Введение
Теплообменник
Экономизаторы (американское и оксфордское написание), или экономизеры (британское написание) – это механические устройства, предназначенные для снижения энергопотребления или для выполнения полезной функции, такой как предварительный нагрев жидкости. Термин «экономизатор» также используется в других областях. В данной статье рассматривается применение экономизаторов в котлах, на электростанциях, в системах отопления, охлаждения, вентиляции и кондиционирования воздуха (ОВКВ). По сути, экономизатор – это теплообменник.
Стирлинг-двигатель
Инновационным вкладом Роберта Стирлинга в разработку двигателей горячего воздуха 1816 года стало устройство, которое он назвал "Экономайзер". В настоящее время известное как регенератор, оно накапливало тепло от горячей части двигателя, когда воздух перемещался к холодной стороне, и отдавало это тепло охлажденному воздуху при его возвращении к горячей стороне. Это нововведение настолько повысило эффективность двигателя Стирлинга, что позволило добиться его коммерческого успеха в определенных областях применения, и с тех пор регенератор является неотъемлемой частью каждого воздушного двигателя, который классифицируется как двигатель Стирлинга.
Котельные
В котлах экономайзеры – это устройства теплообмена, которые нагревают жидкости, обычно воду, до точки кипения, но как правило не выше её. Экономизаторы получили своё название благодаря способности использовать энтальпию в потоках жидкости, которые горячи, но недостаточно горячи для непосредственного использования в котле, тем самым рекуперируя полезную энтальпию и повышая эффективность котельной установки. Это устройство, устанавливаемое на котле, позволяет экономить энергию за счёт использования выхлопных газов котла для предварительного нагрева холодной воды, используемой для его заполнения (подпиточной воды). Паровые котлы потребляют значительное количество энергии на нагрев подпиточной воды до температуры кипения, преобразование воды в пар и, в некоторых случаях, перегрев пара выше температуры насыщения. Эффективность теплопередачи повышается, когда самые высокие температуры вблизи источников сгорания используются для кипения и перегрева, а остаточное тепло охлажденных газов, выходящих из котла, используется в экономайзере для повышения температуры подпиточной воды, поступающей в паровой барабан. Конденсационный экономайзер с прямым или непрямым контактом рекуперирует остаточное тепло из продуктов сгорания. Серия заслонок, эффективная система управления и вентилятор позволяют направлять через экономайзер весь или лишь часть продуктов сгорания, в зависимости от потребности в подпиточной и/или технологической воде. Температуру газов можно снизить от температуры кипения жидкости до незначительно более высокой, чем температура поступающей подпиточной воды, одновременно предварительно нагревая эту воду до температуры кипения. Экономайзеры в котлах высокого давления, как правило, имеют большую теплообменную поверхность, чем в котлах низкого давления. Трубы экономайзера часто оснащены выступами, такими как ребра, для увеличения площади теплопередачи со стороны газов сгорания. В среднем, за последние годы эффективность сжигания в котлах возросла с 80% до более чем 95%. Эффективность выработки тепла напрямую связана с эффективностью котла. Процент избыточного воздуха и температура продуктов сгорания – два ключевых параметра при оценке этой эффективности. Для полного сгорания природного газа требуется определенное количество воздуха, поэтому горелкам необходим приток избыточного воздуха для нормальной работы. В процессе сгорания образуется водяной пар, количество которого зависит от объема сжигаемого природного газа. Кроме того, оценка точки росы зависит от избытка воздуха. Природный газ имеет различные кривые эффективности сгорания, связанные с температурой газов и избыточным воздухом. Например, если газы охлаждаются до 38 °C при 15% избыточном воздухе, то эффективность составит 94%. Таким образом, конденсационный экономайзер позволяет рекуперировать теплоту, как явную, так и скрытую, содержащуюся в паровом конденсате, присутствующем в дымовых газах, для использования в технологическом процессе. Экономайзер изготовлен из сплава алюминия и нержавеющей стали. Газы проходят через цилиндр, а вода – через ребристые трубы. Он конденсирует около 11% воды, содержащейся в газах.
