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エコノマイザー（米国式およびオックスフォード式綴り）または エコノマイザー（英国式綴り）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。エコノマイザーという用語は、他の目的にも使用されます。ボイラー、発電所、暖房、冷凍、換気、空調（HVAC）など、あらゆる場所でエコノマイザーが使用される可能性があります。簡単に言えば、エコノマイザーは熱交換器です。
ロバート・スターリングが1816年に熱気機関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、空気がエンジンの高温部から低温部へ流れる際に熱を蓄え、冷却された空気が高温部へ戻る際に熱を放出する仕組みでした。この革新的な機構によりスターリングエンジンの効率が大幅に向上し、特定の用途において商業的に成功を収めるに至りました。以来、スターリングエンジンと呼ばれるすべての空気機関にこの機構が組み込まれています。
ボイラーにおいて、エコノマイザーは、通常は水などの流体をその流体の沸点まで加熱するが、通常は沸点を超えない熱交換装置です。エコノマイザーという名前は、高温ではあるもののボイラーで使用するには温度が低すぎる流体の流れのエンタルピーを利用できるため、より多くの有用なエンタルピーを回収し、ボイラーの効率を向上させることができることに由来します。エコノマイザーは、ボイラーからの排ガスを利用してボイラーを満たす冷水（給水）を予熱することでエネルギーを節約する、ボイラーに取り付けられた装置です。
蒸気ボイラーは、給水を沸騰温度まで上昇させ、水を蒸気に変換し、場合によっては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消費します。熱伝達効率は、燃焼源付近の最高温度を沸騰と過熱に利用し、同時に、エコノマイザーを通してボイラーから排出される冷却された燃焼ガスの残留熱を利用して、蒸気ドラムに入る給水の温度を上昇させることで向上します。
間接接触式または直接接触式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、補給水および/またはプロセス水の需要に応じて、燃焼生成物の全部または一部がエコノマイザを通過することができます。ガスの温度は、流体の沸点から流入する給水温度よりわずかに高い温度まで下げることができ、同時に給水を沸点まで予熱します。高圧ボイラーは、一般的に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。エコノマイザチューブには、燃焼ガス側の伝熱面積を増やすために、フィンなどの突起が付いていることがよくあります。[ 1 ]長年にわたり、ボイラーの燃焼効率は平均して80%から95%以上に上昇しています。生成される熱の効率は、ボイラーの効率に直接関係しています。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2つの重要な変数です。
天然ガスの燃焼には、完全燃焼のために一定量の空気が必要なので、バーナーは作動するために過剰空気の流れを必要とします。燃焼によって水蒸気が発生し、その量は燃焼した天然ガスの量に依存します。また、露点の評価は過剰空気に依存します。天然ガスには、ガスの温度と過剰空気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、ガスが38 ℃に冷却され、過剰空気が15%ある場合、効率は94%になります。凝縮エコノマイザーは、プロセスのために、排ガスに含まれる蒸気凝縮液中の顕熱と潜熱を回収することができます。エコノマイザーは、アルミニウムとステンレス鋼の合金でできています。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。
最初の成功したエコノマイザー設計は、定置式蒸気機関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取得され、それ以来グリーンのエコノマイザーとして知られています。これは、上下に水槽が接続された垂直の鋳鉄管の配列で構成され、その間をボイラーの排気ガスが通過します。これは、ボイラーの火管で通常見られる配置とは逆ですが、常に見られるとは限りません。火管では、高温ガスは通常、水に浸された管を通過しますが、エコノマイザーでは、水が高温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、ピストンエンジンまたはタービンエンジンを駆動するのに対し、エコノマイザーでは、そうでなければ大気中にすべて失われる熱エネルギーの一部が、代わりにボイラーに入る水や空気を加熱するために使用され、燃料を節約します。グリーンが設計したエコノマイザーの最も成功した特徴は、チューブ内に煤が付着しないようにするために必要な機械式掻き取り装置であった。
グリーンの発明後数十年の間に、エコノマイザーは事実上すべての定置式蒸気機関に取り付けられるようになった。保存されている定置式蒸気機関の中には、グリーンのエコノマイザーが今も残っているものもあるが、通常は使用されていない。そのような保存場所の一つが、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・ポンピング・エンジンズ・トラストで、エコノマイザー一式と、それを駆動していた関連蒸気機関の修復作業が進められている。もう一つの例は、ブライトン＆ホーブにあるブリティッシュ・エンジニアリウムで、第2機関のボイラーに関連付けられたエコノマイザーが、関連する小型定置式機関とともに使用されている。3つ目の例は、コールドハーバー・ミル・ワーキング・ウール・ミュージアムで、グリーンのエコノマイザーが、ポリット・アンド・ウィグゼル蒸気機関の駆動軸とともに稼働している。
