Producerea si utilizarea caldurii - Cazanul de abur, Turbina cu abur, Termoficare

Producerea si utilizarea caldurii

1. Cazanul de abur

Caldura ca forma de energie a materiei, are un larg camp de intrebuintare, in toate ramurile economiei nationale. Practic, nu exista obiectiv industrial, agricol sau de alta natura in care sa nu fie prezent un proces de producere si utilizare a caldurii. In cadrul unui asemenea proces se deosebesc trei elemente de baza: producatorul de energie calorica, purtatorul de energie (agentul termic), care, de regula, este un fluid (apa, abur, gaze etc.) si consumatorul de energie care o poate utiliza ca atare sau o poate transforma intr-o alta forma (energie mecanica, electrica etc.).

Principalul exponent al masinilor producatoare de energie termica este cazanul de abur. Intr-o centrala termoenergetica moderna se pot intalni unul sau mai multe grupuri de cazane de abur in care energia electrica a combustibililot este transformata prin ardere in energie calorica.

Partea de rezistenta a cazanului o constituie un schelet metalic, captusit cu material refractar, pe care sunt fixate subansamble functionale.

Arderea combustibilului are loc intr-un spatiu denumit focar in care se afla arzatoarele construite diferentiat in functie de tipul combustibilului utilizat: solid, lichid sau gazos.

Din punct de vedere termic, intr-un cazan de abur se deosebesc doua circuite de baza: circuitul gazelor de ardere si circuitul agentului termic (apa, respectiv aburul).

Apa este adusa in stare de fiebere si transformata in vapori datoria caldurii produsa prin arderea combustibilului in focarul cazanului. Procesul de transmitere a caldurii, de la flacari si gaze de ardere la apa se face prin cele trei moduri cunoscute: prin radiatie de la flacari la tevile sistemului fierbator, in care circula apa, prin convectie de la gazele de ardere cu temperatura ridicata la tevile schimbatoarelor de caldura, de diverse tipuri, montate in cazan, si prin conductie, prin peretii acestor tevi, la apa.

In focar si canalele de gaze, produsele de ardere se scurg in jurul tevilor cazanului, cedand o parte din caldura, fapt care determina scaderea temperaturii lor. Se urmareste ca dupa trecerea prin tot circuitul de gaze, care poate fi mai lung sau mai scurt in functie de tipul cazanului, temperatura produselor de ardere sa fie cat mai apropiata de temperatura atmosferica in asa fel incat sa nu se evacueze la cos gaze cu energie termica recuperabila.

Analizand regimul termic din cazan se constata ca temperatura gazelor de ardere creste de-a lungul canalului de gaze ascendent, atingand - in cazul cazanelor de inalta presiune - valori de circa 900 - 1000sC la partea de sus si scade treptat in zona canalului descendent.

In functie de temperaturile existente de-a lungul canalelor de gaze, se dispun elementele componente ale cazanului (schimbatoarele de caldura). Astfel, circuitul apei si aburului debuteaza in partea finala a circuitului gazelor de ardere. Acolo debuteaza in partea finala a circuitului gazelor de ardere. Acolo este dispus economizorul care asigura o prima incalzire a apei, pe seama caldurii gazelor de ardere care urmeaza a fi evacuate la cos. In acest fel se utilizeaza aproape intreaga caldura a gazelor de ardere iar apa, care iese din economizor cu o temperatura mai ridicata decat cea de la exterior, este introdusa in tevile dispuse jur-imprejurului focarului, fiind necesara o cantitate de caldura mai redusa pentru vaporizare.

Procesul de fierbere si vaporizare a apei are loc in sistemul fierbator al cazanului format dintr-o retea de tevi metalice care captusesc peretii focarului si ai canalelor de gaze calde. Datorita caldurii flacarilor si gazelor de ardere, apa se incalzeste puternic si se ridica la partea superioara a cazanului. La agregatele moderne, de mare putere, circulatia apei se face fortat sub actiunea unei pompe.

La partea de sus a cazanului se afla supraincalzitorul - unul din elementele esentiale ale agregatelor in care se produce abur cu parametrii ridicati (presiune si temperatura).