История
Первый успешный экономизатор был использован для повышения эффективности парообразования в котлах стационарных паровых двигателей. Он был запатентован Эдвардом Грином в 1845 году и с тех пор известен как экономизатор Грина. Он состоял из ряда вертикальных чугунных труб, соединенных сверху и снизу с водяным резервуаром, между которыми проходили отработанные газы котла. Это обратное расположение по сравнению с тем, что обычно, но не всегда, встречается в жаровых трубах котла; там горячие газы обычно проходят через трубы, погруженные в воду, в то время как в экономизаторе вода проходит через трубы, окруженные горячими газами. Хотя оба являются теплообменными устройствами, в котле сжигаемые газы нагревают воду для производства пара, приводящего в действие двигатель, будь то поршневой или турбинный, а в экономизаторе часть тепловой энергии, которая в противном случае была бы полностью потеряна в атмосферу, вместо этого используется для нагрева воды и/или воздуха, поступающего в котел, тем самым экономя топливо. Наиболее удачной особенностью конструкции экономизатора Грина был его механический скребковый аппарат, необходимый для очистки труб от отложений сажи. В конечном итоге экономизаторы были установлены практически на всех стационарных паровых двигателях в десятилетия, последовавшие за изобретением Грина. Некоторые сохранившиеся площадки со стационарными паровыми двигателями до сих пор имеют экономизаторы Грина, хотя обычно они не используются. Одним из таких сохранившихся объектов является Claymills Pumping Engines Trust в Стаффордшире, Англия, который в настоящее время восстанавливает один комплект экономизаторов и связанный с ними паровой двигатель, который их приводил в действие. Другой пример – British Engineerium в Брайтоне и Хоуве, где используется экономизатор, связанный с котлами двигателя № 2, вместе с его небольшим стационарным двигателем. Третьим местом является Coldharbour Mill Working Wool Museum, где экономизатор Грина находится в рабочем состоянии, вместе с приводными валами паровой машины Pollit и Wigzell.
Электростанции
Современные котлы, такие как те, что используются на угольных электростанциях, по-прежнему оснащаются экономизаторами, являющимися потомками оригинальной конструкции Грина. В этом контексте их часто называют подогревателями питательной воды и используют для нагрева конденсата из турбин перед подачей в котлы. Экономизаторы широко применяются как часть утилизатора тепла дымовых газов (HRSG) на электростанциях комбинированного цикла. В HRSG вода последовательно проходит через экономизатор, затем котел и, наконец, перегреватель. Экономизатор также предотвращает залив котла слишком холодной водой, которая не может эффективно испаряться при заданных расходах и конструкции котла. Распространенное применение экономизаторов на паровых электростанциях – это улавливание тепла отходящих газов котла (дымовых газов) и передача его питательной воде. Это повышает температуру питательной воды, снижая требуемую энергию для достижения номинальной мощности котла и, соответственно, уменьшая расход топлива. Экономизаторы снижают температуру дымовых газов, что может привести к конденсации кислых продуктов сгорания и серьезной коррозии оборудования, если не уделить должного внимания их проектированию и выбору материалов.
ОВК
Система ОВКВ (обогрева, вентиляции и кондиционирования воздуха) здания может использовать экономайзер воздуха для экономии энергии, используя прохладный наружный воздух для охлаждения внутреннего пространства. Если температура наружного воздуха ниже температуры рециркулируемого воздуха, охлаждение наружным воздухом более энергоэффективно, чем охлаждение рециркулируемым воздухом. Когда наружный воздух достаточно прохладный и сухой (в зависимости от климата), содержание энтальпии в воздухе приемлемо и дополнительное охлаждение не требуется; эта часть схемы управления экономайзером воздуха называется "свободным охлаждением". Экономайзеры воздуха могут снизить затраты на энергию в холодном и умеренном климате и потенциально улучшить качество воздуха в помещении, но обычно не подходят для жаркого и влажного климата. При соответствующем управлении экономайзеры могут использоваться в климатах с различными погодными условиями. Когда температура сухого и влажного термометра наружного воздуха достаточно низкая, экономайзер на водной стороне может использовать воду, охлажденную градирней или сухим охладителем (также называемым жидкостным охладителем), для охлаждения зданий без включения чиллера. Ранее они были известны как "цикл с фильтром", но экономайзер на водной стороне не является истинным термодинамическим циклом. Кроме того, вместо пропуска воды градирни через фильтр, а затем к охлаждающим змеевикам, что приводит к загрязнению, чаще между градирней и контурами охлажденной воды устанавливается пластинчатый теплообменник. Для обеспечения правильной работы экономайзеров воздуха и воды необходимы надежные системы управления, клапаны или заслонки, а также регулярное техническое обслуживание.
