Bazele Utilajelor Si Instalatiilor Pentru Alimentatia Publica Si Agroturism

Agronomie

Bazele Utilajelor Si Instalatiilor Pentru Alimentatia Publica Si Agroturism

Byadmin ianuarie 1, 2024

BIBLIOGRAFIE

1. Alexandru I. ș.a. – Alegerea și utilizarea materialelor metalice, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1997

2. Antal C. ș.a. – Utilizarea energiei geotermale. Conversia energiei geotermale în energie electrică, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2000

3. [NUME_REDACTAT] de Instalații din Romania– Enciclopedia tehnică de instalații, [NUME_REDACTAT], București, 2010

4. Balș C., ghid practic în tehnologia procesării și aprecierii producțiilor zootehnice, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2009

5. Balș C., Compendiu de Gastronomie, Gastrotehnie și producție culinară tradițională, [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] Napoca, 2011

6. Banu C. ș.a. – Tratat de industrie alimentara – Probleme generale, [NUME_REDACTAT], București, 2008

7. Barabás I., Todoruț A. – Combustibili pentru automobile: testare, utilizare, evaluare, Cluj-Napoca, Editura UT PRESS, 2010

8. Băcăuanu A. – Operații și utilaje în industria chimică și alimentară, [NUME_REDACTAT], Iași, 1997

9. Bălan M. – Instalații frigorifice. Teorie și programe pentru instruire, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca 2000

10. Bălan M. – Construcția instalațiilor frigorifice, curs în format web, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca 2003

11. Bălan M. – Energii regenerabile, Editura U.T. Pres, Cluj-Napoca, 2007

12. Bălan M., Pleșa A. – Instalații frigorifice. Construcție funcționare și calcul, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2002

13. Băltărețu C.-G. – Diagnosticarea, întreținerea și repararea automobilului, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 2011

14. Bărbieru V.A. – Mașini și instalații zootehnice, construcție, funcționare și reglaje, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2006

15. Bârsan E. – Alimentări cu apă, [NUME_REDACTAT], Iași, 2005

16. Berzescu P., Dumitrescu M. – Tehnologia berii și a malțului, [NUME_REDACTAT], București, 1981

17. Blaga V. – Reprezentări geometrice utilizate în tehnică, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2001

18. Blaga V. – Tehnologia materialelor, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2001

19. Blaga V. – Desenul tehnic industrial, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2002

20. Blaga V. – Dinamica automobilelor, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2005

21. Blaga V. – Baza energetică pentru agricultură, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2006

22. Blaga V. – Motoare pentru automobile și tractoare, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2007

23. Blaga V. – Mașini agricole, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2007

24. Boeru G., Puzdrea D. – Tehnologia uleiurilor vegetale, [NUME_REDACTAT], București, 1980

25. Bratu E. – Operații unitare în industria chimică, [NUME_REDACTAT], București, 1985

26. Buidoș T. – Echipamente și tehnologii neconvenționale avansate, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2009

27. Buidoș T. – Echipamente și tehnologii pentru prelucrări neconvenționale, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2006
28. Buidoș T. – Tehnologii de îmbinare a materialelor nemetalice, [NUME_REDACTAT]

din Oradea, 2006

29. Bungău C. – Ingineria sistemelor de producție, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2005

30. Bungău C. – Tehnica reglajului hidraulic de viteză, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2005

31. Bungescu S. T., Popa C. I. – Mașini și instalații zootehnice, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2007

32. Bungescu S. T. – Exploatarea mașinilor și instalațiilor zootehnice, [NUME_REDACTAT], 2009

33. Burnete N. ș.a. – Construcția și calculul motoarelor cu ardere internă (mecanismul motor), [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2001

34. [NUME_REDACTAT]. ș.a. – Îndrumător practic pentru conducerea și exploatarea tractoarelor, [NUME_REDACTAT], București, 1985

35. Căproiu M. ș.a. – Mașini și instalații zootehnice, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1982

36. Cebotărescu I. D. ș.a. – Repararea și întreținerea utilajelor din industria alimentară, [NUME_REDACTAT], Chișinău, 1993

37. Chereji A. – Promovarea practică a sănătății în alimentație publică și agroturism, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2011

38. Chereji I. – Tehnologii de creștere a animalelor, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2004

39. Chereji I.– Tehnologia creșterii găinilor ouătoare, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2004

40. Chereji I. – Păsări: Îndrumător practic, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

41. Chioreanu N. – Motoare termice monoregim, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2006

42. Chioreanu N., Chioreanu Ș. – Motoare termice neconvenționale pentru automobile, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2006

43. Chiriac C. – Instalații frigorifice, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1981

44. Ciobotea D., Zarzără I. – Istoria întreprinderii de mașini agricole și tractoare din Craiova : 1878 – 2008, [NUME_REDACTAT], Craiova, 2009

45. [NUME_REDACTAT]., [NUME_REDACTAT]. – Organizarea activităților de alimentație publică și hoteliere, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1980

46. Coroană S., Bonoiu V., Dimitriu C. – Utilaje în alimentația publică. Metode și tehnici de control ale produselor alimentare și de alimentație publică, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1978

47. Curilă M., Curilă S., – Prelucrarea imaginilor digitale degradate de aerosoli atmosferici, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2004

48. Curilă M. – Îmbunătățirea imaginilor achiziționate în medii dispersive, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2009

49. Curilă S., Curilă M., – Tehnici de prelucrare a imaginilor utilizate la recunoașterea formelor, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2004

50. Curilă S., Curilă M., Nuzillard D. – Modelare numerică și compresie în 3D, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

51. Dobre P. – Baza energetică și mașini horticole, București, 2010

52. [NUME_REDACTAT]. – Utilaje și instalații pentru alimentația publică și turism, Îndrumător pentru lucrări de laborator, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2013

53. [NUME_REDACTAT]. – Bazele utilajelor și instalațiilor pentru alimentația publică și turism, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2009

54. [NUME_REDACTAT]. – Utilaje și instalații pentru alimentația publică și agroturism, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2010

55. [NUME_REDACTAT]. – Mașini și instalații zootehnice, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2010

56. [NUME_REDACTAT]., Czirják R. L. – Mașini și instalații zootehnice, Îndrumător pentru lucrări de laborator, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2010

57. [NUME_REDACTAT]. – Mentenanța utilajelor și instalațiilor agroalimentare, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2011

58. [NUME_REDACTAT]. – Baza energetică pentru agricultură, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2012

59. [NUME_REDACTAT]. – Baza energetică și mașini agricole, Îndrumător pentru lucrări de laborator, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2013

60. [NUME_REDACTAT]. – Mic dicționar de inginerie tehnică pentru domeniul agrozootehnic și agroturistic, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2012

61. Farcaș N. ș.a. – Tractoare și mașini agricole, I+II, [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT], București, 2003

62. Farcaș N. – Utilaje tehnologice, [NUME_REDACTAT] Universitară, București, 2006

63. Farcaș N. ș.a. – Noțiuni teoretice de agrotehnică, mecanizare și zootehnie, [NUME_REDACTAT] Universitară, București, 2004

64. Fântână N. E. – Calculul și construcția instalațiilor auxiliare ale autovehiculelor, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2007

65. [NUME_REDACTAT]., Mnerie D., Herman R. – Utilaje tehnologice și tehnologii de fabricație, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2002

66. Florea C. – Îndrumar pentru unitățile de alimentație publică, [NUME_REDACTAT], București, 1988

67. Frățilă G., Frățilă M., Samoilă S. – Automobile – Construcție, întreținere și reparare, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 2011

68. Ganea M. – Mașini unelte și sisteme flexibile, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2010

69. [NUME_REDACTAT]. ș. a. – Utilaj tehnologic în industria alimentară, [NUME_REDACTAT]-Info, Chișinău, 2007

70. Ghergheleș V. – Energia viitorului – surse regenerabile, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2006

71. Grava A. – Instalații și echipamente electrice, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2009

72. Gherlan I. – Baza energetică și mașini agricole pentru viticultură, [NUME_REDACTAT], Craiova, 2010

73. Glodeanu C. M. V. – Utilaje și instalații tehnologice pentru protecția mediului, [NUME_REDACTAT], Craiova 2003

74. Grebenișan G. – Metode numerice în inginerie folosind MATLAB, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

75. Grundwald B. – Teoria, construcția și calculul motoarelor pentru autovehicule rutiere, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1980

76. Hapenciuc M. – Echipamente de transport în industria alimentară, [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT], Galați, 2004

77. Hapenciuc M. – Sisteme de transport hidro-pneumatic, [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT], Galați, 2004

78. Hule V. – Desen tehnic, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2009

79. Ilea R. – Motoare și utilaje pentru amenajări peisagistice, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2003

80. Iliescu L. – Tehnologia zahărului, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1987

81. Ioancea L. ș.a. – Mașini, utilaje și instalații în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], București, 1986

82. Ioancea L., Kathrein I. – Condiționarea și valorificarea superioară a materiilor prime animaliere în scopuri alimentare. Tehnologii și instalații, [NUME_REDACTAT], București, 1989

83. Ivan E., Craiu I., Oniță N. – Operații și aparate în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2003

84. Ivan E., Kormendi Ș., Oniță N. – Îndrumător de laborator – Fenomene de transfer, operații și aparate în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 1999

85. Jascanu R., Teodorescu L. – Operații și utilaje în industria alimentară, vol. I – II, [NUME_REDACTAT], 1984

86. Jinescu V. – Utilaj tehnologic pentru industriile de proces, [NUME_REDACTAT], București, 1989

87. Lup F. Gh. – Suinele – aspecte practice, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

88. Maerescu C. M. – Aspecte practice de creștere a ovinelor, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2007

89. Maerescu C. M., Man C. – Condiții tehnologice și de igienă pe filiera lapte în fermele de ovine, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2007

90. Maghiar T. ș.a. – Centrale electrice geotermale cu fluid secundar, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2000

91. [NUME_REDACTAT] – [NUME_REDACTAT] contemporan. Procese. Construcție. Elemente de calcul, [NUME_REDACTAT], colecția Didactica, Cluj-Napoca, 2005

92. Mariașiu F., Raboca H. – Managementul exploatării tehnico‐economice a utilajelor și agregatelor agricole, [NUME_REDACTAT], colecția Agraria, Cluj‐Napoca, 2010

93. Mănișor P. – Mecanizarea și automatizarea lucrărilor în zootehnie, [NUME_REDACTAT], București, 1998

94. Mierliță D. – Nutriția și alimentația animalelor – Curs universitar, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

95. Mihali C., Oprea G. – Tehnologie generală în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], [NUME_REDACTAT], 2003

96. Mihăilă I. – Tehnologii mecanice, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2006

97. Mihăilă I. – Tehnologia construcțiilor de mașini, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2006

98. Mitran T. A. – Combustibili și materiale pentru autovehicule rutiere, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2009

99. Mitroi A., Udroiu A. – Automatizarea proceselor în producția zootehnică, [NUME_REDACTAT] Press, București, 2003

100. Mitroi C. ș.a. – Tehnologia de întrețineri, revizii și reparații pentru mașinile și nstalațiile din zootehnie, [NUME_REDACTAT], București, 1980

101. Mnerie D. – Prelucrarea cărnii – sisteme tehnologice și structuri productive, [NUME_REDACTAT] Universitare, Timișoara, 1997

102. Moraru C. – Tehnologia și utilajul industriei morăritului și a crupelor, [NUME_REDACTAT], 1988

103. Muntean M., Molnar A. – Mecanică tehnică, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2004

104. Muntean M., Molnar A., [NUME_REDACTAT]. – Aplicații și îndrumător de proiect la tehnica frigului și climatizare în industria alimentară, Editura AcademicPres, Cluj-Napoca, 2003

105. Muntean M., Gherman V. – Fenomene de transfer – Note de curs și lucrări practice, Editura AcademicPres, 2007

106. Muntean M. – Aparate de măsură și control și sisteme de măsurare în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2007

107. Naghiu A. – Baza energetică pentru agricultură și silvicultură, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2008

108. Naghiu A., Apostu S. – Tehnica frigului și climatizare în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2006

109. Naghiu L. – Baza energetică pentru horticultură, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2008

110. Naghiu L. – Mașini și instalații pentru spații verzi, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2008

111. Naghiu L., Naghiu A., Șerban L., Molnar A., Munteanu M. – Utilizarea energiei electrice în industria alimentară, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2001

112. Năstăsoiu, M. – Tractoare : determinarea performanțelor de tracțiune și economice, [NUME_REDACTAT] Transilvania, Brașov, 2004

113. Neagu T., Cojocaru P. – Mașini și utilaje agricole, [NUME_REDACTAT] Agronomică, Iași, 1995

114. Neculăiasa V. – Operații și procese de lucru ale mașinilor agricole de recoltat, [NUME_REDACTAT] Asachi, Iași, 2003

115. Nichici A. ș.a. – Prelucrarea datelor experimentale, lito. [NUME_REDACTAT] din Timișoara, 1996

116. Niculiță P., Purice N. – Tehnologii frigorifice în valorificarea produselor alimentare de origine vegetală, [NUME_REDACTAT], București, 1986

117. Pantea M. D. – Noi surse de energie regenerabile, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

118. Porneală S., Bălan M. – Utilizarea frigului artificial, curs în format web, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca 2003

119. Purice N., Honciuc N. – Exploatarea și întreținerea utilajelor frigorifice comerciale, [NUME_REDACTAT], București, 1987

120. Puzdrea D. ș.a. – Tehnologia uleiurilor vegetale, [NUME_REDACTAT], București, 1980

121. Rancov N. – Utilizarea energiei electrice : Îndrumător de laborator, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2009

122. Rășenescu I. – Operații și utilaje în industria alimentară, vol. I – II, [NUME_REDACTAT], București, 1971

123. Ros V. ș.a. – Tehnici de mecanizare a lucrărilor solului în sistem conservativ, [NUME_REDACTAT] Mater, Cluj-Napoca, 2002

124. Roșca R. – Autovehicule rutiere și tractoare, [NUME_REDACTAT] Pandorei, Vaslui, 2002

125. Rus A. – Mecanisme, [NUME_REDACTAT] din Oradea, Oradea, 2000

126. Rusănescu N. – Structuri productive și tehnologii specifice în industria alimentară, curs litografiat, UTT, Facultatea de Mecanică, Timișoara, 1997

127. Sârb V., Bărbieru V. A. – Noțiuni de mecanizare în agricultură, [NUME_REDACTAT], Cluj-Napoca, 2006

128. Segal B., ș.a. – Utilajul tehnologic din industria de prelucrare a produselor horticole, [NUME_REDACTAT], București, 1984

129. Stănășel I. – Tehnologia construcțiilor de mașini, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2011

130. Stomotescu G. – Tehnica frigului, [NUME_REDACTAT], București, 1972

131. Șandru A. ș.a. – Exploatarea utilajelor agricole, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1983

132. Ștefănescu I. – Utilaje pentru prelucrarea primară a materiilor prime din industria alimentară, [NUME_REDACTAT] – Info, Chișinău, 2003

133. Tecușan N., Ionescu E. – Tractoare și automobile, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1982

134. Teodorescu N. – Mentenanță generală în domeniul ingineriei mecanice, Editura A.G.I.R., București, 2008

135. Tonea C. – Baza energetică pentru agricultură, [NUME_REDACTAT] Timișoara, 2001

136. Tonea C. ș.a. – Baza energetică pentru agricultură – Îndrumător de lucrări practice, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2004

137. Tonea C. ș.a. – Surse de energie, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2007

138. Tonea C. – Tractoare și mașini agricole, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2006

139. Trip N. D., Șchiop A. – Surse regenerabile de energie solară, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2008

140.Tudose R. Z. ș.a. – Procese, operații și utilaje în industria chimică, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1977

141. Țane N. – Mașini, instalații și utilaje pentru prelucrarea legumelor și fructelor, [NUME_REDACTAT] Transilvania din Brașov, 2002

142. Țane N., Gaceu L. – Mașini, instalații și utilaje pentru produse de origine vegetală, [NUME_REDACTAT] Transilvania din Brașov, 2000

143. Țarcă I. – Organe de mașini, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2004

144. Țarcă R. C. – Introducere în robotică, [NUME_REDACTAT] din Oradea, 2003

145. Țucu D., Mnerie D. – Sisteme integrate pentru producție agroalimentară, [NUME_REDACTAT] Universitare, Timișoara, 1997

146. Țucu D., Mnerie D. – Elemente de gastronomie, [NUME_REDACTAT] Universitare, Timișoara, 2000

147. Țucu D., Mnerie D. – Tehnologiile culinare și gastronomia, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 2001

148. Țucu D. – Morăritul – Sisteme tehnologice și structuri productive, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 1994

149. Țucu D. – Panificația – sisteme tehnologice și structuri productive, [NUME_REDACTAT] Universitare, Timișoara, 1997

150. Țucu D. ș.a. – Structuri productive și tehnologii specifice în industria alimentară. Îndrumar laborator, litografiat, UTT, Facultatea de Mecanică, Timișoara, 1997

151. Țucu D., David I. – Utilaje și instalații pentru morărit și panificație. Îndrumător de laborator, [NUME_REDACTAT], Timișoara, 1994

152. [NUME_REDACTAT]., Cruceru T., Onciu L. – Instalații sanitare și de gaze, [NUME_REDACTAT] și Pedagogică, București, 1995

153. Udroiu N. A. – Mașini și instalații zootehnice, [NUME_REDACTAT], București, 2008

154. Voicu E. – Dinamica și energetica agregatului tractor-combină tractată pentru recoltat furaje, [NUME_REDACTAT] Nostra, Iași, 2009

155. Zaman M. – Combine de recoltat cereale, evoluții, [NUME_REDACTAT], Constanța, 2001

156. http://www.iprotectiamuncii.ro/

157. http://www.asro.ro – Asociația de Standardizare din România (organismul național de standardizare).

C U P R I N S

BAZELE UTILAJELOR ȘI INSTALAȚIILOR

PENTRU ALIMENTAȚIA PUBLICĂ

ȘI AGROTURISM

C U P R I N S

1. INTRODUCERE

1.1. Considerații generale

Utilajele din unitățile de alimentația publică și turism sunt mașini de lucru utilizate pentru efectuarea unor operațiuni diversificate în cadrul proceselor de producție și servicii.

Aceste mașini trebuie să îndeplinească o serie de condiții:

realizarea unor operațiuni de calitate superioară;

consumuri energetice reduse iar costurile pe unitatea de produs să fie cât mai mici;

posibilitatea creșterii gradului de automatizare a unor operațiuni din cadrul proceselor de producție;

creșterea productivității muncii;

deservirea utilajelor să fie cât mai facilă;

utilajele să fie prevăzute cu aparatură de măsură și control a funcționării acestora;

liniile tehnologice să fie prevăzute cu dispozitive de siguranță care să permită blocarea lor în cazul defectării unei mașini.

Clasificarea utilajelor tehnologice se poate face după următoarele criterii principale:

a) După ciclul de lucru se împart în:

mașini și utilaje cu acțiune sau funcționare continuă (care au un proces de lucru stabilizat în timp, precum și alimentarea concomitentă a produsului inițial și ieșirea produsului finit);

mașini și utilaje cu acțiune sau funcționare periodică (la care produsul este prelucrat într-un anumit interval de timp, iar produsul finit este eliminat după expirarea acelui interval de timp).

b) După tipul acțiunii se împart în:

mașini și utilaje cu acțiune mecanică asupra produsului (cu schimbarea formei și dimensiunilor);

mașini și utilaje cu acțiuni fizico-chimice ale produselor.

c) După gradul de automatizare se împart în:

mașini și utilaje fără elemente de automatizare la care cea mai mare parte din operațiuni sunt realizate prin intervenția omului (încărcare, descărcare, deplasare etc.);

mașini și utilaje semiautomate la care procesele tehnologice sunt realizate automat iar procesele auxiliare (transport, control) sunt realizate manual;

mașini și utilaje automate la care atât procesele tehnologice cât și cele auxiliare sunt realizate automat.

d) După tipul operațiunii executate se împart în:

transport;

mașini și utilaje pentru mărunțire;

mașini și utilaje pentru amestecare;

mașini și utilaje pentru separare;

mașini și utilaje pentru sortare;

mașini și utilaje pentru curățire;

mașini pentru prelucrarea termică a produselor;

etc.

e) După numărul de operațiuni executate se împart în:

mașini individuale (care execută o singură operațiune);

mașini complexe (care execută operațiuni complexe).

Sistema de mașini trebuie să acopere toate operațiunile din cadrul procesului de producție. Această sistemă se bazează pe analiza unor factori:

tehnico – organizatorice – gruparea rațională a agregatelor de producție, mecanizarea proceselor de producție, automatizarea controlului etc.;

tehnologice – proprietățile materiei prime, caracterul proceselor de producție;

energetice – echilibrul permanent între material și energie.

Fluxul tehnologic reprezintă circulația continuă a materiei prime, în succesiunea operațiilor dintr-un proces de producție. După caracterul producției continue se deosebesc:

fluxuri pe o singură linie – în care dintr-un anumit tip de materie primă se fabrică un singur tip de produs finit omogen;

fluxuri pe mai multe linii – cu o linie principală și mai multe linii auxiliare.

Utilajul reprezintă totalitatea uneltelor, aparatelor, mașinilor etc., necesare pentru efectuarea unei anumite lucrări din cadrul procesului de producție.

Linia tehnologică reprezintă un ansamblu de mașini de lucru, instalații și mijloace de transport, dispuse în ordinea succesiunii operațiilor de fabricare.

Criteriile generale de alegere a utilajelor și instalațiilor sunt :

􀀻 să asigure execuția operației căreia îi este destinat;

􀀻 să aibă parametrii de performanță tehnică ceruți de proces;

􀀻 să asigure productivitatea cât mai ridicată;

􀀻 să aibă un consum energetic cât mai redus;

􀀻 să beneficieze de sisteme de acționare, comandă și conducere automate;

􀀻 să fie compatibil cu celelalte utilaje de pe fluxul tehnologic;

􀀻 să aibă o garanție și o întreținere ulterioară cât mai favorabile;

􀀻 producătorul utilajului să fie capabil să prezinte dovezi că are implementat un sistem de asigurare a calității (certificat), care să includă înregistrări privind trasabilitatea utilajului;

􀀻 să aibă un raport preț / performanțe cât mai redus.

Cerințele speciale impuse utilajelor alimentare sunt :

􀀻 să fie cât mai simple în ceea ce privește construcția, deservirea și repararea lor, iar mecanismele și piesele să poată fi ușor de înlocuit;

􀀻 piesele lucrative și suprafețele care vin în contact direct cu produsele procesate să fie confecționate din materiale care să nu reacționeze cu respectivele produse;

􀀻 suprafețele care vin în contact direct cu produsele alimentare nu trebuie să prezinte fisuri, rupturi, unghiuri ascuțite acestea putând deveni focare de infecție a produselor, fiind greu accesibile pentru curățire și spălare;

􀀻 zona de lucru să fie ușor accesibilă atât pentru controlul procesului cât și pentru eliberarea completă a utilajului de produsul prelucrat;

􀀻 respectarea condițiilor igienico – sanitare atât a spațiilor de producție cât și a utilajelor impun spălări dese și intense iar ca urmare motoarele electrice, armăturile de punere în funcțiune și aparatele de măsură și control trebuie să fie de tipul capsulat pentru a rezista la apă, la umiditatea relativ mare din spațiile de producție;

􀀻 organele și suprafețele de lucru să fie astfel construite încât curățirea mecanică și spălarea să se poată executa ușor și repede;

􀀻 utilajele trebuie să prezinte dispozitive de protecție și semnalizare care să asigure securitatea muncii și prevenirea accidentelor.

1.2. Procese tehnologice

Alimentele se obțin prin transformarea produselor minerale, animale sau vegetale. Materiile prime sunt transformate în produse finite în urma prelucrării de către utilaje și instalații conform figurii 1.1.

Figura 1.1. Proces tehnologic

Materiile prime pot fi principale, secundare și auxiliare (de exemplu în industria panificației făina, apa, drojdia și sarea sunt materii prime, grăsimea, ouăle și zahărul sunt materii secundare iar hârtia, cartonul și sfoara sunt materii auxiliare). În cursul prelucrării materiei prime, pe lângă produsele finite rezultă și subproduse care pot constitui la rândul lor materii prime pentru alte produse finite ca în figura 1.2.

Figura 1.2. Transformarea materiilor prime

Unele produse obținute în urma prelucrării materiei prime nu mai pot fi utilizate în scop alimentar și ele sunt denumite deșeuri.

1.2.1. Clasificarea operațiilor

Fiecare treaptă de transformare, prin care materia primă se prelucrează pentru a deveni produs finit, se numește operație care este realizată cu ajutorul aparatelor și utilajelor.

Fiecare operație constă în efectuarea unor faze distincte:

reglarea și punerea în funcțiune a aparatului sau utilajului;

alimentarea cu materii prime și auxiliare;

transformarea propriu-zisă a materialelor;

evacuarea produselor obținute și a deșeurilor;

curățirea și spălarea utilajelor.

Operațiile pot fi clasificate după mai multe criterii și anume:

a) după natura operației se împart astfel:

operații termice (răcirea, încălzirea, sterilizarea, pasteurizarea etc.);

operații atermice (filtrarea, sedimentarea);

operații mecanice (dozare, transport, depozitare);

operații chimice și biochimice (fermentarea, maturarea etc.).

b) după natura fenomenului de transfer care stă la baza operației:

operații fluido-dinamice (amestecarea, filtrarea, sedimentarea etc.);

operații bazate pe transfer de căldură (încălzirea, răcirea, pasteurizarea, sterilizarea);

operații bazate pe transfer de căldură și de masă (distilarea, uscarea, extracția, difuzia).

1.2.2. Procese tehnologice și de fabricație

Succesiunea operațiilor prin care materiile prime principale și secundare sunt prelucrate, obținându-se produsul finit, poartă denumirea de proces tehnologic propriu-zis fiind reprezentat în figura 1.3. În paralel sunt realizate operațiile auxiliare, referitoare la ambalaje, agenți termici etc. care alcătuiesc procesul tehnologic auxiliar.

Împreună, cele două procese formează procesul de fabricație. Pentru urmărirea cu ușurință a procesului de fabricație în ansamblu, este necesar să se reprezinte grafic toate operațiile care îl alcătuiesc, precum și materiile prime, auxiliare și produsele finite.

Figura 1.3. Procesele tehnologice și de fabricație

1.2.3. Bilanțuri de materiale și capacitatea de producție

Pentru a realiza un produs alimentar oarecare este necesară cunoașterea cantitativă și calitativă a materialelor care intră și care ies din procesul tehnologic. Caracteristicile cantitative se stabilesc cu ajutorul bilanțurilor de materiale iar cele calitative prin analize de laborator.

Operațiile, precum și materiile prime principale, secundare și auxiliare sunt reprezentate sub forma unor dreptunghiuri în care se scrie denumirea materiilor și a operațiilor. Trecerea materiei prime de la o operație la alta se marchează prin săgeți.

Capacitatea de producție reprezintă posibilitatea de a se produce într-un proces tehnologic, o anumită cantitate de produse.

Figura 1.4. Caracteristicile produselor

Bilanțul de materiale este bazat pe legea conservării materiei și se exprimă prin relația 1.1 :

Mi = Me + Mp [kg] (1.1)

în care: Mi este reprezintă suma tuturor cantităților de materii prime principale și secundare introduse în procesul tehnologic sau într-o operație, în kg;

Me reprezintă suma tuturor cantităților de produse obținute dintr-un proces tehnologic sau operație, în kg;

Mp reprezintă suma tuturor cantităților de produse pierdute într-un proces tehnologic sau operație, în kg.

Figura 1.5. Proces tehnologic în brutărie

Stabilirea unei compoziții, conform standardelor după care se prelucrează materiile prime, se face cu ajutorul bilanțului parțial de materiale, pentru un component oarecare. Cantitățile în acești componenți pot fi calculate dacă se cunoaște cantitatea de produs M și concentrația procentuală c a componentului respectiv, folosind ecuația 1.2. :

ci/100 x Mi = ce/100 x Me + cp/100 x Mp (1.2)

în care: ci este concentrația în componentul caracteristic pentru materialele intrate, în %;

ce este concentrația în componentul caracteristic pentru materialele ieșite, în %;

cp este concentrația în componentul caracteristic pentru materialele pierdute, în%.

Bilanțul parțial de materiale pentru un component, este necesar numai când în procesul tehnologic se modifică concentrația acestuia și este legat de bilanțul total de materiale, alcătuind împreună sistemul de ecuații de bilanț de materiale 1.3.

(1.3)

Cu ajutorul celor două bilanțuri se pot face calcule precise când se cunosc fie cantitățile de materii prime și auxiliare intrate într-o operație sau într-un proces tehnologic, fie cantitățile de produse finite rezultate.

1.2.4. Consumul specific și randamentul de fabricație

Din cantitatea totală de materie primă nu se obține întotdeauna cantitatea de produs calculată, din cauza pierderilor în timpul transportului și manipulării, conținutului de impurități etc. De aceea, în calculele tehnologice se ține seama de condițiile reale în care se desfășoară procesul, precizându-se pentru fiecare produs consumul specific și randamentul de fabricație.

Consumul specific reprezintă cantitatea de materii prime, auxiliare și energie, folosite pentru obținerea unei unități de produs finit.

Randamentul de fabricație reprezintă raportul dintre masa produsului obținut într-un proces tehnologic și masa materialelor introduse în acest scop. Se calculează cu relația 1.4.

(1.4)

în care: η = reprezintă randamentul de fabricație;

Mp = reprezintă masa produsului obținut;

Mm = reprezintă masa materialelor introduse.

1.3. Materiale utilizate în construcția și exploatarea utilajelor

Materialele folosite în construcția și exploatarea utilajelor tehnologice sunt în general materiale metalice și nemetalice. Pe lângă acestea, în exploatarea utilajelor se mai folosesc combustibilii și lubrifianții.

Figura 1.6. Tipurile de materiale folosite

Materialele utilizate se împart conform figurii 1.6. în :

> materiale metalice care pot fi feroase sau neferoase,

> materiale nemetalice,

> materiale compozite,

> combustibili și lubrifianți.

Recunoașterea materialelor se face după proprietățile lor și anume:

– proprietăți fizice :

– luciul;

– culoarea;

– structura;

– greutatea specifică – greutatea unității de volum dintr-un material;

– conductibilitatea termică și electrică – proprietatea materialelor metalice de a conduce căldura și electricitatea;

– dilatația și contracția – însușirea materialelor metalice de a-și mări, respectiv micșora, volumul la modificarea temperaturii;

– fuzibilitatea – însușirea materialelor metalice de a se topi;

– refractaritatea este gradul de rezistență a materialelor la temperaturi înalte.

– proprietăți chimice :

– rezistența la coroziune, rezistența la uzură – proprietatea unui material de a se opune acțiunilor distructive ale agenților fizico-chimici din exterior;

– oxidarea – reacția prin care o substanță se combină cu oxigenul.

– proprietăți mecanice :

– duritatea – caracterizează rezistența opusă de materialul metalic la pătrunderea în el a unui corp cu o duritate mai mare;

– maleabilitatea – proprietatea unor materiale de a se deforma permanent, fără fisurare (ex. laminarea în foi subțiri);

– tenacitatea – proprietatea unui material metalic de a prezenta deformații plastice mari, înainte de a se rupe;

– elasticitatea – proprietatea unui material metalic deformabil de a reveni la forma și dimensiunile inițiale;

– rezistența – proprietatea materialelor solide de a se opune acțiunilor mecanice care tind să le deformeze sau să le rupă (rezistența la forfecare, compresiune, întindere, răsucire etc.);

– rezistența la uzură – proprietatea materialelor de a se opune distrugerii prin frecare;

– plasticitatea – proprietatea materialelor de a nu reveni la forma inițială după deformare;

– fragilitatea – proprietatea materialelor de a se rupe brusc sub acțiunea sarcinilor, fără a se deforma mult;

– fluajul – proprietatea materialelor de a se deforma lent și continuu în timp sub acțiunea unei sarcini constante;

– ecruisarea – proprietatea materialelor de a li se mări rezistența datorită unei prelucrări mecanice.

– proprietăți tehnologice :

– forjabilitatea – proprietatea unui material de a se deforma fără fisurare sub influența unor acțiuni de ciocănire sau presare (la cald sau la rece);

– sudabilitatea – proprietatea materialului de a putea fi sudat;

– ductilitatea – proprietatea materialului de a putea fi tras în fire subțiri;

– prelucrabilitatea prin așchiere – proprietatea materialului de a putea fi prelucrat prin așchiere cu ajutorul sculelor tăietoare, cu eforturi cât mai mici;

– călibilitatea reprezintă proprietatea unor materiale de a-și modifica duritatea, în urma răcirii lor bruște de la o anumită temperatură.

– turnabilitatea – este o proprietate tehnologică complexă – depinde de fluiditatea materialului topit, contracția la răcire și tendința de segregare.

În natură metalele se găsesc mai rar în stare nativă. De cele mai multe ori ele formează combinații cu alte elemente chimice: oxigen, carbon, sulf, hidrogen etc., constituind mineralele. Zăcămintele de minereu conțin alături de minerale utile și minerale neutile sau steril sub formă de carbonați, silicați (calcar, argilă, nisip etc.). În majoritatea cazurilor minereurile au un conținut mare de steril. Creșterea randamentului agregatelor metalurgice impune aplicarea unor operații de preparare, de îmbogățire a minereurilor în minerale utile. Acest lucru este cu atât mai important astăzi când în condițiile crizei energetice și de materii prime se exploatează și zăcămintele cele mai sărace, considerate în trecut nerentabile.

Figura 1.7. Proprietățile materialelor

Operațiile de preparare a minereurilor sunt :

1. sfărâmarea care are drept scop desfacerea particulelor de minerale utile de steril și obținerea unor dimensiuni convenabile desfășurării operațiilor ulterioare. Operațiile se realizează în trepte de la dimensiuni foarte mari la pulberi.

2. clasarea urmărește separarea pe clase de dimensiuni a minereurilor sfărâmate. Aceasta se poate realiza volumetric sau gravimetric. Clasarea volumetrică se realizează prin cernere pe un set de site de dimensiuni descrescătoare până la 0,5mm, pe fiecare din site separându-se o anumită clasă de dimensiuni. Clasarea gravitațională se aplică minereurilor de dimensiuni mici, prăfoase și se bazează pe devierea și deplasarea mai mare sau mai mică a particulelor aflate în cădere liberă, sub acțiunea unui curent de aer perpendicular pe direcția de cădere.

3. sortarea urmărește ameliorarea conținutului în minerale utile, a compoziției chimico-mineralogice și se realizează prin separarea particulelor de minerale utile de steril, separarea particulelor de minerale utile de diferite categorii, separarea componenților nocivi, etc. Metodele de sortare cele mai utilizate sunt: sortarea manuală direct la banda transportoare, sortarea hidrodinamică, sortarea magnetică, sortarea electrostatică etc.

4. calcinarea sau prăjirea este o metodă de îmbogățire pe cale termică sau termochimică a minereurilor și constă din încălzirea acestora la temperaturi inferioare temperaturii de topire. În urma acestei operații se elimină apa și substanțele volatile și de asemeni se obține o porozitate mare a minereurilor ceea ce permite o mai bună circulație a gazelor prin încărcătură. Minereurile devin mai ușor reductibile.

5. aglomerarea este procesul de înmuiere cu ajutorul căldurii a prafului de minereu, lipirea particulelor și în urma răcirii formarea unor bulgări de dimensiuni convenabile, cu porozitate mare și proprietăți mecanice bune. Pentru aglomerare este necesară o cantitate mare de căldură pentru topirea parțială a unor componente, de aceea minereurile se amestecă cu praf de cocs sau cărbune. În cazul minereurilor sulfuroase rolul de combustibil îl are și sulful care oricum trebuie eliminat.

6. brichetarea și peletizarea în urma cărora minereurile în stare prăfoasă se presează sau se alipesc în bulgări de dimensiuni convenabile desfășurării proceselor în agregatele de extracție.

Metodele de extragere a metalelor din minereuri se pot grupa în metode pirometalurgice și metode hidrometalurgice. Metodele pirometalurgice se referă la utilizarea căldurii în vederea accelerării reacțiilor de reducere a oxizilor și se împart în metode extractive propriu-zise și metode de afinare. Principalele metode extractive sunt descrise îm continuare.

Prăjirea reducătoare în care oxidul de metal din minereu încălzit la temperaturi corespunzătoare reacției de oxido-reducere, temperaturi inferioare temperaturii de topire, este redus cu ajutorul unui agent reducător: C, CO, H2 de exemplu MeO+CO=Me+CO2.

Topirea reducătoare în care oxidul de metal din minereu este supus reducerii în stare topită utilizând ca agenți reducători: C, CO, H2 cât și metale mai avide de oxigen decât metalul de extras Al, Mn, Si caz în care reacția de reducere poate fi: MeO+Mn=Me+MnO.

Electroliza pirometalurgică se aplică unor minereuri dizolvate în săruri topite și se bazează pe disocierea compușilor metalelor în ioni. Ionii de metal se acumulează la catod. Metoda se aplică la extragerea aluminiului din alumină.

Amalgamarea se bazează pe proprietatea metalelor nobile Au, Ag, Pt de a forma amalgame cu mercurul la temperatura mediului ambiant. Praful de minereu se amestecă cu mercurul iar amalgamul format se separă prin scurgere din amestec. Ulterior prin încălzirea amalgamului la temperatura de vaporizare a mercurului într-o retortă, mercurul se evaporă se separă și se recuperează prin condensare iar în retortă rămâne pulberea metalului de extras.

Metodele de afinare se aplică în scopul creșterii gradului de puritate a materialelor obținute prin metode extractive.

Oxidarea produselor în stare topită produse obținute prin metode extractive urmărește îndepărtarea unor elemente care însoțesc metalul de extras, elemente care prezintă o afinitate mai mare față de oxigen decât metalul de extras. În scopul oxidării se utilizează ca agenți oxidanți aerul, oxigenul, oxizi ai metalului de extras, săruri prin descompunerea cărora rezultă compuși oxidanți. Unele produse ale oxidării trec în zgură: MnO, SiO2, iar altele în atmosferă: CO, CO2, SO2 .

Reducerea produselor în stare topită se aplică pentru eliminarea oxizilor metalici din baia metalică lichidă. Reducerea se realizează prin introducerea în baie a unor reducători, metale mai avide de oxigen decât metalul de afinat: Al, Mn, Si. Oxizii formați se separă în zgură.

Licuația constă în încălzirea unor aliaje polifazice până la topirea fazei cu punctul de topire cel mai scăzut și separarea prin scurgere a acesteia. Procesul continuă cu încălzirea aliajului la temperatura următoarei faze, ș.a.m.d.

Distilarea fracționată constă din încălzirea unor aliaje până la temperatura de fierbere cea mai joasă a unui element, evaporarea acestuia, colectarea și condensarea acestuia. Procesul continuă cu încălzirea aliajului la temperatura de fierbere a următorului element ș.a.m.d.

Metodele hidrometalurgice de extragere se aplică soluțiilor apoase ale compușilor metalici solubili în apă. În cazul în care minereurile nu sunt solubile în apă se procedează mai întâi la solubilizarea acestora cu : acizi H2SO4, HCl ; carbonați Na2CO3 ; cianuri NaCN, KCN, Ca(CN)2. Extragerea din soluțiile apoase se poate face prin electroliză sau prin precipitare.

Electroliza se bazează pe disocierea electrolitică a sării metalului de extras și depunerea la catod a ionilor de metal.

Precipitarea prin concentrare constă din introducerea în soluția apoasă a sării metalului de extras a unui metal mai electronegativ decât metalul de extras. Acesta se substituie în sarea dizolvată eliberând metalul care se depune sub forma unui cement, a unei pulberi. Cementul se usucă, se topește și se supune rafinării.

1.3.1. Materiale metalice feroase

Aceste materiale sunt reprezentate prin fonte și oțeluri.

Fonta reprezintă un aliaj fier – carbon (Fe + C) care conține între 1,7 – 6,67 % C. Pe lângă acestea mai cuprinde elemente însoțitoare (Mn, Si, P și S) sau de aliere (Cr, Ni, Mo, Cu, Al, Mg etc.). Se obține din minereurile de fier în urma topirii acestora. Fonta se utilizează ca materie primă pentru obținerea oțelurilor și a pieselor turnate.

Figura 1.8. Diagrama de echilibru a aliajelor Fe-C

I – metal lichid, α – ferită, y – austenită, δ – ferită δ, † – perlită, * – ledeburită.

Fontele se clasifică în:

– fonte ordinare (fonta cenușie, fonta albă, fonta maleabilă și fonta cu grafit nodular);

– fonte speciale sau aliate (fontele refractare, antifricțiune și înalt aliate).

Fonta cenușie (fonta cu grafit lamelar) datorită grafitului care intră în compoziția sa se prelucrează ușor prin așchiere, este rezistentă la uzură, coroziune și compresiune. Din ea se obțin piese prin turnare.

Fonta albă are o mare duritate și fragilitate și un conținut bogat în siliciu și mangan. Din ea se obțin piese prin turnare, care trebuie să aibă suprafețe dure.

Fonta maleabilă (fonta cu grafit în cuiburi) se obține din fonta albă în urma unei încălziri la temperaturi ridicate urmată de o răcire lentă (procedeu de maleabilizare. Din ea sunt realizate piese care trebuie să aibă rezistență mare la șoc, presiune și oboseală.

Fonta cu grafit nodular este o fontă superioară obținută prin modificarea compoziției chimice a fontei cenușii (adăugare de elemente grafitizante). Din ea sunt realizate piese importante care au calități apropiate cu a celor din oțel (arbori, roți dințate etc.).

Fonta refractară are un conținut mare de Cr, Mn și Si, fiind utilizată pentru obținerea pieselor care trebuie să reziste la temperaturi ridicate și la oxidare.

Fonta antifricțiune are un conținut ridicat de Cr, Ni, Mn, Mo, Al, Mg, Cu și Si. Din ea sunt realizate piese cu rezistență mare la uzură (cilindri, arbori etc.).

Fonta înalt aliată are în compoziție Ni, Si, Al și este utilizată în construcția unor repere din instalațiile de prelucrare a vinului, industria chimică și alimentară. Pentru elaborarea fontei de primă fuziune sunt necesare următoarele materiale: minereuri de fier și mangan, fondanți și combustibili cocs și gaze combustibile gaz metan, gaz de furnal, gaz de cocs etc.

Fondanții sunt materiale care se adaugă încărcăturii agregatelor de elaborare pentru a interacționa cu sterilul și compușii nedoriți și a da naștere la o zgură fuzibilă, fluidă și reactivă. Cantitatea și calitatea fondanților se stabilește în funcție de caracteristicile încărcăturii, calitatea și compoziția chimică a minereurilor, tipul combustibilului folosit. Fondanții trebuie să aibă un caracter chimic opus caracterului sterilului din minereu. Din punct de vedere chimic fondanții pot fi: bazici, silico-aluminoși, acizi. Fondanții bazici mai utilizați: calcarul CaCO3, varul CaO, fluorina CaF2, dolomita CaCO3 MgCO3, zgurile bazice de la cuptoarele de elaborare. Fondanții silico-aluminoși mai utilizați : bauxita Al2O3 H2O, șisturile argiloase. Fondanții acizi mai utilizați : cuarțul SiO2, gresia, prundișul silicios, zgurile acide de la cuptoarele de elaborare.

Pentru a fi corespunzătoare din punct de vedere tehnico-economic minereurile trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să aibă concentrație cât mai mare în fier, să nu conțină elemente nocive sulf, fosfor, arsen sau conținutul acestor elemente să fie cât mai redus, sterilul care însoțește minereul să aibă caracter bazic, să fie ușor reductibil etc.

Cele mai cunoscute minereuri de fier sunt:

– minereuri pe bază de oxizi : hematita Fe2O3 (50-60% Fe, slab magnetică, roșie brună, ușor reductibilă), limonita 2Fe2O3 H2O (25-50% Fe, diamagnetică, galben cafenie, foarte ușor reductibilă), magnetita Fe3O4 (45-75% Fe, magnetică, compactă, culoare neagră cenușie, mai greu reductibilă, cel mai important minereu de fier);

– minereuri pe bază de carbonați: siderita FeCO3 (25-40% Fe, slab magnetică, culoare gri gălbuie, ușor reductibilă);

– minereuri pe bază de sulfuri: pirita FeS2 (40-45%Fe, culoare neagră). Datorită conținutului ridicat de sulf nu se utilizează direct ca minereu la elaborarea fontei. Mai întâi se utilizează în industria chimică la fabricarea acidului sulfuric iar reziduul îmbogățit în fier și sărăcit în sulf se poate utiliza în metalurgia feroasă.

Tot la elaborarea fontei se mai utilizează și minereuri de mangan în cea mai mare parte sub formă de oxizi cum ar fi: piroluzita, MnO2, 63%Mn; manganita, Mn2O3 H2O, 65%Mn; hausmanita, Mn3O4; braunita, Mn2O3.

Agregatul pentru elaborarea fontei de primă fuziune este furnalul. Caracteristica de bază a furnalului este volumul util. Au fost construite furnale de la 1700m3 la peste 3500m3. Furnalul din figura 1.9. este un cuptor înalt cu cuvă de secțiune circulară cu diametrul de până la 10m și înălțime peste 35m, care funcționează pe principiul contracurentului, încărcătura solidă coboară iar gazele arse urcă. Furnalul se compune din două părți tronconice 1 cuva și 2 etalajul și două părți cilindrice 3 pântecele și 4 creuzetul. La partea superioară a cuvei se află dispozitivul de încărcare cu ecluză 5 care asigură menținerea presiunii în furnal și recuperarea integrală a gazelor rezultate din proces. De asemenea dispozitivul asigură distribuirea uniformă a încărcăturii în cuptor. Materialele formate din minereu, cocs, fondanți sunt ridicate la nivelul dispozitivului de încărcare cu ajutorul a două skipuri (vagonet basculant) 6 care se deplasează pe șine în plan înclinat. Tot la partea superioară se află amplasate conductele de colectare a gazului de furnal 7 care este dirijat către stația de epurare cu scopul reținerii vaporilor de apă și a particulelor de praf care-l însoțesc. În zona inferioară a etalajului sunt amplasate gurile de vânt 8 prin care se insuflă aerul cald necesar combustiei. În zona creuzetului furnalul este prevăzut cu gura de evacuare a zgurii 9 situată la 1-1,5m înălțime de la nivelul vetrei și gura de evacuare a fontei 10 situată la nivelul vetrei 11.

Furnalul se sprijină pe o fundație groasă și rezistentă 12 capabilă să susțină o construcție atât de masivă. La exterior furnalul este prevăzut cu un blindaj 13 gros de 15-35mm din tablă de oțel care susține zidăria căptușelii din cărămidă refractară 14. Zidăria trebuie să fie durabilă deoarece, pus în funcțiune, furnalul trebuie să funcționeze câțiva ani fără întrerupere. Zidăria este confecționată din cărămidă din dolomită cu grosimi variabile de la o zonă la alta ajungând în zona creuzetului până la 2m. În zona de încărcare zidăria este realizată din blocuri din materiale refractare rezistente la uzură abrazivă.

Figura 1.9. Furnal

1 – cuva, 2 – etalajul, 3 – pântece,

4 – creuzet, 5 – dispozitivul de încărcare cu ecluză, 6 – skip, 7 – conductele de colectare a gazului de furnal, 8 – guri de vânt, 9 – gura de evacuare a zgurii, 10 – gura de evacuare a fontei, 11 – vatra, 12 – fundația, 13 – blindaj, 14 –

căptușeala din cărămidă refractară.

Oțelul reprezintă un aliaj fier – carbon (Fe + C) care are un conținut de 0,04 – 1,7 % C. Se obține din fontă prin oxidarea acesteia. Din oțel se obțin piese prin turnare, laminare, forjare, prelucrare prin așchiere etc.

Elaborarea oțelului are loc într-un proces fizico-chimic complex de afinare a fontelor de furnal, prin recuperarea fierului vechi sau direct din minereu.

Afinarea fontelor constă în reducerea conținutului de carbon și a celorlalte elemente însoțitoare prin oxidare și eliminarea produselor oxidării sub formă de gaze în atmosferă CO, CO2 sau în zgură MnSiO3, CaSiO3, MnS, CaS, P2O5(CaO) etc. Pentru formarea zgurii în încărcătură se introduc fondanți CaCO3, CaO, CaF2.

Reducerea conținutului de carbon din fontă se realizează prin oxidare cu oxigenul provenit din materialele de adaos: aer, oxigen, oxizi de fier.

Reducerea conținutului de oxizi de fier din baie se numește dezoxidare și se realizează prin introducerea în baia de metal, prin intermediul zgurii, a unor elemente mai avide de oxigen decât fierul respectiv: Si, Mn, Al, Ca etc.

Operațiile de oxidare și dezoxidare formează împreună procesul de afinare a fontelor. Pentru corectarea compoziției chimice a oțelului, după afinare se realizează alierea, prin adăugarea de metale pure sau feroaliaje.

În principiu, procesele care au loc la elaborarea oțelului sunt aceleași la toate procedeele de elaborare. Ele diferă totuși de la agregat la agregat în funcție de specificul de funcționare al fiecăruia în parte. Elaborarea oțelului se face în convertizoare sau cuptoare electrice

Elaborarea oțelului în convertizor se bazează pe oxidarea carbonului și a elementelor însoțitoare din fonta lichidă cu ajutorul oxigenului. Primele convertizoare sunt cunoscute sub denumirea de convertizoarele Bessemer și Thomas. Oxigenul necesar procesului de oxidare era preluat din aerul insuflat în baia metalică printr-un sistem de canale practicate la partea inferioară a convertizorului. Astăzi se utilizează convertizorul cu oxigen care a fost pus în funcțiune la uzinele din [NUME_REDACTAT] de aceea este cunoscut sub denumirea de convertizorul LD. Apariția lor a fost impusă de limitele convertizoarelor clasice cu aer și de dificultățile insuflării pe la partea inferioară. Ea a fost însă condiționată de posibilitatea fabricării oxigenului la scară industrială. În cazul acestor convertizoare insuflarea cu oxigen tehnic 99,5% se face pe la partea superioară printr-o lance din cupru cu pereți dubli, protejată cu o teacă refractară și puternic răcită cu apă. Introducerea oxigenului mărește viteza de afinare, durata procesului reducându-se la 10 – 20 min. pentru o cantitate de fontă mult mai mare, permite mărirea capacității agregatelor, se evită infestarea cu azot și alte elemente din aer a oțelului, bilanțul termic în aceste convertizoare este pozitiv, temperatura băii metalice crește ceea ce permite utilizarea deșeurilor metalice solide în încărcătură. Frecvent încărcătura este formată din 60 – 80% fontă lichidă și 20 – 40% fier vechi, deșeuri de fontă și chiar oxizi de la laminare. Schema convertizorului cu oxigen LD este prezentată în figura 1.10.

Figura 1.10. Schema convertizorului cu oxigen LD

Mecanismul de basculare permite rotirea convertizorului la 360o cu lancea ridicată. Încărcarea se realizează cu convertizorul în poziție verticală mai întâi cu încărcătura solidă: fier vechi, fontă veche, oxizi de la laminare, fondanți etc. Toate aceste materiale trebuie să fie cale și de asemenea convertizorul trebuie să fie cald pentru e se evita în totalitate prezența apei. La temperatura fontei lichide apa poate disocia în O2 și H2 creându-se pericol de explozie și de împroșcare cu metal lichid. Apoi se adaugă fonta lichidă și se coboară lancea. Insuflarea oxigenului se face tot în poziție verticală. Desfășurarea reacțiilor de oxidare este violentă, jetul de oxigen pătrunde prin stratul de zgură de la suprafață exercitând o presiune mare asupra băii metalice. În urma reacției cu fierul se formează oxidul feros FeO care va interacționa și cu celelalte elemente însoțitoare. Se creează în zona jetului de oxigen un centru de reacție în care temperaturile ajung la 2500 – 2600oC. Variația mare de temperatură, presiunea oxigenului și degajarea monoxidului de carbon rezultat în urma oxidării carbonului conduc la o puternică agitație a băii metalice care asigură omogenizarea chimică și termică. Formarea monoxidului și a dioxidului de carbon asigură decantarea produselor de oxidare și a impurităților în zgură. În zona de insuflare se formează de asemenea o zgură puternic reactivă cu concentrație mare în FeO care asigură productivitate mare procesului. Creșterea suplimentară a productivității se poate realiza prin creșterea agitației mecanice a băii metalice cât și prin creșterea reactivității zgurii. În acest sens au fost concepute convertizoarele Kaldo și Rotor care sunt supuse unei mișcări de rotație și dispun de o instalație suplimentară de insuflare a oxigenului în atmosfera cuptorului care devine puternic oxidantă.

Oțelurile se împart în :

– oțeluri de uz general (oțeluri carbon) utilizate la obținerea majorității reperelor (ex. oțeluri pentru scule, oțeluri pentru țevi, oțeluri pentru arcuri, oțeluri rezistente la coroziune, oțeluri refractare etc.).

– oțeluri aliate cu Ni, Cr, Si, Co, W, Mn, Ti, Va, Al, Cu, pentru îmbunătățirea proprietăților mecanice, fizice și chimice. Sunt utilizate pentru obținerea unor piese cu rezistență mare la uzură, oxidare, și temperaturi ridicate.

Oțelurile inoxidabile sunt utilizate pe scară largă în construcția subansamblurilor de la utilajele tehnologice. Sunt foarte rezistente la coroziune, nu catalizează distrugerea vitaminelor și a altor substanțe nutritive, nu imprimă gust metalic produselor și nu le modifică culoarea. În componența acestora intră: cupru, nichel, crom, mangan, molibden, vanadiu.

Pentru îmbunătățirea proprietăților pieselor din oțel, acestea pot fi supuse unor tratamente termice și termochimice. Tratamentele termice aplicate pieselor din oțel sunt următoarele: călirea, revenirea, recoacerea.

Călirea este tratamentul termic aplicat pieselor din oțel pentru mărirea rezistenței și a durității. Tratamentul constă în încălzirea pieselor la o temperatură de 800 – 8500C, urmată de o răcire bruscă în apă, ulei sau soluție de săruri.

Revenirea este tratamentul termic aplicat pieselor din oțel după ce au fost călite, pentru înlăturarea tensiunilor interioare și micșorarea fragilității. Tratamentul constă în încălzirea pieselor la temperaturi de 300 – 3500C, urmată de o răcire lentă în aer.

Recoacerea este tratamentul termic aplicat pieselor din oțel turnate, laminate sau forjate pentru anularea tensiunilor interioare în vederea executării altor prelucrări. Tratamentul constă în încălzirea pieselor la temperaturi de 800 – 9000C urmată de o răcire lentă.

Tratamentele termochimice aplicate pieselor din oțel sunt următoarele: cementarea, nitrurarea, cromizarea, aluminizarea etc. Aceste tratamente se execută pentru mărirea durității și rezistenței la uzură, coroziune. Tratamentele constau în modificarea compoziției chimice a straturilor superficiale ale pieselor din oțel. Piesele se încălzesc la temperaturi de 900 – 10000C în medii bogate în carbon, azot, sau alte substanțe. Grosimea stratului îmbogățit va fi în funcție de durata de încălzire.

1.3.2. Materiale metalice neferoase

În construcția și exploatarea utilajelor tehnologice sunt utilizate materiale metalice neferoase reprezentate prin metale neferoase (cuprul, staniul, zincul, aluminiul, plumbul etc.) și aliaje neferoase (bronzul, alama, duraluminiul, aliajul antifricțiune).

Cuprul (Cu) sau arama este un metal neferos de culoare roșiatică, maleabil, ductil, cu o foarte bună conductibilitate electrică și termică și rezistent la coroziune. Este utilizat pentru confecționarea conductorilor electrici, conductelor, garniturilor etc. și ca element de aliere în obținerea bronzurilor, alamei și duraluminiului.

Staniul (Sn) este un metal neferos de culoare alb – argintie, maleabil, ductil și rezistent la coroziune. Se folosește la cositorirea tablelor din oțel, material de aport pentru lipirea moale și ca element de aliere pentru obținerea bronzului și aliajului antifricțiune. Este considerat un metal netoxic, de aceea este utilizat la obținerea unor ambalaje pentru produsele alimentare.

Zincul (Zn) este un metal neferos de culoare alb – albăstruie, maleabil în intervalul de temperatură de 100 – 1500 C, cu rezistență mare la coroziune. Este utilizat pentru acoperiri galvanice ale tablelor din oțel (tablă zincată) și ca element de aliere în obținerea alamei.

Aluminiul (Al) este un metal neferos de culoare argintie, cu o foarte bună conductibilitate termică și electrică, greutate specifică mică, rezistent la solicitări mecanice și la oxidare. Este utilizat pentru confecționarea conductorilor electrici, conductelor, pieselor turnate etc. Are rezistență mare la coroziune, nu modifică gustul și culoarea produselor. Este folosit de asemenea în confecționarea ambalajelor sub formă de folie de aluminiu sau tablă din aluminiu.

Plumbul este un metal neferos de culoare cenușiu – albăstruie, maleabil și rezistent la coroziune. Este folosit la confecționarea conductelor, fabricarea plăcilor pentru acumulatorii electrici și la obținerea aliajelor antifricțiune.

Bronzul este un aliaj neferos de culoare alb – roșcat, obținut din Cu și Sn. Este folosit la realizarea lagărelor cu frecare de alunecare (cuzineți, bucșe) iar prin alierea cuprului cu Al, Zn, Pb, Ni, rezultă bronzurile speciale.

Alama este un aliaj neferos de culoare roșie – gălbuie, obținut din Cu și Zn. Este utilizată la confecționarea conductelor, recipientelor, robinetelor și ca material de aport la lipirea tare (alămire).

Duraluminiul este un aliaj neferos obținut din Al și Cu, cu o mare rezistență mecanică, folosit la realizarea blocurilor motoare, chiulase, pistoane.

Aliajul antifricțiune se obține prin alierea unor metale neferoase precum Sn, Pb, Zn, Sb. Cele mai utilizate aliaje antifricțiune sunt cele pe bază de Sn și Pb, din care se obțin lagărele.

1.3.3. Materiale nemetalice

În construcția de utilaje tehnologice se folosesc următoarele materiale nemetalice: lemnul, sticla, pielea tehnică, cauciucul, fibrele textile, masele plastice, hârtia și cartonul, materiale ceramice, ferodoul, clingheritul, ebonita, lacurile și vopselele etc.

Lemnul se utilizează la confecționarea ambalajelor (lădițe, butoaie, lăzi, dopuri), platformelor, a unor piese de la utilajele tehnologice și combustibil pentru foc. Este un material higroscopic, supus putrezirii și arderii, cu masă specifică mică, se prelucrează ușor și rezistă bine la șocuri.

Sticla este o topitură de silicați răcită brusc. Se utilizează pentru obținerea de geamuri, recipiente, lămpi, faruri etc. Este un material transparent, fără conductibilitate termică și electrică.

Pielea tehnică obținută din pielea animalelor (în general de bovine), prelucrată prin tăbăcire. Se utilizează pentru confecționarea curelelor de transmisie, garniturilor de etanșare, membranelor etc.

Cauciucul natural sau sintetic este folosit la confecționarea anvelopelor, benzilor transportoare, curelelor de transmisie, învelișurilor pentru cablurile electrice, garniturilor etc. Este caracterizat prin elasticitate, rezistență bună la rupere și nu este higroscopic.

Fibrele textile sunt utilizate pentru confecționarea elementelor de filtrare, curelelor de transmisie, benzilor transportoare, garniturilor de etanșare. Ele pot fi de origine vegetală (bumbac, cânepă), de origine animală (păr, lână) și de origine minerală (azbest).

Masele plastice sunt utilizate pentru obținerea unei mari diversități de organe de mașini. Din mase plastice se realizează ambalaje (folii contractabile, pungi, pahare etc.), roți dințate, tuburi flexibile, flanșe, robinete, izolatori electrici. Materialele plastice sunt reprezentate prin policlorura de vinil, polietilena, polistirenul, bachelita, textolitul etc. Pentru a fi acceptate în sectorul alimentar, materialele plastice trebuie să respecte două condiții de bază :

– să nu cedeze constituenți în cantități care să primejduiască sănătatea;

– substanțele cedate să nu determine modificarea compoziției sau a proprietăților organoleptice ale produselor alimentare.

Hârtia și cartonul sunt utilizate la obținerea de garnituri, elemente de filtrare etc. Sunt obținute din celuloză prin prelucrarea materialelor vegetale.

Clingheritul este un amestec de azbest (70 %) și cauciuc (30 %), fiind utilizat la realizarea garniturilor de etanșare.

Ebonita este obținută prin amestecul cauciucului brut cu plastifiante și sulf. Este un material electroizolant, utilizat pentru confecționarea unor carcase electroizolante, piese turnate, tuburi, bare, roți dințate etc.

Lacurile și vopselele sunt folosite pentru acoperirea suprafețelor din metal și lemn pentru a le proteja de acțiunea corozivă a agenților fizici și chimici.

1.3.4. Materiale compozite

Materiale compozite sunt materiale cu proprietăți anizotrope, formate din mai multe componente, a căror organizare și elaborare permite evidențierea celor mai bune caracteristici ale componentelor, astfel încât acestea să aibă proprietăți finale superioare componentelor din care sunt alcătuite. Ele sunt sisteme de corpuri solide, deformabile, combinații la scară macroscopică a mai multor tipuri de materiale.

Din considerente economice, funcționale sau de limitare a consumurilor materiale (de obicei deficitare), există tendința de înlocuire a materialelor tradiționale (metale și aliaje) cu materiale metalo-ceramice sau nemetalice. În ultimii ani au fost produse și folosite astfel de materiale în industria constructoare de mașini, utilaje și aparate, realizând reducerea greutății acestora, creșterea rezistentei la acțiunea unor agenți chimici, proiecția suprafețelor, mărirea rezistenței mecanice etc.

Valorificarea integrală a proprietăților de rezistentă potențială a materialelor folosite este o cale importantă de reducere a costului produsului proiectat. Din acest punct de vedere proiectarea oricăror straturi de rezistentă, alcătuite din materiale compozite are o componentă suplimentară față de proiectarea unor repere din materiale tradiționale și anume aceea de proiectare a microstructurii materialului în conformitate cu cerințele, proiectare care impune constrângeri procesului de fabricație. Materialul ales, forma piesei, caracteristicile impuse, intervin direct în procesul de fabricație și tehnologia potrivită nu poate fi aleasă înaintea alegerii materialului, ca în proiectarea tradițională.

Caracterizarea comportării materialului compozit la solicitări mecanice în regim static sau dinamic, la solicitări termice și de durată, este bazată pe date experimentale. Acestea s-au realizat pe baza cererii mari de materiale înalt performante din domeniul aerospațial, utilitar și industrial și a stimulat evoluția componentelor fabricate din materiale compozite.

Materiale compozite sunt materiale noi cu proprietăți superioare, sau îmbinări de diferite proprietăți, care inițial s-au utilizat în tehnologiile de vârf, dar azi domeniile de utilizare s-au extins.

Ele sunt materiale compuse, alcătuite în general dintr-o matrice (bază) și o armă tură constituită din fire, fibre sau pulberi și dispusă în matrice într-un anumit mod și în anumite proporții.

Armătura are o rezistentă mare și formează elementul principal de preluare a sarcinii, iar matricea este elementul de legă tură și stabilitate pentru elementele de armare. În acest fel materialele compozite îmbină proprietățile materialelor componente, într-un alt tip de material cu proprietăți programabile.

