Criteriul de analiz

Anul I Master ;Cursul: Tehnologii eficiente pentru producerea energiei electrice i termice partea I-a pagina 23

SURSE I CICLURI TERMICE TEORETICE

n termodinamica proceselor reversibile, o surs termic ideal, conform accepiunii lui Carnot, este un sistem termodinamic ce poate s schimbe cldur cu alte sisteme fr s i modifice temperatura.Astfel de surse ideale sunt finite calitativ (parametrul intensiv ce le definete este temperatura termodinamic absolut) dar infinite cantitativ (temperatura nu se modific, indiferent de cantitatea de cldur schimbat).

Ciclurile ideale Carnot cu dou surse realizeaz urmtoarele transformri reversibile, cvasistaionare:

dou izoterme, la temperaturile celor dou surse, una pentru nclzirea agentului motor i cealalt pentru rcirea acestuia; pe parcursul lor se face schimbul de cldur cu mediul;

dou adiabate, una pentru compresia agentului motor i una pentru destinderea acestuia.

Pentru cazul general noiunile de surs cald i surs rece in seama exclusiv de relaia dintre nivelele lor de temperatur i nu de sensul schimburilor de cldur. n funcie de sensul general de circulaie a cldurii, ciclurile termodinamice pot fi:

Cicluri motoare, care primesc cldur de la sursa cald, transform o parte din aceast cldur n lucru mecanic i evacueaz restul la sursa rece. n acest caz parametrul de performan este randamentul de conversie a cldurii n lucru mecanic. Pentru ciclul Carnot avem: ( = 1-T2/T1.

Cicluri inversate, care preiau cldur de la sursa rece, consum lucru mecanic pentru ridicarea nivelului termic al cldurii, i evacueaz cldura la sursa cald. La rndul lor mainile termice cu dou surse, ce realizeaz cicluri inversate pot fi clasificate n funcie de scopul urmrit n:

maini frigorifice, care menin temperatura sursei reci i evacueaz cldur spre mediul ambiant; parametrul de performan este eficiena de rcire; pentru ciclul Carnot avem: ef rc = T2/(T1 T2).

pompe de cldur, care preiau cldur din mediu i menin temperatura sursei calde; parametrul de performan este eficiena de nclzire; pentru ciclul Carnot avem: ef rc = T1/(T1 T2).

instalaii de cogenerare frig - cldur (combinaie a celor de mai sus).

n afara ciclurilor Carnot exist i alte tipuri de cicluri teoretice cu dou surse (Rankine Hirn, Brayton, Stirling etc.). Termodinamica teoretic demonstreaz c, chiar dac procesele sunt ideale, pentru oricare alte grupe de transformri:

indicatorii de performan sunt mai cobori dect pentru ciclul Carnot ce evolueaz ntre aceleai nivele extreme de temperatur, Tmax , respectiv Tmin ;

se poate gsi un ciclu Carnot echivalent energetic cu temperaturile medii TmsTmin .

Cursul de fa se ocup numai de ciclurile motoare. Acestea pot folosi surse calde: A) convenionale (combustibili fosili), B) nucleare (reactoare nucleare de fisiune cu neutroni termici) sau C) neconvenionale / regenerabile (cldur recuperat din procese energotehnologice, biomas, energie solar sau geotermal). Ciclurile motoare cu dou surse pot fi clasificate n funcie de tipul sursei reci, n:

Cicluri de producere exclusiv de lucru mecanic (sau de electricitate), care folosesc drept surs rece mediul ambiant (ex: I.T.A. de condensaie, I.T.G. i M.P. fr recuperare de cldur). Parametrul de performan este randamentul. La producerea de electricitate (el = Wel/ Wth intr. Cicluri de cogenerare cldur - lucru mecanic (sau electricitate) care folosesc drept surs rece un consumator termic (ex.: I.T.A. de contrapresiune). Pentru asemenea instalaii cele dou forme de energie util au diferite A) grade de ordonare, B) valori de ntrebuinare i C) costuri de producere separat. Ca urmare se pot defini doi parametrii de performan:

cota din cldura intrat care se convertete n electricitate (el = Wel/ Wth intr;

cota din cldura intrat care se transmite la consumatorul termic (th = Wth livr/ Wth intr.

Suma celor dou mrimi este randamentul global de utilizare a energiei primare (global = (el + (th, iar raportul lor este indicele de structur a energiei utile ystr = (el / (th.Pe lng tipurile de baz, mai exist i instalaii rezultate prin combinaii de surse i cicluri, cum ar fi:

Instalaii cu dou surse calde (ex.: I.T.G. de cogenerare cu recuperare de cldur i postcombustie);

Cicluri cu dou surse reci din care una este mediul ambiant (ex.: I.T.A. de cogenerare cu condensaie i priz reglabil, I.T.G. i M.P. cu recuperare parial de cldur);

Cicluri cu dou surse reci, ambele fiind consumatori termici (ex.: I.T.A. de cogenerare cu contrapresiune i priz reglabil);

Cicluri binare, combinate sau suprapuse, la care cldura evacuat din ciclul nainta este utilizat la sursa cald a celui recuperator (cicluri binare Rankine Hirn i cicluri combinate T.G. - T.A.);

Cicluri combinate de cogenerare cldur - lucru mecanic (ex: T.G. + T.A. de cogenerare).

