қолданылды. Ол 1845 жылы Эдвард Грин патенттеді, содан бері Грин экономизаторы деп аталады. Ол жоғары және төмен жағынан су резервуарына қосылған тік құйма темір құбырлардан тұрады, олардың арасымен қазандықтың түтін газдары өтеді. Бұл қазандықтың от құбырларында көбінесе кездесетін, бірақ әрқашан емес, кері орналасу болып табылады; онда ыстық газдар әдетте суға батырылған құбырлар арқылы өтеді, ал экономизаторында су ыстық газдармен қоршалған құбырлар арқылы өтеді. Екеуі де жылу алмастыру құрылғылары болғанымен, қазандықта жанатын газдар суды қыздырып, поршеньді немесе турбинаны қозғалтатын буды жасайды, ал экономизаторында, әйтпесе атмосфераға жоғалатын жылу энергиясының бір бөлігі қазандыққа кіретін су мен/немесе ауаны қыздыруға пайдаланылады, осылайша отын үнемделеді. Гриннің экономизаторының ең табысты ерекшелігі – түтіктерді күйеден таза ұстауға қажет болған механикалық сыпыру аппараты. Гриннің өнертабысынан кейінгі онжылдықтарда экономизаторлар дерлік барлық стационарлық бу машиналарына орнатылды. Кейбір сақталған стационарлық бу машиналары әлі де Грин экономизаторларын сақтап тұр, бірақ көбінесе олар қолданылмайды. Мұндай сақталған орындардың бірі – Англияның Стаффордшир округіндегі Claymills Pumping Engines Trust. Тағы бір мысал – Брайтон мен Хоув қаласындағы British Engineerium, онда 2-ші нөмірлі машинасының қазандықтарымен байланысты экономизатор, оған қоса шағын стационарлық машинасы да қолданыста. Үшінші орын – Coldharbour Mill Working Wool Museum, онда Грин экономизаторы Pollit and Wigzell бу машинасының жетек шахталарымен бірге жұмыс істеп тұр.
Электр станциялары
Қазіргі заманғы қазандықтар, мысалы, көмірмен жұмыс істейтін электр станцияларында, Гриннің бастапқы дизайнының ұрпақтары болып табылатын экономизаторлармен жабдықталған. Бұл жағдайда оларды көбінесе су жылытқыштар деп атайды және турбиналардан конденсатты қазандыққа жібермес бұрын қыздырады. Экономизаторлар көбінесе жылуды қалпына келтіру бу генераторының (ЖЖГГ) құрамында біріктірілген циклді электр стансасында қолданылады. ЖЖГГ-де су экономизерден, содан кейін қазаннан, содан кейін қыздырғыштан өтеді. Экономизатор сондай-ақ қазандықтың сумен толуын болдырмайды, себебі судың температурасы қазандықтың жұмыс режимі мен конструкциясына сәйкес қайнау үшін тым төмен. Бу электр станцияларында экономизаторларды қолданудың кең таралған тәсілі – қазандықтың түтін газдарынан (жану газдарынан) шығын жылуды жинап, оны қазандықтың суына беру. Бұл қазандықтың суының температурасын көтереді, қажетті энергия мөлшерін азайтады, нәтижесінде қазандықтың жоспарланған қуатына жету үшін қажетті отынның мөлшері төмендейді. Экономизаторлар түтін температурасын төмендетіп, қышқыл жану газдарының конденсациялануына және жабдықтың коррозиялық зақымдануына әкелуі мүмкін, егер олардың конструкциясы мен материалдарын таңдауда тиісінше назар аудармаса.