Materialele fabricate la ora actuală sunt din generația a treia, compozite avansate (advanced composites) și se utilizează în construcții aerospațiale, tehnică militară, precum și datorită scăderii costurilor, în industria aviatică, a automobilelor și chiar a bunurilor de consum.

În funcție de materialul de bază, aceste materiale s-au diversificat în 3 direcții principale:

materiale compozite organice (polimerice);

materiale compozite cu matrice metalică;

materiale compozite ceramice.

Elementele de armare sunt de natură diversă și anume:

a) fire sau fibre lungi sau scurte (wiskers), cele mai folosite fiind:

firele metalice din oțeluri inoxidabile, wolfram, molibden, titan, bor etc.;

fibre de sticlă ;

fibre carbon;

fibre polimerice (poliamidice);

fibre de bor, Al, bazalt, și C, azbest etc.

b) pulberi sau particule diferite: oxizi de Al sau zirconiu, carburi de Si, Ti, nitruri de Si, Al.

În general materialele compozite se clasifică în funcție de preponderenta materialului folosit ca armătură sau ca matrice.

Principalele proprietăți ale materialelor compozite utilizate sunt proprietățile fizice, mecanice chimice, electrice, magnetice, optice, estetice și de prelucrabilitate. În funcție de aceste proprietăți, dar și în raport de domeniul de utilizare, se stabilesc procedeele de extracție și de prelucrare, utilajele, aparatura de măsură și control, precum și categoriile de specialiști care să conceapă, să execute și să controleze complexul procesul de elaborare și utilizare a materialelor.

Dintre avantajele acestora prezentăm următoarele:

masă volumică mică în raport cu metalele (compozitele din rășini epoxidice armate cu fibră de Si, B și C au masă volumică sub 2g/cm3);

rezistentă la tracțiune sporită (compozitul numit Kevlar are rezistență la tracțiune de două ori mai mare a sticlei);

coeficientul de dilatare foarte mic în raport cu metalele;

rezistență la șoc și abrazivi ridicată (Kevlarul);

durabilitate mare în funcționare (în aceleași condiții de funcționare 1 kg de Kevlar înlocuiesc 5 kg de oțel la o durată egală de funcționare);

capacitate ridicată de amortizare a vibrațiilor (de trei ori mai mare decât cea a aluminiului);

siguranță mare în funcționare (ruperea unei fibre dintr-o piesă de compozit nu constituie amorsă de rupere pentru piesă);

consum energetic scăzut și instalații mai puțin costisitoare în procesul de obținere în raport cu metalele; pentru obținerea polietilenei se consumă 23 kcal/cm3, în timp ce pentru oțel se consumă 158 kcal/cm3;

rezistență practic nelimitată la acțiunea proceselor determinate de agenții atmosferici (oxidare, coroziune, mucegai);

stabilitate chimică și rezistență mare la temperaturi ridicate (fibrele de kevlar, teflon până la 5000C iar fibrele ceramice de tip SiC, Si3N și Al2O3 între 14000C și 20000C).

1.3.5. Combustibili și lubrifianți utilizați în exploatarea utilajelor

Combustibilii principali, folosiți în exploatarea utilajelor se clasifică în :

combustibili clasici – benzina și motorina și petrolul;

combustibili neconvenționali – metanolul, etanolul și uleiul de rapiță.

Benzina este un combustibil folosit la motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie (MAS). Proprietățile principale ale benzinei sunt : neutralitatea (proprietatea de a fi neutră din punct de vedere chimic), stabilitatea chimică (de a nu-și modifica structura chimică), volatilitatea și antidetonanța (arderea combustibilului la o viteză normală de 15 – 20 m/s).

Caracteristica principală a benzinei este reprezentată de cifra octanică care arată tendința benzinei de a nu produce fenomenul de detonație (o viteză de propagare a flăcării de 1500 – 2000 m/s). Cifra octanică a benzinei (CO), se determină prin compararea probei de benzină date, cu un amestec etalon format din izooctan (care are tendință mică de detonație) și heptan (care are tendință mare de detonație). Procentul de izooctan din amestecul etalon care se comportă la fel ca benzina dată reprezintă cifra octanică a combustibilului. Proprietățile antidetonante ale benzinei pot fi îmbunătățite prin adăugarea unor substanțe denumite aditivi (alcooli).

Motorina este un combustibil folosit la motoarele cu ardere internă cu aprindere prin compresie (MAC). Principalele proprietăți ale acestui combustibil sunt următoarele: neutralitatea, stabilitatea chimică, pulverizare bună, temperatură de fierbere ridicată și capacitatea de se autoaprinde (autoaprinderea motorinei datorită temperaturii și presiunii ridicate din interiorul cilindrului). Caracteristicile motorinei sunt reprezentate prin cifra cetanică și temperatura punctului de congelare.

Cifra cetanică (CC) arată tendința motorinei de a se autoaprinde. Se determină prin compararea motorinei date cu un amestec etalon format din cetan (care se autoaprinde ușor) și alfametilnaftalenul (care se autoaprinde greu). Procentul de cetan din amestecul etalon care se comportă ca motorina dată reprezintă cifra cetanică a combustibilului.

A doua caracteristică a motorinei este reprezentată de temperatura punctului de congelare (temperatura la care combustibilul trece din starea fluidă în starea semifluidă).

Metanolul este un combustibil folosit la motoarele cu ardere internă cu aprindere prin scânteie, ca înlocuitor pentru benzină. El se obține din substanțe uscate (lemn, cărbune), din gaze naturale și din petrol.

Etanolul este un combustibil folosit ca înlocuitor pentru benzină pentru motoarele termice cu ardere internă cu aprindere prin scânteie. Se obține prin distilarea unor produse (napi, cartofi, legume, fructe, trestie de zahăr etc.).

Uleiul de rapiță este un combustibil vegetal utilizat la motoarele termice cu ardere internă cu aprindere prin comprimare putând fi folosit atât sub formă de ulei brut (obținut prin presare la rece) sau sub formă de ulei rafinat și esterizat (metil-ester).

Lubrifianții sunt substanțe lichide sau solide folosite pentru micșorarea frecării dintre piesele subansamblurilor mobile și pentru reducerea uzurii acestora. După starea de agregare lubrifianții se clasifică în lubrifianți lichizi (uleiuri) și solizi (vaseline sau unsori consistente).

Uleiurile se clasifică după origine în uleiuri minerale, uleiuri sintetice și uleiuri vegetale. După destinație uleiurile se clasifică în uleiuri de motor, uleiuri de transmisii și uleiuri pentru instalații hidraulice.

Principalele proprietăți ale uleiurilor sunt următoarele: vâscozitatea (proprietatea uleiului de a se opune curgerii), onctuozitatea (proprietatea uleiului de a adera la suprafețele metalice ale pieselor și de a forma o peliculă rezistentă la presiunea de contact), stabilitatea chimică (proprietatea uleiului de a nu-și schimba compoziția chimică), rezistența la oxidare (proprietatea uleiului de a nu se oxida în timpul funcționării motorului), punctul de inflamabilitate (este temperatura la care uleiul începe să ardă).

Uleiurile de motor au vâscozitatea cuprinsă între 0-50 grade Engler și au indicativul M. Sunt utilizate de regulă uleiurile multigrad în condiții diferite de temperatură a mediului ambiant.

Uleiurile de transmisie sunt utilizate pentru ungerea transmisiilor (cutii de viteze, multiplicatoare de turație, reductoare planetare etc.) și au indicativul T. Sunt rezistente la presiuni de contact ridicate și au vâscozitate mai ridicată decât cele de motor (vâscozitatea de la 75 la 90).

Uleiurile hidraulice utilizate în instalațiile hidraulice ale utilajelor sunt caracterizate prin vâscozitate scăzută (20, 40) și rezistență la temperaturi și presiuni ridicate.

Vaselinele (unsorile consistente) reprezintă suspensii coloidale ale acizilor grași în uleiuri minerale. Caracteristica principală ale acestor vaseline este reprezentată prin temperatura punctului de picurare care arată temperatura la care aceste substanțe trec din starea solidă în starea lichidă.

1.4. Fabricarea pieselor utilizate în construcția utilajelor

1.4.1. Fabricarea pieselor prin turnare

Importanța procesului tehnologic de turnare este pusă în evidență prin faptul că în ansamblul unei mașini piesele turnate reprezintă 60 – 90% din masa produselor finite și circa 20 – 25% din valoarea acestora. Aceste procente pun în evidență pe de o parte ponderea mare a tehnologiilor de turnare în procesele de fabricație, iar pe de altă parte costul redus al acestor tehnologii.

Obținerea pieselor metalice prin turnare prezintă următoarele avantaje:

se pot obține piese cu orice configurație;

se pot obține piese cu orice masă și orice dimensiuni (de la ordinul miligramelor până la ordinul sutelor de tone);

cantitatea de șpan rezultat la prelucrarea prin așchiere a pieselor turnate este în general mai mică decât la prelucrarea pieselor obținute prin alte procedee;

se poate aplica în condiții economice la orice serie de fabricație;

costul de fabricație al pieselor turnate este mai scăzut decât al pieselor obținute prin alte procedee de prelucrare.

Obținerea pieselor prin turnare implică și unele dezavantaje dintre care cele mai semnificative sunt următoarele:

rezistența mecanică a pieselor turnate este mai scăzută comparativ cu aceea a pieselor obținute prin deformare plastică;

rugozitatea suprafețelor pieselor turnate este în general mai mare decât în cazul semifabricatelor obținute prin alte tehnologii;

precizia dimensională a pieselor turnate este în general mai scăzută decât a pieselor obținute prin alte procedee;

tehnologiile de turnare sunt mai poluante și determină condiții de microclimat grele la locul de muncă, având impact ecologic negativ asupra zonei de amplasare a turnătoriilor.

Un rol important în realizarea tehnologiilor de turnare îl are utilajul tehnologic utilizat în procesul de formare și turnare. Prin utilaj tehnologic în cazul tehnologiilor de turnare se înțelege complexul de dispozitive tehnologice și verificatoare (modele, cutii de miez, rame de formare, verificatoare) cu ajutorul cărora se obțin și se asamblează formele în vederea turnării.

Obținerea pieselor metalice prin turnare cuprinde următoarele procese tehnologice:

realizarea unei forme refractare care să conțină o cavitate având geometria piesei care trebuie obținută (formare);

topirea și obținerea compoziției chimice a aliajului din care se toarnă piesa (topire sau elaborare);

umplerea formei cu aliaj lichid (turnare);

solidificarea, răcirea și extragerea piesei din formă (dezbatere);

ajustarea și finisarea geometriei, a rugozității și a structurii piesei turnate (curățire).

Cele mai uzuale clasificări ale proceselor de turnare a pieselor metalice au la bază criterii tehnologice. Aceste clasificări se regăsesc de multe ori în denumirea uzuală proceselor de turnare. Datorită variantelor multiple de obținere a formelor, a dispozitivelor de formare, cât și a procesului de umplere a formelor cu aliaj lichid este dificil de realizat o clasificare unitară generală, care să includă toate procedeele de turnare întâlnite în practică. De multe ori același procedeu poate fi inclus în mai multe categorii dacă se au în vedere criterii tehnologice diferite.

Clasificarea după tipul formelor de turnare :

1. turnare în forme pierdute. Formele pierdute sunt forme care se utilizează la o singură turnare. Ele sunt realizate din materiale refractare granulare, plastice sau fluide, compactate prin diverse procedee fizico-chimice. Materiale utilizate la execuția formelor pierdute se numesc materiale de formare sau amestecuri de formare. După solidificarea și răcirea pieselor, formele se distrug în vederea extragerii pieselor din formă. Operația este numită dezbatere. În unele cazuri materialele de formare rezultate din dezbaterea formei se reutilizează în procesul de formare pentru executarea altor forme. Formele pierdute se execută cu ajutorul unor dispozitive numite modele și cutii de miez. Aceste dispozitive au rolul de a realiza cavitățile din formă destinate umplerii cu aliaj lichid.

2. turnare în forme permanente. Formele permanente se utilizează la turnări repetate fără recondiționări. Ele sunt realizate din aliaje metalice (fonta cenușie sau fonta aliata) și se numesc matrițe sau cochile.

3. turnare în forme semipermanente. Formele semipermanente (mixte) sunt realizate dintr-un suport permanent (confecționat din aliaje metalice, cărămizi, beton, etc.) si o parte pierdută care se reface la fiecare turnare. Partea pierdută a formei constă într-un strat subțire de ordinul centimetrilor care constituie zona de contact cu aliajul turnat și care reproduce amprenta în care se toarnă piesa.

O altă clasificare tehnologică a procedeelor de turnare are drept criteriu modul de umplere a formelor cu aliaj lichid. Această clasificare se referă în special la procedeele de turnare în forme permanente deoarece acest tip de forme se pretează la diversificarea modalităților de umplere cu aliaj lichid. Procedeele de turnare în forme permanente se mai numesc și procedee speciale de turnare. Clasificarea procedeelor de turnare după modul de umplere a formelor cu aliaj lichid este prezentată în tabelul 1.1.

Tabelul 1.1.

Clasificarea procedeelor de turnare după modul de umplere a formei cu aliaj lichid.

1.4.2. Fabricarea pieselor prin deformare plastică

Deformarea plastică este procedeul de prelucrare realizat prin deformare permanentă a materialelor (aliajelor) în stare solidă (la cald sau la rece), cu scopul obținerii unor piese fără fisuri, având forma geometrică și dimensiuni corespunzătoare. Avantaje acestei metode sunt:

– proprietăți mecanice bune datorită unei structuri omogene cu grăunți fini, consum redus de material ;

– operații simple de prelucrare ;

– preț de cost redus față de așchiere.

Principalele procedee de prelucrare prin deformare plastica sunt : laminarea, tragerea, extrudarea, forjarea liberă și în matriță, ambutisarea etc.

Sunt supuse prelucrărilor prin deformare plastică aliajele Fe-C cu un conținut scăzut de carbon (sub 2,06%) respectiv oțelurile, majoritatea aliajelor neferoase. Nu se pot prelucra prin deformare plastică fonta, bronzul, aliajele Al cu Mg fiind fragile și casante. Deformarea plastică se realizează prin deplasarea relativă a atomilor metalului (aliajului) în poziții noi de echilibru, la distanțe mai mari decât distanțele dintre atomi în rețeaua cristalină respectivă. Întrucât la unele metale ca Pb, Al, Cu etc. această deplasare se realizează mai ușor, metalele respective fiind considerate cu o plasticitate bună, ele pot fi prelucrate prin deformare plastică la cald, întrucât prin încălzire crește mobilitatea atomilor metalului respectiv, scade forța de deformare necesară, fiind mai redus pericolul apariției fisurilor și a crăpăturilor. Ele apar în urma ruperii legăturilor atomice, atomii respectivi neavând posibilitatea deplasărilor necesare în procesul de deformare plastică.

Temperatura scăzută în timpul prelucrării prin deformare plastică provoacă și o stare specifică numită ecruisare care este rezultatul unei stări de tensiune datorită deformațiilor elastice acumulate producând o întărire respectiv o durificare nedorită a zonei respective.

Temperatura de încălzire a metalelor și aliajelor supuse prelucrării prin deformare plastică este determinată în funcție de natura metalului (aliajului), de felul prelucrării, de gradul de deformare etc.

Laminarea este procedeul tehnologic de deformare plastică bazat pe maleabilitatea materialelor la care semifabricatul încălzit este trecut prin spațiul dintre doi cilindri care se rotesc în sens invers având distanța între ei mai mică decât secțiunea semifabricatului (figura 1.11.).

Figura 1.11. Schema de principiu a laminării

Datorită sensului de mișcare al cilindrilor semifabricatului primește o mișcare de înaintare. În urma procesului de laminare secțiunea semifabricatului se micșorează (se reduce) iar lungimea lui se mărește (lungire).

Țevile laminate se obțin prin procedeul Mannesman și Pellegrino care constă în trecerea semifabricatului de oțel cu secțiune rotundă încălzită la temperatura de deformare plastică, prin spațiul dintre doi cilindri bitronconici care se rotesc în același sens și a căror axe formează între ele un unghi 2α = 8 … 10°. Aducerea la forma perfect rotundă a suprafeței interioare a țevii (calibrare) se realizează cu ajutorul unui dorn care se introduce în țeavă.

Laminarea bilelor de rulmenți se realizează din bară cu secțiune rotundă încălzită și introdusă între cilindrii de laminare având suprafața prevăzută cu calibre elicoidale. Bila se formează la o singură parcurgere completă a cilindrilor fiind antrenată către ieșirea dintre cilindrii datorită profilului elicoidal al calibrelor acestora. Fazele procesului tehnologic de laminare a bilelor de rulmenți sunt: formarea bilei; calibrarea bilei; tăierea punților de legătură cu bila următoare și evacuarea bilei dintre cilindrii.

Forjarea liberă se aplică fie în scopul îmbunătățirii proprietăților mecanice ale metalelor și aliajelor turnate, fie pentru obținerea din lingouri sau semifabricate a unor piese de configurații și dimensiuni date. Procedeele de forjare liberă sunt foarte variate, dar ele nu reprezintă decât combinarea a câtorva operații simple, numite operații de bază. Acestea sunt: refularea, întinderea, găurirea, îndoirea, răsucirea și sudarea.

Refularea este operația de forjare liberă prin care se realizează mărirea dimensiunilor transversale ale semifabricatului pe seama micșorării lungimii sau înălțimii inițiale a acestuia.

Întinderea este operația prin care se mărește lungimea inițială a semifabricatului și se micșorează secțiunea transversală.

În comparație cu forjarea liberă, forjarea în matriță (matrițarea) prezintă următoarele avantaje : productivitate ridicată, calitate a suprafeței bună, precizie dimensională ridicată, permite obținerea unor piese de complexitate mare, consum redus de material, fapt ce a permis ca în ultimul timp procentul de piese executate prin matrițare să crească. Ea prezintă însă și dezavantaje: masă limitată a pieselor care se pot matrița (0,01 … 2000kg), costul ridicat al matrițelor, necesitatea dotării atelierului de forjă cu utilaje specializate etc.

Figura 1.12. Schema

procesului de matrițare

1 – semifabricat brut,

2 – semi-matrița inferioară,

3 – semi-matrița superioară,

4 – piesa matrițată brută,

5 – bavură,

6 – piesa matrițată finită,

S-S – planul de separație.

Matrițarea are loc în cavitatea unei scule, numită matriță, alcătuită de obicei, din două părți denumite semi-matrițe. În figura 1.12. este reprezentată schema procesului de matrițare. Semifabricatul brut 1, debitat la dimensiunile necesare, încălzit la temperatura optimă de deformare (cazul matrițării la cald) și apoi așezat în locașul de deformare din semi-matrița inferioară 2, este lovit sau apăsat cu o forță mereu crescândă P, sub acțiunea căreia metalul se deformează, până la umplerea locașului matriței. Semi-matrița superioară 3 se fixează pe berbecul ciocanului cu ajutorul unei asamblări în coadă de rândunică și al unor pene, iar semi-matrița inferioară 2 se fixează în șabota ciocanului. În final rezultă piesa matrițată brută 4, prevăzută cu o bavură 5, în planul de separație S-S, care se îndepărtează într-o operație ulterioară, rezultând piesa matrițată finită 6.

Ambutisarea constă în modificarea formei unui semifabricat, de la forma plană la cea cavă sau în mărirea adâncimii unui semifabricat, cu sau fără modificarea grosimii pereților. Semifabricatului plan inițial pentru ambutisare se obține, de obicei, prin decupare.

În figura 1.13. a, este prezentată schema ambutisării unui corp cilindric dintr-un semifabricat plan. Deformarea materialului semifabricatului 1 se realizează prin trecerea lui forțată printr-o matriță 3, sub acțiunea unui poanson 2. Pentru ca semifabricatul să nu fie tăiat, atât poansonul cât și matrița sunt prevăzute cu raze de racordare rp, respectiv rm. Semifabricatul inițial este un disc. Întrucât pentru formarea unui cilindru înfundat la unul din capete este necesar mai puțin material decât cel existent în disc (figura 1.13. b) surplusul de material (elementele a) tinde să provoace încrețirea marginilor piesei ambutisate (figura 1.13. c). La ambutisarea materialelor groase aceste cute sunt netezite în jocul dintre poanson și matriță, în timp ce la semifabricatele subțiri (ambutisarea adâncă) împiedicarea formării lor se face cu ajutorul unui inel de reținere care apasă asupra materialului în tot timpul deformării.

Figura 1.13. Schema ambutisării:

1 – semifabricat, 2 – poanson, 3 – matriță, S – grosimea semifabricatului, J – jocul dintre poanson și matriță, P – forța de ambutisare, rp, rm – raze de racordare,

d – diametrul piesei ambutisate cilindric, D – diametrul semifabricatului plan (disc).

Ștanțele sunt scule folosite la prelucrarea tablelor subțiri și anume pentru operațiile de tăiere, denumirea lor se completează cu numele operațiilor respective, ca de exemplu: ștanțe pentru decupat, ștanțe pentru perforat, ștanțe pentru retezat etc.

Tragerea este procedeul de prelucrare prin deformare plastică care constă în trecerea forțată a materialului, prin deschiderea unei matrițe a cărei secțiune este mai mică decât secțiunea inițială a materialului, sub acțiunea unei forțe de tracțiune. Semifabricatul inițial 1 este introdus în matrița 2, care se găsește în suportul 3 și este tras cu ajutorul forței de tracțiune F (figura 1.14.).

Figura 1.14. Schema tragerii materialelor

1 – semifabricatul inițial, 2 – matriță,

3 – suport, F – forța de tracțiune.

În urma tragerii se produce o reducere a secțiunii materialului, ΔS = A0 – A1 și o lungire Δ1 = l1 – l0. Indicele 0 și 1 se referă la dimensiunile inițiale și respectiv finale ale materialului. Tragerea se poate face la rece sau la cald. La tragere modificarea secțiunii semifabricatului se produce în principal sub acțiunea forțelor transversale (de compresiune) exercitate de pereții filierei. La început se deformează numai acei grăunți care au planele de alunecare în direcția forțelor exercitate de pereții matriței, iar pe măsură ce înaintează, întreaga masă a materialului se deformează plastic și ceilalți grăunți indiferent de orientarea planurilor de alunecare. Rămânerea în urmă a straturilor de la margine se datorează forțelor de frecare.

Extrudarea este procedeul tehnologic de deformare plastică care se realizează prin presarea forțată a semifabricatului (oțel, aliaje neferoase) în stare caldă printr-un spațiu cu o secțiune mai mică decât secțiunea sa inițială (figura 1.15.). Extrudarea se realizează de obicei într-o matriță cu ajutorul unui poanson.

Figura 1.15. Schema procesului de extrudare

1 – materialul semifabricatului, 2 – matriță,

3 – poanson, 4 – produs, 5 – direcția de avans.

1.4.3. Fabricarea pieselor prin așchiere

Prelucrările prin așchiere sunt cele mai utilizate în vederea realizării pieselor finite de precizie ridicată, datorită performanțelor tehnice și economice superioare pe care le oferă. Pentru realizarea unei prelucrări prin așchiere este necesar un sistem tehnologic de prelucrare prin așchiere a cărui structură generală este redată în figura 1.16.

Semifabricatul SF este elementul de pornire la realizarea unei piese prin așchiere. El se obține prin procedeele tehnologice primare de prelucrare la cald și poate fi un semifabricat de uz general, de exemplu o bară laminată (figura 1.17. a.), sau un semifabricat specific realizat prin turnare sau forjare (figura 1.17. b.). Indiferent de modul de obținere, semifabricatul SF prezintă față de piesa finală P un surplus de material, adausul de prelucrare AP, care trebuie îndepărtat în cadrul prelucrării prin așchiere.

Semifabricatele specifice sunt mai scumpe, dar având aproximativ forma piesei, prezintă un adaus de prelucrare mai redus, determinat prin calcule specifice, astfel încât costul prelucrărilor prin așchiere este mai mic decât în cazul semifabricatelor de uz general. Alegerea tipului de semifabricat se face pe baza unui studiu tehnico-economic, urmărind realizarea unui cost minim de obținere a piesei. Astfel, dacă piesa P trebuie realizată într-un număr redus de exemplare este avantajos să se utilizeze o bară laminată, iar în cazul producției de serie se justifică utilizarea unor semifabricate specifice.

Figura 1.16. Sistem de prelucrare prin așchiere

Dispozitivele de prindere DP – asigură poziționarea și fixarea semifabricatului pe mașina-unealtă în raport cu scula așchietoare și transmite acestuia, de la mașină, mișcările (viteza v sau turația n) precum și forța F sau momentul M necesare desfășurării prelucrării.

Scula așchietoare S – fixată pe mașina-unealtă – este elementul activ care prin deplasarea pe anumite traiectorii cu viteza w și forța Fa, realizează îndepărtarea adausului de prelucrare. În interacțiunea ei cu semifabricatul are loc generarea suprafeței piesei la forma și dimensiunile prescrise, dar apar și reacții negative din partea piesei care afectează scula prin fenomenele termice și de uzură care însoțesc procesul de așchiere.

Mașina-unealtă MU – este elementul cel mai complex și mai important din cadrul sistemului tehnologic de prelucrare prin așchiere, pe care se poziționează și fixează celelalte elemente. Prin puterea de care dispune ea asigură învingerea forțelor și a momentelor de așchiere, iar prin lanțuri cinematice specifice asigură cinematica necesară desfășurării prelucrării și generării suprafețelor.

Figura 1.17. Semifabricate

a – bară laminată, b – semifabricat turnat.

Coordonarea tuturor acțiunilor în cadrul sistemului tehnologic este realizată de un sistem de comandă, care poate fi un operator uman, sau un sistem de comandă automată.

Prelucrarea unei piese se poate realiza integral pe un singur sistem tehnologic sau pe mai multe sisteme. Totalitatea activităților efectuate asupra unui semifabricat în scopul realizării formei geometrice, a preciziei dimensionale și a rugozității suprafețelor unei anumite piese, reprezintă procesul tehnologic de prelucrare a piesei respective. Structura sa cuprinde: operații, faze, treceri, mânuiri și mișcări.

Operația reprezintă acea parte a procesului tehnologic care cuprinde totalitatea prelucrărilor efectuate asupra piesei pe o mașină-unealtă.

Faza reprezintă acea parte a operației care cuprinde totalitatea prelucrărilor efectuate asupra unei piese la o singură prindere a ei pe mașină și cu un anumit regim de așchiere.

Trecerea este o subdiviziune a fazei în care se îndepărtează un strat de material cu o anumită adâncime de așchiere.

Mânuirea reprezintă totalitatea mișcărilor executate de un operator uman sau de un robot în vederea realizării unei faze auxiliare, de deservire, cum ar fi: poziționarea și fixarea semifabricatului în dispozitivul de prindere, schimbarea sculei așchietoare, schimbarea regimului de așchiere, etc.

Mișcarea reprezintă acea parte a mânuirii prin care operatorul sau robotul efectuează o acțiune simplă de deplasare a unui organ de lucru, de comandă, de poziționare, etc., care poate fi măsurată în timp.

Mânuirile și mișcările prezintă importanță la normarea tehnică, în vederea stabilirii timpilor parțiali și a celui total necesar realizării unei faze, operații sau a unei piese.

Se cunosc mai multe procedee de prelucrare prin așchiere care se deosebesc între ele, în primul rând, prin scula așchietoare și prin cinematica procesului de așchiere.

Principalele procedee de prelucrare prin așchiere sunt: strunjirea, rabotarea, frezarea, burghierea, broșarea, rectificarea, etc. Pentru fiecare procedeu de prelucrare prin așchiere există un sistem tehnologic specific.

Strunjirea este prelucrarea prin așchiere executată cu cuțitul de strunjit, pe mașini-unelte denumite strunguri. Cinematica procesului de așchiere, pentru cazul strunjirii unei suprafețe cilindrice exterioare, este redată în figura 1.18.

Piesa P execută o mișcare de rotație în jurul axei proprii cu turația n, care determină la vârful sculei V, viteza principală de așchiere vz, calculată cu relația:

(1.5)

în care d [mm] este diametrul prelucrat, iar n [rot/min] este turația piesei.

Figura 1.18. Cinematica procesului de așchiere

Viteza principală de așchiere asigură desprinderea așchiei pentru o singură rotație a piesei; pentru continuitatea prelucrării este necesar ca scula S să execute o mișcare secundară, sau de avans, având viteza wl. Prin combinarea celor două mișcări rezultă o traiectorie spațială – o elice cilindrică – având pasul sl [mm/rot] denumit avans longitudinal. Între viteza de avans wl și avansul longitudinal sl există relația: wl = sl.n [mm/min].

Viteza de deplasare de-a lungul elicei reprezintă viteza de așchiere va și se obține prin compunerea vitezelor vz și wl. Prin poziționarea radială a sculei, în cadrul trecerii de așchiere se înlătură un strat de grosime t [mm] care reprezintă adâncimea de așchiere.

Strunjirea unei suprafețe cilindrice de revoluție este cel mai simplu exemplu de prelucrare prin strunjire. În cazul în care scula execută o mișcare de avans complexă, cu componente atât pe direcție longitudinală cât și pe cea transversală (perpendiculară pe axa piesei), se pot prelucra suprafețe mai complicate precum suprafețele conice, profilate sau chiar suprafețe poligonale.

Viteza principală de așchiere vz, avansul sl și adâncimea de așchiere t, reprezintă parametrii regimului de așchiere. Ei pot fi evidențiați, într-o formă specifică, la orice procedeu de prelucrare prin așchiere, așa cum se va proceda în continuare.

Rabotarea este prelucrarea prin așchiere realizată cu cuțitul de rabotat, pe mașinile de rabotat. Cinematica procesului de așchiere, pentru cazul prelucrării unei suprafețe plane, este redată în figura 1.19.

Figura 1.19. [NUME_REDACTAT] 1.20. [NUME_REDACTAT] S execută mișcarea principală de așchiere cu viteza vz , o mișcare rectilinie alternativă în plan orizontal realizată în două etape: o cursă de lucru, când scula se deplasează înainte realizând așchierea și o cursă de gol, când scula se deplasează înapoi, în poziția inițială. La sfârșitul cursei de întoarcere a sculei, piesa P execută mișcarea de avans transversal wt, o mișcare intermitentă (pas cu pas) sincronizată cu mișcarea principală, realizându-se astfel îndepărtarea succesivă a straturilor de material 1, 2, 3 … n. Mărimea pasului mișcării de avans reprezintă avansul transversal st [mm/c.d.] (c.d. – cursă dublă ).

O prelucrare asemănătoare cu rabotarea este mortezarea la care scula S, un cuțit de mortezat, se deplasează în mișcarea principală vz după o direcție verticală sau înclinată. Fiind orientată pe direcția mișcării, scula poate pătrunde în spatii interioare restrânse ale piesei pentru prelucrarea un prelucrarea unor suprafețe imposibil de realizat prin alte procedee (figura 1.20., prelucrarea unei caneluri interioare într-o gaură înfundată). Datorită cursei de întoarcere în gol, atât rabotarea cat și mortezarea au o productivitate mai scăzută decât prelucrările la care așchierea este continuă.

Frezarea este prelucrarea prin așchiere realizată cu o sculă de revoluție cu mai mulți dinți denumită freză, pe mașinile de frezat. Cinematica procesului de așchiere, pentru cazul prelucrării unei suprafețe plane cu o freză cilindrică, este prezentată în figura 1.21.

Figura 1.21. [NUME_REDACTAT] S execută mișcarea principală de așchiere, de rotație cu turația n, viteza principală de așchiere calculându-se cu relația:

(1.6)

în care Ds [mm] este diametrul exterior al sculei.

Piesa P execută mișcarea de avans longitudinal wl, dar din punctul de vedere al cinematicii prelucrării, se poate considera că mișcarea de avans este executată tot de sculă. Prin combinarea mișcării principale n cu cea de avans wl executată de sculă, traiectoria descrisă de vârful V al dintelui 1 este o cicloidă generată prin rostogolirea cercului de diametrul dr (rulantă R) pe baza B. Diametrul de rulare dr se poate calcula cu relația:

(1.7)

Deoarece wl << vz, rezultă dr << Ds, astfel încât traiectoria generată este o cicloidă alungită (curba 1). Dintele 2 va genera la rândul său cicloida alungită 2, decalată față de curba 1 cu avansul pe dinte sd [mm], ș.a.m.d. După o rotație completă a sculei, vârful V ajunge în V', deplasarea pe direcția de avans fiind egală cu avansul pe rotație sr [mm/rot].

Notând cu zs numărul de dinți ai sculei, se poate scrie sr = z.sd, iar între viteza de avans wl și cele două avansuri există relațiile:

wl = sr . n = zs . n . sd (1.8)

Avansul pe dinte sd este parametrul tehnologic care determină uniformitatea suprafeței prelucrate (rugozitatea).

Existând o mare diversitate de scule de frezat, prin frezare se pot prelucra o mulțime de tipuri de suprafețe simple sau complexe, cu o productivitate ridicată, frezarea fiind unul dintre cele mai răspândite procedee de prelucrare prin așchiere.

Burghierea este prelucrarea prin așchiere a unei găuri cu ajutorul burghiului, executată pe mașini-unelte de găurit, dar și pe alte tipuri de mașini-unelte (strunguri, freze).

Figura 1.22. Burghierea

S – burghiul, P – piesa de prelucrat.

Cinematica procesului de așchiere este prezentată în figura 1.22. Burghiul S execută mișcarea principală de așchiere, de rotație cu turația n. Datorită dispunerii la raze diferite a diferitelor puncte de pe tăișul principal VA, viteza principală de așchiere variază de la zero (în punctul V) la o valoare maximă (în punctul A) dată de relația:

(1.9)

a cărei valoare se și ia în considerare.

Simultan cu mișcarea principală, scula S execută și mișcarea de avans axial wa. Deplasarea axială a sculei corespunzătoare unei rotații reprezintă avansul axial sa [mm/rot], punctele V și A ajungând în V' și A'. Prin compunerea celor două mișcări, n și wa, punctele de pe tăiș descriu elice cilindrice specifice, având pasul sa și diametrul diferit. Deoarece scula are doi dinți așchietori decalați cu 180º, punctele celuilalt tăiș principal vor descrie elice cilindrice având același pas sa, dar deplasate axial față de primele cu avansul pe dinte sd = 0,5 . sa. Între mărimile wa, sa și sd se pot scrie relațiile:

wa = sa . n = zs . sd . n [mm/min] (1.10)

în care zs reprezintă numărul de dinți al sculei.

Parametrii regimului de așchiere la burghiere sunt așadar: vz max, sd și adâncimea de așchiere t = 0,5 . Ds. În cazul lărgirii unei găuri având diametrul inițial Di, adâncimea de așchiere se calculează cu relația:

(1.11)

Broșarea este prelucrarea prin așchiere executată pe mașinile de broșat cu o sculă specială denumită broșă. Cinematica procesului de așchiere este prezentată în figura 1.23., cu referire la cazul prelucrării unui canal de pană.

Figura 1.23. Broșarea

S – burghiul, P – piesa de prelucrat.

Broșa S este o sculă cu mai mulți dinți, grupați în dinți așchietori și dinți de calibrare. Dinții așchietori, dispuși în zona A – B, sunt supraînălțați succesiv unul față de celălalt cu supraînălțarea a [mm], care reprezintă de fapt avansul pe dinte. Dinții de calibrare, dispuși în zona B – C, au supraînălțarea nulă ei având doar rolul calibrării suprafeței prelucrate de dinții așchietori și constituind totodată o rezervă pentru dinții așchietori, pe măsura uzării și reascuțirii acestora. Broșa este poziționată și ghidată în timpul lucrului de către bucșa de ghidare BG, care se introduce în gaura inițială existentă în piesă. Prelucrarea prin broșare se realizează prin simpla tragere a broșei cu viteza principală de așchiere vz [m/min]. Productivitatea prelucrărilor prin broșare este foarte mare, dar costul ridicat al sculei recomandă procedeul doar pentru producția de serie mare. Adâncimea de așchiere t [mm] este dată de lățimea canalului prelucrat (și a broșei).

Rectificarea este o prelucrare de finisare prin așchiere executată cu corpuri abrazive, pe mașinile de rectificat. Cinematica prelucrării unei suprafețe cilindrice exterioare este prezentată în figura 1.24. Scula S, un corp abraziv alcătuit din granule abrazive legate de un liant, execută mișcarea principală de așchiere de rotație cu turația ns, viteza principală de așchiere vz calculându-se cu relația:

(1.12)

Piesa P se rotește cu turația np, care determină mișcarea de avans circular wc și asigură prelucrarea materialului pe circumferința piesei. Viteza de avans circular se determină cu relația:

(1.13)

La prelucrarea suprafețelor de lungime mai mare decât lățimea B a corpului abraziv, piesa execută și o mișcare rectilinie alternativă de avans longitudinal wl. Prin compunerea celor două mișcări de avans ale piesei rezultă o traiectorie elicoidală, pasul elicei fiind avansul longitudinal sl [mm/rot]. Pentru continuitatea prelucrării este necesar ca sl < B, în general având sl = (0,2 … 0,7).B.

La efectuarea unei treceri longitudinale se îndepărtează de pe piesă un strat de adâncime t. În scopul îndepărtării întregului adaus de prelucrare, la capetele cursei longitudinale wl, scula S execută o mișcare de avans radial wr [mm], pentru reglarea adâncimii de așchiere t. Mișcarea wr este așadar o mișcare pas cu pas (avansul radial sr) sincronizată cu mișcarea wl.

Figura 1.24. [NUME_REDACTAT] cele prezentate mai sus rezultă că pentru fiecare procedeu de prelucrare prin așchiere există mașini-unelte și scule specifice, care realizează performanțe maxime privind precizia și productivitatea prelucrării. Trebuie menționat însă că mașinile-unelte moderne, mai ales cele universale, prin echiparea lor cu dispozitive accesorii speciale permit realizarea de prelucrări și prin alte procedee decât cel de bază, reducând prin aceasta cheltuielile de investiții și costul produselor.

1.4.4. Alegerea materialului optim pentru confecționarea unei piese

Tendința de a alege materiale superioare cerințelor minime de rezistență și durabilitate ale piesei este inadecvată din punct de vedere economic și nu contribuie la creșterea performanțelor tehnice ale produsului în care este înglobată piesa respectivă.

O alegere optimă a unui material pentru o anumită destinație este o problemă deosebit de complexă care trebuie rezolvată de proiectant, în principiu, aceasta însemnând alegerea acelui material care îndeplinește cerințele minime de rezistență și durabilitate ale piesei în condițiile unui preț de cost minim și a unei fiabilități sporite.

Având în vedere diversitatea foarte mare de piese și produse, respectiv de materiale din care acestea pot fi confecționate, este practic aproape imposibil de a se stabili o metodă general valabilă și riguros științifică, care să permită optimizarea alegerii materialului. De obicei, se mizează pe experiența proiectantului și pentru o alegere rapidă a materialului se pleacă de la câteva date referitoare la: solicitările din timpul exploatării, condițiile de exploatare (temperatură, presiune, viteză, mediul de lucru), clasa de precizie din care face parte piesa și condițiile de execuție. Abordarea problemei în acest mod este neeconomică deoarece nu valorifică corespunzător toate caracteristicile materialului. De aceea, în continuare se va prezenta o metodă de alegere a materialului optim, numită metoda de analiză a valorilor optime. Această metodă are la bază valorificarea la maximum a întregului ansamblu de proprietăți funcționale, tehnologice și economice ale materialului în condițiile concrete de realizare a piesei proiectate. Metoda, ușor aplicabilă în condițiile actuale ale dezvoltării metodelor de calcul rapid și al existenței de softuri specializate, presupune rezolvarea următoarelor etape:

1 – stabilirea rolului funcțional al piesei, a tehnologicității construcției și a condițiilor economice de funcționare ale acesteia. Rolul funcțional al piesei este dat de rolul funcțional al fiecărei suprafețe. Clasificarea suprafețelor din punct de vedere al rolului lor funcțional este următoarea:

suprafețe de asamblare caracterizate prin:

– o anumită configurație geometrică;

– precizie dimensională ridicată;

– rugozitate mică;

– prescripții referitoare la forma geometrică;

– prescripții referitoare la poziția suprafeței în raport cu alte suprafețe;

– eventuale prescripții referitoare la duritatea suprafeței.

suprafețe funcționale caracterizate prin:

– precizie dimensională ridicată (depinde de rolul funcțional în ansamblul din care face parte);

– rugozitate mică (uneori este mare; depinde de rolul funcțional);

– prescripții referitoare la forma geometrică;

– prescripții referitoare la poziția suprafeței în raport cu alte suprafețe;

– eventuale prescripții referitoare la configurația geometrică;

– eventuale prescripții referitoare la proprietățile mecanice, aspectul suprafețelor.

suprafețe tehnologice – apar în timpul prelucrării și ajută la poziționarea piesei în vederea prelucrării. Ele pot rămâne după terminarea prelucrării sau pot dispărea, în funcție de configurația finală a piesei. Se caracterizează prin:

– precizie dimensională corespunzătoare (neprecizată, de cele mai multe ori, cote libere);

– rugozitatea suprafeței corespunzătoare cu procedeul tehnologic de realizare a suprafeței;

– fără prescripții sau eventuale prescripții referitoare la forma geometrică;

– eventuale prescripții referitoare la poziția suprafeței în raport cu suprafețele care urmează a fi prelucrate.

suprafețe auxiliare (de legătură) – fac legătura între suprafețele funcționale și cele de asamblare. Se caracterizează prin:

– precizie dimensională mică;

– rugozitatea suprafeței mare (cea care rezultă din procedeul de obținere al semifabricatului);

– fără prescripții referitoare la precizia de formă;

– fără prescripții referitoare la precizia de poziție.

Cunoscând aceste elemente referitoare la tipurile de suprafețe care delimitează o piesă în spațiu se poate stabili rolul funcțional al unei piese fără a cunoaște ansamblul din care face parte piesa sau se poate proiecta o piesă care să îndeplinească un anumit rol funcțional impus. Pentru a realiza acest lucru se utilizează metoda de analiză morfo-funcțională a suprafețelor. Această metodă presupune parcurgerea într-o succesiune logică a următoarelor etape:

descompunerea piesei în suprafețe cât mai simple (plane, cilindrice, conice, evolventice etc.);

notarea tuturor suprafețelor care delimitează piesa în spațiu, folosind sensul trigonometric sau o altă ordine. De exemplu se poate folosi notația S1…Si, luată în sens invers trigonometric.

analiza fiecărei suprafețe în parte din următoarele puncte de vedere: formă geometrică a suprafeței, dimensiuni de gabarit, precizie dimensională, precizie de formă, precizie de poziție, rugozitate și duritate.

întocmirea unui graf ''suprafețe – caracteristici'' având forma prezentată în tabelul 1.2.

Tabelul 1.2. Stabilirea parametrilor suprafețe – caracteristici

Cu informațiile din tabelul 1.2. se pot stabili tipul și rolul fiecărei suprafețe care delimitează piesa în spațiu.

2 – stabilirea factorilor analitici ai problemei alegerii materialului optim: se face luând în considerare întregul ansamblu de proprietăți funcționale (fizice, chimice, mecanice, electrice, magnetice, optice, nucleare și estetice), proprietăți tehnologice (turnabilitate, deformabilitate, așchiabilitate, sudabilitate și călibilitate) și proprietăți economice (preț de cost, consum de energie, combustibili convenționali, materie primă, poluare etc.);

3 – descompunerea factorilor analitici în elemente primare: se face ținând cont de condițiile rezultate din etapele 1 și 2, luându-se în considerare cel puțin proprietățile: conductibilitate termică, temperatură de topire, temperatură de vaporizare, vâscozitate, densitate, rezistență la coroziune, refractaritate, elasticitate, rigiditate, plasticitate, fragilitate, fluaj, tenacitate, rezistență la rupere, rezistență la curgere, rezistență la oboseală, conductivitate electrică, permeabilitate magnetică, diamagnetism, paramagnetism, opacitate, absorbție, rezistență la pătrundere a radiațiilor etc. Toți factorii primari sunt prezentați într-un graf materiale-proprietăți, de forma celui prezentat în tabelul 1.3.

4 – aprecierea cantitativă a factorilor analitici: se face folosind un anumit sistem de notare, în funcție de valoarea fiecărei proprietăți k, acordându-se o notă tk (se poate folosi sistemul de notare 1 … 3 sau 1 … 10 sau 1 … 100, în funcție de precizia care se dorește).

5 – stabilirea ponderii importanței fiecărui factor primar se face ținând cont de datele rezultate din etapele 1 și 3 acordând fiecărei proprietăți k o pondere dk. În stabilirea ponderii trebuie îndeplinită condiția:

(1.14)

în care m reprezintă numărul de factori primari. Stabilirea ponderii importanței factorilor este o problemă deosebit de dificilă, rezolvarea ei presupunând îmbinarea mai multor cunoștințe de specialitate, precum și rezolvarea corectă a etapei 1.

6 – alegerea soluției optime la momentul dat: se face aplicând criteriul

(1.15)

7 – analiza soluțiilor din punct de vedere al utilității lor și stabilirea condițiilor de înlocuire economică a unui material cu alt material: se face în situația în care, la momentul dat, materialul optim rezultat la etapa 6 nu se află la dispoziția executantului, sau în care se dorește proiectarea unui material, care să îndeplinească condițiile rezultate din etapele 1 … 5.

Tabelul 1.3. Stabilirea parametrilor materialelor – proprietăți

1.5. Organe de mașini și mecanisme utilizate în construcția utilajelor

1.5.1. Aspecte generale

Organul de mașină reprezintă partea componentă a unui utilaj sau mașină, cu rol funcțional bine definit și care stă la baza construcției de subansambluri.

Organele de mașini pot fi alcătuite dintr-o singură piesă sau dintr-o structură mai complexă formată din mai multe elemente simple. Organele de mașini sunt reprezentate în figura 1.25. și pot fi împărțite în următoarele grupe:

1. organe de mașini pentru asamblări

demontabile (șuruburi, pene, caneluri etc.);

nedemontabile (nituri, sudare, lipire);

elastice (arcuri).

organe de mașini pentru susținerea mișcării de rotație (lagăre, arbori, osii).

organe de mașini pentru transformarea mișcării (mecanismul bielă-manivelă, mecanismul cu camă, mecanismul cremalieră etc.).

organe de mașini pentru transmiterea mișcării de rotație (transmisii cu roți de fricțiune, transmisii cu curele, transmisii cu roți dințate, transmisii cu lanțuri).

organe de mașini pentru mecanismele de cuplare (cuplajele).

1.5.2. Organe de mașini pentru asamblări filetate – șuruburile

În cele mai multe dintre situații, îmbinarea filetată cuprinde: șurubul, piulița și elementul de asigurare împotriva desfacerii accidentale. Piulița poate lipsi atunci când înșurubarea se face direct în elementele asamblării.

Figura 1.25. Clasificarea organelor de mașini

Șurubul este format dintr-un cap de diferite forme (hexagonal, pătrat, eliptic, cilindric, tronconic, înecat) și o tijă cu o porțiune filetată.

Filetul șurubului este caracterizat printr-o serie de parametrii: pas, profil și adâncime.

Pasul filetului reprezintă distanța parcursă de un punct de pe filet, pe direcția generatoarei, la rotirea șurubului cu 3600.

Profilul filetului poate fi: dreptunghiular, pătrat, trapezoidal (pentru transmiterea mișcării) triunghiular (pentru șuruburile de fixare).

Șuruburile pot fi prevăzute cu filetul pe stânga sau pe dreapta, cu unul sau mai multe începuturi.

Piulițele pot avea și ele forme diferite: hexagonală, pătrată, crenelată, fluture etc. Ele prezintă un filet interior care trebuie să aibă aceleași valori ale parametrilor în vederea realizării unei îmbinări șurub-piuliță.

Pentru asigurarea împotriva desfacerii sunt utilizate diferite elemente reprezentate prin: piulița crenelată și cuiul spintecat, șaibele plate și elastice, contrapiulița etc.

1.5.3. Asamblări demontabile prin pene

Sunt organe de mașini utilizate pentru solidarizarea a doi arbori aflați unul în prelungirea celuilalt sau pentru asamblarea roților pe arbori. Asamblările prin pene se împart în două categorii:

pene transversale – se montează perpendicular pe axele elementelor îmbinate;

pene longitudinale – se montează paralel cu axul arborelui.

După modul în care transmit momentul de torsiune, penele se împart în:

pene paralele și pene disc – care transmit prin formă;

pene înclinate – care transmit prin frecare;

pene tangențiale – care transmit prin formă și prin frecare.

1.5.4. Asamblări demontabile prin caneluri

Canelurile sunt canale practicate pe arbore (pe direcția longitudinală) și în butucul roților și se folosesc pentru solidarizarea roților, tamburilor pe arbori. Se întâlnesc trei forme standardizate de caneluri (profiluri) :

profil dreptunghiular (au cea mai mare răspândire pentru asamblări fixe și mobile);

profil triunghiular (numai pentru asamblări fixe);

profil evolventic (corespunzător profilului dinților roților dințate).

1.5.5. Asamblări nedemontabile prin intermediul niturilor

Niturile sunt organe de mașini pentru asamblări nedemontabile (acele îmbinări la care pentru desfacere se distruge organul de îmbinare).

Un nit este format dintr-o tijă cilindrică care prezintă la extremitate un cap inițial, de forme diferite (semirotund, cilindric, semiînecat, tronconic, înecat etc.).

În urma operațiunii de nituire se formează cel de-al doilea cap denumit cap de închidere. Operațiunea de nituire se poate realiza prin suprapunerea pieselor care urmează a fi îmbinate sau prin dispunerea lor cap la cap cu ajutorul unor eclise.

După destinație, niturile se împart în trei categorii:

nituri de rezistență;

nituri de etanșare;

nituri de rezistență și etanșare.

1.5.6. Asamblarea nedemontabilă prin sudare

Sudarea reprezintă procedeul de îmbinare nedemontabilă cu sau fără material de aport, prin aducerea suprafețelor elementelor de îmbinat la starea de topire. Se întâlnesc mai multe procedee de sudură, respectiv sudura electrică, sudura oxiacetilenică, sudura cu plasmă, sudura prin presiune, sudura cu laser și sudura cu flux de electroni.

Sudura este folosită în construcțiile metalice, construcțiile de mașini și utilaje etc. Din punct de vedere al metodei folosite, îmbinările sudate se împart în:

îmbinări sudate prin dispunere cap la cap;

îmbinări sudate de colț;

îmbinări prin puncte.

Figura 1.26. Organe de mașini și mecanisme

a. asamblare demontabilă șurub – piuliță; b. organe de asamblare nedemontabilă – nituri;

c. asamblare nedemontabilă prin sudare; d. organe de mașini pentru asamblări demontabile – pene transversale și longitudinale; e. organe de mașini pentru asamblări elastice – arcuri;

f. asamblarea nedemontabilă prin lipire; g. transmisie cu roți de fricțiune; h. transmisie cu curea; i. transmisie cu roți dințate; j. mecanism patrulater articulat; k. mecanism bielă – manivelă; l. mecanism cu camă.

1.5.7. Asamblări nedemontabile prin lipire

Lipirea este un procedeu de asamblare nedemontabilă prin intermediul unui material de adaos, adus în stare topită și care difuzează în stratul de suprafață al elementelor îmbinate.

În funcție de materialul de adaos folosit, lipiturile se împart în două categorii:

lipirea moale (temperatura de topire de până la 4500C, și se folosesc aliaje pe bază de SnPb, SnPbAg);

lipirea tare (temperatura de topire este cuprinsă între 450 și 9000C și se folosesc aliaje CuZn, aliaje pe bază de Ag și Au sau Ni).

Ca metode de lipire, întâlnim:

metoda prin suprapunere;

metoda circulară.

1.5.8. Asamblarea elastică prin intermediul arcurilor

Arcurile sunt organe de mașini folosite pentru a realiza legături elastice între diferite părți ale mașinilor, utilajelor. Sunt confecționate din oțeluri speciale pentru arcuri sau din aliaje neferoase sau din cauciuc.

Din punct de vedere al destinației, domeniului de utilizare și tipul solicitării, arcurile se împart astfel:

arcuri pentru exercitarea unei forțe elastice permanente (ex. arcurile contactelor electrice);

arcuri de amortizare (suspensii, fundații);

arcuri pentru limitarea forțelor (supape de siguranțe);

arcuri pentru măsurarea forțelor (dinamometre);

arcuri pentru acumularea de energie (arcurile ceasurilor, întrerupătoarelor);

arcuri pentru reglarea forțelor (supape de reglare a presiunii).

Din punct de vedere constructiv se împart în: arcuri elicoidale, spirale, conice, lamelare, disc, bare de torsiune etc.

După solicitarea la care sunt supuse se împart:

arcul lamelar – solicitare la încovoiere;

arcul spiral – solicitare la torsiune;

arcul bară de torsiune – solicitare la încovoiere și răsucire;

arcul elicoidal – solicitare la compresiune, tracțiune, torsiune.

1.5.9. [NUME_REDACTAT] sunt organe de mașini utilizate pentru sprijinirea arborilor aflați în mișcare de rotație.

Clasificarea lagărelor se poate face după următoarele criterii:

După frecarea care apare între elementele componente se împart în:

lagăre cu frecare de alunecare;

lagăre cu frecare de rostogolire;

lagăre combinate.

După direcția solicitării din lagăr se împart :

lagăre radiale;

lagăre axiale;

lagăre radial-axiale.

Lagărele cu frecare de alunecare se împart în:

lagăre cu frecare uscată;

lagăre cu frecare fluidă (hidrodinamice, hidrostatice, combinate).

Figura 1.27. Tipuri de lagăre cu alunecare (a, b, c, d) și cu rulmenți (e, f, g, h)

a, e) – lagăr radial cilindric; b, f) – lagăr radial-axial; c, g) – lagăr axial cilindric;

d, h) – lagăr radial sferic.

Un lagăr cu frecare de alunecare este format din corp, capac, cuzinet sau bucșă, organe de asamblare și dispozitiv de ungere (orificiu de ungere). Între fusul arborelui și partea interioară a lagărului se dispune o peliculă de lubrifiant.

Lagărele cu frecare de rostogolire (rulmenți) se caracterizează prin faptul că frecarea dintre fus și lagăr se face prin intermediul corpurilor de rulare.

Un lagăr cu frecare de rostogolire este format dintr-un inel interior, inel exterior, corpurile de rulare și colivia. Corpurile de rulare pot avea formă sferică, cilindrică, tronconică, aciculară etc.

1.5.10. Arbori și osii

Arborii și osiile sunt organe de mașini ale mișcării de rotație. Spre deosebire de osii, arborii transmit momente de torsiune și cuplu de forțe.

Figura 1.28. Arbori de uz general (arbori drepți)

Arborii se clasifică după următoarele criterii:

după formă pot fi arbori drepți, arbori cotiți sau arbori flexibili.

După poziția lor pot fi arbori orizontali, arbori verticali sau arbori înclinați.

La un arbore distingem ca părți componente: fusurile (zonele pe care se sprijină arborele) și locașurile de calare (zonele arborelui pe care se montează alte organe de mașini).

Osiile sunt elemente de rezemare pentru alte organe de mașini aflate în mișcare de rotație. Osiile pot fi fixe sau mobile (se rotesc odată cu organele de mașini pe care le sprijină).

Figura 1.29. Reprezentarea schematica a osiilor

a) osii fixe; b) osii mobile.

1.5.11. [NUME_REDACTAT] sunt cupluri cinematice utilizate pentru transmiterea și transformarea mișcării.

Element cinematic (EC) este un corp natural care face parte dintr-un mecanism și are rolul de a transmite mișcarea și sarcina. EC pot fi :

EC fixe (ex. – carterul unui motor, statorul unei mașini electrice, batiul unei mașini);

EC mobile (ex. – arbori drepți, arbori cotiți, manivela, biela etc.);

EC rigide sunt elemente care nu se deformează sub acțiunea sarcinilor / forțelor (ex. de la punctul 1);

EC flexibile = care se deformează sub acțiunea sarcinilor (ex. – cureaua de transmisie, lanțurile de transmisie, cablurile de transmisie);

EC lichide (apa, uleiurile folosite de mașinile hidraulice);

EC gazoase (oxigen, azot, CO2 folosite de mașinile pneumatice).

Rangul unui EC care arată câte legături poate sa realizeze un EC se notează cu j. După rang, EC se clasifică în :

j≤2 – EC simple – j=1 (EC monare),

– j=2 (EC binare),

j≥2 – EC compuse – j=3 (EC ternare),

– j>3 (EC polinare).

Pe schemele cinematice ale mecanismelor EC se notează cu cifre arabe de la 0 la n. Cu cifra 0 se notează elementul cinematic fix (batiul).

Cupla cinematica (CC) este legătura dintre 2 sau mai multe EC.

Clasificarea CC se poate face după mai multe criterii :

a) constructiv: – CC închise, la care contactul dintre EC este permanent – figura 1.31.a.,

– CC deschise, la care contactul dintre EC se face datorită unei forțe

de greutate – figura 1.31. b. sau datorită unei forțe elastice – ex. la

mecanismul cu camă din figura 1.31.c.

b) cinematic : – CC plane, permit mișcarea EC în plan sau în plane paralele,

– CC spațiale, permit mișcarea EC în spațiu – ex: cupla sferică și

cupla elicoidală,

c) geometric : – CC inferioare, la care contactul dintre EC se face pe o suprafață

care poate fi plană, cilindrică, elicoidală, sferică,

– CC superioare, la care contactul dintre EC se face pe o linie sau

într-un punct – ex: la angrenarea a 2 roți dințate cu dinți drepți,

d) structural : – cuplele se împart în 5 clase. Clasa unei cuple este dată de numărul condițiilor de legătură (m) : m=6-L; L – numărul gradelor de libertate (plan – L=3; spațiu – L=6 – 3 rotații și 3 translații).

Exemple: cuplă de clasa 1: o sferă pe un plan;

cuplă de clasa 2: un cilindru pe un plan;

cuplă de clasa 3: cuplă sferică / un corp paralelipipedic pe un plan;

cuplă de clasa 4: un cilindru în alt cilindru;

cuplă de clasa 5: toate cuplele de translație și rotație sunt cuple de clasa 5.

Pe schema cinematică a unui mecanism, CC se notează cu litere mari de la A la Z.

Lanțul cinematic LC este o succesiune de EC legate între ele prin CC. Caracteristica fundamentală a unui LC este aceea că are toate EC mobile.

Clasificarea poate fi făcută :

a) constructiv – putem întâlni lanțuri simple, complexe, deschise, închise;

b) cinematic – LC plane, spațiale;

c) funcțional – LC determinate (desmodrom = drum legat), LC nedeterminate (nedesmodrom);

LC desmodrom este lanțul care pentru o poziție dată a EC conducător celelalte elemente ale lanțului ocupă poziții determinate (unice) – ex: lanțul patrulater articulat.

LC nedesmodrom este lanțul care pentru o poziție dată a EC conducător celelalte elemente ale lanțului pot ocupa o infinitate de poziții – ex: lanțul patrulater.

Desmodromia unui LC depinde de numărul EC, de numărul CC și de clasa lor.

Formula structurală a LC face legătura dintre e, m și ∑mCm și permite să determinăm numărul gradelor de libertate ale lanțului conform relației 1.14.

L=6e – ∑mCm, (1.16)

unde : e= n+1, numărul total de EC ale lanțului (cele fixe + mobile),

n – numărul de EC mobile,

1 – EC fix / batiul,

m = numărul condițiilor de legătură,

Cm = numărul cuplelor de la clasa 1 până la clasa 5.

În plan relația devine: L=3e–2C5–C4.

Principalele mecanisme utilizate la utilajele tehnologice sunt :

mecanismul bielă-manivelă – care transformă mișcarea rectilinie alternativă în mișcare de rotație sau invers;

mecanismul cu camă – transformă mișcarea de rotație în mișcare rectilinie alternativă;

mecanismul cu șurub și piuliță – transformă mișcarea de rotație în mișcare rectilinie alternativă;

mecanismul cu cremalieră – transformă și transmite mișcarea de rotație în mișcare rectilinie alternativă sau invers;

mecanismul cu excentric – transformă mișcarea de rotație în mișcare de translație.

Figura 1.30. Clasificarea elementelor cinematice după rang

Figura 1.31. Cuple cinematice

1.5.12. Organe de mașini pentru transmiterea mișcării de rotație

Aceste organe de mașini sunt reprezentate prin:

transmisii cu roți de fricțiune;

transmisii prin curele;

transmisii cu roți dințate;

transmisii cu lanțuri.

Transmisii cu roți de fricțiune. Roțile de fricțiune transmit momente de torsiune prin frecare, prin contactul direct al acestora. Sunt utilizate pentru transmiterea de puteri mici între arbori apropiați iar mișcarea nu se transmite cu precizie.

După forma roților, aceste transmisii se împart în:

transmisii cu roți de fricțiune cilindrice paralele;

transmisii cu roți de fricțiune cilindrice perpendiculare;

transmisii cu roți de fricțiune conice;

transmisii cu roată și tambur.

Raportul de transmitere a mișcării – it – se poate calcula cu relația:

it = n1/n2 = D2/D1 (1.17)

în care: n1, n2 – turațiile roților; D1, D2 – diametrele roților.

Transmisii prin curele. Aceste organe de mașini transmit momente de torsiune prin frecarea care apare între roată și curea. Se folosește atunci când distanța dintre arbori este mare, mișcarea nu trebuie transmisă cu precizie.

După profilul curelei în secțiune, curelele pot fi:

rotunde (circulare);

late (dreptunghiulare);

trapezoidale.

După modul de așezare (dispunere) a curelei, aceste transmisii se împart în:

transmisii cu curea deschisă;

transmisii cu curea încrucișată;

transmisii cu curea îndoită în unghi.

Raportul de transmitere a mișcării se calculează cu relația:

it = n1/n2=D2/D1 (1.18)

Transmisii cu roți dințate (angrenaje). Aceste organe de mașini sunt utilizate pentru transmiterea mișcării între doi arbori. Transmiterea mișcării prin roți dințate se realizează când distanța între arbori este mică, forța de transmisie este mare iar mișcarea trebuie transmisă cu precizie.

Angrenajele se clasifică după următoarele criterii:

După poziția roților se împart în angrenaje exterioare și angrenaje interioare.

După poziția arborilor se împart în:

angrenaje cu arbori paraleli și roți dințate cilindrice;

angrenaje cu arbori concurenți și roți dințate conice;

angrenaje încrucișate cu șurub și roată melcată.

După poziția dinților, roțile dințate se împart în roți cu dinți drepți, roți cu dinți înclinați și roți cu dinți curbi.

O roată dințată este formată din butuc, disc și dantură. Dantura roții dințate este caracterizată printr-o serie de parametrii reprezentați prin profilul și lungimea dinților, înălțimea și grosimea dinților, pasul, modulul și numărul de dinți.

Pasul danturii roții reprezintă distanța dintre un plin și un gol, măsurată pe circumferința primitivă (corespunzătoare diametrului primitiv – Dp) și se calculează cu relația:

P = πDp/z [mm] (1.19)

în care Dp este diametrul primitiv sau de divizare iar z este numărul de dinți al roții dințate.