Cogenerarea cldur - Lmecanic i ciclurile combinate constituie exemple de folosire n trepte a cldurii.

Electricitatea i cldura ca forme de energie util

Electricitatea (energie ordonat:

vectorul este c.a. trifazic;

Se poate obine cu randamente bune i la costuri convenabile din diferite energii primare. Permite interconectarea surselor.

Poate fi transportat la distane mari cu randamente bune i costuri acceptabile.

Se poate transforma cu randamente mari i costuri acceptabile n energie electric de ali parametri sau n alte forme de energie.Cldura(energie dezordonat:

vectorul este: ap cald, ap fierbinte, abur;

Se poate obine cu randamente bune din combustibili curai i la costuri acceptabile din combustibili ieftini.

Poate fi transportat numai la distane mici i medii; costurile de transport sunt mari i randamentele reelelor termice sunt limitate.

Nu se poate transforma n cldur de parametri mai ridicai. Transformarea n energie de alte tipuri este supus unor restricii severe.

Se observ c Alimentarea cu electricitate poate fi o problem zonal sau naional

Alimentarea cu cldur este o problem local.Opiuni posibile ( (Producie separat sau cogenerare

Producie centralizat sau distribuitProducere separat

a electricitii i clduriiCogenerare electricitate - cldur

Producie centralizatC.T.E. (producie de electricitate) i C.T. de zon (producie de cldur)C.E.T. de mare i medie putere

Producie distribuitMicro CHE, CE folosind RES, C.T. de medie i mic putere Micro TG, M.P.

Comparaie ntre producia centralizat i distribuit

Producie centralizat ( efect de scar.

Big is beutifull:

crete randamentul, la surs;

nesimultaneitatea cererii diferiilor consumatori aplatizeaz consumul i reduce valoarea maxim;

se reduce puterea instalat i investiia total i specific, la surs;

permite tratarea efluenilor i reducerea impactului asupra mediului (la emisie i imisie);

permite valorificarea a diverse energii primare, inclusiv combustibili inferiori i energie nuclear; conduce la pierderi i costuri mai mari n reeleProducie distribuit ( aproape de consum.

Small is really beutifull?

randamentele surselor de mic putere sunt limitate;

nu beneficiaz de efectele de nesimultaneitate a cererii;

crete puterea instalat i investiia total i specific, la surs;

are posibiliti limitate de tratare a efluenilor;

permite numai valorificarea unor combustibili curai i /sau uor de transportat;

reduce pierderile i costurile reelelor de transport.

Efectul de scar poate fi contracarat la consumatori izolai;

la consumatori care cer o deosebit continuitate n alimentarea cu energie;

cnd rezerva de energie primar valorificabil local este limitat;

cnd efectul de scop devine preponderent, de exemplu la cogenerare.

Comparaie ntre producia separat i cogenerare

Producerea separat a electricitii pe cale termodinamic se face cu ( limitate de nivelele surselor i de caracteristicile ciclului termodinamic.

Cldura se poate produce separat cu randamente bune, dar se transport cu costuri mari i randamente limitate.

Efectul de scar este mai mic la producerea separat a cldurii, n special pornind de la combustibili curaiCogenerare ( efect de scop: Multipurpose is beutifull

Ciclu termodinamic produce Lmecanic, n plus, din acesta se recupereaz cel puin o parte din cldura ce s-ar fi pierdut la producerea exclusiv electricitii. Randamentul global este comparabil cu cel de producere separat a cldurii i sensibil mai mare ca la producerea separat a electricitii pe cale termodinamic;

La o serie de consumatori exist o corelaie natural ntre cererile de electricitate i cldur.

Interesul tehnic i ecologic pentru cogenerare provine din aceea c:

La producerea separat a electricitii, pe cale termodinamic, randamentele sunt mici.

Cldura neutilizat n ciclul termodinamic poate fi valorificat la consumatori termici.

La cogenerare se realizeaz o economie de combustibil n raport cu producerea separat. Aceasta reduce cheltuielile variabile i micoreaz poluarea cu produse de ardere i pe cea termic.

Numeroi consumatori necesit ambele forme de energie.

