Elemente caracteristice ale proceselor termice industriale

Elemente caracteristice ale proceselor termice industriale

Sunt analizate principalele caracteristici ale proceselor energo-tehnologice, in ideea colaborarii continue intre tehnolog si energetician, care este indispensabila unei gospodariri energetice eficiente, incepand cu faza de conceptie si proiectare si terminand cu exploatarea:

v    tehnologul stabileste conditiile impuse de procesul tehnologic in ipoteza unei calitati si productivitati maxime,

v    energeticianul trebuie sa rezolve problema alimentarii cu caldura, in ipoteza unor consumuri specifice cat mai mici, in limitele inca acceptabile pt. procesul tehnologic.

1 Procese caracteristice in termoenergetica industriala

Dpdv energetic (adica al formei si destinatiei energiei utilizate), procesele de productie industriale caracteristice sunt:

procese de forta - pt. prelucrarea mecanica si transportul materialelor: actionarea masinilor-unelte, laminoarelor, pompelor, compresoarelor, ciocanelor, preselor, masinilor de ridicat

procese cu temperatura inalta - care necesita caldura cu un potential termic ridicat, obtinuta prin procesele pirotehnologice sau prin utilizarea energiei electrice: tratamentul termic al metalelor, prelucrarea termica a combustibililor

procese    de medie si joasa temperatura - necesita abur sau apa calda, cu temp. de aprox. 200 ÷ 350 C pentru procese de incalzire, uscare, fierbere, distilare, ventilare

procese    de iluminat

procese    chimice cu utilizarea directa a energiei electrice (electroliza)

O parte din procesele tehnologice impun utilizarea energiei electrice sau a caldurii, iar altele necesita combustibilii direct in procesele tehnologice. Alegerea formei de alimentare cu energie, in vederea celei mai rationale utilizarii, poate modifica structura bilantului energetic al intreprinderii.

O caracteristica de baza a proceselor energo-tehnologice este ca - in majoritatea instalatiilor energetice moderne - procesele de producere a energiei electrice si termice au loc cu randamente ridicate. Comparativ, procesele de consum au valori scazute ale randamentelor de utilizare, uzual sub 25 ÷ 30 % sau chiar sub 15 % (datorita h scazute ale masinilor de lucru, pierderi la transport, exploatare ne-rationala a agregatelor energo-tehnologice).

In vederea folosirii rationale a energiei termice in industrie, trebuie plecat de la procesul tehnologic al consumatorului si analizata problema energetica in ansamblul sistemului consumator - sursa, fiind necesara cunoasterea detaliata a procesului tehnologic, a necesarului real de energie al acestuia si a posibilitatilor de acoperire a acestuia, asa cum rezulta din figura urmatoare.

2 Tipurile aparatelor industriale consumatoare de caldura

Aparatele industriale consumatoare de caldura sunt foarte diferite, in functie de constructia, destinatia tehnologica si regimurile lor de utilizare.

Majoritatea aparatelor consumatoare de caldura din industrie au consumuri termice uniforme in timp (variatia anotimpuala vara-iarna este de cel mult 10 % pt. consumurile maxime), iar duratele de utilizare ale sarcinii orare maxime sunt mari.

Diagramele de consum se caracterizeaza printr-un raport constant intre factorii de incarcare anuala    si lunara (in luna cu consumul maxim) in limitele 0,85 ÷ 0,95.

Numarul anual de ore de utilizare a consumului orar maxim de caldura al unei intreprinderi industriale, fara a tine seama de cresterea sa in timp, se determina cu:

unde : factorul de incarcare maxima a diagramei de sarcina termica zilnica (raportul intre consumul mediu si cel maxim orar al diagramei zilnice), fiind functie de numarul schimburilor de lucru ale echipamentelor tehnologice

n= numarul de zile de functionare anuala a intreprinderii

Ca rezultat al dialogului tehnolog-energetician, eficienta economica a alimentarii cu caldura a proceselor tehnologice este determinata de alegerea corecta a aparatului consumator (a tipului si a suprafetei de schimb de caldura). Aceasta este influentata de parametrii si natura agentului termic la aparatul consumator si de regimurile de functionare ale acestuia.

Ele se pot clasifica dupa:

1. Caracterul proceselor tehnologice care se desfasoara in ele:

a)     in care au loc numai variatii ale regimului termic al produsului tehnologic;

b)     in care, pe langa variatiile regimului termic al produsului tehnologic, are loc si o modificare a starii sale de agregare.

2. Modul in care are loc transmisia caldurii intre agregatul termic si produsul tehnologic:

a)     prin suprafata;

b)     prin amestec.

3. Regimul de functionare:

a)     cu actiune continua: in care agentii termici circula continuu prin aparat, avand debite constante, iar transmiterea caldurii se face in regim stationar);

b)     cu actiune intermitenta: in care produsul tehnologic este supus unor variatii ciclice ale regimului termic, schimbul de caldura facandu-se in regim nestationar (cazane, fierbatoare, autoclave)

3 Alegerea parametrilor nominali ai instalatiilor energo-tehnologice

Generalitati

Aspecte tehnice ale alegerii parametrilor nominali ai instalatiilor energo-tehnologice

Randamentele aparatelor consumatoare de caldura

Metode de reducere a diferentei finale de temperatura intre agentii termici ai instalatiilor energo-tehnologice

Influenta prop agentului incalzit si a caract procesului tehno asupra alegerii parametrilor agentului incalzitor

Adaptarea parametrilor aburului la consori, prin instalarea tansformatoarelor si a convertizoarelor de caldura

Concluzii

1 Generalitati

Alegerea parametrilor agentului termic la aparatele consumatoare este foarte importanta in cadrul masurilor de scadere a pierderilor de energie in sfera consumului.

