4.INSTALAIIIECHIPAMENTETERMICEDIN
CONTURURILEINDUSTRIALE(ELEMENTE CARACTERISTICE) 4.1. SCHIMBTOARE DE
CLDUR 4.1.1.Clasificarea schimbtoarelor de cldur Schimbtoarele de
cldur sunt aparate n care are loc transferul cldurii de la un
fluidcuotemperaturmairidicat(agentultermicprimar),ctreunfluidcuo
temperatur mai cobort (agentul termic secundar), n procese de
nclzire, rcire,condensare, vaporizare sau procese termice complexe.
Pentruclasificareaschimbtoarelordecldursepotaveanvederemaimulte
criterii: a) Clasificarea n funcie de modul de realizare al
transferului de cldur Din acest punct de vedere schimbtoarele de
cldur se mpart n dou mari grupe: aparate cu contact indirect i
aparate cu contact direct.
Schimbtoarelecucontactindirect(desuprafa)suntaparatelacareceidoi
ageni termici nu vin n contact direct, ei fiind desprii de o
suprafa de schimb de cldur cu care vin n contact permanent sau
periodic. Dac cele dou fluide vin n contact permanent cu suprafaa
de schimb de cldur,
fluxultermicprinaceastafiindunidirecional,schimbtoruldecldurestedetip
recuperativ. Acest tip de aparat este cel mai rspndit el putnd fi
realizat n numeroase variante
constructive.nfigura4.1.a.esteprezentatschematiccelmaisimpluastfelde
aparat, schimbtorul eav n eav, constituit din dou evi concentrice,
unul dintre
fluidecirculndprininterioruleviicentrale,cellaltprinspaiuldintreceledou
evi.
Dacageniitermicivinncontactalternativcusuprafaadetransferdecldur,
fluxultermicschimbndu-iperiodicdirecia,schimbtoruldecldurestedetip
regenerativ. Aparatele regenerative pot fi realizate cu suprafaa
fix (figura 4.1.b.) sau rotativ (figura 4.1.c.).
Dincategoriaschimbtoarelordecldurcucontactindirectfacepartei
schimbtorul de cldur cu strat fluidizat, lacare transferul de cldur
are loc
ntreunfluidiunmaterialsolidcaresedeplaseazsubformaunuistratfluidizatpe
lng suprafaa de schimb de cldur (figura 4.1.d.). Fluidizarea se
realizeaz prin insuflarea unui gaz (de obicei aer) peste materialul
solid granulat. Schimbtoarele de cldur cu contact direct sunt
aparate la care agenii termici
numaisuntseparaideosuprafa,eiamestecndu-seunulcucellalt.Elepotfi
aparatefrumpluturlacaretransferuldecldurserealizeazlasuprafaa
fluiduluipulverizatnpicturifinesaucarecurgenuvie(figura4.2.a.)sau
Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale71aparatecuumpluturlacaretransferultermicaparelasuprafaauneipelicule
formate pe umplutura schimbtorului (figura 4.2.b.) Fig. 4.1.
Schimbtoare de cldur cu contact indirect a) schimbtor recuperativ
eav n eav; b) schimbtor regenerativ cu umplutur fix; c) schimbtor
regenerativ rotativ; d) schimbtor cu strat fluidizat Bazele
termoenergeticii72 Fig. 4.2. Schimbtoare de cldur cu contact direct
a) fr umplutur;b) cu umplutur b) Clasificarea n funcie de tipul
constructiv Clasificarea n funcie de modul constructiv de realizare
a suprafeei de schimb de cldur este prezentat n figura 4.3.
ncapitolespecialesevordetaliasoluiileconstructivespecificefiecruitip
principal de schimbtor de cldur din figura 4.3. a) RECUPERATIVE CU
SUPRAFEE EXTINSE TUBULARE eav n eav Cu serpentine Cu evi i manta
PLANE Cu plciLamelareSpirale Cu evi nervurate Cu plci nervurate
Instalaii i echipamente termice din contururile industriale73 b)
Fig. 4.3. Clasificarea schimbtoarelor de cldur din punct de vedere
constructiv c) Clasificarea n funcie de starea de agregare a
agenilor termici Se pot distinge n funcie de acest criteriu:
aparate fr schimbarea strii de agregare a agenilor termici; aparate
cu schimbarea strii de agregare a unui agent termic; aparate cu
schimbarea strii de agregare a ambilor ageni termici. d)
Clasificarea n funcie de compactitatea aparatului
Compactitateaunuischimbtordecldurestecaracterizatderaportulntre
suprafaasadeschimbdecldurivolumulsu.nfunciedeacestcriteriu
distingem: schimbtoare compacte (compactitatea mai mare de 700
m2/m3);schimbtoare necompacte (compactitatea mai mic de700 m2/m3).
e) Clasificarea n funcie de modul de realizare a curgerii
Curgereafluidelornaparateledeschimbdecldursepoaterealizanpatru
moduri distincte: echicurent, contracurent, curent ncruciat i
curent compus. Fig. 4.4. Tipuri principale de curgere a)
contracurent; b) echivalent; c) curent ncruciat ambele fluide
amestecate; d) curent ncruciat un fluid amestecat i cellalt
neamestecat; e) curent ncruciat ambele fluide neamestecate CU
UMPLUTUR FIX CU UMPLUTUR MOBIL REGENERATIVE Rotative Cu strat
fluidizat Cu strat mobil Bazele termoenergeticii74 Curgerea n
contracurent (figura 4.4.a.) presupune c cei doi ageni termici
circul pe lng suprafaa de schimb de cldur paralel i n sensuri
contrarii. Curgerea n
contracurentasigurceamaimarediferenmediedetemperaturntreagenii
termici, ns temperatura peretelui la intrarea fluidului cald este
maxim.
Curgereanechicurent(figura4.4.b.)aparencazulcirculaieiagenilortermici,
paralelinacelaisens,pelngsuprafaadetransferdecldur.Acesttipde
curgere realizeaz cea mai mic diferen medie de temperatur, ns cea
mai bun rcire a peretelui n zona de intrare a fluidului primar.
Circulaia n curent ncruciat presupune curgerea perpendicular a
celor doi ageni
termici.nacestcazsepotdistingetreisituaii:ambelefluideamestecate(figura
4.4.c.)unfluidamestecaticellaltneamestecat(figura4.4.d.)ambelefluide
neamestecate (figura 4.4.e.). Un fluid se numete "amestecat" atunci
cnd n orice plan normal pe direcia sa de
curgereareaceeaitemperatur,decitemperaturasavariaznumainlungul
curgerii.ncazulfluidului"neamestecat"existodiferendetemperaturin
direcia normal la curgere.
Pentruclarificarenfigura4.5.seprezintcazulcurgeriincurentncruciatcu
ambele fluide neamestecate i profilul temperaturii unuia dintre
fluide dup direcia de curgere i perpendicular pe acesta. Fig. 4.5.
Curgerea n curent ncruciat cu ambele fluide neamestecate a) schema;
b) variaia temperaturii n cazul n care agenii termicii au mai multe
treceri prin evi sau manta apare cazul
curgeriicompuse(figura4.6.)careesteocombinaieacelortreitipurianterioare
de curgere.
ncazulcurgeriincurentncruciaticurentmixtvaloareadifereneimediede
temperatur dintre agenii termici se situeaz ntre echicurent i
contracurent. Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale75 Fig. 4.6. Curgerea compus a) o trecere prin manta i
dou treceri prin evi; b) dou treceri prin manta i patru treceri
prin evi; c) o trecere prin manta i trei treceri prin evi; d) trei
treceri prin manta i ase treceri prin evi. f) Clasificarea n funcie
de destinaie Schimbtoarele de cldurpot realiza multiple scopuri, n
funcie de acesta putnd
ntlni:prenclzitoare;rcitoare;vaporizatoare;generatoaredevapori;rcitoare
frigorifice; condensatoare; boilere etc. g) Clasificarea n funcie
de material
Majoritateaschimbtoarelordecldursuntmetalice,avndsuprafaadeschimb
de cldur realizat din font, oel, cupru, alam, oel inoxidabil,
titan, e.t.c.
Semaipotntlninsischimbtoaredecldurdinmaterialenemetalice,cum sunt
cele ceramice, din sticl, din grafit sau din materiale plastice.
Schimbtoarele de cldur cu evi i manta reprezint tipul cel mai
rspndit n industrie datorit simplitii sale constructive, fiabilitii
ridicate i costului relativ cobort. Dei n ultimii ani ritmul de
cretere a pieei mondiale de astfel de aparate a sczut, ea reprezint
nc ntre 60-80% din piaa schimbtoarelor de cldur. Clasificarea
constructiv a schimbtoarelor cu evi i manta, care i-a gsit cea mai
larg rspndire, este cea propus de Asociaia Constructorilor de
Schimbtoare de
CldurTubulareTEMA(TubularExchangerManufacturersAsociation).Ea
clasificcu litereaceste aparate nfuncie de treicriterii: construcia
capacului de distribuie fix al aparatului; construcia i modul de
circulaie al agentului termic n spaiul dintre evi i manta i tipul
capacului de capt (fig.4.7.) [3.1.]. Bazele termoenergeticii76 n
figura 4.8. sunt prezentate cteva scheme constructive de
schimbtoare cu evi i manta, putndu-se observa principalele lor
elemente constructive. Fig. 4.7. Clasificarea TEMA (Tubular
Exchanger Manufacturers Asociation) pentru schimbtoare cu evi i
manta Instalaii i echipamente termice din contururile industriale77
Fig. 4.8. Tipuri constructive de schimbtoare cu evi i manta Bazele
termoenergeticii78 Fig. 4.8 (continuare) Tipuri constructive de
schimbtoare cu evi i manta a) Schimbtoare cu cap mobil (tip AES);
b) schimbtoare cu plci tubulare fixe i compensator de dilatare pe
manta (tip BEM); c) schimbtor cu capac de capt mobil, cu etanare cu
presetup (tip AEP); d) schimbtor cu evi n form de U (tip CFU); e)
boiler orizontal cu cap mobil (tip AKT); f) schimbtor cu curgere
divizat (tip AJW). 1 - capac tubular fix; 2 - capac elipsoidal sau
tronconic fix; 3 - flana capacului fix; 4 - plac de capt; 5 -
racord fix de legtur; 6 - plac tubular fix; 7 - evi; 8 - manta; 9 -
capac de capt al mantalei; 10,11 - flane alemantalei; 12 - racord
al mantalei; 13 - flana capacului de capt; 14 - lir de dilatare; 15
- plac tubular mobil; 16 - capac mobil; 17 - flana capacului mobil;
18 - flane de strngere; 19 - inel de oprire; 20 - flane destrngere
a plcii de capt; 21 - plac de capt a capacului mobil; 22 - partea
cilindric a plcii tubulare mobile; 23 - cutia de etanare; 24 -
garnitur de etanre; 25 - presetupa etanrii; 26 - inel distanier; 27
- tirani; 28 - icane; 29 - plac deflectoare; 30 - ican
longitudinal; 31 - perete despritor; 32- aerisire; 33 - drenaj; 34
- racord aparat de msur; 35 - suport; 36 - inel de ridicare; 37 -
suport lateral; 38 - plac de limitare; 39 - racorduri pentru
indicatorul de nivel. Instalaii i echipamente termice din
contururile industriale794.1.2.Ecuaiile de baz ale calculului
termic
Pentrucalculultermicalschimbtoarelordecldurdispunemdedouecuaiide
baz: ecuaia bilanului termic i ecuaia transferului de cldur. Ecuaia
bilanului termic are n cazul general forma: maQ Q Q + =2 1 [W](4.1)
undeQ1, 2Q ,maQ suntfluxuriletermicecedatedeagentulprimar,primitede
agentul secundar, respectiv pierderile n mediul ambiant, n W.
Dacvomdefinicoeficientuldereinereaclduriinaparatr,caraportul
ntrefluxultermicprimitdeagentulsecundaricelcedatdeagentulprimar (
)1 2/ Q Qr= ecuaia (4.1.) se poate scrie sub forma: 2 1Q Qr= (4.2)
sau: ( ) ( )i e e i rh h M h h M2 2 2 1 1 1 = & &(4.3)
unde:1M& i 2M& sunt debitele de agent primar i secundar, n
kg/s; h1i, h1e, h2i, h2e -
entalpiileagentuluiprimarrespectivsecundarlaintrarearespectivieireadin
aparat, n J/kg.
ncazulncareceidoiagenitermicinuimodificstareadeagregare,ecuaia
(4.4.) poate fi scris: ( ) ( )i e p e i p rT T c M T T c M2 2 2 2 1
1 1 1 = & &(4.4) sau: ( ) ( )i e e i rT T C T T C2 2 2 1 1
1 = (4.5) unde:1 1 1 pc M C&=i2 2 2 pc M C&=sunt capacitile
termice ale agentului primar i secundar,nW/K; iT1, eT1, iT2,
eT2-temperaturileagentuluitermicprimar,
respectivsecundarlaintrarea,respectivlaieireadinaparat,nK ; 1 pc i
2 pc - cldurile specifice medii ale agentului primar i secundar, n
J/(kgK). Ecuaia transferului de cldur n aparat este: ( )2 1 2 1T T
K S Qs = [W](4.6) unde: 2 1Q
estefluxultermictransmisdeagentultermicprimar,ctreagentul
termicsecundar,nW;S-suprafaadetransferdecldur,n 2m; SK -
coeficientul global de transfer de cldur, n( ) K m / W2.