SURSE I CICLURI TERMICE REALE

La studiul ciclurilor motoare reale, vom ine seama de o serie de limitri suplimentare:

procesele termodinamice reale sunt nestaionare i, implicit, ireversibile (principalele ireversibiliti apar n procesele de transfer de cldur i n cele de curgere;

agentul motor nu este un gaz ideal; n cel mai bun caz se comport ca un gaz real;

procesele izoterme sunt dificil de realizat n tehnic pentru gazele reale;

n unele cicluri agentul motor poate fi i n stare lichid, ceea ce implic existena unor transformri de stare; aceasta permite realizarea unor transformri izobare izoterme;

ntre sursele termice i ciclul motor intervine adesea un fluid caloportor, altul dect agentul motor; tipurile proceselor transfer de cldur la surse influeneaz procesele termodinamice;

n multe cazuri (cicluri Rankine Hirn sau Brayton) transformrile fluidelor motoare au loc n decursul curgerii; pentru aceste situaii nu prezint relevan cantitile de cldur pe ciclu ci cantitile de cldur pe unitatea de agent motor, respectiv fluxurile asociate: puteri termice schimbate la cele dou surse i puterile mecanice la mainile mecano energetice;

debitul de fluid motor nu este ntotdeauna acelai la cele dou surse;

fluidul motor nu se recicleaz ntotdeauna; dup acest criteriu deosebim instalaii n circuit: A) nchis (ex. I.T.A. de condensaie); B) deschis (ex. I.T.G. i M.P. care fac schimb cu atmosfera) i C) mixt (ex. I.T.A. cu contrapresiune i recuperare parial a condensului).

n plus sursele termice reale sunt finite cantitativ din urmtoarele puncte de vedere:

puterea termic cedat (la sursa cald) sau primit (de cea rece) este limitat;

la schimbul de cldur cu agentul motor exist variaii de temperatur.

n toate tipurile de cicluri motoare, cu surse termice reale, tipul i parametrii surselor influeneaz major performanele termodinamice.

Dup temperatur deosebim surse calde de nivel termic:

ridicat (ex.: cldur dezvoltat prin arderea combustibililor);

mediu (ex.: abur geotermal, reactoare nucleare rcite cu ap uoar / grea sub presiune / n fierbere);

cobort (ex.: ap geotermal, cldur recuperat din procese tehnologice).

Dup circulaia agentului caloportor / cldurii deosebim surse calde:

cu recirculare integral a agentului caloportor i implicit a cldurii (ex.: reactoare nucleare rcite cu ap uoar / grea sub presiune / n fierbere); n acest caz: A) se poate folosi potenialul energetic al sursei i B) cnd nivelul termic de recirculare este mai ridicat, sursa se apropie de una ideal; n circuit deschis, la care dup cedarea cldurii ctre ciclul (fluidul) motor caloportorul se evacueaz n mediu; n acest caz A) nu se poate folosi potenialul energetic al sursei ( caloportorul mai conine cldur rezidual) i B) tipul procesului de transfer de cldur influeneaz major Tms a ciclului:

ex.1. - procese izobar - izoterme cu cedare de cldur latent (agent caloportor care condenseaz) procesul este mai aproape de cel ideal i Tmedie superioar se apropie de Tmaxim ; ex.2. procese de izobar - neizoterme cu cedare de cldur sensibil (gaze de ardere de la I.T.G. n cicluri combinate, agent geotermal fr reinjecie, etc.) Tmedie superioar scade mult sub Tmaxim; cu recirculare parial a cldurii agentului caloportor (ex.1: cazane cu combustibil fosil i prenclzirea aerului folosind cldura sensibil a gazelor de ardere, ex.2.: I.T.G. cu recuperare intern de cldur); performanele sunt n acest caz ntre cele dou de mai sus.Caracterul finit al surselor calde reale, nivelul lor termic, tipul proceselor de cedare primire a cldurii i circulaia fluidului caloportor / cldurii:

influeneaz n mare msur performanele ciclurilor;

provoac implicaii asupra optimizrii termodinamice a acestora.

La ciclurile cu producere exclusiv de lucru mecanic, sursa rece (mediul ambiant) este, aparent, aproape ideal, deoarece poate primi cantiti mari de cldur fr s i modifice temperatura. Totui, i n acest caz, tipul proceselor de cedare a cldurii influeneaz mult performanele ciclurilor:

n procese izobar - izoterme cu cedare de cldur latent (I.T.A., la care agentul motor condenseaz) procesul este mai aproape de cel ideal i Tmi se apropie de Tminim ; la procese de izobar - neizoterme cu cedare de cldur sensibil (I.T.G. cu evacuare de gaze de ardere fierbini n mediul ambiant) Tmedie inferioar crete mult peste Tminim .

La ciclurile de cogenerare sursa rece (consumatorul termic) limiteaz posibilitile de conversie prin caracterul finit cantitativ. n plus, nivelul termic cerut influeneaz Tmedie inferioar i performanele ciclului.Analiz comparativ a instalaiilor i ciclurilor termice

din C.T.E. i C.E.T. cu I.T.A., I.T.G. i M.P.Criteriul de analiz, tipul de instalaie

Instalaia cu Turbine

cu Abur (I.T.A.)Instalaia cu Turbine

cu Gaze (I.T.G.)Motoare cu Piston n aplicaii

Energetice (M.P.E.)