Deoarece aparatele tehnologice necesita, in general, nivele termice care impun folosirea aburului, in continuare se va avea in vedere acest agent termic.

1. Alegerea parametrilor aburului la echipamentele consumatoare trebuie rezolvata inca din faza de proiectare a sistemului de alimetare cu caldura a intreprinderilor industriale, prin calcule tehnico-economice justificative. In practica apar, insa, dificultati datorita modului diferit in care privesc problema constructorii instalatiilor consumatoare si tehnologii, fata de energeticieni-producatorul de energie.
   Astfel, dpdv al aparatului consumator, cu cat diferenta de potential termic pe aparat este mai mare,cu atat suprafata de schimb de caldura a acestuia este mai mica, reducandu-se investitiile si cheltuielile anuale. In plus, o data cu cresterea presiunii aburului in retea se reduce diametrul acesteia, rezultand ieftinirea instalatiei.

Daca sursa aburului este o CT unde se produce la parametri mai mari decat cei impusi de consumatorii tehnologici (inclusiv transportul la distanta), atunci aceasta crestere a presiunii aburului la consumator nu influenteaza eficienta termodinamica a sursei.

Daca sursa aburului este o CET, iar aburul este prelevat de la o priza sau de la contrapresiunea turbinei de termoficare, cresterea presiunii aburului la aparatul consumator conduce la scaderea puterii electrice produse. Din aceasta cauza, analiza eficientei parametrilor agentului termic la echipamentul consumator trebuie sa ia in considerare si ciclul termodinamic al CET, unde se poate pierde cu mult mai mult decat ceea ce se castiga la consumator si reteaua de transport. Apare, deci, necesara o analiza a ansamblului sistemului consumator -sursa de caldura.

Cu toate aceste, de obicei, in practica, parametrii aburului la consumator sunt fixati de acesta doar in functie de necesitatile sale tehnologice, fara a tine seama de economicitatea sistemului energetic, care - in final - se reflecta asupra costului procesului tehnologic, cu atat mai mult cu cat acesta este energo-intensiv si consuma mai multa energie pe unitatea de produs (creste cota cheltuielilor pentru caldura consumata).

2. Un alt aspect in alegerea parametrilor aburului la consumator este diversitatea presiunilor impuse de acestia, de multe chiar pt. aceeasi firma.
   In cazul alimentarii cu abur dintr-o CET, livrarea aburului la nivele diferite de presiune e foarte dificila, necesitand: fie turbine diferite corespunzatoare diverselor presiuni ale aburului consumat, fie alte instalatii (transformatoare de abur sau instalatii de reducere) care maresc costul CET sau ii diminueaza eficienta energetica. Dar CET nu poate fi echipata cu turbine de prea multe tipuri, deci pt. a putea efectiv livra aburul la nivelele de presiune cerute de consumatori se procedeaza astfel: se livreaza aburul la presiuni superioare, iar pt. consumatorii care necesita presiuni mai mici se efectueaza o laminare la aparatul consumator. Daca ponderea primilor este mica, atunci cea mai mare parte a consumului este asigurat prin laminarea aburului, deci cu pierderi exergetice mari. Din aceste motive, la efectuarea calculelor tehnico-economice pt. stabilirea parametrilor nominali, trebuie tinut seama de structura consumului, iar analiza trebuie sa ia in considerare nu numai bilantul energetic, dar si pe cel exergetic (evidentiaza pierderile termodinamice).

3. O alta problema ridicata de alegerea parametrilor aburului la consumator este diferenta dintre valorile acestor parametri, care apare intre momentul punerii in functiune a instalatiilor consumatoare si cel al intrarii in regim stationar. Astfel, s-a constatat ca dupa o perioada de timp, cand obiectivul a intrat in regim stationar de functionare, el permite reducerea parametrilor aburului prelevat din CET, comparativ cu cei impusi prin proiect.

Reducerea parametrilor aburului la consumatorii tehnologici se face:

examinarea, proiectarea si modernizarea consumatorilor pt. diferenta optima de temperatura intre cei doi agenti termici de lucru;

proiectarea si modernizarea retelelor termice de distributie din incinta consumatorilor;

folosirea transformatoarelor de abur.

Prima masura este importanta pt. instalatiilor noi, la care in prealabil s-a tinut cont de unificarea presiunilor impuse de fiecare consumator (altfel, determinarea parametrilor optimi ai aburului pt. fiecare consumator in parte ar impune o mare varietate de presiuni ale aburului cerut).

2 Aspecte tehnice ale alegerii parametrilor nominali ai instalatiilor    energo-tehnologice

Considerandu-se un aparat consumator, caracterizat ca regim termic prin parametrii si impusi de procesul tehnologic, parametrii aburului folosit ca agent termic sunt temp. si presiunea la punctul de consum.

O data calculata t1, se determina p1 (considerandu-se abur saturat uscat)

La sursa parametrii aburului sunt: si

unde: sunt diferenta de temperatura si pierderea de presiune in reteaua de transport a aburului, de la sursa pana la consumator.

Deci, parametrii aburului la sursa depind de diferenta finala de temp. la consumator si de pierderile si din reteaua de transport.

Caldura preluata de aparatul consumator este:

unde: coeficientul global de schimb de caldura al aparatului consumator

diferenta medie logaritmica

de temperatura

Deci:

Adica, pentru un anumit consum de caldura si regim termic al procesului tehnologic ( si ) suprafata de schimb de caldura a aparatului consumator este functie de diferenta finala de temperatura

Analizand efectul diferentei finale de temperatura asupra parametrilor aburului la aparatul consumator ( , ) ) si implicatiile acestora asupra elementelor sistemului de alimetare cu caldura, rezulta:

1. Dpdv al consumatorului - in vederea reducerii suprafetei de schimb de caldura a aparatului consumator este necesara cresterea .
2. Dpdv al retelei de transport - in vederea reducerii grosimii izolatiei termice (pt. o aceeasi pierdere de caldura) este necesara scaderea temperaturii ,deci si a . Pe de alta parte, insa, cresterea pt. aceeasi cantitate de energie termica preluata de aparatul consumator ,conduce la cresterea continutului de caldura al aburului si reducerea corespunzatoare a debitului de abur transportat, micsorandu-se diametrul conductelor de transport.

