Los economizadores ( ortografía de EE. UU. Y Oxford ), o economizadores (Reino Unido), son dispositivos mecánicos destinados a reducir el consumo de energía o para realizar una función útil, como precalentar un fluido . El término economizador se usa también para otros propósitos. En este artículo se analizan los usos de calderas , centrales eléctricas, calefacción, refrigeración , ventilación y aire acondicionado ( HVAC ). En términos simples, un economizador es un intercambiador de calor .
Motor Stirling [ editar ]
La contribución innovadora de Robert Stirling al diseño de los motores de aire caliente de 1816 fue lo que denominó el "economizador". Ahora conocido como el regenerador, almacenaba calor de la parte caliente del motor cuando el aire pasaba al lado frío, y liberaba calor al aire frío cuando regresaba al lado caliente. Esta innovación mejoró la eficiencia del motor de Stirling lo suficiente para que sea comercialmente exitoso en aplicaciones particulares, y desde entonces ha sido un componente de cada motor de aire que se llama un motor de Stirling.
Calderas [ editar ]
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En las calderas , los economizadores son dispositivos de intercambio de calor que calientan los fluidos, generalmente agua, hasta el punto de ebullición de ese fluido , pero normalmente no . Los economizadores se llaman así porque pueden hacer uso de la entalpía en corrientes de fluidos que están calientes, pero no lo suficientemente calientes para ser utilizadas en una caldera, recuperando así la entalpía más útil y mejorando la eficiencia de la caldera. Son un dispositivo instalado en una caldera que ahorra energía al utilizar los gases de escape de la caldera para precalentar el agua fría utilizada para llenarla (el agua de alimentación ).
La sala de calderas es un gran consumidor de energía. Se compone de calderas de fluido térmico o caldera de vapor, con gases de escape a través de una chimenea común. Un economizador de condensación de contacto directo o contacto directo recuperará el calor residual de los productos de combustión. Una serie de compuertas, un sistema de control eficiente, así como un ventilador, permiten que todos o parte de los productos de combustión pasen a través del economizador, dependiendo de la demanda de agua de reposición y / o agua de proceso. La temperatura de los gases se puede bajar de 200 ° C a 10 ° C, [ precitación ] mientras se precalienta el agua del proceso de 8 ° C a 80 ° C. En promedio a lo largo de los años, [ aclaración necesaria ]La eficiencia de combustión de la caldera ha aumentado del 80% a más del 95%. La eficiencia del calor producido está directamente relacionada con la eficiencia de la caldera. El porcentaje de exceso de aire y la temperatura de los productos de combustión son dos variables clave en la evaluación de esta eficiencia.
La combustión del gas natural necesita una cierta cantidad de aire para completarse, por lo que los quemadores necesitan un flujo de aire en exceso para funcionar. La combustión produce vapor de agua y la cantidad depende de la cantidad de gas natural quemado. Además, la evaluación del punto de rocío depende del exceso de aire. El gas natural tiene diferentes curvas de eficiencia de combustión relacionadas con la temperatura de los gases y el exceso de aire. Por ejemplo, si los gases [ clarificación necesaria ] se enfrían a 38 ° C y hay un exceso de aire del 15%, la eficiencia será del 94%. [ cita requerida ]El economizador de condensación puede así recuperar el calor sensible y latente en el condensado de vapor contenido en los gases de combustión para el proceso. El economizador está hecho de una aleación de aluminio y acero inoxidable. [ cita requerida ] Los gases pasan a través del cilindro y el agua a través de los tubos con aletas. Condensa alrededor del 11% del agua contenida en los gases. [ cita requerida ]
Historia [ editar ]
El primer diseño exitoso de economizador se utilizó para aumentar la eficiencia de elevación de vapor de las calderas de las máquinas de vapor estacionarias . Fue patentado por Edward Green en 1845, y desde entonces se le conoce como el economizador de Green . Consistía en una serie de tubos verticales de hierro fundido conectados a un tanque de agua por encima y por debajo, entre los cuales pasaban los gases de escape de la caldera. Esta es la disposición inversa a la que generalmente, pero no siempre se ve en los tubos de fuego de una caldera; allí, los gases calientes generalmente pasan a través de tubos sumergidos en agua, mientras que en un economizador el agua pasa a través de tubos rodeados de gases calientes. Si bien ambos son dispositivos de intercambio de calor, en una caldera.los gases que queman calientan el agua para producir vapor para impulsar un motor, ya sea un pistón o una turbina, mientras que en un economizador , parte de la energía térmica que de lo contrario se perdería en la atmósfera se usa para calentar el agua y / o el aire que Entrará en la caldera, ahorrando así combustible. La característica más exitosa del diseño de economizador de Green fue su aparato de raspado mecánico, que se necesitaba para mantener los tubos libres de depósitos de hollín .
