Los economizadores ( ortografía estadounidense y Oxford ), o economizadores (Reino Unido), son dispositivos mecánicos destinados a reducir el consumo de energía , o a realizar una función útil como precalentar un fluido . El término economizador también se utiliza para otros fines. En este artículo se analizan los usos de calderas , plantas de energía, calefacción, refrigeración , ventilación y aire acondicionado ( HVAC ). En términos simples, un economizador es un intercambiador de calor .
La contribución innovadora de Robert Stirling al diseño de motores de aire caliente de 1816 fue lo que llamó el "Economisador". Ahora conocido como regenerador, almacenaba calor de la parte caliente del motor cuando el aire pasaba al lado frío y liberaba calor al aire enfriado cuando regresaba al lado caliente. Esta innovación mejoró la eficiencia del motor Stirling lo suficiente como para hacerlo comercialmente exitoso en aplicaciones particulares y desde entonces ha sido un componente de todos los motores neumáticos llamados motores Stirling.
En las calderas , los economizadores son dispositivos de intercambio de calor que calientan fluidos, generalmente agua, hasta el punto de ebullición de ese fluido, pero no normalmente más allá. Los economizadores se llaman así porque pueden hacer uso de la entalpía en corrientes de fluidos que están calientes, pero no lo suficientemente calientes como para usarse en una caldera, recuperando así más entalpía útil y mejorando la eficiencia de la caldera. Son un dispositivo acoplado a una caldera que ahorra energía aprovechando los gases de escape de la caldera para precalentar el agua fría que se utiliza para llenarla (el agua de alimentación ).
Las calderas de vapor utilizan grandes cantidades de energía elevando el agua de alimentación a la temperatura de ebullición, convirtiendo el agua en vapor y, a veces, sobrecalentando ese vapor por encima de la temperatura de saturación. La eficiencia de la transferencia de calor mejora cuando se utilizan las temperaturas más altas cerca de las fuentes de combustión para hervir y sobrecalentar, mientras se utiliza el calor residual de los gases de combustión enfriados que salen de la caldera a través de un economizador para elevar la temperatura del agua de alimentación que ingresa al tambor de vapor.
Un economizador de condensación de contacto indirecto o de contacto directo recuperará el calor residual de los productos de combustión. Una serie de compuertas, un eficiente sistema de control, así como un ventilador, permiten que todo o parte de los productos de la 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 reducir desde la temperatura de ebullición del fluido hasta poco más que la temperatura del agua de alimentación entrante mientras se precalienta esa agua de alimentación a la temperatura de ebullición. Las calderas de alta presión suelen tener superficies economizadoras más grandes que las calderas de baja presión. Los tubos economizadores suelen tener proyecciones como aletas para aumentar la superficie de transferencia de calor en el lado del gas de combustión. [1] En promedio, a lo largo de los años, [ se necesita aclaración ] la eficiencia de combustión de las calderas 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 la combustión son dos variables clave para evaluar esta eficiencia.
La combustión del gas natural necesita una determinada cantidad de aire para ser completa, por lo que los quemadores necesitan un flujo de aire sobrante para poder 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 ligadas a la temperatura de los gases y al exceso de aire. Por ejemplo, si los gases [ se necesita clarificación ] se enfrían a 38 °C y hay un 15 % de exceso de aire, entonces la eficiencia será del 94 %. [ cita necesaria ] El economizador de condensación puede así recuperar el calor sensible y latente en el condensado de vapor contenido en los gases de combustión del proceso. El economizador está fabricado de una aleación de aluminio y acero inoxidable. [ cita necesaria ] Los gases pasan a través del cilindro y el agua pasa a través de los tubos con aletas. Condensa alrededor del 11% del agua contenida en los gases. [ cita necesaria ]
El primer diseño exitoso de economizador se utilizó para aumentar la eficiencia de generación 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 arriba y abajo, entre los cuales pasaban los gases de escape de la caldera. Esta es la disposición inversa a la que suele verse, aunque no siempre, en los tubos de combustión de una caldera; allí los gases calientes suelen pasar por tubos sumergidos en agua, mientras que en un economizador el agua pasa por tubos rodeados de gases calientes. Si bien ambos son dispositivos de intercambio de calor, en una caldera los gases quemados calientan el agua para producir vapor para impulsar un motor, ya sea de pistón o turbina, mientras que en un economizador , parte de la energía térmica que de otro modo se perdería en la atmósfera se pierde. Se utiliza para calentar el agua y/o aire que entrará en la caldera, ahorrando así combustible. La característica más exitosa del diseño del economizador de Green fue su aparato raspador mecánico, que era necesario para mantener los tubos libres de depósitos de hollín .
Finalmente, se instalaron economizadores en prácticamente todas las máquinas de vapor estacionarias en las décadas posteriores a la invención de Green. Algunos emplazamientos de máquinas de vapor estacionarias conservados todavía conservan sus economizadores de Green, aunque normalmente no se utilizan. Uno de esos sitios preservados es 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 impulsaba. Otro ejemplo es el British Engineerium de Brighton & Hove, donde se utiliza el economizador asociado a las calderas del motor número 2, completo con su pequeño motor estacionario asociado. Un tercer sitio es el Museo de la Lana Trabajadora de Coldharbour Mill , donde el economizador de Green está en funcionamiento, junto con los ejes de transmisión de la máquina de vapor Pollit y Wigzell.
