エコノマイザー

エコノマイザ（米国およびオックスフォードの綴り）、または エコノマイザー（英国）は、エネルギー消費を削減したり、流体の予熱などの有用な機能を実行したりすることを目的とした機械装置です。エコノマイザという用語は、他の目的でも使用されます。ボイラー、発電所、暖房、冷蔵、換気、空調（HVAC）はすべてエコノマイザを使用する場合があります。簡単に言えば、エコノマイザは熱交換器です。

ロバート スターリングが 1816 年に熱風エンジンの設計にもたらした革新的な貢献は、彼が「エコノマイザー」と呼んだものでした。後に再生器として知られるようになったこの装置は、空気が冷気側へ流れる際にエンジンの高温部分から熱を蓄え、冷気側に戻る際に冷却された空気に熱を放出します。この革新によりスターリング エンジンの効率が向上し、特定の用途で商業的に成功しました。それ以来、スターリング エンジンと呼ばれるすべての空気エンジンのコンポーネントとなっています。

ボイラーにおいて、エコノマイザは熱交換装置であり、通常は水などの流体をその流体の沸点まで加熱しますが、通常はその沸点を超えません。エコノマイザは、高温ではあるがボイラーで使用できるほど高温ではない流体のエンタルピーを利用し、より有用なエンタルピーを回収してボイラーの効率を向上させることから、このように呼ばれています。エコノマイザはボイラーに取り付けられた装置であり、ボイラーの排気ガスを使用してボイラーに充填する冷水 (給水) を予熱することでエネルギーを節約します。

蒸気ボイラーは、給水を沸騰温度まで上げ、水を蒸気に変換し、その蒸気を飽和温度以上に過熱するために大量のエネルギーを使用します。燃焼源近くの最高温度を沸騰と過熱に使用し、同時にボイラーからエコノマイザを通して排出される冷却された燃焼ガスの残留熱を使用して蒸気ドラムに入る給水の温度を上げると、熱伝達効率が向上します。

間接接触または直接接触の凝縮エコノマイザは、燃焼生成物から残留熱を回収します。一連のダンパー、効率的な制御システム、および換気装置により、補給水やプロセス水の需要に応じて、燃焼生成物のすべてまたは一部がエコノマイザを通過できます。ガスの温度は、流体の沸騰温度から、入ってくる給水の温度より少し高い温度まで下げることができ、その間に給水は沸騰温度まで予熱されます。高圧ボイラーは通常、低圧ボイラーよりもエコノマイザの表面積が大きくなっています。エコノマイザのチューブには、燃焼ガス側の熱伝達面積を増やすために、フィンのような突起が付いていることがよくあります。^[1]平均して、長年にわたり、^{[説明が必要]}ボイラーの燃焼効率は80% から 95% 以上に上昇しました。生成される熱の効率は、ボイラー効率に直接関連しています。過剰空気の割合と燃焼生成物の温度は、この効率を評価する上での 2 つの重要な変数です。

天然ガスの燃焼は完全燃焼するために一定量の空気を必要とするため、バーナーが作動するためには過剰空気の流れが必要です。燃焼により水蒸気が生成され、その量は燃焼した天然ガスの量によって異なります。また、露点の評価は過剰空気によって異なります。天然ガスには、ガスと過剰空気の温度に関連したさまざまな燃焼効率曲線があります。たとえば、ガス^{[説明が必要]}が38°Cに冷却され、過剰空気が15％ある場合、効率は94％になります。^{[引用が必要]}凝縮エコノマイザは、このようにして、プロセスの煙道ガスに含まれる蒸気凝縮物の顕熱と潜熱を回収することができます。エコノマイザは、アルミニウムとステンレス鋼の合金で作られています。^{[引用が必要]}ガスはシリンダーを通過し、水はフィン付きチューブを通過します。ガスに含まれる水の約11％が凝縮されます。^[要出典]