Los economizadores finalmente se instalaron en prácticamente todas las máquinas de vapor estacionarias en las décadas posteriores a la invención de Green. Algunos sitios de motores de vapor estacionarios conservados todavía tienen sus economizadores de verde, aunque generalmente no se utilizan. Uno de estos sitios preservados es el Claymills Pumping Engines Trust en Staffordshire, Inglaterra, que está en proceso de restaurar un conjunto de economizadores y la máquina de vapor asociada que los impulsó. Otro ejemplo es el British Engineerium en Brighton & Hove, donde el economizador asociado con las calderas para el motor número 2 está en uso, completo con su pequeño motor estacionario asociado. Un tercer sitio es Coldharbour Mill Working Wool Museum., donde el economizador de Green está funcionando correctamente, se completa con los ejes de transmisión de la máquina de vapor Pollit y Wigzell.
Plantas de energía [ editar ]
Las calderas modernas, como las de las centrales eléctricas de carbón , todavía están equipadas con economizadores que son descendientes del diseño original de Green. En este contexto, a menudo se les denomina calentadores de agua de alimentación y calientan el condensado de las turbinas antes de bombearlas a las calderas.
Los economizadores se utilizan comúnmente como parte de un generador de vapor de recuperación de calor en una planta de energía de ciclo combinado . En un HRSG, el agua pasa a través de un economizador, luego una caldera y luego un sobrecalentador . El economizador también evita la inundación de la caldera con agua líquida que está demasiado fría para ser hervida dados los caudales y el diseño de la caldera.
Una aplicación común de los economizadores en las centrales de vapor es capturar el calor residual de los gases de chimenea de la caldera ( gas de combustión ) y transferirlo al agua de alimentación de la caldera. Esto eleva la temperatura del agua de alimentación de la caldera, disminuyendo la entrada de energía necesaria y, a su vez, reduce las velocidades de disparo necesarias para la salida nominal de la caldera. Los economizadores reducen las temperaturas de la pila, lo que puede causar la condensación de gases de combustión ácidos y daños graves a la corrosión del equipo si no se tiene cuidado en su diseño y selección de materiales.
HVAC [ editar ]
El sistema HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) de un edificio puede hacer uso de un economizador del lado del aire para ahorrar energía en los edificios utilizando aire fresco del exterior como medio para enfriar el espacio interior. Cuando la temperatura del aire exterior es menor que la temperatura del aire recirculado, el acondicionamiento con el aire exterior es más eficiente en energía que el acondicionamiento con aire recirculado. Cuando el aire exterior es lo suficientemente frío y lo suficientemente seco (dependiendo del clima), la cantidad de entalpía en el aire es aceptable y no se necesita un acondicionamiento adicional; esta parte del esquema de control del economizador del lado del aire se llama refrigeración libre .
Los economizadores del lado del aire pueden reducir los costos de energía HVAC en climas fríos y templados, al tiempo que también pueden mejorar la calidad del aire interior , pero en la mayoría de los casos no son apropiados en climas cálidos y húmedos. Con los controles apropiados, los economizadores se pueden usar en climas que experimentan varios sistemas climáticos. Para obtener información sobre cómo los economizadores y otros controles pueden afectar la eficiencia energética y la calidad del aire interior en los edificios, consulte el informe de la Agencia de Protección Ambiental de los EE. UU., "Estudio de costos de energía y rendimiento de IAQ de los sistemas de ventilación y controles". [4]
Cuando las temperaturas del bulbo seco y húmedo del aire exterior son lo suficientemente bajas, un economizador del lado del agua puede usar agua enfriada por una torre de enfriamiento húmeda o un refrigerador seco (también llamado refrigerador por líquido) para enfriar los edificios sin operar una enfriadora . Se conocen históricamente como el ciclo del filtro , pero el economizador del lado del agua no es un verdadero ciclo termodinámico . Además, en lugar de pasar el agua de la torre de enfriamiento a través de un colador y luego a los serpentines de enfriamiento, que causan ensuciamiento, más a menudo se inserta un intercambiador de calor de placa y marco entre la torre de enfriamiento y los bucles de agua fría.
Se necesitan buenos controles y válvulas o amortiguadores, así como el mantenimiento, para garantizar el funcionamiento correcto de los economizadores de aire y agua.