Ауа-күйді реттеу
Ғимараттың ЖЖЖ (жылу, желдету және ауа кондициялау) жүйесі, ішкі кеңістікті салқындату үшін сыртқы салқын ауаны пайдалану арқылы ғимараттарда энергияны үнемдеуге мүмкіндік беретін ауа жағынан үнемдеуші құрылғыны қолдана алады. Сыртқы ауаның температурасы қайта айналымдағы ауаның температурасынан төмен болған жағдайда, сыртқы ауамен кондициялау, қайта айналымдағы ауамен кондициялауға қарағанда энергияны тиімдірек пайдалануға мүмкіндік береді. Сыртқы ауа жеткілікті түрде салқын және құрғақ болған кезде (климатқа байланысты), ауадағы энтальпия деңгейі қанағаттанарлық болады және қосымша кондициялау қажеттілігі тумайды; ауа жағынан үнемдеуші құрылғыны басқару схемасының бұл бөлігі "еркін салқындату" деп аталады. Ауа жағынан үнемдеуші құрылғылар суық және қоңыржай климатта ЖЖЖ энергиясының шығындарын азайтуға, сондай-ақ ішкі ауа сапасын жақсартуға мүмкіндік береді, бірақ ыстық және ылғалды климатта көбінесе тиімсіз болады. Тиісті басқару жүйелерімен экономизаторларды әртүрлі ауа райы жүйелеріне тап болатын климаттарда қолдануға болады. Сыртқы ауаның құрғақ және ылғалды термометр бойынша температурасы жеткілікті төмен болған кезде, су жағынан үнемдеуші құрылғы, ылғалды салқындату мұнарасы немесе құрғақ салқындатқыш (сұйық салқындатқыш деп те аталады) арқылы суытылған суды пайдаланып, салқындатқышты қоспай ғимараттарды салқындата алады. Бұлар тарихи тұрғыдан "сүзгі циклы" деп белгілі болған, бірақ су жағынан үнемдеуші құрылғы нағыз термодинамикалық цикл емес. Сонымен қатар, салқындату мұнарасының суын сүзгі арқылы өткізіп, содан кейін салқындату тізбектеріне жіберу, ластануға себеп болатындықтан, көбінесе салқындату мұнарасы мен салқындатылған су тізбектері арасына пластиналық және жақтаулы жылу алмастырғыш орнатылады. Ауа және су жағынан үнемдеуші құрылғылардың дұрыс жұмыс істеуін қамтамасыз ету үшін жақсы басқару жүйелері, клапандар немесе демдіргіштер, сондай-ақ техникалық қызмет көрсету қажет.
Салқындатқыш экономизатор
Салқындату экономизаторының көп тараған түрі – "салқындату экономизаторы" немесе "сыртқы ауамен салқындату жүйесі". Мұндай жүйеде сыртқы ауа, салқындатылатын кеңістіктегі ауадан салқын болса, ол кеңістікке тасымалданады, ал соған тең мөлшердегі жылы ішкі ауа сыртқа шығарылады. Бұл салқындату компрессорлік салқындату жүйесінің жұмысын толықтырады немесе алмастырады. Егер салқындатылатын кеңістіктегі ауа, оны алмастыратын сыртқы ауадан шамамен 5°F-қа ғана жоғары болса (яғни, ∆T > 5°F), онда бұл салқындату әсері компрессорлік жүйе арқылы алынатын бірдей салқындатудан тиімдірек болады. Сыртқы ауа кеңістіктің салқындату жүктемесін жеңуге жеткіліксіз салқын болса, компрессорлік жүйе де жұмыс істеуі керек, әйтпесе кеңістіктің ішіндегі температура көтеріледі.
Бумен қысылатын тоңазытқыш
Терминнің тағы бір қолданылуы өнеркәсіптік тоңазытуда, әсіресе буды қысыммен тоңазытуда кездеседі. Әдетте, экономизатор тұжырымы тоңазыту циклының нақты дизайны немесе мүмкіндігі, электр желісінен алынатын энергия мөлшерін, тоңазыту өндіруге қолданылатын компоненттердің (көбінесе газ компрессорының номиналды сыйымдылығы) мөлшерін, немесе олардың екеуін де азайтуға мүмкіндік бергенде қолданылады. Мысалы, температурасы 0,9 градусқа дейін төмендетілген мұздатқыш үшін негізгі тоңазыту компоненттеріне мыналар жатады: тоңазытқышпен толтырылған құбырлардың тығыз орналасуынан және мұздатқыш ішіндегі жылуды алуға арналған жұқа металл қабырғаларынан тұратын буландыру катушкасы, катушканың үстінен