Modul de preluare a cldurii de la sursa cald

I.T.A. utilizeaz arderea extern. Agentul de lucru nu vine n contact direct cu sursa de cldur. Aceasta permite folosirea multor tipuri de surse calde (comb. inferior, comb. nuclear, cldur geotermal, etc.). Arderea atmosferic reduce ncrcarea specific i mrete volumul focarului. Transferul de cldur de la surs la agentul motor are loc printr-o suprafa, fapt ce mrete consumul de metal i impune folosirea n zona fierbinte a ciclului a unor materiale speciale, care s reziste la o temperatur mai mare dect ceea mai mare temperatur a agentului motor. Aceasta limiteaz posibilitile de cretere a temperaturii medii superioare Tms.I.T.G. i M.P.E. folosesc arderea intern sub presiune. Agentul care ntreine arderea, respectiv care rezult din ardere este i agent de lucru. Pentru limitarea eroziunii i coroziunii combustibilul folosit trebuie s fie curat (fr cenu, sulf, etc.), fapt ce limiteaz aceste instalaii la combustibil gazos i lichid i mrete cheltuielile cu combustibilul. Arderea sub presiune i n interiorul agentului de lucru majoreaz ncrcarea specific i elimin necesitatea transferului de cldur prin suprafa. n ansamblu instalaiile i reduc consumul de metal, volumul i costul. n zona fierbinte a ciclului materialele pot fi rcite la temperaturi mai mici dect cele ale agentului motor, fapt ce permite creterea Tms.

Agentul de lucru

I.T.A. energetice utilizeaz ap-abur, fluid ieftn, nepoluant, stabil chimic, uor de trasportat i depozitat. Setul de trasformri (2 izobare i 2 adiabate) cere schimbarea strii de agregare n ciclu (vaporizare la sursa cald i condensare la cea rece.) Compresia are loc n stare lichid la densiti mari i debite volumice mici; aceasta reduce lucrul mecanic de compresie n raport cu cel de destindere i mrete lucrul mecanic net pe kilogram. Agentul motor are cldur specific mare i cldur latent de vaporizare mare. Cantitile de cldur i de lucru mecanic pe kilogramul de agent sunt mari, fapt ce avantajeaz unitile de puteri mari.I.T.G. i M.P.E. folosesc aer-gaze de ardere, fr schimbarea strii de agregare n ciclu. Compresia aerului la densiti mici i volume mari necesit un lucru mecanic ce reprezint circa 50 % din cel de destindere; aceasta reduce lucrul mecanic net pe kilogram. Cldura specific a aerului, respectiv gazelor de ardere este de circa patru ori mai mic dect a apei, respectiv de circa 2,5 ori mai mic dect a aburului. Agentul motor schimb numai cldur sensibil, iar cantitile de cldur i de lucru mecanic pe kilogramul de agent sunt mai mici. Aceasta limiteaz posibilitile de cretere a Punitare.

Tipul mainilor mecanoenergetice

I.T.A. i I.T.G. utilizeaz maini mecanoenergetice de compresie (pompe, compresoare) i destindere (turbine) de tip rotativ. Ele funcioneaz fr ocuri i cu vibraii mici. Forele ineriale (centrifugale) solicit piesele mobile ntr-un singur sens (numai la ntindere), fapt ce reduce oboseala materialului. Turaiile de lucru pot fi mari i sunt limitate numai de fora centrifug. Punctele de frecare sunt puine (doar n lagre) i pot fi bine controlate i unse. Ponderea frecrilor mecanice este mic i randamentele mecanice sunt bune. Uzura prin frecare este redus, iar degradarea uleiului este mic. Nu este necesar completarea cu ulei i schimbarea uleiului se face rar. Rezult caracteristici bune de fiabilitate, disponibilitate i mentenabilitate.M.P.E. folosesc acelai tip de main mecano-energetic, cu piston, att pentru compresie, ct i pentru destindere. M.P. funcioneaz cu ocuri i vibraii mari, datorit schimbrii sensului de micare a principalei piese mobile (pistonul). Forele ineriale solicit numeroase piese att la ntindere ct i la comprimare, aceasta mrete oboseala mecanic a materialelor. Turaiile de lucru sunt limitate att mecanic ct i termodinamic (viteza de ardere). Punctele de frecare sunt numeroase i dificil de controlat (piston cilindru bol biel - arbore cotit - maneton). Randamentele mecanice sunt reduse i uzura prin frecare este accentuat. Degradarea mecanic i termic a uleiului este mare, exist consum de ulei ce se compenseaz prin completare. Schimbarea uleiului se face la intervale scurte. Caracteristicile de fiabilitate, disponibilitate i mentenabilitate sunt inferioare celor de la I.T.A. i I.T.G.