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 bombearlo a las calderas.
Los economizadores se utilizan comúnmente como parte de un generador de vapor con recuperación de calor (HRSG) en una planta de energía de ciclo combinado . En un HRSG, el agua pasa por un economizador, luego por una caldera y luego por un sobrecalentador . El economizador también evita la inundación de la caldera con agua líquida que está demasiado fría para hervir, dados los caudales y el diseño de la caldera.
Una aplicación común de los economizadores en las centrales eléctricas de vapor es capturar el calor residual de los gases de la chimenea de la caldera ( gases de combustión ) y transferirlo al agua de alimentación de la caldera. Esto eleva la temperatura del agua de alimentación de la caldera, lo que reduce el aporte de energía necesario y, a su vez, reduce las tasas de encendido necesarias para la producción nominal de la caldera. Los economizadores reducen las temperaturas de las chimeneas, lo que puede causar condensación de gases de combustión ácidos y daños graves por corrosión en el equipo si no se tiene cuidado en su diseño y selección de materiales.
El sistema HVAC (calefacción, ventilación y aire acondicionado) de un edificio puede utilizar un economizador del lado del aire para ahorrar energía en los edificios mediante el uso de aire exterior frío como medio para enfriar el espacio interior. Cuando la temperatura del aire exterior es menor que la temperatura del aire recirculado, el acondicionamiento con aire exterior es más eficiente energéticamente que el acondicionamiento con aire recirculado. Cuando el aire exterior es lo suficientemente frío y seco (dependiendo del clima), la cantidad de entalpía en el aire es aceptable y no es necesario acondicionarlo adicionalmente; Esta parte del esquema de control del economizador del lado del aire se denomina enfriamiento gratuito .
Los economizadores del lado del aire pueden reducir los costos de energía de HVAC en climas fríos y templados y, al mismo tiempo, mejorar potencialmente la calidad del aire interior , pero a menudo no son apropiados en climas cálidos y húmedos. Con los controles adecuados, los economizadores se pueden utilizar en climas que experimentan diversos sistemas climáticos. [2]
Cuando las temperaturas de 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 húmedo o un enfriador seco (también llamado enfriador por líquido) para enfriar edificios sin operar un enfriador . Históricamente se les conoce como ciclo de colador , pero el economizador del lado del agua no es un verdadero ciclo termodinámico . Además, en lugar de hacer pasar el agua de la torre de enfriamiento a través de un filtro y luego a los serpentines de enfriamiento, lo que causa suciedad, con mayor frecuencia se inserta un intercambiador de calor de placa y marco entre la torre de enfriamiento y los circuitos de agua enfriada.
Se necesitan buenos controles y válvulas o amortiguadores, así como mantenimiento, para garantizar el funcionamiento adecuado de los economizadores del lado de aire y agua.
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, se introduce en ese espacio aire exterior que es más frío que el aire interior de un espacio refrigerado y la misma cantidad de aire interior más cálido se conduce al exterior. El enfriamiento resultante complementa o reemplaza el funcionamiento de un sistema de refrigeración basado en compresores. Si el aire dentro de un espacio enfriado es sólo aproximadamente 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 resultante de un compresor. sistema basado. Si el aire exterior no es lo suficientemente frío para superar la carga de refrigeración del espacio, el sistema de compresor también deberá funcionar, o la temperatura dentro del espacio aumentará.
Otro uso del término se da 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 del ciclo de refrigeración , permite una reducción ya sea 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 ambas. Por ejemplo, para un congelador que se mantiene a -20 °F (-29 °C), los principales componentes de refrigeración incluirían: un serpentín evaporador (una disposición densa de tuberías que contienen refrigerante y aletas metálicas delgadas que se utilizan para eliminar el calor). desde el interior del congelador), ventiladores para soplar aire sobre el serpentín y alrededor de la caja, una unidad de condensación enfriada por aire ubicada al aire libre y válvulas y tuberías. La unidad condensadora incluiría un compresor , un serpentín 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 que necesita el compresor de gas está fuertemente correlacionada tanto con la relación como con la diferencia entre las presiones de descarga y succión (así como con otras características como la capacidad calorífica del refrigerante y el tipo de compresor). Los sistemas de baja temperatura, como los congeladores, mueven menos líquido en los mismos volúmenes. Eso significa que el bombeo del compresor es menos eficiente en sistemas de baja temperatura. Este fenómeno es notorio si se tiene en cuenta que la temperatura de evaporación de un congelador a -20 °F (-29 °C) puede rondar los -35 °F (-37 °C). Los sistemas con economizadores tienen como objetivo realizar parte del trabajo de refrigeración a altas presiones, condición en la que los compresores de gas normalmente son más eficientes. Dependiendo de la aplicación, esta tecnología permite capacidades de compresión más pequeñas para poder suministrar suficiente presión y flujo para un sistema que normalmente requeriría compresores más grandes, aumenta la capacidad de un sistema que sin economizador produciría menos refrigeración o permite que el sistema producir la misma cantidad de refrigeración usando 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 , lo que lo convierte en un buen lugar para aplicar la noción de eficiencias crecientes. [3] Recordando 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 (varía dependiendo de la temperatura de condensación). Esa condición es mucho menos hostil para producir refrigeración que el evaporador a -35 °F (-37 °C).
