[تجهیزات انتقال حرارت] - اکونومایزرها - economiser/economizer

[P O U R I A]

اکونومایزرها (economiser/economizer) مبدل حرارتی (heat exchanger) هستند که هدف آن‌‌ها کاهش مصرف انرژی و یا انجام یک وظیفه مفید دیگر مانند پیش گرمایش (preheating) یک سیال می‌باشد. از اکونومایزر در صنعت نیروگاه، بویلر، تهویه مطبوع (HVAC) و صنایع دیگر استفاده می‌شود.

کاربرد اکونومایزر در بویلرها

اکونومایزر بویلر یک مبدل حرارتی است که سیالی را که معمولا آب است تا دمای اندکی کم‌تر از دمای جوش گرم می‌کند. این مبدل حرارتی به این دلیل اکونومایزر نام دارد که می‌تواند از انتالپی جریان سیالی که داغ است ولی برای استفاده در بویلر کافی نیست استفاده کند و در نتیجه انتالپی مفید بیش‌تری را بازیافت کند و راندمان بویلر را بالا ببرد. بنابراین این اکونومایزرها از انرژی گاز خروجی از بویلر برای پیش‌گرم کردن آب سرد ورودی به آن یا آب تغذیه بویلر (feed water)‌ استفاده می‌کنند.



سالن بویلر یک خورنده بزرگ انرژی است که در آن بویلرهای گرمایش مایع یا بویلرهای بخار قرار دارند و گازهای خروجی از یک دودکش مشترک خارج می‌شوند. یک اکونومایزر با تماس مستقیم یا غیر تماسی حرارت باقی‌مانده از سوختن محصولات را بازیافت کند. تعدادی دمپر (damper)، یک سیستم کنترلی کارا و تعدادی ونتیلاتور (ventilator)، امکان گذر تمام یا بخشی از محصولات احتراق را از اکونومایزر فراهم می‌کنند که میزان گاز عبوری از اکونومایزر بستگی به میزان آب جبرانی (make-up water)‌ و/یا آب فرآیندی (process water) مورد نیاز دارد. دمای گازها را می‌توان از 200 تا 10 درجه سانتی‌گراد کم کرد در حالی که میزان پیش‌گرم کردن آب فرآیند بین 8 تا 80 درجه سانتی‌گراد است. راندمان میانگین سالیانه چنین بویلری با استفاده از اکونومایزر می‌تواند از 80 درصد به 95 درصد افزایش یابد. درصد هوای اضافی و دمای محصولات احتراق دو متغیر کلیدی در محاسبه این راندمان است.

 

[P O U R I A]

این اکونومایزرها به شکل مبدل حرارتی پوسته و لوله (tube-in-shell exchanger) که در آن آب به وسیله گاز فرآیندی گرم می‌شود و یا دسته تیوبی که گاز دودکش یا گاز فرآیندی از روی آن می‌گذرد هستند. این مبدل‌ها دردسر خاصی ایجاد نمی‌کنند مگر این که در سمت گاز به دلیل این که دمای دیواره به زیر نقطه شبنم اسید می‌رسد، خوردگی ایجاد شود. برای جلوگیری از این مشکل می‌توان در مرحله طراحی متریال تیوب‌ها را به صورت دقیق انتخاب کرد و یا از یک مبدل حرارتی کوچک که با کمک کنترل اتوماتیک از بالاتر بودن آب ورودی به هیتر آب تغذیه بویلر نسبت به نقطه شبنم اسید اطمینان حاصل می‌کند، استفاده کرد.



تنها ایراد عمومی که رخ می‌دهد زمانی است که در اکونومایزری که برای تولید بخار طراحی نشده است، جوشش رخ دهد. این می‌تواند باعث ایجاد ضربه قوچ (water hammer)، لرزش و اغتشاش عمومی در سیستم بویلر شود. در مرحله فلوشیت فرآیندی (process flowsheet stage) می‌توان با جلوگیری از نزدیک شدن دما به دمای اشباع در اکونومایزر از این مشکل جلوگیری کرد. اگر به هر دلیلی تولید بخار در اکونومایزر مطلوب باشد، می‌توان یک اکونومایزر بخارساز (steaming economizer) طراحی کرد که در آن مخلوط بخار و آب به صورتی آرایش داده می‌شوند که از درون باندل لوله به بالا و به سمت درام بخار (steam drum) حرکت کنند.