Modulul reprezintă lungimea care revine pe diametrul de divizare pentru un dinte al roții și se calculează cu relația:

m = p/π [mm] (1.20)

Raportul de transmitere a mișcării se calculează cu relația:

it = n1/n2=Dp2/Dp1=z2/z1 (1.21)

Transmisii prin lanțuri. Aceste transmisii se folosesc atunci când distanța dintre arbori este mare și mișcarea trebuie transmisă cu precizie. O astfel de transmisie este formată din lanț și roți de lanț (pinioane). Sunt utilizate mai multe tipuri de lanțuri din care cele mai reprezentative sunt următoarele: lanțuri cu eclise, cu zale articulate, cu zale turnate, cu zale ovale etc.

Figura 1.32. Transmisie cu lanț

1.5.13. Organe de mașini pentru mecanismele de cuplare – cuplaje

Cuplajele realizează legătura permanentă sau intermitentă între două elemente consecutive ale unei transmisii, în scopul transmiterii mișcării de rotație și a momentului de torsiune, fără a modifica legea de mișcare.

Din modul de definire a cuplajelor, rezultă funcția principală a acestora și anume transmiterea mișcării și a momentului de torsiune. Marea diversitate a domeniilor de folosire a cuplajelor a impus atașarea acestora și a altor funcții suplimentare:

– compensarea abaterilor de poziție a elementelor legate prin cuplaj (axiale, radiale, unghiulare sau combinate), datorate erorilor de execuție și / sau montaj;

– protecția împotriva șocurilor și vibrațiilor;

– întreruperea legăturii dintre cele două elemente;

– limitarea sarcinii transmise;

– limitarea turației;

– limitarea sensului de transmitere a sarcinii.

Figura 1.33. Clasificarea cuplajelor

Plecând de la aceste funcții, în figura 1.33. este prezentată clasificarea cuplajelor. Condițiile pe care trebuie să le îndeplinească cuplajele sunt: siguranță în funcționare; dimensiuni de gabarit reduse; montare și demontare ușoare; să fie echilibrate static și dinamic; să asigure durabilitate ridicată.

Pentru legarea fixă a doi arbori se folosesc cuplajele permanente fixe (figura 1.34.). Aceste cuplaje transmit șocurile și vibrațiile, montajul realizându-se cu condiția respectării coaxialității arborilor. Pentru cuplarea arborilor care, la montaj și / sau în timpul funcționării, prezintă abateri de la coaxialitate, se folosesc cuplaje permanente mobile rigide – care transmit șocurile și vibrațiile – sau elastice – care, datorită elementului elastic, amortizează șocurile și vibrațiile.

Figura 1.34. Cuplaje permanente fixe

a – cu flanșe: 1 – flanșe; 2 – arbori;

3 – șuruburi;

b – cu discuri: 1 și 2 – arbori;

3 – pană; 4 – discuri.

Figura 1.35. Cuplaje mobile

a – cu gheare: 1, 2 – gheare dispuse în cruce;

b – cu cardan: 1, 2 – furci cardanice; 3 – cruce cardanică; 4, 5 – arbori;

c – cu manșoane cu dantură frontală: 1, 2 – manșoane cu dinți; a – canal pentru furcă de cuplare; 3 – partea conducătoare; 4 – partea condusă;

d – centrifugal: 1 – arbore conducător; 2 – arbore condus; 3 – manșon exterior;

4 – manșon interior; 5 – arc; m – masă în mișcare; Fi – forța de inerție.

Pe lângă preluarea, în anumite limite a abaterilor, cuplajele elastice modifică și frecvența proprie a sistemului, aducând această frecvență în afara turației de regim. În acest fel se micșorează efectul sarcinilor dinamice, energia dată de aceste sarcini fiind înmagazinată temporar, sub forma unei energii potențiale în elementul elastic și apoi redată, la încetarea acțiunii sarcinii dinamice, sistemului din care face parte cuplajul. Cuplajele permanente fixe pot fi realizate sub formă de manșon sau sub formă de flanșe sau discuri.

Figura 1.36. Cuplaje mobile unidirecționale cu role

1 – disc; 2 – manșon; 3 – rolă; 4 – știft; 5 – arc.

Cuplajele permanente mobile (figura 1.35.) pot fi realizate cu elemente intermediare rigide sau elastice și permit arborilor abateri de la coaxialitate.

În cazul în care este necesară cuplarea sau decuplarea, în repaus sau în mișcare, a celor doua părți ale lanțului cinematic legate prin cuplaje, se folosesc cuplajele intermitente comandate (ambreiaje). Pentru limitarea sarcinii sau a turației și pentru transmiterea mișcării într-un singur sens, se folosesc cuplajele intermitente automate.

În situații funcționale speciale, ca de exemplu șocurile multiple sau suprasarcini, se folosesc cuplaje cu funcții multiple (combinate), formate prin înserierea, într-o ordine, care să permită realizarea subansamblului funcțional, a cuplajelor cu funcții simple.

Cuplajele intermitente permit stabilirea sau întreruperea legăturii dintre arbori sub sarcină sau în mers. Ele pot fi rigide când nu permit rotirea relativă a arborilor și de fricțiune, când permit rotirea relativă a arborilor.

Cuplajele intermitente rigide pot fi realizate cu gheare, la care cuplarea se realizează numai în repaus, cu bolțuri, cu pană mobilă.

Cuplajele intermitente de fricțiune numite și ambreiaje pot fi comandate din exterior și permit cuplarea și decuplarea în mers și în repaus și sunt realizate cu discuri plane, conice, cilindrice, sau comanda automată, când turația arborelui atinge o anumită valoare, ambreiaje automate care pot fi centrifugale (figura 1.35. d) sau unidirecționale (figura 1.36.).

1.5.14. [NUME_REDACTAT] sunt organe de mașini folosite pentru asigurarea etanșeității asamblărilor fixe sau mobile sau a subansamblurilor mașinilor și utilajelor, în vederea funcționării acestora în condiții optime.

Scopurile urmărite prin etanșare sunt: închiderea ermetică a unui spațiu conținând un mediu sub presiune; separarea unor spații aflate sub presiuni diferite; protecția unor spații conținând lubrifianți împotriva scurgerii acestora și / sau împotriva pătrunderii unor corpuri străine din exterior.

Principalele condiții pe care trebuie să le îndeplinească un sistem de etanșare sunt realizarea etanșeității, fiabilitate, durabilitate ridicată, montare și demontare ușoară, întreținere simplă, pierderi prin frecare, rezistență mecanică și chimică ridicată, conductibilitate termică bună pentru evacuarea căldurii degajate, compatibilitate cu mediul etanșat. Etanșările se folosesc în construcția recipientelor, la sistemele hidraulice și pneumatice de comandă și acționare a mașinilor; în cadrul transmisiilor mecanice, la etanșarea lagărelor cu rulmenți și cu alunecare. O clasificare a etanșărilor este prezentată în figura 1.37.

Figura 1.37. Clasificarea etanșărilor

2. SURSE DE ENERGIE

Principalele forme de energie utilizate sunt reprezentate de energia mecanică, energia termică, energia electrică, luminoasă, hidraulică, pneumatică. Aceste surse de energie sunt transformate succesiv dintr-o formă în alta până în faza finală în care sunt folosite pentru un anumit proces de producție.

2.1. Surse de energie clasice

2.1.1. Motoare termice cu ardere internă, în 4 timpi

Motorul este un sistem tehnic capabil să transforme o formă oarecare de energie în energie mecanică. Dacă energia inițială este obținută prin arderea unui amestec aer-combustibil motorul se numește motor termic (motor cu ardere).

Motorul cu ardere internă (MAI) este un motor termic care transformă parțial energia termică, rezultată prin reacții chimice de oxidare a unui combustibil, în energie mecanică (lucru mecanic), folosind ca fluid motor sau agent de lucru gaze rezultate prin arderea ciclică a amestecului aer-combustibil într-un volum variabil, limitat parțial de elemente ale mecanismului motor. Motoarele cu ardere internă cu piston folosesc ca mecanism motor mecanismul piston-bielă-manivelă.

Figura 2.1. Schema de principiu a unui motor monocilindric

1 – cilindru; 2 – piston; 3 – bielă; 4 – fus maneton; 5 – chiulasă; 6 – bujie;

7 – carter superior; 8 – canal de admisie; 9 – supapă de admisie; 10 – canal de evacuare;

11 – arbore de distribuție; 12 – supapă de evacuare; 13 – cuzinet; 14 – arbore cotit;

15 – carter inferior; 16 – volant; 17 – fus palier; 18 – bolț; 19 – segmenți.

Motoarele termice cu ardere internă se clasifică după următoarele principale criterii (figura 2.3.) :

a) după procedeul de aprindere a combustibilului:

– motoare cu aprindere prin scânteie – MAS;

– motoare cu aprindere prin comprimare – MAC.

b) după procedeul de admisie :

– motor cu admisie normală;

– motor cu admisie forțată (supraalimentare).

c) după modul de realizare a ciclului sau numărul de rotații ale arborelui cotit în care se realizează ciclul motor :

– motor în 2 timpi – la care ciclul de funcționare se realizează la două curse ale pistonului, respectiv o rotație a arborelui cotit;

– motor în 4 timpi – la care ciclul de funcționare se realizează la patru curse ale pistonului, respectiv două rotații ale arborelui cotit.

d) după natura agentului de răcire: – motor răcit cu lichid;

– motor răcit cu aer.

e) după numărul de cilindrii: – motor monocilindric;

– motor policilindric.

f) după poziția cilindrilor : – motor în linie;

– motor în V, X, H, stea etc.

Figura 2.2. Secțiune printr-un motor
1 – piston, 2 – biela, 3 – arbore cotit, 4 – cilindri, 5 – chiulasa, 6 – carter inferior,

7 – pompa de ulei, 8 – sistem de distribuție, 9, 10 – supape de admisie, refulare,

11– arbore cu came, 12 – pompa de apă, 13 – ventilator.

Figura 2.3. Clasificarea motoarelor cu ardere internă cu piston

Funcționarea motorului termic cu ardere internă în patru timpi

Motorul termic cu ardere internă este o mașină complexă care realizează ciclul său funcțional prin succesiunea a patru faze, la patru curse simple ale pistonului în cilindru, respectiv, la două rotații complete ale arborelui motor (figura 2.4.). În timpul funcționării, pistonul se deplasează între două puncte extreme denumite puncte moarte, deoarece în aceste puncte viteza pistonului este zero. Punctul mort interior PMI corespunde poziției pistonului în cilindru pentru care volumul ocupat de fluidul motor este minim.

Figura 2.3. Funcționarea motorului cu ardere internă în patru timpi:

a – admisia; b – compresia; c – detenta; d – evacuarea; 1 – cilindru; 2 – piston; 3 – bolț;

4 – bielă; 5 – arbore motor; 6 – galerie evacuare; 7 – galerie admisie; 8 – supapă evacuare; 9 – supapă admisie; 10 – chiulasă; 11 – bujie sau injector; PMI – punct mort interior;

PME – punct mort exterior; s – cursa pistonului; D – alezajul (diametrul cilindrului).

Punctul mort exterior PME corespunde poziției pistonului în cilindru pentru care volumul ocupat de fluidul motor este maxim.

Cursa pistonului s reprezintă spațiul parcurs de piston între cele două puncte moarte și se măsoară în mm.

Alezajul D reprezintă diametrul interior al cilindrului și se măsoară în mm.

Cilindreea unitară Vs reprezintă volumul generat de piston în cursa s și se determină cu relația:

Vs = 10-6 . (πD2/4) . s [dm3; l] (2.1)

Volumul camerei de ardere Vc reprezintă volumul minim ocupat de fluidul motor când pistonul se află la PMI.

Volumul de admisie Va reprezintă volumul maxim ocupat de fluidul motor în interiorul cilindrului când pistonul se găsește la PME. Se determină cu relația:

Va = Vs + Vc [dm3 sau l] (2.2)

Raportul de comprimare £ reprezintă raportul dintre volumul de admisie și volumul camerei de ardere:

£ = Va /Vc (2.3)

Raportul de comprimare este diferit pentru cele două tipuri de motoare: £ = 6 – 12 pentru MAS și 16 – 24 pentru MAC.

Ciclul motor reprezintă ciclul funcțional al motorului și constă în succesiunea unor procese termice care se desfășoară în cilindrii motorului și se repetă periodic.

Procesele termice ale ciclului motor sunt: admisia, compresia, arderea-detenta și evacuarea. La motorul în patru timpi ciclul motor se desfășoară astfel:

Timpul I – admisia: pistonul se deplasează de la PMI la PME (figura 2.3. a), se deschide supapa de admisie și în cilindru este aspirat aer la MAC (motoarele cu aprindere prin comprimare), sau amestec carburant (aer + benzină) la MAS (motoarele cu aprindere prin scânteie).

Timpul II – comprimarea: pistonul se deplasează de le PME la PMI (figura 2.3. b), ambele supape sunt închise și are loc comprimarea aerului sau a amestecului carburant. La MAC la sfârșitul acestei faze începe injecția combustibilului sub formă de stropi fini, care se autoaprinde datorită temperaturii ridicate a aerului comprimat și începe procesul de ardere care se desfășoară la presiune constantă. La MAS, la sfârșitul acestui timp, se produce scânteia electrică între electrozii bujiei, amestecul carburant se aprinde și începe procesul de ardere, care se desfășoară la volum constant.

Timpul III – detenta: gazele rezultate din ardere se destind brusc, apasă pe piston și determină deplasarea acestuia de la PMI la PME (figura 2.3. c). Aceasta este singura cursă activă (generatoare de lucru mecanic) din ciclul motor.

Timpul IV – evacuarea: pistonul se deplasează de la PME la PMI, supapa de evacuare se deschide, iar gazele de ardere sunt evacuate în afara motorului. Cu timpul patru se încheie un ciclu motor, începe o nouă admisie, un nou ciclu motor.

Motoarele MAC se deosebesc de cele MAS în special prin valorile mari ale presiunii la sfârșitul procesului de comprimare, necesare pentru autoaprinderea combustibilului fin pulverizat (tabelul 2.1). Pentru procesele de admisie, detentă și evacuare valorile presiunii și temperaturii sunt apropiate.

Funcționarea motoarelor termice cu ardere internă în patru timpi poate fi reprezentată grafic prin variația în funcție de volumul cilindrului în timpul unui ciclu motor (figura 2.4. și figura 2.5.).

Din analiza graficelor din figurile 2.4. a și b, corespunzătoare funcționării motorului cu aprindere prin scânteie în patru timpi, rezultă că ciclul real diferă de ciclul teoretic prin:

❖ supapele de admisie și de evacuare se deschid cu avans și se închid cu întârziere față de punctele moarte ale pistonului pentru o umplere mai bună a cilindrului cu amestec carburant și o evacuare mai bună a gazelor arse;

❖ procesul de ardere se realizează cu variație de volum;

❖ procesele de ardere și de evacuare se desfășoară cu o variație a presiunii în interiorul cilindrilor;

❖ scânteia pentru aprinderea amestecului carburant se produce cu avans.

Tabelul 2.1.

Valorile presiunii și temperaturii la sfârșitul proceselor termice ale ciclului motor

Figura 2.4. Diagrama ciclului de funcționare al unui motor

cu aprindere prin scânteie în patru timpi

a. – ciclul teoretic: 1 – 2 – admisia amestecului carburant; 2 – 3 – comprimarea (adiabatică) amestecului carburant; 3 – 4 – arderea (la volum constant); 4 – 5 – detenta adiabatică a gazelor; 5 – 6 – 1 – evacuarea gazelor arse; PMI – punctul mort inferior; PME – punctul mort exterior; V – volumul interior al cilindrului; P – presiunea în interiorul cilindrului; Pa – presiunea atmosferică:

b. – ciclul real: da – îa – deschiderea și închiderea supapei de admisie; de – îe – deschiderea și închiderea supapei de evacuare; a – formarea scânteii electrice (cu avans); A – începutul arderii; a1 – lucrul mecanic primit; a2 – lucrul mecanic pierdut; da – 1’ – 2’ – îa – admisia;

îa – A – compresia; A – 3’ – 4’ – arderea; 4’ – 5’ – detenta; 5’ – 6’ – 1’ – îe – evacuarea.

Figura 2.5. Diagrama ciclului de funcționare al unui motor

cu aprindere prin comprimare în patru timpi

a – ciclul teoretic: 1 – 2 – admisia aerului; 2 – 3 – comprimarea (adiabatică) a aerului; 3 – 4 – injecția și arderea (la presiune constantă) a combustibilului; 4 – 5 – detenta (adiabatică) a gazelor; 5 – 6 – 1 – evacuarea gazelor;

b – ciclul real: da – îa – deschiderea și închiderea supapei de admisie; de – îe – deschiderea și închiderea supapei de evacuare; i – începutul injecției (cu avans); A – începutul arderii; a1 – lucrul mecanic primit; a2 – lucrul mecanic pierdut; da – 1’ – 2’ – îa – admisia; îa – A – compresia; A – 3’ – 4’ – arderea; 4’ – 5’ – detenta; 5’ – 6’ – 1’ – îe – evacuarea.

Din analiza graficelor din figurile 2.5. a și b, corespunzătoare funcționării motorului cu aprindere prin comprimare în patru timpi, se constată că ciclul real diferă de ciclul teoretic prin următoarele:

❖ supapele de admisie și de evacuare se deschid cu avans și se închid cu întârziere față de punctele moarte ale pistonului pentru o umplere mai bună a cilindrului cu amestec carburant și o evacuare mai bună a gazelor arse;

❖ presiunea din interiorul cilindrilor la începutul admisiei este superioară presiunii atmosferice, după care scade sub valoarea presiunii atmosferice, datorită deplasării pistonului către PME;

❖ presiunea pe parcursul arderii considerată teoretic constantă, înregistrează în realitate o ușoară creștere;

❖ injecția motorinei se produce cu avans față de ajungerea pistonului la PMI;

❖ evacuarea gazelor arse se face la presiune superioară celei atmosferice.

Analizând diagramele reale de funcționare ale celor două tipuri de motoare, rezultă că deosebirea fundamentală constă în modul de desfășurare al procesului de ardere, care are loc la presiune constantă și volum variabil.

Motorul cu ardere internă este un ansamblu constructiv complex, alcătuit din mecanisme și sisteme funcționale, la care se adaugă aparatura de control.

Mecanismul motor asigură spațiul în care se desfășoară procesele de lucru ale motorului și transformă mișcarea rectilinie-alternativă a pistonului în mișcare de rotație continuă a arborelui cotit și invers (mișcare de rotație continuă a arborelui cotit în mișcare rectilinie-alternativă a pistonului). Mecanismul motor se compune din părți fixe și părți mobile (mecanism bielă-manivelă). Părțile fixe sunt reprezentate prin: blocul cilindrilor, carter, cilindrii și chiulasă. De regulă, blocul cilindrilor este realizat împreună cu carterul superior ca piesă unică și este denumit bloc motor sau bloc carter. Părțile mobile sunt reprezentate prin: piston, segmenți, ax piston (bolț), bielă, arbore cotit (arbore motor) și volantă.

Blocul motor este realizat din fontă sau aliaje de aluminiu, prin turnare, sub forma unei piese unice. La partea superioară se găsește amplasat blocul cilindrilor, iar la partea inferioară, carterul superior. Blocul cilindrilor prezintă locașuri pentru cilindri, spații pentru circulația lichidului de răcire (cămașa de răcire a cilindrilor), orificii filetate pentru montarea chiulasei, locașuri pentru tijele împingătoare etc. La partea superioară se prelucrează mecanic și se planează. Carterul superior prezintă lagăre paliere pentru montarea arborelui cotit, canale pentru circulația uleiului, lagăre pentru arborele cu came, locașuri pentru montarea tacheților, orificii filetate pentru montarea carterului inferior etc.

Cilindrul asigură spațiul necesar desfășurării proceselor de lucru ale motorului. La partea superioară este închis de chiulasă, iar la partea inferioară de piston, care se deplasează în interiorul lui. Este realizat prin turnare din fontă aliată. Cilindrul poate fi fix (turnat direct în blocul motor) sau amovibil (demontabil). Cilindrul amovibil poate fi de tip umed (când lichidul de răcire vine în contact cu pereții săi exteriori), sau uscat (lichidul de răcire vine în contact cu pereții locașului nu cu cei ai cilindrului). Partea interioară a cilindrilor este prelucrată mecanic și tratată termic. La cilindrii amovibili uscați este prelucrată mecanic și partea exterioară. Cilindrii amovibili umezi au prelucrată mecanic numai zona exterioară de la bază, unde sunt prevăzute și canale pentru montarea inelelor sau garniturilor de etanșare și un guler de ghidare la partea superioară.

Chiulasa are rolul de a închide cilindrii la partea superioară și este realizată prin turnare din fontă sau aliaje de aluminiu. La partea inferioară se prelucrează mecanic și se planează, pentru etanșare. Chiulasa prezintă canale de admisie și de evacuare, orificii de admisie și de evacuare închise de supape, spații pentru circulația lichidului de răcire (cămașa de răcire a chiulasei), locașuri pentru montarea injectoarelor, orificii filetate, locașuri pentru tijele împingătoare etc. Etanșarea chiulasei cu blocul cilindrilor se realizează cu ajutorul unei garniturii speciale numită garnitură de chiulasă și este realizată din klingherit.

Pistonul (figura 2.6.) asigură închide cilindrul la partea inferioară și etanșarea acestuia (împiedică scăparea gazelor în baia de ulei), transmite bielei forța de presiune a gazelor arse și asigură ghidarea acesteia. Este realizat din aliaje de aluminiu pentru a avea o masă redusă (inerție mică în punctele moarte). Pistonul este compus din: capul pistonului, zona de etanșare, zona de ghidare, și umerii pistonului. Capul pistonului asigură preluarea forței gazelor de ardere. Forma sa diferă: la MAS capul pistonului este plat sau bombat, iar la MAC cu injecție directă prezintă o excavație numită cameră de turbionare, cu rol de omogenizare a amestecului rezultat dintre motorina injectată și aerul comprimat. Zona de etanșare prezintă canale pentru montarea segmenților.

Figura 2.6. Pistonul unui motor cu ardere internă

1 – capul pistonului; 2 – zona de ghidare;

3 – orificii pentru montarea bolțului;

4 – umerii pistonului; 5 – canale pentru segmenți.

Umerii pistonului asigură montarea axului pistonului și implicit a bielei. Pistonul este realizat cu conicitate controlată, astfel încât la temperatura de lucru a motorului să ia formă cilindrică.

Figura 2.7. Segmenți

1 – segment de compresie; 2 – segment de ungere.

Segmenții (figura 2.7.) au rolul de a asigura etanșeitatea dintre piston și cilindru și se prezintă sub formă de inele cu fante. Se montează în canalele exterioare ale pistonului și sunt de două feluri: segmenți de compresie și segmenți de ungere. Segmenții de compresie se montează în canalele superioare ale pistonului și au rolul de etanșeitate dintre piston și cilindru. Segmenții de ungere se montează în canalele următoare ale pistonului care sunt prevăzute cu orificii și au rolul de a asigura o peliculă uniformă de ulei pe pereții cilindrului. Segmenții sunt realizați din fontă perlitică și sunt tratați termic.

Axul pistonului (bolțul) asigură legătura dintre piston și bielă. Este realizat din oțel aliat, gol pe interior pentru a reduce masa și este tratat termic. Bolțul se poate monta : mobil în umerii pistonului și fix în capul mic al bielei, fix în umerii pistonului și mobil în capul mic al bielei, mobil în umerii pistonului și mobil în capul mic al bielei. Ultima soluție asigură o uzură redusă și uniformă a bolțului.

Biela (figura 2.8.) asigură transmiterea forței de la piston la arborele cotit și împreună cu acesta transformă mișcarea rectilinie alternativă a pistonului în mișcare de rotație. Este confecționată din oțel aliat prin matrițare. Este compusă din: capul mare, corpul sau tija și capul mic. Capul mare este secționat oblic și se montează articulat pe fusul maneton al arborelui cotit prin intermediul cuzineților. Capul mic este prevăzut cu bucșe din bronz sau aliaje antifricțiune și se montează articulat pe bolțul pistonului. Corpul bielei în secțiune are forma de dublu T pentru a rezista la solicitarea de flambaj.

Figura 2.8. Biela

1 – capul mic; 2 – capul mare;

3 – corpul bielei (tija); 4 – bucșă; 5 – cuzineți;

6 – capac; 7 – siguranță; 8 – șuruburi.

Arborele motor (arborele cotit) (figura 2.9.) este realizat din fontă maleabilă sau oțel aliat. Este format din: fusuri paliere, fusuri manetoane, brațe de manivelă, flanșă pentru volantă și partea de calare. Fusurile paliere sunt dispuse pe aceeași linie și servesc la montarea arborelui în carter prin intermediul lagărelor paliere. Fusurile manetoane sunt decalate față de cele paliere în funcție de numărul cilindrilor, pe ele se montează bielele prin intermediul capului mare. Fusurile paliere și manetoane sunt prelucrate mecanic foarte fin și tratate termic pentru mărirea durității. Brațele de manivelă fac legătura între fusurile paliere și fusurile manetoane. Partea de calare este prevăzută cu locașuri de pană pentru montarea roților dințate, de lanț sau de cure. Arborele cotit însumează lucrul mecanic produs în fiecare cilindru și-l trimite utilizatorului și sistemelor auxiliare ale motorului.

Volanta are rolul de uniformizare a mișcării de rotație a arborelui cotit. Ea înmagazinează energia din timpul activ (detentă) și o cedează pentru executarea timpilor pasivi (admisie, comprimare, evacuare) ai ciclului motor.

Figura 2.9. Arborele cotit și volanta

1 – fus palier; 2 – fus maneton; 3 – braț de manivelă; 4 – flanșă;

5 – orificiu de ungere; 6 – volant; 7 – coroană dințată.

Mecanismul de distribuție a gazelor asigură deschiderea periodică a orificiilor de admisie și evacuare la momente bine stabilite de diagrama de funcționare a motorului și în ordinea de funcționare a cilindrilor. După modul de deschidere a orificiilor de admisia și evacuare, mecanismele de distribuție se clasifică în:

a – mecanisme de distribuție cu ferestre – prezente la motoarele termice cu funcționare în doi timpi;

b – mecanisme de distribuție cu supape – prezente la motoarele termice cu funcționare în patru timpi.

Mecanismele de distribuție cu supape, după sensul de acționare a supapelor și după modul de dispunere se clasifică în:

– mecanisme de distribuție cu comandă inferioară, la care supapele sunt montate lateral față de cilindru și sunt acționate de jos în sus;

– mecanisme de distribuție cu comandă superioară (figura 2.10.), la care supapele sunt montate în chiulasă (în capul cilindrului) și sunt acționate de sus în jos.

Majoritatea motoarelor moderne sunt prevăzute cu distribuție cu comandă superioară pentru că asigură o cameră de ardere cu rază mică, o ardere mai completă și o evacuare mai bună a gazelor arse.

Figura 2.10. Mecanisme de distribuție cu comandă superioară

1 – arbore cu came; 2 – tachet; 3 – tijă împingătoare; 4 – culbutor; 5 – axul culbutorului; 6 – suportul culbutorului; 7 – șurub de reglaj; 8 – arc de supapă;

9 – supapă; 10 – tija supapei; 11 – talerul supapei;

12 – chiulasă; 13 – ghidul supapei.

Mecanismele de distribuție cu comandă superioară au în componență: arbore cu came, tacheți, tije împingătoare, ansamblul culbutorilor (culbutori, axă, suporți, arcuri), supape de admisie și de evacuare, arcurile supapelor, elemente de fixare a arcurilor pe supape (discuri, siguranțe), ghidurile supapelor și mecanismul de antrenare a arborelui cu came de către arborele motor.

Arborele cu came (figura 2.11.) comandă deschiderea supapelor și este realizat din oțel aliat, având fusurile paliere și camele tratate termic. Primește mișcarea de la arborele cotit în raport de 2 / 1 (la două rotații ale arborelui cotit, arborele cu came execută o rotație completă).

Figura 2.11. Arborele cu came

1 – arbore cu came; 2, 3, 4 – diferite profiluri de came.

Tacheții transmit mișcarea la tija supapei direct (la motoarele moderne cu arborele cu came montat în chiulasă) sau indirect prin tije împingătoare. Sunt realizați din oțel aliat și tratați termic. Pot fi realizați în formă de T, de pahar cilindric etc.

Tijele împingătoare transmit mișcarea de la tacheți la culbutori. Sunt realizate din țeavă de oțel, înfundate la partea inferioară cu o semisferă, iar la cea superioară cu o cupă.

Culbutorii (figura 2.12.) reprezintă pârghii cu brațe inegale și transmit mișcarea de la tijele împingătoare la supape. Pe unul din brațe culbutorii sunt prevăzuți cu șuruburi de reglaj al jocului de dilatare termică dintre capul supapei și capul culbutorului.

Figura 2.12. Culbutorul

1 – corpul culbutorului; 2 – tijă împingătoare;

3 – arcul supapei; 4 – tija supapei;

5 – șurub de reglaj.

Axul culbutorilor este confecționat din oțel, are secțiune circulară și este gol pe interior pentru a permite circulația uleiului în vederea ungerii culbutorilor. Pe el se montează culbutorii și arcurile de distanțare a acestora, pentru a împiedica deplasarea laterală a lor.

Figura 2.13. Supapă

1 – talerul supapei, 2 – tija supapei.

Supapele au rolul de a închide orificiile de admisie a aerului sau amestecului carburant și orificiile de evacuare a gazelor arse. Sunt realizate din oțel înalt aliat, pentru a rezista la uzură și la temperaturi ridicate. O supapă este alcătuită din taler și tijă (figura 2.13.). Motoarele cu funcționare în patru timpi au pentru fiecare cilindru minim o supapă de admisie și una de evacuare. La motoarele moderne se montează și trei sau patru supape pe cilindru (figura 2.14.). Se asigură astfel umplerea mai bună a cilindrilor cu aer sau amestec carburant și evacuarea completă a gazelor arse.

Arcurile pentru supape asigură închiderea supapelor și sunt fixate cu ajutorul unor discuri din oțel și siguranțe tronconice.

Ghidul supapei are formă tubulară, este realizat din bronz sau fontă și se introduce presat în locașul său din chiulasă. Are rolul de a susține și a ghida supapa.

Sistemul de alimentare al motoarelor termice diferă în special după modul de aprindere a amestecului carburant în cilindrii motorului (motoare cu aprindere prin scânteie sau cu aprindere prin comprimare). Sistemul de alimentare al motoarele cu aprindere prin comprimare are rolul de a păstra în imediata apropiere a motorului o cantitate de carburant necesară funcționării acestuia pe durata unui schimb de lucru, de a curăța de impurități carburantul și aerul care pătrund în cilindrii și de a introduce carburantul sub formă de picături fine în cilindrii motorului în funcție de sarcina acestuia, la momente bine determinate de diagrama de funcționare a motorului și în ordinea de funcționare a cilindrilor.

Figura 2.14. Cilindrii cu trei și patru supape

a – două supape de admisie și una de evacuare; b și c – două supape de admisie și două de

evacuare; 1 – cilindrii; 2 – supape de admisie; 3 – supape de evacuare.

Sistemul de alimentare are în componență două părți principale: partea de alimentare cu carburant și partea de alimentare cu aer.

Figura 2.15. Schema sistemului de alimentare la MAC

1 – rezervor de combustibil; 2 – robinet de trecere; 3 – pompă de alimentare; 4 – filtru grosier de combustibil; 5 – filtru fin de combustibil; 6 – pompă de injecție; 7 – regulator de turație; 8 – injectoare; 9 – conducte de joasă presiune; 10 – conducte de înaltă presiune;

11 – conductă de retur a surplusului de combustibil de la pompa de injecție;

12 – conductă de retur a surplusului de combustibil de la injectoare.

Partea de alimentare cu carburant (figura 2.15.) are în componență: rezervor de combustibil, robinet de trecere, pompă de alimentare, filtre de motorină (grosier și fin) pompă de injecție, regulator de turație, injectoare, sistem de ușurare a pornirii pe timp rece, conducte de joasă presiune, conducte de înaltă presiune, conducte de retur a combustibilului de la pompa de injecție și de la injectoare.

Partea de alimentare cu aer are în componență: filtru de aer de tip mixt, racord de legătură, galerie de admisie.

Funcționare. Carburantul din rezervor ajunge la pompa de alimentare prin cădere sau aspirație, care realizează o presiune de 2 – 4 bari, necesară învingerii rezistenței opusă de filtrele de combustibil, care rețin impuritățile. Combustibilul filtrat ajunge în pompa de injecție care ridică presiunea până la valoarea presiunii de injecție, dozează combustibilul în funcție de sarcina motorului, o distribuie la injectoare în ordinea de funcționare a cilindrilor și la momente bine determinate de diagrama de funcționare a motorului.

Regulatorul de turație reglează turația motorului în funcție de sarcina acestuia prin modificarea debitului.

Elementul de bază în cadrul sistemului de alimentare la MAC îl reprezintă pompa de injecție. Pompele de injecție pot fi de două feluri: pompe de injecție cu elemenți în linie și pompe de injecție cu rotor de pompare și distribuție.

A. Pompa de injecție cu elemenți în linie are în componență câte un element de pompare pentru fiecare injector. Este alcătuită din: corpul pompei, arbore cu came, elemenți de pompare și cremalieră. În corpul pompei este montat și regulatorul centrifugal de turație. La baza corpului pompei este montat arborele cu came. Numărul de came corespunde cu numărul de elemenți de pompare. Camele sunt decalate la 90o una de alta. Un element de pompare (figura 2.16.) are în componență: tachet cu rolă, pistonaș, cilindru, arc de revenire, supapă de refulare și sector dințat (sau braț de acționare).

Când pistonașul este coborât sub acțiunea arcului de revenire, orificiile de admisie sunt eliberate și carburantul din canalul de alimentare pătrunde în cilindru (admisia). În etapa următoare cama acționează tachetul care determină ridicarea pistonașului în cilindru. După obturarea orificiului de admisie, carburantul din cilindru este comprimat și este refulat prin supapa de refulare spre injector (refularea). Corelarea debitul de carburant cu sarcina motorului se realizează prin rotirea pistonașului în jurul axei sale. Prin aceasta se modifică poziția degajării pistonașului în fața orificiului de admisie a carburantului în cilindru. Refularea carburantului către injector durează până când degajarea înclinată corespunde cu orificiul de admisie, care devine orificiu de refulare, carburantul fiind refulat înapoi în canalul de alimentare. Astfel, cantitatea de carburant refulată spre injector depinde de cursa activă a pistonașului.

Figura 2.16. Element de pompare cu cursa pistonului constantă

1 – piston, 2 – cilindru; 3 – orificiile de admisie;

4 – supapă de refulare; 5 – arc;

6 – tachet; 7 – arbore cu came.

B. Pompa de injecție cu rotor de pompare și distribuție (figura 2.17.) are în componență un singur element care pompează și distribuie carburantul la toate injectoarele. O pompă de injecție cu rotor de pompare și distribuție este formată din: corp, supapă de regularizare și uniformizare a debitului, pompă de transfer, cap hidraulic, ventil de dozare, rotor de pompare și distribuție, inel cu came interioare și dispozitiv de reglare automată a avansului la injecție.

Carburantul filtrat de bateria de filtre ajunge în pompa de injecție prin supapa de regularizare și uniformizare a debitului de unde este trimis la pompa de transfer care ridică presiunea acestuia la 4 – 7 bari. De la pompa de transfer, carburantul ajunge la ventilul de dozare care reglează debitul și apoi în canalul radial de admisie al capului hidraulic. La anumite momente canalul radial de admisie al capului hidraulic comunică cu canal radial de admisie al rotorului și prin canalul axial ajunge între pistonașele de pompare (în camera cilindrică) când acestea se află între camele inelului (faza de admisie). Comunicarea dintre cele două canale de admisie se întrerupe, pistonașele ajung pe o pereche de came, se comprimă carburantul dintre ele și este trimis sub presiune pe canalul axial la canal radial de refulare al rotorului care comunică în acest moment cu unul din canalele de refulare ale capului hidraulic (faza de refulare). Numărul canalelor de refulare ale capului hidraulic este egal cu numărul de cilindri ai motorului. Acestea comunică cu conductele de înaltă presiune prin care carburantul ajunge la injectoare.

Sistemul de alimentare al motoarele cu aprindere prin scânteie poate să fie de tip cu carburator sau cu injecție pe benzină. Injecția pe benzină a apărut ca o necesitate a asigurării unei dozări precise, care să asigure un raport optim între aer și benzină pentru orice regim de turație al motorului. Acest sistem se folosește în special la motoarele moderne cu preț de cost mai ridicat.

Figura 2.17. Pompa de injecție cu rotor de pompare și distribuție

a – admisia; b – refularea combustibilului; 1 – corpul pompei; 2 – canal de admisie al capului hidraulic; 3 – canal de refulare al capului hidraulic; 4 – distribuitor rotativ;

5 – canal axial; 6 – cameră cilindrică; 7 – pistonașe; 8 – canal radial de admisie al rotorului;

9 – canal radial de refulare al rotorului.

Figura 2.18. Schema sistemului de alimentare cu carburator

a – camera de nivel constant; b – camera de amestec; 1 – rezervor; 2 – filtru de carburant;

3 – pompă de alimentare; 4 – conductă de carburant, 5 – carburant în camera de nivel constant; 6 – plutitor; 7 – cui obturator; 8 – jiclor; 9 – clapetă de aer (de șoc);

10 – pulverizator; 11 – clapeta de amestec; 12 – difuzor; 13 – filtru de aer.

Sistemul de alimentare cu carburator al motoarele cu aprindere prin scânteie (figura 2.18.) are rolul de a păstra în imediata apropiere a motorului o cantitate de carburant necesară funcționării acestuia pe o anumită perioadă de timp, curăță aerul și carburantul de impurități, formează și dozează amestecul carburant în funcție de sarcina motorului și conduce amestecul carburant în cilindrii motorului.

Un astfel de sistem are în componență următoarele părți: rezervor de carburant, filtru de combustibil, pompă de alimentare, carburator, conducte de combustibil, filtru de aer, galerie de admisie, galerie de evacuare.

Componenta de bază a sistemului o constituie carburatorul. El este format din două părți principale: camera de amestec și camera de nivel constant. În camera de nivel constant se găsește plutitorul, cuiul obturator și jiclorul (un orificiu calibrat). Un canal face legătura între camera de nivel constant și camera de amestec. În camera de amestec se găsește: difuzorul, clapeta de aer sau de șoc, clapeta de amestec și pulverizatorul.

Carburantul din rezervor este absorbit de pompa de alimentare și trimis în camera de nivel constant. Plutitorul și cuiul obturator mențin nivelul constant în cameră. Nivelul carburantului din camera de nivel constant trebuie să se situeze cu 1 – 2 mm sub nivelul orificiului pulverizatorului din camera de amestec. Datorită depresiunii create în cilindru de coborârea pistonului în cursa de admisie, aerul din atmosferă este aspirat prin filtrul de aer și pătrunde în camera de amestec pe lângă clapeta de aer (clapeta de aer servește la ușurarea pornirii motorului pe timp rece). În zona difuzorului, datorită îngustării secțiunii de trecere, viteza curentului de aer crește foarte mult (peste 130m/s) iar depresiunea în zona difuzorului se amplifică. În aceiași zonă se găsește amplasat și orificiul pulverizatorului. Depresiunea creată determină aspirația carburantului din camera de nivel constant în camera de amestec, prin canalul de legătură dintre cele două camere. Jiclorul montat pe canalul de legătură reglează debitul de carburant. În camera de amestec carburantul care iese prin orificiul pulverizatorului întâlnește curentul de aer și este pulverizat în stropi fini, după care se realizează amestecul carburant (aer + benzină). Debitul de amestec este reglat de clapeta de amestec. Carburatorul descris determină formarea unui amestec carburant economic care conține o parte de benzină și cincisprezece părți de aer, care permite obținerea a două treimi din puterea motorului. Carburatoarele sunt prevăzute cu o serie de dispozitive auxiliare care permit realizarea unor regimuri de exploatare care necesită formarea unor amestecuri mai bogate. Aceste regimuri de exploatare sunt: regimul de pornire pe timp rece; regimul de mers în gol; regimul de accelerație pentru învingerea sarcinilor momentane și regimul sarcinilor maxime de lungă durată.

Sistemul de aprindere al motoarelor termice cu ardere internă cu aprindere prin scânteie realizează aprinderea amestecului carburant la momente bine determinate de diagrama de funcționare a motorului și în ordinea de funcționare a cilindrilor motorului. Tipurile principale de sisteme de aprindere prin scânteie sunt:

– sistemul de aprindere cu magnetou;

– sistemul de aprindere cu baterie și transformator;

– sistemul de aprindere electronic.

Sistemul de aprindere cu magnetou, datorită simplității și gabaritului redus, echipează de regulă motoarele simple, ușoare, ieftine, de putere mică, care se montează pe motosape, motocultoare, aparate de stropit etc. Este format din: magnetou (generator de curent alternativ cu magneți permanenți), transformator (bobină de inducție), condensator, ruptor, bujie, întrerupător; conductori de joasă tensiune și conductori de înaltă tensiune (fișe).

Sistemul de aprindere cu baterie și transformator asigură o pornire mai ușoară a motorului, dar este mai complicat, mai scump pentru că necesită și baterie de acumulatori electrici. Echipează de regulă motoarele policilindrice, de puteri mai mari.

Părțile componente ale sistemul de aprindere cu baterie și transformator (figura 2.19.) sunt: baterie de acumulatori electrici, transformator, condensator, ruptor, distribuitor, bujii, întrerupător, conductori de joasă tensiune și conductori de înaltă tensiune.

La închiderea circuitului de joasă tensiune (pol pozitiv baterie +, întrerupător, înfășurare primară, conductori de joasă tensiune, ruptor, șasiu -) cu ajutorul întrerupătorului (contacte ruptorului sunt închise), în jurul înfășurării primare a transformatorului (implicit și în jurul miezului feromagnetic al transformatorului și al înfășurării secundare) ia naștere un câmp electromagnetic. În faza următoare datorită mișcării de rotație, inelul cu came depărtează ciocănelul de nicovală (rupe contactul) și întrerupe alimentarea circuitului de joasă tensiune (circuit primar). Ca urmare fluxul electromagnetic din jurul bobinei scade brusc. Variația câmpului magnetic determină inducerea în înfășurarea secundară a transformatorului un curent de înaltă tensiune (15000 V – 25000 V) care este trimis prin fișe la distribuitor și apoi la fiecare bujie (circuit secundar) conform diagramei de funcționare a motorului și în ordinea de funcționare a cilindrilor. Între electrozii bujiei se produce o descărcare electrică (scânteie) care aprinde amestecul carburant. Concomitent cu inducerea în circuitul secundar a curentului de înaltă tensiune. În circuitul primar se autoinduce un curent electric care determină apariția unui arc electric distructiv (scântei) între contactele ruptorului care deranjează și funcționarea circuitului secundar. Pentru anularea curentului de autoinducție, în paralel cu contactele ruptorului se montează un condensator care se încarcă la deschiderea contactelor cu curentul de autoinducție și se descarcă la închiderea contactelor.

Figura 2.19. Schema sistemului de aprindere cu baterie și transformator

1 – baterie de acumulatori; 2 – întrerupător (contact de cheie); 3 – transformator;

4 – condensator; 5 – ruptor; 5a – inel cu came; 5b – ciocănel (partea mobilă a ruptorului); 5c – nicovală (partea mobilă a ruptorului); 6 – distribuitor; 6a – rotor; 6b – ploturi;

7 – fișe (conductori de înaltă tensiune); 8 – conductori de joasă tensiune; 9 – bujii.

Sistemul de ungere al motoarelor termice cu ardere internă are rolul de a asigura o peliculă de ulei între piesele motorului aflate în contact și în mișcare relativă, cu următoarele scopuri: de a reduce frecarea, de a îndepărta produsele frecării de la locul de ungere, răcirea pieselor unse și protecția anticorozivă a acestora.

După procedeul prin care se realizează ungerea, sistemele de ungere se clasifică în:

– sistem de ungere prin amestec;

– sistem de ungere prin stropire (barbotaj);

– sistem de ungere prin presiune;

– sistem de ungere mixt.

Sistemul de ungere prin amestec este utilizat pentru ungerea pieselor motorului cu aprindere prin scânteie cu funcționare în doi timpi. Ungerea prin amestec este cel mai simplu procedeu de ungere și constă în adăugarea unor procente de ulei (2 – 3 %) în benzină, uleiul urmând aceeași cale cu benzina, asigurând ungerea pieselor. Avantajul procedeului constă în simplitatea lui, practic sistemul nu are părți componente. Dezavantajele constau în gradul spori de poluare, consum mai mare de ulei, uzură mai rapidă a pieselor și apariția unor defecțiuni cauzate de depunerile de calamină pe bujii, segmenți, chiulasă etc. ca urmare a depunerilor de zgură și calamină rezultate în urma arderilor.

Sistemul de ungere prin stropire constă în ungerea pieselor cu picături fine de ulei rezultate ca urmare a acțiunii capului mare al bielei care este prevăzut cu proeminențe sau lingurițe, în timpul mișcării de rotație a arborelui motor. Avantajul sistemului constă în simplitatea constructivă, dar ungerea pieselor nu este controlată, în special la motoarele montate pe utilaje mobile datorită înclinării motorului în timpul lucrului.

Sistemul de ungere prin presiune constă în trimiterea uleiului sub presiune la piesele în mișcare cu ajutorul unei pompe. Procedeul se utilizează la motoarele de mare turație, care în timpul lucrului își schimbă poziția. Sistemul cuprinde: baie de ulei, pompă de ulei, filtru de ulei, radiator de ulei, conducte și canale pentru circulația uleiului.

Sistemul de ungere prin stropire asigură o peliculă constantă de ulei între piesele unse, asigură controlul temperaturii și presiunii uleiului. Dezavantajul sistemului constă în complexitatea constructivă și implicit a prețului de cost mai ridicat.

Sistemul de ungere mixt (figura 2.20) este cel mai răspândit deoarece îmbină avantajele ungerii prin stropire cu cele ale ungerii prin presiune. Piesele cu jocuri mari de montaj se ung prin stropire, iar cele cu jocuri mici de montaj se ung prin presiune.

Figura 2.20. Schema sistemului de ungere mixt

1 – baie de ulei; 2 – pompă de ulei; 3 – filtru de ulei; 4 – radiator de ulei;

5 – rampa principală; 6 – canale verticale pentru ulei; 7 – rampa culbutorilor.

Uleiul din baie este absorbit de pompa de ulei prin intermediul sorbului și trimis sub presiune la filtrul de ulei. După filtrare, uleiul este dirijat fie la radiatorul de ulei (când temperatura este ridicată) și apoi la rampă, sau direct la rampa principală, când uleiul este rece. Prin canale, uleiul ajunge la lagărele paliere și manetoane ale arborelui motor, pe care le unge prin presiune. De la lagărele paliere ale arborelui motor, uleiul ajunge la lagărele paliere ale arborelui cu came și la culbutori care sunt unși prin presiune. Celelalte piese ale motorului sunt unse prin stropire. Ungerea prin stropirea este realizată în principal de capul mare al bielei.

Sistemul de răcire al motoarelor termice asigură răcirea pieselor solicitate termic și menține un regim termic optim de funcționare. După modul de răcire, sistemele de răcire se clasifică în:

– sisteme de răcire directă (cu aer);

– sisteme de răcire indirectă (cu lichid).

Sistemul de răcire indirectă poate fi realizat în trei variante:

– prin vaporizare;

– prin termosifon;

– cu circulație forțată și termostat.

Sistemul de răcire directă (figura 2.21.) asigură schimbul de căldură dintre motor și mediul înconjurător direct, prin intermediul aerului.

Figura 2.21. Schema sistemului cu răcire directă

1 – aripioare de răcire; 2 – turbină.

Acest tip de sistem de răcire se utilizează de regulă la motoarele termice cu capacitate cilindrică mică sau mijlocie. Sistemul are în componență o turbină de aer (ventilator), deflectoare pentru aer, aripioare de răcire pe cilindrii și chiulasa motorului. Turbina de aer este antrenată de arborele motor.

Acest sistem prezintă o serie de avantaje: simplitate constructivă, gabarit redus, întreținere ușoară, cheltuieli minime în exploatare.

Dezavantajele constau în: funcționare zgomotoasă, atingerea temperaturii optime de funcționare se realizează mai greu, în special pe timp rece, consum mare de combustibil pe timp rece (temperaturile în interiorul motorului nu sunt bine controlate, unele zone prea calde, altele prea reci).

Sistem de răcire indirectă prin vaporizare (figura 2.22.) este simplu din punct de vedere constructiv, este utilizat din vechime la motoarele staționare, de putere mică și mijlocie. Are în componență: cămașa de răcire a cilindrilor, cămașa de răcire a chiulasei și rezervorul de lichid.

Figura 2.22. Schema sistemului de răcire indirectă prin vaporizare

1 – cămașa de răcire a chiulasei;

2 – cămașa de răcire a cilindrilor;

3 – rezervor de lichid;

4 – ventilator.

Circulația lichidului este asigurată de diferența de densitate dintre lichidul din jurul cilindrilor care se încălzește și cel din rezerv, care este mai rece. O parte din lichid trece în stare de vapori și se pierde, de aceea se impune completarea periodică a lichidului de răcire.

Sistem de răcire indirectă prin termosifon (figura 2.23.) asigură circulația apei pentru răcire datorită diferenței de densitate dintre apa caldă din cămășile de răcire ale motorului și apa rece din radiator. Sistemul este format din: radiator de apă, ventilator, racorduri de legătură, cămașa de răcire a cilindrilor, cămașa de răcire a chiulasei.

Figura 2.23. Sistem de răcire indirectă

cu circulație prin termosifon

1 – cămașa de răcire a cilindrilor;

2 – cămașa de răcire a chiulasei;

3 – radiator de apă; 4 – vapori de apă.

Schimbul de căldură dintre radiator și mediul exterior este intensificat de acțiunea ventilatorului.

Sistem de răcire indirectă cu circulație forțată și termostat (figura 2.24.) este cel mai utilizat sistem de răcire, asigurând atingerea regimului termic optim de funcționare al motorului în cel mai scurt timp, indiferent de anotimp și un regim termic constant.

Sistemul este compus din următoarele părți: radiatorul de apă, ventilatorul, pompa de apă, termostatul, cămașa de răcire a cilindrului, cămașa de răcire a chiulasei, racorduri de legătură și termometrul.

Lichidul de răcire refulat de pompa de apă pătrunde în cămașa de răcirea cilindrilor, trece apoi în cămașa de răcire a chiulasei. După ce răcește cilindrii și chiulasa, lichidul ajunge la termostat și în funcție de temperatura acestuia comandă: trecerea lichidului direct la pompa de apă, dacă temperatura este sub temperatura optimă de funcționare a motorului (sub 75 – 85oC), care îl retrimite în blocul cilindrilor și la chiulasă constituind circuitul scurt, sau către radiator, când motorul se încălzește și se impune răcirea lui, radiatorul cedează căldura aerului din mediul înconjurător, lichidul răcit este aspirat de pompa de apă din bazinul inferior al radiatorului și retrimis în blocul cilindrilor și chiulasă (legătura dintre pompa de apă și termostat se închide), constituind circuitul lung al lichidului de răcire.

Figura 2.24. Schema sistemului de răcire indirectă cu circulație forțată și termostat

1 – cămașa de răcire a chiulase;

2 – cămașa de răcire a cilindrilor;

3 – radiator de apă; 4 – ventilator;

5 – pompă de apă; 6 – termostat.

Principalii indicii de putere ai motoarelor termice

Indicii de putere caracterizează motoarele în ceea ce privește consumul de combustibil și puterea pe care o pot dezvolta.

Consumul de combustibil al unui motor se apreciază prin consumul orar și consumul specific.

Consumul orar C reprezintă cantitatea totală de combustibil consumată de motor în timp de o oră. Se exprimă în kg/h și se folosește pentru stabilirea normelor de consum, sau pentru controlul consumului în limitele prestabilite.

Consumul specific c reprezintă cantitatea de combustibil consumată de motor în timp de o oră, pentru fiecare unitate de putere. Consumul specific de combustibil se exprimă în g/CPh sau g/kWh. Se exprimă prin relația:

, [g/CPh] sau [g/kWh] (2.4)

Bilanțul termic al motoarelor cu ardere internă reprezintă modul de repartizare a energiei calorice rezultată din arderea combustibilului în interiorul cilindrilor motorului, în tipul funcționării acestuia. Se exprimă prin relația:

Qt = Ql + Qr + Qrad + Qai + Qm + Qev , (%) (2.5)

în care: Qt = cantitatea de căldură totală rezultată din arderea combustibilului în interiorul cilindrilor motorului;

Ql = cantitatea de căldură efectiv transformată în lucru mecanic (20 – 40%);

Qr = cantitatea de căldură pierdută prin sistemul de răcire (20 – 35%);

Qrad = cantitatea de căldură pierdută prin radiație de piesele motorului (10 – 20%);

Qai = cantitatea de căldură pierdută prin arderea incompletă a combustibilului (0 – 15%);

Qm = cantitatea de căldură pierdută prin frecările interioare și prin acționarea mecanismelor auxiliare (10 – 25%);

Qev = cantitatea de căldură pierdută prin gazele de evacuare (10 – 20%).

Randamentul efectiv ηe exprimă gradul de utilizare a căldurii rezultate din arderea combustibilului, pentru obținerea lucrului mecanic efectiv. Este dat de raportul dintre cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic Ql și cantitatea totală de căldură rezultată din arderea combustibilului Qt :

ηe = Ql/Qt (2.6)

Pentru diferite tipuri de motoare randamentul este: ηe = 0,20 – 0,30 la motoarele cu aprindere prin scânteie; ηe = 0,30 – 0,40 la motoarele cu aprindere prin comprimare.

Puterea efectivă a motorului Pe reprezintă puterea utilă a motorului măsurată la arborele motor și care poate fi folosită pentru acționări.

Pornirea motoarelor termice

Pornirea unui motor termic presupune acționarea arborelui său cotit, până când se obțin primele aprinderi ale combustibilului. Pentru aceasta, turația arborelui cotit trebuie să ajungă cel puțin la turația minimă de pornire a motorului, care diferă în funcție de tipul motorului:

– 50 – 80 rot/min la motoarele cu aprindere prin scânteie cu sistem de aprindere cu baterie și transformator;

– 100 – 200 rot/min la motoarele cu aprindere prin scânteie cu sistem de aprindere cu magnetou;

– 70 – 100 rot/min la motoarele Diesel cu injecție directă;

– 150 – 200 la motoarele Diesel cu cameră de ardere compartimentată.

Înaintea pornirii, motorul trebuie supus unui control obligatoriu privind:

cantitatea de combustibil din rezervor, nivelul uleiului în baia de ulei, nivelul lichidului de răcire, integritatea subansamblelor etc., pentru a preveni apariția unor avarii.

Pornirea motoarelor cu ardere internă se poate face:

– manual;

– cu motor electric (demaror);

– cu motor termic auxiliar.

Pornirea manuală se poate face cu ajutorul unei manivele cuplată la un capăt al arborelui cotit, la motoarele MAS cu putere de până la 100 CP, sau la motoarele MAC cu putere până la 30 CP.

Pornirea cu motor electric este procedeul cel mai des utilizat. Demarorul este alimentat de la bateria de acumulatoare electrice, transformă energia electrică în lucru mecanic, care se transmite arborelui cotit printr-un angrenaj temporar cu roți dințate.

Pornirea cu motor termic auxiliar este un procedeu întâlnit mai des la motoarele MAC de putere mare.

Căi de reducere a poluării și de protecție a mediului

Principalele efecte negative ale utilizării motoarelor termice pentru acționarea tractoarelor și mașinilor asupra mediului înconjurător sunt poluarea chimică și poluarea sonoră.

Poluarea chimică a mediului poate fi produsă cu substanțe primare și secundare.

Substanțele chimice primare emanate în mediul înconjurător pot fi sub formă gazoasă, lichidă sau solidă și sunt reprezentate prin: monoxid de carbon – CO, dioxid de carbon – CO2, oxizi de azot – NOx, hidrocarburi – HC, oxizi se sulf – SOx, combustibili, uleiuri, funingine etc.

Substanțele chimice secundare se formează în atmosferă prin combinarea celor primare între ele sau cu aerul atmosferic în anumite condiții de temperatură și umiditate, rezultând smogul fotochimic și smogul umed.

Smogul fotochimic apare prin combinarea substanțelor primare când temperatura aerului este mai mare de 20oC, umiditatea aerului este redusă și radiația luminoasă este maximă. Este iritant pentru căile respiratorii și reduce vizibilitatea. Se întâlnește în California, Iran, Tokio. Este determinat în special de oxizii de azot și hidrocarburi nearse.

Smogul umed se formează într-o atmosferă umedă cu și temperatura sub 4oC iar radiația luminoasă este scăzută. Răspunzătoare de formarea smogului umed sunt monoxidul de carbon, oxizii de sulf și funinginea. Efectele sunt asemănătoare cu cele ale smogului fotochimic. Se întâlnește în Anglia.

Principalele mijloace de a reduce poluarea chimică presupune măsuri de reducere a substanțelor chimice primare și secundare și anume:

– folosirea benzinei fără plumb și a motorinei fără sulf;

– utilizarea biocombustibililor în locul combustibililor clasici;

– perfecționarea sistemelor de alimentare ale motoarelor (supraalimentare, injecție pe benzină etc.);

– utilizarea catalizatoarelor pentru tratarea gazelor arse;

– menținerea motoarelor termice la parametrii tehnici optimi de funcționare prin efectuarea operațiilor de întreținere tehnică și reparații.

Poluarea sonoră a mediului este produsă de zgomotul motoarelor termice care echipează tractoarele și mașinile. Sursele de zgomot principale ale motorului termic sunt:

– vibrația gazelor arse;

– vibrația gazelor de admisie;

– vibrația aerului de răcire;

– vibrația suprafeței exterioare a motorului;

– vibrația sistemelor auxiliare;

Nivelul de zgomot se măsoară cu fonometrul iar unitatea de măsură este decibelul (db).

Principalele metode de reducerea nivelului zgomotului sunt:

– ecranarea motorului în jurul surselor de zgomot, care poate reduce zgomotul cu 3 – 5 db;

– capsularea motorului prin închiderea acestuia într-o carcasă căptușită cu materiale absorbante de zgomot, care reduce zgomotul cu 10 – 20 db;

– montarea de amortizoare de zgomot la tobele de evacuare a gazelor arse.

2.1.2. Centrale termice

Prin centrala termică înțelegem o clădire independentă, o clădire anexă specială, încăpere sau spațiu rezervat în care se găsesc unu sau mai multe cazane cu apă caldă, apă fierbinte sau abur pentru încălzire centrală, preparare apă caldă de consum, instalații de ventilație și aer condiționat, eventual pentru alte utilizări (gătit, sterilizat, deshidratat). În centralele termice în afară de cazane se mai găsesc și alte echipamente adiționale care asigură o funcționare optimă a sursei. Combustibilul, puterea termică instalată, tipul de cazan utilizat și tipul de agent termic reprezintă parametrii de bază ai centralei termice.

Clasificarea centralelor termice după tipul de combustibil:

– combustibil solid,

– combustibil gazos,

– combustibil lichid.

Clasificarea centralelor termice după tipul de agent termic:

– apă caldă – cu temperatura apei de până la 115 °C,

– apă fierbinte – cu temperatura apei peste 115 °C,

– abur – presiune redusă, presiune medie.

Clasificarea centralelor termice după presiunea de funcționare:

– presiune redusă: apă caldă până la 115 °C, abur până la 0,07 Mpa ;

– presiune medie: apă fierbinte > 115 °C, abur cu suprapresiune > 0,07 Mpa.

Capacitatea nominală totală a cazanelor pentru încălzire, producerea de apă caldă și pentru condiționarea aerului se determină pe baza diagramei de sarcină cu luarea în considerație a variației sarcinilor în timp. Puterea termică necesară a centralei termice poate fi determinată conform cu STN EN 12828 prin relația 2.7.

QPRIP = fUK * QUK + fTUV * QTUV + fAS * QAS (2.7.)

unde:

QPRIP – puterea sursei de încălzire (kW),

fUK – factorul de proiectare pentru încălzire,

QUK – necesarul de căldură de proiectare pentru încălzire (kW),

fTUV – factorul de proiectare pentru prepararea apei calde menajere,

QTUV – necesarul de căldură pentru prepararea apei calde menajere (kW),

fAS – factorul de proiectare al instalațiilor conectate,

QAS – necesarul de căldură a instalațiilor conectate (kW).

Capacitatea nominală a cazanului se determină din relația 2.8. sau 2.9.

Q’PRIP = 0,8 * QUK max + 0,8 * QV max +1,0 * QTUVn (2.8.)

Q’’PRIP = 1,0 * QUK max +1,0 * QV max (2.9.)

unde: QUKmax – puterea termică maximă necesară pentru încălzire, (W, kW),

QVmax – puterea termică maximă necesară pentru ventilație, (W, kW),

QTUVn – puterea termica necesare pentru prepararea apei calde (W, kW).

Puterea nominală utilă totală a centralei termice (așa-numita valoare de conectare) se determină pe baza necesarului de căldura maxim pentru încălzire, ventilație și preparare apă caldă menajeră în cazul când există dificultăți la prelucrarea diagramei de sarcină sau la determinarea factorului de proiectare. Numărul de cazane ales trebuie să satisfacă cerințele. El trebuie să rezulte din necesarul de căldură pe zi și an și depinde de tipul de combustibil folosit. În cazul combustibilului solid numărul lor nu trebuie să depășească patru bucăți. La defectarea cazanului cu capacitatea cea mai mare siguranța în funcționare a sursei trebuie să fie asigurată la 75% din capacitatea maximă în centralele termice cu încălzire continuă. La centralele termice cu încălzire cu funcționare intermitenta, siguranța este la 60%. Aceste condiții sunt obligatorii pentru surse de căldură cu puterea de până la 250 kW.

Centralele termice vor fi echipate cu aparate de siguranță, măsură și reglare. Fiecare cazan sau preparator de apă caldă va fi echipat cu aparatura de siguranță conform STN 0608 30 și controlul temperaturii apei sau a presiunii aburului.

Cazanele cu puteri mai mari de 100 KW se recomandă să se echipeze cu aparatură pentru măsurarea presiunii și temperaturii gazelor de ardere. Pe drumul gazelor de ardere se vor prevedea orificii acoperite, la care să se poată conecta aparate de măsură (de ex. analizoare pentru gaze de ardere). Centralele termice pe combustibil solid cu puterea termică nominală totală mai mare de 3,5 MW vor fi echipate permanent cu analizoare de gaze de ardere. Cazanele pe combustibil gazos și lichid și toate cazanele mai mari de 50 KW vor fi echipate cu aparatură cu dispozitive care să nu permită scăderea temperaturii apei care intra în cazan sub 65°C. Pompele de rezervă la instalațiile de încălzire cu apă caldă și fierbinte cu o putere termică utilă mai mare de 63 KW vor acoperi, în caz de defecțiune, în proporție de 100% puterea pompei în funcțiune cea mai mare (cu excepția instalațiilor unde pompele pot fi înlocuite în mai puțin de 8 ore). Pompele de condensat vor asigura în orice situație 120% din puterea nominală a echipamentelor racordate la centrala termică.

Tabelul 2.2. Parametrii de baza ai unor combustibili

* EP – combustibil cu conținut de sulf redus ** Valori calorice informative

La cazanele cu abur de joasă presiune, este necesar să se asigure că, cazanul nu se va umple cu condensat sau apă de alimentare și temperatura condensatului la intrarea în cazan nu va fi sub 75 °C.

