ALEGEREA FORMEI DE ENERGIE, A NATURII SI A PARAMETRILOR AGENTULUI TERMIC IN PROCESELE DE CONSUM FINAL

ALEGEREA FORMEI DE ENERGIE, A NATURII SI A PARAMETRILOR AGENTULUI TERMIC IN PROCESELE DE CONSUM FINAL.

1 Alegerea formei de energie

In perimetrul unui consumator final complex, asa cum este SEI, se intalnesc consumuri finale de energie sub forma de :

- energie electrica;

- energie mecanica;

- caldura;

- frig;

- aer comprimat;

- combustibil.

Problema alegerii formei de energie pentru procesele de consum apare numai in anumite situatii, atunci cand natura procesului de consum final permite mai multe alternative. Ea apare in general in fazele de conceptie si de proiectare, dar mai poate fi intalnita si atunci cand o instalatie existenta, avand caracteristicile unui consumator complex, trebuie sa se modifice, sa se modernizeze sau sa se reabiliteze.

Practica arata ca problema alegerii formei de energie apare in trei cazuri :

- masini rotative si masini unelte care necesita antrenare;

- procese si instalatii diverse care necesita incalzire;

- procese si instalatii diverse care necesita racire sau refrigerare.

Alegerea uneia dintre alternativele posibile din punct de vedere tehnic trebuie sa ia in consideratie mai multe aspecte. In primul rand este considerata natura procesului de consum final si modul de desfasurare a activitatii respective (continuu, discontinuu, ciclic, etc). Viteza si amplitudinea variatiei cererii de energie care decurg din natura si modul de desfasurare a procesului pot sa excluda din start anumite solutii sau variante de alimentare cu energie.

In al doilea rand, forma de energie considerata convenabila de catre proiectant trebuie sa fie si accesibila. Aceasta presupune ca in interiorul sau in apropierea amplasamentului consumatorului final sa existe fie o sursa de energie, fie o retea de distributie a acesteia. Natura si potentialul eventualelor resurse energetice secundare disponibile in interiorul sau in apropierea amplasamentului pot influenta de asemenea alegerea formei de energie consumate.

In al treilea rand trebuie considerate restrictiile legate de mediul inconjurator din zona amplasamentului consumatorului final sub aspectul integrarii consumatorului final respectiv in ansamblul din care face parte, sub aspectul cerintelor privind compozitia si calitatea atmosferei, sub aspectul sigurantei personalului de exploatare si intretinere, etc.

In al patrulea dar cu siguranta nu in ultimul rand trebuie avute in vedere costurile de orice fel asociate unei anumite solutii de alimentare cu energie (costuri de investitii, costuri de exploatare, chirii, etc), care de cele mai multe ori au importanta cea mai mare.

Pentru procesele consumatoare de lucru mecanic, cunoscute si sub denumirea de procese de forta, se utilizeaza aburul, aerul comprimat sau alte gaze sub presiune. In aceste cazuri, natura si parametrii agentului purtator care transporta energia potentiala de la locul de producere la locul de consum final sunt impuse atat de proces cat si de tipul aparatului sau agregatului consumator, corelate si cu marimea lucrului mecanic sau puterii necesare.

In cazul masinilor rotative (pompe, compresoare, ventilatoare) si al masinilor unelte, care in principiu pot fi antrenate fie cu motoare electrice fie cu motoare termice (turbine cu abur, turbine cu gaze, motoare cu ardere interna). Comparatia intre solutiile tehnic posibile se face cu ajutorul unui indicator de performanta economica convenabil.

Considerand ca cererea de energie a consumatorului final este definita cu ajutorul a doua marimi, puterea maxima P_max si durata de utilizare a acesteia t_u si ca fiecare dintre cele doua solutii de antrenare este definita de cate un randament global, h_e si respectiv h_t, si de cate o investitie specifica totala, i_e si respectiv i_t, comparatia economica intre cele doua variante se poate face pe baza cheltuielilor totale actualizate.