3. Dpdv al sursei - in vederea reducerii parametrilor aburului la plecare ( , t_p) este necesar ca , , si sa fie cat mai mici.

Deci, dpdv tehnic, conditiile privind marimea sunt contradictorii. Pt. stabilirea valorii optime este necesara efectuarea de calcule tehnico-economice pentru intreg sistemul de alimentare cu caldura.

3 Randamentele aparatelor consuma-toare de caldura

Se constata ca aparatele consumatoare de caldura (sub forma de abur), racordate la un sistem de termoficare, prezinta in functionare doua tipuri de pierderi: pierderi termice in mediul inconjurator, prin racirea suprafetelor exterioare ale aparatului consumator si pierderi termodinamice datorita reducerii productiei de energie electrica in termoficare in CET-uri. Rezulta ca avem doua randamente:

1. randament termic care arata gradul de utilizare a caldurii intrate in aparatul consumator:

2. randamentul termodinamic care tine seama de influenta parametrilor nominali ( , ) ai instalatiei consumatoare de caldura asupra valorii termodinamice a pierderilor termice din intreg sistemul de termoficare, adica tine seama de gradul de utilizare energetica a caldurii intrate in aparatul consumator:

Randamentul termic total al aparatului consumator    este:

4 Metode de reducere a diferentei finale de temperatura intre agentii termici ai instalatiei

De obicei, nu este posibila modificare proceselor de productie pt. realizarea parametrilor rezultati din calculele tehnico-economice ale ansamblului sistemului de termoficare. Deci sunt necesare urmatoarele masuri de reducere a . intre agentii termici cu mentinerea constanta a fluxului total de caldura preluat de agentul incalzit:

marirea suprafetei de incalzire: este limitata de caracterul dependentei Sc de fluxul termic determinat de ( )min. Incepand de la o anumita valoare ,reducerea lui devine neeconomica, datorita variatiei dupa o exponentiala in functie de suprafata de schimb de caldura;

2. marirea debitului de abur
3. marirea debitului de agent incalzit

Expresia coeficientului global de schimb de caldura este:

unde: B1, B2 - constante, w1, w2 - vitezele agentilor.

Influenta vitezei asupra coeficientului global este
considerebila, deci adaptarea schimbatorului la parametrii avantajosi ai retelei prin marirea debitului este justificata. Totusi, apare o crestere a consumului de energie electrica pt. actionarea pompei de circulatie.

5 Influenta proprietatilor agentului incalzit si a caracterului procesului tehnologic asupra alegerii parametrilor agentului incalzitor

Atat in proiectare, cat si in exploatare, valoarea parametrilor utilizati este hotarata in functie de tehnologia proceselor (pt. a satisface conditiile impuse de calitatea si intensitatea procesului), dar NU si dpdv energetic. Pentru a realiza o optimizare si din acest punct de vedere este necesara o foarte buna cunoastere a tehnologiei, precum si considerarea dependentei calitatii si intensitatii proceselor tehnologice de modificarea parametrilor termici. In procesele unde au loc reactii chimice, caracterul acestei dependente nu permite o libertate prea mare in alegerea parametrilor termici. Procesele de productie in care agentul termic incalzit sufera modificari cu caracter pur fizic (preincalzire, uscarea etc.) sunt mult mai usor de stapanit de catre energeticieni.

Deci, tinand cont de calitatea productiei, din analiza temperaturilor limita utilizate in uscatoarele echipate cu schimbatoare cu abur, rezulta ca temperaturile necesare ale agentului termic incalzit sunt aproape intotdeauna sub 100 C. In cazul uscarii prin contact, nu sunt necesare presiuni ridicate ale aburului incalzitor. Totusi, utilizarea unor parametri mai ridicati este justificata de tendinta intensificarii uscarii. Aceasta conduce la reducerea suprafetei incalzitoare a schimbatoarelor de caldura si a spatiului ocupat de ele. La uscare prin convectie se micsoreaza, de asemenea, si cantitatea de aer necesar uscarii. Limitarea folosirii mijloacelor de intensificare a uscarii apare in faza a doua a uscarii prin convectie, in care incepe eliminarea umiditatii higroscopice. Viteza eliminarii acesteia are o influenta deosebita asupra produsului uscat si de aceea nu trebuie sa depaseasca o anumita limita.

In anumite cazuri, este economica marirea parametrilor agentului incalzitor, pt. a permite cresterea nivelului termic al caldurii evacuate, pana la valoarea care face posibila recuperarea ei.

Tehnica actuala a uscarii, spre deosebire de tendinta observata uneori de crestere a parametrilor, prezinta o anumita stabilizare in ceea ce priveste plafonul parametrilor folositi. Aceasta se bazeaza pe valorificarea proprietatilor specifice procesului de uscare, cum ar fi marirea difuziei - care poate inlocui necesitatea ridicarii potentialului termic pentru o plaja mare a parametrilor agentului incalzitor. Comparativ cu tehnica uscarii, in procesele de concentrare si vaporizare a solutiilor (vaporizatoare si rectificatoare), precum si in procesele in care caldura aburului este necesara pentru reactii chimice (reactoare, autoclave, fierbatoare), exista o libertate mai mica in alegerea parametrilor agentului incalzitor. Exista si aici tendinta de utilizare a parametrilor ridicati ai agentului incalzitor, cu reducerea suprafetei de incalzire, dar factorii care limiteaza utilizarea unor parametri prea inalti sunt: fenomenele fierberii peliculare (apar la diferente de temperatura prea mari intre perete si agentul care fierbe), separarea unor adaosuri solide de saruri, aparitia depunerilor, modificari ale structurii substantelor concentrate si, uneori, chiar pericolul de explozie al mediului concentrat.