In supraincalzitor se realizeaza uscarea aburului obtinut in sistemul de tevi fierbatoare si ridicarea temperaturii lui peste temperatura de saturatie. In principiu, supraincalzitorul este un sistem de tevi serpentina asezate in canalul de gaze si racordate in paralel la un colector de abur. Gazele avand temperaturi de 900 - 1000sC "spala" serpentinele supraincalzitorului ridicand temperatura aburului la valori de 300 - 500sC. Dintre toate suprafetele de incalzire ale unui cazan de abur, supraincalzitorul se gaseste in cele mai grele conditii de temperatura si presiune, asa cum rezulta din datele prezentate mai sus.

Pe ultima parte a traseului gazelor de ardere se dispun preincalzitoarele de aer. Acestea au rolul de a preincalzi aerul care se introduce in focar pentru intretinerea arderii, in asa fel incat sa se utilizeze cat mai judicios caldura gazelor de ardere, pentru a se evita preluarea unei cantitati considerabile de caldura in focar.

Bineinteles ca dispunerea subansamblelor nu este aceeasi la toate agregatele de cazane. In functie de tipul constructiv, locul de utilizare, felul combustibilului, capacitatea si parametrii aburului etc., subansamblele cazanului pot fi construite din una, doua sau mai multe celule, sau pot fi combinate astfel ca practic exista o mare varietate constructiva in acest domeniu.

Pentru ca gazele de ardere produse in focar prin arderea combustibilului sa se poata deplasa prin canalele de fum ale cazanului, unde transmit caldura prin intermediul suprafetelor de incalzire, este necesara o forta exterioara, numita tiraj.

Acesta are si rolul de a impiedica gazele de ardere sa iasa afara din inzidire prin usi de incarcare, ferestre de observatie etc.

Tirajul poate fi natural, cand este creat cu ajutorul unui cos inalt, sau artificial cand este creat cu ajutorul ventilatoarelor.

Actiunea cosului se bazeaza pe diferenta greutatilor specifice a doua coloane de gaze: de o parte aerul rece exterior si de cealalta parte gazele de ardere, calde. Coloanele de aer exterior fiind mai grea decat coloana gazelor de ardere exercita o presiune continua asupra coloanei gazelor de ardere, determinand deplasarea acesteia de-a lungul canalelor. Tirajul intr-un cazan este cu atat mai puternic cu cat corpul de fum este mai inalt si cu cat temperatura gazelor care ies la cos este mai mare. In general depresiunea (tirajul) este de ordinul catorva zeci de milimetri coloana de mercur.

2. Turbina cu abur

In cadrul procesului de utilizare a caldurii, energia potentiala a aburului produs in cazan poate fi transformata in energie cinetica cu ajutorul turbinei cu abur. Datorita perfectionarii actuale turbinele cu abur au devenit cele mai puternice motoare termice, putand dezvolta puteri de ordinul a 200.000 kW.

Principal, functionarea turbinei cu abur este similara functionarii turbinei cu apa: un jet de fluid loveste puternic paletele unei roti punand-o in miscare.

In ajutaje, care au o seciune variabila simplu convergenta sau convergent-divergenta are loc un proces de destindere a aburului, adica transformarea unei parti din energia potentiala - presiune si temperatura - in energie cinetica - viteza.

Un al doilea proces de transformare are loc in canalele formate de paletele montate pe discuri, unde energia cinetica a aburului este convertita in lucru mecanic, materializat in miscarea discului.

Daca destinderea aburlui se produce numai in ajutaje masina se numeste turbina de actiune. In cazul cand procesul de destindere continua si in canalele formate de palete - ca urmare a unei forme constructive adecvate - masina se numeste turbina cu reactiune. La acest tip de turbina lucrul mecanic este produs atat ca urmare a actiuniii directe exercitate de abur asupra paletelor, cat si ca urmare a reactiunii exercitate de jetul de abur in urma destinderii sale dintre palete.