Conform celor aratate in capitolul 2, CTA = Ia + Ct daa. Ia reprezinta investitia totala actualizata, Ct reprezinta cheltuielile totale anuale, aceleasi in fiecare an din perioada de activitate a consumatorului final, iar daa reprezinta durata de activitate actualizata a motorului de antrenare. Considerand ca Ct = Cv + Cf si ca in categoria cheltuielilor variabile Cv intra numai cheltuielile cu energia consumata de motor, restul cheltuielilor anuale conventional fixe (Cf) va putea fi exprimat ca o cota x din investitia totala. In acest fel, fiecare dintre solutii va fi caracterizata printr-o valoare a acestei cote, x_e si respectiv x_t.

Diferenta intre cheltuielile totale actualizate pentru fiecare dintre cele doua solutii poate fi exprimata in valoare absoluta sau in valoare relativa, raportata la puterea maxima ceruta de consumator :

DCTA = CTA_t - CTA_e = P_max (i_t - i_e + daa (x_t i_t - x_e i_e) + daa t_u(p_b/h_t - p_e/h_e) = P_max w

Pentru aplicatia numerica se vor considera urmatoarele valori : i_t = 1000 USD/MW, i_e = 300 USD/MW, h_t h_e = 0,8, p_b = 12 USD/MWh, p_e = 40 USD/MWh, x_t = 0,04, x_e = 0,02, t_u = 1500 ore/an, daa = 5 ani. Rezulta w = -14120 USD/MW, ceea ce semnifica faptul ca, in cazul aplicatiei numerice, varianta cu motor termic este mai eficienta avand cheltuielile totale actualizate mai mici.

2 Alegerea naturii si parametrilor agentilor termici purtatori

Alimentarea cu energie termica a unui consumator final presupune intotdeauna asigurarea unui anumit debit de caldura la un anumit nivel termic, ambele marimi fiind impuse de natura si modul de desfasurare a procesului, precum si de caracteristicile aparatului consumator.

Debitul de caldura respectiv poate fi generat prin intermediul energiei electrice direct la locul de consum sau poate fi generat prin arderea unui combustibil. La randul lui, combustibilul poate fi ars direct la locul de consum final sau intr-o centrala termica, de unde este transportat pana la consumatorul final prin intermediul unui agent termic purtator. Recurgerea la energie electrica pentru alimentarea cu caldura este o solutie justificata in special in cazurile in care aceasta este generata in CHE sau CNE, in ultima instanta marimea facturii energetice fiind determinanta pentru alegerea unei astfel de solutii.

Varianta alimentarii cu caldura rezultata prin arderea unui combustibil fosil este cea mai des intalnita in practica. Arderea combustibilului direct la locul de consum final este o solutie mai putin utilizata, astfel incat de cele mai multe ori consumatorul este alimentat cu caldura prin intermediul unui agent termic purtator (vector caloric).

Pentru procesele de incalzire sau racire natura si parametrii agentilor termici de transport depind in primul rand de regimul termic impus la aparatul consumator, regim exprimat prin intermediul temperaturii maxime t₁. Din acest punct de vedere, procesele de consum se pot imparti in mod conventional in urmatoarele categorii:

- de joasa temperatura, cu t₁ < 100C;

- de medie temperatura, cu 100 < t₁ £ 200C;

- de inalta temperatura, cu t₁ > 200C.

In primul rand agentul termic trebuie sa fie un fluid (lichid sau gaz), care sa poata circula prin conducte sau canale. In majoritatea proceselor de incalzire, agentii termici utilizati sunt apa, aburul, gazele de ardere si aerul. In situatii mai deosebite se poate recurge la fluide organice.

Alegerea naturii si parametrilor unui agent termic are la baza calcule tehnico-economice comparative, care sa tina seama de ansamblul sistemului de alimentare cu caldura. Rezultatul acestor calcule este influentat de caracteristicile constructive si de functionare ale aparatelor consumatoare, precum si de aspectele de natura energetica ale sistemului de alimentare cu caldura.