6 Adaptarea param. aburului la consumatori. Transformatoare si convertizoare de caldura

In practica, numarul parametrilor aburului pentru consumatorii tehnologici este limitat la 2÷4, dar poate aparea necesitatea de a avea la dispozitie si alti parametri decat cei stabiliti prin proiect. In astfel de cazuri, se foloseste laminarea aburului, dar care este justificata numai la diferente mici de presiune si cantitati reduse de abur.

In cazul parametrilor si debitelor de abur care nu implica utilizarea unor turbine de termoficare, un mijloc pentru adaptarea sistemului de alimentare cu caldura la nevoile consumatorilor tehnologici il reprezinta transformatoarele de caldura. Prin utilizare acestora se poate renunta la laminarea aburului, permitand cresterea sau scaderea parametrilor aburului in conditii economice (totusi, nu se aplica prea des). El se poate folosi atat la intreprinderile nou construite, cat si la cele in curs de modernizare. O problema aparte o constituie alegerea tipului de transformator (mecanic, cu jet) si a actionarii lui (pt. cele mecanice).

In unele cazuri exista posibilitatea sau necesitatea modificarii parametrilor aburului prin reducerea presiunii. Atunci, in locul laminarii ne-economice se pot folosi convertizoare de abur, care - datorita randamentului ridicat si marii lor elasticitati in exploatare - permit nu numai obtinerea unui randament ridicat al procesului, dar si a unor economii, datorate utilizarii aproape integrale a condensatului.

Printre convertizoarele de caldura pot fi considerate si acumulatoarele de caldura. Utilizarea lor in scopuri tehnologice ofera - pe langa posibilitatea adaptarii parametrilor aburului la valorile impuse - si avantaje mari rezultate din aplatizarea curbei de sarcina.

Concluzii

La alegerea parametrilor agentului termic pentru consumatorii tehnologici, rolul principal il are stabilirea temperaturii optime a agentului incalzit, fundamentata de tehnologia procesului. Plecand de la aceasta, se stabileste diferenta finala de temperatura la aparatul consumator si caderea de presiune in retea. Alegerea acestor parametri trebuie sa tina seama de influenta lor asupra functionarii intregului sistem de alimentare cu caldura, deoarece aparatele consumatoare sunt elemente organice ale acestuia.

Pentru alegerea diferentei finale optime de temperatura la instalatiile energo-tehnologice, este necesara compararea costului suprafetei de schimb de caldura (care se poate diminua) cu costul pierderilor totale de energie (care alftel cresc). Alegerea diferentei finale optime de temperatua are o valoare practica mare, mai ales in sistemele de alimentare cu caldura prin termoficare, datorita posibilitatilor de variatie a presiunii la prizele sau contrapresiunea reglabila a turbinelor. Din calcule rezulta ca valoarea optima a diferentei finale de temperatura ∆t_f pentru aparatele consumatoare de caldura care utilizeaza aburul este de ≈ 5 C.

In exploatare, insa, ∆t_f=10-15⁰C (chiar 20 C), ceea ce conduce la reducerea eficacitatii economice a sistemului de alimentare cu caldura prin termoficare. In practica, un sistem de termoficare alimenteaza cu caldura mai multi consumatori, cu destinatii tehnologice diferite, necesitand temperaturi diferite la aparatele consumatoare. Aici se pune problema alegerii presiunii aburului livrat de CET, care este determinata (in general) de consumatorul care necesita nivelul cel mai ridicat de presiune, indiferent de ponderea consumului sau de caldura in consumul total de abur primit de la CET.

Eliminarea acestei situatii anormale este, adesea, posibila prin micsorarea diferentei finale de temperatura numai la aparatele care necesita parametri ridicati ai aburului. Acestora le vor corespunde investitii suplimentare, care sunt compensate, insa, de cresterea productiei de energie electrica in CET. Invers, aparatele consumatoare care au parametri mai coborati ai aburului se pot proiecta pt. diferente finale de temperatura mai mari, fara a fi astfel necesara cresterea presiunii la CET.

In cazul general, problema micsorarii presiunii aburului in sistemul de alimentare cu caldura sub forma de abur inseamna , de fapt, "normalizarea presiunilor" la diferitele instalatii energo-tehnologice.

Alegerea agentului termic de transport

Principalul scop al sursei de caldura este de a asigura caldura ceruta de un aparat consumator (care, de cele mai multe ori este un schimbator de caldura). Astfel, caldura preluata de la combustibil este transmisa unui alt mediu de transport, pt. a fi utilizata la locul de consum. Problema importanta este cantitatea reala de energie termica care se poate utiliza pentru desfasurarea procesului tehnologic, din caldura preluata de la combustibil. Rezolvarea ei implica alegerea naturii agentului termic de transport si a parametrilor sai la sursa.

Procesele tehnologice de inalta temperatura sau cele de forta impun o anumita natura a agentului termic (majoritatea proceselor tehnologice au loc la temperaturi maxime de 150÷200 C). In aparatele consumatoare, agentul termic de incalzire, de regula, nu participa direct la procesul de productie (fac exceptie numai unele procese: vulcanizarea, presarea cauciucului etc. unde, pe langa o anumita temperatura, agentul trebuie sa aiba si o anumita presiune).

Temperaturile proceselor tehnologice pana la 200 C pot fi realizate atat cu abur, cat si cu apa fierbinte. Eficacitatea comparativa a utilizarii acestor agenti termici este determinata de conditiile constructive si de functionare ale aparatelor consumatoare si de cele energetice ale ansamblului sistemului de alimentare cu caldura.