Curgerea n instalaie a agentului motor

La I.T.A. i I.T.G. curgerea este continu. Debitele masice i volumetrice mari favorizeaz creterea puterii unitare. Transformarea ciclic se realizeaz prin faptul c fluidul parcurge, pe rnd, diferite instalaii, care se pot optimiza separat. La I.T.A., aceste instalaii pot fi uzinate pe componente i sunt asamblate la central. Pentru I.T.G. mici i medii gradul de preasamblare este mare, comparabil cu cel de la M.P.E..La M.P.E. aceeai main mecano-energetic (cu piston) servete pe rnd la compresie i la destindere; n aceasta avnd loc i arderea. Curgerea este discontinu, debitele de agent scad i puterile unitare realizabile sunt mai mici. Pe de alt parte, gabaritul instalaiei este mic i gradul de tipizare este mare. M.P.E. au grad mare de preasamblare.

nchiderea ciclului la sursa rece. Influena parametrilor externi asupra performanelor.

La I.T.A. agentul motor lucreaz n circuit nchis. Sursa rece (condensatorul) funcioneaz sub vid i necesit debite mari de agent de rcire (termodinamic). Aceasta conduce la coborrea Tmi ctre valori apropiate de cea a mediului ambiant i permite realizarea unor randamente termice bune fr a crete mult temperatura n zona cald, dar poate s condiioneze amplasarea centralei de condensaie. Principalul parametru extern pe partea rece este temperatura apei de rcire, care determin variaia temperaturii i presiunii de condensare. Scderea tc i pc conduce la coborrea Tmi i creterea randamentului termic, dar i la mrirea volumului specific al aburului evacuat i a seciunii de ieire scumpind turbina i mrind pierderile de energie cinetic rezidual. Iarna, chiar cnd taer00C i Tmi>273,15K (apa trebuie s rmn lichid). n mrimi relative o variaie a temperaturii de condensare cu (10(C fa de o valoare medie de 310K (37(C) nseamn o modificare a Tmi cu (3% din valoarea de referin i o modificare a volumului specific al aburului evacuat ntre 171% i 61% din valoarea de la presiunea de condensare de referin.La M.P.E. i I.T.G. nchiderea ciclului termodinamic se face prin atmosfer (ambele aspir aer rece i evacueaz gaze de ardere fierbini). Necesarul de ap de rcire este redus la cerinele tehnologice, iar restriciile de amplasament sunt mai mici. Tmi a ciclului este ridicat, fiind puin influenat de parametrii apei de rcire i mai mult de parametrii aerului i de caracteristicile instalaiei. n ciuda Tms ridicate randamentul de conversie n lucru mecanic este limitat. Parametrii externi cu influene pe partea rece sunt presiunea i temperatura aerului. Ambele modific densitatea agentului i debitul masic aspirat. n mod curent performanele I.T.G. i M.P.E. sunt definite n condiii ISO (+15(C i 760 mm col Hg). O cretere a altitudinii cu 910 m n raport cu nivelul mrii nseamn o scdere a presiunii absolute a aerului pn la 90% din cea de referin i (la aceeai temperatur) o reducere similar a densitii aerului, a debitului masic i a puterii pe care o poate dezvolta M.P.E.. Variaiile de temperatur a aerului sunt mai largi. O modificare a temperaturii aerului cu (27(C fa de o valoare medie de 285K (12(C) corespunde unei variaii a densitii aerului i a temperaturii minime n ciclu cu (9,5%. Aceasta modific att Tmi a ciclului i (termic, cu circa (3%, ct i debitul masic i puterea dezvoltat - la aceeai presiune a aerului - cu mai mult de (10%.

Adaptarea la cogenerare.

La I.T.A. cogenerarea n contrapresiune se face utiliznd consumatorul termic drept surs rece; ea necesit ntreruperea destinderii aburului n turbin la un nivel de presiune (i termic) acoperitor n raport cu cerinele consumului de cldur. Ca urmare producia de lucru mecanic raportat la kilogramul de fluid sau la cantitatea de cldur intrat n ciclu se reduce cnd nivelul termic al cldurii livrate crete. Randamentul global este mare, apropiat de cel al unei C.T. cu C.A.I. sau C.A.F., dar eficiena producerii electricitii este condiionat de existena consumului termic.La M.P.E. i I.T.G. cogenerarea este recuperativ. La I.T.G. cea mai mare parte din cldura evacuat n atmosfer cu gazele de ardere se poate recupera la nivel termic ridicat. La M.P. se poate recupera cldura g.a. (la nivel ridicat) i cea din agentul ce asigur rcirea tehnologic a motorului. Existena consumatorului termic nu influeneaz parametrii ciclului, deci nici eficiena producerii lucrului mecanic. Producerea de electricitate poate fi independent de consumul de cldur. Randamentul global maxim al instalaiei de cogenerare se realizeaz la recuperarea integral a cldurii i este mai redus dect la I.T.A., dar cota din energia primar ce se transform n electricitate este mai mare.