Refrigeración [ editar ]
Cooler Economizer [ editar ]
Una forma común de economizador de refrigeración es un "economizador de refrigerador" o "sistema de refrigeración de aire exterior". En un sistema de este tipo, el aire que es más frío que el aire dentro de un espacio refrigerado se introduce en ese espacio y la misma cantidad de aire interior más caliente se canaliza hacia el exterior. El enfriamiento resultante complementa o reemplaza el funcionamiento de un sistema de refrigeración con compresor. Si el aire dentro de un espacio refrigerado es solo 5 ° F más cálido que el aire exterior que lo reemplaza (es decir, el ∆T> 5 ° F), este efecto de enfriamiento se logra de manera más eficiente que la misma cantidad de enfriamiento que resulta de un compresor. sistema basado Si el aire exterior no está lo suficientemente frío como para superar la carga de refrigeración del espacio, el sistema del compresor también necesitará funcionar, o la temperatura dentro del espacio aumentará.
Refrigeración por compresión de vapor [ editar ]
Otro uso del término ocurre en la refrigeración industrial, específicamente en la refrigeración por compresión de vapor . Normalmente, el concepto de economizador se aplica cuando un diseño o característica particular en el ciclo de refrigeración permite una reducción en la cantidad de energía utilizada de la red eléctrica; en el tamaño de los componentes (básicamente la capacidad nominal del compresor de gas ) utilizados para producir refrigeración, o ambos. Por ejemplo, para un congelador que se mantiene a una temperatura de -20 ° F (-29 ° C), los componentes principales de refrigeración incluirían: un evaporadorBobina (una densa disposición de tuberías que contienen refrigerante y aletas metálicas finas que se utilizan para eliminar el calor del interior del congelador), ventiladores para soplar aire sobre la bobina y alrededor de la caja, una unidad de condensaciónenfriada por aire ubicada en el exterior, y válvulas y tuberías. La unidad de condensación incluiría un compresor y una bobina y ventiladores para intercambiar calor con el aire ambiente.
Una pantalla economizadora aprovecha el hecho de que los sistemas de refrigeración tienen eficiencias cada vez mayores a presiones y temperaturas crecientes. La potencia del compresor de gas necesita está fuertemente correlacionada tanto a la relación y la diferencia, entre la descarga y las presiones de aspiración (así como a otras características como la capacidad de calor del refrigerantey el tipo de compresor). Los sistemas de baja temperatura, como los congeladores, mueven menos fluido en los mismos volúmenes. Eso significa que el bombeo del compresor es menos eficiente en sistemas de baja temperatura. Este fenómeno es notorio cuando se tiene en cuenta que la temperatura de evaporación de un congelador a −20 ° F (−29 ° C) puede ser de −35 ° F (−37 ° C). Los sistemas con economizadores tienen como objetivo producir parte del trabajo de refrigeración a altas presiones, condición en la que los compresores de gas son normalmente más eficientes. Dependiendo de la aplicación, esta tecnología permite capacidades de compresión más pequeñas para poder suministrar suficiente presióny flujo para un sistema que normalmente requeriría compresores más grandes; aumenta la capacidad de un sistema que sin el economizador produciría menos refrigeración, o permite que el sistema produzca la misma cantidad de refrigeración con menos energía.
El concepto de economizador está vinculado al subenfriamiento, ya que la temperatura de la línea de líquido condensado suele ser más alta que la del evaporador , por lo que es un buen lugar para aplicar la noción de eficiencia creciente. [1] Al recordar el ejemplo del congelador, la temperatura normal de la línea de líquido en ese sistema es de alrededor de 60 ° F (16 ° C) o incluso más alta (varía según la temperatura de condensación). Esa condición es mucho menos hostil para producir refrigeración, que el evaporador a −35 ° F (−37 ° C).
Configuraciones de economizadores en refrigeración [ editar ]
Varias pantallas permiten que el ciclo de refrigeración funcione como economizador y se benefician de esta idea. El diseño de este tipo de sistemas exige cierta experiencia en la materia, y la fabricación de algunos de los equipos, la delicadeza y la durabilidad particulares. La caída de presión, el control de la válvula eléctrica y la resistencia del aceite, deben ser atendidos con especial precaución.
Dos sistemas y de los refuerzos escalonados [ editar ]
Se dice que un sistema está en una configuración de dos etapas si dos compresores de gas separados en la pantalla de serie trabajan juntos para producir la compresión. Una instalación de refuerzo normal es un sistema de dos etapas que recibe fluido que enfría la descarga del primer compresor, antes de llegar a la entrada del segundo compresor. El fluido que llega a la intersección de ambos compresores proviene de la línea de líquido y normalmente es controlado por las válvulas de expansión , presión y solenoide.