Valoareamedieaprodusuluintrecoeficientulglobaldetransferdeclduri
diferena de temperatur se definete: Bazele termoenergeticii80 ( )(
)SdS T T KT T Ks ss2 12 1 = (4.7)
Presupunndovaloareconstantacoeficientuluiglobaldetransferdecldurn
lungul aparatului, ecuaia transferului de cldur are forma: med sT S
K Q =2 1& [W](4.8) unde medT estediferenamedie detemperaturn
lungulsuprafeeideschimbde cldur. Coeficientul global de schimb de
cldur: n cazul suprafeelor plane de transfer de cldur (figura
4.9.a.)coeficientul global de transfer de cldur se poate determina
cu relaia: = =nsistotsRRK11 1; 22 111 11+ ++ +=sdppsdsR RK
[W/(m2.K)](4.9)
unde:1i2suntcoeficieniideconvenciepentrufluidulprimarisecundar,n
W/(m2.K);Rsd1,Rsd2-rezisteneletermicedesuprafaaledepunerilorpepartea
fluiduluiprimar,respectivsecundar,nm2.K/W ; p p,
-grosimea,respectiv conductivitatea termic a peretelui, n m,
respectiv W/(m.K). Notnd cu Kso coeficientul global de transfer de
cldur a aparatului fr depuneri: 2 11 11++=ppsoK (4.10) se poate
scrie: 2 11 1sd sdso sR RK K+ + = (4.11) a) Instalaii i echipamente
termice din contururile industriale81 b) Fig. 4.9. Variaia
temperaturii i rezistenele termice pentru perete plan (a) i
cilindric (b) Pentru peretele tubular se utilizeaz de obicei
coeficientul global linear de transfer de cldur: 22 1111ln21 11 1
++ ++ = =e esdiep isdislild dRdddRdRK (4.12) Coeficientul global
linear de transfer de cldur a aparatului curat este: 2 11ln21 11 +
+ =e iep ilod dddK [W/m.K](4.13) Rezult c: esdisdlo edRdRK K ++ =2
11 1 [W/mK](4.14) Bazele termoenergeticii82 Fig. 4.10. Perete
nervurat n cazul peretelui nervurat (figura 4.10.), coeficientul
global de schimb de cldur al aparatului curat, raportat la suprafaa
nenervurat S1 este: red ppsSSK2 21111 11++= [W/m2.K](4.15) iar n
cazul raportrii la suprafaa extins S2: red ppsSSSSK2 1212121
11++=[W/m2K](4.16) unde: ( )222SS Sn n nnred += ,(4.17)
unde:Snn,Snsuntsuprafaadintrenervuri,respectivsuprafaanervurilor,nm2;
S2=Snn+Sn-suprafaatotalapereteleuinervurat,nm2;n-randamentul
nervurilor.
ntabelul4.1.suntdate,orientativ,ctevavalorialecoeficientuluiglobalde
schimb de cldur pentru diferii ageni termici. Instalaii i
echipamente termice din contururile industriale83Tabelul 4.1.
Valori orientative ale coeficientului global de transfer de cldur
Tipul de aparat Kso [W/(M2K)] Prenclzitor de ap1100 8500 Schimbtor
ap-ap850 1700 Condensator de abur1100 5600 Condensator de freon280
850 Condensator de amoniac850 1400 Condensator de alcool255 680
Rcitor de aer cu aripioare25 55 nclzitor de aer cu aripioare
utiliznd abur28 280 Schimbtor ap-ulei110 350 Schimbtor abur-ulei
uor170 340 Schimbtor abur-ulei greu56 170 Schimbtor abur-kerosen
sau gazolin280 1140 Schimbtor gaze-gaze10 40 Diferena medie de
temperatur: n cazul n care agenii termici nu i schimb starea de
agregare, curgerea lor fiind
nechicurent(figura4.11.a.)saucontracurent(figura4.11.b.),ecuaiilebilanului
termicitransferuluidecldurpentruunelementdesuprafadS,nipoteza
pierderilor neglijabile de cldur n mediul ambiant (r = 1) sunt: 2 2
2 1 1 1dT c M dT c M dQp p& & = = (4.18) ( )dS T T K dQs 2
1 = (4.19) a) Bazele termoenergeticii84 b) Fig. 4.11. Variaia
temperaturii n lungul suprafeei pentru curgerea n echicurent (a) i
contracurent (b) n ecuaia bilanului termic semnul minus indic o
scdere a temperaturii n lungul
suprafeei,iarsemnulplusocretereaacesteia.
TemperaturaagentuluiprimarT1 va scdea totdeauna n lungul suprafeei,
n timp ce temperatura agentului secundar
T2cretenlungulsuprafeeipentrucurgereanechicurentiscadencazul
contracurentului. Prin integrarea acestor ecuaii rezult: minmaxmin
maxlnTTT TTmed = (4.20)
unde:TmaxiTminsuntdifereneledetemperaturmaximiminimntre agenii
termici la intrarea, respectiv ieirea din aparat. a) b) T
T1T1T2i=T2e=T2e S T1i = T1e = T1e T S T2Instalaii i echipamente
termice din contururile industriale85 c)d) Fig. 4.12. Variante de
variaie a temperaturii n lungul suprafeei (a) fluidul primar nu i
schimb starea de agregare iar cel secundar vaporizeaz; (b) fluidul
primar condenseaz iar cel secundar se nclzete; (c) fluidul primar
condenseaz, iar cel secundar vaporizeaz; (d) fluidul primar se
desupranclzete, condenseaz i se subrcete, iar fluidul secundar se
nclzete.
Relaia(4.20.)estevalabilnumaipentruvariaiimonotonealetemperaturilorn
lungulaparatului(figura4.11.ifigura4.12.a.b.).ncazulvariaiilornemonotone
aletemperaturilorpentrudeterminareadifereneimediide
temperaturaparatul se mparte n zone cu variaii monotone (figura
4.12.d.), calculul termic realizndu-se pentru fiecare zon n parte.
ncazulcurgeriincurentncruciatsauaunortipuricomplexedecurgere pentru
determinarea diferenei medii de temperatur se utilizez relaia:
ccmed medT F T = (4.21)
FactoruldecorecieF,caremultiplicdiferenamediedetemperaturobinut
considerndcurgereancontracurent,estefunciededourapoartePiRide tipul
curgerii. Criteriul P are sensul unei eficaciti termice fiind
definit ca raportul dintre gradul de nclzire a agentului secundar n
aparat i diferena maxim disponibil: PTTT TT Tde ii i= =2 2 21 2
max(4.22) Criteriul R reprezint raportul ntre capacitile termice
ale celor doi ageni termici: RCCTTT TT Ti ee i= = =21121 12 2(4.23)
Factorul de corecie F este subunitar el crescnd odat cu scderea lui
R i P. T T S zona I zona II zona III T1s T2s T1i T1s T1e T2e
T2T2xT2iS Bazele termoenergeticii86
Rezultcpentrucele4temperaturialeagenilortermicidatediferena medie
de temperatur maxim se obine pentru curgerea n contracurent, iar
ceaminimpentruechicurent,celelaltetipuridecurgeresitundu-sentre
aceste limite. Din analiza celor dou ecuaii fundamentale pentru
calculul termic al aparatelor de
transferdecldur:ecuaiabilanuluitermiciecuaiatransferuluidecldur,
rezult c exist 7 variabile independente: 2 debite: 1M& i
2M&; 4 temperaturi: T1i , T1e , T2i , T2e i suprafaa de schimb
de cldur S. Exist dou tipuri principale de calcul termic:
-calcululdeproiectare,carepresupuneobligatoriudeterminareasuprafeeide
transfer de cldur S, celelalte 6 mrimi fiind legate n ecuaia
bilanului termic; - calculul de verificare sau de stabilire a unui
regim nenominal de funcionare, la care pentru un aparat dat (S
cunoscut) se urmrete determinarea sarcinii termice
pecareopoatetransferaaparatul,atemperaturiloragenilortermicilaieireadin
aparat, a unui debit i unei temperaturi, sau a altei combinaii de 2
mrimi. Calculul termic de proiectare prin metoda diferenei medii de
temperatur are
cadatedeintrare5dincele6debiteitemperaturicarecaracterizeazceidoi
ageni termici. Principalele etape ale calculului sunt:
determinareadinecuaiabilanuluitermicadebituluisautemperaturii
necunoscute; determinarea ccmedT ;
determinareafactoruluidecorecieF,nfunciedecriteriilePiRide tipul
curgerii agenilor termici prin aparat; determinarea diferenei medii
de temperatur Tmed (relaia 4.20.); determinarea coeficientului
global de transfer de cldur Ks; determinarea suprafeei necesare
detransfer de cldur. Principala dificultate a calculului o
constitue determinarea coeficientului globalde
schimbdecldur,deoarecedeobicei,coeficieniideconveciedepindde
temperaturapereteluiideodimensiunegeometricasuprafeeidetransfer(de
exemplunlimeapereteluilacondensareapesuprafeeleverticalesaulungimea
canaluluincazulcurgeriimonofazicelaminare),valoricarenusuntcunoscute,
impunndu-se alegerea lor i verificarea ulterioar a corectitudinii
acestor valori. Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale87Pentruaceastaexistdoumetodedecalcul:metodaiterativimetodagrafo-analitic.
Pentru calculele de verificare sau de regimuri nenominale cel mai
des se utilizeaz metoda eficien-numr de uniti de transfer de cldur.
Eficienaschimbtoruluidecldursedefinetecaraportuldintrefluxultermic
transferatnaparatifluxulmaximcares-arputeaschimbadaccurgereaar fi n
contracurent i suprafaa de transfer de cldur ar fi infinit. Se
poate scrie deci: ( )( )( )( )i ie ii ii eT T CT T CT T CT T CQQr2
1 min1 1 112 1 min2 2 2max== = = (4.24)
Numruldeunitidetransferdecldursedefinetecaprodusuldintre
coeficientulglobaldetransferisuprafaadetransferdecldur,raportatla
capacitatea termic a agentului termic. Se poate defini astfel: 1
111CS KdS KCNTCsss= =(4.25) 2 221CS KdS KCNTCsss= =(4.26) Pentru
diferite tipuri de curgere prin aparat se pot determina variaii de
tipul: ( ) curgerii tipul C C NTC f , / ,max min max=
ntabelul4.2.seprezintvariaiileeficieneitermicenfunciede maxNTC i
max min/ C C , pentru o serie de tipuri de curgere uzuale [ 4.2. ]
Tabelul 4.2. Relaii decalcul pentru eficien n funcie de max min
max/ , C C NTC tipul curgerii Nr. crt Tipul curgerii = f (N, C*)N=
f (, C*) 0123 1 contracurent ( ) [ ]( ) [ ]* **1 exp 11 exp 1C N CC
N = ||
\| =11ln11* *C CN2 echicurent ( ) [ ]**11 exp 1CC N++ = ( ) [
]CCN+ + =11 1 ln Bazele termoenergeticii88 continuare tabel 4.2
0123 3 Curent ncruciat, ambele fluide neamestecate ( )((
= n Cn NC**1 expexp 1unde, n = N-0,22 4 Cmax - amestecat; Cmin
-neamestecat ( ) [ ] { }Ne CC = 1 exp 11** ( )((
+ =**1 ln11 ln CCN Curent ncruciat, un fluid amestecat i altul
neamestecat Cmax- neamestecat; Cmin- amestecat ( ) ( ) [ ] { } NC C
= exp 1 / 1 exp 1* ( ) [ ] + = 1 ln 1 ln1**CCN 5 Curent ncruciat
ambele fluide amestecate ( ) ( )1**1exp 1 exp 11((
+ = N NCCN 6 Schimbtor cu evi i manta cu o trecere prin manta i
2,4,6 treceri prin evi ( ) { + + + = 2 / 12 * *1 1 2 C C( )( )12 /
12 *2 / 12 *1 exp 11 exp 1)`((
+ ((
+ +C NC N ( )( )( ) (((
+ + + + =2 / 12 *2 / 12 *2 / 12 *1 * 1 / 21 * 1 / 2ln1C CC CC N
7 Schimbtor cu evi i manta cu n treceri prin manta i 2n, 4n, 6n
treceri prin evi ( )( ) [ ]( )( ) [ ]* **1 / 11 1 1C CCnp pnp p =
unde:p eficiena pentru o trecere prin manta 8 Orice schimbtor la
care un fluid i schimb starea de agregare (C* =0) = 1 - e-N N = -
ln (1 - ) Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale89Metoda - NTC este deosebit de util n special pentru
calculul de verificare sau
aunorregimuridefuncionare.nfigurile4.13.i4.14.suntprezentai
algoritmiicalculelorderegimdefuncionarencazulncarenusecunoscdou
temperaturi (fig.4.13.) sau o temperatur i un debit (fig. 4.14.) i
iT T M M S2 1 2 1, , , ,& &ales Tie=( )e i mT T , T1 1 15 0
+ =ales Te=2( )e i mT T , T2 2 25 0 + =1 3 ( )( )m pm pT f cT f c2
21 1==( )2 21 1 1 12 2pe i picalcec MT T c MT T&&+ =01 022
2,TT Tcece
e1000C).Aicigazeleardstabilchiarncamer,deexemplu,ntr-uncuptorde
forj, la temperatura de 1200...1300C. Fig.4.61 Cuptor de joas
temperatur cu aciune continu 1-focar; 2-camera cuptorului; 3-gaze
de ardere; 4-material supus nclzirii. 4.6.3.2. Cuptoare cu
temperaturi ridicate, cu aciune continu
Dacgazelecareardsuntrcitebrusc,subtemperaturadeinflamabilitate,atunci
reacia de ardere se oprete i se degaj funingine. n acest caz poate
fi aplicat regula de baz pentru construcia de cuptoare, potrivit
creia combustibilul trebuie, pe ct posibil, s ard n apropierea
produselor, adic centrul de ardere s fie n camera cuptorului. n
asemenea cazuri, focarul i camera de lucru sunt comasate [6].