және қораптың айналасында ауаны желдетуге арналған желдеткіштер, сыртқа орналастырылған ауамен салқындатылатын конденсациялық блок, клапандар мен құбырлар. Конденсациялық блок компрессорды, катушканы және қоршаған ортамен жылу алмасу үшін желдеткіштерді қамтиды. Экономизатордың жұмыс істеу принципі суыту жүйелерінің тиімділігінің қысым мен температураның артуымен бірге өсетінін пайдаланады. Газ компрессорына қажетті қуат, оның ішінде салқындатқыштың жылу сыйымдылығы және компрессордың түрі сияқты басқа да факторлармен қатар, ағын және сору қысымдарының арақатынасына және айырмасына тікелей байланысты. Төмен температуралы жүйелер, мысалы мұздатқыштар, бірдей көлемде аз сұйықтық тасымалдайды. Бұл компрессордың төмен температуралы жүйелерде сұйықтықты сору тиімділігінің төмендеуін білдіреді. Бұл құбылыс мұздатқышқа кіретін ауаның булану температурасы шамамен болуы мүмкін екенін ескергенде айқын көрінеді. Экономизаторы бар жүйелер суыту жұмысының бір бөлігін жоғары қысымда жасауға тырысады, осы жағдайда газ компрессорлары әдетте тиімдірек жұмыс істейді. Қолданылуына қарай, бұл технология кішкентай компрессорлық қуаттылыққа қалыпты жағдайда үлкен компрессорлар қажет болатын жүйеге жеткілікті қысым мен ағынды қамтамасыз етуге, экономизаторсыз аз тоңазыту өндіретін жүйенің қуатын арттыруға, немесе жүйенің бірдей мөлшерде тоңазытуды аз қуатты пайдалана отырып өндіруге мүмкіндік береді. Экономизатор тұжырымы субкөлеумен байланысты, себебі конденсацияланған сұйық құбырының температурасы әдетте буландырушыдан жоғары болады, бұл тиімділікті арттыруға қатысты ұғымды қолдануға қолайлы жағдай жасайды. Мұздатқышқа кіретін мысалға жүгінсек, бұл жүйедегі сұйық құбырының қалыпты температурасы шамамен немесе одан да жоғары (бұл конденсация температурасына байланысты өзгереді). Бұл жағдай, температурасы төмендегенде суытуды өндіруге қарағанда әлдеқайда қолайлы.
Тоңазытқышқа арналған экономизатор қондырғылары
Тоңазыту циклінің бірнеше конфигурациялары экономайзерді қамтиды және осыдан пайда көреді. Мұндай жүйелерді жобалау үшін біліктілік пен қосымша компоненттер қажет. Қысымның төмендеуі, электронды клапанмен басқару және майдың тасымалдануы ескерілуі тиіс.
Екі сатылы жүйелер мен бустерлер
Егер екі газ компрессоры бірігіп, тізбектей жұмыс істеп, қысымды жасаса, онда жүйе екі сатылы деп аталады. Стандартты күшейткіш орналым – екінші компрессорға жіберілгенге дейін бірінші компрессордың шығысын салқындату үшін сұйықтықты қабылдайтын екі сатылы жүйе. Екі компрессордың аралық сатысына келетін сұйықтық сұйық құбырынан келеді және әдетте кеңейту, қысым және электромагниттік клапандармен басқарылады. Мұндай стандартты екі сатылы циклде кеңейту клапаны болады, ол аралық сатыға келетін тоңазытқыштың мөлшерін кеңейтіп, реттейді. Аралық сатыға келген сұйықтық кеңейгенде булануға бейімделіп, температураның төмендеуіне алып келеді және бірінші компрессордан шыққан сұйықтықпен араласқанда екінші компрессордың соруын салқындатады. Мұндай орналымда кеңейту мен аралық саты арасында жылу алмастырғыш болуы мүмкін, ол қосымша салқындату әсерін тудыратын екінші буландырғыш болуы мүмкін, бірақ негізгі буландырғыштан гөрі аз салқындатады (мысалы, кондиционер жасау үшін немесе тағамдық өнімдерді сақтау үшін). Егер аралық сатыға келетін тоңазытқыш, сол жүйенің негізгі буландырғышына келетін негізгі сұйық құбырын суб-салқындататын жылу алмастырғыштан өтсе, онда екі сатылы жүйе суб-салқындатумен күшейткіш ретінде орнатылған деп есептеледі.