石炭火力発電所などで使用される現代のボイラーには、グリーンのオリジナル設計の流れを汲むエコノマイザーが今でも搭載されている。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、タービンからの復水をボイラーに送る前に加熱する役割を担っている。
エコノマイザーは、複合サイクル発電所の排熱回収ボイラー（HRSG）の一部として一般的に使用されています。HRSGでは、水はまずエコノマイザーを通過し、次にボイラー、そして過熱器へと流れます。エコノマイザーはまた、流量やボイラーの設計上、沸騰するには温度が低すぎる液体水がボイラー内に流入するのを防ぐ役割も果たします。
蒸気発電所におけるエコノマイザーの一般的な用途は、ボイラーの煙突排ガス（排ガス）から廃熱を回収し、ボイラー給水に伝達することです。これによりボイラー給水の温度が上昇し、必要なエネルギー投入量が減少するため、定格出力に必要な燃焼率を低減できます。エコノマイザーは煙突温度を低下させるため、設計や材料選定に注意を払わないと、酸性燃焼ガスの凝縮や機器の深刻な腐食損傷を引き起こす可能性があります。
建物の空調（暖房、換気、冷房）システムは、外気を利用して室内空間を冷却することで、建物のエネルギーを節約するために、空気側エコノマイザーを利用できます。外気の温度が循環空気の温度よりも低い場合、外気による空調は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、かつ十分に乾燥している場合（気候によりますが）、空気中のエンタルピー量は許容範囲内であり、追加の空調は必要ありません。この空気側エコノマイザー制御方式の部分は、フリークーリングと呼ばれます。
空気側エコノマイザーは、寒冷地や温帯地域ではHVACのエネルギーコストを削減し、室内空気質の改善にもつながる可能性があるが、高温多湿な地域ではほとんどの場合適していない。適切な制御を行えば、エコノマイザーは様々な気象システムが発生する地域でも使用できる。[ 2 ]
外気の乾球温度と湿球温度が十分に低い場合、水側エコノマイザーは、湿式冷却塔または乾式冷却器（流体冷却器とも呼ばれる）で冷却された水を使用して、チラーを稼働させずに建物を冷却することができます。これらは歴史的にストレーナーサイクルとして知られていますが、水側エコノマイザー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通すと汚れが発生するため、冷却塔と冷水ループの間にプレートアンドフレーム式熱交換器を挿入する方が一般的です。
空気側および水側のエコノマイザーが適切に作動するためには、適切な制御装置、バルブやダンパー、そしてメンテナンスが必要である。
一般的な冷凍エコノマイザーの形態としては、「ウォークインクーラーエコノマイザー」または「外気冷凍システム」が挙げられます。このようなシステムでは、冷凍室内の空気よりも冷たい外気が室内に取り込まれ、同じ量の暖かい室内空気がダクトを通して室外に排出されます。その結果生じる冷却効果は、コンプレッサー式冷凍システムの運転を補完または代替します。冷却室内の空気が、 それを置き換える外気よりもわずか約5°F高いだけの場合（つまり、ΔT>5 °Fの場合）、この冷却効果は、コンプレッサー式システムによる同量の冷却よりも効率的に得られます。外気が冷たすぎて室内の冷凍負荷を上回らない場合、コンプレッサーシステムも運転する必要があり、そうしないと室内の温度が上昇します。
この用語のもう1つの用法は、産業用冷凍、特に蒸気圧縮冷凍で見られます。通常、エコノマイザーの概念は、冷凍サイクルの特定の設計または機能により、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（基本的にはガス圧縮機の公称容量）、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（冷凍庫内部から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な配置）、コイルとボックスの周囲に空気を送るファン、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、コンプレッサーとコイル、周囲の空気と熱を交換するファンが含まれます。
エコノマイザー表示は、冷凍システムが圧力と温度の上昇に伴って効率が向上するという事実を利用しています。ガス圧縮機が必要とする動力は、吐出圧力と吸入圧力の比率と差（冷媒の熱容量や圧縮機の種類などの他の特性も含む）に強く相関しています。冷凍庫などの低温システムは、同じ体積で移動できる流体の量が少なくなります。つまり、低温システムでは圧縮機のポンプ効率が低下します。この現象は、-20 °F（-29 °C）のウォークイン冷凍庫の蒸発温度が約-35 °F（-37 °C）になることを考慮すると顕著です。エコノマイザーを備えたシステムは、ガス圧縮機が通常より効率的になる高圧条件下で冷凍作業の一部を行うことを目指しています。用途に応じて、この技術は、通常であればより大型のコンプレッサーを必要とするシステムに、より小型の圧縮能力で十分な圧力と流量を供給できるようにしたり、エコノマイザーがないと冷凍能力が低下するシステムの能力を向上させたり、より少ない電力で同じ量の冷凍能力を生成できるようにしたりします。