Bazele
termoenergeticii170nfigura4.62esteprezentatoschemdeconstrucieaunuicuptordeacesttip,
nclzit cu gaze, pcur sau praf de crbune. La cuptoarele de
dimensiuni mari care folosesc combustibil solid (huil sau lignit)
seutilizeazoconstrucie cufocarcareproducesemigaz,acruiarderecomplet
se produce n camera cuptorului, figura 4.63. Fig. 4.62 Cuptor de
temperatur ridicat cu aciune continu 1-focar; 2-camera cuptorului;
3-materialul supus nclzirii. Fig.
4.63Schemaunuicuptor,cufocarcusemigaz,pentruardereacombustibiluluiaezatn
straturi 1-alimentarea cu aer primar; 2- aer secundar; 3-grtarul;
4-ua focarului; 5-ua pentru conducerea focului; 6-ua pentru
evacuarea zgurii i cenuii; 7-zona zgurii; 8-zona de ardere; 9-zona
de reducere; 10-stratul de combustibil proaspt; 11-semigazul;
12-camera cuptorului. 4.6.3.3. Cuptoare cu ardere discontinu, cu
regim termic variabil
Aceastgrupdecuptoaresecaracterizeazprinaceeacproduselesupuse
prelucrriisuntncrcatecndcuptorulesterece;dupaceeaelesuntnclzite,
conformregimuluiprescris,pnlaotemperaturmaxim,iarapoisuntrcite,
nclzirea i rcirea produselor i a zidriei cuptorului producndu-se
concomitent.naceastcategorieintrcuptoarelecucamerpentruarderea(coacerea)
produselor ceramice (porelan, faian, refractare). Instalaii i
echipamente termice din contururile industriale171La aceste
cuptoare focarele se construiesc astfel ca, la nceputul procesului,
cnd n cuptor temperatura nu este mare (tc < 900....1000C), n ele
s se realizeze o ardere
completacombustibilului.netapaadouadeardere,tc>900....1000C,iarn
focar se stabilete un regim de focar de semigaz. 4.6.4.Tipuri
constructive de cuptoare industriale
nindustriesentlneteomarevarietatedetipuridecuptoare.ncontinuarese
prezint cteva tipuri care au o mai larg rspndire. 4.6.4.1. Cuptoare
verticale (turn)
Celmaireprezentativcuptorverticalestefurnalulsaucuptorulnalt,careare
spaiul de lucru dispus n lungul axei verticale. n figura 4.64 este
reprezentat schemafuncional a unui furnal. Fig. 4.64 Schema
funcional a furnalului
Minereul,combustibilul(cocsul)ifondantulsencarc(subformdearje)prin
gura superioar a furnalului echipat cu un dispozitiv de
ncrcare.ntottimpulfuncionriifurnaluluispaiuldelucruesteizolatdeatmosferprin
dispozitivul de ncrcare, n vederea recuperrii din partea superioar
a gazului de furnal, care este apoi folosit drept combustibil n
instalaiile de ardere energetice i n instalaiile de nclzire a
aerului necesar
arderii.Furnalelesuntinstalaiicuodublfunciune:ofuncietehnologic(fabricarea
fontei) i o funcie energetic (producerea gazului de furnal), ceea
ce conduce la un randament ridicat de 85-87%. Bazele
termoenergeticii172Dingrupacuptoarelorverticalefacparte,deasemeneacubilourileicuptoarele
verticale de clingher. n figura 4.65 este prezentat schema unui
cubilou, folosit n turntoriile de font. n aceste cuptoare se topete
font, deeuri de la turntorii, alice de font i oel cu adaos de cocs,
drept combustibil i var drept fondant. Fig.4.65 Cubiloul Fig.4.66
Cubilou cu anticreuzet Instalaii i echipamente termice din
contururile industriale173 Aerul de ardere se comprim cu ajutorul
unei suflante i este introdus n conductele inelare de aer de unde
este insuflat n cuptor prin mai multe guri de vnt.
Adeseori,seexecutcubilourilecuantecreuzet(figura4.66).Prinaceastmsur
seobineoelaborareuniformaarjeidatoritevacuriinentrerupteazguriii
fontei. 4.6.4.2. Cuptoare cu vatr
DinaceastcategorietipulreprezentativestecuptorulSiemens-Martin,care
servete la elaborarea oelului de o calitate dorit, pornind de la
fierul brut, deeuri de fier i oel, minereu, cu adaos de calcar.
Temperaturadetopireaoeluluiestede1550-1650C,ceeaceimpuneca
temperatura gazelor de ardere s fie de 1850-1950C.
CuptorulMartin,figura4.67,aredoucamerederegenerarecareservescla
ridicarea temperaturii aerului pn la 1000-1200C i a combustibilului
gazos pn
la800-1000C.Prenclzireaputernicacelordoiageniestenecesarpentru
atingerea temperaturii de 1800-1950C n spaiul de lucru. Temperatura
gazelor de
arderelaieireadincuptorestede1750-1850Ciscadenregeneratorpnla
500-700C. La cuptoarele moderne se folosesc cazane recuperatoare n
care se introduc gazele de ardere ieite din regenerator. n spaiul
de lucru al cuptorului se introduc materialele aferente elaborrii
oelului prin uile laterale cu ajutorul unor macarale speciale cu
brae. Productivitatea orar a acestor cuptoare se afl ntre 160 2/ m
h kg vatr n cazul nclziriicugazdegeneratori320 2/ m h kg
vatrlagazdecocseriesau pcur.Puterea suprafeei de nclzire este de
300-400 kW/m2 [2].
Prinfolosireaoxigenuluinloculaeruluisepotmriconsiderabilacestevalori,
mbuntindu-se randamentul cuptorului i reducndu-se timpul de topire.
Randamentul unui cuptor obinuit Siemens-Martin este de 35%, n timp
ce al celui care folosete oxigen poate atinge 50%. Cuptoarele cu
vatr pot avea vatra fix ca n cazul cuptorului Martin, fie basculat,
figura 4.68. Bazele termoenergeticii174 Fig. 4.67 Schema funcional
a cuptorului Martin I - spaiu de topire; II - regeneratorul de aer;
III - regeneratorul de gaze combustibile; IV - capul cuptorului;
1-intrarea aerului rece n regenerator; 2-intrarea gazului prenclzit
n cuptor; 3-intrarea gazului n spaiul de topire; 4-intrarea aerului
rece n regenerator; 5-intrarea aerului fierbinte n capul
cuptorului; 6-intrarea aerului fierbinte n spaiul de topire;
7-canalul de intrare a gazelor de ardere n regeneratoarele de aer;
8-idem pentru regeneratoarele de gaze; 9- ieirea gazelor de ardere
din regeneratoarele de aer; 10-idem din regeneratoarele de gaze; 11
i 12-registre de schimbare a direciei gazelor; 13-canal de
trimitere a gazelor de ardere la cazanul recuperator. Fig. 4.68
Cuptor de topit cu vatr basculant cu rezistene electrice Instalaii
i echipamente termice din contururile industriale1754.6.4.3.
Cuptoare de topire cu creuzet Aceste cuptoare de topire pot fi
nclzite cu cocs, gaz, pcur sau curent electric. n aceste cuptoare
exist unul sau mai multe creuzete n care se afl metalul topit sau
aliajul. arja nu este n contact direct cu flacra i - dac se iau
msuri de prevenire - nici cu gazele de ardere. Acest contact ar
putea fi, n multe cazuri periculos deoarece, o baie de metal topit
absoarbe uor gazele.
Cuptoareledetopitcucreuzet,caceldinfigura4.69seexecutcucreuzetfie
demontabil sau nedemontabil.
Creuzetelepotficonfecionatedingrafitcuunelementdealiereceramic,din
carburdesiliciusaudinfont,nfunciederegimultermicalcuptorului.De
exemplu, pentru aliaje de aluminiu sau magneziu se ntrebuineaz
creuzete din oel sau font (au conductivitate termic mai mare fa de
cele din grafit sau carbur de siliciu). Spaiuldelucru alacestor
cuptoare poatefide seciunecircular,dreptunghiular sau oval. Fig.
4.69 Cuptor cu creuzet nclzit cu cocs 4.6.4.4. Cuptoare cu
propulsie
Acestecuptoaresuntcelemaiutilizateutilajecontinuepentrulaminoare,
reprezentativfiindcelcutreizonetermiceicunclzirebilateral,figura4.70,
[4]. Bazele termoenergeticii176 Fig. 4.70 Schema cuptorului cu
propulsie cu treizone i nclzire bilateral 1-zona de prenclzire;
2-zona de nclzire; 3-zona de egalizare; 4-arztor; 5-canal de fum;
6-mpingtor; 7-orificii de ncrcare i descrcare; 8-glisiere;
9-suporturi pentru glisiere; 10-vatr monolit
Elesefolosescpentrunclzirealingourilordeoelnaintedeprelucrarealacald.
Gazele de ardere circul n contracurent cu materialul care se
deplaseaz pe
ine.ncameradetemperaturnalt,temperaturagazelordeardereajungepnla
1400-1500C, iar n zona de prenclzire scade pn la 800-1000C [9],
[10]. 4.6.4.5. Cuptoare cu combustibil din seciile de forj
nseciiledeforjsefolosesc,nmodfrecvent,cuptoarecufuncionareciclic,
cum sunt cele cu vatr fix (cu una dou camere sau cu fant), unul
dintre acestea
fiindprezentatenfigura4.71,pentrunclzireasemifabricatelorcudimensiuni
reduse i cele cu vatr mobil, pentru nclzirea lingourilor de
dimensiuni mari, n vederea forjrii prin presare. Fig. 4.71 Cuptor
cu vatr fix pentru forj 1-spaii de lucru; 2-arztor; 3-canal de fum;
4-orificiu de ncrcare - descrcare; 5-semifabricat Instalaii i
echipamente termice din contururile industriale177Cuptorul
cuvatrmobilareaceeaiconfiguraiecaicelcuvatrfix,darvatra este
deplasabil pe orizontal. 4.6.4.6. Cuptoare rotative Aceste cuptoare
sunt formate dintr-un tambur cilindric de tabl cptuit cu material
refractar, avnd axa puin nclinat fa de orizontal. Lungimea
tamburului variaz ntre 2-50 m, diametrul interior fiind de 1,5-3 m.
Cilindrul este rezemat pe dou sau mai multe perechi de role i este
prevzut cu o coroan dinat, cu ajutorul creia este acionat cu o
micare de rotaie, figura 4.72. Fig. 4.72 Cuptor rotativ
Materialulsencarcprintr-oplnielaoextremitateisedescarcprelucratla
cellalt capt al
tamburului.Proceselefizico-chimiceaulocsubinfluenaclduriidezvoltateprinarderea
combustibilului care se transmite materialului supus arderii n
condiiile deplasrii acestuia n contracurent cu gazele de ardere
[8]. Aerul necesar arderii se sufl cu ajutorul unui ventilator;
materialul umple numai o
parteaseciuniicuptorului.Pentruamrisuprafaadecontactntregazelede
ardere i material, tamburul cuptorului este prevzut cu icane.
Cuptorulrotativservetepentrucalcinarea,prjirea,uscareaiardereadiverselor
materiale.n faa cuptorului se afl focarul. n cazul arderii
clincherului de ciment la temperatura de 1400-1450C se folosete
drept combustibil pcur, praf de crbune, gaze naturale sau de
cocserie.
Cuptoarelerotativepentruclincheraulungimimaimari,de70-170m.nclinarea
tamburului este de 4.
Laardereamagneziteimetalurgicelatemperaturade1650Csefolosetedrept
combustibil pcura cu exces mic de aer. Bazele
termoenergeticii178Pentruardereaamoteila temperaturade1300-1350Ci
avaruluilatemperatura
de1200-1300Csepoatentrebuina,pelngcombustibiliicitaiigazulde
gazogen care poate fi prenclzit. 4.6.4.7. Cuptoare tunel Aceste
cuptoare sunt utilizate n special pentru arderea produselor
ceramice. Dup
formacanaluluidelucruelepotfi:cucanaldrept(figura4.73)saucucanal
circular. Fig. 4.73 Schema de funcionare a unui cuptor tunel
Principiuldefuncionarealacestorcuptoareconstndeplasareacontinua
vagoanelorncrcatecuprodusecareseardncontracurentcugazeledeardere.
Convenionalcuptorulsempartenzoneledeprenclzire,ardereircire.
Transmisiaclduriiserealizeazfiedirectdelagazeledearderelamaterial,fie
prin intermediul muflei, n care caz gazele de ardere nu intr n
spaiul de lucru.
Acestecuptoareaudezavantajulstratificriicurenilor(curenicalzilapartea
superioar i reci la baz). Pentru evitarea acestui neajuns se
realizeaz o circulaie
transversal(forat)agazelordearderenzonadeprenclziresauaaeruluin
zona de rcire.Vitezagazelorncuptorpentru
evitareastratificriicurenilor, trebuies fie de1-1,5 m/s, iar viteza
de naintare a trenului de vagonele 1-2,5 m/h. Fiind un cuptor cu
funcionarecontinucuposibilitiderecuperareaclduriifiziceagazelorde
ardere, el este unul din cuptoarele cu randamentul termic cel mai
bun. 4.7.GENERATOARE DE ABUR 4.7.1.Schema de ansamblu
Aburulconstituieunuldinceimaiimportanivectorienergeticintlniin
industrie,elputndfiutilizatattcaagentmotor(ex.antrenrideturbine),cti
direct n cadrul unor procese (ex. industria chimic). n consecin,
generatorul de abur reprezint o instalaie prezent ntr-un numr mare
de aplicaii industriale. Generatorul de abur are rolul de a
transforma apa n abur saturat sau supranclzit
pebazaclduriiprovenite,printrealtele,dinardereaunorcombustibilifosilisau
din recuperarea cldurii provenite din diverse procese industriale.