Ineria mecanic i termic. Vitezele de pornire i de ncrcare.

I.T.A. necesit durate mari de nclzire la pornirea de la rece sau semicald (de ordinul orelor). Consumul de energie la pornire este mare, dar cea mai mare parte (cldura) nu provine din SEN. Consumul de durat de via la pornire este mare (n special la porniri accelerate). Dup cuplarea la reea, viteza de ncrcare este limitat. Aceste caracteristici mpiedic folosirea ca centrale de semivrf i vrf.I.T.G. i M.P.E. pot porni de la rece n durate de ordinul minutelor sau cel mult al ctorva zeci de minute. Consumul de durat de i via de energie la pornire este mic, dar necesit Lmecanic de antrenare. Viteza de variaie a ncrcrii poate fi mare. Cele de mai sus permit folosirea ca centrale de semivrf, vrf i rezerv - siguran.

Caracteristici i domenii uzuale pentru diferitele tipuri de instalaii termice motoare

Criteriul/domeniulI.T.A.I.T.G.M.P.

Punitare maxime [kW]pn la 1 500 000pn la 250 000pn la 50 000

Punitare minime economic [kW]de la 3 000100(500 (microTG)de la 25(50

Mas specific [kg/kW]

Instalaii mobile (transport)Transport greu

(naval)Transport mediu

i uorTransport mediu

i uor

Investiii specifice [$/kW]

Cheltuieli fixe1 000(2 200500(1200600(1500

Necesar de ap de rciremaref. micmic

Durate de pornire/ncrcare

C.E. mod de ncadrareLungi

BazMedii

VrfScurte

Vrf

Fiabilitate, disponibilitateF. bunBunMedie

Cheltuieli de mentenanMiciMediiMari

Tip combustibil.

Cheltuieli variabilecombustibil clasic ieftin, sau combustibil nuclearcombustibil scump, lichid sau gazoscombustibil scump, lichid sau gazos

Randament de conversie

a cldurii n Lucru mecanicBun, dar numai la Punitare mari i cu posibiliti reduse de cretereMediu, dar cu posibiliti de cretereBun nc de la Punitare mici i medii, dar cu posibiliti mici de cretere

Posibiliti de adaptare

la cogenerareBune la consumatorii termici cu durate mari de utilizare i nivel termic redusBune i la consumatorii cu (utilizare mai mici i de nivel termic ridicatBune la consumatorii cu (utilizare medii i cu o parte din consum pe nivel termic redus

Conversia n Lmecanic a cldurii unei surse calde finite n circuit deschis cu agent caloportor ce schimb numai cldur sensibil, folosind ciclul Carnot.

Fie un debit Ds [kg/s] de agent caloportor cu temperatura T11, care are cldura specific cp [kJ/(kg*grdC)] i poate s cedeze numai cldur sensibil ntr-un proces izobar. Se dorete utilizarea acestuia drept surs cald finit ntr-un ciclu termodinamic cu surs rece ideal de temperatur T2.

Puterea termic maxim ce poate fi preluat de la aceast surs, prin rcire pn la T2 este:

Pt1 max = Ds*cp*(T11-T2).

Presupunem c se folosete pentru conversie un ciclu Carnot. Reprezentm procesul n diagrama T-S (unde S poate semnifica att entropia total, ct i suprafaa de transfer de cldur), presupunnd procese ideale, inclusiv la transferul de cldur (diferen minim de temperatur este n acest caz nul).

Reprezentarea procesuluiDiagrama fluxurilor energetice

Se observ c, pentru a putea produce lucru mecanic fluidul trebuie s se rceasc pn la T12, care satisface relaia: T21,4.

Soluii tehnice de supraalimentare

M.P. cu supraalimentare slab

Utilizeaz o suflant (un compresor) de aer cu antrenare mecanic de la arborele motorului, printr-un amplificator de turaie. Aceasta mrete nivelul presiunii pe galeria de admisie peste cel din galeria de evacuare i mbuntete gradul de umplere a cilindrului. Se folosete n special la M.P. n 2 timpi, la care aspiraia aerului i evacuarea gazelor de ardere au loc aproape simultan. Datorit faptului c suflanta consum lmecanic de la arborele motorului i suprapresiunii mici ctigul de putere mecanic este nesemnificativ. n aplicaiile energetice turaia suflantei este constant.