エコノマイザーの概念は過冷却と関連しており、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た場所となります。[ 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)。この条件は、 −35 °F (−37 °C)の蒸発器よりも、冷凍を生成するのにずっと適しています。
冷凍サイクルにはエコノマイザーを組み込んだ構成がいくつかあり、この考え方の恩恵を受けている。これらのシステムの設計には専門知識と追加の部品が必要となる。圧力損失、電子バルブ制御、およびオイル抵抗など、すべてを考慮しなければならない。
2台のガス圧縮機が直列に接続して圧縮を行う場合、そのシステムは2段式構成であると言われます。一般的なブースターシステムは2段式システムであり、最初の圧縮機の吐出側を冷却するための流体を受け取り、それを2番目の圧縮機に送ります。両圧縮機の中間段に到達する流体は液管から供給され、通常は膨張弁、圧力弁、および電磁弁によって制御されます。
この種の標準的な2段サイクルには、膨張弁があり、膨張して中間段に流入する冷媒の量を調整します。中間段に到着した流体が膨張すると、蒸発する傾向があり、温度が低下し、第1コンプレッサーから排出された流体と混合されると、第2コンプレッサーの吸入口が冷却されます。この種の構成では、膨張部と中間段の間に熱交換器があり、これは追加の冷凍効果を生み出す第2の蒸発器である可能性がありますが、主蒸発器ほど冷たくはありません（たとえば、空調や生鮮食品の保存のため）。中間段に到着する冷媒が、同じシステムの主蒸発器に到着する主液管を過冷却する過冷却熱交換器を通過する場合、2段システムは過冷却ブースターとして構成されていると言われます。[ 4 ]
ブースター構成でコンプレッサーを2台使用する必要性から、冷凍システムのコストが増加する傾向がある。2段式システムでは、同期、圧力制御、潤滑も必要となる。これらのコストを削減するために、専用の機器が開発されてきた。
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、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段式システムの2つ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、主吸入口と高圧ガス用の中間段側入口という2つの入力口を備えています。つまり、2台のコンプレッサーを設置する必要がなく、ブースター方式のメリットを享受できるということです。
これらのコンプレッサーには、フラッシュ式とサブクーリング式の2種類のエコノマイザー構成があります。後者は、サブクーリングを備えた2段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、サブクーリング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を下げます。このタンクで生成されたフラッシュガスは、液管から出て、スクリューコンプレッサーのエコノマイザー入口に送られます。[ 5 ]
上記のシステムは、冷凍サイクル内で圧縮機、流量計、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機構となる場合があります。これは、メインシステムから熱を奪う他の手段によって液管を過冷却する場合に当てはまります。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、液管から熱を奪い、実質的に過冷却してシステムの容量を増加させる可能性があります。[ 6 ]
近年、この目的のために特別に設計された機械が開発されている。チリのメーカーであるEcoPac Systemsは、液管の温度を安定させ、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た。 [ 7 ]このようなシステムは、冷凍システムの元の設計に干渉しないという利点があり、エコノマイザー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ある。[ 8 ]
蒸発器を出てガス圧縮機に向かうガスを過熱することによっても過冷却が生じる場合がある。[ 9 ]これらのシステムは液管から熱を奪い、ガス圧縮機の吸入管を加熱する。これは、ガスが圧縮機に到達し、液がバルブに到達することを確実にするための非常に一般的な解決策である。また、流体の温度変化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を最大化することで、熱交換器の使用を最大限にする（蒸気圧縮冷凍の基本原理である、はるかに多くの熱流を伴う現象）。
内部熱交換器は、蒸発器コイルから出る冷たいガスを利用して、膨張装置を介して蒸発器コイルの始点に向かう高圧液体を冷却する熱交換器です。ガスは、通常、液体が流れる一連のパイプがあ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、圧縮機に送られます。過冷却とは、液体を沸点以下に冷却することを指します。10 °F (5.6 °C)の過冷却とは、特定の圧力で沸点より 10 °F 低いことを意味します。過冷却値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。
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