Instalaii i echipamente termice din contururile industriale179
npracticacurentmajoritateageneratoarelordeabursuntdetipacvatubular,ele
reprezentndobiectulprezentuluicapitol.Unaccentdeosebitsevapuneasupra
generatoarelordeaburbazatepeardereaunorcombustibili,urmndcan
subcapitolul4.7.6.sfiesubliniateoseriedeparticularitialecelor
recuperatoare.Generatoruldeaburacvatubulararencomponencanalededimensiunirelativ
mari n care sunt imersate sisteme de evi. Gazele de ardere
provenite din arderea
combustibililorcirculprincanale,pelaexteriorulevile,cedndcldurctre
agentultermic(apiabur)careestevehiculatprininteriorulacestora.Arderea
combustibililorserealizeazntr-ozonsituatlabazacanalelor,numitfocar.
Pereii canalelor pot fi realizai fie din materiale ceramice
rezistente la temperaturi
nalte(crmizirefractare),fiedinmembranemetalicercitelainteriorcuap
i/sau abur. In figura 4.74 sunt prezentate elementele menionate mai
sus. 4.7. 2.Combustibili utilizai n generatoarele de abur
Generatoareledeaburutilizeazomarevarietatedecombustibili,conformcelor
prezentate n tabelul 4.5.
Combustibiliisoliziilichizisecaracterizeazprintr-ostareiniial,care
definetecompoziiamasicexprimatnprocente,ncondiiilerealedeutilizare
(4.126). In cadrul compoziiei se disting 5 elemente:C carbon; H
hidrogen; O oxigen;Nazot; cS
-sulfcombustibilidousubstane:Amasamineral necombustibil, denumit i
cenu; tW- umiditatea. 100 = + + + + + +iti ici i i iW A S N O H C
.[%] (4.126.) Tabelul 4.5.Categorii de combustibili utilizai n mod
curent n generatoarele de abur SoliziLichiziGazoi
crbune(crbunebrun, huil, antracit) isturi bituminoase deeurisolide
combustibile biomas pcurgaz natural gazereziduale
combustibile(provenite dinindustriametalurgic, rafinrii) biogaz
Bazele termoenergeticii 180 180 Fig. 4.74. Generator de abur
acvatubular utilizat n centralele convenionale cu abur
Similar,combustibiliigazoisecaracterizeazprintr-ocompoziievolumetric
exprimat n procente (relaia 4.127). = + + + + + + + 1002 2 2 2 2 2O
H H C S H O N H CO COn m. [%](4.127) Puterea calorific reprezint
cantitatea de cldur degajat prin arderea complet
aunitiidemassauvolumacombustibilului.Inmoduzual,ncazul
combustibililorfolosiingeneratoareledeaburseutilizeazputereacalorific
inferioar,carenuineseamadeclduralatentdevaporizareavaporilordeap
din gazele de
ardere.Incazulcombustibililorsoliziilichizi,dacsecunoatecompoziialastare
iniial, puterea calorific inferioar (iiQ ) se determin cu relaia: (
)itici i i iiW S O H C Q + = 1 , 25 109 1 , 1029 339 ,[kJ/kg]
(4.128) unde componentele combustibilului sunt exprimate n
procente.
Pentruuncombustibilgazosanhidru(frconinutdevaporideap),puterea
calorific inferioar este dat de expresia: =ij i janhiQ r
Q,1001,[kJ/m3N](4.129) canal gaze de ardere focar sisteme de evi
structur de rezisten alimentare combustibil Instalaii i echipamente
termice din contururile industriale181 unde: jr
esteparticipaiavolumetricacomponenteij,n%; ij iQ,-puterea calorific
inferioar a componentei j, n kJ/m3N.
Intabelul4.6suntprezentateputerilecalorificeinferioarepentruoseriede
combustibili utilizai n mod curent n generatoarele de abur. Tabelul
4.6.Puteri calorifice inferioare pentru combustibili utilizai n CCA
Crbune brun (inclusiv lignit)5 000 16 000, kJ/kg Huil20 000 30 000,
kJ/kg Antracit29 000 31 000, kJ/kg Pcur39 000 42 000, kJ/kg Gaz
natural (inclusiv gazul de sond)30 000 36 000, kJ/m3N Gaz de
furnal3 000 5 000, kJ/m3N Gaz de cocserie14 000 19 000, kJ/m3N
4.7.3.Circuitul ap abur 4.7.3.1. Structura
Circuitulapaburalgeneratoruluiesteformatdinsistemedeeviimersaten
canaleledegazedeardere.Dinpunctde vedere funcional se disting
urmtoarele
suprafeedetransferdecldurcareintrncomponenaacestuicircuit:
economizor, vaporizator, supranclzitor primar i supranclzitor
intermediar.
Economizorul(ECO)realizeazcretereadetemperaturaapeidealimentare
pnlaovaloareapropiatdeceadesaturaie.Transferuldecldurntreapi gazele
de ardere este de tip convectiv. Vaporizatorul (VAP) asigur
trecerea apei din faz lichid n cea de abur saturat. Transferul de
cldur se realizeaz preponderant prin radiaie. Supranclzitorul
primar (S) realizeaz supranclzirea aburului produs de ctre
vaporizatorpnlaniveluldetemperaturdorit.Transferuldecldursepoate
realiza att convectiv, ct i radiativ.
Supranclzitorulintermediar(SI)aparencazulcentralelortermoelectrice
convenionale i asigur o cretere a temperaturii aburului deja
destins n corpul de nalt presiune al turbinei.
Modulncareserealizeaztransferuldecldur,pede-oparte,inivelulde
temperatur necesar a fi atins de ctre agentul ap abur, pe de alt
parte, impun
modulncareacestesuprafeedeschimbdecldursuntamplasateninteriorul
canalelor de gaze de ardere. Bazele termoenergeticii 182 182 Fig.
4.75. Amplasarea suprafeelor de schimb de cldur n generatoarele de
abur bazate pe arderea unor combustibili La interiorul evilor VAP
are loc o schimbare de faz (vaporizare), coeficienii de
transferdeclduravndvaloriridicate.nacestecondiiidevineinteresant
plasarea VAP n focar unde, la exteriorul evilor coeficienii de
transfer de cldur
suntdeasemenimari.Acestlucrusedatoreazfaptuluicnaceastzon
transferuldecldursefacepreponderentprinradiaie(temperaturaninteriorul
focarului depete 1000 C).
VarezultapentruVAPovaloareridicatacoeficientuluiglobaldetransferde
cldur,implicndosuprafanecesardetransferdecldurredus,cuefecte
benefice asupra costului generatorului de abur.
ncazulSI,SIiECOsituaiaestediferit:coeficieniiglobalidetransferde
cldur posibili a fi obinui la interiorul evilor sunt sensibil mai
mici dect pentru VAP. Cele trei suprafee de transfer de cldur sunt
amplasate n zona convectiv, poziia fiind dictat de temperatura care
trebuie atins pe parte de agent ap abur: -n zona convectiv de nalt
temperatur: SI iSI; -n zona convectiv de joas temperatur: ECO.
nfigura4.75esteprezentatschematicmodulncarecircuitulapabureste
dispus n interiorul canalelor de gaze de ardere.
Semenioneazfaptulcexisttipuridegeneratoaredeaburlacareopartedin
evilesupranclzitoruluiprimarsuntamplasatenfocar,lngcele
corespunztoarevaporizatorului.Pentruacesteevitransferuldecldurse
realizeaz preponderent prin radiaie. ECO SI, SI VAP combustibil +
aer co FOCAR Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale183 Din punct de vedere al modului n care se realizeaz
circulaia agentului ap abur n interiorul vaporizatorului,
generatoarele de abur pot fi cu circulaie natural, cu circulaie
forat multipl sau cu circulaie forat unic. (figura 4.76). Fig.
4.76.Circuitul ap abur al generatorului de abur a cu circulaie
natural; b cu circulaie forat multipl; c cu circulaie forat unic 1
economizor; 2 vaporizator; 3 supranclzitor; 4 pomp de alimentare; 5
tambur; 6 purj; 7 pomp de circulaie; 8 butelie separatoare 4.7.3.2.
Domenii de utilizare i parametrii de funcionare
Tipuldegeneratorutilizatntr-oaplicaiedatdepindenmoddirectdecerinele
consumatorului de abur. n aplicaii industriale (cu excepia celor
din sectorul producerii energiei electrice) parametrii aburului
sunt dictai de necesitile consumatorului (procesul tehnologic
industrial).ngeneralniveluldepresiuneesteinferiorvaloriide100bar,fiind
preferate generatoare cu circulaie natural. Existena tamburului
poate asigura de asemeni o corectare a regimului chimic al apei de
alimentare, mai ales n condiiile n care n aceasta apar impuriti
provenite din procesele industriale. n tabelul 4.7 sunt prezentate
cteva exemple de astfel de generatoare fabricate n Romnia. Tabelul
4.7 Exemple de generatoare de abur industriale fabricate n Romnia
Debit, t/h10305050 Presiune abur, bar16163540 Temperatur abur,
C350250450450 Combustibilgaz naturallignitgaz naturallignit
Randament, %908290,583 1 11 2 333 44 4 2 2 5 5 6 6 7 8 a)b)c)
Bazele termoenergeticii 184 184
nsectorulproduceriienergieielectriceparametriiaburuluiprodusdegenerator
rezultdinnecesitateadeaobinerandamentedeconversiectmairidicate.n
tabelul4.8suntprezentateprincipalelecaracteristicipentrugeneratoaredeabur
energetice fabricate n Romnia. Tabelul 4.8Exemple de generatoare de
abur energetice fabricate n Romnia Debit, t/h1204205251035 Presiune
abur, bar98137196196 Temperatur abur, C540550540540 Tip
circulaienaturalnaturalforat unicforat unic Combustibilgaz
naturallignitlignitlignit Randament, %938586,587,5 4.7.4.Circuitul
aer gaze de ardere
Circuitulaergazedearderealunuigeneratordeaburndeplineteurmtoarele
funciuni: -vehicularea i prenclzirea aerul necesar arderii;
-filtrarea gazelor de ardere; -evacuarea n atmosfer a gazelor de
ardere.
Dinpunctdevederealcirculaieiaeruluiigazelordearderesedisting
urmtoarele cazuri: a)Tiraj natural
Nuexistventilatoaredeaersaudegazedeardere.Circulaiasefacepe
bazanlimiicanalelordegazedeardereiacouluidefum,acestea
asigurnduntirajnatural.Soluiaseapliclageneratoaredemic capacitate.
b)Tiraj suflat
ncircuitseprevededoarventilatordeaer.Generatoareledeacesttip
lucreazcusuprapresiunenfocar,deciestenecesaroetanarefoarte
bunacanalelordegazedeardere.Soluiaestentlnitlageneratoare
micicareutilizeazhidrocarburiilacelepecrbunecuarderenpat fluidizat.
c)Tiraj aspirat
Generatorularedoarventilatoaredegazedeardere,iarnfocarse
stabileteodepresiune.Aceastvariantseapliclageneratoaremicipe crbune
sau lemn, cu ardere pe grtar. Instalaii i echipamente termice din
contururile industriale185 d)Tiraj mixt
ncircuitsentlnescventilatoareattdeaer,ctidegazedeardere. Reprezint
soluia cea mai ntlnit n centralele electrice.
nfigura4.77esteprezentatcazulcelmaigeneralalunuigeneratordeaburcu
tiraj mixt care utilizeaz drept combustibil crbunele. Dup cum se
poate observa, pe lng canalele n care este amplasat sistemul ap
abur, circuitul aer gaze de ardere cuprinde un numr important de
echipamente auxiliare.
Filtruldeaerareroluldeareineimpuritilemecanicecarearconducela
erodareapaletajuluiventilatoruluideaer,fiindamplasatchiarnaspiraia
acestuia. La ieirea din zona circuitului ap abur, gazele de ardere
se caracterizeaz printr-o temperatur relativ ridicat (n general
peste 350 C). Evacuarea lor n atmosfer
laoasemeneatemperaturarreprezentaoimportantpierdereenergeticpentru
generatoruldeabur.Pentrudiminuareaacestorpierderiseintroducencircuitun
prenclzitordeaer.Aceastaareroluldeaprenclziaerulnecesararderiipe
bazaclduriiconinutngazeledeardereevacuatespreco.Rezultoseriede
efectebeneficecumarfimbuntireaarderiiicreterearandamentului
generatorului de abur. Fig. 4.77. Circuit aer gaze de ardere cu
tiraj mixt (combustibil crbune) 1 filtru de aer; 2 ventilator de
aer; 3 prenclzitor de aer; 4 sistem de ardere; 5 focar; 6 circuit
ap abur; 7 instalaie de filtrare a oxizilor de azot; 8 instalaie de
filtrare pulberi; 9 ventilator de gaze de ardere; 10 instalaie de
filtrare oxizi de sulf;11 evacuare gaze de ardere n atmosfer; 12 -
combustibil
Gazeledearderenupotfirciteorict,fiindnecesarasigurareauneibune
dispersii a noxelor n atmosfer, pe de-o parte, i evitarea
condensrii vaporilor de
ap,pedealtparte.Semenioneazc,princondensareavaporilordeappe
suprafeelemetalicealecanalelordegazedeardere,poateapreaunfenomen
nedoritdecoroziunealacestorsuprafee.Temperaturadecondensareavaporilor
de ap (temperatura de rou) este cu att mai ridicat cu ct coninutul
de sulf din
combustibilestemaimare.ntabelul4.9suntprezentateintervalerecomandate
pentru temperatura de evacuare n atmosfer, n funcie de tipul
combustibilului. 12 3 45677891011 12 Bazele termoenergeticii 186
186 Tabelul 4.9Valori uzuale pentru temperatura de evacuare n
atmosfer a gazelor de ardere Tip combustibilTemperatur de evacuare,
C Gaz natural100 120 Pcurcuconinutredusdesulf ( % 1 icS ) 130 150
Crbune superior (antracit, huil)120 130 Lignit140 - 160
Sistemuldearderecuprindeinstalaiiledeprepararealecombustibiluluiprecum
iarztoarele.Acestesistemediferfundamentalnfunciedetipul
combustibilului: solid, lichid sau gazos.