Comentarii aspra soluiilor tehnice de supraalimentare prezentate n schemele alturate:

Prin supraalimentare se mresc simultan att producia de Lmecanic ct i consumul de combustibil. Ca urmare, randamentul indicat al unui motor supraalimentat este comparabil cu cel al motorului atmosferic din care provine. Chiar i n acest caz supraalimentarea ridic performanele motorului att tehnic (prin creterea randamentului mecanic, deoarece aceleai pierderi n valoare absolut se vor raporta la o putere intern mai mare) ct i economic (prin reducerea investiiei specifice).

Tipul supraalimentrii trebuie corelat cu numrul de timpi ai motorului.

Faptul c M.P. energetice au un numr mare de cilindri permite cuplarea ntre maini rotative, care au curgere continu (suflanta, turbina cu gaze) i cea cu curgere discontinu n fiecare cilindru, dar curgere relativ continu pe ansamblul cilindrilor.

Rcitorul intermediar i rcitorul final intr n categoria rcirilor termodinamice. Coborrea nivelului termic mbuntete performanele energetice ale M.P.. Ambele sunt rciri de joas temperatur (mai dificil de recuperat pentru cogenerare), n aceeai categorie cu rcirea uleiului.

Supraalimentarea mrete solicitrile mecanice asupra pieselor M.P. i nrutete condiiile de rcire a blocului motor. Aceasta poate limita gradul de supraalimentare.

M.P. cu supraalimentare medie

Utilizeaz o turbosuflant, format dintr-un compresor de aer i o turbin care o antreneaz. Nivelele de presiuni pe galeriile de admisie i de evacuare sunt supraatmosferice. Se folosete n special la M.P. n 4 timpi, la care aspiraia aerului i evacuarea gazelor de ardere au loc la momente diferite. Suflanta nu consum lmecanic de la arborele motorului, iar suprapresiunea este mare, ca urmare exist un ctig semnificativ de putere mecanic. Turbosuflanta are turaie ridicat i variabil cu ncrcarea, fapt ce mbuntete performanele la sarcini pariale, n special n aplicaii energetice. Rcirea amonte de galeria de admisie coboar temperatura aerului i mrete densitatea i majoreaz debitul masic aspirat, n condiiile aceluiai debit volumetric.

M.P. cu supraalimentare puternic

Schema TURBOINTERCOOLER

Utilizeaz o turbosuflant, format dintr-un compresor de aer n dou trepte (ntre care se introduce un schimbtor de cldur pentru rcirea aerului) i o turbin care o antreneaz. La fel ca mai sus: a) turbo-suflanta nu consum lmecanic de la arborele motorului i b) linia de arbori a turbosuflantei are turaie mare i variabil. Rcirea intermediar reduce lucrul mecanic de compresie, iar compresia n 2 trepte mrete presiunea de aspiraie. Nivelele de presiuni pe galeriile de admisie i de evacuare sunt puternic supraatmosferice. Se folosete la M.P. n 4 timpi. Suprapresiunea mare, pe galeria de admisie poate duce la creterea puterii mecanice pn la dublul celei a unui motor atmosferic.

Majoritatea M.P. energetice sunt cu supraalimentare:

Slab, la MD lente i semirapide n 2 timpi;

Medie, la MD i MAS semirapide i rapide n 4 timpi.

Recuperarea extern de cldur. Adaptarea la cogenerare a M.P.. Centrale electrice de cogenerare cu ardere intern, cu motoare cu piston

Ce pierderi de cldur se pot recupera (cel puin parial) la C.E.T. M.P.? O parte din pierderile n apa de rcire, cel puin cele de medie temperatur, de la rcirea blocului motor i a turbosuflantei. La limit, dac se accept uoare sacrificii la producerea de lucru mecanic, se poate recupera i cldura de la rcirea aerului n schemele cu supraalimentare. O cot din cldura sensibil a gazelor de ardere. Mrimea cotei depinde de performanele cazanului recuperator.

Ce pierderi de cldur nu se pot recupera de la C.E.T. M.P.? Pierderile prin radiaie, convecie i nearse.

Pierderile generatorului.

Observaii:

Cldura recuperat din apa de rcire poate fi folosit doar la consumatori de nivel termic redus.

Cldura sensibil a gazelor de ardere are nivel termic mai ridicat i poate fi folosit chiar pentru producere de abur tehnologic de joas sau joas spre medie presiune.

La recuperarea parial a cldurii gazelor de ardere i recuperarea integral din apa de rcire, avem situaia din diagrama Sankey de mai jos.

Schema de principiu pentru o C.E.T. - M.P.Diagrama Sankey pentru o C.E.T. - M.P.

Notaii folosite pentru diagrama Sankey a C.E.T.-M.P.