Agentii termici folositi pentru alimentarea consumatorilor la medie si joasa temperatura sunt - cel mai adesea - aburul si apa fierbinte.

4.1 Agenti termici de transport

Alegerea agentului termic de transport se face tinand seama - in primul rand - de conditiile impuse de consumatori:

parametrii nominali ai instalatiilor energo-tehnologice;

natura si desfasurarea proceselor din acestea.

In afara proceselor de forta (care impun utilizarea aburului drept agent termic de transport), celelalte procese tehnologice de joasa temperatura pot utiliza atat aburul, cat si apa fierbinte. Stabilirea oportunitatii folosirii unuia sau a altuia din acestia se face pe baza calculelor tehnico - economice la nivelul sistemului de alimentare.

Eficienta utilizarii ca agent termic de transport a aburului sau a apei fierbinti depine de natura sursei de caldura:

in cazul unei CT care are disponibil abur cu parametri corespunzatori conditiilor impuse de sistemul de alimentare cu caldura, acesta va fi utilizat ca agent termic de transport. Invers, daca CT produce apa fierbinte cu parametri necesari consumului, atunci ea se va utiliza ca agent termic;

in cazul unei CET, in functie de marimea consumurilor de caldura, de ponderea lor in consumul total, de distanta de transport si pozitia relativa fata de CET, apare necesitatea calculelor tehnico-economice pentru stabilirea agentului termic optim. Aceste calcule tin seama de ambele aspect principale:

A.    cele tehnice

B.    cele economice

A. Aspecte tehnice

1.In cazul apei fierbinti, energia electrica produsa in regim de termoficare la CET este mai mare decat in cazul aburului.

2.Debitul de apa fierbinte ca agent termic de transport este mult mai mare decat debitul de abur, datorita continutului de caldura pe unitatea de debit (de circa 6,3 ÷ 6,5 ori).

Energia electrica consumata pentru asigurarea circulatiei apei fierbinti este mult mai mare decat aceea necesara pt. returnarea condensatului la CET in cazul utilizarii aburului ca agent termic de transport.

4.Tinand seama de cele prezentate la act. anterioare, experienta sistemelor de alimentare cu caldura prin termoficare arata ca - in cazul utilizarii apei fierbinti ca agent de transport - plusul de energie electrica produsa prin termoficare este mai mare decat plusul de consum de energie electrica consumata pt. pompare. Marimea diferentei intre acestea depinde , in principal, de distanta de transport.

Din punct de vedere al returnarii agentului termic la sursa, pierderile de apa fierbinte din retea sunt completate la CET cu apa de ados, care necesita numai o dedurizare. In cazul utilizarii aburului ca agent de transport, orice pierderi sau impurificari ale condensatului returnat necesita la CET inlocuirea cu apa de adaos demineralizata, conducand la cheltuieli suplimentare pentru tratarea apei de adaos.

6. Schemele pt. racordarea consumatorilor sunt mai simple la apa fierbinte decat la abur deoarece lipseste toata gospodaria de colectare si returnare a condensatului. Daca se utilizeaza apa sub presiune trebuie luate, insa, masuri suplimentare pt. evitarea scaderii bruste a presiunii pana la valoarea de saturatie corespunzatoare temperaturii respective, ceea ce determina aparitia brusca a vaporizarii. Fenomenul de vaporizare poate aparea la robinetele de comanda gresit alese, la intrarea in aparatele consumatoare sau la aspiratia pompelor de circulatie, cand apa fierbinte este luata direct de la cazanul unei CT locale. Pt. a evita aparitia acestui fenomen sunt necesare instalatii speciale, in vederea mentinerii presiunii in sistemul de alimentare cu caldura a consumatorilor, precum si personal de exploatare cu calificare mai inalta.
7. Daca se utilizeaza apa fierbinte, reglarea cantitatii de energie termica livrata consumatorilor se face centralizat, prin variatia temperaturii sau/si a debitului, ceea ce este insa mai complicat decat in cazul aburului, unde reglajul se face mai simplu, prin variatia presiunii la consumator.
8. Din punctul de vedere al transportului si distributiei, apa fierbinte este mai avantajoasa, ea permitand distante mari de transport. La aparatele consumatoare intervine problema preluarii caldurii de la mediul de transport. La abur, aceasta se face prin preluarea caldurii latente, ceea ce determina un regim termic stationar in instalatie. Daca, insa, caldura este preluata de la apa fierbinte, aceasta are loc variatia temperaturii ei, conducand la diferente de temperatura intre intrarea si iesirea din aparatul consumator. Tipul procesului tehnologic determina daca acest lucru este admisibil sau nu (pt. o masina de uscat hartia, o diferenta de temperatura variabila nu este permisa, impunandu-se, deci, utilizarea aburului).
9. Domeniul de aplicabilitate al aburului este mai mare, el putand asigura simultan eventualele consumuri cu parametri mai inalti cu cele de joasa temperatura, ceea ce in cazul apei fierbinti nu este posibil.

B. Aspecte economice

1.Costul aparatului consumator in functie de suprafata de schimb de caldura

2.Costul retelei de transport, iar in cazul aburului si costul instalatiilor pentru colectarea si returnarea condensatului

Costul aparatelor de schimb de caldura si al pompelor de retea, in cazul utilizarii apei fierbinti

4.Costul statiei de epurare chimica pentru tratarea apei de adaos

5.Diferentele de cheltuieli pentru energia electrica livrata in regim de termoficare

4.2 Alegerea parametrilor agentului termic de transport pt. procesele de medie si joasa temp

Parametrii agentului termic de transport (la sursa) se stabilesc tinand seama de natura sa (apa fierbinte sau abur) si de tipul sursei de alimentare cu caldura (CT sau CET).