Prinardereacombustibililoraparoserieprodusecareauunefectnocivasupra
mediuluinconjurtor:pulberi,oxizideazot,oxizidesulf,monooxiddecarbon.
Legislaianvigoareimpuneconcentraiimaximadmisibilengazeledeardere
pentruacestenoxe,ndeosebipentrugeneratoareledeaburcuoputeretermic
instalatmaimarede50MWt(caracteristicecentralelorelectrice).Respectarea
acestor limite necesit introducerea n circuitul gazelor de ardere a
unor filtre care s rein pulberile, oxizii de azot i de sulf.
Poziionarea filtrelor depinde de tipul funcional al acestora, n
figura 4 fiind prezentat doar una din variantele cele mai
desaplicatencentraleleelectrice.Ofiltrarecorespunztoareagazelordeardere
vapermitealegereadevaloripentrutemperaturadeevacuarenatmosfermai
mici dect cele prezentate n tabelul 4.9. Filtrul de pulberi are i
un rol tehnologic,
elreinndparticulelesolidecarearconducelaerodareapaletelorventilatorului
de gaze de ardere. 4.7.5.Analiza energetic a generatorului de abur
4.7.5.1. Bilanul termic
Pentruaputeapunenevidenpierderiledeclduriadeterminarandamentul
unuigeneratordeaburestenecesarefectuareaunuibilantermic.nacestscop
trebuiefixatosuprafadereferinnraportcucaresuntdefinitefluxurile
termicecomponentealeacestuibilan.Pentrugeneratoareledeabur,drept
suprafadereferinpoatefialeassuprafaaexterioaracanalelordegazede
arderencaresuntdispusecircuitulapaburiprenclzitoruldeaer(figura
4.78).Relaiageneralprincareseexprimbilanultermicalunuigeneratordeabur
este: Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale187 p abur iQ Q Q + = , [kW](4.130) unde: iQ
esteputereatermicintratnsuprafaadereferin,nkW; aburQ -
putereatermiccorespunztoareaburuluiprodusdegenerator,nkW; pQ -
puterea termic pierdut sub diferite forme n mediul ambiant, n kW.
Puterea termic intrat n generatorul de abur se determin cu relaia :
aer inj apa c iQ Q Q Q Q + + + = , [kW](4.131) unde: cQ
esteputereatermicintrodusodatcucombustibilul,nkW; apaQ - puterea
termic a apei de alimentare la intrarea n generatorul de abur, n
kW;
injQ-putereatermiccorespunztoareaburuluiinjectatngeneratorpentrudiverse
scopuritehnologice(ex.pulverizarecombustibillichid),nkW; aerQ
-puterea termic corespunztoare aerului de ardere, n kW. La rndul
ei, puterea termic corespunztoare combustibilului este: cii ch B Q
B Q + = , [kW](4.132)
unde:Bestedebituldecombustibiliintrodusnfocar,nkg/s; ch -entalpia
sensibil a combustibilului, kJ/kg. Fig. 4.78. Schema de bilan
termic pentru un generator de abur T tambur; ECO economizor; VAP
vaporizator; S supranclzitor; PA prenclzitor de aer ap de
alimentare aer de ardere gaze de ardere a ECO PA cenu, zgur VAP T
purj a S abur suprafa de referin combustibil Bazele
termoenergeticii 188 188 Pentrucazulcelmaigeneral,ncareseutilizeaz
un combustibil solid, pierderile de cldur sunt date de expresia: PJ
zg ex m ch ev pQ Q Q Q Q Q Q + + + + + = , [kW](4.132) unde evQ
esteputereatermicsensibil(fizic)agazelorarseevacuate,nkW; chQ
-putereatermicpierdutdatoritarderiiincompletedinpunctdevedere
chimicacombustibilului,nkW; mQ -putereatermicpierdutdatoritarderii
incompletedinpunctdevederemecanicacombustibilului,nkW; exQ -puterea
termicpierdutnmediulnconjuratorprinconvecieiradiaie,nkW; zgQ -
putereatermicpierdutdatoritproduselorsolideevacuatepelabazafocarului
(ndeosebisubformdezguricenu),nkW; PJQ -putereatermicpierdut datorit
purjei, n kW. 4.7.5.2. Randamentului generatorului de abur
Randamentul pe cale direct (d ) se definete ca raportul dintre
puterea termic util, respectiv puterea termic consumat de
generatorul de abur. Relaia utilizat n mod uzual n acest scop este:
( )100 + =iiaer c aadQ BQ h B Q ,[%](4.133) unde: aaQeste puterea
termic preluat n generator de ctre agentul ap abur, n kW.
ncazulncareseneglijeazdebituldepurj,iargeneratoruldeaburnueste
prevzut cu supranclzire intermediar, va rezulta: ( )apa abur abur
aah h D Q = ,[kW](4.134) ( ) ( )100 + =iiaer c apa abur aburdQ BQ h
B h h D , [%](4.135) unde: aburD
esteproduciadeaburageneratorului,nkg/s; aburh -entalpia specific a
aburului produs de generator, n kJ/kg; apah- entalpia specific a
apei de alimentare la intrare n suprafaa de referin, n kJ/kg.
Determinarearandamentuluipecaledirectseaplicpentrucazaneaflatenfaza
de operare i este condiionat de msurarea cu mare precizie a unor
elemente cum
arfidebiteledeap,aburicombustibil.Demulteorimsurareadebituluide
combustibil are un grad relativ ridicat de imprecizie, ndeosebi n
cazul crbunilor. n aceast situaie, pentru determinarea
randamentului se prefer metoda indirect. Instalaii i echipamente
termice din contururile industriale189
Randamentulpecaleindirectarelabazrelaiadebilantermicscrissub forma
(n ipoteza n care se neglijeaz injQi PJQ ): ( )zg ex m ch ev apa
abur dQ Q Q Q Q Q Q Q + + + + + = , [kW](4.136) unde: dQ
esteputereatermicdisponibilcorespunztoarecombustibilului,n kW. aer
c dQ Q Q + = . [kW](4.137) mprindexpresia4.137cu dQ
inmulindcu100sevaobineexpresia randamentului pe cale indirect,
exprimat n procente; ( )zg ex m ch evdapa aburiq q q q qQQ Q+ + + +
= = 100 100 ,[%](4.138) unde: zg ex m ch evq q q q q , , ,
,reprezint pierderi specifice de cldur, n %.
Pierderilespecificeprezentatemaisuspotfideterminaterelativuorexistnd
posibilitateadeautilizadiagrameirelaiiconstruitepebazestatistice.Spre
deosebiredecazulanterior,expresiarandamentuluipecaleindirectpoatefi
aplicat att n faza de operare, ct i n cea de proiectare a unui
generator de abur.
Pierdereaspecificdecldurprinardereincompletdinpunctdevedere
mecanicestepropriecombustibililorsolizi.Eareprezintcldurachimicaparii
combustibiledinmaterialeleczutenplniafocaruluisauantrenatedegazelede
ardere. n exploatarea instalaiilor de ardere acestea se calculeaz
cu relaia: iiCC aCC a imQAqantt an antczcz cz|||
\|+ =100 100327,[%](4.139)
unde:Aiesteconinutulprocentualdecenudincombustibil,n%;acz,aant-
fraciile de cenu din materialul rezultat n focar i respectiv
antrenat de gazele de ardere, n % ; Ccz, Cant - procentele de
substan combustibil n materialul czut i antrenat.
Pierdereaspecificdecldurcugazeleevacuatereprezintcldurafizic
(sensibil) a gazelor de ardere care prsesc instalaia. Relaia de
calcul este: ( ) ( ) ( ) [ ]iico aum ev ev ev g mevQi T I T I qq
=00, 01 , 0 1 , [%](4.140) unde: ( )ev ev gT I ,
esteentalpiagazelordeardereevacuatelatemperaturade
evacuareagazelordininstalaieTev, nkJ/kgsaukJ/Nm3;( )00T
Iaumentalpia aerului umed teoretic la temperatura mediului ambiant
T0, n kJ/kg sau kJ/Nm3; ico entalpia specific a combustibilului la
temperatura mediului ambiant T0, n kJ/kg Bazele termoenergeticii
190 190 sau kJ/Nm3; ev excesul de aer ce ine cont de infiltraiile
de aer fals pe ntreaga instalaie. Pentru calcule rapide se poate
folosi formula semiempiric: ( ) ( )|||
\|+ + =bTT C K q qevevev ev m ev0 201 , 0 1 10 , [%](4.141)
unde: Tev i T0 reprezint temperatura gazelor evacuate n C iar
coeficienii K, C i b depind de natura combustibilului i de
umiditatea raportat a acestuia (tabelul 6). Tabelul 4.10Valorile
coeficienilor K, C i b pentru calculul pierderii qev CombustibilKCb
Antracit, crbunisraci n volatile 53 , 3 ~ 02 , 0 5 , 3rapW + 38 , 0
~ 04 , 0 32 , 0rapW + 0,12 Huile rapW + 02 , 0 5 , 3rapW + 04 , 0 4
, 0 0,14* Crbuni brunirapW + 021 , 0 46 , 3rapW + 042 , 0 51 ,
0rapW + 011 , 0 16 , 0SisturirapW + 021 , 0 45 , 3rapW + 043 , 0 65
, 0rapW + 012 , 0 19 , 0LemnerapW + 02 , 0 33 , 3rapW + 044 , 0 8 ,
0rapW + 01 , 0 25 , 0Pcur~3,5~0,450,13 Gaze naturale3,530,600,18
Gazede sond 3,520,62~0,18 *) Dac rap rapW b W + = 014 , 0 12 , 0 ,
2Pierderea specific de cldur prin ardere incomplet din punct de
vedere chimic reprezint cldura chimic a componentelor carburante
din gazele de ardere i care
estepierdutnurmaevacuriiacestoradininstalaiadeardere.nexploatare,
pentrudeterminareapierderilordecldurprinardereincompletchimicse
utilizeaz formula : ( ) ( )iiH C H C S H S H H H CO CO mchQV Q V Q
V Q V Q qqn m n m + + + =2 2 2 201 , 0 1,[kJ/kgsau kJ/Nm3](4.142)
unde:QCO,QH2,QH2S,QCmHnsuntputerilecalorificeinferioarealecomponentelor
carburantedingazeledeardereevacuate,nkJ/Nm3;VCO,VH2,VH2S,VCmHn
volumele componentelor respective, n Nm3/kg sau Nm3/Nm3. Instalaii
i echipamente termice din contururile industriale191 Dac se noteaz
Qinc = 126,4.CO+108.H2+358.CH4, n kJ/Nm3, atunci se pot folosi
pentru calculul pierderilor prin ardere incomplet chimic formulele:
-pentru combustibili solizi: ( )inc chQ q = 02 , 0 026 , 0 .
[%](4.143) -pentru pcur: ( )inc chQ q = 05 , 0 026 , 0 . [%](4.144)
-pentru gaz natural: ( )inc chQ q = 10 , 0 026 , 0 . [%](4.145)
-pentru gaz de sond: ( )inc chQ q = 08 , 0 026 , 0 . [%](4.146)
Pierderea specific de cldur n mediul nconjurtor se datoreaz
faptului c att
pereiigeneratoruluideaburaulasuprafaalorexterioar(ncontactcuaerul)o
temperatur mai mare dect a mediului ambiant. Acest lucru face
posibil existena unui flux de cldur prin radiaie i convecie de la
perei la exterior.
qexsepoatedeterminprinnsumareapierderilordecldurpropriifiecrui
elementdinsuprafaaexterioaracazanuluicareschimbcldurcumediul
nconjurtor. Astfel relaia de calcul este : ( )B QT T Sqiii iiiex =
0,[%](4.147) unde: Si este aria suprafeei elementului de construcie
i, n m2; i - coeficientul detransferdecldurprinradiaie i convecie
de la elementul de construcie i
lamediulnconjurtor,nkW/m2/K;Ti-temperaturaelementuluideconstrucie
i, n K; T0 - temperatura mediului ambiant, n K. Coeficientul de
transfer de cldur ise poate estima cu relaia: )`(((
||
\| ||
\|+ =4040403100 10010 16 , 1T TT TcT T miii i,[kW/m2/K](4.148)
unde:mesteuncoeficientcedepindedeorientareasuprafeei(pentrusuprafee
cilindrice i plane verticale m = 2,2iar pentru suprafee orizontale
orientate ctre n sus m= 1,8); c - coeficient de radiaie (pentru
tabl neagr, c = 4).