Compara'ia economica porneste de la urmatoarele aspecte. Debitul de caldura sau puterea termica transportata de un agent termic poate fi exprimata cu ajutorul relatiei :

Q = C₁ d² w r Dh    (1)

In relatia de mai sus C₁ este o constanta, d este diametrul conductei prin care circula agentul termic, w este viteza acestuia, r este densitatea sa iar Dh este diferenta de entalpie specifica. Puterea consumata pentru circularea (pomparea, ventilarea, etc) agentului termic prin sistemul de conducte (exceptand deci pierderile de sarcina la sursa si in aparatul consumator) poate fi exprimata cu ajutorul relatiei :

P = C₂ r d l w³ (2)

In aceasta relatie l reprezinta lungimea traseului conductelor, iar C₂ este o constanta.

Investitia in sistemul care asigura alimentarea cu caldura al consumatorului final este estimata printr-o relatie de forma :

I = C₃ p d² l + C₄    (3)

In aceasta relatie p este presiunea interioara iar C₃ si C₄ doua constante.

Aburul cedeaza la consumator caldura sa latenta si condenseaza. Celelalte fluide susceptibile sa fie utilizate ca agenti termici cedeaza numai o parte din caldura lor sensibila, proportionala cu caldura specifica volumica si cu diferenta de temperatura. In afara capacitatii specifice de transport, in alegerea substantei cu rol de acumulator de caldura trebuie luate in considerare si proprietati ca densitatea, conductivitatea termica, vascozitatea, presiunea de vapori, coeficientul de dilatare, agresivitatea chimica, stabilitatea termica, toxicitatea, inflamabilitatea, explozivitatea si nu in ultimul rand costul acelei substante. Acesti factori determina intensitatea transferului de caldura, energia consumata pentru pompare, durata de viata si in final costurile de investitie, de operare si de intretinere.

O comparatie intre utilizarea aburului si a apei fierbinti are in vedere atat aspectele tehnice cat si pe cele economice. Printre aspectele tehnice, comparatia ia in considerare efectul returnarii sau nereturnarii agentului termic la sursa de caldura (CT, CET, etc). Nereturnarea partiala sau integrala necesita complectarea la sursa de caldura cu un debit egal de apa de adaos, fapt care presupune disponibilitatea unei capacitati corespunzatoare de tratare chimica a agentului termic de adaus pana la nivelul impus de calitatea apei de alimentare a cazanelor. Ca urmare, utilizarea ca agent termic a aburului, care se impurifica mai usor decat apa fierbinte, conduce la un consum suplimentar de apa de adaos si marirea corespunzatoare a capacitatii instalatiilor de tratare chimica a acesteia.

Complexitatea problemelor de exploatare ale sistemelor de alimentare centralizata cu caldura constitue un alt aspect al comparatiei. In cazul utilizarii aburului ca agent termic, sistemele sunt mai complicate si necesita un personal de exploatare si de intretinere cu pregatire superioara.

Reglarea cantitatii de caldura livrata consumatorilor este mai usor de realizat in mod centralizat in cazul aburului. Transportul si distributia la distanta a apei fierbinti se face cu ajutorul pompelor de circulatie, care permit atingerea unor distante de ordinul zecilor de kilometri. In cazul aburului, distantele de transport sunt limitate la ordinul kilometrilor, datorita presiunii initiale mari pe care trebuie sa o aiba la sursa si a posibilitatii condensarii lui pe traseu pana la consumator.

Avand in vedere toate aceste aspecte tehnice, rezulta ca alegerea intre apa fierbinte si abur trebuie sa tina seama de conditiile concrete impuse de consumatori si de cele determinate de eficienta energetica de ansamblu a sistemului de alimentare cu caldura. Analiza economica comparativa urmareste sa puna in evidenta cantitatea de caldura si de energie electrica (in cazul CET) livrata de sursa de caldura in functie de natura agentului termic (abur sau apa fierbinte). In ambele variante comparate efectele utile sunt aceleasi. In general, concluzia comparatiei energetice este aceea ca apa fierbinte conduce la o putere electrica produsa in regim de cogenerare si livrata in reteaua publica mai mare decat in cazul aburului. Diferenta creste odata cu distanta de transport a caldurii.

3 Aerul comprimat

Aerul comprimat este un agent purtator de energie potentiala (de presiune) utilizat in intreprinderile industriale, in special pentru mecanizarea si automatizarea proceselor de productie. El nu este un agent termic. Obtinerea lui presupune un consum de energie mecanica si nu unul de energie termica.