Pentru o utilizare rationala a energiei potentiale a aburului, la turbinele actuale, destinderea se realizeaza treptat in mai multe grupe de discuri ajutaj-palete. Turbinele cu trepte de presiune sunt mai mari si mai complicate din punct de vedere constructiv, dar prezinta avantajul de a permite utilizarea energiei termice in proportie de 75 - 85%. Turatia lor se incadreaza in limitele normale cerute de consumatori, fapt ce poate fi realizat foarte usor, deoarece viteza aburului la iesirea din ajutaje poate fi aleasa dupa dorinta, prin impartirea intervalului de presiune total intr-un numar mai mare sau mai mic de trepte. De regula, la turbina cu trepte de presiune viteza aburului la iesirea din ajutaje este cuprinsa intre 200 - 500 m/s.

Parametrii ridicati ai aburului la intrarea in turbina, care la agregatele moderne sunt de ordinul a 150 - 300 at pentru presiune si 540 - 570sC pentru temperaturi, impun folosirea unor materiale corespunzatoare la constructia acestor masini pe de o parte si o atentie sporita la exploatarea lor pe de alta parte.

Utilizarea aburului cu parametri inalti este justificata prin obtinerea unui randament superior al turbinei.

Functionarea turbinelor este legata de existenta unor instalatii auxiliare care prezinta pericol de incendiu. Astfel, in centralele electrice, turbinele cu abur poseda un sistem de ungere sub presiune si un sistem de reglaj, ambele deservite de un circuit de ulei. Rezervorul de ulei cuprinde in medie o cantitate de 16 - 30 tone ulei, dar exsita instalatii a caror capacitate ajunge la 80 tone ulei.

Asigurarea protectiei contra incendiilor in conditiile existentei unei mari cantitati de lichid combustibil in vecinatatea instalatiilor prin care circula abur cu presiune si temperatura inalta, ridica o serie de probleme speciale a caror rezolvare impune adoptarea unor solutii diversificate, atat din punct de de vedere constructiv cat si al exploatarii.

3. Termoficare

Analiza modului cum se utilizeaza caldura obtinuta prin arderea combustibilului dezvaluie faptul ca randamentul efectiv al acestui proces se situeaza in jurul valorilor de 25 - 30%.

Gradul de utilizare a caldurii poate fi marit prin perfectionarea mijloacelor termotehnice de transformare a energiei termice in energie mecanica si printr-o gospodarie judicioasa a aburului ramas, pentru incalzire, in cadrul unui ansamblu de masuri denumit termoficare.

Practic aceasta se realizeaza prin folosirea aburului iesit din turbina, avand parametrii termici relativ scazuti pentru a mai efectua lucru mecanic in mod economic, dar suficient de mari pentru a utiliza in incalzire (p = 1,2 - 2,5 at si t > 100sC).

Cand sunt necesare presiuni sau temperaturi mai ridicate - indeosebi pentru utilizari industriale - se poate preleva o cantitate de abur printr-o priza de la o treapta intermediara a turbinei.

Instalatiile de termoficare sunt construite ca anexe ale centralelor electrice (termocentrale).

Aburul sau apa fierbinte din sistemul de termoficare circula prin tevi si radiatoare in instalatii de incalzire ale cladirilor si obiectivelor industriale. Daca agentul termic este incalzit intr-un cazan de dimensiuni mai mici, propriu unei anumite cladiri, instalatia respectiva poarta denumirea de instalatiei de incalzire centrala.

Apa calda produsa in cazanul situat in subsolul cladirii se ridica datorita micsorarii greutatii specifice prin incalzire sau este antrenata de o pompa hidraulica la nivelul cel mai inalt al cladirii intr-un vas de distributie de unde printr-un sistem de tevi este repartizat in radiatoarele incaperilor se produce un schimb complex de caldura: apa calda sau aburul cedeaza caldura peretilor prin conductie, apoi are loc din nou un proces de convectie a caldurii intre radiator si aerul din camera. Transmiterea caldurii este relativ scazuta deoarece temperatura radiatorului are valori mici. Dupa ce a cedat o parte din caldura prin radiatoare apa calda este condusa prin tevi la un cazan unde se reincalzeste si reia circuitul de la capat.

4. Motorul cu ardere interna

Dintre toate masinile termice, motorul cu ardere interna are incontestabil cea mai mare arie de raspandire si utilizare. Fabricate intr-o gama de puteri foarte larga, de la fractiuni de cal-putere pana la zeci de mii de cai-putere, intr-o multitudine de variante constructive, motoarele cu ardere interna servesc la transformarea energiei chimice a unui combustibil prin ardere, in energie cinetica.