Daca se utilizeaza apa fierbinte ca agent termic de transport, parametrul caracteristic este temperatura t_p a sursei:

unde: t_f diferenta finala de temperatura

t_r diferenta de temperatura pe retea

Pt. un anumit proces tehnologic cu temperaturile t₂ si t`₂ impuse de acesta si pt. cantitatea de energie termica q1=q2/h_tc, in paragraful anterior au fost expuse metodele de alegere a valorii optime a lui t_f in sistemele cu abur (aplicabile in intregime si pt. sistemele cu apa fierbinte). Deci, pt. stabilirea valorii optime a lui t_p este necesara optimizarea pierderilor de temperatura in retea t_r, adica determinarea grosimii optime a izolatiei conductelor. Trebuie avut in vedere, insa, ca t_p determina presiunea aburului livrat de sursa, atunci cand aceasta este o CET.

De aceea, caderea optima de temperatura t_r in retea se rezolva prin minimizarea cheltuielilor totale de calcul:

Daca se utilizeaza abur ca agent de transport, parametrii caracteristici sunt:

presiunea    aburului p₁ necesara in aparatele consumatoare de caldura;

temperatura aburului t_p la sursa;

caderea de presiune in reteaua de abur ( p_r), care determina presiunea aburului in colectorul instalatiei de producere a caldurii (p_p = p₁ p_r

Presiunea p₁ a aburului in aparatele consumatoare de caldura se stabileste conform metodelor prezentate la paragraful anterior. Ca urmare, presiune initiala p_p a aburului in retea depinde de caderea de presiune p_r din retea.

In cazul alimentarii cu caldura de la o CT, presiunea aburului in colectorul retelei de abur este determinata de presiunea nominala a tipului de cazan folosit. De aceea, in cazul dat, caderea de presiune disponibila in reteaua de abur este egala cu p_p - p_1, unde p₁ este presiunea aburului necesara la aparatul consumator de caldura cel mai indepartat.

Utilizarea in intregime a acestei caderi de presiune disponibile poate conduce, in conductele de abur, la viteze prea mari. De aceea, in cazul CT ca sursa de abur, este nevoie ca - dupa efectuarea calculului - in ipoteza utilizarii totale a caderii posibile de presiune, sa se faca un calcul de verificare a retelei dpdv al vitezelor aburului maxim admisibile.

In urma acestui calcul se determina caderea de presiune admisibila si se stabileste presiunea aburului necesara in colectorul de iesire al CT.

In cazul alimentarii cu caldura de la o CET, alegerea caderii de presiune optima pentru calculul retelei de abur se face prin calcule tehnico-economice, prin minimizarea cheltuielilor anuale de calcul. In cazul general, temperatura t_p a aburului in colectorul de iesire al CET este determinata de parametrii aburului viu la intrarea in turbina, de randamentul acesteia si de presiunea maxima admisa p_p a prizei sau contrapresiunii reglabile.

Temperatura t_p are o influenta mare asupra conditiilor de functionare a retelei. Astfel, cresterea ei conduce la cresterea diferentei de temperatura fata de mediul exterior, ceea ce pt. o grosime data a izolatiei termice, determina marimea pierderilor de caldura.

Introducerea in retea a aburului supraincalzit impiedica condensarea sa pe conducta (mai ales pt. portiunile terminale ale retelei), reducand sensibil pierderile si usurand exploatarea sistemului de drenare al conductelor de abur. Rezulta ca aburul preluat din turbina de termoficare este recomandabil sa aiba o anumita supraincalzire, corespunzatoare presiunii sale. De regula, pt. prevenirea condensarii aburului in conductele indepartate este suficient ca, initial,sa fie supraincalzit cu 40 ÷ 50 C.

Pentru parametrii initiali ai aburului la turbinele de termoficare actuale si pt. presiunile uzuale ale prizelor sau contrapresiunea reglabila a acestora, supraincalzirea aburului prelevat din CET este de circa 60 ÷ 80 C, depasind valorile minime necesare.

Analiza expresiei cheltuielilor anuale de calcul Z, permite urmatoarele concluzii:

cresterea lungimii retelei de abur duce la marirea cheltuielilor pentru constructia ei si ridica valoarea caderii optime de presiune;

marirea numarului anual de ore de utilizare a sarcinii termice maxime (t_u), a costului combustibilului (c_b) si a diferentei intre consumurile specifice de combustibil pentru productia de energie electrica (b_sist - b_T), reduc valoarea caderii optime de presiune in reteaua de abur.

4.3 Alegerea agentilor termici pentru procesele de inalta temperatura

Apa, in toate formele sale, a fost mult timp agentul de schimb de caldura preferat, chiar si in procesele din industria chimica. Ea are avantajul ca nu este toxica, nu este inflamabila, este ieftina si se gaseste in cantitati mari, avand si coeficienti inalti de transfer al caldurii.

Desi folosirea apei in procesele de incalzire sau racire este influentata sensibil de disponibilitatea ei, conditiile impuse de regimul termic al procesului energo-tehnologic sunt cele care determina, in final, oportunitatea utilizarii ei. Astfel, la temperaturi mai mici de 0 C (punctul de inghet al apei in conditii normale) si mai mari de 180 ÷ 200 C, unde cresterea rapida a presiunilor aburului sporeste mult costul echipamentelor si micsoreaza fiabilitatea lor in exploatare, sunt necesari alti agenti de transfer al caldurii.

Capacitatea de transport a caldurii (greutatea specifica x caldura specifica) si coeficientul de transfer de caldura pelicular, la viteza si temperatura constanta, ar putea constitui termenul de comparatie pt. diferite fluide utilizate.

Intre 180 ÷ 320 C, agentii de transfer de caldura cei mai folositi sunt uleiurile minerale derivate din petrol. Unele fluide organice, de natura sintetica, pot extinde aceasta limita pana la aprox. 400 C, adica deasupra punctului critic al apei.