Un ciclo estándar de dos etapas de este tipo tendrá una válvula de expansión que se expande y modula la cantidad de refrigerante que ingresa en la etapa intermedia. A medida que el fluido que llega a la etapa intermedia se expande, tenderá a evaporarse , produciendo una caída general de la temperatura y enfriando la succión del segundo compresor cuando se mezcla con el fluido descargado por el primer compresor. Este tipo de configuración puede tener un intercambiador de calor entre la expansión y la intersticia, situación en la que el segundo evaporador también puede servir para producir refrigeración, aunque no tan frío como el evaporador principal (por ejemplo, para producir aire acondicionado).o para mantener productos frescos). Se dice que un sistema de dos etapas se configura en una pantalla de refuerzo con subenfriamiento , si el refrigerante que llega a la etapa intermedia pasa a través de un intercambiador de calor de subenfriamiento que subenfría la línea de líquido principal que llega al evaporador principal del mismo sistema. [2]
Compresores de gas economizadores [ editar ]
La necesidad de utilizar dos compresores cuando se considera una configuración de refuerzo tiende a aumentar el costo de un sistema de refrigeración. Además del precio del engranaje, los sistemas de dos etapas requieren atención especial sobre la sincronización, el control de presión y la lubricación. Para reducir estos costos, se ha elaborado equipo especial.
Los compresores de tornillo economizador están siendo construidos por varios fabricantes como Refcomp, Mycom, Bitzer y York. Estas máquinas combinan ambos compresores de un sistema de dos etapas en un compresor de tornillo y tienen dos entradas: la succión principal y una entrada lateral de intersticio para gas de presión más alta. [3] Esto significa que no es necesario instalar dos compresores y aún así beneficiarse del concepto de refuerzo.
Hay dos tipos de configuraciones de economizador para estos compresores, flash y subenfriamiento . Este último funciona bajo el mismo principio que las dos pantallas de refuerzo escalonadas con subenfriamiento . El economizador de flash es diferente porque no utiliza un intercambiador de calor para producir el subenfriamiento. En su lugar, tiene una cámara o tanque de flash , en el que se produce gas de flash para bajar la temperatura del líquido antes de la expansión. El gas de destello que se produce en este tanque sale de la línea de líquido y va a la entrada del economizador del compresor de tornillo . [4]
Optimizadores de subenfriamiento y ciclo de refrigeración [ editar ]
Todos los sistemas anteriores producen un efecto economizador al usar compresores, medidores, válvulas e intercambiadores de calor dentro del ciclo de refrigeración. Dependiendo del sistema, en algunos ciclos de refrigeración puede ser conveniente producir el economizador utilizando un mecanismo de refrigeración independiente. Tal es el caso de subenfriar la línea de líquido por cualquier otro medio que extraiga el calor del sistema principal. Por ejemplo, un intercambiador de calor que precalienta el agua fría necesaria para otro proceso o uso humano, puede extraer el calor de la línea de líquido , subenfriando efectivamente la línea e incrementando la capacidad del sistema. [5]
Recientemente, se han desarrollado máquinas designadas exclusivamente para este fin. En Chile, el fabricante EcoPac Systems desarrolló un optimizador de ciclo capaz de estabilizar la temperatura de la línea de líquidos y permitir un aumento en la capacidad de refrigeración del sistema o una reducción del consumo de energía . [6] Tales sistemas tienen la ventaja de no interferir con el diseño original del sistema de refrigeración, ya que es una alternativa interesante para expandir sistemas de una sola etapa que no poseen un compresor economizador . [7]
Intercambiadores de calor internos [ editar ]
El subenfriamiento también se puede producir al sobrecalentar el gas que sale del evaporador y dirigirse al compresor de gas . [8] Estos sistemas retiran el calor de la línea de líquido, pero calientan la succión de los compresores de gas. Esta es una solución muy común para asegurar que el gas llegue al compresor y que el líquido llegue a la válvula . También permite un uso máximo del intercambiador de calor, ya que minimiza la porción de los intercambiadores de calor utilizados para cambiar la temperatura del fluido y maximiza el volumen en el que el refrigerante cambia su fase (fenómenos que involucran mucho más flujo de calor, el principio básico de la compresión de vapor). refrigeración).
Un intercambiador de calor interno es simplemente un tipo de intercambiador de calor que utiliza el gas frío que sale de la bobina del evaporador para enfriar el líquido de alta presión que se dirige hacia el inicio de la bobina del evaporador a través de un dispositivo de expansión. El gas se utiliza para enfriar una cámara que normalmente tiene una serie de tuberías para el líquido que la atraviesa. El gas sobrecalentado continúa luego hacia el compresor. El subenfriamientotérmino se refiere a enfriar el líquido por debajo de su punto de ebullición. 10 ° F (5,6 ° C) de subenfriamiento significa que es 10 ° F más frío que hervir a una presión dada. Como representa una diferencia de temperaturas, el valor de subenfriamiento no cambiará si se mide en la escala absoluta o en la escala relativa (10 ° F de subenfriamiento es igual a 10 ° R (5,6 K) de subenfriamiento).
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