Randamentul centralei termice depinde de diferiți factori, ex.: tipul combustibilului, calitatea și cantitatea procesului de combustie. Proprietățile fizice ale celor mai importanți combustibili se află în tabelul 2.2. Pentru realizarea unui proces de combustie economic este necesar în primul rând să se realizeze o combustie cu exces de aer adecvat (tabelul 2.4.). Un indicator important al unui proces de combustie economic este concentrația de CO2max din gazele de ardere (tabelul 2.3.).

Tabelul 2.3. Valori informative ale CO2max pentru diferiți combustibili

Tabelul 2.4. Valori informative ale excesului de aer în funcție de tipul de combustie

Există următoarele tipuri de centrale termice :

A) Centrale termice pe combustibil solid.

În ultima decadă a secolului XX, combustibilii rafinați au înlocuit combustibilii solizi (lignit, cărbunele brun și cocsul). În zilele noastre a apărut o reînviere a cazanelor pe combustibil solid, în special la cei care folosesc biomasa drept combustibil alternativ. Aceste centrale termice utilizează o nouă generație de surse de încălzire pe combustibil solid la care exploatarea lor este parțial sau complet automatizată.

Centralele termice mai vechi, cu puteri mai mici, sunt în mod uzual echipate cu cazane de oțel care folosesc cărbunele menționat mai înainte. În acest caz pentru facilitarea alimentarii cu cărbune nivelul pardoselii centralei termice este mai coborât aproximativ cu înălțimea cazanului în comparație cu a depozitului de cărbune. Modul de dispunere a centralelor termice dintr-o generație mai veche este prezentat în figura 2.25. În centralele termice cu puteri mai mari alimentarea cu cărbune este mecanizată. Cazanele moderne utilizând biomasă drept combustibil pot fi automatizate.

Figura 2.25. Dispunerea în plan a unei centrale termice pe combustibil solid

K1, K2, K3 – cazane pe combustibil solid, K – coș de fum combinat pentru gaze de ardere și ventilație, O – HW schimbător de căldură, V – elevator pentru cenușă,

S –canal de fum din zidărie.

Valoarea maxima a consumului de combustibil se determina cu relația 2.10.

(kg/h) (2.10.)

unde: ΣQk – suma puterilor cazanelor instalate în kW,

Hu – puterea calorică a combustibilului în kJ/Nm3, kJ/kg,

ηk – randamentul mediu al cazanelor.

Consumul anual de combustibil se poate calcula din suma consumului anual pentru încălzire, preparare apă caldă de consum, ventilare și eventual consum tehnologic din următoarea relație:

PR = PUK + PTUV + PV + PT (kg/an) (2.11.)

Suprafața depozitului de combustibil considerând consumul anual poate fi determinată din relația 2.12.

AR =PR / Sl (m2) (2.12.)

unde Sl este greutatea combustibilului stocat pe un metru pătrat de depozit (kg/ m2) (aproximativ 1400 kg/m2).

Depozitul de combustibil pentru consumul anual de combustibil se proiectează numai în mod excepțional pentru surse de căldură mai mici. Mărimea depozitului depinde de randament și consumul lunar de combustibil. Repartizarea procentuală a consumului anual de combustibil pentru încălzire și preparare apă caldă se prezintă în tabelul 2.5.

Tabelul 2.5. Consumul procentual lunar de combustibil

pentru încălzire și preparare apă caldă %

B) Centrale termice pe combustibil gazos.

Centralele termice pe combustibil gazos sunt cele mai utilizate pentru încălzirea centrală și preparare apă caldă menajeră din cauza randamentului ridicat și a neafectării mediului înconjurător. La realizarea centralelor termice pe gaz trebuie să se respecte cerințele economice. În centralele termice pe gaz trebuie prevăzute doar echipamente care îndeplinesc cerințele standardelor tehnice, codurilor și avizelor. Compania locală de gaz stabilește modul și locul de racordare la sistemul public de distribuție a gazului. Funcție de puterea instalată, centralele termice pe gaz se pot clasifica astfel:

a. centrala termica categoria a 3-a cu putere nominală utilă pana la 0,5 MW,

b. centrala termica categoria a 2-a cu putere nominală utilă între 0,5 – 3,5 MW,

c. centrala termica categoria întâi cu putere nominală utilă de peste 3,5 MW.

Locația centralei termice:

a. centralele termice clasa a 3-a trebuie amplasate într-un spațiu delimitat, cabinet sau încăpere separată;

b. centralele termice clasa a 2-a vor fi amplasate în încăperi separate, clădiri separate sau cabinete. Este recomandat ca locul centralei termice să se afle la nivelul cel mai înalt, dacă aceasta se amplasează în clădire. În cazul amplasării centralei termice sub spații aglomerate trebuie să fie respectate normele de siguranță prescrise și trebuie montate detectoare de gaz;

c. centralele termice categoria întâi trebuie amplasate în clădiri separate, doar în cazul reabilitării acestea putându-se afla în clădiri reabilitate sau sub spații aglomerate, condiția pentru această soluție fiind ca puterea nominală utilă a centralei termice să nu depășească 5 MW.

Centralele termice din prima și a 2-a categorie ar trebui prevăzute cu zone de evacuare, suprafața, forma și mărimea acestora trebuind să respecte standardele și reglementările tehnice. În cazuri excepționale aceste zone de evacuare vor putea fi eliminate (conform standardelor tehnice și a cerințelor comisiei de siguranță). Modul de dispunere a unei centrale termice pe gaz este prezentat în figura 2.26.

Criteriul de bază în evaluarea unui cazan este randamentul acestuia, care este influențat de pierderile rezultate în procesul de combustie și la distribuția căldurii. Datorita necesității creșterii randamentului au fost concepute și executate noi tipuri de cazane, cu spații de combustie corespunzătoare. Aceste spații fac posibilă o scădere a temperaturii la ieșirea gazelor de ardere și drept urmare, la reducerea pierderilor energetice ale cazanului. Dependența pierderilor menționate la temperatura gazelor de ardere este arătată în figura 2.27. Temperaturile gazelor de ardere la diferite tipuri de cazane pe gaz:

– cazane clasice pe gaz : > 200 °C;

– cazane pe gaz moderne: 160 – 180 °C;

– cazane de temperaturi reduse: 110 – 130 °C;

– cazane în condensație: < 60 °C.

În focarul cazanului are loc procesul de oxidare a particulelor de combustibil rezultând căldura și gaze de ardere. Procesul de oxidare are loc cu participarea oxigenul O2 din aer. Centrala termică trebuie să fie prevăzută cu sistem de ventilație corespunzător pentru asigurarea aerului de combustie și eliminarea particulelor dăunătoare. Acest sistem trebuie să îndeplinească următoarele condiții :

a. asigurarea numărului de schimburi de aer necesare pentru a elimina componentele dăunătoare din punct de vedere energetic și material la orice treaptă de funcționare,

b. asigurarea unui debit suficient de aer de combustie la cazanele care sunt în funcțiune. Ventilarea centralei termice poate fi naturală, forțată sau combinată.

Alegerea tipului de ventilare depinde de puterea cazanelor și de condițiile locale. În centrale termice mai mici pe combustibil solid se recomanda ventilația naturală, pe când la centralele termica pe combustibil lichid este recomandată ventilația forțată sau combinată.

Figura 2.26. Amplasarea în plan a unei centrale termice pe gaz

1 – canal de fum, 2 – ușă de curățire, 3 – coș de fum metalic, 4 – spațiu pentru utilaje,

O1, O2, O3 – distanțe pentru exploatare.

Figura 2.27. Diagrama cu pierderile prin gazele de ardere în funcție de temperatură

A – cazane în condensație, B – cazane cu temperatura scăzută, C – cazane moderne,

D – cazane clasice, Zk – pierderile de căldură la evacuarea gazelor de ardere (%)

Rata de schimb de aer prescrisă în centralele termice pe gaz este :

X = 3 h-1- în toate regimurile de funcționare, excluzând etapa de separare,

X = 6 h-1- la centrale termice din prima și a 2-a categorie aflate în clădiri cu spații aglomerate și dotate cu aparate de reglare și măsură.

X= 10 h-1- ventilația de urgență.

C. Centrale termice pe combustibil lichid.

Combustibilii lichizi sunt hidrocarburile rafinate, făcând posibilă reglarea sursei de căldură și protecția mediului. Pentru centrala termică pe combustibil lichid se respectă următoarele reguli:

– centralele termice pe apă caldă cu puterea utilă totală sub 3,5 MW se pot instala în aceeași clădire cu instalația de încălzire;

– centralele termice pe apă caldă cu o putere utilă de peste 3,5 MW și centralele termice cu cazane pe apă fierbinte sau abur de presiune medie se instalează în clădiri separate;

– alegerea numărului de cazane rezultă în urma unei analize tehnico-economice.

Figura 2.28. Centrala termică cu cazane pe combustibil lichid cu injectoare

1- cazan, 2- rezervor de stocare a combustibilului, 3- conducta de umplere,

4- conducta de pompare, 5- conducta de ventilare, 6- șanț de colectare, 7- gura de

umplere, 8- grila de ventilare, 9- injector de combustibil, 10- robinet de închidere.

Regulile de dispunere ale echipamentelor într-o centrală termică pe combustibil lichid sunt arătate în figura 2.28.

Depozitele de combustibil sunt situate în încăperi separate și constituie zone independente de incendiu. Tipurile de rezervoare de stocare, mărimea și materialul depind de puterea termica utilă, necesarul de combustibil și alte condiții. La gospodăriile de combustibil ca și la centralele termice trebuie luate masuri pentru ca produsele pe bază de ulei să nu afecteze mediul înconjurător.

2.1.3. Puncte termice

Punctele termice preiau căldura de la o sursa centralizată de energie termică. Sursa primară de căldură o constituie centralele electrice de termoficare, centrale termice, eventual centralele termice de zonă. Punctele termice servesc pentru transformarea parametrilor agentului termic primar (transformarea înseamnă schimbarea sau scăderea temperaturii / presiunii / stării). Transferul termic între agentul primar și secundar se face prin puncte termice cu racordare indirecta prin schimbătoare de căldură fără amestec, sau prin puncte termice cu racordare directă cu schimbătoare de căldura cu amestec. Punctele termice cu racordare indirectă se pot clasifica funcție de parametrii și starea agentului termic primar astfel : puncte termice cu apă fierbinte (temperaturi de peste 120 °C), apă caldă (temperaturi sub 120°C) și cu abur. Transferul termic are loc în schimbătoare de căldură cu placi sau din țeavă : apă / apă figura 2.29. sau abur / apă figura 2.30.

Punctele termice cu racordare directă fac posibilă alimentarea cu energie termică prin reglarea presiunii și a temperaturii agentului primar pentru a corespunde cu cerințele rețelei secundare de alimentare cu căldură. Clasificarea punctelor termice funcție de tipul agentului termic primar distribuit (apă sau abur):

– puncte termice cu apă cu racordare directă cu amestec ca în figura 2.31,

– puncte termice cu racordare directă cu reducerea parametrilor aburului.

Figura 2.29. Schema de funcționare a unui punct termic

cu schimbătoare de căldură cu placi apă/apă

1 – schimbător de căldură cu placi, 2 – robinet de siguranță, 3 – ventil cu trei cai cu apă caldă, 4 – contor de căldură, 5 – pompa de circulație pt. încălzire, 6 – pompa de circulație apă caldă menajeră, 7 – contor de căldură, 8 – filtru, 9 – rezervor acumulare, 10 – supapă de siguranță, 11 – apa fierbinte, 12 – apa caldă, 13 – separator de nămol, C – circulație,

S – apa rece, TUV – alimentare.

Figura 2.30. Punct termic cu circuite independente de abur/apa

1 – robinet de închidere, 2 – robinet de siguranță, 3 – debitmetru pentru abur,

4 – distribuitor de abur, 5 – schimbător de căldură vertical, 6 – supapă de siguranță,

7 – pompa de recirculație, 8 – schimbător de căldură cu placi a.c.m.,

9 – vana de amestec pt. încălzire, 10 – distribuitor de apă caldă, 11 – colector de apă caldă, 12 – ventil de reglaj, 13 – contor de condens,

A – zona cu abur de medie presiune, B – zona cu condensat.

Figura 2.31. Punct termic cu amestec apă fierbinte / apă caldă

2.2. Surse regenerabile de energie

Consumurile tot mai mari de energie provenite din combustibilii fosili, care se produc la costuri din ce în ce mai mari, a determinat găsirea și utilizarea unor energii alternative noi, regenerabile. [NUME_REDACTAT] a propus o strategie de creștere a producției și consumului de energie regenerabilă, pentru a reduce dependența de petrol și gaze naturale. [NUME_REDACTAT] este net importator al acestor resurse, iar prețul lor pe piața mondială este în creștere. În plus, consumul petrolului, gazelor naturale sau cărbunilor duce la creșterea poluării și la schimbări climatice nedorite.

[NUME_REDACTAT] Europene în domeniul energiei regenerabile sunt:

dublarea ponderii energiei regenerabile în consumul brut de la 6% la 12%;

creșterea energiei verzi în totalul consumului de electricitate de la 14% la 22% până în 2015;

creșterea ponderii biocombustibilului pe piața de combustibil în transport, la 5,75% până în 2015;

reducerea consumului de energie cu 20% până în 2020, prin creșterea eficienței energetice.

[NUME_REDACTAT] este ca ponderea energiei electrice din resurse regenerabile să ajungă în 2015 la 33%.

Biocombustibilul obținut din ulei de rapiță, soia ori floarea soarelui poate fi folosit atât la utilajele din agricultură, dar și pentru autoturisme.

În prezent pot fi utilizate energii regenerabile furnizate de agricultură (biomasa și biogazul) și energii furnizate din afara procesului de producție agricolă (energia solară, eoliană, geotermică etc.). În funcție de etapele de conversie și utilizare, energia are formele următoare:

> energie primară (această energie este recuperată din natură)

– finită (combustibili clasici);

– regenerabilă.

> energie secundară definită ca formă de energie obținută prin conversia energiei primare și care poate fi folosită într-o gamă largă de aplicații (energie electrică, mangalul, cărbunele sortat de calitate superioară, lemnul de foc tăiat și spart etc.);

> energie finală care reprezintă energia obținută prin conversia energiei secundare într-un motor, cazan, calculator, bec etc.;

> energia utilă se obține prin conversia energiei finale și este energia efectiv înglobată într-un produs sau exclusiv utilizată pentru un serviciu.

Formele primare pot fi grupate astfel:

surse convenționale (clasice): sursele care s-au impus prin folosire îndelungată (combustibili fosili, deșeurile combustibile);

surse neconvenționale: surse care nu au o folosire îndelungată (energie nucleară, energie primară regenerabilă cu cele trei forme: energie solară, energie geotermală, energia dată de mișcarea planetelor).

Sursele regenerabile (reînnoibile) sunt sursele care se regenerează pe măsură ce sunt consumate. Sursele regenerabile de energie sunt radiația solară, energia geotermală și energia dată de mișcarea planetelor din sistemul solar.

Cel mai mare aport de energie primară este adus de radiația solară care ajunge în straturile superioare ale atmosferei terestre. Aproximativ 30% din radiația primită de pământ este reflectată în spațiul cosmic de către nori și suprafața terestră iar restul de 70% este absorbită, ea regăsindu-se în căldura aerului, a apei, în căldura latentă de evaporare a apei din mări și oceane și de pe suprafața de uscat umedă; se regăsește în biomasă datorită proceselor de fotosinteză din plante.

Căldura absorbită de aer și apă este remisă în cele din urmă sub formă de radiații infraroșii (IR) spațiului înconjurător. Căldura latentă de evaporare a apei este de asemenea eliberată prin condensare.

Energia geotermală produce un flux de energie comparativ mic dinspre litosferă spre atmosferă și oceane prin conducția căldurii. Din această energie numai 1% se regăsește în vulcani sau în câmpuri geotermale active.

Mișcarea planetelor din sistemul solar se regăsește disipată în mareele din oceane. Fluxurile de energie generate de radiația solară și celelalte două surse în mediului înconjurător al omului sunt fluxurile naturale de energie secundară care sunt mult mai mici decât fluxurile rezultate prin transferul direct de energie de la lumina solară.

2.2.1. [NUME_REDACTAT] cuprinde totalitatea reziduurilor producției vegetale care pot fi transformate în energie sub diferite forme (bioalimentară, mecanică, termică). Valorificarea energetică a biomasei este important a fi realizată în unitățile agro-zootehnice unde aceasta se produce, astfel fiind eliminat transportul produselor agricole reziduale la distanțe mari.

Biomasa poate fi valorificată diferit ca sursă de energie:

– sub formă de combustibili solizi care se folosesc pentru încălzirea încăperilor, adăposturilor pentru animale, uscarea produselor agricole. În acest scop se folosesc o serie de materiale precum lemnul și reziduurile din lemn, paiele, cocenii, ciocălăii, tulpinile de floarea soarelui și porumb etc.;

– sub formă de combustibili lichizi utilizați la funcționarea motoarelor termice și care sunt reprezentați prin bioetanol (obținut din sorg zaharat, topinambur, floarea soarelui), biometanol (obținut din plop) și biodiesel (sub formă de ulei obținut din rapiță).

Utilizarea biomasei prezintă următoarele avantaje:

– folosirea și vânzarea produselor reziduale poate aduce venituri în exploatațiile agricole;

– nu necesită folosirea de terenuri agricole suplimentare;

– rezolvă parțial încălzirea locuințelor în zonele de câmpie lipsite de pădure, cu cheltuieli minime;

– producerea biomasei nu este limitată teritorial, ea rezultând pe orice teren agricol.

Utilizarea biomasei prezintă și dezavantaje :

– are putere calorică scăzută;

– randament scăzut în instalațiile de ardere, datorită faptului că biomasa conține substanțe volatile. Se recomandă folosirea unor instalații cu două camere de ardere astfel încât în camera secundară să fie arse substanțele volatile (ex. energia termică obținută prin arderea a 5 kg paie = energia obținută prin arderea a 1 Kg combustibil lichid);

– cheltuieli sporite cu colectarea, transportul și depozitarea biomasei.

2.2.2. [NUME_REDACTAT] este un gaz care conține 55 % CH4 și 45 % CO2, obținut prin fermentația substanțelor organice (dejecțiile de la animale, reziduurile vegetale) sub acțiunea bacteriilor anaerobe, la o temperatură cuprinsă între 30–60oC. Pentru obținerea biogazului materia organică trebuie diluată cu apă și ținută la fermentație între 7–21 zile. Schema de principiu pentru producerea biogazului este prezentată în figura 2.32. În procesul de fermentație este nevoie să fie consumată o anumită cantitate de energie calorică care reprezintă aproximativ 30% din energia conținută în biogaz.

Biogazul rezultat are o putere calorică de aproximativ 20 – 24 MJ / m3 iar prin purificare (eliminare CO2, H2S și NH3) poate ajunge până la 36 MJ / m3 și poate fi utilizat ca înlocuitor al motorinei la motoarele termice cu aprindere prin comprimare.

Avantajele utilizării biogazului sunt următoarele :

obținerea de combustibil cu cheltuieli minime;

neutralizarea dejecțiilor de la animale se face cu cheltuieli minime.

Figura 2.32. Schema unei instalații de producere a biogazului

MO – material organic; B – bazin de colectare; AC – apă caldă; P – pompă;

SC – sursă de căldură; F – fermentator; CB – colector biogaz; R – reziduu.

Producerea și utilizarea biogazului prezintă și dezavantaje :

– cantitatea mică de gaz obținută, variabilă în timp (de la o vacă prin colectarea și fermentarea dejecțiilor, în 40 zile se obțin 1,6 m3 de biogaz);

– cheltuieli de investiții mari, recuperabile într-o perioadă mare de timp;

– pentru creșterea randamentului sunt necesare echipamente de purificare a biogazului brut și funcționarea continuă a instalației prin utilizarea a două fermentatoare.

O instalație de producere a biogazului este formată din bazin de colectare materie primă, fermentatorul, depozitul de biogaz, sistemul de transport, sistemul de încălzire și omogenizare a materialului organic. Ca exemplu este instalația cu o capacitate de 14 m3 concepută de un colectiv de specialiști de la facultatea de hidrotehnică a [NUME_REDACTAT] Iași condus de dr. ing. [NUME_REDACTAT] și realizată în gospodării rurale din județele Iași, Botoșani și Suceava. Este compusă dintr-o cameră de alimentare, un bazin de fermentare, gazometrul și camera de evacuare (figura 2.33.). De la baza peretelui exterior al camerei de alimentare până la baza camerei de evacuare se realizează o diferență de nivel de 1,1 m care permite deplasarea gravitațională a materialului supus fermentării (podeaua camerei de alimentare și a fermentatorului se constituie într-un plan înclinat). Camerele de alimentare și evacuare au forma unor cămine de vizitare, cu capace de lemn și accesul pe trepte metalice. Instalația funcționează la temperatura mediului ambiant, izolarea făcându-se cu un strat de paie și gunoi de grajd. Producția de biogaz stagnează dacă temperatura în fermentator scade sub 8 – 10 0C. Pentru accelerarea procesului de fermentare se prevede un agitator cu palete care acționează pe fundul fermentatorului. Acționarea agitatorului este manuală prin intermediul unei manivele. Captarea gazului combustibil se face prin două guri, una situată sub clopot iar cealaltă în spațiul de refugiu al fermentatorului unde se înmagazinează gaze rezultate din biomasa aflată în deplasare spre căminul de evacuare. În condiții normale de funcționare, instalația poate furniza zilnic circa 3 m3 gaz combustibil.

Figura 2.33. Instalație de biogaz de mică capacitate

1 – podea de lemn, 2 – agitator, 3 – perete exterior, 4 – conducta de evacuare gaz,

5 – lest de balast pe podea de lemn, 6 – clopot de tablă (gazometru),

7 – burlan de evacuare, 8 – bucșă de bronz, 9 – canal de evacuare,

10 – perete interior al camerei de alimentare, 11 – perete interior al camerei de evacuare.

2.2.3. Energia solară

Energia solară reprezintă o sursă imensă de energie. În agricultură este utilizată pentru uscarea semințelor, încălzirea adăposturilor, încălzirea apei etc. Astfel, această formă de energie poate fi transformată în energie mecanică, termică, chimică și electrică.

Energia solară reprezintă una din potențialele viitoare surse de energie, folosită fie la înlocuirea definitivă a surselor convenționale de energie cum ar fi: cărbunele, petrolul, gazele naturale etc., fie la folosirea ei ca alternativă la utilizarea surselor de energie convenționale mai ales pe timpul verii, cea de a doua utilizare fiind în momentul de față cea mai răspândită utilizare din întreaga lume. Poate cel mai evident avantaj, în vederea utilizării acesteia, pe care îl are, este acela de a nu produce poluarea mediului înconjurător, deci este o sursă de energie curată; un alt avantaj al energiei solare este faptul că sursa de energie pe care se bazează întreaga tehnologie este gratuită.

Dintre toate sursele de energie care intră în categoria surselor ecologice și regenerabile cum ar fi: energia eoliană, energia geotermală, energia mareelor; energia solară se remarcă prin instalațiile simple și cu costuri reduse ale acestora la nivelul unor temperaturi în jur de 100°C, temperatură folosită pentru încălzirea apei cu peste 40 grade peste temperatura mediului ambiant, instalații folosite la încălzirea apei menajere sau a clădirilor. De aceea, este deosebit de atractivă ideea utilizării energiei solare în scopul încălzirii locuințelor și se pare că acesta va fi unul dintre cele mai largi domenii de aplicație a energiei solare în următorul secol. Tehnologia echipamentului pentru instalațiile solare de încălzire a clădirilor este deja destul de bine pusă la punct într-o serie de țări ca Japonia, S.U.A., Australia, Israel, Rusia, Franța, Canada și Germania.

Pentru utilizarea energiei solare este nevoie de conversia acesteia în alte forme de energie, conversii care sunt reprezentate prin:

> conversia fototermică – care prezintă o mare importanță în aplicațiile industriale (încălzirea clădirilor, prepararea apei calde de consum, uscarea materialelor, distilarea apei etc.). În cazul conversiei fototermice, adică a termoconversiei directe a energiei solare, se obține căldura înmagazinată în apă, abur, aer cald, alte medii (lichide, gazoase sau solide). Căldura astfel obținută poate fi folosită direct sau convertită în energie electrică, prin centrale termoelectrice sau prin efect termoionic; poate fi folosită prin transformări termochimice sau poate fi stocată în diverse medii solide sau lichide.

> conversia fotomecanică – care prezintă importanță deosebită în energetica spațială, unde conversia bazată pe presiunea luminii dă naștere la motorul tip "velă solară", necesar zborurilor navelor cosmice. Conversia fotomecanică se referă la echiparea navelor cosmice destinate călătoriilor lungi, interplanetare, cu așa zisele "pânze solare", la care, datorită interacțiunii între fotoni și mari suprafețe reflectante, desfășurate după ce nava a ajuns în "vidul cosmic", se produce propulsarea prin impulsul cedat de fotoni la interacțiune.

> conversia fotochimică – care poate prin două moduri să utilizeze soarele într-o reacție chimică, fie direct prin excitații luminoase a moleculelor unui corp, fie indirect prin intermediul plantelor (fotosinteză) sau a transformării produselor de dejecție a animalelor. Conversia fotochimică privește obținerea pilelor de combustie prin procesele de mai sus.

> conversia fotoelectrică – cu mari aplicații atât în energetica solară terestră, cât și în energetica spațială. Conversia fotoelectrică directă se poate realiza folosind proprietățile materialelor semiconductoare din care se confecționează pilele fotovoltaice. Problema a fost complet rezolvată la nivelul sateliților și a navelor cosmice, dar prețurile, pentru utilizările curente, sunt încă mari.

Energia solară cu ajutorul diverselor instalații se utilizează în toate domeniile de activitate și pentru diferite procese cum ar fi: încălzirea apei menajere, pentru producerea de curent electric, pentru uscarea lemnului, pentru desalinizarea apei etc. după cum este prezentat în figura 2.34.

Utilizarea energiei solare prezintă o serie de avantaje :

– este o sursă de energie inepuizabilă;

– este disponibilă chiar la locurile unde există cerere de energie, fără să fie nevoie de sisteme de distribuție;

– este o energie nepoluantă, ușor de supravegheat și fără riscuri de accidentare pentru utilizatori;

– se obține energie la costuri mici.

Prezintă și dezavantaje:

– în funcție de condițiile meteorologice, energia solară nu poate fi utilizată în orice moment al zilei;

– energia radiantă solară este variabilă, în funcție de anotimpuri.

Figura 2.34. Colectoare solare și domenii de utilizare

Energia solară poate fi utilizată pentru:

– pomparea apei – radiația solară este transformată în căldură iar aceasta antrenează un motor care produce energia mecanică necesară;

– încălzirea apei – este cea mai importantă utilizare a energiei solare.

Captatoarele cu concentrator (sau cu focalizarea radiațiilor) utilizează sisteme optice bazate pe reflexie sau refracție pentru a mări densitatea fluxului de radiație care cade pe suprafața de captare a receptorului. În consecință, un captator cu focalizare poate fi considerat ca un caz special de captator plan, modificat prin interpunerea între receptor și Soare a unui concentrator de radiații.

Odată cu creșterea densității fluxului de radiație solară care ajunge la receptor scade suprafața necesară de recepție pentru o aceeași cantitate totală de energie captată ceea ce determină în mod corespunzător scăderea pierderilor termice ale receptorului și conduce în final la obținerea unor temperaturi mai mari în fluidul de lucru. Pe de altă parte însă, sistemele cu concentrator funcționează numai pe baza componentei directe a radiației solare. În consecință radiația difuză este pierdută pentru captare și în plus apar și alte pierderi optice suplimentare, față de captatoarele plane. Pe lângă acestea pierderile prin radiație la temperaturi mai mari decât cele din captatoarele plane devin din ce în ce mai importante. Din punctul de vedere al realizării practice (proiectare, tehnologie, exploatare) captatoarele cu concentrator prezintă câteva probleme suplimentare față de captatoarele plane. Astfel, cu excepția unor sisteme cu raport mic de concentrare, toate captatoarele cu focalizare necesită un sistem de orientare pentru urmărirea mișcării aparente diurne, lunare sau anotimpurile soarelui, în așa fel încât cu ajutorul sistemului optic de concentrare radiația directă să fie dirijată permanent către suprafața absorbantă a receptorului. Pe de altă parte apar și unele cerințe specifice pentru întreținerea sistemelor optice, în special pentru păstrarea calității suprafețelor de reflexie sau refracție împotriva murdăririi, oxidării, deteriorării sau deformării.

Captatorul cu concentrare (focalizare) prezentat în figura 2.35. nu este decât un caz particular al captatorului plan, căruia prin introducerea concentratorului de radiații i s-a micșorat suprafața de recepție și odată cu aceasta i s-au redus pierderile de căldură, obținând în final temperaturi mai ridicate ale fluidului de lucru. Captatorul cu concentrator piramidal face parte din categoria captatoarelor cu concentratorul fix. Poate fi considerat cel mai simplu captator cu concentrare, fiind alcătuit din mai multe suprafețe plane reflectante, astfel dispuse în raport cu captatorul, încât să se obțină un coeficient de concentrare C cât mai ridicat (de ex. C cuprins între 2 și 6). Coeficientul (raportul) de concentrare este definit ca raportul dintre valoarea medie a densității fluxului de radiații colectate de către receptor și densitatea fluxului de radiație care cade pe concentrator).

Soluția cu concentrator piramidal folosit la încălzirea solară a încăperilor constă din montarea pe pereți, plafonul (2) și pardoseala din interiorul unei încăperi, precum și pe peretele basculant (4) din exterior, de panouri plane cu suprafața executată din plastic aluminizat mylar.

Elemente componente ale captatorului din figura 2.35. sunt :

captator plan alcătuit din țevi prin care circulă fluidul caloportor ;

pardoseala cu suprafața reflectantă ;

perete cu suprafața reflectantă ;

panou cu partea interioară acoperită cu suprafața reflectantă ;

perete basculant cu suprafața interioară reflectantă.

Toate suprafețele reflectante, atât cele fixe, cât și cea mobilă, sunt astfel orientate, încât radiațiile solare care cad pe ele, să poată ajunge după câteva reflexii la captatorul plan 5 montat în pardoseală de exemplu: punct mobil-plafon-captator: plafon-perete-captator, pardoseală-plafon-perete-captator etc.). Captatorul plan este prevăzut cu canale prin care circulă fluidul purtător de căldură (aer, apă etc.). Cunoscând că raportul de concentrare variază între 2 și 6, iar factorul energetic de reflexie are valori în jur de 0,8, se poate conta pe o reducere a suprafeței captatorului de 1,6 – 4,8 ori.

Tipul de concentrator piramidal, în raport cu celelalte captatoare cu concentrare, prezintă avantajul că poate colecta pe lângă radiațiile directe și o bună parte din radiațiile difuze, mărind astfel durata de utilizare a lui în timpul unei zile (în special în zilele cu nebulozitate).

Captatorul cu concentrator cilindro-parabolic din figura 2.36. se compune din următoarele elemente principale:

suprafața de recepție 1 executată dintr-o oglindă cilindro-parabolică ;

receptorul 2 de radiație concentrată, montat în focar ;

intrare fluid purtător de căldură 3;

ieșire fluid purtător de căldură 4 și suportul 5.

Figura 2.35. Captator cu concentrare

Figura 2.36. Captatorul cu

concentrator cilindro-parabolic

Mișcările captatorului sau ale elementelor lui componente se pot realiza automat sau manual, continuu sau discontinuu, toate acestea depinzând de scopul și locul unde este utilizat. Astfel, la instalațiile solare unde parametrii fluidului de lucru trebuie să fie cuprinși în limite strânse, se impune asigurarea automată a mișcărilor captatorului după soare, iar în celelalte cazuri, ajustările poziției acestuia se pot face manual sau cu ajutorul unui motor, la intervale mai mari care pot merge la o rotație pe lună, anotimp sau chiar an.

Figura 2.37. Instalație solară

cu stocarea energiei

Problema stocării energiei (figura 2.37.) trebuie analizată privind instalația termoenergetică ca un sistem compus din următoarele elemente principale:

captatorul de energie solară ;

unitatea de stocare a energiei ;

aparatura de conversie a energiei ;

instalația consumatoare de energie ;

consumatorii auxiliari de energie ;

sistemul de automatizare și control.

Caracteristicile și randamentul fiecăruia dintre aceste elemente sunt legate de cele ale celorlalte elemente componente din instalație. Astfel, deoarece randamentul captatoarelor solare depinde de temperatură, aceasta atrage după sine faptul că randamentul întregului sistem va fi dependent de temperatură. De exemplu, într-o instalație termoenergetică solară, dacă se folosește un sistem de stocare a energiei termice care este caracterizat printr-o cădere mare de temperatură între intrarea și ieșirea fluidului purtător de căldură, aceasta va conduce la necesitatea unei temperaturi ridicate în captator și deci la un randament scăzut al captatorului; de asemenea, va conduce la o temperatură scăzută a sursei calde a mașinii termice și în consecință la un randament scăzut al acesteia.

Efectul voltaic se referă la transformarea directă a energiei solare în energie electrică, prin utilizarea unor celule fotovoltaice. O celulă fotovoltaică reprezentată în figura 2.38. este formată din straturi de semiconductori de tip n și p care au la bază ca materie primă dioxidul de siliciu. Randamentul de transformare a energiei solare în căldură este cuprins între 50 – 70%, în condiții climatice favorabile.

Figura 2.38. Celula fotovoltaică

RS – radiația solară, p și n – semiconductori.

2.2.4. Energia eoliană

Energia eoliană este una din cele mai vechi forme de energie utilizate în procesele de producție a bunurilor materiale. În țara noastră înainte de apariția energiei fosile, a avut o mare dezvoltare folosirea morilor de vânt pentru măcinat și pompat apa. În prezent energia eoliană este utilizată pentru alimentările cu apă în mediul rural, pentru producerea energiei electrice în zonele unde nu există rețea electrică, pentru acționarea pompelor din cadrul instalațiilor de irigat, în zonele de câmpie cu vânt puternic.

Avantajele pe care le prezintă utilizarea energiei eoliene sunt următoarele :

este gratuită, inepuizabilă și nepoluantă;

vântul bate în perioada în care este mare nevoie de energie: iarna pentru încălzit, primăvara și toamna când rezervele de apă din sol sunt reduse și această energie poate fi folosită pentru acționarea instalațiilor de pompare din cadrul sistemelor de irigații.

Dezavantajele utilizării acestei forme de energie sunt:

vânturile au un caracter aleator (intensitatea, direcția și durata cunosc variații mari) și pentru folosirea energiei eoliene sunt necesare instalații de stocare;

viteza minimă a vântului trebuie să fie de 3 m/s pentru a putea acționa turbina eoliană;

cost ridicat al instalațiilor datorate înălțimii lor.

Pentru transformarea energiei eoliene în energie mecanică sunt folosite turbinele eoliene. Turbina eoliană este un motor care transformă energia vântului în energie mecanică. Clasificarea turbinelor se face după următoarele criterii :

> după poziția axului turbinei:
– cu ax orizontal (rapide);

– cu ax vertical (Savonius).

> în funcție de direcția de deplasare a palelor față de direcția vântului:

– turbine cu pale care se deplasează după direcția vântului;

– turbine cu pale care se deplasează perpendicular pe direcția vântului.

Părțile componente ale unei turbine sunt prezentate în figura 2.39.a. :

1. pale – forma și concepția lor este esențială pentru a asigura forța de rotație necesară; acest design este propriu fiecărui tip de generator electric ;

2. nacela – conține generatorul electric asigurând și o protecție mecanică ;

3. pilon – asigură structura de susținere și rezistența a ansamblului superior ;

4. fundația – asigură rezistența mecanică a generatorului eolian.

Curentul electric obținut este fie transmis spre înmagazinare în baterii și folosit apoi cu ajutorul unui invertor DC-AC în cazul turbinelor de mică capacitate, fie livrat direct rețelei de curent alternativ (AC) spre distribuitori. În figura 2.39.b. sunt reprezentate părțile componente ale unui sistem eolian

Figura 2.39. Sistem energetic eolian

2.2.5. Energia hidraulică

Energia hidraulică este reprezentată prin energia apelor curgătoare, energia valurilor, energia curenților marini, energia mareelor. Pentru captarea acestei forme de energie sunt utilizate turbinele hidraulice care transformă energia hidraulică în energie mecanică. Clasificarea acestor turbine se face după principiul de funcționare:

– turbine cu acțiune (prezintă aceeași presiune a fluidului la intrarea și ieșirea dintre pale);

– turbine cu reacție (au la bază principiul reacției hidraulice. Presiunea la ieșire este mult mai mică decât presiunea la intrare).

Energia electrică obținută de la microhidroturbine se bazează pe un concept foarte simplu. Apa curgătoare învârte o turbină care la rândul ei acționează un generator care produce energie electrică. Evident sistemul este un pic mai complex și conține mai multe componente, însă acesta este principiul de bază.

“Forța” apei este de fapt o combinație între CAP (head) și DEBIT (flow). Ambele trebuie să fie prezente pentru a produce energie. CAP (head) – este presiunea creată de distanța verticală între locul în care apa pătrunde în conducta de aducție (pipeline) și locația turbinei și e măsurată în picioare (sau metri), sau ca presiune în pounds (sau livre) pe inch pătrat (psi). DEBIT (flow) – este o cantitate de apă ( exprimată în volum per timp) care curge prin conducta de aducție într-o anumită perioadă de timp și este măsurată în metri cub / secundă, galoane pe minut (gpm) sau litri pe minut.

Figura 2.40. Schema unui sistem de

generare hidraulică

Apa este colectată într-un micro-bazin și apoi canalizată prin conducta de aducție direct în turbină. Căderea pe verticală (cap), creează presiunea necesară la capătul inferior al conductei de aducție, pentru a pune în mișcare turbina. Cu cât va fi mai mare debitul sau capul, cu atât se obține mai multă energie electrică.

Valorile acestor două criterii, sunt foarte importante pentru determinarea valorii de energie electrică (potențialul) unei locații pentru implementarea unui microhidrosistem bazat pe microhidroturbine. Schema unui sistem de generare este prezentată în figura 2.40.

Figura 2.41. Turbina elicoidală orizontală în S

Figura 2.42. [NUME_REDACTAT] orizontal

Folosirea celei mai bune turbine depinde de CAP și DEBIT. De exemplu turbina Pelton este mai eficientă în locațiile cu CAP înalt, în contrast cu o turbina Crossflow care e folosita numai în locațiile cu CAP scurt dar DEBIT mare.

Conducta de aducție (pipeline) nu este numai “ghidajul” pentru apă, în drumul ei spre turbină, dar și cea care creează presiunea necesară. Ca efect, conducta de aducție concentrează toată presiunea creată de diferența de nivel, la baza conductei, la intrarea în turbină.

2.2.6. Energia geotermală

Energia geotermală se utilizează pentru încălzirea încăperilor (sere, solarii), încălzirea apei în adăposturile de animale, menținerea procesului de fermentație la producerea biogazului, pentru uscarea și industrializarea produselor agricole și producerea energiei electrice.

Avantajele utilizării acestei forme de energie sunt următoarele :

este o energie nepoluantă;

nu necesită instalații speciale pentru convertirea ei în alte forme de energie.

Dezavantajele utilizării energiei geotermale sunt :

folosirea energiei geotermice este restricționată în zonele unde sunt amplasate instalațiile de foraj;

conținutul în minerale ale apei geotermale poate coroda instalația de distribuție;

utilizarea apei geotermale este însoțită de zgomot și emanații de gaze;

costuri ridicate pentru captarea ei.

În funcție de zăcământ, fluidul geotermal poate fi utilizat pentru producerea de energie electrică indiferent de starea termodinamică în care este disponibil: abur supraîncălzit, abur saturat uscat, abur umed sau lichid. Pentru fiecare din aceste stări, instalațiile de conversie a energiei geotermale în energie electrică sunt diferite din punct de vedere constructiv dar, în principiu, toate transformă energia fluidului geotermal în energie mecanică apoi, prin intermediul unui generator electric, în energie electrică.

Conversia în energie mecanică se poate realiza direct prin intermediul unor agregate prin care circulă fluidul geotermal sau indirect, prin intermediul unui fluid secundar care evoluează după un ciclu termodinamic motor, în care fluidul geotermal reprezintă sursa caldă a ciclului.

Figura 2.43. Complexul geotermal de la Universitatea din [NUME_REDACTAT] energiei geotermale în energie electrică se poate realiza în centrale electrice a căror soluție constructivă depinde de starea termodinamică în care se află fluidul geotermal:

centrale electrice pentru abur saturat uscat ;

centrale electrice pentru abur umed cu o laminare ;

centrale electrice pentru abur umed cu două laminări ;

centrale electrice cu fluid secundar (centrale binare) ;

centrale electrice cu separator bifazic rotativ.

În cadrul [NUME_REDACTAT] de [NUME_REDACTAT] din subordinea [NUME_REDACTAT] din Oradea a fost realizat un complex geotermal automatizat (figura 2.43.).

Stația sondei geotermale este amplasată într-o clădire având suprafața de 15 m2, în care sunt amplasate echipamentele specifice exploatării eficiente a sondei geotermale nr. 4796, Universitatea din Oradea.

Figura 2.44. Stația sondei – schema constructiv-funcțională

În anul 1981 a fost forat în cadrul campusului universitar Oradea un puț geotermal, la adâncimea de 2991 m. Debitul artezian inițial a fost de 31 l/s, cu o temperatură la capul sondei de 87°C.

Figura 2.45. Stația pompelor – schema constructiv-funcțională

Stația pompelor (figura 2.45.), amenajată într-o incintă de 20 m2, este amplasată în apropierea stației sondei, fiind echipată cu două pompe Grundfos și echipamente auxiliare necesare. Rolul stației de pompare este furnizarea apei geotermale la caracteristici de debit și presiune necesare echipamentelor din aval. Funcționarea la parametrii ceruți se realizează prin bucle de automatizare.

[NUME_REDACTAT] Geotermală, parte componentă a [NUME_REDACTAT], realizează conversia energiei termice a apei geotermale în energie electrică, folosind ca agent de lucru bioxidul de carbon. Este amplasată în clădirea [NUME_REDACTAT] Național de [NUME_REDACTAT], ocupând o suprafață de aproximativ 400 m2.

Figura 2.46. [NUME_REDACTAT] Geotermală – schema constructiv-funcțională

Figura 2.47. Punctul termic – schema constructiv-funcțională

[NUME_REDACTAT] [NUME_REDACTAT], a cărei schema constructiv–funcțională este prezentată în figura 2.46., este compusă dintr-o baterie de vaporizatoare, un organ motor cuplat cu un generator electric de curent alternativ, două baterii de condensatoare, un vas tampon și pompa de CO2 lichid. Alimentarea cu apă geotermală se realizează prin intermediul unei conducte de la stația sondei, iar alimentarea cu apă de răcire este realizată prin forajele existente în stratul de apă freatică.

Bateria de vaporizatoare, la fel ca și cele două baterii de condensatoare, este compusă din schimbătoare de căldură cu fascicul de țevi paralele, organul motor este, în prezent, un motor pneumatic cu piston, de construcție “boxer”, având 12 cilindri, iar pompa de CO2 lichid este o pompa cu 4 pistoane, construcție “boxer”.

Amplasat la aproximativ 400 m de stația sondei, într-o clădire cu suprafața de aproximativ 200 m2, punctul termic are rolul de a asigura energia termică necesară încălzirii campusului universitar și a apei calde menajere. Schema constructiv–funcțională este prezentată în figura 2.47. Schimbătoarele de căldură utilizate atât pentru încălzire, cât și pentru furnizarea apei calde menajere sunt schimbătoare de căldură în plăci.

Pentru încălzire sunt utilizate patru schimbătoare de căldură, care asigură agentul termic pentru încălzirea clădirilor universității. De asemenea, sistemul de încălzire este dotat cu trei pompe de circulație pentru circuitul secundar și de un hidrofor care menține presiunea necesară în circuitul secundar. Apa caldă menajeră este obținută prin încălzirea, în două schimbătoare de căldură, a apei reci furnizată de sistemul de distribuție al orașului. Parametrii de livrare din punctul termic ai agentului din circuitul secundar pentru încălzire, precum și a apei calde menajere sunt în conformitate cu standardele românești. Sistemul de automatizare permite menținerea acestor parametri în limitele impuse; reglarea temperaturii din încăperi este realizată printr-un program de automatizare, care ia în calcul temperatura exterioară și viteza vântului și care permite furnizarea agentului secundar la debit constant și temperatură variabilă, după necesități.

Complexul de sere Expo-Flora, în suprafață totală de 200 m2, a fost realizat în anul 1997. Este destinat studiului și cercetărilor de morfologie și fiziologie a plantelor, având în studiu atât plante de apartament, cât și plante decorative exotice. Sera este încălzită cu apă geotermală de la sonda nr. 4004 din România, cu temperatura la capul sondei de 80°C; debitul necesar pentru încălzirea întregului complex este de 10 l/s la o presiune de 0,8-1 bar. Complexul de sere este dotat cu două laboratoare de cercetare, echipate cu aparatură de înaltă tehnicitate. Complexul de sere este utilizat și în scop didactic, de acesta beneficiind studenții de la facultățile de Biologie și Chimie.

[NUME_REDACTAT] de [NUME_REDACTAT] dispune de un sistem de monitorizare, control și achiziții de date tip SCADA care cuprinde un automat programabil (PLC) [NUME_REDACTAT], două calculatoare PC, echipamente de măsură, control și acționare și soft-urile necesare (interfața grafică InTouch, programul pentru PLC etc.). Sistemul permite funcționarea în două moduri selectate de către operator și anume:

modul automat, în care monitorizarea proceselor și deciziile de reacție (reglare) sunt realizate de către PLC ([NUME_REDACTAT] Controller) ;

modul manual, în care monitorizarea proceselor se realizează de către PLC, iar deciziile de reacție (reglare) sunt luate de către operator.

2.2.7. Utilizarea pompelor de căldură

Când necesarul de căldură este mai ridicat decât cel potențial, realizat prin intermediul energiilor regenerabile, apare ca necesară folosirea unor surse auxiliare. Una din sursele auxiliare poartă denumirea de pompă de căldură, care este utilizată pentru trecerea căldurii la valori din ce în ce mai mari ale temperaturii. Pompa preia căldura cu valoare mică a temperaturii de la o sursă și o cedează sub formă de potențial termic ridicat printr-un consum de energie mecanică. Pompa de căldură (termică), funcționează după un ciclu termodinamic invers, absorbind căldura cu temperatură scăzută de la o sursă și cedarea căldurii cu temperatură mai ridicată unui consumator.

Pompele de căldură se împart după energia necesară funcționării în:

– pompe de căldură cu compresie;

– pompe de căldură cu absorbție.

Pompa de căldură este formată din evaporator, condensator, compresor, ventil de laminare și motor pentru antrenarea compresorului. Sursa rece de căldură primește o anumită cantitate de căldură din aer, apă etc. care va fi transferată unui fluid de lucru (freon, amoniac etc.) prin intermediul pompei de căldură, la o temperatură mai mare. Pompa prezintă un evaporator care preia căldura de la sursa rece și un condensator care trimite căldura la sursa caldă.

Figura 2.48. Schema de principiu a unei pompe de căldură

Va – vaporizator; Ve – ventil; Co – condensator; C – compresor; M – motor.

Evaporatorul are o presiune mai mică față de condensator iar recircularea fluidului poate fi realizată cu ajutorul unui compresor sau prin absorbție.

Solul este un "acumulator periodic" de căldură provenită de la radiația solară. Această căldură se acumulează în timpul sezonului de vară în straturile superioare ale solului. Ea poate fi folosită în perioada sezonului de încălzire.

Instalația are țevi montate în sol în care circulă agent frigorific. Este nevoie de o suprafață colectoare de aproximativ 100 m2 pentru a obține o putere termică utilă de 1 kW. Utilizarea solului ca și sursă de căldură depinde de existența unor suprafețe disponibile. Căldura prin sol este obținută prin montarea de conducte orizontale (colectoare montate în sol). Pentru aceasta este necesar ca aria colectorului să fie de la 1 la 1,5 mai mare decât aria încălzită. Astăzi, din acest motiv sunt folosite colectoare îngropate cu schimbător de căldură vertical (sonde în pământ) având o adâncime de la 50 la 100 metri.

Pentru a alege aerul exterior ca sursă de căldură este necesar să fie cunoscute condițiile climatice și meteorologice pentru localitatea respectivă. Trebuie să fie cunoscute variațiile de umiditate precum și variațiile zilnice și lunare de temperatură. Marele avantaj al aerului este că se găsește oriunde. Dezavantaj – aerul exterior mai rece este cel mai prost din punctul de vedere al eficientei pompei de căldură. Debitul de aer necesar pentru 1kW căldură extrasă este ~1200m3/h.

Apa freatică este adecvată ca și sursă de căldură la pompele de căldură, pentru că are o adâncime și un nivel al temperaturii relativ stabile (de la 7ºC la 12ºC). Dezavantaje – nu există pretutindeni și are diferite caracteristici. La pompele de căldură la care energia termică se obține prin forare este necesar să se facă analiza apei. Rezultatul analizelor se recomandă să se discute cu producătorul de pompe de căldură și cu proiectantul instalației de încălzire, pentru a se putea preveni coroziunea. Sondele trebuie să fie în număr de două, cu un spațiu între ele de la 10 la 15 metri. O sondă se utilizează pentru consum iar cea de-a doua este folosită pentru reintroducerea apei utilizate. În astfel de cazuri circulația apei trebuie să fie asigurată de pompe montate în serie. Debitul de apă subterană necesar pentru extragerea unei puteri de 1 kW este de 0,02 – 0,03 1/s.

Pompele de căldură sunt foarte potrivite pentru utilizarea căldurii deșeu. La temperaturi de la 10°C la 20°C, această căldură se află la parametri inutilizabili în mod direct. Prin utilizarea pompelor de căldură această temperatură poate să crească la peste 55°C. Foarte sofisticată este instalarea de pompe de căldură la ventilarea mecanică a clădirilor și la recuperarea căldurii. La ventilarea organizată a spațiilor, introducerea aerului proaspăt se face cu ventilatoare. Aerul uzat nu este evacuat direct în exterior, ci este trecut printr-un schimbător de căldură, iar o parte a căldurii este extrasă și transferată la aerul proaspăt venit de afară. Din cauza ecartului de temperatură necesar, la aceste schimbătoare de căldură aerul proaspăt nu poate ajunge la temperatura dorită. Din acest motiv schimbătorul de căldură este adesea combinat cu o pompă de căldură.

Figura 2.49. Schema de montaj a țevilor pompelor de căldură

2.3. Utilizarea energiei electrice în acționarea utilajelor

Energia electrică este o formă intermediară de energie care poate fi transformată în alte forme de energie: mecanică, termică, luminoasă etc. Energia electrică este folosită pentru atât în alimentația publică, turism cât și la mecanizarea proceselor de producție din agricultură :

prepararea hranei animalelor ;

alimentarea cu apă ;

evacuarea dejecțiilor de la animale ;

la instalațiile de muls ;

la instalațiile de iluminat, încălzit ;

la instalațiile de condiționare și prelucrare a produselor agricole etc.

Energia electrică este obținută în centralele electrice cu ajutorul unor mașini electrice denumite generatoare. Energia mecanică necesară pentru acționarea generatoarelor provine din transformarea altor forme de energie (calorică, hidraulică, nucleară). Energia electrică poate fi asigurată din sistemul energetic național sau din surse proprii (grupuri electrogene, microhidrocentrale, turbine eoliene).

Cel mai răspândit procedeu de producere a energiei electrice, este cel în care se utilizează o sursă de căldură care să asigure încălzirea apei în scopul obținerii de vapori sub presiune. Acești vapori destinzându-se într-o turbină, antrenează generatorul de curent care produce electricitate. După efectuarea lucrului mecanic necesar, vaporii sunt condensați cu ajutorul unei surse de frig (o sursă de apă rece). Căldura necesară acestui proces este cea rezultată prin arderea combustibililor fosili (cărbune, gaz, petrol) sau rezultatul fuziunii nucleare. Combustibilii fosili pot fi înlocuiți cu alte surse de energie, reprezentate prin biomasă, biogaz, energie geotermică, energie solară, energie eoliană și energie hidraulică. În cazul energiilor eoliene și hidraulice, turbina este acționată de vânt sau apă și la rândul ei antrenează generatorul de curent. În cazul energiei solare fotovoltaice, energia electrică este produsă direct, prin intermediul celulelor semiconductoare de siliciu, pe baza energiei conținute de radiația solară.

Figura 2.50. Schema producerii, transportului și distribuției energiei electrice

1. generator sincron 6 sau 10 KV; 2. transformator ridicător de tensiune 110, 220 sau 400 KV; 3. transformator zonal, coborâtor de tensiune 6, 10 sau 20 KV; 4. transformator de alimentare, coborâtor de tensiune; 5. consumator electric (motor electric trifazat 380V);

6. consumator electric monofazat.

Rețeaua de producere, transport și distribuție are următoarele elemente:

generatoare sincrone de curent alternativ trifazat;

transformatoare ridicătoare de tensiune;

liniile electrice de înaltă tensiune (110 kV, 220 kV, 400 KV, 750 kV, 1MV);

transformatoare zonale coborâtoare de tensiune;

liniile electrice de tensiune medie (10 kV, 15 kV, 20 KV);

transformatoare coborâtoare de tensiune, de alimentare;

rețeaua de distribuție la consumatori (230 V, 400 V).

Figura 2.51. Schema producerii, transportului și distribuției energiei electrice

În figura 2.50. și 2.51. este prezentată schema producerii, transportului și distribuției energiei electrice.

În timpul transportului energiei electrice se înregistrează pierderi datorate efectului termic la trecerea curentului prin conductor. Căldura produsă la trecerea curentului electric printr-un conductor se exprimă prin relația 2.13.

Q = I2 . R . T, (J) (2.13.)

în care: I = intensitatea curentului electric (A);

R = rezistența electrică a conductorului (Ω);

T = timpul (s).

Pentru ca pierderile de energie electrică să fie cât mai mici trebuie ca intensitatea curentului să fie cât mai mică. Astfel, la aceeași putere pentru ca intensitatea curentului să fie mică trebuie ca valoarea tensiunii să fie mare.

Puterea curentului electric reprezintă produsul dintre intensitate și tensiune și este dată de relația 2.14.

P = I . U, (KVA) (2.14.)

în care : U = tensiunea curentului electric. Pentru pierderi minime de energie este nevoie ca transportul să se facă la tensiuni mari.

Deoarece alimentarea cu energie electrică trebuie să se facă permanent și în cantități suficiente, este necesară alimentarea de la mai multe centrale electrice. În felul acesta a luat naștere sistemul electroenergetic național. Sistemul electroenergetic cuprinde totalitatea centralelor electrice, stații de transformare și consumatori de energie electrică, care sunt legați între ei prin liniile aceleiași rețele. Prin conectarea centralelor electrice la sistemul energetic național, se asigură o mai justă repartiție a curentului electric și o utilizare mai economică a resurselor energetice. Pentru unii consumatori mici, izolați, la distanțe mari, se instalează microcentrale locale care nu sunt conectate la sistemul electroenergetic.

Figura 2.52. Obținerea energiei electrice din alte surse de energie

a. C – sursă de căldură; T – turbină; A – alternator; SF – sursa de frig; E – electricitate.

b. PAV – presiunea apei sau vântului; T – turbina; A – alternator; C – convertor static de putere; E – electricitate. c. RS – radiația solară; PF – panouri fotovoltaice; C – convertor static de putere; E – electricitate.

2.3.1. Conductoare și tuburi

Distribuirea energiei în instalațiile electrice se face cu ajutorul conductoarelor care pot fi neizolate și izolate. Ele se fabrică sub formă unifilară și multifilară și pot fi din cupru, aluminiu, oțel sau oțel-aluminiu.

Conductoarele neizolate se folosesc pentru rețele electrice aeriene, ele fiind fixate pe stâlpi prin intermediul unor izolatori.

Figura 2.53. Conductoare electrice

1- conductor de cupru sau aluminiu; 2- izolație de cauciuc; 3- bandă cauciucată;

4- împletitură de bumbac impregnat în amestec bituminos; 5- împletitură din fibre metalice; 6- izolație de hârtie;7- izolație de PVC; a) cablu cu conductor din cupru sau aluminiu izolat cu cauciuc; b) cablu cu conductor din cupru armat; c) cablu cu conductor din cupru sau aluminiu izolat cu cauciuc și rezistent la intemperii; d) conductor în manta de cauciuc cu execuție mijlocie; e) conductor plat pentru corpuri de iluminat;

f) conductor punte cu izolație din PVC.

Conductoarele izolate (figura 2.53.) se folosesc pentru rețele interioare, fiind introduse în tuburi de protecție contra loviturilor mecanice și contra influenței mediului exterior. Izolarea conductoarelor se face cu hârtie, cauciuc, materiale plastice etc. Pentru alimentarea unor consumatori importanți, conductoarele au o izolație specială și îmbrăcăminte de plumb sau bandă de oțel. Aceste conductoare se numesc cabluri de forță. Pentru alimentarea receptorilor mobili, se folosesc cabluri flexibile. Tuburile de protecție se folosesc pentru protecția conductoarelor din interiorul clădirilor. Se folosesc tuburi de protecție din mase plastice și din tablă de oțel. Cele din tablă de oțel pot fi: tuburi neizolate pentru montaje aparente în locuri uscate, tuburi izolate ușor protejate, tuburi plumbuite și tuburi de protecție etanșe, pentru instalații aparente sau îngropate în medii uscate sau umede temporar.

Pentru protejarea împotriva loviturilor mecanice și acțiunii mediului ambiant, conductoarele se trag în tuburi de protecție alese în funcție de numărul și secțiunea conductoarelor și de gradul de protecție pe care trebuie să-l asigure. Într-un tub se introduc un număr de 1-7 conductoare izolate. Tuburile se montează îngropat sau aparent, pe suporți necombustibili și la distanță de sursele de căldură.

Din punct de vedere constructiv, tuburile pot fi cu manta rigidă și respectiv tuburile flexibile. Utilizarea tuburilor de protecție la realizarea rețelelor electrice necesită și o serie de accesorii cum ar fi manșoane de legătură, coturi, curbe, doze de ramificație, de trecere sau de aparat.

2.3.2. Mașini electrice

Mașina electrică care transformă energia primară în energie electrică se numește generator electric. Mașina electrică care transformă energia electrică în energie mecanică se numește motor electric. Mașina electrică care modifică parametrii energiei electrice în curent alternativ (tensiune, curent, frecvență, număr de faze etc.) se numește mașină convertizoare.

Funcționarea mașinilor electrice se bazează pe fenomenul inducției electromagnetice. O mașină electrică prezintă două organe distincte — indusul și inductorul. Partea mașinii a cărei înfășurare produce câmpul magnetic principal se numește inductorul mașinii, iar cealaltă parte reprezintă indusul. Unele mașini electrice au și un colector. Spațiul dintre cele două organe cinematice se numește întrefier.

Constructiv, o mașină electrică este formată din următoarele sisteme : sistemul electric, sistemul magnetic, sistemul mecanic, sistemul de răcire și aparate de reglare și protecție.

Figura 2.54. Schema de principiu a unui transformator electric

1 – miez magnetic; 2 – înfășurare primară; 3 – înfășurare secundară;

ns1 – numărul de spire al înfășurării primare; ns2 – numărul de spire

al înfășurării secundare.

Mașinile electrice se împart în mașini de curent alternativ și mașini de curent continuu. Mașinile de curent alternativ se împart în două mari categorii: mașini sincrone și mașini asincrone.

Transformatoarele electrice (figura 2.54.) de curent alternativ sunt aparate statice care modifică valorile mărimilor electrice (tensiunea și intensitatea) dintr-un circuit electric și care funcționează pe principiul inducției electromagnetice.

Ele pot fi monofazice sau trifazice.

Raportul de transformare este dat de relația 2.15.

(2.15.)

Figura 2.55. Construcția transformatorului trifazat

a) transformator trifazat simetric; b) transformator cu trei coloane.

Transformatoarele electrice pot fi ridicătoare de tensiune (ns1 < ns2) sau coborâtoare de tensiune (ns1 > ns2).

Transformatorul trifazat poate fi considerat ca fiind format din trei transformatoare monofazate, corespunzătoare fiecărei faze. La nesimetrii constructive și pentru sarcini nesimetrice comportarea transformatorului trifazat depinde de construcția sa. În cazul funcționării în gol a transformatorului trifazat trebuie ținut cont de construcția miezului feromagnetic și de conexiunile înfășurărilor.

Transformatorul electric pentru sudură funcționează în regim de scurtcircuit. Aceste transformatoare trebuie să asigure în secundar, în gol o tensiune de (60÷80)V pentru amorsarea arcului electric și execuția unei suduri de calitate, iar în timpul sudării tensiunea trebuie să scadă la (20÷35)V.

Transformatoarele electrice pentru sudare se caracterizează printr-o impedanță de scurtcircuit ZSC mărită, astfel încât tensiunea de scurtcircuit USC este mai mare cu 50% din tensiunea nominală. Reactanța mărită se poate realiza cu ajutorul unei inductivități secundare variabile. O astfel de construcție este prezentată în figura 2.56. a.

Modificarea reluctanței și deci a reactanței se obține prin deplasarea piesei M, ceea ce determină modificarea curentului de sudare I2. Caracteristica exterioară prezentată în figura 2.56. b. are o alură rapid căzătoare pentru ca la variații ale rezistenței de sarcină, curentul I2 să se modifice cât mai puțin.

Figura 2.56. Transformatorul electric pentru sudare

a) schema de principiu; b) caracteristica exterioară.

Mașina de curent continuu are o largă utilizare, în construcția ei intrând următoarele părți componente:

Statorul care este inductorul, realizat din miez feromagnetic (masiv sau din tole de grosime 0,5÷1 mm) prevăzuți cu poli aparenți pe care se plasează înfășurarea de excitație. La puteri de peste 1 kW între poli principali se prevăd poli de comutație pe care se plasează înfășurarea de comutație conectată în serie cu înfășurarea indusului pentru îmbunătățirea procesului de comutație. La generatoare de putere mare și la motoarele solicitate dinamic în talpa polilor principali se plasează înfășurarea de compensare conectată în serie cu înfășurarea indusului. Statorul mai cuprinde carcasa și scuturile port lagăr.

Rotorul care este indusul mașinii cuprinde arborele, miezul indusului, colectorul și înfășurarea indusului. Miezul indusului se execută din tole având crestături deschise sau semiînchise. În aceste crestături se introduce înfășurarea indusului din cupru care se conectează la colector prin intermediul stegulețelor.

Colectorul este format din lamele de colector izolate între ele și față de butuc. Pe colector calcă periile colectoare din electrografit cu ajutorul cărora se conectează înfășurarea indusului la sursa de tensiune continuă.

Întrefierul δ este distanța dintre stator și rotor, având ordinul de mărime același cu cel al mașinii sincrone.

La mașini de puteri mici (sub 10 kW) în locul excitației electromagnetice se poate utiliza magneți permanenți. Aceste mașini pot să fie cu magneți permanenți polari sau cu magneți permanenți interpolari.

După modul de alimentare a înfășurării de excitație, Mcc se clasifică în:

– Mcc cu excitație separată sau independentă;

– Mcc cu autoexcitație, acestea fiind cu excitație derivație, serie sau mixtă.