Охлаждающий экономизатор
Распространенной формой экономайзера холодильной установки является "экономайзер для камер охлаждения" или "система охлаждения наружным воздухом". В такой системе наружный воздух, который холоднее воздуха внутри охлаждаемого помещения, подается внутрь, а такое же количество теплого воздуха из помещения выводится наружу. Полученное охлаждение дополняет или заменяет работу холодильной системы с компрессором. Если воздух внутри охлаждаемого помещения всего на 5 °F теплее, чем поступающий наружный воздух (то есть, ∆T > 5 °F), то этот эффект охлаждения достигается более эффективно, чем такое же количество охлаждения, обеспечиваемое системой с компрессором. Если наружный воздух недостаточно холоден для компенсации тепловой нагрузки помещения, то компрессорная система также должна работать, иначе температура внутри помещения повысится.
Охлаждение с использованием паровой компрессии
Другое применение этого термина встречается в промышленном холодильном оборудовании, в частности, в холодильных установках с компрессией пара. Как правило, концепция экономизатора применяется, когда определенная конструкция или особенность холодильного цикла позволяет снизить потребление энергии из электросети, уменьшить размеры компонентов (прежде всего, номинальную мощность газового компрессора), используемых для производства холода, или и то, и другое. Например, для холодильной камеры, поддерживаемой при температуре , основные холодильные компоненты включают в себя: испаритель (плотное расположение труб, содержащих хладагент, и тонких металлических пластин, используемых для отвода тепла изнутри камеры), вентиляторы для обдува воздуха через испаритель и вокруг камеры, конденсаторный блок с воздушным охлаждением, расположенный снаружи, а также клапаны и трубопроводы. Конденсаторный блок включает в себя компрессор, конденсатор и вентиляторы для теплообмена с окружающим воздухом. Экономизатор использует тот факт, что эффективность холодильных систем возрастает с увеличением давления и температуры. Мощность, необходимая газовому компрессору, сильно коррелирует как с отношением, так и с разницей между давлением нагнетания и давлением всасывания (а также с другими параметрами, такими как теплоемкость хладагента и тип компрессора). Низкотемпературные системы, такие как морозильные камеры, перемещают меньший объем хладагента при одинаковом объеме. Это означает, что производительность компрессора при низкотемпературных системах ниже. Это особенно заметно, учитывая, что температура испарения в холодильной камере может быть около . Системы с экономизаторами стремятся производить часть холодильной работы при высоком давлении, при котором газовые компрессоры обычно более эффективны. В зависимости от применения, эта технология позволяет использовать компрессоры меньшей производительности для обеспечения достаточного давления и расхода для системы, которая в противном случае потребовала бы более мощные компрессоры, увеличивает производительность системы, которая без экономизатора производила бы меньше холода, или позволяет системе производить такое же количество холода, потребляя меньше энергии. Концепция экономизатора связана с переохлаждением, поскольку температура жидкой линии после конденсатора обычно выше, чем температура на испарителе, что делает это место подходящим для повышения эффективности. Вспоминая пример холодильной камеры, нормальная температура жидкой линии в такой системе составляет около или даже выше (она варьируется в зависимости от температуры конденсации). Это условие гораздо благоприятнее для производства холода, чем испарение при .
Настройки экономистов в холодильной системе
Несколько конфигураций холодильного цикла включают в себя экономизатор и выигрывают от его использования. Проектирование таких систем требует специальных знаний и дополнительных компонентов. Необходимо учитывать перепад давления, электронное регулирование клапанов и унос масла.