Utilizarea aerului comprimat in proceselee tehnologice se justifica prin aceea ca aerul nu este explozibil, nu arde, nu condenseaza, nu este toxic sau poluant si este disponibil in cantitati nelimitate. In general, investitiile aferente instalatiilor pneumatice sunt mai mici decat cele aferente instalatiilor electrice. Mecanismele pneumatice permit functionarea in conditiile unui mediu umed, exploziv si la temperaturi inalte. Aparatele si dispozitivele actionate pneumatic au la randul lor o serie de avantaje :

constructie simpla

consum redus de materiale

prezinta posibilitatea standardizarii elementelor componente

siguranta in exploatare.

Producerea, distributia si consumul aerului comprimat sunt afectate de pierderi calitative si cantitative. Eficienta energetica a producerii aerului comprimat, denumita si "eficienta pneumatica", se exprima prin raportul intre lucrul mecanic util efectuat de unitatea de aer comprimat in aparatul consumator si lucrul mecanic consumat de compresorul de aer.

Pierderile in sistemul de producere apar in motorul de antrenare al compresorului si in compresorul propriu-zis. Ponderea cea mai mare o au pierderile in compresor, a caror reducere se poate obtine prin fractionarea comprimarii in mai multe trepte, fiecare dintre ele urmata de o racire intermediara. Pierderile compresorului mai depind de gradul mediu de incarcare, de solutia de antrenare si de metoda de reglare a debitului.

Pierderile prin scapari sunt determinate de neetanseitatile traseului aerului de la sursa la consumator (jocuri la cilindri, sertare, supape si robinete).

Pierderile prin scapari apar in cazul mecanismelor pneumatice atat la mersul in sarcina cat si la mersul in gol. De multe ori, pierderile de aer comprimat prin scapari depasesc ca valoare consumul util. De aceea, se recomanda determinarea periodica a scaparilor, atat in timpul exploatarii cat si dupa reparatii. Scaparile se pot determina cu ajutorul contoarelor, iar in cazul lipsei acestora sau a unei precizii insuficiente, ele se pot determina prin masurarea caderii de presiune a aerului in conducta principala, cu consumatorii deconectati. Experienta practica a dovedit faptul ca, in cazul instalatiilor uzate, valoarea pierderilor prin scapari poate ajunge la 30 - 40% din volumul total de aer vehiculat.

Pentru diminuarea pierderilor prin scapari, un rol important il are starea tehnica si modul de exploatare a dispozitivelor de inchidere si reglare. Cresterea gradului de automatizare conduce la eliminarea pierderilor prin scapari din timpul opririlor. Nerespectarea normelor de dimensionare si constructie a consumatorilor pneumatici si a sistemelor de distributie a aerului comprimat conduce la scaderea presiunii aerului de alimentare si implicit la functionarea nesatisfacatoare a acestora.

Pierderile sub forma de caldura apar in cazurile in care, pentru economisirea aerului comprimat, se recurge la cresterea temperaturii acestuia. Pentru diminuarea pierderilor de caldura in mediul ambiant, direct proportionale cu temperatura aerului, este necesara izolarea termica corespunzatoare a conductelor de aer comprimat.

Pierderile prin frecare sunt determinate de rezistentele intampinate la curgerea aerului de la sursa de producere pana la cei mai indepartati consumatori. Pentru reducerea acestor tipuri de pierderi este necesara reducerea vitezei aerului comprimat la cca 12 - 15 m/s, iar in cazul conductelor foarte lungi chiar pana la 10 m/s.

Aerul poate contine o anumita cantitate de umiditate care poate condensa in conductele de distributie, conducand la depuneri importante pe traseu precum si la coroziunea retelelor de aer comprimat si a instalatiilor consumatoare. De aceea, este necesara uscarea corespunzatoare a aerului, ceea ce implica echiparea cu rezervoare de separare a condensatului precum si cu filtre speciale amplasate inaintea instalatiilor consumatoare de aer comprimat.

Pierderile la evacuare apar la iesirea aerului comprimat din retelele de distributie si intrarea in aparatele consumatoare, in special datorita reglarii incorecte a organelor de admisie a aerului comprimat.