Compusii pe baza de siliciu s-au utilizat pana la aprox. 425 C

Pentru intervalul de temperaturi 260 ÷ 540 C, amestecurile de saruri anorganice in stare lichida au coeficienti de transfer de caldura relativ mari si o buna stabilitate. Eficienta termica ridicata a unor astfel de agenti termici anorganici, costul lor relativ redus si gradul inalt de siguranta in functionare ii recomanda, in special, pt. temperaturi intre 260 ÷ 400 C

In gama temperaturilor de la 540 ÷ 1000 C se foloseste    Hg si alte metale lichefiate (Na, K si amestecuri ale acestora). Aceste metale sunt buni agenti de transfer de caldura, dar datorita costului foarte ridicat si marilor riscuri pe care le comporta in functionare, aria lor de aplicabilitate este limitata: racirea reactoarelor nucleare, industria chimica si petrochimica, reactii la temperaturi foarte inalte.

Primul pas in proiectarea sistemului de alimentare cu caldura la inalta temperatura este stabilirea temperaturii de lucru (t₂) a procesului, tinand seama de consideratiile cu privire la multimea operatiilor care se pot efectua la diferite temperaturi. O data cunoscute aceste conditii, se poate lua o decizie privitor la faza (lichida sau de vapori) de incalzire care indeplineste cerintele procesului.

In intervalul 400 ÷ 540 C, doar agentii termici anorganici in stare lichida sunt utilizabili. Intre 180 ÷ 400 C, alegerea fazei lichide sau de vapori poate fi de mare importanta. Astfel, este foarte posibil ca o eventuala combinatie intre cele doua faze sa fie superioara fiecareia din ele luata separat.

Sistemele care utilizeaza vapori permit transferul unor cantitati mai mari de caldura pe unitatea de debit de agent termic, fata de starea lichida. Ele sunt preferate atunci cand conditiile tehnologice impun incalzirea uniforma a produselor (fierbatoare cu manta fara sicane, unde modul de curgere si viteza fluidului incalzitor nu pot fi controlate). De ex. in procesele de filare a fibrelor sintetice si in cele de dezodorizare a uleiurilor vegetale este necesar un control strans al temperaturii in faza de vapori. Vitezele mari de curgere ale fluidului necesita realizarea unei asemenea precizii in controlul temperaturii incat utilizarea unui sistem de incalzire cu agenti in stare lichida ar fi, in multe cazuri, nejustificata economic.

Sistemele de alimentare cu caldura utilizand faza lichida sunt recomandate atunci cand este necesara realizarea unei game largi de temperaturi in procesul tehnologic si cand variatia acestuia nu influenteaza negativ sistemul, fiind posibila variatia transferului de caldura prin suprafata, printr-o reglare adecvata a vitezei de circulatie.

Dupa ce s-a stabilit temperatura de regim necesara pt. desfasurarea procesului energo-tehnologic, se alege agentul termic a carui gama recomandata de temperaturi se incadreaza in valoarea prescrisa, putand exista mai multe fluide care pot fi utilizate pentru aceeasi temperatura a procesului. Atunci se va tine cont de urmatorii factori:

Costul instalatiei;

Toxicitatea si problema ecologica;

Inflamabilitatea;

Stabilitatea termica;

Punctul de inghet;

Proprietatile corozive si de murdarire;//Costul pomparii etc.

Regimuri de alimentare cu caldura ale inst. Energo-tehnologice

In vederea cresterii eficientei economice a alimentarii cu caldura a consumatorilor industriali, este necesara stabilirea regimurilor optime de incarcare si reglare a instalatiilor energo-tehnologice, fiind extrem de importanta in cazul alimentarii cu caldura prin termoficare, cand trebuie tinut cont de ansamblul sistemului.

Alegerea regimurilor optime de functionare a sistemelor de termoficare industriale inseamna alegerea unor asemenea parametri si a unor regimuri de incarcare si utilizare a diferitelor elemente ale sistemului (reglarea debitului termic - adica a fluxului de caldura - a debitului de agent termic si a sarcinii turbinelor de termoficare, folosirea condensatului etc.), incat sa se asigure obtinerea puterii si a debitului maxim de caldura pe intreg sistemul, in conditiile unei alimentari normale a consumatorilor.

In cadrul acestei optimizari, alimentarea cu caldura a consumatorilor trebuie sa aiba in vedere acoperirea diagramelor de sarcina electrica si termica date, cu un consum energetic minim.

Alegerea corecta a regimurilor optime de functionare a sistemelor de termoficare industriale, utilizand aburul in scopuri tehnologice, trebuie sa aiba in vedere urmatoarele:

Determinarea consumurilor reale de caldura pentru diferitele aparate, sectii si intreaga intreprindere;

Urmarirea consumurilor de caldura realizate, comparativ cu cele planificate, cu ajutorul caracteristicilor energo-tehnologice.

Incarcarea instalatiilor energo-tehnologice

Determinarea consumurilor reale de caldura pe unitatea de produs trebuie sa tina seama atat de consumul util, cat si de cel pentru functionarea in gol a aparatelor consumatoare. Acesta poate atinge pana la 30 ÷ 40% sau chiar mai mult din consumul total de caldura. Marimea sa depinde de durata de functionare a agregatului, nu de cantitatea produselor tehnologice realizate. De aceea, metodele de determinare a unor norme unice pt. consumurile de caldura, pe unitatea de produs livrat, nu au intotdeauna un caracter real.