După aplicații speciale ale mașinilor de curent continuu acestea pot fi:

– Mcc cu întrefier axial;

– Tahogeneratoare;

– Servomotoare;

– Amplificatoare: amplidina și metadina.

Pe plăcuța mașinii sunt trecute următoarele mărimi nominale: regimul de funcționare (motor sau generator), puterea nominală PN, curentul din indus IN, tensiunea la bornele indusului UN, turația nominală nN, curentul și tensiunea pentru înfășurarea de excitație IE, UE.

Figura 2.57. Părțile constructive ale mașinii de curent continuu

1 – jug statoric; 2 – talpa carcasei; 3 – scut; 4 – inel de ridicare; 5 – arbore; 6 – pol principal;

7 – pol auxiliar; 8 – miezul indusului; 9 – colector; 10 – lamelă; 11 – colierul port-periilor;

12 – tija port-periilor; 13 – canal de ventilație; 14 – ventilator; 15 – capăt de bobină; 16 –lagăr; 17 – bandaj; 18 – înfășurarea rotorului; 19 – bobină polară; 20 – izolația bobinei polare; 21 – steguleț; 22 – suport de bandaj; 23 – butucul colectorului;

24 – inel de strângere a colectorului; 25 – paletă de ventilator; 26 – bucșa ventilatorului.

În figura 2.57. se prezintă elementele constructive la mașina de curent continuu secționată longitudinal și transversal. Dintre mașinile de curent continuu, prezintă importanță în special motoarele de curent continuu, deoarece permit un reglaj al turației mult mai larg decât motoarele de curent alternativ, în special, pentru acționarea mijloacelor de transport (electrocare, electrostivuitoare etc.).

Tahogeneratorul de curent continuu are regimul de funcționare ca generator, a cărei tensiune de ieșire nu depinde de caracterul sarcinii. Tensiunea la borne, în sarcină, este dependentă de turația mașinii, curentul de sarcină și căderea tensiunii la perii. Caracteristicile tahogeneratorului se abat de la liniaritate, în special, în zona turațiilor mici. Pentru reducerea erorilor se utilizează perii metalice (din argint), circuite feromagnetice saturate, colectoare disc cu plăcuțe radiale.

Figura 2.58. Schema unei mașini sincrone

(motor sincron cu poli aparenți)

Mașinile sincrone sunt mașini de curent alternativ, a căror turație este constantă indiferent de regimul de funcționare. Ele pot funcționa în două regimuri: ca generatoare și ca motoare. Ca generatoare mașinile transformă energia mecanică primită la arbore de la un motor, în curent electric alternativ. Ca motoare, mașinile transformă energia electrică, primită din rețea sub formă de curent alternativ, în energie mecanică.

Cea mai mare utilizare o au mașinile sincrone în regim de generator sincron trifazat (figura 2.58.), folosit în prezent în toate centralele electrice. Mărimile nominale ale unei mașini sincrone sunt: puterea, care poate fi aparentă la borne, în KVA sau MVA, sau activă la borne, KW sau MW, în cazul generatoarelor și puterea mecanică la arbore, în KW la motoare; curentul de linie în A sau KA; tensiunea de linie, în V sau KV; factorul de putere; numărul de faze, conexiunea înfășurărilor indusului; frecvența, în HZ; tensiunea de excitație la funcționare în gol și în regim nominal ; curentul de excitație nominal și curentul de excitație maxim admisibil în A sau KA.

Figura 2.59. Schema unui motor trifazat asincron cu inele

1 — înfășurarea statorului; 2 — înfășurarea rotorului; 3 — inele izolate; 4 — perii;

S, R, T — faze; A, B, C, X,Y, Z — borne.

Mașinile asincrone sunt mașini de curent alternativ, la care raportul dintre turația rotorului și frecvența rețelei variază odată cu schimbarea regimului de funcționare sau cu gradul de încărcare. Părțile principale ale unei mașini de inducție asincrone (figura 2.59.-2.61.) sunt:

a. Statorul realizat din miezul feromagnetic din tole de 0,5 mm grosime pentru reducerea pierderilor în fier. În crestăturile din stator se plasează înfășurarea de curent alternativ care poate să fie monofazată, bifazată sau trifazată. Carcasa servește ca suport pentru miezul feromagnetic și se realizează din fontă sau oțel. Mașinile de până la 4 kW sunt prevăzute cu carcase din aluminiu.

b. Rotorul realizat din miez feromagnetic din tole de 0,5 mm grosime. Înfășurarea rotorică poate fi executată din conductor din cupru în care caz avem mașini de inducție cu rotorul bobinat, sau poate fi turnată din aluminiu pentru mașinile de inducție cu rotorul în colivie. Rotorul este prevăzut cu un arbore pe care, pentru mașinile cu rotorul bobinat, se dispun inele colectoare.

Întrefierul mașinii de inducție (distanța între stator și rotor) este constant și se realizează de dimensiuni cât mai mici. Pentru mașinile obișnuite întrefierul se construiește între 0,5 – 0,7 mm.

Generatoarele sincrone de curent electric alternativ trifazat sunt mașini rotative care transformă energia mecanică în energie electrică. Generatorul electric este format dintr-un inductor și un indus. El funcționează pe baza principiului inducției electromagnetice, potrivit căruia într-un conductor electric supus acțiunii unui câmp magnetic variabil, se induce o tensiune electromotoare. Variația câmpului magnetic poate fi provocată fie prin mișcarea inductorului fie a indusului. În practică sunt utilizate :

generatoare electrice cu rotor indus;

generatoare electrice cu stator indus.

Figura 2.60. Motoare electrice asincrone

a — cu rotor în scurtcircuit; 1 — bare de cupru sau aluminiu: 2 — inele metalice;

b — cu rotor cu inele colectoare.

Figura 2.61. Elementele componente ale mașinii de inducție asincrone

1 – arbore; 2 – miezul rotoric; 3 – înfășurarea rotorului; 4 – miezul statoric; 5 – înfășurarea statorică; 6 – carcasă; 7 – scuturile; 8 – ventilator; 9 – capacul ventilatorului; 10 – inele de contact; 11 – dispozitiv de ridicare a periilor și de scurtcircuitarea a înfășurării rotorului;

12 – maneta dispozitivului 11.

Tensiunea electromotoare indusă se calculează cu relația :

E = B . l . v, (V) (2.16.)

în care : B = inducția electromagnetică;

l = lungimea conductorului electric;

v = viteza periferică a conductorului electric.

Frecvența curentului electric (f) se calculează cu relația 2.17.

F = n . p / 60 , (Hz) (2.17.)

în care : n = turația rotorului;

n = 60 . f / p = 60 . 50 / 2 = 1500 rot/min;

p = numărul de perechi de poli a unei înfășurări induse.

Frecvența curentului electric alternativ indus este proporțională cu turația rotorului și cu numărul de perechi de poli ai unei înfășurări induse. Frecvența curentului electric alternativ are o valoare standardizată (f = 50 Hz) și de aici rezultă că turația generatorului trebuie să fie menținută constantă.

Pentru producerea inducției magnetice, în practică se utilizează inductorul electromagnetic, prevăzut cu miez magnetic și înfășurare de excitație, alimentată cu curent continuu. După modul de alimentare pot fi:

generatoare electrice cu excitație independentă (separată);

generatoare cu autoexcitație (alimentate cu curent de la bornele indusului, după ce curentul alternativ a fost redresat în curent continuu).

Generatorul sincron de curent alternativ trifazat, cu rotor indus, cu autoexcitație este format dintr-un stator (inductor) și rotor (indus). Pentru funcționarea generatorului este nevoie de acționare prin intermediul unui motor.

Generatorul sincron de curent alternativ trifazat, cu stator indus și excitație separată are rotorul (inductorul) format dintr-un arbore de antrenare pe care sunt amplasate mai multe perechi de poli. Bobinele polilor electromagnetici sunt legate între ele formând înfășurarea de excitație, alimentată cu curent continuu produs de un generator de curent continuu (echipament anex), denumit și excitatrice.

Statorul (indusul) este prevăzut cu o carcasă care are la interior un miez din tole de oțel în a cărui degajări sunt amplasate cele trei înfășurări induse.

Motoarele electrice sunt mașini electrice care transformă energia electrică în energie mecanică. Motoarele electrice se clasifică astfel :

> motoare electrice de curent alternativ trifazat :

motoare electrice sincrone;

motoare electrice asincrone :

– trifazate (cu rotor în scurtcircuit și cu rotor bobinat);

– monofazate (cu rotor în scurtcircuit și cu colector);

> motoare electrice de curent continuu :

cu excitație în derivație;

cu excitație în serie;

cu excitație mixtă.

Cele mai utilizate motoare sunt cele de curent alternativ trifazat, asincrone, datorită simplității constructive și fiabilității ridicate.

Motoarele electrice, asincrone, trifazate sunt formate dintr-un stator și un rotor. Statorul este alimentat de la rețea cu curent alternativ trifazat care va produce în înfășurările statorice un câmp magnetic învârtitor care se va roti cu o turație conform relației 2.18.

ns = 60 . f / p, (rot / min) (2.18.)

Acest câmp magnetic va induce în înfășurările rotorice un curent electric care va produce un câmp magnetic. Interacțiunea dintre cele două câmpuri magnetice va determina apariția unei forțe electromotoare care pune în mișcare rotorul. Acesta tinde să se rotească cu aceeași turație cu al câmpului magnetic învârtitor, dar rămâne în urmă. Acest fenomen se numește alunecare iar motorul electric se numește asincron, pentru că turația rotorului este mai mică decât turația câmpului magnetic învârtitor (alunecarea are valori de 2 – 8%).

Legarea la rețeaua electrică a motoarelor electrice asincrone, trifazate, se face în funcție de tensiunea de linie a rețelei electrice și de tensiunea pe care o suportă înfășurările statorice. Motoarele electrice se pot lega la rețeaua electrică, în stea și în triunghi. În figura 2.62. este prezentată schema legării motoarelor trifazate în stea iar în figura 2.63. schema legării în triunghi. La legarea în stea Uf = Ul / √3 iar la legarea în triunghi Uf = Ul.

Figura 2.62. Schema legării în stea la rețeaua electrică.

Ul = tensiunea de linie;

Uf = tensiunea de fază.

Figura 2.63. Schema legării în triunghi la rețeaua electrică.

R, S, T – fazele rețelei; A, B, C și x,

y, z – capetele înfășurărilor statorice.

Motorul electric este prevăzut cu o plăcuță indicatoare unde se precizează modul de conectare la rețea și tensiunea pe care o poate suporta o înfășurare statorică (ex :Y/∆ ► 230/400 V).

Cele mai utilizate metode de pornire a motoarelor electrice asincrone, trifazate sunt:

pornirea în stea – triunghi;

pornirea cu reostat.

Pornirea stea – triunghi este cel mai des utilizată și are drept scop reducerea curentului de pornire prin micșorarea tensiunii de alimentare pe faza statorului.

Pornirea cu reostat se aplică numai la motoarele cu rotorul bobinat, situație în care rezistența reostatului este legată în serie cu înfășurarea rotorului. Astfel se diminuează curentul de pornire în condițiile unui cuplu ridicat.

2.3.3. Aparate electrice

Rețeaua electrică este în primul rând o cale de curent, prin care energia este transmisă de la surse la receptori. Pentru asigurarea parametrilor de calitate, în contextul larg al activității de exploatare a unei rețele electrice, este necesară și o activitate de conducere și deservire operativă, care se bazează pe posibilitatea de coordonare, control și observare a acesteia.

Pentru ca o rețea electrică să poată fi controlată sunt necesare echipamente electrice cu care să se închidă (conecteze) și să se deschidă (deconecteze) circuite electrice (surse, linii electrice, receptori), când acestea sunt parcurse de curenți normali sau de defect. Echipamentul electric cu care se asigură această activitate este diferit ca : aparate electrice de conectare și separare.

Însă, conectarea și deconectarea unui circuit, respectiv controlul său, este necesar în regim normal (când este expus unor mărimi electrice care au valori în limite normale) dar și în regim de defect când mărimile electrice au valori diferite, respectiv solicitările sunt mult mai mari.

Datorită solicitărilor diferite, corespunzătoare celor două regimuri și aparatele electrice necesare activității de control, trebuie să aibă caracteristici diferite. Ca urmare, în practica exploatării unei rețele electrice, aparatele electrice cu care se asigură controlul acestora în regim normal, sunt diferite ca aparate electrice de conectare și separare, iar cele cu care se asigură controlul în regim de defect sunt definite ca aparate de conectare de protecție.

Mulțimea mărimilor care trebuie observate (supravegheate) în timpul activității de exploatare a unei rețele electrice, este formată din valorile mărimilor electrice (în regim normal și de defect), din poziția aparatelor electrice de conectare, separare și protecție, precum și din mărimi care evidențiază cauzele care au determinat un anumit eveniment (de ex. acțiunea unui aparat de conectare, de protecție).

Ca urmare, o rețea electrică trebuie să fie prevăzută cu aparate și instrumente electrice de măsură, semnalizare și protecție.

Aparatele electrice de protecție, (denumite relee) cu care se asigură observarea unei rețele, sunt cele care au rolul de a sesiza, identifica și localiza un regim de defect și de a transmite această informație unui aparat capabil să acționeze în scopul protejării rețelei (sau unui element al acestuia), respectiv unui aparat de conectare de protecție.

Pe seama celor de mai sus, aparatele electrice de joasă tensiune utilizate în realizarea rețelelor electrice, respectiv a punctelor de conexiuni (nodurilor) și care asigură conducerea și deservirea operativă a acestora, se clasifică astfel:

a) aparate electrice de conectare și separare ;

b) aparate electrice pentru comanda motoarelor electrice ;

c) aparate electrice de conectare de protecție ;

d) aparate electrice de măsură ;

e) aparate electrice diverse .

Datorită solicitărilor electrice și a caracteristicilor mediului ambiant, un aparat electric este necesar să fie caracterizat prin următoarele trei tipuri de caracteristici :

I. Caracteristici electrice.

a) curentul nominal (In), este valoarea maximă de durată pe care o poate suporta calea de curent a aparatului electric, respectiv valoarea curentului care asigură stabilitatea termică în regim de lungă durată. Această valoare este indicată de producător pentru anumite condiții de mediu;

b) tensiunea nominală (Un) este determinată de nivelul de izolație al aparatului, dimensionată să asigure protecția împotriva atingerilor indirecte (a carcasei) ;

c) rezistența de izolație, caracterizează calitatea izolației și determină pierderile de energie electrică transversale, limitează posibilitățile de electrocutare în cazul unei atingeri directe sau indirecte în rețele cu neutrul izolat. Normativele impun ca valoarea acestei rezistențe să fie de cel puțin 10 MΩ în stare uscată și de 2 MΩ în cazul stării umede a izolației aparatului ;

d) capacitatea de rupere, reprezintă valoarea maximă a curentului pe care îl poate întrerupe aparatul de conectare. Valoarea capacității de rupere este cuprinsă între : zero (în cazul aparatelor de conectare de separare) ; In, în cazul aparatelor de conectare care au rolul de comandă și punere sub tensiune (întrerupătoare cu pârghie) și (5 – 40) In, în cazul aparatelor de conectare de protecție ;

e) curentul limită termic (Ilt), reprezintă valoarea maximă a curentului pe care o poate suporta aparatul în regim de scurtă durată, un timp tlt. Dacă aceste valori nu sunt indicate de producător se consideră : Ilt = 10In și tlt = 1 sec;

f) curentul limită dinamic (Ilt) este valoarea maximă a curentului pe care o poate suporta aparatul fără a se deteriora, datorită solicitărilor electrodinamice produse de curenții ce-l străbat;

g) rezistența nominală la uzură electrică, reprezintă capacitatea pieselor cu care se realizează contactele electrice. Se exprimă în procente din rezistența la uzură mecanică și exprimă câte comutații suportă camera de stingere a aparatului.

II. Caracteristici mecanice.

a) Rezistența nominală la uzură mecanică, reprezintă numărul de acționări pe care-l suportă aparatul, în gol. Aceasta este o caracteristică a mecanismului de acționare a aparatului.

b) Durata relativă nominală de conectare, exprimă în procente durata trecerii curentului pe parcursul unui ciclu și este specifică aparatelor de conectare cu funcționare ciclică.

III. Caracteristici constructive, caracterizează aparatul din punct de vedere a condițiilor de mediu în care poate funcționa, a asigurării securității personalului care îl deservește, precum și protecția sa intrinsecă.

Aparatele electrice de conectare și separare au rolul de a conecta și deconecta (controla) circuite electrice parcurse de curenți cu valori de regim normal, inclusiv de suprasarcină și au următoarele caracteristici specifice :

– sunt comandate manual, de pe aparat sau de la distanță, în sensul că, acționarea lor este determinată de acțiunea voită a unui operator uman (deoarece nu sunt prevăzute cu dispozitive de comandă automată) ;

– frecvența de manevră este relativ redusă.

a) Prize cu fișe, au rolul de a alimenta receptori debroșabili, mono sau trifazați, de regulă electrocasnici. Prin introducerea fișei receptorului electric în priză, se realizează, de regulă, numai conectarea la rețeaua electrică nu și comanda receptorului respectiv. Comanda propriu-zisă (controlul), se asigură cu aparate electrice de comandă montate pe receptorul electric.

b) Întrerupătoare și comutatoare pentru comanda receptorilor de iluminat.

Întrerupătoarele electrice pentru comanda receptorilor de iluminat, pot fi mono, bipolare sau duble și comandă individual unul (mono sau bipolare) sau două receptoare de iluminat.

c) Întrerupătoare cu pârghie, bi sau tripolare, acoperă gama de curenți nominali (25 ÷ 1000 A) și se folosesc pentru punerea și scoaterea de sub tensiune a tablourilor electrice, pentru comanda în grup a unui număr mare de receptoare de iluminat, precum și pentru alimentarea unor receptori de forță. Capacitatea de rupere egală ca valoare cu valoarea curentului nominal este asigurată pe seama vitezei de deplasare a contactului mobil, acționat de energia acumulată într-un resort.

d) Întrerupătoare și comutatoare pachet.

Aceste aparate electrice de conectare au o formă specială de realizare, prin suprapunerea pe un ax (care le și acționează) a unor elemente identice. Contactele electrice fixe sunt amplasate pe un disc izolator din bachelită, iar cele mobile, din bronz fosforos, sunt solidare cu axul central. Între maneta de acționare și axul central se montează un dispozitiv de sacadare cu resort care asigură și capacitatea de rupere nominală. Prin realizarea unor legături exterioare, între contactele diferitelor pachete se poate obține un comutator pachet, respectiv un întrerupător cu o funcție mai complexă (de ex. comutatorul stea – triunghi manual).

e) Întrerupătoare și comutatoare cu came.

Constructiv, sunt similare cu cele pachet, însă axul central acționează o camă, care în funcție de geometria contorului realizează o anumită succesiune de conectare a contactelor. Au tensiunea nominală de 230/400 V, o gamă de curenți nominali de (16 ÷ 200 A) și se folosesc în special pentru comanda receptorilor electrici. Capacitatea de rupere egală cu valoarea curentului nominal se asigură tot pe seama vitezei de deplasare a contactului mobil.

f) Separatoare electrice tripolare, sunt singurele aparate electrice care au rol numai de separare electrică, nu au capacitate de rupere, întrucât deplasarea contactului mobil se face cu viteza de manevrare a operatorului.

Comanda unui motor electric necesită două sau mai multe din următoarele operații : pornirea, limitarea curentului de pornire, reglarea vitezei, inversarea sensului de rotație, oprirea.

Aparatul electric de conectare de protecție are rolul de a deconecta un circuit sau coloană electrică când acestea sunt parcurse de un curent de suprasarcină sau de defect care ar depăși limita stabilității termice sau electrodinamice a elementului de rețea aflat în aval de locul său de montare și în amonte de un eventual alt aparat de conectare de protecție.

Aparatele electrice de conectare de protecție utilizate în rețelele electrice de joasă tensiune sunt : – siguranțele fuzibile ;

– întrerupătoarele automate.

Siguranțele fuzibile, reprezintă un punct slab creat în mod intenționat, care asigură protecția împotriva suprasolicitărilor termice prin autodistrugerea lor, prin fuziune termică. Elementul care se autodistruge termic este fuzibilul, care reprezintă calea de curent a siguranței și se caracterizează printr-un anumit curent nominal. Prin introducerea fuzibilului într-un port-fuzibil (patron), respectiv o cameră de rupere a arcului electric, se asigură o anumită capacitate de rupere.

Datorită diversității mari a receptorilor electrici de joasă tensiune, caracteristicile siguranțelor fuzibile sunt foarte diverse, ceea ce a impus clasificarea lor din mai multe puncte de vedere și anume :

a) după domeniul de utilizare : – de uz casnic ;

– semiindustriale ;

– industriale.

b) soluția constructivă : – auto ;

– mignon ;

– cu filet (normale ) ;

– cu furci.

c) după capacitatea de rupere : – mică (auto, mignon ) ;

– medie (cu filet, casnic și industrial) ;

– cu mare putere de rupere MPR (de uz industrial)

d) după caracteristica de topire (fuziune) : – lente,

– rapide,

– ultrarapide.

Figura 2.64. Siguranță fuzibilă

Întrerupătorul automat reprezintă aparatul de conectare de protecție propriu-zis, deoarece asigură protecția la suprasolicitări termice sau electrodinamice prin deconectarea circuitului, cu un aparat de conectare cu capacitate de rupere corespunzătoare, iar reconectarea se poate face practic imediat și de mai multe ori. Pentru ca aparatul de conectare cu capacitate de rupere adecvată să se deschidă automat, trebuie să primească o comandă de la un aparat electric de protecție (releu), care are rolul de a sesiza, identifica și localiza un regim de defect și de a transmite comanda aparatului de conectare.

Aparatele electrice de protecție (releele) cu care sunt echipate întrerupătoarele automate de joasă tensiune sunt :

– releele termice (RT) ;

– releele electromagnetice (REM) ;

– releele de minimă tensiune (RU).

Aparatul de conectare al unui întrerupător automat (IA) este astfel realizat încât rămân stabil pe ambele poziții ( închis/deschis ) prin zăvorâre mecanică.

Comanda de închidere sau deschidere se transmite asupra mecanismului de zăvorâre (MZ) al dispozitivului de acționare. Energia necesară acționării contactului mobil (cu o foarte mare viteză de deplasare) se înmagazinează într-un set de resoarte care sunt armate manual sau cu un motor electric (M). În domeniul de acționare al REM, RT nu acționează deoarece are un timp de acționare mai mare decât cel al REM.

Întrerupătoarele automate pot avea sau nu releu de minimă tensiune astfel :

– cele destinate protejării motoarelor electrice au RU, pentru a asigura evitarea autopornirii ;

– cele destinate protejării coloanelor electrice și în special RED nu au RU, sau este blocat, deoarece nu trebuie să se întrerupă calea de alimentare cu energie, la dispariția protejării.

Releele termice cu care se echipează un IA are următoarele caracteristici:

– curent de serviciu, valoare care parcurge elementul bimetal în regim normal de funcționare ;

– curent de reglaj (Ir) care ține seama de suprasarcinile din circuit și asigură următoarele cerințe :

– la o valoare de 1,05 Ir a curentului de sarcină nu trebuie să acționeze timp de două ore, pornit din starea inițială rece ;

– la o valoare de 1,2 Ir , acționarea se produce după 2 ore pornind din starea inițială rece;

– la o valoare de 1,6 Ir acționarea se produce după cel mult 2 minute, pornind din starea caldă;

– la o valoare de 6 Ir (specific pornirii motoarelor electrice) acționarea se produce după ( 2 ÷ 5 ) secunde.

Cunoașterea de către personalul de conducere și deservire operativă, precum și de către consumatorii de energie electrică a valorilor mărimilor electrice care caracterizează regimul normal sau de defect al unei rețele electrice este absolut necesară. Mărimile de bază necesare în conducerea operativă și controlul sarcinii sunt:

– tensiunea electrică în anumite puncte ale rețelei ;

– curentul electric care străbate anumite elemente ale rețelei.

Prin interpretarea și combinarea acestor mărimi se obțin valori ale altor mărimi (puteri, impedanțe, defazaje etc.).

Determinarea, (măsurarea) nemijlocită a acestor mărimi se asigură cu instrumente sau echipamente de măsurare. Pe seama principiului de funcționare, a cerințelor ergonomice și de design al camerelor de comandă aceste instrumente și echipamente de măsură sunt parcurse de curenți cu valoare limitată sau sunt expuse la tensiuni cu valoare redusă și cu dimensiuni relativ mici.

Din punct de vedere a rolului funcțional, aparatele electrice cu care se realizează schemele electrice secundare se pot grupa astfel :

a) – aparate electrice de control, care permit darea unei comenzi, manuale sau automată care, urmărind valoarea unei anumite mărimi, transmit o comandă la depășirea unei valori de prag de către aceasta ;

b) – aparate electrice de execuție, care realizează legătura între o schemă secundară expusă la curenți de valori mici și un circuit de execuție (acționarea unui aparat electric de conectare sau protecție). În unele situații au caracter de servomecanisme;

c) – aparate electrice de amplificare, care permit multiplicarea unei informații (poziția unui aparat electric) sau a unei comenzi ;

d) – aparate electrice de semnalizare și avertizare ;

e) – instrumente electrice de măsură .

a) Aparate electrice de control

– butoane de comandă se folosesc pentru comanda manuală a unor aparate electrice de conectare. Reprezentativ este butonul dublu de pornit (P), oprit (O) adecvat comenzii contactoarelor electromagnetice, care sunt fără reținere, respectiv comanda este scurtă, egală cu durata menținerii în poziția apăsat. Pentru comenzi permanente se folosesc butoanele cu reținere eventual și cu lampă inclusă care să "memoreze" ultima comandă efectuată.

– chei de comandă se folosesc pentru transmiterea de comenzi complexe, specifice întrerupătoarelor automate, având avantajul memorării ultimei comenzi și a unui numărului mare de contacte. Pentru o cheie de comandă (asemănătoare constructiv cu un întrerupător cu came), se elaborează și diagrama de comandă care redă dependența dintre poziția mânerului de acționare și poziția contactelor. Unele chei de comandă au inclusă o lampă de semnalizare cu mânerul de acționare.

– microîntreruptoare, limitatoare de cursă, se folosesc pentru închiderea și deschiderea unor circuite (cu scopul de comandă a unui aparat de execuție) când este depășită limită a unei coordonate (distanțe). Contactul mobil al unui microîntreruptor, este acționat de un mecanism cu resort sau lamelă elastică, acționată direct sau cu elemente cinematice (rolă, pârghie, bilă).

– relee electrice, fac parte din categoria aparatelor cu caracteristică discontinuă (tip releu), deoarece variația mărimii electrice de intrare determină doar o variație în salt a mărimii de ieșire (totul sau nimic). Valoarea mărimii de intrare pentru care se produce acționarea (pornirea releului) xip este mai mare decât valoarea lui xi, pentru care are loc revenirea xir în starea neacționat. Datorită gamei foarte largi de relee electrice, este necesară o grupare a lor astfel :

– după natura mărimii de intrare pot fi de tensiune, de curent, de putere sau de timp.

– după caracterul mărimii de intrare pot fi de curent continuu sau de curent alternativ.

– după caracteristica de acționare pot fi dependente de curent sau independente de curent.

b) Aparate electrice de execuție.

– electromagneți de acționare, sunt folosiți în scheme secundare de comandă, semnalizare, ca elemente de acționare în scopul transmiterii unei comenzi manuale sau a amplificării unei mărimi de comandă (servomecanism).

În acest caz, curentul suportat de bobina electromagnetului (element de comandă) este mult mai mic decât cel suportat de contactele electromagnetului (element comandat). O formă specială de realizare a electromagneților o reprezintă electroventilele, utilizate în controlul unor circuite parcurse de fluide sau de gaze.

c) Aparate electrice de amplificare, pe lângă amplificarea curentului (sau a puterii) de comandă (în cazul servomecanismelor) este necesară și multiplicarea unor informații sau comenzi. Este cazul folosirii unor relee intermediare care au mai multe perechi de contacte care permit multiplicarea poziției unui aparat electric de conectare sau a unei comenzi.

d) Aparate electrice de semnalizare și avertizare.

– lămpi de semnalizare, utilizate pentru semnalizarea optică a poziției unor aparate electrice de conectare, acționarea unor aparate electrice de protecție etc.

– hupe de semnalizare, folosite pentru avertizarea acustică a unor regimuri anormale sau de defect. În urma avertizării acustice, generale, operatorul uman va identifica semnalizarea optică locală realizată cu lămpi de semnalizare.

– indicatoare de poziție, se folosesc pentru semnalizarea poziției aparatelor electrice de conectare cu două stări. Este cazul separatoarelor electrice, care fiind comandate numai manual, au doar două stări corespunzătoare poziției închis sau deschis a contactului mobil. Întrerupătoarele automate se pot afla în aceeași poziție (de ex. deschis ca urmare a două tipuri de comenzi : manuală (deconectat manual) sau automată (deconectat automat), fiind necesară semnalizarea distinctă a fiecărei stări.

e) Instrumente electrice de măsură, folosite la măsurarea nemijlocită a mărimilor electrice, direct sau prin intermediul aparatelor electrice de măsură (transformatoare electrice de măsură).

3. UTILAJE FOLOSITE PENTRU ASIGURAREA MICROCLIMATULUI

3.1. Instalații de ventilare

3.1.1. Clasificarea instalațiilor de ventilare

Rolul instalațiilor de ventilare din punctual de vedere al confortului este de a aduce aer curat, proaspăt în interiorul încăperilor și a spațiilor ocupate. Ventilarea care are ca scop principal asigurarea necesarului de aer proaspăt, poate avea și alte roluri, în acest fel fiind identificate următoarele instalații:

• instalații de ventilare care asigură răcirea aerului,

• instalații de ventilare care asigură încălzirea aerului,

• instalații de ventilare care asigură umidificarea aerului,

• instalații de ventilare care asigură uscarea aerului.

Instalațiile de ventilare mai pot fi clasificate în funcție de diferența de presiune dintre camera ventilată și exterior (împrejurimi).

Dacă nu se dorește aer infiltrat din exterior pentru aria ventilată deoarece calitatea aerului dinafară este necorespunzătoare presiunea ariei ventilate este superioară cu 20 – 30 Pa. Acesta este sistemul de ventilare în suprapresiune. Exemple standard pentru această soluție sunt laboratoarele, încăperile destinate fabricării de produse farmaceutice, sălile de spectacole și centralele termice. Acest tip de ventilare poate fi aplicat și la restaurante pentru a preveni micile inconveniente. La instalațiile de ventilare în suprapresiune, ventilatorul este instalat în canalul de aer proaspăt. Instalația de evacuare poate să nu existe, și în acest caz aerul iese prin anvelopa clădirii.

Dacă calitatea aerului din spațiul ventilat poate dauna spațiilor învecinate, se poate utiliza sistemul de ventilare în depresiune. Exemple tipice: băile, wc-urile, piscinele, halele industriale, bucătăriile, spălătoriile. Depresiunea spațiului ventilat este de 20-30Pa.

Dacă nu există instalație pentru introducerea aerului proaspăt, instalația este de ventilare pentru evacuarea aerului. În instalația de ventilare echilibrată, debitele de aer proaspăt și de aer viciat sunt egale, neexistând o diferență de presiune între aria ventilată și exterior. Cu o mică diferență de debit de aer, se poate obține o diferență de presiune mică.

În funcție de amplasarea echipamentelor de ventilare, instalațiile pot fi clasificate în instalații de ventilare locală și generală. În centrala de climatizare intră următoarele canale :

• canal de aer proaspăt, cu admisia aerului din exterior;

• canal de aspirație, cu evacuarea în exterior;

• canal de transport la spațiul ventilat;

• canal de evacuare din spațiul ventilat.

Elementele principale ale centralei de ventilare sunt : filtrele, ventilatoarele, bateriile de încălzire și răcire, recuperatorul de căldură și camera de umidificare.

3.1.2. Instalația de climatizare

Aerul condiționat înseamnă reglarea temperaturii și a umidității. Toți parametrii trebuie să poată să fie reglați.

Elementul suplimentar față de o instalație simplă pentru tratarea aerului este instalația de umidificare care este prezentată în figura 3.2.

Instalația de introducere și instalația de evacuare sunt racordate la recuperatorul de căldură. Rolul recuperatorului de căldură este de a utiliza conținutul de energie din aerul evacuat.

Figura 3.1. Centrală de climatizare

Figura 3.2. Schema dezumidificatorului individual de aer fără aport de aer proaspăt

Rolul atenuatorului de zgomot este de a reduce nivelul zgomotului din instalație.

În instalațiile de încălzire cu aer temperatura de refulare a aerului este mai ridicată decât în încăpere. Puterea termică, proporțională cu diferența de temperatură acoperă pierderile de căldură ale spațiului încălzit.

Scopul camerei de amestec este de a asigura flexibilitate instalației. Temperatura aerului refulat este cu 15-30°C mai mare decât cea a camerei încălzite.

Instalația de răcire cu aer este asemănătoare cu cea de încălzire cu aer. Agentul de răcire este apa răcită. Dacă temperatura suprafeței bateriei de răcire este mai mică decât temperatura de rouă, care depinde de temperatura ambientală și de umiditatea relativă, pe suprafață va apare condensul (de exemplu t = 20°C, RH = 50% → tpunctului de rouă = 9,3°C ). În acest caz în afară de îndepărtarea căldurii din aer este îndepărtată și căldura latentă și conținutul de umiditate al aerului la intrare devine de asemenea mai scăzut. Dacă temperatura suprafeței bateriei de răcire scade sub zero, apa îngheață pe suprafață – lucru care trebuie evitat. De obicei temperatura aerului refulat în încăpere este mai mică cu 5-10°C decât temperatura acesteia.

Scopul dezumidificării aerului este de a menține umiditatea relativă și conținutul de umiditate interioară sub nivelul cerut. Prin acest proces, conținutul apei din aer se reduce.

Generatorul de abur este format dintr-un rezervor de apă care este conectat la canalul de aer. Bateriile de temperatură ridicată sau energia electrică sau gazele de ardere încălzesc apa din rezervor. Apa din rezervor se evaporă și aburul este direcționat spre curentul de aer care trece deasupra rezervorului.

Spălătorul de aer este alcătuit dintr-o cameră care conține o instalație de pulverizare a apei, un rezervor de colectare și o secțiune pentru evacuare. Deoarece umiditatea relativă nu influențează așa de mult confortul termic cât temperatura mediului ambiant și deoarece toate problemele legate de instalația pentru umidificarea aerului de mai sus nu se regăsesc prea des în zona confortului, doar în unele situații din ventilațiile industriale este necesar aerul umed (de exemplu în industria electrică), pentru umidificarea aerului în situațiile curente se utilizează centrală de ventilare.

3.1.3. Instalația de aer condiționat de înaltă presiune

Principalele caracteristici ale unei instalații de înaltă presiune sunt :

– Viteza mare de mișcare a aerului în conducta (15 – 50 m/s). La viteza mare pierderea de presiune pe canal va fi de asemenea mare, presiunea produsa de ventilator este și ea mare (1000 – 3000 Pa) ;

– Diferența de temperatură mai mare între temperatura camerei și temperatura aerului din canal (10 – 30 °C).

Figura 3.3. Schema instalației de înaltă presiune cu un canal și mai multe zone

1 – filtru, 2 – baterie de încălzire, 3 – umidificator, 4 – baterie de răcire, 5 – ventilator,

6 – baterie de răcire / reîncălzire, 7 – difuzoare, 8 – aer recirculat, 9 – aer proaspăt,

10 – canal de aspirație.

Se folosesc tipuri speciale de difuzoare de aer, care nu produc zgomot la viteză mare.

În instalațiile cu viteză mare, secțiunea ramificațiilor perpendiculare a canalelor este de doar 10-20% față de instalațiile obișnuite. Canalele pentru instalațiile de înaltă presiune pot fi fixate în pereți, pardoseli și în tavane. Viteza în canalele principale este de 20 – 50m/s, iar în canalele secundare de 10 – 25m/s.

În instalația de ventilare de înaltă presiune se poate aplica sistemul cu una sau două canale. Instalația cu un canal este similară cu instalația de climatizare.

La instalațiile de înaltă presiune unde se aplica soluția cu un canal, se mărește viteza de la 5m/s (viteza instalației la presiune joasă) la 20m/s, diferența dintre temperatura aerului refulat și temperatura camerei, de la 5°C la 20°C, astfel încât secțiunea ramificației este redusă la 10 – 15 % față de secțiunea la instalația de joasă presiune.

Instalația cu doua canale este adecvată acolo unde este necesară răcirea și încălzirea în același timp. Aerul este separat în două părți în centrala de aer. O parte din aer trece prin bateria de încălzire iar cealaltă prin bateria de răcire. Aceste doua feluri de aer circulă prin cele doua canale.

3.1.4. Răcirea locală

A. Sistemul split

În sistemele de răcire locală, sarcina de răcire este preluată de un echipament local care este situat în spațiul unde răcirea este necesară. În instalațiile tip split există un circuit închis de răcire. Această instalație poate fi inversată, adică echipamentul interior este capabil să încălzească.

Figura 3.4. Repartizarea aerului pentru instalația de una și de două canale

1 – senzorul de temperatură, 2 – canalul de aer rece,

3 – regulatorul de debit pentru aer, 4 – canalul de aer cald.

În funcție de numărul de unități interne conectate la cele externe se pot distinge sisteme monosplit și sisteme multisplit. În primul caz fiecare unitate internă este conectată la o unitate externă. Distanța dintre unitatea internă și externă este limitată. Într-un aparat de fereastră (figura 3.5., 3.6.), părțile interne și externe se află într-un singur corp și așa cum precizează și numele, aparatul de fereastră se montează în partea de sus a ferestrei. Avantajul este instalarea și manevrarea simplă.

Pentru eliminarea dezavantajelor aparatului de fereastra, compresorul și condensatorul sunt situate într-o unitate separată – unitatea externă. Unitatea internă se amplasează sub fereastră, pe peretele lateral sau în tavanul fals .

Mărimea uzuală a unității interne pentru tavanul fals este de 600×600 mm. Înălțimea necesară este de 300 mm. Acest tip de unitate este echipat pentru aport de aer proaspăt (figura 3.8.). O unitate internă poate deservi mai multe camere prin sistemul split cu tubulatură.

Figura 3.5. Aparatul de fereastră

Figura 3.6. Aparat de fereastră (echipamentele interne și externe sunt introduse

într-o singură cutie) și unitate internă separată de unitatea externă

B. [NUME_REDACTAT] necesară de răcire și de încălzire este transferată în ventiloconvector prin apa răcită sau încălzită care are o capacitate mai bună de transfer ca și aerul. Debitul de apă și temperatura de răcire este de exemplu 7/12°C și pentru încălzire de 80/60°C.

Figura 3.7. Sistemul split

cu o unitate internă și

o unitate externă

Există următoarele racorduri:

– la conductele de răcire,

– la conductele de încălzire,

– alimentarea cu aer proaspăt,

– legătura cu canal pentru eliminarea condensului,

– energie electrică pentru ventilator și reglaj.

Figura 3.8. Sistem split cu unitatea internă montată în tavanul fals sau sub fereastră

Figura 3.9. Sistemul split cu tubulatura

Figura 3.10. Răcitorul de apă

(chillerul) și modulul hidraulic

Dacă nu există racord la apa caldă echipamentul se folosește doar pentru răcire. Mai există și cazul când aerul proaspăt nu este cerut.

Diferența între ventiloconvectorul montat vertical și cel montat orizontal (figura 3.11.) este că ultimele nu sunt echipate cu racord de aer proaspăt. Prin modificări minore asupra carcasei, aparatele de perete sau de tavan pot fi utilizate și montate în tavanul fals ventiloconvector cu canale de aer. În acest caz aparatul va avea atașat un canal cu o cutie distribuitoare și colectoare pentru instalarea canalelor de introducerea și evacuarea aerului (figura 3.12.).

Figura 3.11.Ventiloconvectorul montat vertical (de perete) sau orizontal (de tavan)

Figura 3.12. Ventiloconvectorul cu cutii distribuitoare și colectoare

Figura 3.13. Funcționarea ventiloconvectorului

Figura 3.14. Ventiloconvector amplasat în tavanul fals (înălțime 30cm)

3.1.5. Perdelele de aer

Perdelele de aer sunt dispozitive de ventilare locală folosite la clădirile publice și industriale pentru a reduce curenții de aer prin deschiderile din pereții exteriori ai construcțiilor. Operația se bazează pe efectul de amortizare a jeturilor de aer la suprafața deschiderilor. În cazul perdelelor de aer nu este necesar ca deschiderile să fie închise.

Figura 3.15. Perdea de aer cu aer interior neîncălzit cu dublu jet orizontal

1. grila de admisie, 2. ventilator, 3. canal de aer , 4. difuzoare de refulare.

Avantajele perdelelor de aer sunt:

– îmbunătățirea condițiilor de muncă în apropierea deschiderilor libere,

– reducerea consumului de căldură (răcire) și a energiei electrice pentru încălzirea / răcirea clădirilor,

– reducerea pierderilor de căldură în clădiri prin folosirea aerului cald din zona superioară a încăperii,

– reducerea suprafeței inutilizabile din apropierea porților, datorita admisiei de aer exterior în clădire.

Perdelele de aer tradiționale, care folosesc doar aerul interior încălzit în încălzitoarele perdelelor, nu sunt întotdeauna economice (datorită consumului considerabil de energie termică). Reducerea consumului de căldură este realizată de perdele prin utilizarea aerului interior și exterior neîncălzit și prin combinarea de aer care încălzesc doar aerul proaspăt. Perdelele de aer care utilizează aer neîncălzit economisesc 30-70% din energia termică.

Conform modelului aerodinamic se disting următoarele tipuri de perdele:

– perdele de aer cu aer interior neîncălzit,

– perdele de aer cu aer interior încălzit,

– perdele de aer mixte cu aer interior.

Figura 3.16. Perdea de aer cu aer interior neîncălzit cu refulare verticală

1. grila de admisie, 2. ventilator, 3. canal de aer , 4. difuzoare de refulare, 5. difuzoare de

refulare montate în pardoseală, 6. spațiu în pardoseală pentru canalul de aer.

Figura 3.17. Perdea de aer mixtă cu aer

interior

Aceste tipuri de perdele sunt întotdeauna instalate în deschiderile exterioare ale porților încăperilor încălzite, ca și în camerele neîncălzite unde temperatura standard trebuie menținută în spațiul de lucru. Sunt proiectate pentru prevenirea pătrunderii aerului exterior în perioada rece a anului. Cele pentru încăperile răcite sunt proiectate pentru împiedicarea intrării aerului cald din exterior.

3.1.6. Ventilarea teatrelor, sălilor de concert și cinematografelor

Figura 3.18. Prepararea și distribuția aerului în teatre, cinematografe

3.1.7. Ventilarea sălilor pentru piscine

Figura 3.19. Sistemul de ventilare pentru sălile piscinelor

Parametrii proiectați ai piscinelor sunt:

– temperatura ambientala 28-30°C,

– temperatura apei 25-27°C,

– umiditatea relativă în interior iarna max. 65%, vara max. 70%,

– temperatura aerului refulat pe timp de iarnă: max. 40-45°C,

– la intrarea în sală, în fața bazinului, există un spațiu adecvat,

– refularea aerului în interior se face pe la partea superioară a sălii,

– gurile de evacuare sunt amplasate în zona tavanului,

– toate elementele sistemului de ventilare sunt făcute din oțel inoxidabil sau aluminiu pentru a se evita corodarea acestora,

– canalele amplasate în exterior vor fi izolate, pentru evitarea fenomenului de condensare în interiorul canalului,

– toate problemele privind umiditatea la evacuare trebuie luate în considerare.

3.1.8. [NUME_REDACTAT] este elementul aerodinamic activ al unui sistem de ventilație. Un ventilator este un dispozitiv dinamic rotativ și reprezintă partea care pune în mișcare toate sistemele de ventilare mecanică. Energia de rotație aplicata axului ventilatorului este transformată într-o diferență de presiune făcând ca aerul, gazul sau o particulele de praf să plutească prin tub sau să fie evacuate într-un spațiu liber.

Ventilatoarele sunt împărțite în doua categorii generale:

– ventilator axial în care aerul plutește axial prin rotor într-un cilindru sau cerc.

– ventilator centrifugal sau radial în care aerul plutește radial prin rotor într-o carcasa tip spirala.

Ventilatoarele cu jet axial sunt împărțite în două sub-categorii diferențiate în principal de carcasa lor și rafinamentul rotorului și al accesoriilor. Toate tipurile variază în formă, număr și unghi al lamelor; proporție a butucului roții față de diametrul rotorului, materiale și metode de fabricație, depinzând de model și preferința producătorului.

Ventilatoarele cu propagare axiale sunt folosite de obicei pentru transport liber sau împotriva unei rezistențe scăzute, pot prezenta de asemenea o varietate de forme, dar sunt simple din punctul de vedere al construcției. Acest tip consta într-un propagator sau o roata de tip disc în interiorul unui panou circular sau carcase. Roata sau carcasa este fie din folii de metal, mulaj de aluminiu, sau material îmbrăcat în plastic. Rotirea poate fi directa cu axul pe vibrochenul motorului sau rotire prin curea.

Figura 3.20. Ventilator axial

Avantaje și utilizări uzuale:

– gamă largă de volume,

– cost de exploatare scăzut,

– necesar de spațiu și greutate reduse,

– ventilație de diluare pentru îndepărtarea toxicului și a mirosurilor.

Dezavantaje:

– limita de rezistență la 250 KPa,

– probleme ale nivelului sunetului în cazul vitezelor mari,

– nerecomandate în cazul mediilor corozive sau abrazive, cerințe de protejare,

– ventilatoarele cu acționare directă nu trebuie folosite în spatii în care ventilatorul transportă gaze sau vapori explozibili,

– limitări ale temperaturii de exploatare.

Figura 3.21. Ventilatorul cu tub axial și ventilatorul cu turbină axială

Ventilatoarele axiale sunt împărțite în doua sub-categorii: cu tub axial și cu turbină axială, folosite de obicei împotriva unor rezistențe apreciabile, în mod normal au butucul rotii relativ mare și palete elicoidale (unghiul variind radial de-a lungul paletei). Paletele pot fi de grosime uniformă, fie plate fie îndoite, compacte sau formate din discuri; sau mai pot fi formate din foaie de tablă decupată și îndoită, compactă sau din tabla de grosime dublă.

Un ventilator cu tub axial este în principal este un ventilator cu elice plasat într-o carcasa cilindrică scurtă, gazul curgând în direcție axiala.

Un ventilator cu turbină axială încorporează turbine proiectate special, care sunt poziționate fie în sensul fie în contrasens cu curentul de aer al ventilatorului.

Ventilatorul axial constă dintr-un rotor prevăzut cu palete din tabla îndoită și decupată montate pe un butuc rotitor. Butucul este poziționat într-o carcasă cilindrică aliniată cu direcția de curgere a gazului. Dacă sunt utilizate gaze care nu prezintă un pericol, motorul este plasat direct în curentul de aer. Dacă totuși sunt transportate gaze explozive, abrazive, inflamabile sau corozive, este folosit un ventilator bifurcat, cu motorul poziționat înafara jetului de aer. Un motor localizat în afara casetei permite ventilatorului să funcționeze acționat de o curea, asigurând schimbări ușoare de viteză, dacă acestea sunt necesare. Datorita progreselor în controlul electronic a vitezei motorului, folosirea curelelor pentru controlul vitezei este în scădere. Un ventilator cu palete din tabla îndoită și decupată poate avea eficiența de până la 80%. Are avantajele de a fi compact și capabil de a se îngloba în tubul de ventilație. Dezavantajele constau în faptul că nu poate fi capabil să dezvolte presiunile ridicate cerute de multe sisteme de ventilații industriale. Scopul paletelor este să reducă gradul de rotire a jetului și să transforme o parte din viteză în presiune statică utilizabilă. Ventilatoarele cu turbină axială dezvoltă o mai mare presiune statică decât ventilatoarele cu tub axial. Acestea sunt construite dintr-o varietate de materiale, depinzând de utilizare. Acestea pot fi acționate fie direct fie prin curea. Modele mai scumpe sunt dotate cu palete cu unghi ajustabil, care permit unui ventilator cu acționare directă să asigure aceleași caracteristici tehnice ca și un ventilator cu acționare prin curea, de același diametru.

Avantaje și utilizări uzuale:

– funcționează cu debite mici și mari de aer,

– gama actuală de presiuni a unor ventilatoare cu turbină axială este similară cu eficiența ridicată a ventilatoarelor centrifugale curbate în sens invers,

– montând ventilatoarele în serie, presiunea de funcționare poate fi mărită,

– sunt compacte, ocupă puțin spațiu și au o greutate mică,

– aplicațiile includ asigurarea condițiilor de confort, aerisire, răcire etc.

Dezavantaje:

– prin construcție au nivel ridicat de zgomot față de cele centrifugale de înaltă eficiență care îndeplinesc aceeași sarcină,

– sunt nepotrivite în atmosfere abrazive sau corozive,

– există probleme la protecția rulmenților,

– nepotrivite în cazul gazelor inflamabile sau explozibile sau a vaporilor, cu excepția cazului folosirii unui ventilator cu acționare prin curea.

Ventilatoarele centrifugale sunt în continuare clasificate în tipuri, funcție de încovoierea sau panta paletelor rotorului, unghi care determina în principal caracteristicile tehnice de funcționare.

Ventilatoarele centrifugale pot fi clasate în trei clase foarte generale (figura 3.22.) : cu vârful paletelor încovoiat în direcția de rotație, cu palete radiale drepte, cu vârful paletelor inclinat în sens invers față de direcția de rotație.

Sunt de asemenea clasificate în următoarele tipuri: de viteză redusă, medie sau ridicată. Diferențierea în încovoiere este întotdeauna vârful lamei. Paletele radiale drepte se întâlnesc cel mai adesea în ventilatoarele de presiune și ventilatoarelor folosite la lucrul cu materiale. Ventilatoarele centrifugale produc presiune din două surse independente:

– de la forța centrifugă creată prin rotația coloanei de aer închise,

– de la energia cinetică cedată aerului prin transformarea energiei cinetice cu care părăsește rotorul.

Figura 3.22. Ventilator centrifugal

a – Ventilatorul centrifugal acționat de motor electric,

b – Trei tipuri de palete : înapoi, radială, înainte.

Această viteză la rândul ei este o combinație dintre viteza de rotație a rotorului și viteza relativă a aerului la rotor. La paletele cu vârful îndoit înainte, aceste două viteze se cumulează, iar când vârful este îndoit înapoi, se scad. În acest fel, un ventilator cu palete încovoiate înainte depinde mai puțin de forța centrifugă pentru realizarea presiunii, depinzând mai mult de conversia viteza – presiune din carcasă, rezultând că poate funcționa la viteze relativ joase. Dimpotrivă, un ventilator având lame încovoiate înapoi creează mai multă presiune prin forța centrifugală (o formă mult mai eficientă de transfer de energie) și mai puțină presiune prin conversia vitezei, de aceea trebuie să funcționeze la o viteză mai mare. Astfel, un ventilator cu paletele încovoiate înainte va avea caracteristici mai bune față de oricare alt tip, de aceleași caracteristici, când funcționează fără nici o rezistență.

Ventilatoarele pentru instalațiile de ventilație și aer condiționat sunt acționate de obicei de motoare electrice, deși pot fi acționate și prin alte metode. Gama de ventilatoare de dimensiuni mici și în special cele care funcționează cu viteze mari, sunt echipate cu motoare cu acționare directă. Ventilatoare de dimensiuni mai mari și cele care funcționează cu viteze mici, în general sunt acționate prin curea tip V.

Racordurile tubulaturii la ventilatoare ar trebui proiectate fără restricții și cu minim de perturbare a curentului de aer deoarece defectele unuia sau a amândurora vor afecta nefavorabil performanța ventilatorului. Tubulatura de ventilație trebuie racordată la ventilator cu ajutorul unui burduf elastic nevopsit sau a altor materiale flexibile. Accesul la racorduri trebuie să fie prevăzut pentru îndepărtări periodice a acumulărilor care ar împiedica funcționarea normală a rotorului. În cazul funcționarii împotriva unei rezistențe hidraulice înalte, sau când zgomotele ambientului sunt mici, ventilatorul este preferabil să se monteze într-o camera al cărui spațiu este neocupat sau este izolat acustic pentru a preveni propagarea zgomotului. La clădirile realizate din materiale de construcție mai ușoare, este preferabil montarea ventilatorului și a motorului de acționare pe un postament elastic, astfel proiectat încât să împiedice transmisia vibrațiilor prin intermediul pardoselii elementelor structurale ale construcției.

Figura 3.23. Ventilator centrifugal de tubulatură

Ventilatoarele centrifugale de tubulatura rectangulară și circulară combină avantajele ventilatoarelor axiale de conductă, de aceea rezultă o instalare simplă și eficientă ca și cost, realizând o presiune ridicată, specifică unui ventilator centrifugal.

Avantaje ale ventilatoarelor centrifugale de tubulatură :

– foarte compacte în formă,

– instalare rapidă și ieftina,

– nivel scăzut al zgomotelor și al vibrațiilor,

– presiune înaltă realizată, până la 300 Pa,

– gamă diversificată a debitelor de aer, până la 3000m3/h,

– aplicație universală în scopuri casnice, comerciale și industriale.

Figura 3.24. Ventilator centrifugal de conductă rectangulară

(fără și cu atenuator de zgomot montat în interior).

Rotorul centrifugal curbat înapoi, realizat din polimer sau metal, care este în mod direct cuplat la motor, generând un nivel scăzut al zgomotului și eficiență ridicată. Instalarea este întotdeauna posibila în orice poziție. Una dintre aplicațiile tipice este ventilația cu evacuare centralizată a toaletelor și camerelor de baie. Ventilatorul centrifugal de tubulatură este instalat în tavanul fals, conectat la o rețea de evacuare realizată din tuburi de secțiune circulară sau rectangulară.

Conform direcției de descărcare a aerului, pot fi identificate două tipuri de ventilatoare centrifugale de acoperiș: orizontale și verticale. Corpul ventilatorului trebuie să fie rezistent la intemperii și coroziune. în acest fel, plăcile de baza sunt întotdeauna confecționate din oțel galvanizat. Are de asemenea grile de protecție confecționate din otel galvanizat. Mărimile nominale ale tuburilor racordate variază între 200 – 700 mm. Motorul electric trebuie să fie în totalitate protejat conform cerințelor minime impuse de IP 54. Este de preferat să se asigure funcționarea nesupravegheată (durata de viață a rulmentului interior de minimum 30000 ore de funcționare). Eficiența este optimizată datorită rotoarelor centrifugale curbate înapoi, făcute din oțel galvanizat. Ventilatoarele de acoperiș nu ocupă spațiu interior. Ventilatoarele de acoperiș sunt folosite în evacuarea aerului din garaje, bucătarii.

Evacuarea verticală oferă următoarele avantaje:

– impact redus asupra zonei înconjurătoare prin evacuarea aerului viciat departe și dispersarea lui în atmosferă;

– minimizarea murdăririi acoperișurilor locale și ale lucarnelor;

– îndepărtarea mirosurilor neplăcute, a vaporilor etc. care ar fi altfel purtate spre clădirile vecine și înăuntrul lor prin ferestre, lucarne deschise sau alte ventilatoare de acoperiș.

Figura 3.25. Ventilatoare centrifugale de acoperiș

(cu evacuare orizontală sau verticală).

Ventilatoarele centrifugale de perete sunt deseori utilizate în evacuarea aerului în exterior din camere de baie și toalete. El este un mic ventilator instalat în fiecare încăpere care necesită aerisire. În fiecare ventilator de perete exista un sistem de obturare a aerului care circula în sens invers pentru a evita o circulație nedorita a aerului din alte camere.

Pentru a selecta tipul și mărimea potrivită a ventilatorului sunt necesare următoarele informații:

1. capacitatea în metri cub pe secundă,

2. presiunea statică sau pierderile de presiune a sistemului,

3. densitatea aerului, dacă este alta decât cea standard,

4. tipul de aplicație sau utilizare,

5. dispunerea sistemului,

6. nivel predominant al zgomotului sau utilizarea spațiului deservit,

7. natura încărcăturii,

8. tipul de energie disponibilă.

Figura 3.26. Evacuarea aerului bazată pe ventilatoare centrifugale de perete

Pentru a facilita alegerea aparatului, diferiți producători de ventilatoare pun la dispoziție tabele sau curbe caracteristice ale ventilatoarelor care arată de obicei următorii parametri pentru fiecare tip de ventilator care acționează asupra unei game largi de presiune statică :

1. debitul de aer în metru cub pe minut,

2. viteza de ieșire,

3. turația în rotații pe minut,

4. puterea electrică necesară,

5. presiunea statică.

Cel mai eficient punct de funcționare este de obicei arătat ori de numere înclinate ori îngroșate, în tabelele cu caracteristici. Deseori, asigurarea service-ului determină tipul ventilatorului. Când funcționarea este cu o rezistența hidraulică scăzuta sau inexistentă și în mod particular fără tubulatură, ventilatorul cel mai propice este indicat pentru comoditate și cost scăzut. Când rezistența este scăzută, necesarul de energie este și el scăzut și eficiența are o importanță secundară. Când este vorba de un sistem de ventilare având tubulatură, se alege de obicei între ventilator centrifugal și un ventilator axial sau ventilator cu turbină axială. În general, ventilatoarele centrifugale sau axiale sunt comparabile în eficiență și nivel de zgomot, dar cele din urmă sunt mai ușoare și necesită considerabil mai puțin spațiu, în special dacă sunt implicate direct în proces. Comparația nu poate fi făcută doar prin costul ventilatoarelor, ci și prin diferența în costul conductelor, trebuind incluse montarea și reparațiile.

Un ventilator cu turbină axială este mai eficient și mai silențios decât un ventilator axial cu tub, dar este mai scump și necesită frecvent mai mult spațiu. În timp ce necesită mai puțin spațiu decât cel centrifugal, ventilatorul axial este prin natura sa mai puțin accesibil pentru service. Când este transmis aer la temperatură ridicată sau aer conținând elemente corozive, motoarele și legăturile trebuie plasate în afara curentului de aer. Această necesitate poate determina tipul de ventilator care trebuie folosit. Acolo unde rezistența sistemului este indefinită sau variabilă, presiunea, energia electrica și caracteristicile de zgomot ale ventilatoarelor centrifugale indică de obicei selecția lor.

Curbele de performanță ale variatelor tipuri de ventilatoare sunt reprezentarea grafică (pentru viteza și densitatea aerului constante) a relației dintre presiunea totală, presiunea statică, necesarul de energie și eficiența mecanică și statică la debitul de aer existent, pentru gama de debite dorită (uneori numită caracteristică).

Orice sistem de ventilație care constă din tubulatură, baterii de încălzire, dispozitive de curățare a aerului, filtre etc., are un sistem caracteristic care individualizează acel sistem și este independent de orice ventilator care poate fi aplicat sistemului. Această caracteristică poate fi exprimată în formă de curbă, exact în același mod ca și caracteristicile ventilatorului. Caracteristicile unui sistem tipic sunt prezentate în figura 3.27.

Figura 3.27. Caracteristicile parabolice ale instalației și curbele

caracteristice ale ventilatorului

Aceste curbe sunt trasate urmând legea parabolică simplă în care presiunea statică sau rezistența la curgerea aerului variază odată cu curgerea debitului prin sistem. Instalațiile de încălzire și ventilație urmează foarte fidel această lege și nici o eroare serioasă nu este introdusă prin folosirea ei. Singurul punct comun celor două curbe este punctul de la intersecția curbei caracteristicilor sistemului și curba caracteristicilor ventilatorului și acesta este punctul de funcționare al celor două sisteme.

Ventilatoarele axiale au un randament de 55-66% iar cele centrifugale 65-85%. Puterea solicitată de un ventilator în funcțiune poate fi estimată cu ecuația 3.1.

[W] (3.1.)

unde : V [m3/s] – debitul,

pt [Pa] – presiunea totală,

η [-] – randamentul ventilatorului,

1,2 este un coeficient de siguranță.

3.1.9. Baterii de încălzire și răcire

Sunt posibile multe metode diferite de încălzire a aerului în scopul ventilării. Într-o aplicație proiectată pentru aer cald, trebuie dată atenție efectelor stratificării în clădirile înalte. Stratificarea mărește pierderile de căldură prin acoperiș și pereți înalți precum și rata schimbului de aer din cauza efectului de piramidă și prin urmare apar pierderi în sistemul de ventilație. În multe cazuri, încălzirea cu aer cald este mai ieftina din punctul de vedere al costului inițial, costurile de funcționare, totuși, vor fi mai mari decât pentru alt sistem de încălzire care asigură aceleași condiții. Sistemul de ventilație poate fi folosit foarte avantajos în timpul lunilor de vara cu bateria de încălzire închisă pentru a introduce aer exterior și pentru a ajuta la îndepărtarea aporturilor de căldură. Aerul poate fi încălzit dintr-unul sau mai multe din următoarele motive:

– încălzirea materialelor,

– aer încălzit de completare pentru a suplini pierderile de ventilație,

– încălzirea pentru confort,

– încălzire pentru a reduce incidența condensării.

Pentru încălzirea aerului, bateriile sunt folosite ca și baterii de atenuare, de preîncălzire, reîncălzire sau încălzitoare rapide. Aburul sau apa caldă sunt de obicei agenții termici folosiți. Bateriile sunt de obicei folosite pentru răcirea aerului însoțite sau nu de dezumidificare. O mare parte a echipamentului bateriilor este proiectat pentru a suporta atât răcirea cât și dezumidificarea. Ansamblul include de obicei modalități de curățare a aerului pentru a proteja bateria de acumulările de mizerie și pentru a ține praful și materiile străine înafara spațiului unde are loc condiționarea aerului. Agentul de răcire pentru bateriile de răcire este de obicei apa răcită. Pentru o răcire și dezumidificare combinată, la bateriile de suprafață există o alternativă în a pulveriza dezumidificatori. În puține cazuri sunt folosite atât pulverizatorii cât și bateriile. Bateriile pot fi instalate în camerele de umidificare, ori în serie cu acestea ori dedesubtul lor. La alegerea dintre pulverizatori și dezumidificatori de suprafață, trebuie luate în considerare avantajele fiecăruia. Folosirea bateriilor face de multe ori posibil ca aceeași suprafață să servească pentru răcire în timpul verii sau încălzire în timpul iernii prin circulația de apa rece într-un sezon și de apa caldă în celălalt, cu economii de durată în aparat și instalație.

Figura 3.28. Tipuri de baterii cu aripioare

(aripioare plate continue, aripioare ondulate plate, aripioare plate pătrate).

Bateriile sunt în principal de două tipuri, acelea care sunt realizate din tuburi și țevi simple și acelea cu suprafețe extinse. Transferul de căldură de la aerul care trece peste suprafața unei țevi la un fluid curgând în aceasta este împiedicat de trei rezistențe. Prima este aceea dintre aer și suprafața conductei și este denumită de obicei rezistența de suprafață exterioară. A doua este rezistența la transferul de căldură prin conducție prin metalul în sine. În final există o altă rezistență termică între suprafața interioară a conductei și fluidul care curge prin aceasta. Pentru aplicații sunt considerate atât rezistența peretelui metalic la transferul de căldură cât și rezistența termică la suprafața interioară sau rezistența stratului, deși acestea sunt de obicei mici în comparație cu rezistența pe partea aerului. Economia în ceea ce privește spațiul, greutatea și costurile este avantajoasă în cazul scăderii rezistenței termice a suprafeței exterioare. Acest lucru poate fi rezolvat prin creșterea suprafeței exterioare cu ajutorul aripioarelor.