Spre deosebire de alte motoare termice cum ar fi masina cu aburi (locomotiva) sau turbina, la care pregatirea agentului termic, care executa lucrul mecanic, se face separat de spatiul unde energia potentiala a acestui agent se transforma in energie cinetica, la motoarele cu ardere interna convertirea energiei chimice a combustibilului in energie potentiala a unui amestec de gaze (arderea) si apoi in energie cinetica a organelor masinii se face in acelasi spatiu (cilindrii cu piston sau camere de combustie care fac parte integranta din corpul motorului).

Indiferent de tipul motorului - cu piston si aprindere prin scanteie. Diesel, rotativ sau cu pistoane libere - procesul de obtinere a lucrului mecanic are anumite elemente comune din punct de vedere termic. Astfel o prima etapa in functionarea motorului cu ardere interna consta in pregatirea amestecului de ardere prin amestecarea combustibilului cu aerul in cantitati bine definite, in vederea realizarii unei arderi complete. Urmeaza aprinderea prin scanteie sau autoaprinderea amestecului combustibil si ridicarea parametrilor termici - presiunea si temperatura. In cilindrii motorului presiunea actioneaza asupra pistonului determinand deplasarea sa si deci, obtinerea unui lucru mecanic util. Etapele procesului termic desfasurat in motor nu conincid cu timpii de functionare ai motorului (admisie, compresie, explozie, evacuare).

Miscarea de translatie a pistonului este transformata in miscare de rotatie a arborelui cu ajutorul mecanismului biela-manivela.

In ultimul timp au fost construite motoare cu pistoane rotative (de sectiune triunghiulara care se rotesc in interiorul unei carcase) unde a fost eliminat mecanismul biela-manivela.

5. Compresorul

Masinile termice prezentate mai sus transforma energia potentiala a unui agent termic in energie potentiala a unui agent termic in energie cinetica. Uneori insa, este necesar sa se dispuna pentru anumite procese industriale de un gaz cu presiune ridicata. Aceasta poate fi obtinut cu ajutorul compresorului (masina termica ce transforma energia mecanica in energie potentiala a unui gaz). Constructiv, compresorul prezinta numeroase similtitudini cu un motor. Subansamblul principal al unui compresor il constituie tot cilindrul in care se deplaseaza un piston. Diferenta consta in faptul ca spre deosebire de motor, in cazul compresorului pistonul este miscat, prin intermediul mecanismul biela-manivela si al arborelui cotit, de o sursa de energie exterioara. Ca si motorul, compresorul dispune de un sistem de supape prin care se face admisia gazului in cilindru si respectiv refularea, la o presiune mai ridicata, intr-un rezervor.

Din cauza unor caracteristici constructive si functionale instalatiile de compresoare prezinta anumite pericole de incendiu care trebuie cunoscute si inlaturate. Astfel, in cazul compresoarelor de aer se formeaza amestecuri explozive de vapori de ulei (folosit la ungerea masinii) si aer care in anumite concentratii (6 - 11%) pot exploda la temperaturi relativ scazute.

Compresoarele utilizate in obiective din industria chimica pentru ridicarea presiunii unor gaze ca amoniac, acetilena, oxigen etc. prezinta pericole deosebite de incendiu si explozie, de aceea in fiecare caz se iau o serie de masuri constructive si de exploatare. Spre exemplu compresoarele pentru acetilena sunt prevazute cu un sistem de racire eficienta, iar in anumite situatii se amplaseaza sub apa, existand astfel si posibilitatea urmaririi etanseitatii cilindrilor de lucru. La compresoarele pentru oxigen, toate organele care vin in contact cu gazul se executa din bron sau otel inoxidabil. Tinand seama de faptul ca in prezenta uleiului sau a substantelor grase oxigenul aflat sub presiune produce explozii, la acest tip de compresoare, drept lubrifiant se foloseste apa.

In fiecare caz trebuie analizata comportarea gazului respectiv in intervalul de temperaturi si de presiuni la care lucreaza instalatia, modificarile de stare care pot surveni in conditiile existente in instalatie, interactiunea gazului cu materialele din care este construita instalatia s.a.m.d.