最初の成功したエコノマイザの設計は、定置式蒸気エンジンのボイラーの蒸気発生効率を高めるために使用されました。これは 1845 年にエドワード グリーンによって特許が取得され、それ以来グリーンのエコノマイザとして知られています。これは、上下の水槽に接続された垂直の鋳鉄管の配列で構成され、ボイラーの排気ガスがこれらの管の間を通過します。これは、ボイラーの火管で通常見られる (ただし常に見られるわけではない) 配置とは逆です。火管では、高温のガスは通常、水中に浸された管を通過しますが、エコノマイザでは、水は高温のガスに囲まれた管を通過します。どちらも熱交換装置ですが、ボイラーでは、燃焼ガスが水を加熱して蒸気を発生させ、ピストンまたはタービンのエンジンを駆動しますが、エコノマイザでは、通常はすべて大気中に失われる熱エネルギーの一部が、ボイラーに入る水や空気を加熱するために使用されるため、燃料が節約されます。グリーンのエコノマイザ設計の最も成功した特徴は、チューブに煤が堆積しないようにするために必要な機械的な掻き取り装置であった。

グリーンの発明から数十年後には、エコノマイザは事実上すべての定置型蒸気エンジンに取り付けられるようになった。保存されている定置型蒸気エンジンの場所にはまだグリーンのエコノマイザが残っているが、通常は使用されていない。そのような保存場所の 1 つが、イングランドのスタッフォードシャーにあるクレイミルズ揚水エンジン・トラストで、現在 1 セットのエコノマイザと、それを動かす関連蒸気エンジンを復元しているところである。別の例としては、ブライトン & ホーブにあるブリティッシュ・エンジニアリウムがある。ここでは、No. 2 エンジンのボイラーに付属していたエコノマイザが、付属の小型定置型エンジンとともに使用されている。3 つ目の場所はコールドハーバー・ミル・ワーキング・ウール博物館で、ここではグリーンのエコノマイザが稼働状態で、ポリットとウィグゼルの蒸気エンジンの駆動軸も完備している。

石炭火力発電所などの現代のボイラーには、グリーンのオリジナル設計の子孫であるエコノマイザーがまだ取り付けられています。この文脈では、エコノマイザーは給水加熱器と呼ばれることが多く、タービンからの凝縮水をボイラーに送り込む前に加熱します。

エコノマイザは、複合サイクル発電所の熱回収蒸気発生器(HRSG)の一部として一般的に使用されています。HRSG では、水はエコノマイザ、ボイラー、過熱器の順に通過します。また、エコノマイザは、ボイラーの流量と設計によっては沸騰するには冷たすぎる液体の水がボイラーに溢れるのを防ぎます。

蒸気発電所におけるエコノマイザの一般的な用途は、ボイラーの煙道ガス (排ガス)から廃熱を捕捉し、それをボイラー給水に移すことです。これによりボイラー給水の温度が上昇し、必要なエネルギー入力が下がり、定格ボイラー出力に必要な燃焼率が下がります。エコノマイザは煙道温度を下げますが、設計と材料の選択に注意を払わないと、酸性燃焼ガスの凝縮や機器の重大な腐食損傷を引き起こす可能性があります。

建物のHVAC (暖房、換気、空調) システムは、空気側エコノマイザを使用して、冷たい外気を屋内空間の冷却手段として使用することで、建物のエネルギーを節約できます。外気の温度が再循環空気の温度よりも低い場合、外気による空調は再循環空気による空調よりもエネルギー効率が高くなります。外気が十分に冷たく、十分に乾燥している場合 (気候によって異なります)、空気のエンタルピーの量は許容範囲内であり、追加の空調は必要ありません。空気側エコノマイザ制御方式のこの部分は、フリークーリングと呼ばれます。

エアサイドエコノマイザは、寒冷気候や温帯気候で​​のHVACエネルギーコストを削減し、室内空気質を改善する可能性がありますが、高温多湿の気候には適していないことがほとんどです。適切な制御により、エコノマイザはさまざまな気象システムを経験する気候で使用できます。^[2]

外気の乾球温度と湿球温度が十分に低い場合、水側エコノマイザは、チラーを作動させずに、湿式冷却塔または乾式クーラー（流体クーラーとも呼ばれる）で冷却された水を使用して建物を冷却できます。これらは歴史的にはストレーナーサイクルとして知られていますが、水側エコノマイザは真の熱力学サイクルではありません。また、冷却塔の水をストレーナーに通してから冷却コイルに送ると汚れの原因になりますが、その代わりに、冷却塔と冷水ループの間にプレートアンドフレーム熱交換器を挿入することがよくあります。