Pt rec ap rcirePutere termic recuperat din cldura evacuat cu apa de rcire

Pt rec csgaPutere termic recuperat din cldura sensibil a gazelor de ardere

(PcoPierderi cu gazele de ardere evacuate la co, dup cazanul recuperator

Pt rec totalPutere termic recuperat total: Pt rec total = Pt rec csga + (Prec ap rcire

Coeficientul de recuperare, randamentul global i indicele de structur a energiei utile la CTGT

(rec motor =Pt rec total /((Pcsga + (Pap rcire)

(brut CTGT =(Pbg+Pt_rec total)/Pt_c = (indicat*(mec*(gen + (1 - (indicat*(mecanic - (Pr+c+n/Pt_c)*(recuperare

ystructur =Pbg/Pt_livrat = (termic*(mec*(gen/(1 - (indicat*(mecanic - (Pr+c+n/Pt_c)*(recuperare

Motoare fierbini i adiabate. Recuperarea extern de cldur de la M.P. pentru TA.

Motoarele fierbini (cu temperaturi mari n circuitul de rcire) i cele adiabate (fr rcire - motoare ceramice) au urmrit creterea (indicat i (ef K, prin reducerea (Pap rcire. n practic au aprut dificulti tehnologice i nu s-a reuit un ctig semnificativ la (indicat i (ef K, deoarece (Pap rcire s-au redirecionat ctre (Pcsga. Principalul avantaj tehnic s-a dovedit a fi creterea nivelului termic al cldurii recuperate extern: 1) n aplicaii de cogenerare sau 2) pentru creterea produciei de lucru mecanic. n al doilea caz, din recuperarea de cldur de la g.a. se produce abur de joas presiune i acesta se destinde ntr-o T.A.. Avem de a face cu un ciclu combinat n care M.P. este ciclul nainta, iar I.T.A. este ciclul recuperator. Aceast combinaie permite creterea randamentului global brut de producere a electricitii pn la 46(48%. Soluia se folosete la M.P. Diesel navale de mare putere, sau n C.E. staionare. n acest ultim caz se colecteaz aburul produs de la mai multe M.P. la o singur T.A.

p2

pintermediar

Pt rec apa rc

(Pco

Pt rec csga

P

Pbg

(Pgen

(Pmec

(Pr+c+n

Pindicat

Pmk

Pcsga

de la consumator

Cazan recuperator

la consumator

Ptc

Admisie

Evacuare

GA

RF

RI

T

cilindri

MT

Aer

K2

K1

Admisie

Evacuare

GA

R

T

Aer

cilindri

MT

K

Evacuare

Admisie

cilindri

MT

Gaze

ardere

Aer

AT

K

Energie

electric

Gaze de ardere

Aer

Combustibil

(Papa rc

Pbg

(Pgen

(Pmec

(Pr+c+n

(Pcsga

Ptc

Pindicat

Pmk

3a

3

3b

3c

4b

4a

4

1

2

Vmin

Vmax

V[m3]

e2

f

a

b

c

d

e

f

h

a

b

c

d

h

e1

e2

e1

g

g

a

b

c

d

e

f

g

a

b

c

d

e2

e1

e1

e2

h

h

f

g

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

PJP 3

375 bar

700 (C

120 bar; 720 (C

23,5 bar; 720 (C

350 (C

125 bar

25 bar

15(23 mbar

5(10 (C

PJP 2

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

PJP 1

PJP 2

PJP 5

PJP 3

PJP 4

290 bar

582 (C

76 bar; 580 (C

19 bar; 580 (C

300 (C

80 bar

21 bar

23 mbar

10 (C

spre condensator

retur

tur

p[bar]

Rezervor

condens

Termof

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

n =3600 rot/min

n =1800 rot/min

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

EMBED PBrush

n =1500 rot/min

p1

intrare

ieire

priz

p1

p2

EMBED MSGraph.Chart.8 \s

Circuit prenclzire

Astfel de surse calde finite n circuit deschis sunt gazele de ardere de la o I.T.G. sau dintr-un proces energotehnologic, apa geotermal, etc..

n terminologia utilizat de constructorii de motoare cu piston raportul de compresie nu este definit n sens termodinamic, ca la ITG, ci n sens geometric, ca un raport de volume: (geometric = Vmax/Vmin .

Factorul de umplere este dependent de caracteristicile motorului. El e mai apropiat de 1 la MP n 4 timpi (la care aspiraia aerului i evacuarea gazelor de ardere se realizeaz n intervale de timp distincte) i mai mic la MP n 2 timpi (la care aspiraia aerului i evacuarea gazelor de ardere se suprapun parial).

n momentul aprinderii scnteii - la M.A.S. - sau la injecia combustibilului - la M.A.C. i Diesel-gaz.

Aceasta are un caracter general i permite identificarea proceselor i pentru motoarele n 4 timpi cu aprindere prin scnteie sau prin compresie.

Sensul fizic al acestei medii este c dac un gaz s-ar destinde ntr-un proces izobar, ntre volumele extreme Vmin i Vmax el ar produce acelai lucru mecanic ca i n ciclul real.

Determinat cu ajutorul diagramei indicate a mainii cu piston

_1135427785.xls