Две поэтапные системы и бустеры
Система считается двухступенчатой, если два газовых компрессора работают совместно последовательно для обеспечения сжатия. Типичная установка бустера – это двухступенчатая система, которая принимает жидкость для охлаждения нагнетательного патрубка первого компрессора перед подачей во второй компрессор. Жидкость, поступающая в межступенчатое пространство обоих компрессоров, поступает из жидкостной магистрали и обычно регулируется расширительными, регуляторами давления и электромагнитными клапанами. Стандартный двухступенчатый цикл такого типа оснащен расширительным клапаном, который расширяет и модулирует количество хладагента, поступающего на межступенчатый этап. При расширении жидкости, поступающей в межступенчатое пространство, происходит ее испарение, что приводит к снижению температуры и охлаждению всасывания второго компрессора при смешивании с хладагентом, выходящим из первого компрессора. Такая конструкция может включать теплообменник между расширительным клапаном и межступенчатым пространством, который может быть вторым испарителем для создания дополнительного холодильного эффекта, хотя и менее интенсивного, чем у основного испарителя (например, для кондиционирования воздуха или для сохранения свежести продуктов). Двухступенчатая система считается установкой бустера с промежуточным охлаждением, если хладагент, поступающий в межступенчатое пространство, проходит через теплообменник промежуточного охлаждения, который охлаждает основную жидкостную магистраль, поступающую в основной испаритель той же системы.
Компрессоры для экономичных газов
Необходимость использования двух компрессоров в составе повысительной установки, как правило, увеличивает стоимость холодильной системы. Двухступенчатая система также требует синхронизации, регулирования давления и смазки. Для снижения этих затрат было разработано специализированное оборудование. Экономизаторные винтовые компрессоры 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 всасывающим и межступенчатым боковым входом для газа более высокого давления. Это позволяет избежать установки двух компрессоров, сохраняя при этом преимущества концепции повышения давления. Существует два типа экономизаторных схем для этих компрессоров: с использованием флэш-газа и с предварительным охлаждением. Последняя работает как двухступенчатая повысительная установка с предварительным охлаждением. Экономизаторная схема с флэш-газом отличается тем, что не использует теплообменник для предварительного охлаждения. Вместо этого она имеет флэш-камеру или резервуар, в котором образуется флэш-газ для снижения температуры жидкости перед расширением. Флэш-газ, образующийся в этом резервуаре, отводится от жидкостной линии и направляется к входу экономизатора винтового компрессора.
Оптимизаторы цикла подохлаждения и охлаждения
Вышеуказанные системы достигают эффекта экономии за счет использования компрессоров, расходомеров, клапанов и теплообменников в холодильном цикле. В некоторых холодильных системах экономизатор может представлять собой независимый холодильный контур. К примеру, это происходит при переохлаждении жидкостной линии любым другим способом, отводящим тепло из основной системы. Например, теплообменник, предварительно нагревающий холодную воду для другого процесса или нужд человека, может отбирать тепло из жидкостной линии, эффективно переохлаждая ее и повышая производительность системы. В последнее время были разработаны машины, специально предназначенные для этой цели. В Чили компания EcoPac Systems разработала оптимизатор цикла, способный стабилизировать температуру жидкостной линии и обеспечивать либо увеличение холодильной мощности системы, либо снижение энергопотребления. Такие системы обладают преимуществом, заключающимся в отсутствии вмешательства в исходную конструкцию холодильной системы, и являются способом модернизации одноступенчатой системы, не оснащенной экономичным компрессором.
Внутренние теплообменники
Подохлаждение также может быть достигнуто за счет перегрева газа, выходящего из испарителя и направляющегося к газовому компрессору. Эти системы отводят тепло от жидкостной магистрали и нагревают всасывающую линию газового компрессора. Это очень распространенное решение, обеспечивающее поступление газа к компрессору, а жидкости – к регулирующему клапану. Оно также позволяет максимально эффективно использовать теплообменник, поскольку минимизирует его часть, используемую для изменения температуры жидкости, и максимизирует объем, в котором происходит изменение фазы хладагента (процесс, связанный с большим тепловым потоком и являющийся базовым принципом парокомпрессионного охлаждения). Внутренний теплообменник – это теплообменник, использующий холодный газ, выходящий из змеевика испарителя, для охлаждения жидкости высокого давления, поступающей в начало змеевика испарителя через расширительное устройство. Газ используется для охлаждения камеры, в которой обычно расположены трубы для прохождения жидкости. Затем перегретый газ направляется в компрессор. Термин "подохлаждение" означает охлаждение жидкости ниже температуры кипения. Степень подохлаждения означает, что жидкость на 10 °F холоднее температуры кипения при заданном давлении. Поскольку это разность температур, значение подохлаждения измеряется не в абсолютной шкале, а только в относительной, как разность температур.