空気側および水側のエコノマイザが適切に動作するためには、適切な制御、バルブまたはダンパー、およびメンテナンスが必要です。

一般的な冷凍エコノマイザの形式は、「ウォークイン クーラー エコノマイザ」または「外気冷凍システム」です。このようなシステムでは、冷凍スペース内の空気よりも冷たい外気がそのスペースに取り込まれ、同じ量の暖かい内気が外にダクトで送られます。その結果生じる冷却は、コンプレッサーベースの冷凍システムの動作を補完または置き換えます。冷却されるスペース内の空気が、それを置き換える外気よりも約 5 °F だけ暖かい場合 (つまり、∆T>5 °F)、この冷却効果は、コンプレッサーベースのシステムから生じる同じ量の冷却よりも効率的に達成されます。外気がスペースの冷凍負荷を克服するほど冷えていない場合は、コンプレッサー システムも動作する必要があります。そうしないと、スペース内の温度が上昇します。

この用語の別の用法は、産業用冷凍、特に蒸気圧縮冷凍で発生します。通常、エコノマイザの概念は、冷凍サイクルの特定の設計または機能によって、電力網から使用されるエネルギーの量、冷凍を生成するために使用されるコンポーネントのサイズ (基本的にはガスコンプレッサーの公称容量)、またはその両方を削減できる場合に適用されます。たとえば、-20 °F (-29 °C) に保たれるウォークイン冷凍庫の場合、主な冷凍コンポーネントには、蒸発器コイル (冷凍庫内の熱を除去するために使用される、冷媒と薄い金属フィンを含むパイプの密集した配置)、コイル上とボックスの周りに空気を吹き付けるファン、屋外に設置された空冷式凝縮ユニット、バルブと配管が含まれます。凝縮ユニットには、周囲の空気と熱を交換するための コンプレッサーとコイルおよびファンが含まれます。

エコノマイザ表示は、圧力と温度が上昇すると冷凍システムの効率が上がるという事実を利用しています。ガスコンプレッサーに必要な電力は、吐出圧力と吸入圧力の比率と差の両方に強く相関しています (冷媒の熱容量やコンプレッサーの種類などの他の特性も同様)。冷凍庫などの低温システムでは、同じ容積で移動する流体が少なくなります。つまり、低温システムではコンプレッサーのポンピング効率が低くなります。この現象は、ウォークイン フリーザーの蒸発温度が -20 °F (-29 °C) で約 -35 °F (-37 °C) になる可能性があることを考慮するとよく知られています。エコノマイザを備えたシステムは、ガス コンプレッサーの方が通常は効率的である高圧で冷凍作業の一部を生成することを目的としています。この技術により、用途に応じて、通常は大型のコンプレッサーが必要となるシステムに、より小さな圧縮容量で十分な圧力と流量を供給できるようになり、エコノマイザーなしでは冷却効果の少ないシステムの容量を増やすか、またはシステムがより少ない電力で同じ量の冷却効果を生成できるようになります。

エコノマイザの概念はサブクールと関連しており、凝縮液ラインの温度は通常蒸発器の温度よりも高いため、効率向上の概念を適用するのに適しています。^[3]ウォークイン冷凍庫の例を思い出すと、そのシステムの液体ラインの通常の温度は約60°F（16°C）またはそれ以上です（凝縮温度によって異なります）。その条件は、-35°F（-37°C）の蒸発器よりも冷凍を生成するのにはるかに適しています。

冷凍サイクルのいくつかの構成にはエコノマイザが組み込まれており、このアイデアの恩恵を受けています。これらのシステムの設計には専門知識と追加のコンポーネントが必要です。圧力降下、電子バルブ制御、オイル抵抗などをすべて考慮する必要があります。

2 台のガス コンプレッサーが直列に連携して圧縮を行う場合、システムは 2 段階セットアップと呼ばれます。通常のブースター設置は、最初のコンプレッサーの排出物を冷却するための流体を受け取り、2 番目のコンプレッサーに入力する 2 段階システムです。両方のコンプレッサーの中間段に到達する流体は、液体ラインから供給され、通常は膨張弁、圧力弁、およびソレノイド バルブによって制御されます。