Pentru ca bateriile să acționeze eficient, ele trebuie să fie proiectate astfel încât să aibă o viteză a aerului uniformă pe întreaga suprafață frontală a bateriei de răcire sau a bateriei de încălzire. Aceasta este de importanță majoră și trebuie cunoscute specificațiile producătorului în ceea ce privește minimul și maximul vitezei aerului. Din punctul de vedere al energiei și al zgomotului, trebuie avut grijă să se prevină rezistența curentului de aer. Aceasta se obține prin folosirea în mod normal a cel mult cinci rânduri de țevi. Viteza normală a aerului pe suprafața frontală de-a lungul bateriilor cu suprafața extinsă prin aripioare este în mod normal mai mică decât 3,5 m/s. În anumite cazuri este posibilă utilizarea de viteze mai mari.

Figura 3.29. Baterii de tubulatura pentru încălzire sau răcire

(pentru canale rectangulare și circulare)

În sistemele de încălzire pentru confort sunt folosite numai bateriile de temperatură mică și de obicei nu au mai mult de unul sau doua rânduri de țevi. Sunt posibile diverse trasee în circuitul agentului primar, depinzând de metodele de reglare și pompare folosite. Pierderea de presiune proiectată pe circuitul de apă care trece prin baterie în mod normal nu depășește niciodată valoarea de 4 kPa într-o rețea de conducte de presiune scăzută. În cazul unui echipament amplasat pe tubulatură înaintea bateriei există o țeavă striată de un metru pentru a asigura o viteză uniformă pe suprafața frontală a bateriei. De asemenea trebuie evitate măriri și reduceri bruște de secțiune.

Încălzitoare de aer electrice au avantajul de a fi unități cu costuri de instalare reduse, costurile de funcționare, depinzând totuși de sursa de electricitate, sunt de obicei mai mari decât cele utilizând alte surse de energie.

Viteza aerului printr-o baterie de încălzire trebuie să fie suficientă pentru a asigura puterea indicată de producător, încadrându-se în gama de temperaturi de siguranță. La unitățile mari, sarcina electrică este echilibrată pe cele trei faze de alimentare cu energie.

Încălzitoarele sunt de obicei împărțite într-un număr de secțiuni pentru a putea asigura reglarea echipamentelor pe etape. Trebuie acordată o atenție deosebită la izolarea electrică a fiecărei secțiuni, înaintea îndepărtării ei din carcasă. Încălzitoarele trebuie să fie interconectate electric cu motorul ventilatoarelor, pentru a permite ca încălzitorul electric să fie închis când ventilatorul se oprește sau când viteza aerului este mai redusă decât nivelul pentru care încălzitorul a fost proiectat. Riscul de incendiu în condiții de funcționare anormale trebuie să fie contracarat prin folosirea unui întreruptor poziționat potrivit, sensibil la temperatură, cu resetare manuală.

Încălzitoare de aer cu combustie directă pot fi cu gaz, cu combustibil lichid sau cu combustibil solid. Indiferent de combustibilul folosit, coșul de fum trebuie să îndeplinească mai multe cerințe. Coșurile trebuie să aibă o secțiune corect dimensionată pentru a putea îndepărta produsele arderii într-o manieră eficientă și sigură. Trebuie acordată atenție deosebită pentru ca gazele și produsele arderii să nu ajungă în spațiul de locuit. Pentru a reuși acest lucru este esențial ca înălțimea coșului să fie suficient de mare, încât bătaia vântului influențată și de construcțiile din zonă să nu influențeze evacuarea liberă a produselor rezultate în urma combustiei. Dispozitivele trebuie poziționate într-un spațiu care are o suprafață de explozie de o mărime adecvată, priza de aer să nu se înfunde cu moloz pentru a nu se reduce astfel cantitatea de aer proaspăt necesar combustiei.

Figura 3.30. Încălzitoare electrice de linie

(pentru tubulatură rectangulară și circulară)

Pentru a determina necesarul de căldură pentru încălzirea aerului, pot fi folosite relațiile 3.2. sau 3.3.

Q=V*ρ*Δh/3600 [kW] (3.2.)

unde : V – debitul de aer [mc/h],

ρ – densitatea aerului (~1,2) [kg/m],

Δh – diferența de entalpie a aerului [kj/kg].

Ecuația 3.3. este simplificată și poate fi folosită în condiții normale.

Q = V*ρ*c*Δt/3600 =0.36V (ti-te ) [kW] (3.3.)

unde: c – căldura specifică a aerului,

ti-te – temperatura înainte și după răcirea sau încălzirea aerului (º C).

3.1.10. Recuperatoare de căldură

Recuperatorul de căldură este un echipament care este folosit pentru realizarea confortului. Este un schimbător de căldură aer-aer. În aplicațiile pentru realizarea confortului, schimbătorul de căldură aer – aer scade entalpia aerului proaspăt în timpul sezonului cald și o mărește în timpul sezonului rece prin transferarea energiei între aerul proaspăt introdus și aerul evacuat. În paralel cu echipamentele de recuperare a energiei din comerț, pentru utilizări rezidențiale sau comerciale la scară mică sunt disponibile ventilatoare prefabricate de mărime mică cu elemente de recuperare a căldurii asamblate în interiorul lor (figura 3.31.). Dispozitivele de recuperare a căldurii aer-aer pentru realizarea confortului, pot fi dispozitive de recuperare a căldurii sensibilă (transferând doar energie sensibilă) sau dispozitive de recuperare a căldurii totale (transferând atât energie sensibilă cât și umiditatea).

Schimbul ideal de căldură aer-aer îndeplinește următoarele funcțiuni :

– permite modificarea temperaturii între curenții de aer participanți,

– permite transferul umezelii datorita presiunii parțiale între cei doi curenți,

– blochează total transferul de aer între cei doi curenți încrucișați, contaminați biologic sau cu impurități.

Recuperatoarele de căldură sunt recunoscute ca echipamente importante în recuperarea energiei din aerul evacuat, care altfel ar fi irosită. Două tipuri generice de schimbătoare de căldură aer-aer sunt considerate pentru recuperarea căldurii sau căldurii și umidității.

Unul dintre acestea este schimbătorul de căldură regenerativ, numit în mod uzual schimbător de căldură rotativ. Celălalt este recuperatorul de căldură cu plăci plate. Cele mai obișnuite tipuri folosite pentru realizarea confortului la clădirile publice sunt cu plăci fixe, rotativ și cu tuburi termice. Schimbătoarele tip placă fixă pe suprafață nu au părți în mișcare. Straturi de plăci alternante, separate și etanșe formează coridoare pentru introducerea aerului proaspăt și aerului viciat. Căldura este transferată direct din curentul de aer cald în curentul de aer rece prin plăcile de separare ale schimbătorului.

În mod normal, atât căldura latentă de condensare cât și căldura sensibilă sunt recuperate prin placa de separare în curentul de aer rece (proaspăt). Astfel, energia este transferată, dar nu și umiditatea. Plăcile de schimb de căldură fixe pot transfera în mod economic căldura recuperată și o energie totală mare pentru că ele au doar suprafața de transfer elementară pentru separarea curenților de aer. Se poate atinge o recuperare a 80 % sau mai mult din căldura evacuată care în mod normal ar fi irosită. Simplitatea și lipsa părților în mișcare, se adăugă la durata de viață mare, energie mică consumată auxiliar și siguranța în exploatare a acestor recuperatoare.

Un schimbător de căldură rotativ aer – aer are un cilindru rotativ umplut cu un mediu permeabil la aer având o suprafață interioară mare. Aerul introdus respectiv aerul evacuat, curg fiecare printr-o jumătate a schimbătorului, în contracurent (figura 3.33.). Suprafața de schimb termic poate fi selectată să recupereze doar căldura sensibilă sau căldura totală (căldura sensibilă și căldura latentă).

Figura 3.31. Ventilatoare prefabricate de mărime mică, cu recuperator de energie montat în interior

Căldura sensibilă este transferată în momentul în care schimbătorul de căldură rotativ acumulează căldura de la curentul de aer cald cedând-o celui rece. Căldura latentă este transferată în momentul în care în schimbătorul de căldură condensează umiditatea din curentul de aer cu proporția de umiditate cea mai mare (fie că temperatura mediului este sub punctul de rouă, fie prin mijloace de absorbție pentru medii lichide sau adsorbție pentru medii solide), cu o eliberare simultană de căldură și eliberează umiditatea prin evaporare (și creșterea căldurii) curentului de aer cu proporția de umiditate mai mică. Într-un schimbător de căldură rotativ, un strat de substanță absorbantă de umiditate aplicat pe suprafața cilindrului rotativ absoarbe umiditatea în timp ce acesta trece prin curentul de aer mai umed. Odată absorbită de stratul aplicat, umiditatea se deplasează împreună cu cilindrul rotativ în mișcare până când ajunge în curentul de aer mai puțin umed, unde se evapora din stratul aplicat în curentul de aer. Astfel, curentul de aer umed este uscat în timp ce aerul uscat capătă umiditate.

În transferul de căldură total, atât căldura sensibilă cât și căldura latentă funcționează simultan. Deoarece schimbătoarele de căldură rotative funcționează pe principiul contracurentului și în mod normal utilizează guri de trecere a aerului cu diametre mici, sunt destul de compacte și pot avea randamente de transfer ridicate.

Figura 3.32. Recuperator de căldură cu plăci Figura 3.33. Schimbător de căldură rotativ

Figura 3.34. Schimbătorul de căldură cu tuburi termice

Impuritățile aerului, punctul de rouă, temperatura aerului evacuat, și proprietățile aerului introdus influențează în alegerea materialelor pentru carcasă, structura rotorului și a materialului schimbătorului de căldură rotativ. Aluminiul, oțelul și polimerii sunt elementele de construcție uzuale ale carcasei rotorului pentru sistemele de ventilație destinate asigurării confortului. Suprafața de schimb termic este fabricată din metal, minerale sau materiale sintetice și asigură prin construcția ei, fie curgere aleatoare fie curgere controlată. Contaminarea încrucișată sau amestecarea curenților de aer introduși și evacuați are loc în toate schimbătoarele de căldură rotative prin doua procese: transfer și dispersie. Transferul apare atunci când aerul este prins în interiorul volumului mediului de rotație și este transportat în celălalt curent de aer. Dispersia apare pentru că presiunea statică diferențială dintre cei doi curenți de aer duce la migrarea aerului de la o zonă cu presiune statică mai mare la una cu presiune statică mai mică. Contaminarea încrucișată a curenților de aer poate fi redusă prin plasarea exhaustoarelor în așa fel încât să nu influențeze curentul de aer introdus.

Un schimbător de căldură cu tuburi termice este un dispozitiv de recuperare a energiei pasive. În exterior arata ca o țeavă normală cu aripioare sau spirale, doar ca țevile nu sunt interconectate și tubul termic este împărțit în doua secțiuni: de evaporare și de condensare de către o lamela despărțitoare (figura 3.34.). Aerul cald trece prin secțiunea de evaporare a tubului termic iar aerul rece trece prin secțiunea de condensare a tubului termic. Transferul de căldură se face prin vaporizarea lichidului în partea caldă, de unde preia căldura și condensarea acestuia la partea rece a recuperatorului, unde cedează căldura de condensare. Lichidul condensat se întoarce în zona caldă prin gravitație, în cazul poziției verticale și prin capilaritate în cazul poziției orizontale, după care ciclul se repetă. Tuburile termice orizontale (figura 3.34.) sunt fabricate cu o structură capilară integrală, umplută cu un lichid corespunzător și în permanență închis. Fluidul de lucru este în mod normal un agent frigorific de clasa I, dar alți fluor-carbonați, apa și alți compuși chimici sunt folosiți pentru aplicații în funcție de cerințele de temperatură. Modelele cu aripioare includ lamele continue ondulate, lamele continue netede și aripioare în spirală. Modificând forma aripioarelor și dimensiunile țevii se schimbă pierderea de presiune la o viteză frontală dată.

Principiul de funcționare: debitul de aer cald plutind deasupra capătului secțiunii de evaporare a tubului termic vaporizează fluidul de lucru. Diferența de presiune conduce vaporii rezultați în secțiunea de condensare a tubului termic unde vaporii se condensează.

3.2. Instalații de încălzire

3.2.1. Clasificare, confortul termic și bilanțul termic uman

Spațiile interioare ale clădirilor pot fi încălzite prin diferite metode și sisteme. Clasificarea generală a sistemelor de încălzire se poate face după mai multe criterii.

După sursa de căldură :

centrală (centrale termice, respectiv puncte termice)

locală (sisteme de încălzire directă)

După agentul termic folosit :

apă (temperatură redusă; caldă; fierbinte),

abur (presiune joasă; presiune medie),

aer cald.

După modul de transfer de căldură :

convective (radiatoare; aparate de aer-cald; elemente de ventilarea și condiționarea aerului),

radiante (încălzirea prin pardoseală, panouri radiante de tavan și de perete, panouri radiante suspendate; radianți cu infraroșu).

Caracterul clădirilor și încăperilor încălzite, scopul și modul de utilizare a acestora sunt foarte diferite. Cerințele termice și de umiditate pentru interiorul acestora sunt de asemenea, diferite. Aceste cerințe sunt stabilite fiecare, pornind de la cerințele asigurării senzației de confort termic uman al utilizatorilor acestor clădiri sau de la necesitatea asigurării parametrilor interiori termici și de umiditate în conformitate cu activitățile efectuate, a duratei de viață a construcției, a instalațiilor, a eventualelor procese tehnologice.

Sensul definirii confortului ca și confort interior, este de a stabili parametrii mediului interior pentru a reflecta mulțumirea omului față de acesta. Confortul uman în ambianța interioara a clădirii, este definit prin următoarele componente :

temperatura, umiditatea și viteza aerului,

calitatea aerului interior,

factorii acustici,

alți factori.

Valorile parametrilor din interiorul clădirii, respectiv din interiorul încăperii, depind de debitul agenților nocivi din spațiu. Agenții nocivi pot avea ori caracter energetic (aporturi de căldură, pierderi de căldură), ori caracter material (solid, lichid, gazos).

În fiecare corp uman au loc procese biochimice. Producția de energie este un rezultat al acestor procese. O parte a energiei corpului uman se transmite mediului, sub formă de căldură și o altă parte este folosită în scopul efectuării de lucru mecanic. Pentru procesele biochimice este necesar oxigen. Cantitatea de oxigen consumat depinde de intensitatea activității realizate. O persoană adultă medie în repaus consumă în jur la 15* 10-3 m3 de oxigen pe oră și produce o putere termică de aproximativ 88 W.

Condiția pentru a se asigura confortul termic uman într-o încăpere dată este de a asigura echilibrul termic al organismului uman în vederea păstrării temperaturii acestuia.

Transferul de căldura dintre om și mediul înconjurător se realizează prin :

convecție și conducție (42-44%),

radiație (32-35%),

evaporare (21-26%).

Alte premize ale unui confort termic sunt : suprafața corpului uman să fie uscată și să se elimine posibilitățile de creare a disconfortului termic local, datorat :

radiației termice asimetrice,

gradientului de temperatură a aerului pe verticală,

mișcării aerului,

umidității aerului.

Radiațiile termice asimetrice în spațiu sunt cauzate de temperaturi ale suprafeței net mai scăzută ale unor elemente de construcții (geamuri, pereți exteriori), poziționarea sistemelor de încălzire și tehnologice. Valorile recomandate pentru radiațiile termice asimetrice, în timpul activităților ușoare, conform cu ISO 7730, sunt următoarele :

temperatura radiațiilor asimetrice cauzată de structurile verticale < 10ºC,

temperatura radiațiilor asimetrice ale tavanelor calde <5ºC.

Gradientul de temperatură a aerului pe verticală : în general, temperatura aerului interior în spațiile încălzite nu este constantă pe verticala de la pardoseală până la limita de sus, valoarea sa crescând o dată cu înălțimea. În cazul unui gradient termic exagerat, se poate crea un disconfort termic local. ISO 7730 recomandă un gradient termic mai mic de 3ºK pentru o activitate ușoară la o înălțime între 1,1m și 0,1m de la pardoseală.

Mișcarea excesivă a aerului interior poate cauza un disconfort termic local. ISO 7730 recomandă următoarele viteze maxime ale aerului :

activități ușoare în sezonul care necesită încălzire iar temperatura interioară este 20 – 24 °C – sub 0,15 m/s,

activități ușoare în sezonul de vară și temperatura interioară finală 23 -26°C – sub 0,25 m/s.

O evaporare optimă a apei de la organismul uman, la mediul interior al clădirii, este o condiție necesară a confortului termic. De asemenea pentru satisfacerea cerințelor de confort termic, în general este acceptată o umiditate relativă între 30-70%. Valoarea umidității relative optime variază în conformitate cu diferiți parametri, de ex. temperatura aerului sau activitatea fizică. Nivelul optim al umidității relative, minime și maxime sunt posibil de determinat funcție de presiunea parțială a vaporilor de apă din aer între 700 Pa (nivel minim) și 1850 Pa (nivel maxim).

Pentru un spațiu interior se definesc temperatura interioară operativă ca o medie aritmetică între temperatura aerului interior și temperatura medie de radiație și temperatura interioară de calcul care este temperatura rezultantă în mijlocul unei încăperi încălzite (la o înălțime de 0,6 – 1,6 m), fiind folosită cu scopul de a calcula pierderile de căldură la proiectare.

Temperaturile interioare operative și temperaturile interioare de calcul pentru diferite spații și activitatea, în perioada de iarnă, conform STN EN 12831 sunt prezentate în tabelul 3.1.

În acest tabel s-au notat :

A – rezistența termică a îmbrăcămintei exprimată în clo (1 clo = 0,155 m2.°C/W),

B – căldura metabolică la diferite activități exprimata în met (1 met = 58W/m2).

Temperatura aerului în spațiile ocupate de oameni, în scopul aprecierii stării termice interioare, se măsoară în general la înălțimea de 1,5 m deasupra pardoselii. În cazul mișcării neglijabile a aerului și dacă temperaturile suprafețelor anvelopei se apropie de temperatura aerului, această măsurătoare oferă o informație suficient de precisă pentru starea mediului termic interior (diferența dintre temperatura aerului și temperatura operativă este mică).

Tabelul 3.1. Temperaturile interioare operative și de calcul

Pentru măsurarea temperaturii interioare a aerului se folosește termometrul cu mercur (figura 3.35.-a), iar pentru extinderea măsurării acesteia, pot fi folosite termometrele cu rezistențe sau termoelectrice. La termometre pot fi adăugate înregistrări ale valorilor măsurate și echipamente de procesare. Senzorul termometrului este în mod necesar protejat împotriva influenței efectelor radiațiilor de înaltă temperatură din zonele înconjurătoare și a vitezei ridicate a aerului (peste 0,1 m/s). Pentru determinarea umidității și a celorlalți parametri ai aerului poate fi utilizat psihrometrul cu aspirație Assmann (figura 3.35.-b).

Temperatura operativă, care reprezintă un efect complex al temperaturii aerului și al temperaturilor suprafețelor înconjurătoare, se poate determina astfel :

prin montarea elementelor necesare în scopul măsurării directe a acesteia,

prin calculul acesteia funcție de temperatura medie de radiație a suprafețelor înconjurătoare și de temperatura aerului din încăpere prin utilizarea relației 3.4.

[°C] (3.4.)

unde: hc – coeficientul de transfer termic superficial (W/(m2.K)),

hr – coeficientul de transfer termic prin radiație (W/(m2.K)),
θai – temperatura aerului interior (°C),

θr,m- temperatura medie de radiație (°C).

În cazul temperaturii medii de radiație aflate sub 50ºC și dacă aerul nu depășește viteza de 0,2 m/s, temperatura operativă poate fi înlocuită cu temperatura operativă măsurată de termometrul cu glob Vernon-Jokl (figura 3.35-c).

Temperatura medie de radiație se determină cu relația 3.5.

[°C] (3.5.)

unde: – θsi,j temperatura suprafeței interioare a structurii j (°C),

– Aj – aria structurii j (m2).

Figura 3.35. Aparate de măsură pentru interior

a – Termometrul cu mercur

b – Psychrometrul cu aspirație Assmann

1 – cap cu ventilator, 2 – tub conectat la aspirația ventilatorului, 3 – capăt îmbrăcat,

4 – rezervor mic cu apă, t – bulb uscat de temperatură, ty – bulb umed de temperatură.

c – Termometrul cu glob Vernon-Jokl

1 – corpul termometrului, 2 – extensia termometrului, 3 – înveliș din poliuretan,

4 – element de fixare.

3.2.2. Instalații de încălzire cu apă

Avantaje :

agentul termic este disponibil în cantitate nelimitată,

agentul termic se situează la temperaturi în limite rezonabile,

căldura specifică mare a apei, volum redus al fluidului de transport,

fiabilitate bună în exploatare,

reglare ușoara (reglare centralizată prin robineți termostatici pe corpurile de încălzire).

Dezavantaje :

inerție termică ridicată, perioadă lungă de intrare și de ieșire în / din regim,

cost de investiție relativ mare.

Figura 3.36. Schemele de funcționare ale instalațiilor

A – bitubulare, B – monotubulare în serie, C – monotubulare cu by-pass.

Figura 3.37. Schema unei instalații de încălzire cu distribuție inferioară

1 – radiator, 2 – robinet de reglaj, 3 – conducte de distribuție.

Instalațiile de încălzire cu apă în funcție de temperatura apei folosite sunt clasificate în instalații cu apă caldă cu temperaturi până la 110 °C (temperatura apei uzual nu depășește 95 °C) și instalații cu apă fierbinte cu temperaturi de peste 110 °C.

Instalațiile de încălzire cu apă caldă sunt foarte mult utilizate pentru încălzirea clădirilor de locuit, publice și administrative. Instalațiile de încălzire cu apă fierbinte sunt folosite în special la halele industriale.

Figura 3.38. Schema unei instalații de încălzire cu distribuție superioară

Figura 3.39. Schema unei instalații de încălzire cu apă caldă

cu distribuție bitubulară – soluția [NUME_REDACTAT] de încălzire cu apă, funcție de modul de circulație a apei se pot clasifica în:

instalații cu circulație a apei prin gravitație,

instalații cu circulație a apei forțată (așa numitele instalații cu pompe).

Instalațiile cu circulația apei calde prin gravitație se foloseau pentru clădiri mici. Astăzi ele sunt utilizate doar excepțional.

Instalațiile de încălzire cu apă funcție de numărul de conducte se clasifică în:

instalații bitubulare,

instalații monotubulare (figura 3.36.).

Instalațiile de încălzire funcție de amplasarea conductelor de distribuție se clasifică în instalații de încălzire cu distribuție inferioară (figura 3.37.) și instalații de încălzire cu distribuție superioară (figura 3.38.).

O soluție optimă din punctul de vedere a echilibrării presiunii de distribuție este instalația cu distribuție bitubulară tip Tichelmann (figura 3.39.).

3.2.3. Instalații de încălzire cu abur

Avantajele sistemelor de încălzire cu abur :

inerție termică redusă, perioadă scurtă de intrare în regim,

pericol neglijabil de îngheț,

costurile de investiții sunt mai mici decât la cele cu apa caldă.

Dezavantajele sistemelor de încălzire cu abur :

reglare centralizată dificilă, neeconomică,

temperaturi mari ale suprafeței,

pericol de coroziune.

Aburul, ca și agent termic, se utilizează azi doar în clădirile industriale.

Figura 3.40. Schema unei instalații de încălzire cu abur de joasă presiune

cu distribuție inferioară

Figura 3.41. Schema unei instalații de încălzire cu abur de joasă presiune

cu distribuție superioară

Instalațiile de încălzire cu abur se clasifică după presiunea aburului :

de presiune redusă, cu presiunea relativă a aburului < 0,5.105 Pa,

de presiune înaltă, cu presiunea relativă a aburului > 0,5.105 Pa, excepțional depresiune,

instalații de abur în depresiune, cu presiunea absolută < 105 Pa.

Instalațiile de încălzire cu presiune redusă sunt cele mai des utilizate.

Instalațiile de încălzire cu abur se clasifică în funcție de conductele de distribuție a aburului :

instalații de încălzire cu distribuție inferioară (figura 3.40.),

instalații de încălzire cu distribuție superioară (figura 3.41.).

3.2.4. Încălzirea cu aer cald

În perioada încălzirii, aerul cald este transportat în încăpere. Aerul este preparat din punct de vedere termic în generatoarele de aer cald. Aceste utilaje se găsesc în camera de presiune (camera pentru generatorul de aer cald), eventual chiar în camera încălzită.

Figura 3.42. Încălzirea cu aer cald a unei săli de sport

Avantajele instalațiilor de încălzire cu aer cald :

fiabilitate în exploatare,

inerție termică redusă,

costuri mici de investiție,

pot servi și la ventilarea încăperilor.

Dezavantaje:

ridicarea prafului cauzată de mișcarea aerului,

componenta de radiație la transferul de căldură lipsește,

distribuția inegală a temperaturii la împrospătarea aerului, gradient de temperatură ridicat.

Sistemele de încălzire cu aer pot funcționa cu :

aer recirculat (figura 3.42.),

amestec de aer proaspăt și aer recirculat,

aer proaspăt.

Sistemele de încălzire cu aer sunt utilizate de cele mai multe ori pentru încălzirea încăperilor tip hală. Din cauza inerției termice reduse a acestora sunt recomandate pentru încălzirea halelor industriale, depozite, parcări, săli de sport, spații de expoziție și spații similare încălzite intermitent.

Soluția optimă din punct de vedere tehnic și economic este oferită de sistemele combinate de ventilare și încălzire la încălzirea încăperilor cu degajări de noxe, de ex. pentru camere cu rata de schimb de aer impusă.

O combinare a sistemelor de încălzire cu aer cald cu cele prin radiație, eventual convecție este avantajoasă pentru încălzirea unor tipuri de încăperi.

3.3. Instalații frigotehnice

3.3.1. Principiul de funcționare a instalațiilor frigorifice

Instalațiile frigorifice și pompele de căldură, sunt mașini termice care au rolul de a prelua căldură de la un mediu având temperatura mai scăzută și de a o ceda unui mediu având temperatura mai ridicată, așa cum se observă și pe schema energetică din figura 3.43. Acesta poate să fie considerat cel mai simplu model de instalație frigorifică, deoarece nu conține nici un element de natură constructivă. Din acest punct de vedere, poate să fie asimilat cu o "cutie neagră", a cărei funcționare va fi analizată în continuare și care urmează să fie “deschisă” pentru studierea componentelor și relevarea secretele de proiectare, exploatare și automatizare.

Figura 3.43. Schema energetică a

instalațiilor frigorifice și a pompelor de căldură

Mediul cu temperatura mai scăzută, de la care se preia căldură este denumit rece, iar mediul cu temperatura mai ridicată, căruia i se cedează căldură, este denumit caldă. Deoarece au capacitate termică infinită, temperaturile surselor de căldură rămân constante chiar dacă acestea schimbă căldură. Fluxul de căldură absorbită de la sursa rece a fost notat cu Q0, iar fluxul de căldură cedată sursei calde, a fost notat cu Qk.

Conform principiului doi al termodinamicii, pentru transportul căldurii, în condițiile prezentate, este necesar un consum de energie, notat cu P. În cazul instalațiilor frigorifice, sursa rece se găsește sub temperatura mediului ambiant, iar procesul de coborâre a temperaturii sub această valoare, este denumit răcire artificială. Agentul de lucru, care evoluează în aceste instalații, este denumit agent frigorific. Pentru a putea să preia căldură de la sursa rece, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mică decât aceasta.

În timpul preluării de căldură de la sursa rece, agentul frigorific se poate comporta în două moduri diferite:

– se poate încălzi mărindu-și temperatura;

– poate să-și mențină temperatura constantă.

Cele două posibile variații de temperatură (t) a agentului de lucru, de-a lungul suprafețelor de schimb de căldură (S), sunt prezentate în figurile 3.44. și 3.45. Cu tr a fost notată temperatura sursei reci, iar săgețile reprezintă sensul transferului termic (de la sursa rece la agentul frigorific).

Este evident că menținerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul preluării de căldură, este posibilă numai în condițiile în care se produce transformarea stării de agregare și anume vaporizarea.

Relațiile pentru calculul căldurii absorbite (Q0) în cele două situații sunt:

Q0=m1cpΔt [kJ] (3.6.)

pentru cazul fără schimbarea stării de agregare, unde m1[kg] este cantitatea de agent de lucru care se încălzește, cp [kJ·kg-1K] este căldura specifică, iar ∆t [K] este variația temperaturii agentului frigorific între stările de ieșire și intrare, în contact termic cu sursa rece, respectiv:

Q0=m2·r [kJ] (3.7.)

pentru cazul cu schimbarea stării de agregare, unde m2 [kg] este cantitatea de agent de lucru care vaporizează, iar r [kJ·kg-1] este căldura latentă de vaporizare a agentului frigorific, la temperatura de vaporizare t0.

Figura 3.44. Încălzirea agentului de lucru Figura 3.45. Absorbția de căldură de la

în timpul preluării de căldură sursa rece, cu menținerea constantă a

temperaturii

Pentru a se realiza un transfer termic eficient, ∆t este limitată la cel mult câteva grade. Schimbul de căldură la diferențe finite de temperatură este însoțit de ireversibilități de natură internă și cu cât diferențele de temperatură sunt mai mari, cu atât transferul termic este mai puțin eficient. Din această perspectivă este preferabilă varianta cu schimbarea stării de agregare, căreia îi corespunde o temperatură constantă a agentului frigorific și o diferență de temperatură constantă, care poate să fie micșorată prin soluții tehnologice. În varianta fără schimbarea stării de agregare, pentru a absorbi mai multă căldură, este nevoie de o încălzire mai pronunțată a agentului frigorific, însoțită și de creșterea diferenței medii de temperatură, față de sursa rece, deci de un caracter ireversibil mai accentuat. În aceste condiții, pentru orice substanță r >> cp.∆t. Comparând relațiile (3.6.) și (3.7.) apare evident că pentru a absorbi aceeași căldură Q0, fără schimbarea stării de agregare, este necesară o cantitate mult mai mare de agent frigorific, decât în cazul cu schimbarea stării de agregare, deci m1>>m2. Acesta este al doilea motiv pentru care este preferabilă varianta cu schimbarea stării de agregare.

Dacă se consideră cazul funcționării continue a acestor tipuri de instalații, mărimea caracteristică pentru intensitatea transferului termic nu mai este căldura, ci fluxul termic absorbit de agentul frigorific de la sursa rece, sau sarcina termică a vaporizatorului, mărime notată cu Q’0. Această mărime este denumită și putere termică, iar în cazul instalațiilor frigorifice putere frigorifică. Pentru a rescrie relațiile (3.6.) și (3.7.), folosind această mărime, cantitățile de agent frigorific, m1 și m2, trebuie să fie înlocuite cu debitele masice, notate cu m’1 respectiv m’2. Dacă se împart cele două relații la timp, se obține:

Q’0=m’1cpΔt [kW] (3.8.)

Q’0=m’2·r [kW] (3.9.)

În această situație, transferul termic dintre sursa rece și agentul frigorific, în condițiile vaporizării celui din urmă, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse decât în absența schimbării stării de agregare.

Pentru a putea să cedeze căldură sursei calde, agentul frigorific trebuie să aibă temperatura mai mare decât aceasta.

În timpul cedării de căldură către sursa caldă, agentul frigorific se poate comporta, ca și în cazul interacțiunii termice cu sursa rece, în aceleași două moduri diferite:

– se poate răci micșorându-și temperatura;

– poate să-și mențină temperatura constantă.

Figura 3.46. Răcirea agentului de lucru Figura 3.47. Cedarea de căldură spre sursa

în timpul cedării de căldură caldă, cu menținerea constantă a temperaturii

Cele două posibile variații de temperatură (t) a agentului de lucru, de-a lungul suprafețelor de schimb de căldură (S), sunt prezentate în figurile 3.46. și 3.47. Cu tc a fost notată temperatura sursei calde, iar săgețile reprezintă sensul transferului termic (de la agentul frigorific spre sursa rece). Este evident că menținerea constantă a temperaturii agentului frigorific în timpul cedării de căldură, este posibilă numai în condițiile în care se produce transformarea stării de agregare și anume condensarea.

Relațiile pentru calculul căldurii cedate (Qk) în cele două situații sunt :

Qk=m1cpΔt [kJ] (3.10.)

pentru cazul fără schimbarea stării de agregare, unde m1 [kg] este cantitatea de agent de lucru care se răcește, cp [kJ·kg-1K] este căldura specifică, iar ∆t [K] este variația temperaturii agentului frigorific între stările de intrare și ieșire, în contact termic cu sursa caldă, respectiv:

Qk=m2·r [kJ] (3.11.)

pentru cazul cu schimbarea stării de agregare, unde m2 [kg] este cantitatea de agent de lucru care condensează, iar r [kJ·kg1] este căldura latentă de condensare a agentului frigorific la temperatura de condensare tk, egală cu căldura latentă de vaporizare la aceeași temperatură. Din aceleași considerente, menționate la schimbul de căldură cu sursa rece, pentru a avea un transfer termic eficient cu sursa caldă, ∆t este limitată tot la cel mult câteva grade.

Din nou este preferabilă varianta cu schimbarea stării de agregare. Același raționament aplicat în situația preluării de căldură de la sursa rece, evidențiază și pentru cazul contactului termic cu sursa caldă, că este necesară o cantitate mai mică de agent frigorific în varianta cu schimbarea stării de agregare, motiv pentru care iarăși este preferabilă varianta cu schimbarea stării de agregare.

Pentru cazul funcționării continue a acestor tipuri de instalații, utilizând fluxul termic cedat de agentul frigorific sursei calde, sarcina termică, sau puterea termică a condensatorului, mărime notată cu Q’k și debitele masice, notate tot cu m’1 respectiv m’2, împărțind relațiile (3.10.) și (3.11.) la timp, se obține:

Q’k=m’1 cpΔt [kW] (3.12.)

Q’k=m’2·r [kW] (3.13.)

Din nou transferul termic dintre sursa de căldură și agentul frigorific, în condițiile schimbării stării de agregare, este caracterizat prin debite masice mult mai reduse decât în absența acesteia. Acest aspect are implicații importante asupra întregii instalații. Debite mai reduse înseamnă consumuri de energie mai reduse pentru vehicularea agentului de lucru, diametre mai reduse pentru conducte, respectiv elemente geometrice mai reduse din punct de vedere dimensional, pentru schimbătoarele de căldură. Din motivele prezentate anterior, în majoritatea covârșitoare a instalațiilor frigorifice și a pompelor de căldură, este preferat transferul termic între agentul de lucru și sursele de căldură, prin schimbarea stării de agregare.

Cele două aparate ale instalației frigorifice sau pompei de căldură, aflate în contact cu sursele de căldură, sunt unele dintre cele mai importante părți ale acestor instalații și se numesc, vaporizator (notat cu V) și condensator (notat cu K).

Efectul util al instalațiilor frigorifice, sau frigul artificial, se realizează în vaporizator, prin preluare de căldură de la sursa rece.

Efectul util al pompelor de căldură, se realizează în condensator, prin cedare de căldură sursei calde.

Conform principiului doi al termodinamicii, căldura nu poate să treacă de la sine, de la o temperatură mai scăzută (sursa rece) la una mai înaltă (sursa caldă), fără un consum de energie (mecanică sau de altă natură) din exterior.

Energia consumată din exterior, pentru funcționarea instalației, este o putere mecanică sau termică, a fost notată pe figura 3.43. cu P și se măsoară în [kW]. Dacă se efectuează un bilanț energetic pentru instalațiile frigorifice sau pompele de căldură, respectiv dacă se aplică principiul întâi al termodinamicii, se observă că suma dintre energiile introduse în sistem, adică sarcina termică a vaporizatorului Q0 și puterea P, este egală cu energia evacuată din sistem și anume sarcina termică a condensatorului Qk. Matematic acest lucru se poate scrie sub forma:

Qk = Q0 + P [kW] (3.14.)

Temperaturii t0 la care vaporizează agentul frigorific, denumită temperatură de vaporizare, îi corespunde o presiune de saturație unică, notată p0 și denumită presiune de vaporizare. Analog, temperaturii la care condensează agentul frigorific, denumită temperatură de condensare, îi corespunde o presiune de saturație unică, notată pk și denumită presiune de condensare.

În figura 3.45. se observă că deoarece agentul frigorific are în orice punct al vaporizatorului temperatura mai mică decât temperatura sursei reci, atunci t0<tr. Analog, în figura 3.47. se observă că deoarece agentul frigorific are în orice punct al condensatorului temperatura mai mare decât temperatura sursei calde, atunci tk>tc. Pentru că temperaturile surselor de căldură sunt în relația evidentă tc>tr, rezultă clar că temperatura de condensare este mai mare decât temperatura de vaporizare (tk>t0), deci este evident că și pk>p0. Valorile presiunilor de vaporizare și condensare vor fi asigurate de alte două aparate care trebuie să intre în componența acestor instalații. Ținând seama de nivelul de temperatură la care se schimbă energie între agentul frigorific și sursele de căldură, se poate reprezenta, ca în figura 3.48., o schemă a fluxurilor energetice din instalațiile frigorifice și pompele de căldură.

Ca o aplicație a celor prezentate anterior, se poate arăta că vaporizarea se realizează în scopul preluării de căldură de către agentul de lucru aflat inițial în stare lichidă și la sfârșit în stare de vapori, iar condensarea se realizează în scopul evacuării de căldură de către agentul de lucru aflat inițial în stare de vapori și la sfârșit în stare lichidă.

Figura 3.48. Schema fluxurilor energetice

din instalațiile frigorifice și pompele de căldură

3.3.2. Părțile componente ale instalațiilor frigorifice

S-a arătat anterior că presiunea de condensare are o valoare mai ridicată decât cea de vaporizare (pk > p0), deci în instalațiile de acest tip, se consumă energie pentru creșterea presiunii vaporilor furnizați de vaporizator, unde s-au format preluând căldură de la sursa rece, până la presiunea din condensator, unde vor ceda căldură sursei calde. Acest proces se poate realiza într-o mașină denumită compresor, având tocmai rolul de a comprima vapori sau gaze, bineînțeles cu ajutorul unui consum de energie mecanică. Există și alte soluții tehnice pentru realizarea comprimării vaporilor în instalații frigorifice sau pompe de căldură, utilizând însă energie termică în locul celei mecanice.

Dacă vaporizatorul și condensatorul sunt schimbătoare de căldură și prezintă o suprafață de transfer termic pentru asigurarea interfeței dintre agentul frigorific și sursele de căldură, compresorul este o mașină mai complexă din punct de vedere constructiv, cu piston în interiorul unui cilindru, cu șurub, cu lamele culisante într-un rotor montat excentric față de stator, sau având alte construcții. În toate aceste situații, comprimarea se realizează prin reducerea volumului agentului de lucru antrenat. Există și turbocompresoare, acestea având funcționarea bazată pe legile gazodinamicii, transformând energia cinetică în energie potențială de presiune. Puterea necesară din exterior, pentru desfășurarea procesului, numită putere de comprimare, se notează cu Pc [kW]. După comprimare, vaporii de agent frigorific cedează căldură în condensator sursei calde și așa cum s-a arătat, condensează la valoarea pk a presiunii, deci la sfârșitul procesului, agentul frigorific părăsește aparatul schimbător de căldură în stare lichidă. Condensul pentru a reveni în vaporizator trebuie să-și micșoreze presiunea până la valoarea p0.

Din punct de vedere energetic, destinderea se realizează cel mai eficient, într-o mașină numită detentor. Aceasta are avantajul că produce energie mecanică, respectiv putere, capabilă să compenseze o parte din consumul necesar pentru antrenarea compresorului. Din punct de vedere constructiv, detentorul este fie o mașină cu piston într-un cilindru, fie una de tip rotativ, cu circulația radială sau axială a agentului frigorific. Indiferent de construcție, agentul de lucru cedează pistonului sau rotorului o parte din energia sa potențială de presiune și astfel se destinde până la presiunea de vaporizare. Puterea furnizată în timpul destinderii, numită putere de destindere, se notează cu Pd [kW].

Agentul frigorific la presiunea p0, în stare lichidă, intră în vaporizator unde absoarbe căldură de la sursa rece, vaporizează și apoi pătrunde în compresor, iar în continuare funcționarea instalației se realizează prin parcurgerea continuă a celor patru aparate. Procesele de lucru care se desfășoară în acestea, respectiv vaporizare, comprimare, condensare și destindere, alcătuiesc împreună ciclul termodinamic inversat ideal, după care funcționează instalațiile frigorifice și pompele de căldură. În consecință, instalațiile frigorifice și pompele de căldură, au în componență cel puțin patru elemente componente: vaporizator (V), compresor (C), condensator (K) și detentor (D), iar cea mai simplă schemă constructivă a instalațiilor de acest tip poate să fie reprezentată ca în figura 3.49.

Figura 3.49. Schema constructivă și funcțională a instalațiilor frigorifice și

pompelor de căldură

De cele mai multe ori, sursa rece, sau mediul răcit de vaporizator, este reprezentată de aerul din jurul acestui schimbător de căldură, de apă, sau de alte lichide, denumite generic agenți intermediari. Practic agentul frigorific vaporizează absorbind căldură de la aceste substanțe. Pentru condensator, sursa caldă, sau mediul încălzit, este reprezentată de aerul din mediul ambiant, de apă, sau simultan de apă și aer. Acestea, prin suprafața de schimb de căldură, preiau de la agentul frigorific toată căldura latentă de condensare. În practică, de multe ori se spune că apa sau aerul, sunt agenții de răcire ai condensatoarelor. Atât pentru vaporizator cât și pentru condensator, există numeroase tipuri și variante constructive. Energia, sau puterea (P) necesară din exterior pentru funcționarea acestor instalații, este reprezentată de diferența dintre puterea de comprimare (Pc) și puterea de destindere (Pd), deci:

P = Pc – Pd [kW] (3.15.)

Ținând seama de relația (10), ecuația de bilanț energetic (9) rămâne valabilă. Din punct de vedere al analizelor energetice, pentru a elimina dependența de cantitatea de substanță, respectiv de debitul masic al agentului de lucru din instalație, vor fi considerate schimburile energetice specifice, adică raportate la un kilogram de substanță. Acestea sunt:

– puterea frigorifică specifică:

q0=Q0/m [ kJ ⋅ kg -1] (3.16.)

– lucrul mecanic specific de comprimare:

lc=Pc/m [kJ ⋅ kg-1] (3.17.)

– sarcina termică specifică a condensatorului:

qk=Qk/m [kJ ⋅ kg-1] (3.18.)

– lucrul mecanic specific de destindere:

ld=Pd/m [kJ ⋅ kg-1] (3.19.)

Detentorul din instalațiile frigorifice ar fi o mașină foarte complexă și în consecință foarte scumpă, indiferent de construcția acestuia. Complexitatea constructivă a detentorului, nu este justificată de producerea unui efect util pe măsură, deoarece destinderea agentului frigorific, se produce în domeniul în care agentul frigorific se găsește preponderent în fază lichidă, (în detentor intră lichidul furnizat de condensator) și este cunoscut că prin destinderea lichidului, se produce un lucru mecanic, respectiv o putere de destindere mult mai redusă decât în cazul destinderii vaporilor. Cu toate că din punct de vedere termodinamic și energetic cea mai eficientă soluție pentru realizarea destinderii, este reprezentată de utilizarea detentorului, din punct de vedere tehnologic și economic, acesta nu este rentabil. Practic, în construcția instalațiilor frigorifice, detentorul este înlocuit de un dispozitiv mult mai simplu din punct de vedere constructiv, în care destinderea este realizată prin laminare. Acest dispozitiv este fie un tub capilar, în sistemele de putere frigorifică redusă, fie un ventil de laminare, în sistemele și instalațiile de putere frigorifică medie sau mare. Instalațiile frigorifice având în componență aceste dispozitive de destindere, sunt ceva mai puțin eficiente decât cele prezentate în figura 3.49., deoarece nu mai produc lucru mecanic, respectiv putere de destindere, dar sunt mult mai rentabile din punct de vedere tehnico-economic, reprezentând practic singurele soluții tehnice utilizate în prezent, în construcția instalațiilor frigorifice cu comprimare mecanică de vapori, de tipul celor prezentate anterior. În figura 3.50. este prezentată o schemă constructivă a unei instalații de putere frigorifică redusă în care laminarea este realizată prin tub capilar, iar în figura 3.51., schema unei instalații de putere frigorifică medie, în care laminarea este realizată într-un ventil de laminare termostatic.

Figura 3.50. Instalație frigorifică Figura 3.51. Instalație frigorifică

cu tub capilar cu ventil de laminare termostatic

Bulbul care poate fi observat pe conducta de aspirație, are rolul de a controla procesul de laminare, în vederea eliminării pericolului ca eventuale picături de lichid nevaporizat să ajungă în compresor. Laminarea este controlată prin valoarea temperaturii vaporilor la ieșirea din vaporizator, de unde provine și denumirea acestui aparat: ventil de laminare termostatic.

3.3.3. Comparație între instalațiile frigorifice și pompele de căldură

Din punct de vedere principial, ciclul termodinamic inversat, după care funcționează cele două tipuri de instalații, este identic. Ceea ce diferă, este numai nivelul de temperatură la care se găsesc sursele de căldură, față de temperatura mediului ambiant, notată cu ta [°C], respectiv Ta [K].

Pentru a simplifica analiza comparativă a ciclurilor acestor instalații, se consideră că între sursele de căldură și agentul frigorific, schimbul de căldură se desfășoară în condiții ideale, adică la diferențe infinit mici de temperatură. Acest tip de transfer termic presupune suprafețe infinit de mari pentru transmiterea căldurii și o durată infinit de mare, ceea ce nu se poate întâlni în realitate. Din punct de vedere teoretic, aceste ipoteze au însă avantajul că simplifică mult analiza ciclurilor termodinamice. În aceste condiții temperatura sursei reci poate să fie considerată egală cu temperatura de vaporizare a agentului frigorific, iar temperatura sursei calde poate să fie considerată egală cu temperatura de condensare.

În figura 3.52., sunt prezentate trei scheme de instalații funcționând după cicluri termodinamice inversate :

– instalațiile frigorifice, au temperatura sursei reci tr [°C] sau Tr [K], egală cu temperatura de vaporizare t0 [°C] sau T0 [K], mai mică decât temperatura mediului ambiant ta [°C] sau Ta [K]. În această situație particulară, sursa rece mai este denumită și mediu răcit. Rolul acestor instalații este de a prelua căldură de la mediul răcit, în scopul răcirii sau menținerii unei temperaturi scăzute a acestuia. Căldura absorbită Q0, sau puterea frigorifică absorbită Q0, reprezintă efectul util al acestor instalații. Sursa caldă, în cazul instalațiilor frigorifice este reprezentată de mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin stările 1, 2, 3, 4.

Figura 3.52. Scheme de instalații funcționând după cicluri termodinamice inversate

a) instalație frigorifică; b) pompă de căldură; c) instalație combinată.

– instalațiile de pompă de căldură, au temperatura sursei calde tc [°C] sau Tc [K], egală cu temperatura de condensare tk [°C] sau Tk [K], mai mare decât temperatura mediului ambiant ta [°C] sau Ta [K]. În această situație particulară, sursa caldă mai este denumită și mediu încălzit. Rolul acestor instalații este de a ceda căldură mediului încălzit, în scopul încălzirii sau menținerii unei temperaturi ridicate a acestuia. Căldura cedată Qk, numită uneori și căldură pompată, sau sarcina termică a condensatorului Qk, reprezintă efectul util al acestor instalații. Sursa rece, în cazul pompelor de căldură este reprezentată de mediul ambiant. Ciclul de lucru este reprezentat prin stările 5, 6, 7, 8.

– instalațiile combinate, au temperatura sursei reci, egală cu temperatura de vaporizare, mai mică decât temperatura mediului ambiant, iar temperatura sursei calde, egală cu temperatura de condensare, mai mare decât temperatura mediului ambiant. Rolul acestor instalații este de a absorbi căldură de la mediul răcit și simultan de a ceda căldură mediului încălzit. Aceste echipamente au un dublu efect util, reprezentat evident de sarcinile termice ale vaporizatorului Q0 și condensatorului Qk. Ciclul de lucru este reprezentat prin stările 9, 10, 11, 12.

3.3.4. Mașini frigorifice cu o treaptă de comprimare

Cele mai simple mașini frigorifice, ca cea din figura 3.53. vor fi prezentate mai detaliat împreuna cu cele patru aparatele componentele care nu pot să lipsească din aceste mașini.

Figura 3.53. Schema unei

mașini frigorifice simple

În figura 3.54. este reprezentat în secțiune un compresor frigorific. Se poate observa motorul electric 1, al cărui rotor 2 se continua cu arborele cotit. Este reprezentat și sistemul bielă-manivelă cu bielele 3 și pistoanele 4. Aspirația vaporilor se realizează prin supapele de aspirație 5 la coborârea pistoanelor, iar refularea prin supapele de refulare 6 la urcarea pistoanelor.

Figura 3.54. Compresor frigorific

1 – motor electric, 2 – rotor, 3 – bielă, 4 – piston,

5 – supapă de aspirație, 6 – supapă de refulare.

Vaporii calzi, refulați din compresor, ajung în condensator. Se observă cum, în acest aparat, se produce întâi răcirea vaporilor și apoi condensarea propriu-zisă.

Din punct de vedere constructiv, figura prezintă un condensator ale cărui serpentine schimbătoare de căldură sunt răcite de aer. Se observă că există și nervuri pentru extinderea suprafeței și intensificarea transferului termic. Aerul este circulat forțat cu ajutorul unui ventilator. Există și construcții de condensatoare răcite cu apă sau mixt, cu apă și aer. În schema prezentată, dispozitivul de destindere este reprezentat de un tub capilar, ca cel din figura 3.55.

Datorită secțiunii interioare mici și lungimii mari a capilarului, în timpul curgerii se produce căderea de presiune de la pk la p0, sugerată de manometrele montate la capetele tubului. Treptat, odată cu reducerea presiunii, agentul frigorific ajunge în domeniul vaporilor umezi, iar la ieșirea din tubul capilar se obțin un amestec de lichid și vapori saturați la presiunea de vaporizare, în care predomină lichidul, titlul acestor vapori fiind în jur de 75 … 85%.

Figura 3.55. Tubul capilar

În vaporizator, în care se realizează efectul util al instalației, lichidul aflat la temperatură redusă, sub cea a mediului ambiant, în timp ce își schimbă starea de agregare răcește în acest caz aer, dar este posibil să se răcească și apă sau alte lichide, respectiv gaze sau substanțe solide. Din punct de vedere constructiv vaporizatoarele răcitoare de aer se aseamănă cu condensatoarele răcite cu aer, fiind realizate dintr-o serpentină pe care se montează nervuri. Dacă vaporizatorul funcționează sub 0°C atunci pasul dintre nervuri va fi mult mai mare decât la condensator, pentru a permite și depunerea de brumă sau gheață, fără a obtura spațiul de curgere a aerului circulat forțat de către ventilator.

Procesele de lucru corespunzătoare fiecărui aparat din cele prezentate sunt reprezentate în diagrama lgp-h din figura 3.57. Pe această figură, tubul capilar a fost înlocuit de un ventil de laminare. Se pot observa ușor procesele de comprimare adiabatică (s = constant) din compresor, cel de condensare (p = constant) din condensator, cel de laminare adiabatică (h = constant) din ventilul de laminare și cel de vaporizare (p = constant) din vaporizator.

Figura 3.57. Reprezentarea aparatelor și a proceselor de lucru în diagrama lgp-h

În realitate, transferul termic în condensator și vaporizator, are loc la diferențe finite de temperatură, iar comprimarea din compresor este o adiabată ireversibilă, datorită frecărilor și altor procese ireversibile intern. În figura 3.58. este prezentat ciclul real în diagramele T-s și lgp-h, împreună cu pierderile care se manifestă în ciclul real. Diferențele de temperatură ∆Tk=Tk-Ta, din condensator și ∆Tv = Tr-T0, din vaporizator, sunt recomandate de literatura de specialitate, în intervalul ∆Tk=∆Tv=(5…8)°C pentru lichide, respectiv (10…20)°C în gazul gazelor.

Figura 3.58. Ciclul real de funcționare

a) Diagrama T-s; b) Diagrama lgp-h

Lucrul mecanic minim necesar pentru a transporta căldura q0, de la temperatura Tr a mediului răcit, la temperatura Ta a mediului ambiant, este cel al unui ciclu Carnot inversat, care ar evolua între aceste temperaturi, adică ciclul 6, 7, 8, 9, pe (figura 3.58.a), având lucrul mecanic egal cu aria închisă de acest ciclu. Puterea frigorifică specifică q0, se poate calcula în două moduri: q0 = Tr∆sc = T0∆sq0. [NUME_REDACTAT] > T0, rezultă că ∆sc < ∆sq0. Pierderea din vaporizator pirv, datorată ireversibilităților care însoțesc schimbul de căldură la diferență finită de căldură este conform teoremei Guy și Stodola: πirv = Ta∆s = Ta(∆sq0 – ∆sc).

3.3.5. Mașini frigorifice în două trepte de comprimare

Odată cu scăderea temperaturii de vaporizare t0, necesară obținerii unor temperaturi foarte scăzute, scade și presiunea de vaporizare p0, deci crește raportul de comprimare al compresorului H.

Ca o consecință, apar unele dezavantaje între care cele mai importante sunt creșterea consumului de energie și reducerea coeficientului de debit al compresorului. În situații extreme, la creșterea prea accentuată a raportului de comprimare, aceasta devine nu numai neeconomică ci chiar imposibilă. O altă consecință nedorită este creșterea temperaturii vaporilor refulați. Aceasta nu pate depăși anumite limite, deoarece se poate atinge temperatura de cocsificare, sau chiar de aprindere a uleiului de ungere. De exemplu, la utilizarea amoniacului (NH3), nu se va depăși sub nici o formă temperatura vaporilor refulați de 120…140°C. Orientativ, într-o singură treaptă de comprimare se pot realiza temperaturi scăzute de până la –25°C. În principiu, raportul de comprimare nu trebuie să depășească valoarea 8 la utilizarea compresoarelor cu piston verticale, respectiv valoarea 6 la utilizarea compresoarelor cu piston orizontale.

La proiectarea instalațiilor frigorifice pentru realizarea temperaturilor de vaporizare aflate în domeniul pentru care se pot utiliza atât instalații într-o treaptă cât și în două trepte, se va efectua o analiză comparativă tehnico-economică, în vederea alegerii variantei optime. Pentru realizarea temperaturilor de vaporizare mai coborâte, se va utiliza comprimarea în două trepte.

3.3.6. Compresoare frigorifice

Principalele tipuri de compresoare utilizate în tehnica frigului și domeniile de utilizare ale acestora sunt prezentate în tabelul 3.2.

Tabel 3.2. Tipuri de compresoare frigorifice și domeniile de utilizare

3.3.6.1. Compresoare cu piston

Compresoarele cu piston fac parte din familia compresoarelor volumice alternative și pot fi de trei tipuri constructive:

– semiermetic, reprezentat în figura 3.59.;
– ermetic, reprezentat în figura 3.60;

– deschis, reprezentat în figura 3.61.

Figura 3.61. Compresor deschis

Compresoarele deschise se pot cupla cu motoare separate, de tip electric sau termic și pot vehicula orice tip de agent frigorific. în general sunt utilizate pentru puteri frigorifice medii și mari.

Compresoarele semiermentice sunt cuplate direct la un motor electric închis într-un carter demontabil comun. Nu pot vehicula decât freoni și se utilizează pentru puteri medii.

Compresoarele ermetice se aseamănă cu cele semiermetice, dar sunt închise împreuna cu motorul într-o carcasa etanșă nedemontabilă (sudată). Nu pot vehicula decât freoni și se utilizează pentru puteri mici și medii.

3.3.6.1.1. Realizarea comprimării

În figura 3.62. este reprezentat interiorul unui compresor deschis cu piston. Din punct de vedere constructiv, compresoarele frigorifice nu se diferențiază fundamental de cele utilizate pentru alte gaze:

– în general compresoarele sunt cu simplu efect;

– comprimarea se realizează politropic;

– în compresoarele industriale sunt foarte utilizate supapele cu discuri inelare, care se întâlnesc uneori și în cele semiermetice, în locul supapelor lamelare;

– răcirea cilindrilor este cel mai adesea realizată de vaporii aspirați, care în consecință se încălzesc în procesul de aspirație;

– răcirea vaporilor în timpul comprimării se poate realiza prin injecție de agent frigorific lichid (ceea ce prezintă însă pericolul producerii de lovituri hidraulice, deci nu este o metodă utilizata în mod curent);

– comprimarea în doua trepte este avantajoasa daca raportul de comprimare depășește valoarea 7, sau dacă temperatura finală de refulare depășește valoarea de 125 … 1350C;

– între treptele de comprimare se realizează răciri intermediare, de regulă cu apă sau cu aer.

Cilindrii – pot fi prelucrați prin procedee de precizie ridicată, direct în corpul carterului, până la suprafață oglindă, sau pot fi realizați din cămăși amovibile prelucrate din fontă extrafină centrifugată, având tot suprafața oglindă. Partea inferioară a cămășii se montează pe carter, iar în partea superioară a acesteia se montează supapele de aspirație. Diametrul interior definește alezajul D, exprimat în milimetri. Chiulasa care închide cilindrii poate să fie comună pentru mai mulți cilindri.

Pistonul – este realizat din aliaj de aluminiu, cu o prelucrare particulară a capului, conformă cu forma supapelor, în scopul reducerii la minim a spațiului mort. Pistonul este prevăzut cu doi sau trei segmenți din fonta cromata și un segment raclor pentru uleiul de ungere. În fusta pistonului sunt prevăzute orificiile pentru montarea bolțului, realizat sub forma tubulara din oțel de înaltă rezistență (90 kgf/mm2). Pe bolț este asamblat piciorul bielei.

Deplasarea pistonului între punctul mort interior și punctul mort exterior, constituie cursa S, exprimata în milimetri și indicata de firmele constructoare în cataloage.

Pentru a menține viteza vaporilor la trecerea acestora prin supape, într-un domeniu de valori convenabile, se realizează rapoarte D/S de ordinul 1,3 … 1,4. În general nu se depășește o viteza medie liniara a pistoanelor u, de 4 m/s. În consecință se pot scrie doua relații care permit definirea limitelor acceptabile ale S și D, pentru turațiile de sincronism ale motoarelor electrice de antrenare a compresoarelor conform relațiilor 3.20.

u = 2n.S/60 = 4m/s ; D = 1,35S (3.20.)

Tabel 3.3. Valorile parametrilor constructivi

Supapele – ca și la majoritatea compresoarelor pentru diverse gaze, sunt realizate din discuri inelare concentrice, cele de aspirație la periferie, iar cele de refulare în zona axiala, ca în figura 3.63. Cursa supapelor este redusa, iar secțiunile de trecere se calculează pe baza următoarelor viteze:

– 30 … 40 m/s pentru freoni;
– 50 … 60 m/s pentru amoniac.

Canale sau colectoare – vaporii de agent frigorific sunt admiși în cilindrii și sunt evacuați din aceștia prin intermediul canalelor sau colectoarelor, care sunt realizate în carter sau în afara acestuia. Ultima soluție constructivă evită supraîncălzirea vaporilor aspirați datorită contactului cu masa metalică a carterului, care în timpul funcționării compresorului este caldă.

Câteva elemente constructive ale compresoarelor cu piston sunt prezentate în figura 3.64.

Coeficientul de debit – Spațiul mort al compresoarelor frigorifice este situat între 1…4%, iar coeficientul de debit depinde de natura agentului frigorific, în particular de valoarea exponentului politropic.

3.3.6.1.2. Particularități mecanice

Compresoarele frigorifice actuale diferă puțin de la un constructor la altul și în afara unor detalii tehnologice, au în comun cinci elemente specifice, care prezintă unele particularități față de compresoarele pentru gaze.

Carterul – se realizează în general din fontă cu granulație fină (Ft25), etanșă pentru agenții frigorifici și turnat dintr-o singură bucată, cu toate orificiile pentru montarea cămășilor de cilindri, cuzineților pentru lagărele palier și pentru vizitare. Grosimile fontei sunt determinate pentru a rezista la presiunile care se manifestă în diferite zone ale compresorului. După realizarea prelucrărilor mecanice (uzinaj), carterul este supus unor probe hidraulice la o presiune de două ori mai mare decât cea nominală de lucru.

Cilindrii sunt dispuși în linie, în V în W sau în VV, adică în stea. Astfel se pot realiza mașini cu 2, 3, 4, 6, 8, 9, 12 sau 16 cilindri. în acest mod constructorii pot sa realizeze serii de compresoare bazate pe una sau doua perechi de alezaj / cursa (D/S), în condițiile unei foarte bune compactități, unui echilibraj foarte bun și cu un număr redus de ambielaje și elemente constructive (dintre care multe sunt comune unei întregi serii de compresoare).

Pentru un compresor cu i cilindri, volumul descris de piston, sau volumul baleiat denumit și cilindree, se calculează cu relația:

[m3/h] (3.21.)

Carterul prezintă două spatii despărțite de un perete obținut prin turnare :

– partea superioară cuprinde cămășile de cilindru și constituie camera de aspirație;

– partea inferioară cuprinde arborele cotit (vibrochenul) și baia de ulei.

Cele două spatii comunică între ele prin orificii de echilibrare a presiunii, astfel încât și partea inferioară a carterului să se găsească tot la presiunea de aspirație. Această dispunere prezintă următoarele avantaje:

– partea inferioară se găsește la presiuni apropiate de cea atmosferică, deci sunt posibile deschiderea și accesul în interior pentru operații de întreținere;

– permite returul spre baia de ulei a uleiului care se separa de vaporii de agent în camera de aspirație;

– permite degazarea uleiului de vaporii de agent frigorific.

Accesul pentru operații de întreținere este facilitat de existenta unor deschideri pentru vizitare, prevăzute cu capace demontabile și a unor diferite bosaje care permit racordarea de manometre de control sau a unor organe de siguranța.

Arborele cotit și bielele – se diferențiază de cele utilizate în celelalte compresoare. Câteva elemente specifice sunt următoarele:

– arborele cotit este realizat din otel matrițat sau adesea din fontă nodulară; este dimensionat cu atenție, iar masele de echilibrare, solidare cu arborele, preiau forțele rezultante – orizontale și verticale – ca și neuniformitățile mișcării.

– arborele se rotește în paliere lise, prevăzute cu cuzineți antifricțiune realizate dintr-un aliaj pe baza de plumb sau alte materiale, pe un suport metalic subțire, caz în care cuzineții se pot înlocui, respectiv în paliere cu bile sau rulmenți, iar uneori se utilizează o combinație a celor două variante;

– suprafețele pe care se montează palierele lise se tratează termic pentru a atinge o duritate de ordinul a 50 kgf/mm2;

– daca numărul de cilindri este mai mare de 8, în general este prevăzut un palier intermediar;

– arborele este penetrat de canale destinate circulației uleiului de ungere;

– bielele matrițate dintr-un aliaj de aluminiu, sunt prevăzute în capul acestora cu cuzineți antifricțiune amovibili, iar în picior cu o garnitura din bronz;

– în anumite cazuri, bielele nu prezintă nici cuzineți nici garnitura, iar când se ating cotele de uzura definite de constructor, bielele sunt înlocuite cu totul;

– uneori bielele sunt prevăzute cu canale pentru asigurarea curgerii uleiului dinspre cap spre picior;

Pentru compresoarele deschise, arborele iese în exterior, astfel încât trebuie prevăzute două dispozitive particulare :

– o garnitură rotativă (presgarnitură) – care creează o barieră între carterul aflat sub presiunea agentului frigorific și atmosferă. Pentru aceasta majoritatea constructorilor au adoptat un sistem de tip garnitură mecanică. Dacă în timpul funcționarii carterul trebuie să lucreze sub depresiune, garnitura prezintă două sisteme de etanșare opuse.