Экономизаторлы газ компрессорлары
Қосымша компрессорларды пайдалану қажеттілігі салқындату жүйесінің құнын арттырады. Екі сатылы жүйе синхрондау, қысымды бақылау және майлауды талап етеді. Бұл шығындарды азайту үшін арнайы жабдықтар әзірленген. Экономизаторлы бұрандалы компрессорларды Refcomp, Mycom, Bitzer және York сияқты бірнеше өндірушілер шығарады. Бұл машиналар екі сатылы жүйенің екі компрессорын екі кіреберісі бар бір бұрандалы компрессорға біріктіреді: негізгі сору және жоғары қысымды газ үшін сатылар аралық жақтан кіреберіс. Бұл екі компрессор орнату қажеттігін жояды, бірақ күшейткіш концепциясының артықшылықтарын сақтайды. Бұл компрессорлар үшін экономизатордың екі түрі бар: флеш және суыту. Соңғысы суытумен екі сатылы күшейткіш сияқты жұмыс істейді. Флеш экономизаторы ерекше, себебі ол жылу алмастырғышты пайдаланбайды. Оның орнына, оның флеш камерасы немесе резервуары бар, онда газдың булануы арқылы сұйықтың температурасы кеңейту алдында төмендетіледі. Бұл резервуарда пайда болған флеш газ сұйықтық құбырынан шығып, бұрандалы компрессордың экономизатор кіреберісіне бағытталады.
Суды тоңазыту және тоңазыту циклін оңтайландырушылар
Жоғарыда аталған жүйелер компрессорлар, есептегіштер, клапандар және жылу алмастырғыштарды салқындату циклында пайдалану арқылы экономизатор эффектін тудырады. Кейбір салқындату жүйелерінде экономизатор дербес салқындату механизмі бола алады. Мұндай жағдай, мысалы, негізгі жүйеден жылуды сыртқа шығаратын кез келген құралмен сұйық құбырды салқындату болғанда туындайды. Мысалы, басқа өндіріс процесіне немесе адамдардың қажеттілігіне арналған суық суды алдын ала қыздыратын жылу алмастырғыш, сұйық құбырдан жылу алып, оны тиімді салқындатып, жүйенің сыйымдылығын арттырады. Жақында осы мақсатқа арналған эксклюзивті машиналар жасалды. Чилиде EcoPac Systems компаниясы сұйық құбырдың температурасын тұрақтандыра алатын және жүйенің салқындату сыйымдылығын арттауға немесе қуат тұтынуды азайтуға мүмкіндік беретін циклды оптимизаторды әзірледі. Мұндай жүйелердің артықшылығы – бұл жүйенің бастапқы конструкциясына араласпай, экономизаторлық компрессоры жоқ бір сатылы жүйені кеңейтуге мүмкіндік беруі.
Ішкі жылу алмастырғыштар
Газды қыздыру арқылы буландырғыштан шығып, газ компрессорына бағытталатын газды суыту арқылы да суытуға болады. Бұл жүйелер сұйық құбырынан жылуды алып, газ компрессорының сору құбырын қыздырады. Газ компрессорға, ал сұйық клапанға жететініне көз жеткізу үшін бұл өте кең таралған шешім. Бұл сондай-ақ жылу алмастырғыштың тиімді пайдалануын қамтамасыз етеді, себебі сұйықтың температурасын өзгертуге жұмсалатын жылу алмастырғыштардың үлесін азайтады және тоңазытқыштың фазалық өзгерісі жүзеге асырылатын көлемді арттырады (бұл бу компрессиялық салқындатудың негізгі қағидасы, көп жылу ағынымен байланысты құбылыс). Ішкі жылу алмастырғыш – бұл буландырғыш тізбегінен шығатын салқын газды кеңейту құрылысы арқылы буландырғыш тізбегінің басына жіберілетін жоғары қысымды сұйықтықты салқындату үшін қолданылатын жылу алмастырғыш. Газ әдетте сұйық құбырлары бар камераны салқындату үшін пайдаланылады. Содан кейін қызған газ компрессорға жіберіледі. Суыту термині сұйықтықты қайнау температурасынан төмендетуді білдіреді. Суыту 10°F қайнау температурасынан төмен болуын білдіреді. Бұл температура айырмашылығын көрсететіндіктен, суыту мәні абсолютті температура шкаласында емес, тек салыстырмалы шкалада, температура айырмашылығы ретінде өлшенеді.