この種の標準的な 2 段階サイクルには、中間段で流入する冷媒の量を膨張させて調整する膨張弁がある。中間段に到達する流体が膨張すると、蒸発する傾向があり、温度低下を生じ、最初のコンプレッサーから排出された流体と混合されると、2 番目のコンプレッサーの吸入口を冷却する。この種のセットアップでは、膨張部と中間段の間に熱交換器が配置されることがあり、これは、メインの蒸発器ほど冷たくはないものの、追加の冷却効果を生み出すための 2 番目の蒸発器である可能性がある(たとえば、空調を生成したり、製品を新鮮に保つため)。中間段に到達する冷媒が、同じシステムのメイン蒸発器に到達するメイン液体ラインをサブクールするサブクール熱交換器を通過する場合、 2 段階システムは、サブクール付きブースターとしてセットアップされていると言われる。^[4]

ブースター セットアップで 2 つのコンプレッサーを使用する必要があるため、冷却システムのコストが増加する傾向があります。2 段階システムでは、同期、圧力制御、潤滑も必要です。これらのコストを削減するために、専用の装置が開発されました。

エコノマイザー スクリュー コンプレッサーは、 Refcomp、Mycom、Bitzer、York などの複数のメーカーによって製造されています。これらの機械は、2 段階システムの両方のコンプレッサーを 1 つのスクリュー コンプレッサーに統合し、2 つの入力 (メイン吸引と高圧ガス用の中間段側入口) を備えています。^[要出典]つまり、2 つのコンプレッサーを設置する必要がなく、ブースター コンセプトのメリットを享受できます。

これらのコンプレッサーには、フラッシュとサブクールの2種類のエコノマイザー設定があります。後者は、サブクールを備えた2段階ブースターのように機能します。フラッシュエコノマイザーは、サブクールを生成するために熱交換器を使用しない点で異なります。代わりに、フラッシュチャンバーまたはタンクがあり、そこでフラッシュガスが生成され、膨張前に液体の温度が下げられます。このタンクで生成されたフラッシュガスは、液体ラインから出て、スクリューコンプレッサーのエコノマイザー入口に向かいます。^[5]

上記のシステムは、冷凍サイクル内でコンプレッサー、メーター、バルブ、熱交換器を使用することで、エコノマイザー効果を生み出します。一部の冷凍システムでは、エコノマイザーは独立した冷凍メカニズムである場合があります。これは、メインシステムから熱を引き出す他の手段によって液体ラインをサブクールする場合です。たとえば、別のプロセスや人間の使用に必要な冷水を予熱する熱交換器は、液体ラインから熱を奪い、効果的にサブクールしてシステムの容量を増やすことができます。^[6]

最近、この目的専用に設計された機械が開発されました。チリでは、メーカーのEcoPac Systemsが、液体ラインの温度を安定させ、システムの冷凍能力の向上、または消費電力の削減を可能にするサイクルオプティマイザーを開発しました。 [ ^{7]このようなシステムには、}冷凍システムの元の設計を妨げないという利点があり、エコノマイザコンプレッサーを持たない単段システムを拡張する方法です。^[8]

サブクールは、蒸発器から出てガスコンプレッサーに向かうガスを過熱することによっても生成されることがあります。^[9]これらのシステムは、液体ラインから熱を引き出し、ガスコンプレッサーの吸入ラインを加熱します。これは、ガスがコンプレッサーに到達し、液体がバルブに到達することを保証するための非常に一般的な解決策です。また、流体の温度を変更するために使用される熱交換器の部分を最小限に抑え、冷媒が相変化する体積（より多くの熱の流れを伴う現象、蒸気圧縮冷凍の基本原理）を最大化するため、熱交換器を最大限に活用できます。

内部熱交換器は、蒸発器コイルから出た冷たいガスを使用して、膨張装置を経由して蒸発器コイルの最初に送られる高圧液体を冷却する熱交換器です。ガスは、通常、液体を流すための一連のパイプが通っているチャンバーを冷却するために使用されます。過熱されたガスは、その後、コンプレッサーに進みます。サブクールという用語は、液体を沸点以下に冷却することを指します。10 °F (5.6 °C) のサブクールは、特定の圧力で沸騰する温度より 10 °F 低いことを意味します。サブクールは温度差を表すため、絶対温度スケールではなく、温度差としての相対スケールでのみ測定されます。

• 逆流交換
• 再生熱交換器
• 給水加熱器
• 熱効率

• ヒルズ、リチャード L. (1989)。蒸気動力。ケンブリッジ大学出版局。ISBN 0-521-45834-X。