– o piesă internă – între arborele cotit și carter, având rolul de a absorbi presiunea reziduală creată de diferența dintre presiunea din carter și cea atmosferică. Această piesă este realizată fie dintr-un inel prevăzut pe unul din lagărele palier, fie dintr-un rulment cu bile, ace sau role numit de presiune.

Ungerea – are ca scop asigurarea gresajului părților aflate în mișcare relativă: palierele principale, capetele bielelor, picioarele bielelor, cilindrii și garnitura mecanică. Circuitul de ungere prezintă în general următoarele elemente:

– un filtru de aspirație cu cădere de presiune redusă, imersat în baia de ulei;

– o pompă de ulei antrenată de arborele cotit: în prezent sunt utilizate două tipuri de pompe: cu angrenaj exterior, echilibrate dar cu un singur sens de rotație și cu angrenaj interior, reversibile, pentru compresoare ermetice și semiermetice, la care nu poate fi predefinit sensul de rotație;

– un răcitor de ulei pentru răcirea uleiului refulat de pompă într-un schimbător aflat fie în afara compresorului, fie în interiorul carterului, răcirea realizându-se fie cu apă, fie cu vapori de agenți frigorific aspirați;

– un filtru suplimentar la ieșirea din schimbător pentru eliminarea impurităților metalice sau de grafit (cărbune), care utilizează site foarte fine ( în general 20 μm) și pot fi prevăzute uneori cu un magnet introdus pe circuitul de ulei;

– un regulator de presiune (presostat diferențial de ulei) care menține presiunea din circuitul de ungere la o valoare cu 2-3 bar peste presiunea de aspirație, cu ajutorul unei supape reglabile din exteriorul compresorului, amplasată de constructori înainte de distribuția uleiului sau la sfârșitul circuitului. În ambele cazuri excesul de ulei este reintrodus în carter.

– un distribuitor: în general uleiul curat și răcit circulă prin canalul prevăzut în arborele cotit de unde este distribuit spre diferitele puncte de ungere menționate anterior: paliere, cuzineți, garnitura mecanică etc. Acesta poate servi și ca fluid hidraulic motor pentru comanda variatoarelor de putere frigorifică.

Uleiul se poate reîntoarce în carter prin următoarele puncte: neetanșeități interne ale palierelor și manetoanelor, neetanșeități permanente ale presgarniturii, raclajul pereților interni ai cilindrilor, camerele de aspirație, descărcarea supapei regulatorului, returul separatorului de ulei.

La utilizarea freonilor, este adesea necesară menținerea temperaturii uleiului în carter, pe durata perioadelor de oprire în intervalul 50-60o C, pentru a evita diluarea prea puternică a uleiului cu agent frigorific. Această încălzire se realizează cu ajutorul unei rezistențe electrice montate într-o teacă de protecție, în baia de ulei, a cărei temperatură este reglată de un termostat. În timpul funcționării compresorului, rezistența nu mai este alimentată.

Reglarea puterii frigorifice – Sistemul cel mai utilizat în compresoarele industriale constă în blocarea supapei de aspirație în poziție deschisă, pentru cilindrul sau cilindrii care practic vor fi suprimați din punct de vedere funcțional. În acest scop, discul inelar al supapei este ridicat prin diferite mijloace: tijă ridicătoare, piston inelar etc. Fiecare din acestea se deplasează în interiorul cămășii cilindrului, cursa fiind foarte mică, astfel încât să corespunda cursei supapei.

În general, aceste sisteme echipate cu resorturi pentru revenire sunt acționate prin una din următoarele modalități :

– presiunea uleiului admis printr-un ventil solenoidal cu trei cai;

– presiunea vaporilor comprimați admiși printr-un ventil solenoidal;

– un dispozitiv mecanic acționat tot de presiunea uleiului.

Există și un procedeu care utilizează un servomotor autonom, care menține constantă presiunea în carter (de aspirație) la o valoare prestabilită. Acest dispozitiv este utilizat în special pe grupuri de răcire a apei. În general, sistemul de reglare a puterii frigorifice prin eliminarea cilindrilor, poate să fie utilizat pe compresoare având minim trei cilindri, astfel încât sa rămână suficienți cilindri activi. Mai pot fi menționate și alte două modalități de reducere a puterii frigorifice :

– deschiderea unui orificiu de scurtcircuitare între doi cilindri;

– deschiderea proporțională a supapelor de aspirație prin întârzierea închiderii, ceea ce conduce la reducerea debitului aspirat.

Pornirea cu sarcină redusă – dacă se aplică la toți cilindrii, permite utilizarea de motoare electrice cu cuplu și curent absorbit mai reduse. Cilindrii sunt reintroduși în sarcină normală atunci când presiunea în circuit se stabilizează, fie pe rând, fie doi câte doi.

Sistemul de antrenare – Compresoarele deschise sunt în general antrenate direct de motoare electrice cu 6 sau 8 poli, ceea ce face ca turația sa fie apropiata de cea de sincronism, adică pentru rețele cu frecventa de 50 Hz: 1000 sau 1500 rot/min, respectiv pentru rețele cu frecventa de 60 Hz: 1200 sau 1800 rot/min. Se utilizează un cuplaj elastic rigid cu disc din oțel sau elemente din cauciuc între doua manșoane. Aceste compresoare sunt bine echilibrate dinamic și nu necesita volante inerțiale. în cazul în care compresorul este antrenat de un motor cu ardere interna, trebuie studiata în mod serios problema cuplajului, ținând seama de neregularitățile ciclice ale rotației celor doua mașini. Uneori s-ar putea sa fie necesara utilizarea volanților. Compresoarele ermetice, sau cele semiermetice, sunt cuplate direct pe arborele motorului electric incorporat în carter.

3.3.6.1.3. Compresoare ermetice și semiermetice

Aceste tipuri de mașini sunt specifice tehnicii frigului, deoarece freonii protejează înfășurările electrice, ceea ce permite introducerea motorului în fluxul de agent frigorific vehiculat de compresor. Principalul avantaj al acestor mașini este că pe același arbore se găsesc motorul electric și ambielajul compresorului. În plus ansamblul se introduce într-o singură carcasă etanșă pentru agentul frigorific, dispar problemele de aliniere a motorului cu compresorul și problema traversării carterului de către arborele cotit, ca și problema garniturii mecanice.

Compresoarele ermetice sunt complet incluse într-o carcasa metalica sudată și etanșă care face inaccesibile părțile mobile și nu permite intervențiile în interior.

În figura 3.65. este prezentat un compresor ermetic secționat, iar în figura 3.66. este prezentat un compresor ermetic nefuncțional, montat într-o carcasă din sticlă, pentru a se observa cum se prezintă acest aparat în interior.

În figura 3.67. sunt prezentate câteva părți componente ale unui compresor ermetic.

Compresoarele semiermetice permit demontarea atât a motorului cat și a compresorului, făcând posibile intervenții mecanice de întreținere și depanare. O secțiune printr-un compresor semiermetic este prezentata în figura 3.68.

Față de compresoarele deschise, cele ermetice și semiermetice se disting prin următoarele particularități:

Agenții frigorifici – nu pot fi decât fluide neutre din punct de vedere al sistemului electric, de exemplu R134a, sau R22. Vaporii de agent frigorific, aspirați sunt utilizați pentru răcirea înfășurărilor electrice ale statorului și rotorului înainte de a ajunge în camera de aspirație.

Pentru temperaturi de vaporizare coborâte (de exemplu -30oC), dacă debitul masic de vapori aspirați de compresor nu este suficient pentru răcirea motorului electric, trebuie prevăzute ventilatoare exterioare pentru răcirea carterului.

Puterea maximă – cu rare excepții, nu poate să depășească 45 kW pentru compresoarele semiermetice, respectiv 30 kW pentru compresoarele ermetice.

Supapele – sunt în general cu lamele. Trebuie reținut însă că mașinile moderne utilizează din ce în ce mai mult supape asemănătoare cu cele ale compresoarelor industriale.

Carterul – este turnat dintr-o singură bucată și constituie atât corpul compresorului cât și al motorului, prezentând uneori și aripioare de răcire. Este închis pe partea compresorului de suportul lagărului palier și al pompei de ulei, iar pe partea motorului, de un capac pe care este prevăzut un robinet de aspirație, iar în interior un filtru pentru vaporii aspirați.

Cilindrii – sunt în general în număr de 2-3 în linie, 4 în V și 6 în W. Sunt prelucrați direct în corpul carterului. Capacele cilindrilor sunt tot din fontă ca și carterul, iar gura de vizitare este realizată pe partea compresorului. Se pot monta și două compresoare în tandem, caz în care mai există o piesa intermediară care leagă cele două motoare montate spate în spate.

Figura 3.65. Compresor ermetic
1 – capsulă etanșă; 2 – rotor; 3 – stator;
4 – amortizor de zgomot; 5 – compresor.

Figura 3.70. Separator de ulei

Variația puterii frigorifice – este în general mai simplu de realizat decât la compresoarele industriale. Cele doua sisteme mai des întâlnite sunt următoarele:

– obturarea intrării vaporilor în doi cilindri simultan;

– deschiderea unui orificiu de scurtcircuit între doi cilindri, ca în figura 3.69.

Pornirea în sarcină redusă – se realizează prin utilizarea de obturatori sau a unui circuit exterior de by-pass cu un robinet solenoidal de comandă.

Ungerea – în general se realizează sub presiune, cu o pompă de ulei care trebuie să fie obligatoriu reversibilă, sensul de rotație al compresorului putând să fie indiferent.

3.3.6.1.4. Elemente auxiliare ale compresoarelor

Separatorul de ulei – Este amplasat la refularea compresorului și are ca scop separarea unei părți cat mai mari din uleiul antrenat de agentul frigorific din sistemul de ungere, pentru a-l întoarce în carterul compresorului. Separarea se bazează pe diferența de densitate dintre cele doua fluide și pe modificarea energiei cinetice a acestora, care se poate produce în mai multe moduri: centrifugare, modificarea bruscă a direcției de curgere și creșterea bruscă a secțiunii de curgere.

În figura 3.70. este reprezentat un separator de ulei compus dintr-un corp cilindric (poate să fie orizontal sau vertical) în interiorul căruia există șicane, material de umplutură (de exemplu inele metalice), sau plase metalice, tricotate sau din pânză. Uleiul separat se acumulează în partea inferioară, de unde prin intermediul unui robinet cu flotor se reîntoarce în carter.

Nu există separatoare de ulei capabile să separe complet uleiul antrenat de agentul frigorific din următoarele motive:

– chiar dacă sunt foarte eficiente la debitul maxim de agent frigorific, eficiența acestora se reduce la scăderea debitului;

– vaporii de ulei foarte calzi (100 – 1300 C) sub formă de aerosoli nu pot să fie separați decât dacă li se reduce temperatura până în jurul valorii de 500 C și sunt readuși în starea de picături prin coalescență.

Utilizarea separatorului de ulei este indispensabilă la utilizarea amoniacului și poate sa fie evitată la utilizarea freonilor, situație în care nu există în instalație zone în care să fie posibilă decantarea (rezervor de lichid sau butelie de joasa presiune).

– Aparate de măsură – Sunt indispensabile pentru verificarea condițiilor de funcționare ale compresoarelor și sunt reprezentate în principal de:

– manometre sau traductori electronici de presiune, care se montează pe conductele de aspirație și de refulare ca și pe circuitul de ulei;

– termometre sau traductori electronici de temperatură, care se montează în aceleași puncte ca și manometrele.

Dispozitive de siguranță – Sunt dispozitive necesare pentru protecția mașinii împotriva situațiilor anormale de funcționare, care ar putea produce pagube materiale sau accidente. Există două categorii de asemenea dispozitive: cu utilizare obligatorie și cu utilizare facultativă.

– Dispozitive cu utilizare obligatorie:

– resort împotriva lovitura hidraulice;

– supapa de siguranța între aspirație și refulare, pentru evitarea distrugerii compresorului dacă robinetul de refulare este închis accidental în timpul funcționarii compresorului;

– presostat de înaltă presiune, care protejează compresorul împotriva creșterii presiunii de refulare și care acționează înainte de deschiderea supapei de siguranță de înalta presiune, montată în circuit;

– presostat de joasa presiune, care previne scăderea prea accentuata a presiunii din vaporizator sau vaporizatoare;

– presostat diferențial de ulei, care are un traductor cuplat la presiunea din carter, iar celălalt traductor cuplat la refularea pompei de ungere și are ca scop supravegherea valorii diferenței dintre cele doua presiuni, care trebuie sa asigure ungerea corecta a compresorului. Acest aparat este temporar scos din funcție în perioadele de pornire, pana când se atinge turația nominala, perioada în care presiunea diferențiala de ungere este mai redusa decât valoarea minima acceptabila.

– termostat de supraîncălzire (esențial la utilizarea amoniacului), care protejează compresorul împotriva unei temperaturi de refulare excesiv de ridicate (peste 130o C).

– Dispozitive cu utilizare facultativă:

– termostat pentru supapa de siguranță, care se montează aproape de supapa de siguranța internă și oprește compresorul dacă supapa de siguranța s-a deschis, caz în care s-ar produce supraîncălziri periculoase;

– termostat de carter, care menține temperatura carterului în timpul opririi compresorului, la valori care să nu permită dizolvarea în ulei a agenților frigorifici;

– termostat de "ulei prea rece", care împiedică pornirea compresorului dacă temperatura uleiului de ungere nu are o valoare convenabilă (50 – 600 C);

– Gestionarea electronică centralizată: anumiți constructori prevăd o achiziție electronică de date privind funcționarea, cu încadrarea permanentă în domeniile de siguranță a parametrilor și vizualizarea valorilor acestora pe monitor.

3.4. SISTEME DE ILUMINAT

Prin sistem de iluminat se înțelege ansamblul corpurilor de iluminat, inclusiv lămpile care echipează corpurile, amplasate într-un anumit mod, fie pe considerente funcționale, fie estetice, ansamblu care drept scop realizarea unui microclimat luminos confortabil în vederea desfășurării unei activități umane de muncă fizică sau intelectuală.

Clasificare:

– în funcție de locul de amplasare al corpului de iluminat:

sisteme de iluminat interior: corpurile de iluminat sunt într-o incintă închisă;

sisteme de iluminat exterior: corpurile de iluminat sunt afară;

– în funcție de natura surselor de lumină:

sisteme de iluminat cu lămpi cu incandescență;

sisteme de iluminat cu tuburi fluorescente;

sisteme de iluminat cu lămpi cu vapori metalici de înaltă presiune;

sisteme de iluminat realizate cu lămpi speciale;

– din punct de vedere funcțional:

sisteme de iluminat normal care asigură desfășurarea în condiții normale a activităților umane atunci când iluminatul natural este insuficient sau inexistent;

sisteme de iluminat de siguranță care asigură fie continuitatea lucrului, fie evacuarea incintei sau alte funcțiuni;

Sursele de lumină și tehnica iluminatului se referă la sursele artificiale, ca surse de radiații electromagnetice în domeniul vizibil al spectrului.

Lămpile electrice reprezintă modul practic de realizare a surselor de lumină utilizate în special pentru iluminatul artificial. În prezent, în tehnica iluminatului există o mare varietate de surse de lumină artificială adecvate diferitelor scopuri. Deosebirea constă nu numai în dimensiuni și formă, ci într-o măsură chiar mai importantă în modul de producere a luminii, puterea nominală, fluxul luminos, culoarea luminii, tipul soclului etc. Principial sursele de lumină pot fi împărțite în două clase:

surse termice (lămpi cu incandescență);

surse cu descărcări electrice (lămpi fluorescente, lămpi cu descărcare în vapori metalici de înaltă presiune);

În cazul surselor termice, energia absorbită este utilizată pentru încălzirea unui metal (de obicei, wolfram), obținându-se pe lângă radiație termică și o anumită radiație luminoasă (spectru continuu).

În cazul surselor cu descărcare electrică, este utilizată radiația electromagnetică care rezultă în canalul de descărcare (spectru discontinuu – linii spectrale). Aceasta este convertită în spectrul vizibil cu ajutorul unui strat fluorescent.

3.4.1. Lămpi cu incandescență

3.4.1.1. Lămpi cu incandescență normale

Lămpile cu incandescență sunt surse termice de lumină. Un fir metalic plasat în interiorul unui balon din sticlă este adus la incandescență prin efect Joule, la trecerea unui curent electric (figura 3.71.). În funcție de temperatura sa, filamentul emite un anumit spectru de radiații electromagnetice (figura 3.72.). Ca sursă de lumină este utilizat în prezent filamentul din wolfram (punct de topire circa 3400C).

Lămpile cu incandescență cu puteri nominale de 15 … 40 W sunt realizat în mod obișnuit cu vid în interiorul balonului din sticlă, iar lămpile cu puteri nominale peste 60 W sunt realizate, de obicei, cu un gaz inert în interiorul balonului. Cea mai mare parte a radiațiilor emise, pentru temperaturile uzuale de 2200 … 2500C corespund domeniului radiațiilor termice, astfel încât lampa cu incandescență este, în primul rând, un element încălzitor, cu o pondere redusă ca sursă de lumină. Ar fi fost avantajos dacă elementul încălzit ar fi ajuns la circa 5000C, ceea ce ar fi condus la o eficiență luminoasă de circa 95 lm/W. În prezent nu sunt materiale care ar putea lucra la aceste temperaturi.

Figura 3.71. Lampă cu incandescență Figura 3.72. Puterea spectrală relativă p*

1 – elementul cald (filament din wolfram); a unei surse de lumină

2 – balon din sticlă; 3 – soclu; 4 – electrod; 1 lampa cu incandescență cu vid;

5 – tijă din sticlă; 6 – element de contact. 2 – lampa cu incandescență cu gaz;

3 – lampa fluorescentă.

Cele mai importante avantaje ale acestor lămpi sunt următoarele:

dimensiuni reduse;

o foarte bună redare a culorilor;

o mare varietate de puteri nominale și forme;

apariția imediată a luminii după conectare în circuitul electric;

cost redus la achiziție;

posibilitate de reglare continuă a fluxului luminos;

receptor liniar (nu rezultă armonici de curent electric);

nu determină defazare între curentul absorbit și tensiunea de alimentare (nu necesită putere reactivă).

Principalele dezavantaje ale lămpii cu incandescență sunt:

eficiență luminoasă foarte redusă (8 20 lm/W);

durată de utilizare redusă (1000 ore);

solicitare termică ridicată (temperatura balonului din sticlă poate atinge 150C);

luminanța are valori deosebit de ridicate (200 1200 cd/cm2) ceea ce conduce la pericol de orbire;

curentul electric I0 în momentul conectării lămpii (în starea rece a filamentului) este foarte diferit de curentul Ir de funcționare normală (I0/Ir 8), ceea ce determină o puternică solicitare a lămpii și a circuitului de alimentare (raportul între rezistența electrică a lămpii în stare rece și în funcționare este aproximativ 14);

datorită vaporizării wolframului, pe partea interioară a balonului din sticlă, se depune un strat netransparent; caracteristicile fotometrice ale lămpii cu incandescență, pe durata funcționării, devin din ce în ce mai reduse (înnegrirea balonului datorită depunerii vaporilor de wolfram); după 1000 ore de funcționare, lampa prezintă un flux luminos care nu depășește 80% din valoarea inițială;

prezintă o sensibilitate ridicată la variații de tensiune; o influență deosebită o are nivelul de tensiune U asupra duratei de viață D.

, (3.22)

în care Dr = 1000 ore este durata normată, iar Ur = 230 V tensiunea normată.

Figura 3.73. Mărimile relative ale lămpii

cu incandescență în funcție de tensiune

Din relația (3.22) rezultă că la o supratensiune de 105% durata de viață se reduce la 50% , iar la o reducere a tensiunii cu 5% fluxul luminos scade cu 17%.

Nivelul tensiunii la bornele lămpii are o influență ridicată asupra caracteristicilor fotometrice și electrice ale lămpii (figura 3.73.).

În afara lămpilor de utilizare generală există o mare varietate de lămpi cu utilizări speciale: lămpi pentru faruri auto, lămpi pentru proiectoare, lămpi lumina zilei cu balon albastru etc.

Figura 3.74. Bilanțul energetic al unei lămpi cu

incandescență normale

În figura 3.74 este prezentat bilanțul energetic al unei lămpi incandescente normale.

3.4.1.2. Lămpi cu incandescență cu halogeni

Aceste lămpi au principalul avantaj că pe întreaga durată de viață emit un flux luminos constant. Lampa (figura 3.75.) constă dintr-un balon din cuarț, de formă cilindrică, având plasat un filament liniar pe axa cilindrului. Balonul din cuarț este umplut cu argon și o parte bine determinată de vapori de iod. Pe durata funcționării, wolframul vaporizează și o parte ajunge pe suprafața interioară a balonului. La temperatura relativ redusă a balonului are loc reacția wolframului cu vaporii de iod și rezultă o iodură gazoasă de wolfram. În apropierea filamentului, datorită temperaturii ridicate din zonă, iodura se descompune și are loc depunerea wolframului pe filament.

Pe durata funcționării are loc un echilibru între procesul de vaporizare și de depunere a wolframului. Se poate considera că rezultă un proces regenerativ.

În cazul lămpilor cu incandescență cu halogeni nu apare înnegrirea balonului din cuarț. Pentru a se realiza reacția chimică dintre wolfram și vaporii de iod trebuie ca temperatura balonului să fie de circa 600C. Din acest motiv poate fi folosit numai cuarțul. Lampa cu incandescență cu halogeni trebuie să aibă dimensiuni reduse și o formă simetrică axială pentru a se obține un proces regenerativ al iodului.

Deoarece costurile sunt relativ ridicate, această lampă este utilizată pentru scopuri speciale: echiparea farurilor automobilelor (lămpi auto), lămpi fotografice sau pentru proiecție film, iluminatul sălilor de sport, a teatrelor, studiourilor etc.

Figura 3.75. Lampă cu incandescență cu halogeni

1 – filament; 2 – balon din cuarț; 3 – soclu;

4 – electrod; 5 – element de contact.

Lămpile cu incandescență cu halogeni au următoarele caracteristici principale:

eficiența energetică 20 … 25 lm/W;

durata de viață 2000 ore;

posibilitatea de reglare continuă a fluxului luminos.

3.4.2. Lămpi cu descărcare în vapori metalici

În cazul lămpilor cu descărcare electrică sunt utilizate radiațiile electromagnetice care apar în procesele de schimb de energie care rezultă la ionizările prin ciocnire.

Într-un tub care cuprinde vapori metalici (în general un gaz) figura 3.76 sub influența unui câmp electric exterior rezultă, la bornele tubului, o relație specifică între curentul electric din tub și tensiunea la bornele tubului. Principial, gazele sunt materiale izolante. În lipsa purtătorilor de sarcină nu poate să apară curent electric la aplicarea tensiunii la borne. În realitate, în spațiu există totdeauna o anumită cantitate de purtători de sarcină, determinată de slaba ionizare datorată unor surse exterioare, de exemplu radiația cosmică.

Figura 3.76. Caracteristica tensiune-curent electric a unei descărcări în mediu gazos

Sub influența unui câmp electric, determinat de tensiunea UT la bornele tubului, purtătorii de sarcină se deplasează spre electrozi. Pentru un câmp electric redus (până în punctul A) rezultă o relație liniară între tensiunea aplicată și curentul electric din tub.

Începând din punctul A aproape toți purtătorii de sarcină, produși în fiecare moment, sunt transportați la electrozi. Până în punctul B, curentul electric rămâne constant la o valoare de saturație. O creștere a tensiunii aplicate (a intensității câmpului electric) determină o creștere a vitezei purtătorilor de sarcină. Atunci când energia cinetică a acestora este mai mare ca energia de ionizare, datorită ionizărilor prin ciocnire apare un surplus de purtători de sarcină și deci curentul electric prezintă o creștere a valorii sale. Creșterea intensității curentului electric are loc după o curbă exponențială (până în punctul C). Acestei descărcări întunecoase îi corespunde o densitate relativ redusă de curent electric. La o creștere în continuare a densității de curent electric, în spațiul de descărcare rezultă o intensificare a proceselor de apariție a electronilor prin termoionizare și fotoionizare. Începe etapa de descărcare autonomă. În prima parte are loc un proces de trecere (CD) și apoi rezultă o descărcare în arc electric. Canalul descărcării electrice determină o intensă emisie electromagnetică, de obicei, în domeniul radiațiilor ultraviolete. Pentru a obține o radiație luminoasă este necesară o conversie în spectrul vizibil. În acest scop este folosită substanța fluorescentă plasată pe partea interioară a tubului de descărcare.

În cazul lămpilor cu descărcare în vapori metalici curentul electric trebuie limitat în domeniul EF (figura 3.76.). În acest scop sunt folosite elemente pentru limitarea curentului (stabilizarea descărcării electrice într-un anumit domeniu al caracteristicii tensiune-curent electric), numite balast. De cele mai multe ori, pentru limitarea curentului electric sunt utilizate bobine (balast inductiv). Uneori sunt folosite și condensatoare (foarte rar rezistoare).

3.4.2.1. Lămpi fluorescente

Lămpile fluorescente sunt lămpi cu descărcare în vapori de mercur de joasă presiune. În interiorul tubului este un amestec gazos de argon și kripton împreună cu un miligram de mercur (presiunea gazului 150 … 160 Pa; presiunea vaporilor de mercur 0,15 … 15 Pa). Pe partea interioară a tubului din sticlă este plasat un strat subțire pulverulent dintr-un material fluorescent. Canalul descărcării electrice determină o intensă radiație în domeniul ultraviolet (în principal linia spectrală de 253 nm, așa numita linie rezonantă a mercurului) care este convertită în domeniul vizibil cu ajutorul stratului din material fluorescent. Materialul fluorescent determină calitatea luminii și eficiența sursei de lumină.

Figura 3.77. Lampa fluorescentă

În cazul surselor liniare (tuburi fluorescente), descărcarea electrică se dezvoltă în interiorul unui tub din sticlă (16 … 38 mm diametru) prevăzut, pe partea interioară, cu un strat fluorescent, iar la capete tubului sunt plasați doi electrozi. În mod obișnuit electrozii constau din filamente din wolfram, acoperite cu un strat activ din pământuri rare. Filamente trebuie preîncălzite. Lungimea tubului este determinată de fluxul luminos nominal al lămpii. Descărcarea electrică este amorsată inițial în mediul gazos din tub, iar apoi are loc vaporizarea mercurului și dezvoltarea descărcării în vapori metalici.

Tensiunea relativ ridicată (până la 2,5 kV) necesară amorsării descărcării este obținută în multe dintre lămpile fluorescente actuale cu ajutorul unui starter St (figura 3.77.). Starterul constă dintr-un tub de descărcare G, de dimensiuni reduce, având în paralel conectat un condensator Cs pentru limitarea perturbațiilor de înaltă frecvență. Tubul de descărcare G este umplut cu neon și are doi electrozi Ea (de formă liniară) și Eb (element bimetalic).

Dacă la bornele de alimentare se aplică tensiune alternativă de 230V, între electrozii Ea și Eb se inițiază o descărcare luminiscentă. Căldura dezvoltată în tubul G conduce la deformarea elementului bimetalic Eb până la atingerea celor doi electrozi. Curentul de scurtcircuit rezultat (de circa 1,5 mai mare decât curentul nominal) determină încălzirea rapidă a celor doi electrozi (filamente) E1 și E2 până la circa 800C. În tubul G, atingerea celor doi electrozi Ea și Eb ai starterului (circa 0,3s) conduce la dispariția descărcării electrice, răcirea elementului bimetalic și revenirea sa la forma inițială. La întreruperea circuitului între electrozii Ea și Eb ai starterului, la bornele bobinei B apare un impuls de tensiune (circa 2,5 kV) care determină străpungerea spațiului între electrozii E1 și E2. În cazul în care în tubul T nu a avut loc inițierea descărcării, întregul proces de aprindere se reia. Descărcarea se inițiază în amestecul gazos de bază apoi are loc vaporizarea mercurului și continuarea descărcării în vapori de mercur.

Radiația luminoasă emisă este foarte redusă, având în vedere că emisia unei descărcări în vapori de mercur are loc practic numai în domeniul ultraviolet. Stratul fluorescent plasat pe partea interioară a tubului de descărcare convertește circa o treime din radiațiile invizibile UV în radiații vizibile a căror culoare depinde de materialul fluorescent utilizat.

Tensiunea la bornele tubului UT, după amorsarea acestuia, este mai mică decât tensiunea de aprindere a starterului [UT = (0,3 … 0,6)Ur], încât starterul nu mai are în continuare niciun rol. Starterul are următoarele funcțiuni:

asigurarea preîncălzirii filamentelor tubului principal;

realizarea unei deschideri bruște a circuitului electric inductiv astfel încât la bornele bobinei B să se obțină o tensiunea ridicată;

limitarea perturbațiilor de înaltă frecvență în perioada inițială de aprindere a lămpii.

Bobina B trebuie să asigure aprinderea lămpii, dar are și rolul de a limita curentul electric de preîncălzire în perioada de aprindere a lămpii precum și de a stabiliza descărcarea electrică în zona impusă EF a caracteristicii tensiune-curent electric a lămpii (limitarea curentului prin tubul principal în regimul normal de funcționare).

Tubul de descărcare T este conectat în circuit prin intermediul soclurilor S1 și S2 , cu doi electrozi.

Condensatorul CR are rolul de a asigura îmbunătățirea factorului de putere al lămpii (în funcționare normală factorul de putere natural nu depășește 0,6).

Figura 3.78. Mărimile relative ale lămpii

fluorescente în funcție de tensiune

Prin alegerea corespunzătoare a stratului fluorescent, lămpile fluorescente pot fi realizate în principal cu următoarele culori:

alb culoare (temperatura de culoare circa 4400oK) care permite obținerea unei eficiențe luminoase ridicate și o utilizare generală. Aceste lămpi sunt larg utilizate pentru iluminare în industrie, birouri, încăperi comerciale, în exterior.

lumina zilei culoare alb-albăstruie (temperatura de culoare circa 6400oK) care este asemănătoare luminii zilei. Aceste lămpi sunt utilizate în locurile în care este importantă distingerea reală a culorilor (tipografii, ateliere foto, industrie textilă ș.a.);

alb cald culoare caldă (temperatura de culoare 3300 oK), cu o pondere importantă a domeniului roșu, este adecvată iluminării spațiilor de odihnă (încăperi de locuit, spații culturale, restaurante etc.). O durată ridicată de viață, o eficiență luminoasă relativ mare și o bună redare a culorilor au condus la o largă utilizare a acestor lămpi.

Figura 3.79. Bilanțul energetic al unei lămpi fluorescente

Figura 3.80. Forma curentului electric în lampa fluorescentă a)

și componența sa spectrală b).

Principalele caracteristici ale lămpilor fluorescente sunt:

eficiență luminoasă ridicată 75 … 110 lm/W;

o mare varietate de modele (cele mai des sunt utilizate lămpile cu puterea nominală de 20 W și 40 W);

o redare a culorilor de la bună până la foarte bună;

o durată ridicată de viață (16000 ore);

posibilitate de reglare continuă a fluxului luminos până la 1%, în cazul utilizării balastului electronic;

mai puțin sensibile decât lămpile cu incandescență la variații de tensiune (figura 3.78.); micile variații până la 5% influențează relativ puțin puterea absorbită și durata de viața a lămpii;

luminanță redusă (0,4 … 1,7 cd/cm2).

Bilanțul energetic al unei lămpi fluorescente este indicat în figura 3.79.

Figura 3.81. Variația mărimilor

la o lampă fluorescentă

Principalele dezavantaje ale lămpii sunt următoarele:

fluxul luminos al lămpii este puternic dependent de temperatură; valorile optimale ale temperaturii mediului ambiant sunt de la 25C (la tuburile T26) până la 35C (la tuburile T16).

c.

Figura 3.82. Montajul duo al lămpilor fluorescente.

datorită bobinei de limitare B rezultă un factor de putere natural de circa 0,6; pentru îmbunătățirea factorului de putere se prevede un condensator de o anumită valoare (dacă nu se iau alte măsuri);

dimensiuni mari;

costuri relativ mari;

durata de viață este sensibilă la frecvența conectărilor (în cazul unei frecvențe reduse a conectărilor crește durata de viață);

lampa fluorescentă este un receptor puternic neliniar; datorită caracteristicii neliniare a lămpii curentul electric absorbit are o formă distorsionată în raport cu o sinusoidă; curentul electric cuprinde armonici de valoare ridicată (figura 3.80.);

dacă la bornele lămpii se aplică o tensiune alternativă u (figura 3.81.) rezultă un efect stroboscopic, deoarece fluxul luminos emis urmărește forma curentului electric i din tub (fluxul luminos variază cu o frecvență dublă față de a curentului electric); în mod normal această variație de 100 Hz nu este sesizată, însă obiectele care se mișcă sau se rotesc repede (de exemplu, piesele într-un strung) pot fi percepute în mod incorect, ceea ce poate genera accidente.

Calitatea luminii emise poate fi evaluată prin factorul de neuniformitate (min/max) care, în cazul lămpilor fluorescente clasice are valoare de circa 0,4. Valoarea minimă diferită de zero este determinată de remanența stratului fluorescent.

Figura 3.83. Schema bloc a unui balast electronic a), forma curbelor de tensiune

și curent la 50 Hz b) și tensiunea la bornele tubului de descărcare c).

3.4.2.2. Lămpile fluorescente compacte

Lămpile fluorescente compacte funcționează după același principiu ca și lămpile fluorescente liniare. Sunt utilizate în aparate de iluminat de dimensiuni reduse. Așa numitele lămpi economice sunt lămpi fluorescente compacte având în soclu inclus balastul electronic (figura 3.84.). Aceste lămpi sunt utilizate în mod obișnuit pentru înlocuirea lămpilor cu incandescență.

Figura 3.84. Lampă fluorescentă compactă

1 tub din sticlă în formă de U; 2 – balast electronic;

3 – soclu; 4 piesă de contact.

Principalele avantaje ale lămpilor compacte sunt:

dimensiuni reduse, o formă compactă;

o varietate mare de puteri nominale;

eficiență luminoasă ridicată 55 … 88 lm/W;

redare foarte bună a culorilor;

durată mare de viață (peste 10000 ore);

posibilitate de a regla continuu fluxul luminos până la 3%, la utilizarea balastului electronic;

balastul electronic determină un factor de putere unitar.

Figura 3.85. Aprinderea lămpii fluorescente într-un circuit rezonant L-C

a) înainte de aprinderea lămpii;

b) în funcționare normală.

Principalele dezavantaje ale lămpilor compacte sunt:

o intensă disipare de căldură într-un volum redus;

datorită caracteristicii neliniare, curentul absorbit din rețea prezintă un spectru important de armonici.

Aprinderea descărcării se realizează, de cele mai multe ori, cu ajutorul unui circuit rezonant L-C (figura 3.85.); această soluție este utilizată din ce în ce mai des și în cazul lămpilor liniare.

Înainte de aprinderea lămpii trece un curent electric prin circuitul serie compus din bobina B, filamentele lămpii și condensatorul C. În regim rezonant rezultă o tensiune ridicată UC (figura 3.85. a), ceea ce conduce la amorsarea descărcării în tub. În funcționare normală (figura 3.85. b), condensatorul este scurtcircuitat de către canalul descărcării electrice în lampă.

3.4.2.3. Lămpi cu descărcare în vapori de mercur de înaltă presiune

Lămpile cu descărcare în vapori de mercur de înaltă presiune au fost primele lămpi pentru iluminat general, alimentate la 230 V și prevăzute cu balast inductiv. Constau dintr-un tub de descărcare T din cuarț (figura 3.86.), în care se dezvoltă o descărcare electrică între electrozii principali E1 și E2. După conectarea lămpii în circuit, între electrodul principal E2 și electrodul auxiliar Ea se dezvoltă o descărcare electrică auxiliară, în mediul gazos din interiorul tubului (gaz inert), pentru a asigura o cantitate suficientă de purtători de sarcină. Limitarea curentului în această descărcare secundară este realizată de rezistorul R. După un anumit timp (3 … 5 minute) mercurul din interiorul tubului vaporizează și descărcarea electrică continuă, între electrozii principali, în vapori metalici. Limitarea curentului electric în descărcarea principală și stabilizarea descărcării electrice se realizează cu ajutorul unui element conectat în serie și numit balast. În mod obișnuit drept balast se folosește o bobină (balast inductiv) având în vedere pierderile active reduse.

Descărcarea electrică în vapori de mercur de înaltă presiune (circa 0,15 MPa) este însoțită de o intensă linie spectrală în domeniul vizibil al spectrului (galben 577 nm până la violet 404,7 nm). De asemenea, rezultă o intensă radiație ultravioletă (linie spectrală în principal 365,5 nm), utilizată pentru excitarea stratului fluorescent cu nuanța roșiatică. Materialul fluorescent este plasat pe partea interioară a balonului exterior K.

Balonul exterior K din sticlă asigură protecția tubului de descărcare T contra acțiunilor exterioare (limitarea influenței temperaturii exterioare) și absoarbe o parte dintre radiațiile ultraviolete. Lampa este echipată în mod uzual cu soclu S de tipul E27 sau E40 și cu un element de contact E. Utilizarea balastului inductiv drept limitator de curent electric determină un defazaj al curbei curentului electric față de tensiunea aplicată și rezultă un factor de putere de circa 0,6. Apare necesitatea utilizării unui condensator C pentru compensarea puterii reactive. Acest tip de lampă este utilizat pentru iluminatul halelor industriale și în iluminatul stradal.

Figura 3.86. Lampa cu descărcare în vapori

de mercur de înaltă presiune.

Principalele avantaje ale acestor lămpi sunt:

un cost relativ redus;

nu necesită elemente suplimentare pentru amorsare;

o eficiență luminoasă medie 32 … 60 lm/W;

durată de viață ridicată (peste 20000 ore).

Figura 3.87. Spectrul curentului în cazul lămpii cu descărcare în vapori de

mercur de înaltă presiune.

Principalele dezavantaje ale lămpii sunt:

caracteristici reduse de redare a culorilor;

durată mare de lansare și relansare (circa 5 minute);

după deconectarea lămpii, relansarea are loc numai după răcirea și astfel reducerea presiunii din interiorul tubului de descărcare;

datorită caracteristicii neliniare a descărcării electrice curentul electric din circuitul lămpii prezintă o importantă componență spectrală (figura 3.87.).

Dezavantajele lămpii determină ca în prezent să fie puțin utilizată. Acest tip de lampă stă însă la baza realizării lămpilor moderne.

3.4.2.4. Lămpi cu descărcare în vapori de sodiu cu înaltă presiune

În cazul acestor lămpi, arcul electric se dezvoltă într-o atmosferă de vapori de sodiu. Lampa constă în principiu, dintr-un tub T (figura 3.88.) și doi electrozi E1 și E2 între care se dezvoltă descărcarea electrică. Tubul T este umplut cu un gaz inert (Xe, Ar, Ne) și este introdus puțin sodiu în stare solidă. La conectarea lămpii la rețeaua electrică, blocul de amorsare A generează impulsuri de tensiune cu amplitudine de circa 4 kV, determinând amorsarea descărcării în gazul inert. După timpul de lansare (până la 8 minute) natriul vaporizează și descărcarea electrică continuă în vapori metalici. În funcționare normală, tensiunea la bornele tubului T este de circa 170 V și blocul de amorsare iese din funcțiune. Rezultă în principal o intensă radiație monocromatică (galben intens) cu o lungime de undă de 589 nm, în apropiere de valoarea corespunzătoare sensibilității spectrale maxime a ochiului uman. Pentru a obține o îmbunătățire a spectrului luminii emise, pe partea interioară a balonul K este plasat un strat fluorescent.

Eficiența luminoasă a lămpii crește odată cu nivelul de izolare termică. Pentru limitarea pierderilor de căldură datorate convecției, în interiorul balonului K este necesar a avea un vid înaintat. Având în vedere atmosfera agresivă datorată vaporilor de sodiu, tubul T este realizat dintr-o sticlă specială.

Figura 3.88. Lampa cu descărcare în vapori

de sodiu de înaltă presiune

Principalele avantaje ale lămpilor cu descărcare în vapori de sodiu cu înaltă presiune sunt următoarele:

durată mare de viață (peste 20000 ore);

o eficiență luminoasă ridicată (până la 130 lm/W);

formă compactă.

Principalele dezavantaje ale lămpii sunt:

o slabă redare a culorilor (Ra < 20);

necesită utilizarea unui balast și a unui bloc de amorsare;

durată mare a timpului de lansare și relansare (până la 8 minute);

costuri ridicate;

datorită caracteristicii neliniare a descărcării electrice, curentul electric absorbit din rețeaua de alimentare prezintă un important spectru armonic.

Având în vedere forma compactă, durata mare de viață, o eficiență luminoasă ridicată însă o slabă redare a culorilor, lămpile cu descărcare în vapori de sodiu cu înaltă presiune sunt utilizate practic numai pentru iluminatul stradal și al tunelurilor.

În prezent sunt realizate și lămpi cu descărcare în vapori de sodiu cu înaltă presiune, cu eficiență luminoasă mai redusă, însă cu o bună redare a culorilor, care pot fi utilizate și în iluminatul interior.

3.4.2.5. Lămpi cu halogenuri metalice

Lămpile cu halogenuri metalice sunt realizate pe baza lămpilor cu descărcare în vapori de mercur de înaltă presiune. Redarea culorilor și eficiența luminoasă pot fi îmbunătățite prin introducerea în tubul de descărcare de ioduri de Na, In și Ti precum și mercur.

Descărcare în interiorul tubului, în funcționare normală, are loc în vaporii iodurilor metalice și nu apar liniile spectrale ale mercurului.

Principiul lămpii constă în faptul că cele mai multe dintre halogenurile metalice vaporizează la temperaturi mult mai mici decât metalul cu care sunt aliate. În tubul de descărcare este argon, puțin mercur și diferite halogenuri metalice (I, Br, Cl). Inițial se amorsează o descărcare în argon care trece în vapori de mercur, iar apoi halogenura este vaporizată în canalul de plasmă (temperatura peste 3000oK) și disociată. În continuare are loc descărcarea în vaporii metalelor care au fost în componența halogenurilor și rezultă un spectru de emisie corespunzător acestora. În prezent sunt utilizate iodura de sodiu, iodura de taliu, iodura de indiu, iodura de scandiu, iodura de toriu, iodura de dysposiu, bromura de dysposiu, bromura de holmiu, bromura de tuliu. La temperaturi reduse metalul se aliază din nou cu halogenul respectiv.

Principalele avantaje ale lămpilor cu halogenuri metalice sunt:

o bună până la foarte bună redare a culorilor (Ra > 60);

durată mare de viață (peste 15000 ore);

o bună până la foarte bună eficiență luminoasă (60 … 110 lm/W);

dimensiuni reduse;

o ridicată stabilitate a culorilor în cazul utilizării tubului de descărcare din material ceramic.

Principalele dezavantaje ale lămpii cu halogenuri metalice sunt:

necesită balast inductiv și bloc de amorsare;

durată mare de lansare și relansare (câteva minute);

costuri ridicate;

datorită caracteristicii neliniare a descărcării electrice, curentul electric absorbit din rețeaua de alimentare prezintă un important spectru armonic.

Lampa cu halogenuri metalice este utilizată pentru iluminatul halelor industriale, a spațiilor comerciale etc.

3.4.3. Alegerea lămpilor de iluminat

Alegerea adecvată a lămpilor se face în funcție de condițiile impuse sistemelor de iluminat. Principalele caracteristici ale lămpilor electrice utilizate în prezent sunt indicate în figura 3.89 și în tabelul 3.8.

Tabelul 3.8. Principalele caracteristici ale lămpilor electrice

Figura 3.89. Caracteristici ale lămpilor electrice.

3.4.4. Dimensionarea instalațiilor de iluminat

La dimensionarea instalațiilor de iluminat trebuie stabilite următoarele date:

tipul lămpii utilizate;

câte lămpi trebuie montate pentru a asigura nivelul mediu de iluminare impus și valoarea minimă a factorului de neuniformitate;

locul în care trebuie montate lămpile;

circuitele electrice de alimentare.

La dimensionarea instalațiilor de iluminat sunt folosite, în principal, următoarele trei metode:

metoda factorului de utilizare, adecvată în special la dimensionarea instalațiilor de iluminat interior;

metoda punct cu punct, adecvată în special la dimensionarea instalațiilor de iluminat exterior;

metoda puterii specifice pornește de la cunoașterea puterii instalate corespunzător unității de suprafață iluminată, la o anumită valoare a iluminării. Se aplică în problema de proiectare pentru determinarea orientativă a puterii instalate și a numărului de surse de lumină.

Pentru a realiza parametrii propuși ai sistemului de iluminat ales, el trebuie dimensionat corespunzător din punct de vedere cantitativ și evaluat corect din punct de vedere calitativ.

Iluminatul încăperilor în general și al încăperilor industriale în particular, reprezintă o problemă vastă și deseori foarte complicată ținând seama de cerințele concrete determinate de varietatea ramurilor industriale, utilajelor, proceselor de producție și activităților vizuale.

Printre parametrii principali ai instalațiilor de iluminat se numără nivelul de iluminare, uniformitatea și constanța iluminării, distribuția luminilor în câmpul vizual, alegerea corectă a surselor de lumină, sub aspect calorimetric.

Având în vedere relația dintre luminanță și iluminare, nivelul de iluminare este mărimea care se normează uzual în instalațiile de iluminat reprezentând una din caracteristicile importante ale acesteia.

În încăperile industriale, scopul principal al instalațiilor de iluminat este asigurarea unor condiții bune de vizibilitate pe planul de lucru (în general, orizontal), în funcție de dificultatea lucrărilor executate și de performanța dorită, iar în secundar, crearea unei ambianțe vizuale satisfăcătoare, care are o influență pozitivă asupra performanțelor activității si a bunei dispoziții a personalului.

Pe arterele de circulație, holuri, coridoare, pasaje, scări de siguranță, iluminarea în plan vertical este uneori mai importantă decât cea în planul orizontal.

Numeroase experimente efectuate au arătat că într-o încăpere se consideră preferabil un nivel de iluminare de 2000lx, optimul putând fi acceptat în domeniul 1000-2000lx. Practic, având în vedere factorii de reflexie uzuali ai obiectelor și ai fondului, nivelul de iluminare (iluminatul general) se poate limita la 500 – 1500lx.

Iluminări mai mari (2000lx) necesare unor activități vizuale dificile se pot obține folosind iluminatul local.

Valorile minime acceptabile ale iluminării în încăperile de producție sau în care personalul se găsește timp îndelungat sunt în jur de 200lx.

Sistemele de iluminat se clasifică după câteva criterii:

din punct de vedere al dispunerii corpurilor de iluminat;

din punct de vedere al repartiției fluxului luminos în spațiu;

din punct de vedere al scopului urmărit.

Iluminatul general este obținut prin dispunerea aproximativ uniformă a corpurilor de iluminat în partea superioară a încăperii, rezultând, pe planul de lucru, o anumită iluminare medie cu un anumit grad de uniformitate.

4. UTILAJE ȘI INSTALAȚII PENTRU

ALIMENTAREA CU APĂ

4.1. Introducere și prezentare generală

Sistemele de alimentare cu apă au fost utilizate de cele mai vechi civilizații:

• în India, în anul 4000 î.e.n., orașul Mohenjodaro era echipat cu bazine;

• în Creta, în [NUME_REDACTAT] și la Roma bazinele și casele luxoase beneficiau de alimentare cu apă rece prin conducte, iar în unele cazuri dispuneau și de conducte de apă caldă;

• primul sistem de alimentare cu apă cu canale din piatră a fost construit în Assiria în anul 2000 î.e.n.;

• în China se utilizau conducte din bambus pentru alimentarea cu apă, iar în Grecia și în Africa de nord se utilizau tuburi din lut ars;

• primele exemple cunoscute de puțuri pentru apă datează din anul 3000 î.e.n., în Egipt și în China;

• Ierusalimul antic era alimentat cu apă din rezervoare și lacuri artificiale;

Figura 4.1. Instalațiile sanitare ale unei clădiri de la începutul secolului 20

PR – parter; SP – duș; IP – etajul 1; KL – closet; IIP – etajul 2; K – boiler; SK – pivniță;

V – sifon de pardoseală; VP – conductă de ventilare; DU – vană de închidere, interioară;

VI – chiuvetă; UV – vană de închidere, exterioară; VN – cadă de baie.

• cele mai faimoase sisteme de conducte din antichitate erau apeductele romane: Roma dispunea în anul 300 î.e.n. de 12 apeducte care însumau aproximativ 150 milioane de litri de apă potabilă. Cel mai lung apeduct, [NUME_REDACTAT], avea o lungime de 80 km. Apa era adusă direct până la nivelul parterului vilelor sau apartamentelor romanilor bogați. Locatarii de la etajele superioare trebuiau să folosească rezervoarele de apă de la parter. Oamenii care își câștigau existența cărând apă erau numiți Aquarians. Sistemul de apeducte a fost adoptat de peste 40 de orașe din [NUME_REDACTAT];

4.2. Conducte

4.2.1. Rol și proprietăți

Conducta este un element de instalații închis, de formă tubulară, de obicei cu secțiune circulară, utilizat pentru transportul fluidelor.

1. De cele mai multe ori, prin conductă se înțelege ansamblul format din tubul propriu-zis, fitinguri (elementele de legătură), armături și accesorii;

2. Funcția elementară pe care o îndeplinesc conductele instalației interioare este realizarea legăturii între armăturile obiectelor sanitare și rețeaua publică.

Cerințe pe care trebuie să le îndeplinească conductele:

• sanitare – sunt condiții elementare (din punct de vedere igienic), prevăzute

în norme și standarde

• economice – să fie ieftine – economii în investiții, montaj facil;

– orice serviciu să fie obținut în timp minim și cu efort minim;

– să se respecte criteriul calității: orice metru de conductă de proastă calitate montat în instalație înseamnă de fapt o risipă de material, manoperă și implicit reprezintă bani irosiți.

• estetice – aspectul este motivat cultural: nu necesită de obicei costuri suplimentare

(un anumit tip preferat de armături pentru obiectele sanitare etc.).

Proprietățile conductelor:

• etanșare optimă pentru fluide, siguranță în funcționare;

• robustețe: capacitatea de a prelua suprapresiuni, lovituri accidentale sau forțe externe;

• rezistență la coroziune și la variații de temperatură;

• o suprafață internă cât mai netedă (rugozitate mică, dar și un număr minim de îmbinări);

• elasticitate adecvată – capacitatea de a prelua dilatările datorate variațiilor de temperatură, dar și eventuale deplasări ale elementelor de construcții și ale clădirii;

• durata de viață cât mai lungă;

• montaj, întreținere, reparații / înlocuire cât mai ușoare.

Durata de viață normată a unei conducte, în funcție de materialul din care este confecționată, variază după cum urmează: fontă – 80 ani, beton armat – 70 ani, plastic – 50 … 55 ani, oțel – 40 ani, azbociment – 30 ani.

Diametre nominale și presiuni nominale:

Diametrul nominal și presiunea nominală constituie elementele de bază pentru normalizarea și standardizarea conductelor.

• Sunt astfel normalizate dimensiunile, tipurile de fitinguri / îmbinări, valorile de calcul, procedurile de producere etc.;

• Utilizarea unor valori numerice specifice face posibilă cooperarea pentru crearea unui standard ISO care reglementează în mod unitar producția de conducte și accesorii, indiferent de țară;

Diametrul nominal – DN reprezintă o valoare numerică prin care se denumesc în mod unitar conductele și accesoriile acestora;

• Se obișnuiește ca această valoare utilizată pentru “etichetarea” conductelor și accesoriilor să fie un număr întreg, cât mai aproape de dimensiunea reală de fabricație;

• În practica curentă, documentațiile tehnice dau pentru DN valori care se exprimă în mm, de exemplu DN 200;

• În exprimările verbale se adaugă abrevierea DN, de exemplu “diametru nominal DN 10”;

• Se utilizează uzual următoarele trepte de DN: 8, 10, 15, 20, 25, 32, 40, 50, 65, 80, 100, 125, 150, 200;

• Unele documentații tehnice exprimă diametrul nominal în țoli (1 zoll = 1 inch = 25,4 mm)

[NUME_REDACTAT] – PN este (supra)presiunea maximă în regim de funcționare la temperatura mediului ambiant (20 °C), la care este asigurată durata de viață normată a îmbinărilor conductelor și armăturilor.

1. În literatura tehnică presiunea nominală se notează prescurtat PN, urmată de o valoare numerică (care exprimă presiunea în 10-1MPa), adică PN 6 înseamnă o (supra)presiune în conductă în valoare de 0,6 MPa;

2. Presiunea nominală este în realitate strict legată de temperatura de funcționare.

Figura 4.2. Dimensiunile conductelor depind de material (oțel, cupru, plastic)

Conductele metalice și cele ceramice sunt caracterizate practic prin diametrul interior (DN/DI), iar conductele din material plastic și cele din cupru, prin diametrul exterior (DN/DE). Motive:

• conductele din material plastic sunt produse pentru diferite trepte de presiune, prin schimbarea grosimii pereților și păstrarea constantă a diametrului exterior;

• în acest mod, fitingurile se pot utiliza în mod unitar pentru toate treptele de presiune;

• diametrul exterior trebuie menținut constant (indiferent de treapta de presiune) pentru a permite o potrivire precisă cu diametrul interior al pieselor de legătură. La alegerea materialului conductelor pentru alimentarea cu apă trebuie luate în considerare următoarele criterii: cost inițial, cost de montaj, curata de viață estimată, greutatea, rezistența chimică, susceptibilitatea la coroziune, prelucrarea facilă, dilatarea termică, pierderile de presiune în conducte, rezistența la rupere, treptele de presiune, rigiditatea, rezistența la încovoiere / turtire, combustibilitatea, ușurința în realizarea îmbinărilor, spațiul necesar, standardele și specificațiile tehnice în vigoare, dacă se pretează la montare îngropată.

Categorii de apă care circulă prin conducte:

Apă potabilă – apă curată, cu o compoziție chimică și bacteriologică corespunzătoare pentru a putea fi consumată de oameni sau animale. Calitatea ei trebuie asigurată în conformitate cu standardele în vigoare (Standardul STN 757111. Calitatea apei. Apă potabilă). Există în unele instalații și o categorie inferioară de apă (“service water”), inofensivă din punct de vedere igienic, dar nerecomandată pentru gătit sau consum.

Apă tehnologică – utilizată pentru diverse scopuri tehnologice, calitatea ei nu este general definită, ci trebuie stabilită pentru fiecare caz în parte.

Apă caldă menajeră – provine din apa potabilă care a fost încălzită. Temperatura minimă a apei calde nu trebuie să coboare sub temperatura corpului uman. În cazul particular al apei calde utilizate la spălarea veselei, temperatura recomandată este cuprinsă între 52°C și 55°C.

Apă uzată – 2 categorii principale:

Apa uzată menajeră – apa uzată de la bucătării, băi sau closete; ea este denumită “NEAGRĂ” (dacă conține excremente umane) sau “GRI” (dacă nu conține excremente umane).

Apa meteorică – provine din precipitații și este considerată convențional curată.

Figura 4.3. ilustrează structura consumului mediu zilnic pentru o persoană.

Figura 4.3. Necesarul mediu de apă al unei persoane într-o zi

4.2.2. Materiale din care sunt confecționate conductele

Țevi din oțel – În instalații se utilizează țeava neagră de oțel și țeava de oțel zincată. Țevile din oțel pot fi laminate sau sudate.

1. Țevile din oțel au o rigiditate foarte bună, rezistență mare la compresiune și rezistență structurală ridicată.

2. Țevile din oțel se îmbină de obicei cu fitinguri filetate, dar și prin sudură sau folosind flanșe.

3. Durata de viață este doar de aproximativ 12 … 15 ani, în funcție de debitul vehiculat, de caracteristicile fluidului și de calitatea acoperirii cu zinc.

Țevi din fontă – Fonta ductilă este o fontă specială în compoziția căreia s-a introdus magneziu, rezultând un material cu o rezistență excepțională. Ca urmare, fonta ductilă a înlocuit în conductele publice fonta de presiune.

1. Prezintă o rezistență foarte bună la coroziune, ceea ce o recomandă pentru montarea subterană;

2. Fonta gri este un tip special de fontă care conține și siliciu. De obicei, conductele din fontă gri sunt emailate sau cimentate pe interior;

3. Tuburile din fontă se îmbină uzual cu mufe și garnituri de cauciuc;

4. Fonta este utilizată și în instalațiile de canalizare (fontă de scurgere);

5. Avantaje : rezistă la sarcini exterioare moderate, are o bună rezistență la foc, coeficienți de rezistență hidraulică reduși;

6. Durata de viață este mare, s-a constatat că țevile din fontă funcționează fără probleme și după 100 de ani;

7. Dezavantaje: fonta este casantă și are greutate mare.

Țevi din cupru – Cuprul a fost folosit de egipteni încă din anii 2500 î.e.n., iar romanii l-au utilizat pentru construcția instalațiilor de alimentare cu apă și a rezervoarelor. Țevile din cupru sunt utilizate pe scară largă în instalații de alimentare cu apă deoarece:

1. Se poate modela și îmbina ușor, nu ocupă spațiu mult, are un aspect plăcut;

2. Nu permite formarea crustelor pe interior, iar pierderile de presiune sunt reduse (suprafață netedă);

3. Greutatea este mică, transportul și montajul se fac ușor, durata de viață este mare.

4. Se îmbină cu fitinguri, prin sudură.

Reguli pentru proiectare:

• Țevile din cupru nu sunt recomandate dacă apa are un pH mai mic de 6.5;

• Preluarea dilatărilor termice se face la fel ca și pentru conductele din material plastic;

• Într-o instalație în care se montează atât țevi din oțel, cât și țevi din cupru, cuprul trebuie montat întotdeauna după oțel în direcția curgerii, pentru a evita pericolul de coroziune.

Țevi din plumb – Plumbul este cel mai vechi material utilizat în instalațiile de apă. Există țevi din plumb de presiune și țevi din plumb de scurgere (pentru canalizări).

1. Diferite aliaje sunt disponibile pentru aplicații speciale;

2. Îmbinările se execută prin lipire cu aliaj de cositor;

3. Plumbul este utilizat pentru conductele de legătură la unele obiecte sanitare, pentru apele uzate radioactive sau în laboratoare, pentru evacuarea apelor uzate corozive.

4. Este din ce în ce mai rar utilizat în instalațiile de canalizare, iar UE a interzis folosirea plumbului în instalațiile de apă, datorită pericolului pe care îl prezintă asupra sănătății (Pb face parte din categoria metalelor grele care provoacă în timp otrăvirea organismului)

Tuburi din gresie ceramică antiacidă – Se folosește pentru sistemele de canalizare (montaj îngropat). Deși rezistă foarte bine chimic la agresivitatea solului și la efluenții corozivi, materialul este casant. Îmbinarea se realizează cu mufe și inele de cauciuc. S-a constatat că îmbinările realizate înainte de 1990 sunt adesea defectuoase – au loc scurgeri din sistemul de canalizare.

Țevi din sticlă – Sunt fabricate dintr-o sticlă specială (borosilicat cu slab conținut alcalin) cu coeficient de dilatare termică redus. Se utilizează în principal pentru canalizarea lichidelor corozive în industria chimică, farmaceutică și alimentară. Sticla este foarte casantă.

Tuburi din azbociment – Conductele din azbociment sunt realizate dintr-un amestec de ciment, fibre de azbest și apă. Au greutate redusă, rezistă bine la presiune, îndoire, îngheț, temperaturi înalte, foc. Nu rezistă la lovituri și șocuri. Se utilizează la aducțiunile de apă și la rețelele de canalizare. Fibrele de azbest au o influență negativă asupra sănătății, pericolul fiind mortal dacă sunt inspirate în plămâni.

Țevi din material plastic – Conductele din plastic sunt confecționate dintr-un material care conține ca ingredient esențial una sau mai multe substanțe organice polimerice. Dacă este supus la temperaturi ridicate și la presiune, materialul plastic curge și poate fi ușor prelucrat sub formă de țevi. Proprietățile sunt date în tabelul 4.1, ca valori medii la temperatura de 20°C.

Avantajele acestora sunt cost inițial redus, greutate redusă, flexibilitate ridicată, rezistență ridicată la coroziune; țevile pot avea lungimi mari.

Dezavantajele țevilor din plastic:

1. rezistență redusă la foc, producere de gaze toxice în momentul combustiei;

2. rezistență redusă la solvenți, nu pot suporta presiuni mari la temperaturi înalte;

3. unele materiale plastice sunt susceptibile a-și modifica structura dacă sunt expuse timp îndelungat la razele solare;

4. trebuie să fie protejate la șocuri mecanice;

5. durata de viață depinde de temperatura de funcționare. Cu cât temperatura este mai mică, rigiditatea mecanică este mai mare. De exemplu, dacă durata estimată de viață este de 50 ani, țevile se vor putea folosi după cum urmează:

PN 10 – doar pentru instalații de alimentare cu apă rece sau încălzire prin pardoseală;

PN 16 – pentru instalații de alimentare cu apă caldă, dacă durata de viață proiectată nu este mai mare de 25 de ani;

PN 20 – pentru instalații de alimentare cu apă caldă și pentru sisteme de încălzire.

Tabelul 4.1. Proprietățile țevilor din material plastic

În raport cu presiunea nominală, pentru conductele din plastic se disting următoarele trepte de presiune: PN 10, PN 12,5, PN 16 și PN 20. Numerele reprezintă în acest context presiunea maximă admisă care oferă o durată de viață de maxim 50 de ani la temperatura 30oC.

Se recomandă proiectarea unitară a instalațiilor de alimentare cu apă rece și caldă, dacă este posibil folosind același tip de material plastic pentru conducte.

În ultima perioadă, în instalații se utilizează din ce în ce mai mult țevile multistrat (figura 4.4.) :

1. combină avantajele țevilor din plastic cu avantajele țevilor metalice;

2. suprafața interioară a tubului (material plastic) prelungește durata de viață a conductei, fiind netedă din punct de vedere hidraulic;

3. stratul de metal intermediar asigură rigiditatea necesară împotriva suprapresiunilor, uniformitatea profilului, elimină dilatările termice importante pe care le prezintă materialul plastic;

4. stratul de plastic exterior are o funcție de protecție;

5. îmbinările se realizează cu fitinguri din alamă cu suprafața nichelată, care au o durată de viață lungă;

6. țeava multistrat are parametri tehnici excepționali și se îmbină cu ușurință;

7. îmbunătățește parametrii acustici ai instalației (stratul exterior din material plastic are proprietăți absorbante).