 

[P O U R I A]

کاربرد اکونومایزر در نیروگاه‌ها





بویلرهای مدرن همانند بویلرهای نیروگاه‌های حرارتی بخاری، دارای اکونومایزرهایی هستند که معمولا به آن‌ها هیتر آب تغذیه (feedwater heaters) گفته می‌شود و کندانس خروجی از توربین بخار را قبل از ورود به بویلر گرم می‌کنند.





اکونومایزرها معمولا به عنوان بخشی از بویلر بازیاب حرارتی (heat recovery steam generator) یا HRSG در نیروگاه‌های سیکل ترکیبی به کار می‌روند. در یک HRSG آب از یک اکونومایزر و سپس بویلر و سپس سوپرهیتر (superheater) عبور می‌کند.



یک کاربرد اکونومایزر در نیروگاه بخار این است که حرارت تلف شده گازهای دودکش را بگیرد و آن را به آب تغذیه بویلر منتقل، انرژی ورودی را کم و در نتیجه میزان احتراق مورد نیاز برای رسیدن به خروجی نامی بویلر را کم کند. در صورت عدم مراقبت در طراحی و انتخاب متریال، اکونومایزرها دمای دودکش را کاهش می‌دهند که می‌تواند باعث کندانس شدن گازهای احتراقی اسیدی و آسیب‌های خوردگی جدی به تجهیزات شود.

 

[P O U R I A]

کاربرد اکونومایزر در تهویه مطبوع

اکونومایزرهای تهویه مطبوع سمت هوا (air-side economizers HVAC) با استفاده از هوای سرد خارج به عنوان وسیله‌ای برای خنک کردن فضای داخلی، در مصرف انرژی ساختمان‌ها صرفه‌جویی می‌کنند. زمانی که دمای هوای خارج کم‌تر از دمای هوای در چرخش است، تهویه هوای خارج بهینه‌تر از تهویه هوای در گردش است. زمانی که هوای خارج به اندازه کافی خنک و خشک باشد، میزان انتالپی موجود در هوا مورد پذیرش بوده و نیاز به عملیات اضافه بر روی آن وجود ندارد. به این روش کنترلی اکونومایزر سمت هوا، سرمایش آزاد (free cooling) گفته می‌شود.



اکونومایزرهای سمت هوا می‌توانند هزینه انرژی HVAC را در آب و هوای سرد کاهش دهند ولی برای آب و هوای گرم و مرطوب مناسب نیستند. برای آب و هوای با تغییرات زیاد، با کنترل مناسب می‌توان از اکونومایزرها استفاده کرد.


زمانی که دمای هوای خشک و مرطوب خارج به اندازه کافی کم باشند، اکونومایزرهای سمت آب (water-side economizers) از آب خنک شده به وسیله برج خنک کن تر (wet cooling tower) یا کولر خشک (dry cooler) که به آن کولر سیال (fluid cooler) نیز گفته می‌شود استفاده می‌کنند و بدون نیاز به کارکرد چیلر (chiller) ساختمان را خنک می‌کند. به این سیستم از گذشته سیکل استرینر (strainer cycle) گفته می‌شد؛ ولی اکونومایزر سمت آب در واقع یک سیکل ترمودینامیکی واقعی نیست. همچنین به جای عبور دادن آب برج خنک‌کن از یک استرینر و سپس از کویل خنک‌کن که باعث رسوب‌گیری می‌شود، اغلب مبدل حرارتی پلیتی دارای فریم (plate-and-frame heat exchanger) را بین حلقه‌های آب برج خنک‌کن و آب سرد شده قرار می‌دهند.