Consumul real total de caldura al unui aparat, pt. un interval de timp determinat este : sau

unde: Q_u, Q_g - consumurile de caldura utile si de mers in gol

q_u - consumul specific util de caldura pe unitatea de produs

M - cantitatea de produse prelucrate in aparat, in timpul dat

Consumul specific total de caldura, pe unitatea de produs, este:

Masurile ce trebuie luate in instalatiile energo-tehnologice, pt. o gospodarire energetica corecta sunt:

cresterea incarcarii (a sarcinii) si reducerea numarului de aparate consumatoare de caldura in functiune, adica o utilizare intensiva

imbunatatirea functionarii instalatiilor de evacuare a condensatului, micsorarea pierderilor si colectarea unei cantitati maxime de condensat

imbunatatirea izolatiei aparatelor tehnologice si a conductelor termice

folosirea resurselor energetice secundare.

Aspecte caracteristice in determinarea consumurilor reale de caldura in cazul alimentarii din sisteme de termoficare:

prin cresterea consumurilor "neproductive" de caldura, CET isi mareste productia de energie electrica in termoficare, deci isi mareste "aparent" economia de combustibil.

pe ansamblul economiei nationale, insa, cresterea "neproductiva" a acestor consumuri de caldura este echivalenta cu functionarea unor turbine cu evacuare a aburului in atmosfera. Acest abur ar fi putut fi utilizat in turbinele cu condensatie pura, prin destinderea pana la condensator, producand astfel o cantitate de energie electrica mai mare.

Aceste constatari impun controlul consumurilor reale de caldura la consumatori si compararea lor cu cele planificate. Este necesara, deci, instalarea aparatelor de masura (debitmetre si manometre), atat pe racordurile de alimentare ale sectiilor, cat si pe cel al intreprinderii.

Pentru realizarea tuturor acestor masuri, in exploatarea curenta a sistemelor energo-tehnologice, specialistii energeticieni au urmatoarele obligatii principale:

Stabilesc consumul lunar de caldura al sectiilor si intreprinderii, in conformitate cu planul de productie;

Pe baza indicatiilor aparatelor inregistratoare, a caracteristicilor energo-tehnologice ale aparatelor consumatoare si a productiei realizate, compara consumurile planificate cu cele inregistrate

Reglarea regimurilor de alimentare cu caldura

Dpdv hidraulic, sistemele de termoficare cu abur au doua particularitati caracteristice:

stabilitatea lor hidraulica este mai mare decat cea a retelelor cu apa;

reglarea normala a debitelor de abur se poate face numai prin reglare locala.

Stabilitatea hidraulica mai mare a sistemelor de termoficare cu abur se explica prin caderea de presiune in retea care este, in general, mica in comparatie cu presiunea necesara inaintea aparatelor consumatoare de caldura. De aceea, variatiile debitului de abur in diferitele aparate consumatoare nu determina perturbari mari ale regimului normal de alimentare cu caldura a celorlalti consumatori si reglarea locala, la aparatul consumator, se poate realiza prin inchiderea totala sau partiala a ventilelor de alimentare a aparatului.

Totusi, pt. o functionare cat mai economica si sigura este necesara o reglare bine organizata si o exploatare corecta, care se pot realiza tinandu-se seama de urmatoarele:

se stabileste diagrama de regim (curba clasata) a consumului normal de caldura;

se stabilesc presiunile aburului necesare la racordurile de intrare in diferitele sectii, luandu-se in considerare si pierderile normale de presiune in reteaua de abur din interiorul sectiei;

se construieste graficul piezometric al retelei de abur, indicandu-se variatiile de presiune din colectorul CET in conditii normale de funct.

Pt. a mentine regimurile normale de exploatare, o mare importanta o are reglarea initiala corecta a sistemului. Aceasta trebuie efectuata astfel incat, in cazul consumului nominal de abur, intregul exces de presiune sa poata fi preluat de ventilele aparatelor consumatoare de caldura si numai in caz extrem, de vanele de pe racordurile de intrare in diferitele sectii. Vanele de iesire din colectorul CET trebuie sa fie complet deschise. Astfel, stabilitatea hidraulica a sistemului este maxima.

Reglarea corecta a sistemului de alimentare cu caldura se face numai cu ventilele de pe aparatele consumatoare de caldura, fara manevrarea ventilelor de pe colectoarele CET, unde se urmareste numai consumul total si presiunea aburului in colector. Orice incercare de reglare prin manevrarea vanelor de pe colectorul CET conduce la perturbarea regimului normal de alimentare a tuturor consumatorilor racordati la retea.

Pt. calculul practic, rapid, al variatiilor de presiune din colectorul CET datorate variatiilor consumului de abur, se poate folosi relatia simplificata:

unde: p_p si p₁ - presiunile aburului in colectorul CET, resp. la consumator

p_nr - caderea nominala de presiune in reteaua de abur

D, D_n - debitul de abur curent si cel nominal.

In exploatarea curenta, cand CET nu poate livra integral debitele de abur cerute de consumatori, este necesara reducerea temporara a acestor debite, ceea ce se poate realiza in 2 moduri:

inchiderea partiala a ventilelor de iesire din colectorul CET;

decuplarea unei parti din aparatele consumatoare de caldura, conform diafragmelor de avarie intocmite anterior.

Prima metoda se aplica rar in practica, deoarece conduce la perturbarea completa a regimului normal de alimetare cu caldura, odata cu reducerea debitului de abur livrat scazand brusc atat presiunea, cat si temperatura aburului la toti consumatorii. Aceasta perturbeaza procesul tehnologic, echivaland cu o intrerupere totala a livrarii aburului din CET. Ea se aplica doar in cazuri extreme de avarie. De aceea, se recomanda aplicarea metodei a doua, care permite mentinerea parametrilor normali ai aburului la consumatorii care au ramas in continuare in functiune.

La decuplarea diferitilor consumatori, debitul de abur si caderea de presiune in retea variaza, prevazandu-se o anumita succesiune a decuplarii diferitelor aparate consu matoare de caldura