Pierdereaspecificdecldurdatoratproduselorsolideevacuatelabaza
focaruluiestepropriecombustibililorsolizi,eareprezentndcldurafizica
materialului colectat n plnia focarului i care este evacuat din
instalaie: Bazele termoenergeticii 192 192 iizg zgizgQT c Aq =
,[%](4.149)
unde:czgesteclduraspecificazguriinkJ/kg/K;Tzgtemperaturazguriila
ieirea din focar n C. 4.7.5.3. Caracteristica energetic a
generatorului de abur
nfigura4.79esteprezentatvariaiatipicarandamentuluinfuncie de sarcin
pentruungeneratordeabur.Sepoateobservacrandamentulesteproiectats
atingvalorimaximepentrusarcinimaisczutedectceanominal(uzualn
intervalul80...90%).Acestlucruineseamadefaptulc,ntimpuloperrii,
debitul de abur produs de generator este n general mai mic dect cel
nominal. Fig. 4.79. Variaia randamentului generatorului de abur n
funcie de sarcin Caracteristica energetic a generatorului de abur
reprezint relaia de dependen
dintreconsumuldecombustibil,respectivproduciadeabur(figura4.80).Se
observexistenaunuiconsumdecombustibildemersngol(0B )pentrucare
produciadeaburestenul.Acestconsumestenecesarpentruacoperirea
pierderilor de putere termic care nu depind de producia de abur a
generatorului. Analitic, caracteristica energetic este dat de
expresia: aburD b B B + =0, [kg/s](4.150)
undeBesteconsumuldecombustibilalgeneratorului,nkg/s; 0B -consumulde
mersngol,nkg/s;bcoeficientacruivaloaredepindedesarcina randament
[%] 8090 naburaburDD[%] 100 Instalaii i echipamente termice din
contururile industriale193 generatorului,n(kgcombustibil/kgabur);
aburD -produciadeabur a cazanului, n kg/s.
Curbeleprezentatenfigurile4.79i4.80caracterizeazunanumitgeneratorde
abur pentru o serie de condiii date: calitate combustibil,
parametrii aer de ardere,
parametriiapdealimentare,etc.nmomentulncareacestecondiiiiniialese
schimbvarezultaimplicitomodificareaformeicurbelorcaredescriu
randamentul i caracteristica energetic a generatorului de abur.
Fig. 4.80. Caracteristica energetic a generatorului de abur
4.7.6.Generatoare de abur recuperatoare de cldur 4.7.6.1. Domenii
de utilizare Un numr important de procese industriale se
caracterizeaz prin producerea unor
cantitidegazedearderereziduale,carenmodnormalsuntdisipaten
atmosfer.Dacacestegazedeardereconinocantitatedecldursemnificativ
cavaloare,iarpotenialullortermicestesuficientderidicat,atunciesteposibil
utilizarea lor pentru a produce abur. n acest scop sunt utilizate
generatoare de abur recuperatoare, a cror structur i funcionalitate
difer semnificativ de cele bazate pe arderea unor combustibili.
Aplicaii de acest tip pot fi ntlnite ndeosebi n procese din
industriile chimic i
energetic.Unexemplutipicestereprezentatdeciclurilecombinategazeabur
careechipeazcentraleleelectrice.nacestcazgazeledeardereeapatedin
turbinacugazesuntutilizatepentruproducereadeaburcarelarndulluieste
destinsntr-oturbincuabur.nfigura4.81esteprezentatschematicoastfelde
instalaie. B0 B [kg/s] Dabur [kg/s] Bazele termoenergeticii 194 194
Fig. 4.81. Schema de principiu pentru un ciclu combinat gaze-abur
ITG - instalaie de turbin cu gaze; GA generator de abur
recuperator; TA - turbin cu abur; C - condensator de abur; PA -
pomp de alimentare; a - aer; b - combustibil; c - gaze de ardere; d
- abur; e - ap de alimentare 4.7.6.2. Configuraia unui generator de
abur recuperator
Caincazulgeneratoarelordeaburbazatepeardereaunorcombustibili,se
ntlnesc patru tipuri posibile de suprafee de schimb de cldur
convective avnd
funcionalitisimilare:economizorul(ECO),vaporizatorul(VAP),
supranclzitorul primar (S), respectiv supranclzitorul
intermediar(SI).Fa de un generator de abur convenional deosebirea
major const n dispunerea
suprafeelordeschimbdecldur.Niveluldetemperaturalgazelordeardere
recuperatedindiverseproceseindustrialeestengeneraldeordinulsutelorde
gradeinufavorizeazschimbuldecldurprinradiaie.Astfel,amplasarea
suprafeelordeschimbdecldurvadepindedoardenivelultermiccaretrebuie
atinspepartedeagentap-abur.Acesteasuntnseriatenraportcudireciade
curgere a gazelor de ardere nct, la limit, generatorul de abur
poate fi considerat
unschimbtordecldurncontracurent.nfigura9esteprezentatnmod
schematicamplasareasuprafeelordeschimbdecldurpentruacesttipde
generator de abur.
Dinpunctdevederealparametriloraburuluiprodussefacurmtoarele
comentarii :
-Temperaturaestelimitatdepotenialultermicalgazelordeardere
recuperate ; -Presiunea este dictat de cerinele consumatorului de
abur. GA Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale195 Fig. 4.82. Amplasarea suprafeelor de schimb de cldur
ntr-un generator de abur recuperator Unul din elementele care
difereniaz din punct de vedere constructiv i funcional
cazanelerecuperatoareestetipulcirculaieiagentuluiap-aburnsistemul
vaporizator.Soluiilentlnitenmoduzualsuntcelecucirculaienatural,
respectiv cu circulaie forat multipl.
nprimavariantcirculaiansistemulvaporizatorsefacepebazadifereneide
densitatentreapacarecoboariemulsiaap-aburcareurcspretambur.
nlimeaevilorvaporizatoruluitrebuiesfiesuficientdemare,impunndo
dispunerepeorizontalacazanuluidinpunctdevederealtraseuluidegazede
ardere(figura4.83).nacestcazevilecareformeazsuprafeeledeschimbde
cldur sunt dispuse vertical, fiind suspendate de plafonul
cazanului.
Pentrugeneratoaredeaburcucirculaieforatmultipl,prezenapompeide
circulaie n sistemul vaporizator reduce nlimea necesar pentru evile
acestuia.
Cazanulrecuperatorpoatefidispusnacestcazpevertical(figura4.84).evile
princarecirculagentulap-abursuntdispusepeorizontal,susinereafiind
asigurat de supori verticali. n tabelul 4.11 sunt prezentate
comparativ cele dou
tipuridegeneratoaredeaburrecuperatoare.Semenioneazfaptulcnultima
perioad de timp au fost dezvoltate i o serie de generatoare de abur
recuperatoare prevzute cu circulaie forat unic n sistemul
vaporizator. n general temperaturile pe parte de agent primar sunt
suficient de mici astfel nct
snufienecesaroprotejareprinrcireapereilorcanalelordegazedeardere.
Acetiasuntconfecionaidinmaterialeuoarecareaudreptprincipalobiectiv
reducerea pierderilor de cldur n mediul nconjurtor. ECO VAP SI, SI
gaze de ardere co Bazele termoenergeticii 196 196 gaze de ardere T
Abur Ap Co SIVAP ECO Fig. 4.83. Schia unui generator de abur
recuperator cu circulaie natural T - tambur gaze de ardere T Abur
Ap Co PC SI VAP ECO Fig. 4.84. Schia unui generator de abur
recuperator cu circulaie forat multipl T - tambur; PC - pomp de
circulaie. Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale197 Tabelul 4.11Comparaie ntre generatoare de abur
recuperatoare cu circulaie natural, respectiv cu circulaie forat
multipl Tipul CRCirculaie naturalCirculaie forat multipl Dispunere
CROrizontalVertical Suprafaa de teren ocupat Mare, crescnd odat cu
numrul de nivele de presiune pe parte de abur Minim Comportare la
sarcini pariale evile fierbtoare din sistemul vaporizator sunt
relativ groase, rezultnd o inerie termic ridicat. La sarcini sczute
apar probleme n ce privete circulaia. Nu rspunde bine la variaii
brute de sarcin. Minim tehnic ridicat. evile fierbtoare sunt de
diametru mic, rezultnd o inerie termic sczut. Pompele menin
stabilitatea circulaiei la sarcin sczute. Timpi de pornire mici.
FiabilitateRidicatSczut prin prezena pompelor de circulaie i a
numrului sporit de armturi Consumul propriu de energie electric
MinimMajorat prin prezena pompelor de circulaie
4.8.TURBINE4.8.1.Turbine cu abur 4.8.1 1. Cicluri termodinamice cu
turbine cu abur
Ciclultermodinamiccarestlabazafuncionriicentralelortermoelectrice
convenionale este ciclul cu abur supranclzit, cunoscut i sub
denumirea de ciclul Hirn (figura 4.85). Principala caracteristic
este faptul c, pentru a produce lucrul mecanic, este utilizat abur
supranclzit. Bazele termoenergeticii198 a)b) Fig. 4.85. Cicluri
termodinamice cu turbine cu abur a ciclul Hirn; b ciclul Rankine Se
disting urmtoarele transformri: 0 - 1:
destinderecuproduceredelucrumecanic-transformare izentrop; 1 - 2:
cedare de cldur la sursa rece a ciclului - transformare izobar; 2 -
3: compresie cu consum de lucru mecanic - transformare izentrop; 3
- 4 - 5 - 1: nclzire la sursa cald a ciclului - transformare
izobar.
ntr-oseriedecentraleelectricenucleare,solare,geotermalepoatefintlnitde
asemeniiciclulRankine.nacestcaz,spredeosebiredeciclulHirn,pentru
producerea de lucru mecanic se utilizeaz abur saturat (figura
4.85.b). n figura 4.86 este prezentat o instalaie care funcioneaz
avnd la baz un ciclu de tip Rankine sau Hirn. Fig. 4.86.Instalaie
care funcioneaz dup un ciclu Rankine - Hirn GA - generator de abur;
TA - turbin cu abur; GE - generatorelectric; K - condensator; PA -
pomp de alimentare. TA GE GA PA K T s 5 0 x = 1 x = 0 s T x = 0 12
3 40 x = 1 2 3 4 1 Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale199
Generatoruldeaburareroluldeavaporizaapaideaotransformanabur
saturatsausupranclzit.Acestprocesserealizeazcuaportdecldurdin
exterior(ardereaunuicombustibilfosil,fisiunenuclear,energiegeotermal,
captare energie solar). Turbina cu abur asigur destinderea
aburului, producnd lucrul
mecanic.Generatorulelectrictransformenergiamecanicprodusdeturbinnenergie
electric.
Condensatorulasigurcondensareavaporilordeapeapaidinturbin.
Reprezintsursareceacicluluitermodinamic.Pentruevacuareaclduriispre
exterior se poate utiliza drept agent de rcire apa sau (mai rar)
aerul atmosferic.
Schematic,figura4.87prezintlanultransformrilorenergeticecareaparn
circuitul termic. n condiiile de mai sus este valabil urmtoarea
definiie: Turbina cu abur este o
maintermicmotoare,caretransformenergiaaburuluinenergie mecanic.
Fig. 4.87. Lanul transformrilor energetice 4.8.1.2. Treapta de
turbin
Treaptadeturbinreprezintelementulncareenergiatermicaaburuluieste
transformat n lucru mecanic. O treapt de turbin este compus din
(figura 4.88): o parte statoric, constituit dintr-un ir de canale
fixe numite ajutaje; un rotor pe care sunt dispuse palete.
Attajutajele,ctipaletele,sefixeazpepiese-suport.Pereiidintreajutajese
fixeazpeplcicircularenumitediafragme,carefacparteintegrantdinstatorul
GATAKPA Energie primar (combustibili fosili, fisiune nuclear,
energie solar, energie geotermal) Lucru mecanic spre exterior
Cedare cldur spre exterior Aport de lucru mecanic din exterior
Bazele termoenergeticii200
turbinei.Paletelesemonteazpediscurisaupetamburi,carelarndullorse
fixeaz pe arborele turbinei. Dup direcia de curgere a aburului,
treptele pot fi (figura 4.89): axiale, cnd aburul circul paralel cu
axul de rotaie al turbinei; radiale, cnd aburul circul
perpendicular pe ax; diagonale, cnd aburul circul oblic fa de ax. n
ajutaje energia termic a aburului este transformat n energie
cinetic. Are loc unproces de destindere (scdere a presiunii) prin
care aburul i mrete viteza. n palete pot avea loc dou categorii de
procese (figura 4.90): energia cinetic a aburului este transformat
n lucru mecanic.
opartedinenergiatermicaaburuluiestetransformatnenergie cinetic (are
loc un proces de destindere).
nacestmod,energiaaburuluiestetransferatpaletelor,asigurndnvrtirea
rotorului. Fig. 4.88. Elementele unei trepte D diafragm; A ajutaj;
P palet Fig. 4.89. Tipuri de trepte a axiale; b radiale; c -
diagonale Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale201 Fig. 4.90. Procese din treapta de turbin 4.8.1. 3.
Categorii de turbine cu abur. Analiza energetic Structura turbinei
cu abur
Cderiledeentalpieprelucratedeoturbinsuntdeosebitdemari,deordinul
1000....1500kJ/kg.Estenecesartransformareatreptataenergieiaburuluin
lucrumecanicnmaimultetrepte.Oturbincuabur,nconfiguraiaeiceamai
simpl, cuprinde (figurile 4.91 i 4.92):
parterotoricformatdintr-unarborepecaresuntfixatepaleteleprin
intermediul unor discuri.Rotorul se sprijin la cele dou capete pe
lagre. partestatoric(carcasa)pecaresuntfixaipereiiajutajelorprin
intermediulunordiafragme.Carcasaaredoupri:inferioar,respectiv
superioar.