Varias configuraciones del ciclo frigorífico incorporan un economizador y se benefician de esta idea. El diseño de estos sistemas requiere experiencia y componentes adicionales. Se deben considerar la caída de presión, el control electrónico de la válvula y el arrastre de aceite.
Se dice que un sistema tiene dos etapas si dos compresores de gas trabajan juntos en serie para producir la compresión. Una instalación de refuerzo normal es un sistema de dos etapas que recibe fluido para enfriar la descarga del primer compresor, antes de que entre al segundo compresor. El fluido que llega a la interetapa de ambos compresores proviene de la línea de líquido y normalmente está controlado por válvulas de expansión , presión y solenoides.
Un ciclo estándar de dos etapas de este tipo tiene 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 interetapa se expande, tenderá a evaporarse , produciendo una caída de temperatura y enfriando la succión del segundo compresor al mezclarse con el fluido descargado por el primer compresor. Este tipo de configuración puede tener un intercambiador de calor entre la expansión y la etapa intermedia, que puede ser un segundo evaporador para producir un efecto de refrigeración adicional, aunque no tan frío como el evaporador principal (por ejemplo, para producir aire acondicionado o para mantener fresco). productos). Se dice que un sistema de dos etapas está configurado como 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. [4]
La necesidad de utilizar dos compresores en una configuración de refuerzo tiende a aumentar el coste de un sistema de refrigeración. Un sistema de dos etapas también necesita sincronización, control de presión y lubricación. Para reducir estos costos, se han desarrollado equipos especializados.
Los compresores de tornillo economizadores son fabricados por varios fabricantes como Refcomp, Mycom, Bitzer y York. Estas máquinas fusionan ambos compresores de un sistema de dos etapas en un compresor de tornillo con dos entradas: la succión principal y una entrada lateral entre etapas para gas a mayor presión. [ cita necesaria ] Esto significa que no es necesario instalar dos compresores y seguir beneficiándose del concepto de refuerzo.
Hay dos tipos de configuraciones de economizador para estos compresores: flash y subenfriamiento . Este último funciona como un propulsor de dos etapas con subenfriamiento. El economizador flash es diferente porque no utiliza un intercambiador de calor para producir el subenfriamiento. En cambio, 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 flash que se produce en este tanque sale de la línea de líquido y va a la entrada del economizador del compresor de tornillo. [5]
Los sistemas anteriores producen un efecto economizador al utilizar compresores, medidores, válvulas e intercambiadores de calor dentro del ciclo de refrigeración. En algunos sistemas de refrigeración, el economizador puede ser un mecanismo de refrigeración independiente. Tal es el caso del subenfriamiento de la línea de líquido mediante cualquier otro medio que extraiga el calor del sistema principal. Por ejemplo, un intercambiador de calor que precalienta agua fría necesaria para otro proceso o uso humano puede tomar calor de la línea de líquido, subenfriándola efectivamente y aumentando la capacidad del sistema. [6]
Recientemente se han desarrollado máquinas diseñadas exclusivamente para este fin. En Chile, el fabricante EcoPac Systems desarrolló un optimizador de ciclo capaz de estabilizar la temperatura de la línea de líquido y permitir ya sea un aumento en la capacidad de refrigeración del sistema o una reducción del consumo de energía . [7] Dichos sistemas tienen la ventaja de no interferir con el diseño original del sistema de refrigeración y son una forma de expandir un sistema de una sola etapa que no posee un compresor economizador . [8]
El subenfriamiento también se puede producir sobrecalentando el gas que sale del evaporador y se dirige al compresor de gas . [9] Estos sistemas extraen calor de la línea de líquido y calientan la línea de succión del compresor de gas. Esta es una solución muy común para asegurar que el gas llegue al compresor y el líquido llegue a la válvula . También permite el 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 de fase (fenómenos que implican mucho más flujo de calor, el principio básico de la compresión de vapor). refrigeración).
Un intercambiador de calor interno es simplemente un intercambiador de calor que utiliza el gas frío que sale del serpentín del evaporador para enfriar el líquido a alta presión que se dirige al comienzo del serpentín del evaporador a través de un dispositivo de expansión. El gas se utiliza para enfriar una cámara que normalmente tiene una serie de tuberías por las que pasa el líquido. Luego, el gas sobrecalentado pasa al compresor. El término subenfriamiento se refiere al enfriamiento del líquido por debajo de su punto de ebullición. 10 °F (5,6 °C) de subenfriamiento significa que es 10 °F más frío que el punto de ebullición a una presión determinada. Como representa una diferencia de temperaturas, el valor de subenfriamiento no se mide en una escala de temperatura absoluta, sino sólo en una escala relativa como diferencia de temperatura.