Admisiaaburuluiseefectueazpelauncaptalturbinei.Aburulsedestinde
succesiv n treptele turbinei i apoi este evacuat pe la cellalt
capt. Fig. 4.91.Seciune printr-o turbin cu abur axial (schi) 1 -
carcas superioar; 2- carcas inferioar; 3 - diafragm; 4 - ajutaje; 5
- disc; 6 - palete 7 - arbore; 8 - admisie abur n turbin; 9 -
eapare abur din turbin. AjutajePaleteEnergie termica Energie
cinetica Lucru mecanic Energie termica Energie cinetica 012 Bazele
termoenergeticii202 Destinderea aburului n turbin se efectueaz cu
scdere de presiune, respectiv cu cretere de volum specific. Va
rezulta o cretere a debitului volumetric de abur n
lungulturbineiiimplicitocretereaseciuniidetrecereprinajutajeipalete.
Aceastcreteredeseciuneseobineprinmrireaattadiametruluila care sunt
amplasateajutajeleipaletele,ctianlimiiacestora.Efectulesteoform
evazat a turbinei. Fig. 4.92. Vedere a unei turbine cu abur fr
carcas superioar Dupcums-aprecizatanterior, fora produs prin lovire
de ctre un fluid este de dou ori mai mare pentru o plac concav, n
raport cu cea plan. n consecin va rezulta pentru palete o seciune
de acest tip (vezi figura 4.93). Pentru ajutaje se va
adoptaoformsimilardedataaceastascopulfiinddirecionareacorectafluxuluideaburntredouiruridepaletesuccesive,pede-oparteirealizarea
uneimicorriaseciuniidetrecerenvedereaasigurriidestinderiiaburului,pe
de alt parte.
Consideraiieconomiceauconduslanecesitateamaimultortipurideturbin,
unelescumpeicurandamentbun,altelemaiieftine,darcurandamentmaislab.
Se disting: a)Turbin cu o singur treapt: A - P b)Turbin cu trepte
de vitez: A - P - P - P
Destindereaserealizeazntr-unsingurajutaj,iarenergiacineticesteprelucrat
n mai multe iruri de palete, numite i trepte de vitez. carcas
inferioar rotor discuri cu palete postament turbin Instalaii i
echipamente termice din contururile industriale203
c)Turbinecutreptedepresiune:A-P-A-P-A-P(figura4.91)Ajutajeleipaletelealterneaz.Suntturbinecurandamentridicatdari
maiscumpefadevarianteleanterioare.Majoritateacovritoarea
turbinelorcuaburntlnitencentraleletermoelectricefacpartedin aceast
categorie. Fig. 4.93. Forma ajutajelor i paletelor A ajutaje; P -
palete Clasificarea turbinelor cu abur
Dinpunctdevederefuncionalturbinelecuabursepotclasificadupcum
urmeaz: n funcie de modul de producere a forei n palete: -Turbine
cu aciune; -Turbine cu reaciune; -Turbine cu reaciune redus ( 15 ,
0 < ). n funcie de parametrii aburului la intrarea n turbin:
-Turbinecuabursaturat(ntlnitendeosebilacentralele
nuclearoelectrice); -Turbine cu abur supranclzit. n funcie de
destinaie: -Turbinedestinatepentruantrenrimecanice.Lucrulmecanic
produsdeturbinesteutilizatpentruantrenareaunorpompe, compresoare,
etc. -Turbinecuaburenergetice,caresuntutilizatencentralele
electrice. Bazele termoenergeticii204 n funcie de efectele utile
produse turbinele energetice pot fi:
-Turbinedecondensaiepur:energiaaburuluiestefolosit exclusiv pentru
producerea de lucru mecanic.
-Turbinedecogenerare:opartedinaburesteextrasdela
prizeleturbineiiesteutilizatpentrualimentareaunui
consumatortermic.Efecteleutilesuntattlucrulmecanic
dezvoltatprindestindereaaburului,ctienergiatermic livrat ctre
consumator. n funcie de presiunea aburului la ieirea din turbin:
-De condensaie:15 , 0 . Ultimele dou categorii sunt utilizate n
aplicaii de cogenerare. Din punct de vedere constructiv turbinele
cu abur se clasific dup: -Direcia de curgere a aburului: axiale,
radiale, diagonale; -Numrul de corpuri de turbin; -Numrul de
fluxuri n paralel la eaparea din turbin.
Considerentelegatededimensiuneamaximpecareopotaveapaleteleaferente
ultimeitrepteimpunrealizareapriidejoaspresiunecumaimultefluxurin
paralel.Tabelul4.12prezintprincipalelecaracteristicitehnicepentruoseriede
turbine cu abur existente n centralele termoelectrice din Romnia.
Tabelul 4.12. Principalele caracteristici tehnice ale unor turbine
cu abur existente n centralele termoelectrice din Romnia Denumire
comercial F1C - 330K 210 - 130F1L - 150VT - 100 Putere electric
nominal, MW 330210150100 Tip de condensaie pur de condensaie pur cu
condensaie i prize de cogenerare cu condensaie i prize de
cogenerare Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale205 tabelul 4.12 Supranclzire intermediar DaDaDaNu
Presiune abur la intrare, bar 188127 Temperatur abur la intrare, C
535565535 Denumire comercial DSL - 50 Putere electric nominal, MW
501263 Tip cu condensaie i prize de cogenerare cu condensaie i
prize de cogenerare cu contrapresiune i prize de cogenerare cu
contrapresiune i prize de cogenerare Supranclzire intermediar
NuNuNuNu Presiune abur la intrare, bar 127 Temperatur abur la
intrare, C 565 SI supranclzire intermediar
nfigurile4.944.96suntprezentateconfiguraiilepentruoseriedeturbinecu
abur. a) K CIP CMJP VR2 P P VR1 Bazele termoenergeticii206 b) Fig.
4.94. Turbin de cogenerare cu condensaie a) schem de principiu; b)
seciune CIP corp de nalt presiune; CMP CMJP corp de medie i joas
presiune;EA eapare abur; P - prize; VR1, VR2 ventile de reglaj a) P
CIP VR1 VR2 EA CMJP CIP GE P P EA VR Instalaii i echipamente
termice din contururile industriale207 b) Fig. 4.95. Turbin de
cogenerare cu contrapresiune a) schem de principiu; b) seciune CIP
corp de nalt presiune; CMP corp de medie presiune;P prize; EA
eapare abur a) schem de principiu b) seciune Fig. 4.96. Turbin de
condensaie pur cu supranclzire intermediar CIP corp de nalt
presiune; CMP corp de medie presiune; CJP corp de joas presiune;
SII supranclzire intermediar VR P EA CIP SII CMPCJP GE CJP CMP CIP
legtur CMP - CJP Bazele termoenergeticii208 Performanele energetice
ale turbinei Principalii indicatori de performan ai unei turbine cu
abur sunt puterea intern dezvoltat prin destinderea aburului,
respectiv randamentul intern.
Pentrucazulconcretalturbineiprezentatenfigura4.97.a.putereainterneste
dat de relaia: ( )2 1 1h h D P = ,[kW](4.151) unde: 1D
estedebitulmasicdeaburintratnturbin,nkg/s; 1h -entalpia
specificaaburuluilaintrareanturbin,nkJ/kg; 2h -entalpiaspecifica
aburului la ieirea din turbin, n kJ/kg.
Pentruoturbincuaburprevzutcuextraciideaburlaprize(figura4.97.b.),
puterea intern se determin cu relaia: ( ) ( )= =nipi pih h D h h D
P12 2 1 1,[kW](4.152) unde: piD
estedebitulmasicdeaburextraslaprizai,nkg/s; pih -entalpia specific
a aburului extras la priza i, n kJ/kg.
Randamentulinternalturbineireprezinteficienacucareafostutilizat
cdereadisponibildeentalpie.Elineseamadetoatecategoriiledepierderi
interne(din interiorul, respectiv exteriorul treptelor de turbin),
putnd fi calculat cu relaia: tih hh h2 12 1= ,(4.153) unde: 1heste
entalpia specific a aburului la intrarea n turbin, n kJ/kg; 2h-
entalpia specific a aburului la ieirea din turbin, n kJ/kg; th2 -
entalpia specific
teoreticlaieireadinturbin,corespunztoareuneidestinderiizentropice,n
kJ/kg.
Fig. 4.97. Turbin cu abur a fr prize; b cu prize 1 2 D1 1 2 D1
Dp1 Dp2 Dp3 DpiDpn a) b) Instalaii i echipamente termice din
contururile industriale209 Caracteristica energetic a turbinei cu
abur
Caracteristicaenergeticauneiturbinereprezintrelaiadedependendintre
debituldeabursauclduraintratnturbin,pede-oparte,iputerea
produslabornelegeneratoruluielectric,pedealtparte.Caracteristica
energeticestedeosebitdeutilnprocesuldeoperarealcentralelorelectrice,
permind o predeterminare a regimurilor de funcionare a turbinelor
cu abur.
Dinpunctdevedereanalitic,caracteristicaenergeticpentruoturbincu
condensaie pur este dat de relaia 4.154. tg P D D + =0,
[kg/s](4.154) unde:D este debitul de abur intrat n turbin, pentru
un regim de funcionare dat, nkg/s; 0D
-debituldemersngolalturbinei,nkg/s;P-putereaelectric
produspentruunregimdefuncionaredat,nkg/s; -unghiulcaracteristicii
energetice (figura 4.98). Debitul de mers n gol repezint debitul de
abur intrat n turbina aflat n rotaie,
pentrucareputereaproduslabornelegeneratoruluielectricestenul.Totlucrul
mecanic produs de acest debit de abur este utilizat pentru
compensarea pierderilor mecanice ale turbinei, respectiv a
pierderilor generatorului electric. Se definete coeficientul de
mers n gol: NDDx00= ,(4.155) unde NDreprezint debitul nominal de
abur la intrarea n turbin, n kg/s.
Valoareacoeficientuluidemersngolvariaznfunciedetipulturbinei:dela
0,08 (pentru o turbin cu condensaie i supranclzire intermediar) pn
spre 0,3 (pentru o tubin cu contrapresiune). Fig. 4.98.
Reprezentarea grafic a caracteristicii energetice a unei turbine cu
abur cu condensaie pur D P DN PN D0 Bazele termoenergeticii210
Tinnd seama de cele de mai sus, expresia caracteristicii energetice
devine: ( ) P d x P d x Dspn N spn + =0 01 , [kg/s](4.156) unde: NP
reprezintputerealabornelegeneratoruluielectricpentruregimul
nominaldefuncionare,nkW; NNspnPDd = reprezintconsumulspecific
nominal de abur al turbinei, n kg/kJ.
Expresiileidiagrameledemaisussuntvalabilepentruoturbincucondensaie
pur.ncazulturbinelordecogenerareaparoseriedevariabilesuplimentare
(extraciile de abur pentru alimentarea consumatorului termic;
presiunea la prizele de cogenerare) care complic forma acestor
expresii i diagrame (figura 4.99). Fig. 4.99. Reprezentarea grafic
a caracteristicii energetice a unei turbine cu abur de cogenerare
cu condensaie i priz reglabil D1 debitul de abur intrat n turbin;
Dp debitul de abur extras la priza de cogenerare; PB puterea
electric la bornele generatorului; Dc debitul de abur prin coada de
condensaie 4.8.2.Instalaii de turbine cu gaze 4.8.2.1. Consideraii
generale Instalaiadeturbincugaze(ITG)esteomaintermiccarerealizeaz
conversia energiei chimice a combustibilului n energie mecanic,
utiliznd ca agent termic un gaz. Gazele utilizate nacest scop pot
fi: aer, gaze de ardere, dioxid de carbon, heliu, etc.
Ciclultermodinamicdupcareevolueazinstalaiilemodernedeturbinecugaze
este ciclul Brayton, ntlnit n literatura de specialitate i sub
denumirea de Joule. D1 PB D0 Dp = 0 maxBP mincDmaxpDmaxcD max1D
Instalaii i echipamente termice din contururile industriale211
nfigura4.100esteprezentatncoordonatetemperatur-entropie(T-s)forma
cicluluiBraytonteoretic,pentrucaresedistingurmtoareletransformri
termodinamice: 1 - 2 compresie izentrop 2 - 3 nclzire izobar 3 - 4
destindere izentrop 4 - 1 rcire izobar Fig. 4.100. Ciclul Brayton
teoretic Din punct de vedere al modului de interaciune ntre agentul
termic i produsele de ardere corespunztoare sursei calde a
ciclului, se disting: ITG n circuit deschis
Agentuldelucruseamesteccuproduseledearderelasursacaldi
apoisedestindmpreunnturbin,pentruafiulterioreapaten
atmosfer.Dinpunctdevederetermodinamicnu se poate vorbi n acest
cazdespreunciclupropriu-zis.nchidereaacestuiaserealizeazprin
intermediulatmosferei,carereprezintnacelaitimpisursarecea ciclului.
n mod exclusiv, la ITG n circuit deschis se utilizeaz ca agent
termic aerul. ITG n circuit nchis
Spredeosebiredecazulanterior,attsursacald,ctisursarecea
cicluluisecaracterizeazprinprezenaunorsuprafeedeschimbde
cldur.Agentultermicnuintrncontactdirectnicicuproduselede
ardere,nicicufluiduldercire.Masadeagenttermicseconservn interiorul
ciclului, deci se pot utiliza n acest scop gaze mai scumpe, dar cu
proprieti termodinamice mai bune dect aleaerului: CO2, He. s T3 4 1
2 ppBazele termoenergeticii212
ntr-oproporiecovritoare,ncentraleletermoelectriceseutilizeazITGn
circuit deschis. ITG n circuit nchis au o rspndire limitat, putnd
fi ntlnite n cadrulunor filiere de centrale nuclearo-electrice. n
prezenta lucrare se abordeaz ITG din prima categorie. n figura
4.101 sunt prezentate schema de principiu pentru o ITG n circuit
deschis i procesul real n coordonate T-s. a) b) Fig. 4.101.ITG n
circuit deschis a) Schema de principiu; b) Reprezentarea procesului
n coordonate T-s K- compresor; CA - camer de ardere; TG - turbin cu
gaze; FA - filtru de aer; AZ - amortizor de zgomot; G - generator
electric Pe scurt, modul de funcionare al unei ITG n circuit
deschis poate fi descris astfel: Aerul este aspirat de compresor
prin intermediul unui filtru FA. Acesta
areroluldeaoprieventualeleimpuritimecanicecarearconducela
degradarea paletajului compresorului.
Dupcompresie,aerulptrundencameradeardere unde se amestec cu
combustibilul. Energia necesar compresiei este furnizat de turbina
cu gaze (compresorul i turbina cu gaze sunt dispuse pe aceeai linie
de arbori). ProduseledeardereiesdinCAisedestindnturbinacugaze
producndlucrumecanic.Opartedinlucrulmecanicproduseste
utilizatpentruantrenareacompresorului,iarcealaltparteeste transmis
ctre generatorul electric.
Gazeledearderesunteapatenatmosferprinintermediulunui amortizor de
zgomot care are rolul de a reduce poluarea fonic. 0 1 2 3 4 5 T s
p2 p0 Instalaii i echipamente termice din contururile
industriale213 4.8.2.2. Parametrii caracteristici de proiect ai
ciclului itg
Principaliiparametriicarecaracterizeazciclultermodinamiccestlabaza
funcionrii ITG sunt: Temperatura nainte de turbina cu gaze (3T
conform figurii 4.100) Raportul de compresie: 12ppK= .(4.157) Aceti
doi parametri sunt utilizai de furnizorii de ITG n cataloagele de
prezentare a produselor proprii. Din punct de vedere al modului n
care este definit temperatura nainte de turbina cu gaze, exist trei
variante posibile: 3Treprezint temperatura medie a gazelor de
ardere pe bordul de fug al ajutajelor primei trepte din turbin
(AT3). Firma General Electric i liceniaii ei utilizeaz aceast
definiie. O astfel de temperatur indic punctul de la care ncepe
extracia de lucru mecanic. 3T
estedeterminatconformnormelorInternationalStandards Organisation
(ISO) (BT3). Este o temperatur fictiv ce rezult n urma
unuibilantermicpesistemuldecombustie.Reprezinttemperatura
deintrarentr-oturbincugazeechivalent,frrcirecuaera
paletelorrotoriceistatorice,careproduceacelaiefectcaiturbina real.
3T reprezinttemperaturarealdeintrarenajutajeleprimeitreptea
turbinei(CT3).Practic,acestmoddedefinirenuesteutilizatdectre
constructorii de ITG. n figura 4.102 este prezentat amplasarea
relativ a celor trei temperaturi definite mai sus. Pentru o turbin
prevzut cu sisteme de rcire, temperatura definit de ISO (BT3) este
ntotdeauna mai mic dect cea corespunztoare firmei General Electric
(AT3), diferena dintre ele putnd depi 35 - 40 C. Bazele
termoenergeticii214 Fig. 4.102.Modul de definire al temperaturii
nainte de turbina cu gaze G.A. - gaze de ardere; A - ajutaje; P -
palete nceeacepriveteefectulvariaiei 3T i Kasupra performanelor
nominale ale ITG se cunosc urmtoarele elemente: Creterea lui
3Tconduce n mod nemijlocit la creterea randamentului i puterii ITG.
Existovaloarearaportuluidecompresie(max, K )pentrucare randamentul
ITG devine maxim (n ipoteza 3T= const.).
Existovaloarearaportuluidecompresie(maxL , K )pentrucareputerea ITG
devine maxim (n condiiile n care 3Ti debitul de aer aspirat de
compresor rmn constante). ntotdeauna este valabil relaia: max,max,
L K K > .(4.158)
nfunciedevaloarearaportuluidecompresiealeaspentrudimensionare,se
disting dou familii de instalaii de turbine cu gaze: ITG de tip
industrial ("heavy-duty")
Secaracterizeazprinfaptulcncdelanceputeleaufostgndite
pentruaplicaiiindustriale(produceredeenergieelectricsauantrenri
mecanice).Tehnologiadefabricaieaacestorasebazeazpecea
corespunztoare turbinelor cu abur. Obiectivul unei astfel de ITG
este de afurnizaoputerectmaimarepentruundebitdatdeaeraspiratde
compresor. n consecin, pentru dimensionare se utilizeaz maxL , K .
Instalaii i echipamente termice din contururile industriale215 ITG
de tip aeroderivativ Proiectarea acestor tipuri de instalaii are la
baz concepia de realizare a
motoarelordeaviaie.Principalacerincetrebuiendepliniteste
realizareaunuiconsumspecificdecombustibilctmairedus,pentrua
limitacantitateadecarburantcaretrebuietransportat.Estenecesar
obinereaunuirandamentctmairidicat,decipentrudimensionarese
utilizeaz max, K . Valorile lui maxL , K i max, Kcresc odat cu 3T .
Deci, pentru a obine un efect maxim asupra randamentului i puterii,
creterea valorii de proiect a lui 3Ttrebuie nsoit de o mrire
corespunztoare a raportului de compresie. 4.8.2.3. Soluii de
cretere a performanelor ITG
Mrireatemperaturiinaintedeturbin,caomsurdecretereaperformanelor
ITG,estetotuilimitatdeniveluldedezvoltaretehnologicatinslaunmoment
dat.CaometoddembuntireaperformanelorITGpotfiabordaten continuare
soluiile de perfecionare a ciclului termodinamic. Destinderea
fracionat combinat cu arderea intermediar
nfigura4.103esteprezentatoITGcudestinderefracionatndoutrepte,cu
ardere intermediar, mpreun cu ciclul termodinamic aferent.
Dupprimulcorpdeturbin(TG1)destindereaestentrerupt,gazeledeardere
urmndafiintrodusentr-oadouacamerdeardere(CA2).Excesuldeaerdin
gazeledeardereevacuatedinCA1esterelativmare(ngeneralpeste2,5),deci
existposibilitateaarderiiuneicantitisuplimentaredecombustibil.Astfel,
temperaturagazelordearderepoateurcapnlaovaloarecomparabilcucea
corespunztoare ieirii din CA1 ( 3T 5T ).
Efectulscontatalintroduceriiceleide-adouacameredeardereesteocretere
sensibilaputeriiunitareaITG,ncondiiilencaredebituldeaeraspiratde
compresor i temperatura maxim a ciclului rmn neschimbate. Bazele
termoenergeticii216 FA AZK1TG2GCA212 3 456TG1CA1 Fig. 4.103. ITG cu
destindere fracionat i ardere intermediar a - schema de principiu;
b - ciclu termodinamic teoretic CA1, CA2 - camere de ardere, TG1,
TG2 - corpuri de turbin
Efectulscontatalintroduceriiceleide-adouacameredeardereesteocretere
sensibilaputeriiunitareaITG,ncondiiilencaredebituldeaeraspiratde
compresor i temperatura maxim a ciclului rmn neschimbate.
Recuperarea intern de cldur n scopul creterii randamentului, un mod
eficient este reprezentat de introducerea unui schimbtor de cldur,
n maniera prezentat n figura 4.104. Gazele de ardere, nainte de a
fi evacuate din ITG, servesc la prenclzirea aerului
refulatdincompresor.Efectulscontatesteodiminuareaconsumuluide
combustibil a ITG, n condiiile n care puterea produs rmne
neschimbat. FAK TG GCA125RC2 34 Fig. 4.104. ITG cu recuperare
intern de cldur - schem de principiu RC - recuperator de cldur
p2=pp5=pp1=ps T 2 1 4 5 3 6 AB Instalaii i echipamente termice din
contururile industriale217 Compresia fracionat combinat cu rcirea
intermediar nfigura4.105esteprezentatoITGcucompresiefracionatircire
intermediar a aerului, mpreun cu ciclul termic corespunztor. FA
AZK1K2TG GRI CA12 34 56 Fig. 4.105. ITG cu compresie fracionat i
rcire intermediar a - schema de principiu; b - ciclul termic
teoretic; K1, K2 - compresoare; RI - rcitor intermediar
Compresiaaeruluiesteefectuatndouetape,ntreacesteafiindintrodusun
rcitor intermediar. Obiectivul urmrit este ca prin scderea
temperaturii de intrare naII-atreaptdecompresie(3T
),lucrulmecanicconsumatdecompresors
scad.EfectulfinalvafiocretereaputeriiunitareaITG,ncondiiilencare
debitul de aer aspirat de compresor rmne neschimbat. 4.8.2.4.
Componentele ITG Concepia de ansamblu a ITG n raport cu o unitate
energetic care are la baz un ciclu convenional cu abur, una
dinprincipalelecaracteristicialeITGestestructuracompact.Pentru
exemplificare,nfigura7esteprezentatoseciuneprintr-oITGdetipMS7000
EA, de fabricaie General Electric, iar n figura 8 este dat o vedere
a unei ITGde provenien Siemens. Se pot face urmtoarele observaii
generale: SursacaldaITG,cameradeardere,aredimensiunimultmaireduse
dectcelealeunuicazandeabur,carendeplineteaceeaifuncien cadrul
centralelortermoelectrice convenionale cu abur. p4=pp2=p1=s T2 1 4
5 3 6 ABBazele termoenergeticii218 Cele trei piese principale ale
ITG - compresorul de aer, camera de ardere,
turbinacugaze-suntamplasateunalngalta.Seeliminastfel necesitatea
unor canale lungi de legtur ntre aceste componente.
Utilizareacasursreceaaeruluiatmosfericelimindeasemenea
condensatorulicelelalte circuite voluminoase de ap de rcire ntlnite
uzual la turbinele cu abur. Fig. 4.106. ITG de tip MS 7000 EA de
fabricaie General Electric Fig. 4.107. Vedere a unei ITG de
fabricaie Siemens 1 admisie aer n compresor ; 2 compresor ; 3 camer
de ardere; 4 arztoare; 5 admisie gaze de ardere n turbin; 6 turbin
cu gaze; 7 eapare gaze de ardere;8 arbore de legtur cu generatorul
electric ; 9 generator electric ; 10 rotor generator electric ; 11
stator generator electric ; 12 borne generator electric ; 13 panou
cu aparatur de comand i msur; 14 gospodrie ulei Instalaii i
echipamente termice din contururile industriale219 Dispunerea
componentelor ITG pe linia de arbori
MajoritateaITGdetip"heavy-duty"auadoptatsistemulncarecompresorul,
turbina cu gaze i generatorul electric sunt situate pe aceeai linie
de arbori.
Soluiaclasicesteaceeaprezentatnfigura4.108,ncareturbinacugazeeste
ncadratdecompresoridegeneratorulelectric.Avantajulacesteidispuneri
constnfaptulctransmisiacupluluimecanicdelaturbinsefacencondiii bune
att spre compresor, ct i spre generatorul electric. Fig. 4.108.
Dispunerea ITG cu generatorul electric la "partea cald" (eaparea
din turbin cu gaze)
Aceastvariantarensundezavantajmajor:plasareageneratoruluielectricla
eapareadinturbinobligschimbareadirecieigazelordeardereevacuatedin
ITGcu90.Suntintroduseastfelpierderisuplimentaredepresiunepetraseul
gazelor de ardere, ceea ce diminueaz lucrul mecanic specific i
eficiena ITG.
Caurmare,inndseamaideproblemelegatedencadrareaITGntr-unciclu
combinatgaze-abur,afostrevizuitconcepiadedispunereacomponentelorpe
liniadearbori.Astfel,generatorulelectricafostmutatla"captulrece",lng
compresor (figura 4.109). n aceste condiii, gazele de ardere vor
eapa din turbin
paralelculiniadearbori,intrnddirectncazanulrecuperator,frschimbride
direcie, deci cu pierderi minime de presiune.
ITGdetip"aeroderivativ"secaracterizeazprin dispunerea pe mai multe
linii de
arbori.UnexemplutipiclreprezintITGdetipLM5000,realizareafirmei
General Electric (figura 4.110). Instalaia LM 5000 este realizat pe
trei linii de arbori, dup cum urmeaz: Compresorul de joas presiune
(KJP) este antrenat de turbina de nalt presiune (TGJP). Compresorul
de nalt presiune (KIP) este antrenat de turbina de nalt presiune
(TGIP). Generatorul electric este antrenat de turbina de putere
(TGP), la rndul ei cuplat gazodinamic la TGJP.
Existenamaimultorliniidearboriiamaimultorcorpurideturbinofer
urmtoarele avantaje: Bazele termoenergeticii220
Lafuncionarealasarciniparialesepoaterealizaunbunreglajal
debituluideaeraspiratdecompresor,prinvariaiaturaiei compresorului
de joas presiune.
Existposibilitateadeainjectaaburnturbinacugazenscopul creterii
puterii ITG.
Pentruaobinegabaritectmaireduse,multeITGdemicimedieputere (ndeosebi
de tip "heavy-duty") sunt proiecte pentru turaii sensibil mai mari
dect cele sincrone. n acest caz este necesar prevederea unui
reductor de turaie pentru cuplarea generatorului electric. Fig.
4.109. Dispunerea ITG cu generatorul electric la "partea rece"
(admisia n compresor) Fig. 4.110. ITG de tip LM 5000 Compresorul de
aer
DacepocadepionierataITGeracaracterizatprinutilizareacompresoarelor
centrifugalecuunulsaudouetaje,dup1950loculloranceputsfieluatde
maini axiale. Acestea din urm s-au impus n principal din dou
motive: Randamentpolitropicmultmaibundectcelalcompresoarelor
centrifugale (90% fa de 80 %);
Realizareaunorrapoartedecompresieconvenabilep