Figura 4.4. Tipuri de țeavă multistrat

Problemele care apar în legătură cu conductele din plastic își au originea în:

1. combinarea și amestecarea produselor de la mai mulți producători diferiți, sau cu specificații tehnice diferite (același tip generic de țeavă prezintă diferențe de la producător la producător);

2. combinarea plasticului (țevi, fitinguri etc.) cu alte materiale care au o durată de viață mai mică (de exemplu sistemul de distribuție al apei se execută din plastic, iar distribuitorul din oțel);

3. nu se respectă prescripțiile de montaj stipulate de către producător (de exemplu distanța dintre elementele de susținere) și nu se permite deplasarea conductei (compensatori “U”);

4. utilizarea conductelor din plastic pentru instalațiile de combatere a incendiilor, fără ca acestea să fie protejate la foc;

5. legături / îmbinări între plastic și metal.

4.3. Instalații pentru distribuția apei reci

4.3.1. [NUME_REDACTAT] interioare din clădiri reprezintă un ansamblu de conducte și accesorii care preiau apa din conducta publică și o transportă până la punctele de consum. Orice clădire este legată la conducta publică prin conducta de branșament.

Instalațiile interioare pentru distribuția apei reci sau calde se pot clasifica:

• după forma rețelei pot fi : – ramificate (arborescente),

– inelare,

– mixte;

• după numărul de rețele și natura consumului pot fi cu rețele comune pentru anumite consumuri, sau cu rețele separate pentru fiecare fel de consum;

• După regimul de presiune a apei există instalații interioare cu o singură zonă de presiune, sau cu două sau mai multe zone de presiune;

• după poziția de montaj în clădire a conductelor principale de distribuție, instalațiile pot fi:

– cu distribuție inferioară, cu conducte montate în subsol, în canale tehnice circulabile sau în canale practicate sub pardoseala parterului;

– cu distribuție superioară, conductele fiind montate sub planșee, pe grinzi, stâlpi etc.;

– cu distribuție mixtă;

• în cazul instalațiilor pentru combaterea incendiilor, acestea pot fi în execuție umedă (în interiorul conductelor există apă sub presiune) sau în execuție uscată (în interiorul conductelor există aer comprimat).

Figura 4.5. Instalație interioară de alimentare cu apă

a) cu distribuție mixtă (sistem deschis); b) cu distribuție inferioară (sistem închis).

Figura 4.6. Instalație interioară de alimentare cu apă

a) ramificată, cu distribuție inferioară; b) inelară.

Părțile principale ale unui sistem de alimentare cu apă sunt:

– conducta orizontală de distribuție;

– conductele verticale (coloane);

– conductele de legătură la obiectele sanitare;

– armăturile.

Figura 4.7. Instalație interioară de alimentare cu apă – sistem combinat (hibrid)

Pentru alegerea materialului conductelor trebuie să se țină seama de:

• compoziția chimică a apei de alimentare;

• mediul în care conductele vor fi instalate (dacă există pericol de incendiu, coroziune, lipsă de igienă, posibilitatea apariției unor șocuri mecanice etc.). Conductele trebuie să respecte condițiile de funcționare și să reziste la probe (presiune, temperatură).

Materialul conductelor de apă utilizate în instalațiile interioare, conform standardului, poate fi :

1. țevi de oțel laminat (pentru alimentarea cu apă potabilă nu se poate folosi);

2. țevi de oțel zincat;

3. țevi de cupru;

4. țevi de alamă;

5. țevi din material plastic;

6. țevi de sticlă;

Figura 4.8. Schema unei instalații interioare pentru distribuția apei reci

1 – conducta publică; 2 – robinet de închidere din exterior a racordului de apă rece;

3 – bloc apometru; 4 – conductă de distribuție orizontală; 5 – coloană;

6 – conductă de legătură la armăturile obiectelor sanitare; 7 – robinet de separare a obiectului sanitar; 8 – aerisitor; 9 – robinet de separare-golire la baza coloanei;

10 – racord în exterior pentru furtun de stropit alei și spații verzi.

Conductele de apă trebuie să fie cât mai scurte și să urmeze traseul cel mai direct spre punctele de consum :

1. trebuie utilizate sisteme complete de conducte, care includ elementele de prindere, protecție, precum și tehnologii / kit-uri de întreținere și reparații;

2. montajul conductelor trebuie făcut de așa manieră încât să asigure stabilitatea instalației și a clădirii, să existe un acces ușor pentru întreținere și reparații, iar eventualele defecțiuni/avarii să nu pericliteze integritatea construcției.

Conductele de apă nu se vor instala :

1. în spații în care există pericol de îngheț;

2. pe / în anvelopa care protejează din punct de vedere termotehnic clădirea;

3. sub fundațiile din beton armat;

4. îngropate în pământ sub pardoseala celui mai de jos nivel;

5. pe pereții care despart camerele de baie de dormitoare sau camere de zi, dacă greutatea acestora este mai mică de 22 kg/m2;

6. în spații cu mediu toxic, mai ales dacă ulterior ajung în spații cu mediu benign;

7. în coșuri de fum sau canale de ventilare;

8. în / pe acoperișuri.

Conductele de apă se montează cu pantă în sens invers curgerii. Ele trebuie să fie izolate termic. Grosimea minimă a izolației depinde de locul în care sunt montate. Dacă există pericol de coroziune din partea apei, se vor lua măsuri de protecție (tratarea fizică, magnetică sau chimică a apei).

Figura 4.9. Moduri de racordare a obiectelor sanitare la rețeaua interioară

a) dulap sanitar; b) conductă specială de apă montată în pardoseală; c) apometru;

d) cutie terminală; e) conductă colectoare de canalizare; f) distribuitor;

g) trecere prin pardoseală;

1 – bucătărie; 2 – baie; 3 – coridor; 4 – cameră de zi; 5 – WC; 6 – baie de serviciu.

Fiecare conductă trebuie să aibă un singur branșament la rețeaua publică. Panta conductei de branșament este de min. 0,3 % spre conducta publică. Adâncimea minimă de montaj în pământ este de 1,2-1,6 m, max. 2 m. Zona de protecție împotriva distrugerilor provocate de avarii este de 2 m de ambele părți ale conductei, măsurați din axul conductei.

Apometrul este un contor care măsoară debitul de apă. El poate fi montat în subsol la maximum 2 m de perete, sau într-un cămin special de apometru care se poate situa atât în interiorul clădirii, cât și în exterior.

Figura 4.10. Racordarea unei clădiri

la conducta publică de apă rece:

1 – instalația interioară, 2 – bloc apometru,

3 – conducta de branșament, 4 – conducta publică.

Lângă apometru se mai montează:

1. un filtru mecanic;

2. înainte de apometru se instalează un robinet de închidere pentru a permite verificarea sau înlocuirea apometrului;

3. o vană de golire după robinetul de închidere, care permite verificarea clapetei de sens;

4. o vană de golire sau un racord pentru furtun pentru a permite golirea conductei.

În subsoluri, apometrul trebuie instalat:

1. orizontal,

2. la min. 0,2 m de la perete,

3. la min. 0,2 m, respectiv max. 1,2 m deasupra pardoselii.

Principiile care stau la baza proiectării instalațiilor de apă potabilă sunt aceleași indiferent dacă apa provine direct din conducta publică sau din rezervoare de înălțime.

Figura 4.11. Blocul apometrului

1 – robinet de închidere, 2 – apometru, 3 – vană de golire pentru verificarea

funcționării clapetei de sens, 4 – clapeta de sens, 5 – filtru, 6 – racord pentru furtun.

1. În conformitate cu standardul, dimensionarea conductelor se bazează pe pierderea de presiune care are loc între 2 puncte în secțiunea unei conducte;

2. Această cădere de presiune depinde de diametrul conductei, de lungimea ei, de materialul din care este confecționată conducta și de debitul transportat. Debitul de calcul depinde de numărul și tipul armăturilor obiectelor sanitare pe care le alimentează conducta;

3. Debitul specific al armăturii fiecărui obiect sanitar este punctul de plecare pentru determinarea debitului de calcul al conductelor;

4. Simultaneitatea în consum are un efect determinant asupra mărimii debitului de calcul și poate fi determinată pe baza normelor și metodelor care sunt valabile în fiecare țară.

În funcție de presiunea disponibilă în punctul de racord la conducta publică și de debitul de calcul, se poate determina diametrul fiecărei conducte, folosind metode de dimensionare mai mult sau mai puțin complicate. Detaliile privind metodologia de calcul depășesc obiectul prezentului modul de curs.

4.3.2. Instalații interioare de alimentare cu apă rece pentru combaterea

incendiilor

Sunt proiectate pentru a ține sub control și a stinge un eventual incendiu care ar putea să apară într-o clădire. Au o mare importanță, deoarece protejează atât bunurile materiale, cât și viața ocupanților clădirii. Cele mai utilizate tipuri de instalații pentru combaterea incendiului sunt cele cu hidranți interiori și cele cu sprinklere sau drencere. Aceste instalații pot fi separate sau comune cu rețelele de alimentare cu apă potabilă sau industrială. De asemenea, ele se pot prezenta în varianta umedă (conductele fiind pline cu apă și aflate sub presiunea rețelei) sau uscată (conductele nu sunt pline cu apă, iar alimentarea se face de către pompieri prin conectarea la sistemul stradal de hidranți sau la un bloc de pompe). Punctele de consum sunt constituite de hidranți interiori tip C (echipați cu furtunuri cu diametrul de 52 mm) sau bobine cu furtunuri de diametru 25 sau 19 mm.

Instalația de alimentare cu sprinklere constituie un sistem integrat de conducte alimentate din una sau mai multe surse și montate la partea superioară a încăperilor, de care sunt atașate sprinklerele, grupate în sectoare și având o așezare regulată de tip matricial. Practic, un sprinkler este o duză care pulverizează apa după un anumit profil spațial.

Sprinklerul poate fi:

– automat (duza este închisă de un element fuzibil care se declanșează la creșterea temperaturii peste o anumită limită);

– deschis (fără element fuzibil, caz în care se numește drencer), alimentarea lui cu apă se face prin acționarea unui robinet care în mod obișnuit se află în poziția “normal închis”.

Instalația de sprinklere nu este proiectată în funcție de probabilitatea de apariție a unui incendiu în clădire, ci în funcție de gradul de severitate estimat al unui eventual incendiu.

Figura 4.12. Tipuri de sprinklere

4.3.3. Instalații de alimentare cu apă din surse individuale

Figura 4.13. Diverse tipuri de pompe:

Din sursele de apă individuale (puțuri), apa este pompată prin:

1. micropompe cu sorb montat în puț – la clădiri individuale;

2. stații de hidrofor automate – la clădiri cu regim mare de înălțime; acest sistem poate utiliza vasul tampon deschis sau închis.

În unele cazuri, când consumatorii utilizează atât rețeaua publică, cât și surse individuale de alimentare cu apă, apare pericolul punerii în legătură a celor 2 tipuri de instalații și a introducerii apei provenită din puțuri (cu eventuale impurități) în conducta publică. Pentru a preveni acest fenomen nedorit, se folosesc clapete de sens. Dacă presiunea apei din rețea este mai mică decât presiunea minimă necesară funcționării celui mai dezavantajat consumator, se impune utilizarea unor soluții de ridicare a presiunii apei.

Această creștere a presiunii poate fi obținută utilizând:

• pompe pentru ridicarea presiunii;

• un rezervor de înălțime;

• o instalație de hidrofor.

Următorii factori funcționali influențează alegerea celui mai potrivit sistem:

– debitul maxim necesar, exprimat de obicei în l/s;

– volumul minim de apă care este posibil să fie solicitat în perioada de vârf de consum;

– frecvența și durata consumului;

– presiunea necesară.

De asemenea, sunt și alte criterii de care trebuie să se țină cont:

• costurile de investiție;

• costurile de exploatare;

• tipul clădirii;

• importanța asigurării unei alimentări continue cu apă, fără întreruperi.

Figura 4.14. Ansamblu complet

de ridicare a presiunii apei

4.3.4. Sisteme de protecție

Figura 4.15. Blocul apometrului în interiorul clădirii

După intrarea conductei de apă în clădire, se instalează:

1. un filtru fin – protejează robineții și bateriile împotriva distrugerii premature;

2. dispozitiv de prevenire a curgerii inverse (dispozitiv anti-refulare);

3. vană pentru reglarea presiunii (reductor de presiune): reduce și menține presiunea apei în limite predefinite (de exemplu sub 0.4 MPa).

Standardul STN EN 1717 introduce aceste măsuri în scopul prevenirii apariției unor avarii la elementele componente ale instalațiilor de alimentare cu apă, precum și pentru prevenirea contaminării apei.

Există cinci metode de bază pentru a preveni pătrunderea apei dintr-un sistem cu apă nepotabilă în sistemul cu apă potabilă (dacă între ele există o conexiune):

1. o pungă/strat de aer (separare fizică între rețele – mărimea ei trebuie să fie cuprinsă între 20 și 100 mm deasupra nivelului apei);

2. un ansamblu cu două clapete de sens;

3. un ansamblu bazat pe principiul “presiune redusă împotriva curgerii inverse” (compus din 2 clapete de sens independente, un reductor de presiune diferențial și robineți de probă);

4. un dispozitiv presurizat de rupere a vacuumului (întrerupe vacuumul care cauzează aspirarea apei în direcție opusă curgerii atunci când apar condiții de sifonaj invers, este compus dintr-o clapetă de sens și o vană care permite accesul aerului, ambele funcționând independent);

5. un dispozitiv atmosferic de rupere a vacuumului.

Toate trebuie montate în poziție orizontală. Alte recomandări:

• în cele mai înalte puncte ale coloanelor se montează aerisitoare;

• deasupra pardoselii de la nivelul cel mai inferior se montează vane de separare și golire.

Figura 4.16. Dispozitive de protecție

Coroziunea este un fenomen de distrugere graduală în special a conductelor din oțel, printr-un proces chimic (oxidare) sau prin acțiunea unui agent chimic.

Mediul înconjurător afectează suprafața exterioară a conductei prin influențele corozive și prin schimbările de temperatură.

Suprafața interioară este distrusă prin coroziune mecanică, chimică sau electrochimică; în foarte puține situații apa transportată creează un strat protector. Dacă apa este dură, sau dacă conține minerale dizolvate sau particule solide în suspensie, ea trebuie tratată înainte de utilizare. Fără un tratament adecvat, la temperaturi ridicate, sărurile din apă se vor depune, formând cruste care vor reduce dramatic performanțele sistemelor și echipamentelor de alimentare cu apă caldă și încălzire. Dacă preparatorul de apă caldă menajeră și / sau conductele sunt în pericol de a fi corodate de apa care intră în clădire și alimentează instalația, trebuie luate măsuri de protecție împotriva coroziunii, pentru a preveni fenomene nedorite precum înfundarea conductelor, uzura prematură a armăturilor, creșterea consumului de energie, creșterea riscului apariției unei avarii.

Măsurile de luptă împotriva coroziunii se referă la:

1. alegerea corectă a combinațiilor de materiale utilizate în sistem

2. alegerea și aplicarea unei metode de protecție a suprafeței conductelor :

• pasive (ex. tratarea și izolarea suprafeței conductelor);

• active (ex. protecția catodică);

• tratarea apei: utilizarea unor inhibitori sau ajustarea nivelului pH-ului și controlul prezenței suspensiilor solide și a oxigenului în apă.

Factori care trebuie luați în considerare când este vorba despre tratarea apei:

– materialul conductei;

– originea apei (subterană, de suprafață, conductă publică);

– analiza chimică a apei;

– parametrii fizici ai apei;

– temperatura apei (min., max.);

– utilizarea apei (apă de băut, apă pentru prepararea apei calde menajere);

– cerințe privind apa (calitate, cantitate, cronogramă de consum, presiune, debit);

– dacă există spațiul necesar pentru tratare.

Metode posibile de tratare a apei:

1. tratare chimică;

2. tratare magnetică;

3. tratare fizică.

Protecția termică a conductelor se referă la :

• protecția împotriva temperaturii din mediul înconjurător;

• protecția mediului înconjurător împotriva temperaturii ridicate a conductei;

• preluarea dilatărilor termice.

Protecția termică a conductelor subterane este realizată prin montarea lor la o adâncime situată sub adâncimea minimă de îngheț. Conductele montate suprateran trebuie izolate termic. Grosimea minimă a izolației termice a conductei depinde de mai mulți factori:

• cazul conductelor montate aparent: 4 mm în spații neîncălzite, 9 mm în spații încălzite,

• cazul coloanelor și țevilor montate în canale: 4 mm dacă sunt separate, 13 mm dacă se află lângă conducta de apă caldă.

Surse de zgomot în instalațiile de apă din clădiri sunt :

– debitul de apă trece prin armătura unui obiect sanitar;

– fitingurile, în special unele dintre ele;

– țevile, echipamentele, zgomotele structurale;

– lovitura de berbec: variația bruscă a debitului;

– viteza prea mare a apei în conducte;

– dispozitivele de prindere a conductelor montate aparent;

– schimbările bruște de direcție;

– pompele și compresoarele care nu au postamentul izolat corespunzător.

Figura 4.17. Surse de zgomot

în clădiri

1 – conducte de apă și armături;

2 – armături care picură;

3 – neetanșeități ale conductelor;

4 – evacuarea apei uzate în canalizare;

5 – ventilația forțată;

6 – zgomote structurale.

Un lucru extrem de important este fixarea corectă a instalației interioare pe elementele de construcții:

1. pentru conductele din oțel se recomandă folosirea de cârlige și brățări;

2. este avantajos a utiliza cârlige făcute din același material ca și conducta, mai ales în cazul conductelor din plastic;

3. conductele orizontale de diametru mare sunt susținute de suporți tip șa așezate pe pardoseală;

4. conductele nu trebuie să suporte și greutatea armăturilor din oțel și a apometrelor – acestea trebuie fixate separat pe structura clădirii (crearea unor puncte fixe);

5. conductele din plastic și cele din cupru prezintă distanțe mai mici între 2 suporți consecutivi decât conductele din oțel;

6. traversările elementelor de construcții (pereți, planșee) se fac prin intermediul manșoanelor. Conducta nu trebuie să aibă contact mecanic cu manșonul, în caz contrar zgomotele și vibrațiile care se propagă în lungul conductei vor fi transmise structurii clădirii. De asemenea, dacă interspațiul dintre conductă și manșon nu ar fi umplut cu un material absorbant (ex. cauciuc), în urma dilatărilor și contracțiilor țevii s-ar produce un zgomot suplimentar datorită frecării.

Figura 4.18. Măsuri de protecție împotriva zgomotelor

4.4. Instalații de distribuție a apei calde de consum

În conformitate cu standardul, apa caldă de consum (prescurtat ACC) este o apă potabilă care a fost încălzită și care îndeplinește criteriile din STN 83 0611, adică este o apă folosită pentru spălatul corpului, a vaselor, rufelor și pentru curățat.

Apa caldă de consum trebuie să îndeplinească o serie de condiții sanitare și de calitate. Aceste criterii se referă în principal la parametri chimici, temperatură, cerințe de igienă, parametri fizici.

Figura 4.19. Schema de preparare locală a ACC

A) schema legăturilor; B) schema măsurării parametrilor

P – contor de gaz M – volumul de gaz consumat

V – apometru Qi – puterea calorică a

combustibilului

O – încălzitor η0 – eficiența încălzitorului

MTV – volumul de ACC consumat tTV- temperatura de ieșire a ACC

MSV – volumul total de apă rece consumat tSV- temperatura apei reci

M´SV – volumul de apă rece consumat fără încălzire t´TV- temperatura ACC la punctul

de consum

QN – căldura necesară pentru prepararea ACC QS – căldura necesară pentru

acoperirea pierderilor de căldură.

Figura 4.20. Schema de preparare centrală a ACC

A) schema legăturilor; B) schema măsurării parametrilor

P – contor de gaz M – volumul de agent termic primar

V – apometru Qi – puterea calorică a combustibilului

O – încălzitor η0 – eficiența încălzitorului

T – termometru în cutie tTV- temperatura de ieșire a ACC

KP – termometru calorimetric t´TV- temperatura ACC la punctul de

consum

MTV – volumul de ACC consumat tSV- temperatura AR la intrarea în

încălzitor

MCTV – volumul de ACC circulată MSV – volumul de AR consumat

pentru ACC

M´SV – volumul de apă rece consumat fără încălzire tCTV – temperatura ACC circulată la

intrare

QN – căldura necesară pentru prepararea ACC QS – căldura necesară pentru

acoperirea pierderilor de căldură.

Există o serie de cerințe pe care trebuie să le îndeplinească și echipamentele pentru prepararea și distribuția ACC.

În funcție de modul de transfer a căldurii metode de preparare pot fi:

a) sisteme de preparare ACC prin încălzire directă: ACC este preparată prin amestec direct cu agentul purtător de căldură sau direct de la o sursă de căldură (gaz, petrol, sau electricitate), fără intermediari. Procesul de încălzire al apei este legat de apariția depunerilor (cruste) și de corodarea suprafețelor interioare.

b) sisteme de preparare ACC prin încălzire indirectă: ACC este încălzită de la o sursă de căldură situată la distanță, prin transferul căldurii printr-un perete de separare la nivelul preparatorului de ACC, în majoritatea cazurilor o serpentină.

În funcție de locul unde are loc procesul de încălzire poate fi încălzire locală, încălzire centrală, încălzire la distanță.

În funcție de modul de încălzire, ACC se poate prepara:

a) într-o singură treaptă;

b) în 2 sau mai multe trepte: ACC atinge temperatura dorită după trecerea prin mai multe aparate de preparare, din motive funcționale sau economice.

Figura 4.21. Schema de preparare centralizată a ACC (la distanță)

QTV – încălzirea ACC, Mt – contor de căldură, MSV – apometru, R – distribuitor de ACC,

Z – colector pentru circulația ACC, VD1, 2 – contoare la nivelul clădirii pentru ACC și

ACC circulată, ViBI – contor în clădire (cantitatea de ACC).

Figura 4.22. Sistem de distribuție ACC inferioară

Figura 4.23. Sistem de distribuție ACC superioară

Figura 4.24. Sistem de distribuție ACC – distribuție inelară:

sistemul este conectat la 2 surse independente de apă rece

Figura 4.25. Încălzire indirectă Figura 4.26. Încălzire directă

În funcție de construcția echipamentului de încălzire, ACC se poate prepara:

a) în boilere: se utilizează atunci când consumatorii solicită în unele momente mari cantități de apă, atunci când cantitățile de apă cerute fluctuează sau dacă există o cantitate de energie limitată pentru încălzire.

b) în preparatoare instantanee de ACC: Apa este încălzită aproape instantaneu atunci când parcurge o serpentină situată deasupra arzătorului, pentru a produce ACC la debitul maxim cerut, fără acumulare.

c) în sisteme hibride: un preparator de apă caldă menajeră se adaugă unui sistem de preparare ACC cu acumulare, cu scopul de a acoperi pentru o scurtă perioadă de timp vârfurile de consum (de la 20 la 60 minute).

În funcție de folosirea altor surse de încălzire, ACC se poate prepara:

a) încălzire simplă: încălzitorul / preparatorul de ACC este echipat cu o singură sursă de căldură;

b) încălzire hibridă: într-un preparator de ACC, apa se poate încălzi de la mai multe surse de energie (apă caldă, energie electrică etc.).

Procedee de încălzire a apei, în funcție de agentul primar și temperatura sa :

• în boilere sub presiune folosind combustibil solid, sau în preparatoare închise (sub presiune) folosind energie electrică;

• în boilere sub presiune și în preparatoare instantanee, încălzită indirect cu abur având o presiune mai mare de 50kPa, sau apă fierbinte cu temperatura mai mare de 110°C;

• în aparate de încălzire sub presiune, încălzită indirect cu abur având o presiune de până la 50kPa, sau apă fierbinte cu temperatura de până la 110°C;

• în încălzitoare hibride având surse interschimbabile de căldură, de exemplu apă fierbinte – apă caldă – curent electric;

• în preparatoare instantanee amestecătoare, încălzită direct de apa caldă, sau de aburul de joasă presiune dintr-un sistem deschis;

• prin intermediul panourilor solare.

În figura 4.25. avem : 1 – cazan cu gaz, 2 – rezervor de acumulare cu sistem indirect de preparare a ACC, 3 – sistem de încălzire, 4 – intrare apă rece, 5 – ieșire ACC.

Figura 4.27. Preparator hibrid de ACC. Figura 4.28. Preparator cu acumulare, sub presiune.

Un sistem de (re)circulare vehiculează ACC printr-un rezervor de acumulare și prin încălzitor, prin intermediul unei pompe. Acest tip de sistem oferă un foarte bun control al temperaturii ACC, față de situația când nu există conducta de circulație. Pierderile de căldură (în special noaptea, când consumul este redus) pe o rețea de distribuție a ACC care nu dispune de conductă de circulație, conduce la o mare risipă de apă, care ajunge la canal. Din cauza prețului ridicat al apei și al căldurii, este foarte important pentru utilizatori să beneficieze de temperatura de confort a ACC la punctele de consum.

Tipuri de sisteme de circulație a ACC:

• cu circulație gravitațională, respectiv sub presiune;

• conducta de circulație situată în interiorul conductei de distribuție ACC;

• fără conductă de circulație, dar conducta de distribuție este încălzită în mod repetat.

Figura 4.29. Tipuri de boilere

Conducta de circulație situată în interiorul conductei de distribuție ACC

O rezolvare mai economică ar consta dintr-un sistem țeavă în țeavă, în care conducta de circulație s-ar afla (pe unele porțiuni de traseu) în interiorul conductei de distribuție ACC.

Avantaje: pierderi de căldură mai mici, consum de material izolant mai mic și montaj ușor. În schimb, rezultă un sistem cu diametre mai mari și necesită fitinguri speciale.

Figura 4.30. Exemple de circulație gravitațională, respectiv forțată

Încălzirea conductelor de pe distribuția ACC

O altă soluție constă renunțarea la conducta de circulație și la montarea unui cablu electric încălzitor controlat termostatic, de-a lungul conductelor de distribuție a ACC, sub învelișul izolator al acestora. Astfel se pot compensa pierderile de căldură spre exterior și se poate păstra temperatura ACC la parametrii de confort. Cablul este alimentat de la rețeaua de 230 V, 50 Hz și poate asigura termo-dezinfecția periodică a tuturor conductelor, la 65°C timp de 1 oră. Performanța cablurilor trebuie să fie în domeniul de 9 … 12 W.m-1 la temperatura de 55 … 60°C, iar lungimea maximă a unui circuit trebuie să fie de maximum 100 m.

Figura 4.31. Sistem de încălzire electrică a conductelor de distribuție ACC

1 – preparator ACC, 2 – întrerupător.

Exploatarea și întreținerea instalației de distribuție a ACC

Exploatarea unei instalații de distribuție ACC este costisitoare. Cerințe elementare pentru sistemele de ACC:

• temperatura ACC la punctele de consum: 45…50°C, 24h/zi;

• să existe suficientă presiune;

• posibilitatea de a măsura foarte precis atât cantitatea de ACC consumată, cât și căldura înglobată în ea;

• pierderile de căldură pe conducte să fie reduse;

• prepararea și distribuția ACC să se facă cu eficiență cât mai mare.

Prețurile au un efect regulator asupra exploatării rețelelor și asupra producerii de ACC. Contorizarea consumurilor a dus la o scădere a consumului de ACC în sectorul clădirilor de locuit. Influențe nefavorabile induc furnizorii de ACC care recirculă volume mari de apă caldă înapoi la punctele termice, fără să existe consum. Din acest motiv, prețul pe m3 de ACC crește continuu. Problemele trebuie rezolvate sistematic. Măsuri care pot fi luate:

• scăderea temperaturii ACC la ieșirea din aparatul de preparare: Se pot face unele economii, dar temperatura minimă la utilizator trebuie să nu coboare sub 45°C.

• întreruperea furnizării ACC pe timpul nopții: O mare cantitate de apă se răcește pe conducte din cauza stagnării (în lipsa consumului), iar risipa ar apare în momentul reînceperii consumului. Pe de altă parte, durata întreruperii alimentării cu ACC este spinoasă, mai ales pentru cei care lucrează în timpul nopții.

• întreruperea furnizării ACC pentru câteva zile: Pare o măsură potrivită din punct de vedere economic, dar are efecte nefavorabile asupra confortului locatarilor, iar repornirea este complicată, echilibrarea hidraulică a circuitului schimbătorului de căldură fiind perturbată.

Izolarea termică a conductelor de ACC are ca efect reducerea pierderilor de căldură prin pereții conductelor și păstrarea temperaturii ACC. Alegerea materialelor potrivite pentru izolarea conductelor se face pe baza parametrilor lor termotehnici. Dintre aceștia, cei mai importanți sunt:

• conductivitatea termică λ (W/m.K);

• densitatea ρ (kg/m3);

• căldura specifică c (J/kg.K).

Tabelul 4.2. Grosimea minimă a izolației în funcție de diametru

Figura 4.32. Tipuri de izolații

a) cochilii din fibre minerale cu folie de aluminiu, b) element izolator din vată de sticlă,

c) element izolator cu folie de aluminiu.

În standardul revizuit STN 736666, grosimea izolației termice este prescrisă pentru un coeficient maximal λ = 0,040 W.m-1.K-1. Dacă conductele trec prin spații încălzite, grosimea izolației se poate reduce la jumătate.

Pentru izolarea termică a conductelor de ACC în clădiri se folosesc următoarele materiale:

– materiale fibroase clasice precum vata minerală, vata de sticlă etc. sub forma unor rogojini, centuri.

– elemente cu un grad sporit de prefabricare, de exemplu cochilii.

– materiale izolatoare ușoare bazate pe cauciuc artificial în principal poliuretan, polietilenă și elastomeri.

În figura 4.33. sunt prezentate pierderile de căldură nominale pentru diametre de la DN 15 la DN50, pentru diferite grosimi ale izolației și pentru diferite temperaturi ale apei. Grosimea izolației termice variază de la 10mm la 20mm, iar pentru calcule s-a presupus că λiz = 0,04 W.m-1.K-1.

Economii de energie datorate izolării conductelor de ACC

Au fost analizate trei blocuri din beton, cu 8 etaje și 144 apartamente.

Figura 4.33. Pierderile de căldură pe 1 m de lungime de conductă (W/m)

La dimensionare distribuției ACC s-a considerat că va avea loc o scădere a temperaturii apei calde de la 55° C (la sursă) la 50°C (la ultimul consumator). Pentru un apartament mediu cu 3 persoane, care consumă anual 60m3ACC/apartament se obține un consum teoretic de căldură pentru producere și distribuție cu conducte neizolate de 18,33 GJ/apartament. În analiza făcută, cantitatea teoretică de căldură consumată pentru încălzirea a 1m3 de apă se presupune a fi 0,18738 GJ/m3. La rețeaua cu conducte neizolate, pentru apartamentul menționat, 39% din căldură se pierde prin conducte. Consumul teoretic de căldură în clădirile de locuit scade la 77,5% după izolarea coloanelor.

Din analiza făcută rezultă că valoarea coeficientului de transfer termic pe partea apei și respectiv a conductivității termice a materialului conductei, influențează doar în mod minimal pierderile de căldură. În schimb, o importanță decisivă o au rezistența la transfer termic a izolației și coeficientul de transfer termic pe partea aerului. La debit neglijabil, pierderile de căldură nominale cresc. Coloanele ocupă (în exemplele analizate) aproximativ 56% din lungimea totală a conductelor. Ele creează majoritatea pierderilor de căldură prin conducte: dacă sunt neizolate, coloanelor li se datorează 77 % din pierderile totale de căldură prin conducte. Dar dacă sunt izolate, coloanelor li se datorează doar 46 % din pierderile totale de căldură prin conducte. Deci după izolarea coloanelor la o clădire de locuit, se poate obține o reducere de până la 58% a pierderilor de căldură în rețea.

Figura 4.34. Pierderile de căldură proporționale prin conducte și consumurile proporționale de căldură pentru prepararea ACC în comparație cu cantitatea totală de căldură consumată pe 1 apartament (W/ap.)

1 – pierderile de căldură pe rețeaua de distribuție cu coloane izolate %,

2 – căldura consumată pentru ACC în cazul coloanelor izolate %,

3 – pierderile de căldură pe rețeaua de distribuție cu coloane neizolate %,

4 – căldura consumată pentru ACC în cazul coloanelor neizolate %.

Erorile de exploatare a rețelei de distribuție ACC reies cel mai adesea indirect, din cauza facturii pe care utilizatorul trebuie să o achite pentru apa consumată. Aceste erori se referă la:

• consumul de ACC ineficient (o parte din utilizatori s-au debranșat din sistem, deci sistemul este acum supradimensionat, se prepară prea multă ACC, care revine la sursă fără a fi consumată).

• conductele de ACC sunt neizolate sau sunt prost izolate – pierderile de căldură mari prin conducte afectează apa caldă, care va avea o temperatură necorespunzătoare.

Presiunea apei reci la nivelul bateriilor amestecătoare – clapeta de sens lipsește – consumul crește. Nerespectarea perioadei după care trebuie făcută calibrarea apometrelor.

Verificarea regulată a contoarelor proporționale de ACC – eliminarea erorilor acumulate de apometrul de ACC – diagnosticare timpurie.

Reglarea și echilibrarea rețelelor de distribuție ACC

Instalațiile de distribuție a ACC care nu sunt echilibrate cauzează probleme atât producătorului, cât și consumatorilor. Aceste probleme se referă la parametri termici și presiuni necorespunzătoare ale ACC livrate. O soluție avantajoasă este montarea de vane de echilibrare la baza coloanelor. Vanele de echilibrare sunt mai ieftine decât vanele automate, dar trebuie ajustate cu scule speciale, folosind proceduri de echilibrare. Debitul este mărimea reglată, nu temperatura. Temperatura poate fi măsurată. Vanele de echilibrare dau informații complete despre condițiile hidraulice din rețea, calculează corecțiile care se pot face, eventual ajustarea pompelor de circulație. Ele fac posibilă diagnosticarea instalației. Utilizarea lor este necesară pentru rețele ACC mari și complexe.

Figura 4.35. Schema simplificată a unei rețele de ACC

1 – coloană ACC, 2 – măsurătoare, 3 – vană de echilibrare, 4 – vană de reglaj.

4.5. Instalații de canalizare

O instalație de canalizare este un sistem de conducte situate pe proprietate publică sau privată care transportă apele uzate menajere, apele pluviale sau orice alt fluid care îndeplinește condițiile de fi deversat; nu include colectorul principal de canalizare stradală. Canalizarea menajeră (domestică) transportă ape uzate care conțin excremente umane și alte substanțe lichide care trebuie evacuate din gospodărie. Sistemele pot fi:

• unitare = cu o singură conductă – apele uzate menajere și cele pluviale se amestecă și se varsă împreună în colectorul stradal.

• separative = cu conducte separate – conducte independente pentru apele uzate menajere, respectiv pluviale.

Acolo unde nu există în zonă rețea exterioară cu colector public de canalizare, trebuie luate măsuri de tratare corespunzătoare a apelor uzate proprii.

Figura 4.36. Instalație de canalizare menajeră cu conducte de legătură neventilate

1 – cadă de baie; 2 – lavoar; 3 – closet; 4 – sifon de pardoseală; 6 – coloană; 7 – conductă de legătură;

9 – conductă de ventilare.

Elementele componente ale instalației interioare de canalizare menajeră se clasifică în funcție de poziția lor și de rolul pe care îl îndeplinesc:

1. conductă de legătură– între obiectul sanitar și coloană;

2. coloana de canalizare – conducta verticală;

3. conducta de ventilare – realizează aerisirea instalației: poate fi separată, comună, suplimentară sau dublată;

4. conducta colectoare orizontală – conductă orizontală în interiorul clădirii (ține până la 1m înainte de ieșirea din clădire);

5. accesorii – piese de curățire, goliri, separatoare, sifoane, și vane – toate asigură buna funcționare a sistemului.

Figura 4.37. Instalație de canalizare menajeră cu conducte de legătură ventilate

1-cadă de baie; 2-lavoar; 3-closet; 5-dispozitiv pentru admisia aerului; 6-coloană;

7-conductă de legătură; 9-conductă de ventilare; 10-conducta de ventilare suplimentară;

11-conducta de ventilare secundară

Figura 4.38. Detaliu referitor la dispozitivul pentru admisia aerului

Instalația trebuie proiectată pentru a asigura o circulație adecvată a aerului în toate conductele, fără a exista pericolul de sifonaj sau aspirație a gărzilor hidraulice în condiții normale de utilizare.

Principii de proiectare ale instalației interioare de canalizare menajeră

La proiectarea, execuția și reconstrucția canalizărilor interioare se va ține cont de prevederile standardelor în vigoare.

Instalația de canalizare menajeră trebuie să evacueze apele uzate de la toate obiectele sanitare din clădire, în condiții sanitare și de siguranță. Sistemul va fi astfel proiectat încât să fie protejat împotriva depunerilor de materii pe conducte și a înfundării acestora, și să aibă piese de curățire adecvate și în număr suficient pentru a permite o curățire ușoară a instalației. Materialul conductei de canalizare trebuie să aibă suprafața interioară netedă, rezistență la acțiunea chimică a apelor uzate și a mediului exterior, rezistență la abraziune și durabilitate în timp.

Conductele care au durata de viață mai redusă trebuie să fie protejate împotriva loviturilor, să fie ușor accesibile și ușor de înlocuit. Materialele utilizate în canalizările interioare sunt :

• metalice și aliaje (fontă de scurgere, oțel, cupru, alamă, plumb),

• nemetalice (gresie ceramică, azbociment, beton simplu, beton armat, sticlă),

• plastic (PVC, PE, PP, ABS).

Tipuri de îmbinări: ștemuite, prin compresiune, filetate, cositorite, cu mufă și garnitură, lipite, prin termofuziune, sudate etc. Conductele de canalizare se montează aparent pe pereți sau mascat pe pereți. La canalizare pot fi deversate doar substanțele permise, conform normelor în vigoare.

Figura 4.39. Detaliu referitor la conducta de legătură

1- curbă de racord; 2- coloană; 3- conducta de legătură.

Conducta de ventilare realizează:

• curgerea aerului în și dinspre sistem, astfel încât acesta să poată fi ventilat;

• o circulație a aerului de așa manieră încât să se elimine pericolul aspirației gărzii hidraulice din sifoane (reducerea vacuumului);

• o evacuare rapidă și silențioasă a apelor uzate.

Conducta de ventilare trebuie să permită gazelor și mirosurilor din orice parte a instalației să circule în sus prin sistem și să fie evacuate în atmosferă deasupra clădirii. Pentru conductele de ventilare se recomandă:

• ieșire la minim 0,5 m deasupra acoperișului, distanța minimă față de ferestre, terase etc. să fie de 3 m;

• dacă există pericol de pătrundere a unor impurități, să se asigure posibilitatea de curățire;

• să nu includă căciulă de ventilare și să nu prezinte mărire de diametru.

Montajul pieselor de curățire: 1 m deasupra nivelului cel mai inferior, înainte de conducta colectoare orizontală. Conducta colectoare orizontală trebuie să fie cât mai scurtă, directă și să aibă o pantă uniformă. Conducta care iese din clădire trebuie să fie protejată împotriva înghețului (adâncimea minimă de îngheț).

Figura 4.40. Pantele minimă și maximă ale conductei colectoare orizontale

Figura 4.41. Sifon de pardoseală cu protecție la curgere inversă

Figura 4.42. Vană automată antiretur cu blocare manuală a clapetei

și capac curățire

Standardul EN 12056 ,,Instalații interioare de canalizare gravitaționale” introduce o clasificarea a instalațiilor de canalizare domestice, în funcție de numărul de coloane și de gradul de umplere al conductelor de legătură:

• Tipul I : o coloană, conducte de legătură parțial umplute – utilizat în țara noastră;

• Tipul II : o coloană, conducte de legătură de diametre mici – grad de umplere 0,7 (utilizat în [NUME_REDACTAT]),

• Tipul III : o coloană, conducte de legătură funcționând la secțiune plină – h/d= 1,0 (utilizat în [NUME_REDACTAT]),

• Tipul IV : coloane din mai multe conducte verticale, fiecare transportând alte tipuri de ape uzate (de ex. apă “gri” și apă “neagră”).

La dimensionarea conductelor, trebuie să se țină cont de valorile limită ale debitului (Qmax) și ale diametrelor nominale (DN), conform standardelor și / sau normelor locale.

Figura 4.43. Conductă de legătură pentru WC cu vană antiretur

Figura 4.44. Exemplu de folosire a pompelor în instalația interioară de canalizare

a apelor uzate menajere cu bazin de colectare și pompe monobloc

Figura 4.45. Rezervor pentru sedimentarea materiilor în suspensie

Figura 4.46. Separator de grăsimi

Protecția antiretur :

• pentru obiectele sanitare situate sub nivelul colectorului stradal ;

• această armătură trebuie să fie permanent accesibilă și etichetată.

Protecția împotriva materiilor indezirabile

• Armăturile și accesoriile trebuie verificate și curățate periodic.

• Lucrările de întreținere amânate / neglijate pot duce la apariția unor avarii foarte neplăcute pentru utilizatori, atât din punct de vedere economic, cât și estetic, olfactiv etc.

• La canalizarea meteorică – curățirea periodică a depozitelor de la gurile de scurgere, de preferință după ploaie.

• Depunerile pot fi eliminate prin spălarea conductelor sub o mică pantă.

• Curățirea periodică (în funcție de sezon) îndepărtează sedimentele de pe conducte, din sifoane, vane antiretur, clapete etc.

Figura 4.47. Echipamente pentru curățirea canalizării5. UTILAJE ȘI INSTALAȚII PENTRU

TRANSPORT ȘI MANIPULAT PRODUSE

Utilajele și instalațiile de transport, ridicat și manipulat contribuie prin caracterul lor la mărirea productivității muncii și eficientei economice prin includerea lor în linii tehnologice, ceea ce impune mecanizarea manipulării, transportului și depozitării. Clasificarea lor este prezentată în figura 5.1. Dezvoltarea și modernizarea proceselor de producție implică mecanizarea și automatizarea producției, prin operații de containerizare, paletizare, extinderea fronturilor de încărcare descărcare, alimentare continuă cu semifabricate și modernizarea transporturilor. Paletizarea este operația de mecanizare a transportului de mărfuri pe platforme simple sau duble manevrate cu ajutorul electrocarelor și al stivuitoarelor. Pachetizarea este operația de mecanizare a manipulării, transportului și depozitării unui grup de mărfuri strânse între ele printr-o legătură. Containerizarea este sistemul de ambalare format din rame, lăzi, containere etc. care servește în mod repetat la transportul mecanizat.

Pentru aplicarea paletizării și containerizării sarcinile de transportat și ridicat trebuie constituite în unități de încărcătură grupate convenabil în scopul manipulării, cu dimensiuni care trebuie sa aibă la bază un modul. Din punct de vedere dimensional, paletele (de uz general sau special) respectiv containerele (universale sau speciale), sunt modulate după standarde în vederea efectuării operațiilor de manipulare, depozitare și transport. Pentru a exemplifica eficiența economică a paletizării se prezintă o stivă de 1000 unități de încărcătură stivuite manual și mecanizat prin lise, cărucioare manuale, benzi transportoare, respectiv paletizare prin utilaje cu furcă și stivuitor.

Fundamentarea științifică a sistemului de transport și depozitare prin palete, pachete și containere prevede crearea unui cadru organizatoric cu stabilirea unui necesar de dotare cu utilaje din cadrul instalațiilor de transport și ridicat. În tehnica instalațiilor de transport și ridicat s-au stabilit, prin norme de tipizare și standarde, cerințele obligatorii privind valorile funcționale (de lucru) și dimensionale.

În contextul verificării, prescripțiilor și regulilor de calcul s-a impus FEM (Federation of [NUME_REDACTAT] Handling) cu elaborarea unor reglementări care conduc la modernizarea și îmbunătățirea parametrilor funcționali prin :

► execuție în serie, prin soluții constructive economice;

► utilizarea în limite largi a condițiilor de exploatare și funcționare rezultate în practică;

► dimensionarea în baza duratei de viață necesare;

► criterii de clasificare după condițiile de funcționare etc.

Mașinile de ridicat și transportat sunt utilizate pentru manipularea sarcinilor între limitele unei încăperi sau ale unui teren liber. Spre deosebire de transportul îndepărtat (feroviar, rutier, aerian) care transportă sarcini la distante mari, dispozitivele de ridicat și transportat, deplasează sarcinile pe distantă relativ scurtă și numai în anumite cazuri ele pot atinge distante mari (asigurarea unei comunicații permanente între doua sau mai multe puncte legate prin procesul de producție).

Transportul aferent unei întreprinderi cuprinde operații de manipulare a sarcinilor în exteriorul sau în interiorul său. Transportul exterior servește pentru aprovizionarea cu materii prime, semifabricate, combustibili precum și desfacerea producției finite sau eliminarea deșeurilor. Transportul interior servește la distribuția materiilor prime, semifabricatelor, pentru executarea operațiilor de transport între unitățile de lucru legate prin procesul de producție precum și pentru aducerea producției finite și a deșeurilor la punctele de încărcare-descărcare ale sistemului de transport exterior. Operațiile de acest gen constau nu numai din operația de transport propriu zisă, ci și din operațiile de încărcare și descărcare a sarcinilor pe organele care poartă dispozitivele de ridicat și transportat, așezarea lor în depozite sau pe mașinile unelte care efectuează diversele operații tehnologice. Pentru executarea operațiilor de încărcare și descărcare unele mașini de ridicat și transportat sunt prevăzute cu organe speciale pentru apucarea sarcinilor (electromagneți, graifere), altele sunt deservite de mașini și instalații auxiliare speciale, altele necesitând o deservire manuală. Transportul intern cuprinde la rândul său transportul dintre ateliere și transportul în interiorul atelierului (depozitului).

O categorie specială a transportului din interiorul atelierului îl constituie transportul dintre două operații tehnologice succesive care execută deplasarea produselor de la o instalație de prelucrare la alta, fiind strâns legat de executarea operațiilor tehnologice din atelier sau fabrică. Transportul dintre operații joacă un rol important în producția de serie asigurând legătura dintre instalații și mașini unelte independente, înlesnind procesul de producție al atelierului după un anumit ritm de lucru.

Grupa instalațiilor de ridicat cuprinde mașinile prevăzute în însăși construcția lor cu un mecanism pentru ridicarea sarcinilor, diferențiindu-se prin caracteristicile constructive următoarele:

Figura 5.1. Clasificarea utilajelor și instalațiilor de transport și ridicat

Mecanismele de ridicat sunt instalații de ridicat de complexitate redusă, cu acțiune periodică și care în general au un singur mecanism, cel de ridicare, dintre care se pot aminti: cricuri cu cremalieră, cu șurub, hidraulice; palane manuale și electropalane; platforme ridicătoare manuale; vinciuri.

Macaralele sunt instalații de ridicat utilizate la manipularea sarcinilor prin ridicarea neghidată pe verticală și deplasarea pe orizontală a acestora. Gradul de complexitate al unei macarale depinde de numărul mișcărilor și de mijloacele cu care se realizează aceste mișcări, adaptate în general la necesitățile tehnologice ale fluxului de lucru în care este integrată macaraua. Dintre acestea putem aminti:

a) Macarale rotitoare staționare: cu coloană rotitoare; cu coloană fixă; cu placă turnantă;

b) Macarale cu deplasare pe șină de ghidare: macarale consolă; macarale de tavan; macarale velociped; macarale turn; macarale portal;

c) Macarale cu deplasare pe căi fără șină: macarale montate pe cărucioare manuale sau mecanice; macarale montate pe autocamioane macarale montate pe tractoare; macarale autopropulsate;

d) Macarale de cale ferată sau pe șenile;

e) Macarale cu platforme rulante; cu grindă suspendată; poduri rulante cu o singură grindă principală; poduri rulante cu două grinzi principale; macarale capră și semi-capră.

Ascensoarele alcătuiesc grupa de mașini cu acțiune periodică, destinate pentru ridicarea sarcinilor pe ghidaje, putând aminti ascensoarele de persoane și materiale; schipuri; ascensoare catarg și funiculare.

Instalațiile de transport continuu sunt destinate deplasării sarcinilor în mod continuu cuprinzând: transportoare, transbordoare și dispozitive auxiliare.

Transportoarele sunt instalații destinate pentru deplasarea sarcinilor pe o traiectorie determinată prin acționarea mecanică continuă a organului lor activ. În anumite situații forța de deplasare este o componentă a greutății proprii a sarcinii.

a) Transportoarele cu organ flexibil se caracterizează prin prezenta unui organ de tracțiune flexibil fără sfârșit care execută o mișcare continuă primită de la organul de acționare, transmițând astfel la transportor forța necesară pentru deplasarea sarcinii: transportoare cu bandă; transportoare cu plăci; transportoare cu lanț; transportoare cu raclete; transportoare cu cupe; transportoare suspendate; scări rulante.

b) Transportoare fără organ flexibil, nu au organ flexibil de tracțiune, forța necesară deplasării sarcinii realizându-se prin diferite piese rigide (cilindrii, tuburi, jgheaburi) : transportoare gravitaționale; transportoare cu rulouri; transportoare elicoidale (șnecuri); transportoare oscilante; tuburi rotitoare pentru transport.

Instalațiile de transbordare alcătuiesc grupa mecanismelor deplasabile cu acțiune continuă, destinate lucrărilor de încărcare descărcare a sarcinilor sub formă de mase granuloase: transportoare deplasabile; încărcători mecanici; încărcători auto.

Dispozitivele auxiliare sunt destinate să deservească funcționarea diferitelor categorii de mașini de transportat: planuri înclinate, buncăre, închizători, alimentatori, descărcători de buncăre, cântare etc.

Instalații pentru transporturi terestre și suspendate pot fi :

Cărucioare fără șine destinate deplasării sarcinilor pe căi fără șine: cărucioare manuale; electrocare; motostivuitoare; electrostivuitoare.

Instalații de manevră și deplasare prin rulare destinate pentru deplasarea în interiorul întreprinderilor a vagoanelor și vagonetelor de cale ferată: cabestane, trolii de manevră, platforme turnante, dispozitive de întoarcere.

Căile suspendate alcătuiesc grupa instalațiilor pentru transporturi suspendate, destinate pentru deplasarea pe căi suspendate a unor cărucioare care poartă sarcina: căi suspendate cu șine și cu cabluri.

Transportul și manipularea materialelor face parte integrantă din procesele de producție. Pentru asigurarea desfășurării proceselor de producție se transportă îngrășămintele, semințele, animalele, materialele necesare pentru hrana animalelor, dejecțiile animalelor și produsele obținute. Transportul cuprinde trei faze principale: încărcarea, transportul și descărcarea materialelor. Cele trei faze trebuie să se desfășoare într-o armonie perfectă, ceea ce înseamnă că nu este suficientă asigurarea numărului corespunzător de mijloace de transport, ci trebuie să fie create și condițiile pentru încărcarea și descărcarea ritmică a acestora.

S-a constatat că volumul lucrărilor de transport reprezintă peste 50% din volumul total de lucrări. Se transportă peste 200 feluri de materiale cu diverse proprietăți, ca: volum, masă specifică, rezistență la solicitări mecanice, rezistență la frig, starea de agregare și ușor alterabile. După modul de prezentare, se deosebesc: materiale în vrac (60 – 70%), materiale în ambalaj (saci, cutii, lădițe), materiale paletizate și containerizate (palete, lăzi palete, containere). Dispersarea punctelor de încărcare-descărcare impune folosirea mijloacelor de încărcare-descărcare deplasabile. Distanțele parcurse la fiecare ciclu de transport sunt mici, ajungând până la 10 – 20 km.

Mijloacele folosite la transporturi, în funcție de lucrările executate, se împart în: mijloace de transport și mijloace de încărcare-descărcare. Mijloacele de transport, în funcție de sursa energetică, pot fi: tractate sau autopropulsate. În funcție de destinație se deosebesc: mijloace de transport curente, mijloace de transport tehnologice și mijloace de transport speciale. Mijloacele de încărcare-descărcare, funcție de modul de desfășurare a procesului de lucru, se împart în: mijloace de încărcare-descărcare cu flux continuu și cu flux discontinuu.

5.1. Mijloace de transport tractate și autopropulsate

Vehiculul este un sistem mecanic care se deplasează prin rulare cu ajutorul roților sau prin alunecare, tip sanie, pe o cale rutieră, servind ca mijloc de transport de bunuri sau persoane, ori pentru efectuarea de servicii.

Autovehiculul este vehiculul care se deplasează prin autopropulsare fiind suspendat elastic pe roți sau pe șenile, cu excepția mopedelor și a vehiculelor care circulă pe șine, circulând în mod obișnuit pe drumurile publice și servind la transportul de bunuri sau persoane sau la efectuarea de lucrări (tramvaiul și troleibuzul sunt considerate autovehicule). Autovehiculul care s-a defectat pe parcurs și care este transportat prin tractare până la o unitate service este considerat temporar vehicul.

Primul vehicul modern a fost construit de Leonardo da Vinci.

Automobilul este vehiculul cu motor de propulsie care circulă pe o cale rutieră prin mijloace proprii având cel puțin patru roți, care nu circulă pe șine și care servește pentru transportul persoanelor și/sau al bunurilor, pentru tractarea vehiculelor destinate transportului de persoane și/sau bunuri, și pentru transporturi speciale. Clasificarea lor este prezentată în figura 5.2.

Termenul de automobil include și vehiculele alimentate de la o linie electrică: troleibuzul, precum și vehiculele cu trei roți a căror masă depășește 400 kg. Vehiculele cu trei roți simetrice față de planul median la care masa vehiculului carosat este egală sau mai mică cu 400 kg sunt considerate motociclete respectiv motorete. Troleibuzul este considerat automobil, în schimb tractoarele și mașinile agricole autopropulsate nu intră în această categorie.

Mopedul este un vehicul cu două roți dotat cu motor având capacitatea cilindrică de cel mult 50 cmc și viteza maximă prin construcție mai mică de 25 km/h fiind asimilat bicicletei.

Motocicleta este autovehiculul cu două roți cu sau fără ataș.

Motoreta este motocicleta care are capacitatea cilindrică de cel mult 50 cmc și care prin construcție nu poate depăși o viteză de 50 km/h.

Autoturismul este un automobil având cel mult nouă locuri pe scaune, inclusiv cel al conducătorului și care prin construcție și utilizare este destinat transportului rapid de persoane și a bagajelor acestora și/sau transportului de bunuri, putând tracta și o remorcă.

Figura 5.2. Clasificarea automobilelor

După forma caroseriei autoturismele pot fi:

1. cu caroserie închisă: a. berlină; b. coach; c. limuzină; d. cupeu; e. break;

2. cu caroserie deschisă: a. roadster; b. spider;

3. cu caroserie specială.

Autoturismul berlină se caracterizează prin caroserie închisă cu sau fără montant central (stâlp) între ferestrele laterale, acoperiș fix, rigid, care poate fi prevăzut cu o trapă pentru aerisire. Numărul de locuri este de trei sau mai multe, dispuse pe cel puțin două rânduri. Numărul de uși laterale: două sau patru, putând avea și o deschidere în spate pentru acces în habitaclu sau în portbagaj. Numărul de ferestre: 4 laterale.

Când ferestrele nu sunt separate printr-un montant central avem COACH.

Berlina decapotabilă (are caroserie decapotabilă) se caracterizează printr-un cadru fix și acoperiș escamotabil. Numărul de locuri: patru sau mai multe. Numărul de uși: două sau mai multe uși laterale. Ferestre laterale: 4 sau mai multe.

Limuzina este berlina de mare capacitate, caracterizată prin caroserie închisă, putând fi prevăzută cu geam care să separe locurile din spate de cele din față, acoperiș fix, care în unele situații se poate deschide pe o anumită porțiune. Numărul de locuri: 4 sau mai multe pe cel puțin două rânduri, astfel încât în fața locurilor din spate să poată fi dispuse și strapontinele. Numărul de uși laterale: 4, 6 sau mai multe. Numărul de ferestre laterale: 6 sau mai multe.

Autoturismul break se caracterizează prin caroserie închisă, partea din spate fiind astfel dispusă încât să ofere un volum interior mare, astfel încât acoperișul să fie prevăzut cu trapă de aerisire în unele cazuri. Numărul de locuri: 4 sau mai multe, dispuse pe cel puțin două rânduri astfel încât scaunele din spate pot avea spătarul rabatabil spre înainte sau demontabil pentru a asigura o capacitate de încărcare cât mai mare. Numărul de uși: două sau mai multe în lateral, și una în spate pentru acces în habitaclu. Număr de ferestre: patru sau mai multe.

Cupeul se caracterizează prin caroserie închisă, în general cu volum limitat în partea din spate având acoperiș rigid care poate fi prevăzut cu trapă pentru aerisire. Numărul de locuri: două sau mai multe dispuse pe cel puțin un rând. Numărul de uși: două laterale, și o deschidere în spate. Numărul de geamuri: două sau mai multe laterale.

Cabrioletul se caracterizează prin caroserie decapotabilă, acoperiș rigid sau nerigid, având cel puțin două poziții (escamotat sau neescamotat), două sau mai multe locuri dispuse pe cel puțin un rând, două sau patru uși laterale, două sau mai multe ferestre.

Roadsterul este un autoturism destinat folosirii personale și la unele tipuri de curse automobilistice, fiind caracterizat prin caroserie sport deschisă, neexistând un acoperiș. Pentru protecție contra intemperiilor autoturismul este prevăzut cu un acoperiș ușor pliabil. Numărul de locuri: două. Numărul de uși laterale: două. Numărul de ferestre: două sau mai multe.

Autoturismul cu folosire multiplă este conceput pentru a facilita transportul ocazional de bunuri și se caracterizează prin caroserie închisă, deschisă sau decapotabilă cu unul sau mai multe locuri, două uși laterale, și una în spate de acces în habitaclu, și două sau mai multe ferestre laterale.

Autoturismul cu post de conducere avansat. Postul de conducere se află în primul sfert al lungimii totale a automobilului.

Autoturism special este cel ale căror caracteristici nu se încadrează în nici o categorie dintre cele prezentate anterior.

Autorulota este un autoturism ale cărui caracteristici îl recomandă ca fiind destinat transportului de persoane, cu cel mult nouă locuri pe scaune cu cel al conducătorului, sau locuri pe banchete care îndeplinesc condițiile prevăzute pentru transportul de persoane.

Autoturismul de teren este un autoturism special cu caroserie închisă sau deschisă, care se poate deplasa pe o cale de comunicație terestră sau pe terenuri, având cel puțin două punți motoare, diferențial blocabil sau autoblocabil care îi conferă capacitate mare de trecere.

Autobuzul este un automobil prevăzut cu mai mult de nouă locuri pe scaune și care prin construcție și amenajarea sa este destinat transportului de persoane și bagajului acestora, putând avea unul sau mai multe nivele și putând tracta o remorcă.

Microbusul sau minibusul care este un autobuz cu un nivel, având cel mult 17 locuri pe scaune, inclusiv cel al conducătorului și care poate transporta cel mult 22 de persoane sau așezate pe scaune.

Autobuzul urban este un autobuz conceput și echipat astfel încât să poată asigura transportul de persoane în localități și în imediata apropiere a acestora, în transportul urban și cel suburban. Acest autobuz are prevăzute scaune și locuri destinate transportului în picioare, fiind organizat pentru deplasarea în interior a pasagerilor corespunzător unor opriri frecvente în stații. (caracteristica principală a acestuia este traficul sau circulația în interior a persoanelor)

Autobuzul interurban este un autobuz conceput și echipat pentru transportul între localități ne mai având prevăzut un spațiu special pentru călătorii în picioare, dar care poate transporta pe distanțe scurte un anumit număr de călători în picioare pe intervalul dintre scaune.

Autobuzul de cursă lungă (sau autocarul) este un autobuz conceput și echipat pentru transportul de persoane, așezate pe scaune la distanțe mari în scopuri turistice în condiții de confort, prevăzut din construcție cu spații special amenajate în afara salonului pentru depozitarea bagajelor.

Autobuzul articulat este un autobuz conceput din două sau mai multe tronsoane de caroserie rigide care se articulează între ele astfel încât compartimentele de pasageri sunt legate între ele în mod permanent și nu pot fi detașate decât prin operații speciale care includ mijloace tehnice care nu se găsesc în mod normal decât în ateliere specializate.

Troleibuzul este un autobuz articulat sau nearticulat cu propulsie electrică alimentat prin captator de la o rețea aeriană pe curent, fiind destinat pentru transportul de persoane sau pentru servicii speciale.

Autobuzul special este un autobuz articulat care nu se încadrează în nici una din categoriile de mai sus fiind destinat prin construcție diferitelor utilizări speciale: transport copii; transportul persoanelor handicapate; transportul deținuților.

Vehiculul utilitar este un automobil care prin construcție și amenajare este destinat în principal pentru transportul de bunuri într-o structură închisă sau deschisă, putând tracta și remorci.

Vehiculul utilitar special este un vehicul a cărui caracteristică nu se încadrează în nici una din categoriile următoare.

Autocamionul este un vehicul utilitar care pentru transportul de bunuri este prevăzut în spatele cabinei cu o platformă cu sau fără obloane.

Vehiculul special este un automobil care prin construcția și amenajarea sa este destinat numai:

– transportului de persoane și sau bunuri, pentru care sunt necesare amenajări speciale (autospecializate);

– pentru un serviciu special (autospeciale) care pot fi vehicule pentru transportul de autoturisme, animale, autocisterne, pompieri, autoateliere, ambulanțe, salubritate, autobetoniere, vehicule cu folosire multiplă.

Autobasculanta este un vehicul special care pentru transportul de bunuri în vrac este prevăzut în spatele cabinei cu o benă sau cuvă, care poate fi basculată în jurul unei axe fixe de pe șasiul automobilului.

Autofurgonul este un vehicul special care pentru transportul de bunuri este prevăzut în spatele cabinei cu o caroserie închisă.

Autotractorul este un autovehicul de tracțiune destinat exclusiv sau în special tractării de remorci.

Autoremorcherul este o subcategorie a autotractorului, fiind un autovehicul destinat tractării remorcilor grele cu proțap articulat sau autovehiculelor grele, putând fi prevăzut cu platformă pentru lestare (pe care se încarcă greutăți în scopul măririi aderenței la sol).

Autotractorul cu șa (vehicul tractor de semiremorcă) este un autotractor destinat numai tractării semiremorcilor, fiind prevăzut cu un dispozitiv de cuplare tip șa care preia o parte importantă din greutatea semiremorcilor precum și forțele de tractare.

Vehiculul tractat se definește ca fiind un vehicul rutier care n-are motor de propulsie, iar prin construcția și amenajarea sa este destinat să fie tractat de către un automobil, fiind folosit la transportul de persoane, bunuri sau pt. servicii speciale.

Remorca este un vehicul tractat care prin construcția sa nu încarcă vehiculul tractor decât cu o foarte mică parte din greutatea sa.

Semiremorca încarcă autotractorul cu o parte considerabilă din greutatea sa. Semiremorca echipată cu un avantren la șa este considerată remorcă.

Remorca de uz general este remorca care prin construcția și amenajarea sa este destinată transportului de bunuri.

Remorca autobuz este o remorcă care prin construcția sa este destinată transportului de persoane și bunuri (bagajele acestora).

Rulota este o remorcă destinată prin construcție și amenajări specifice a fi folosită pe drumuri, constituind o locuință mobilă.

Remorca specială este o remorcă de construcție specială care prin construcție și amenajare este destinată numai:

– transportului de persoane și/sau obiecte pentru care se fac amenajări speciale;

– efectuării unui serviciu specializat: semiremorca cisternă (fluide); semiremorca furgon (bunuri); semiremorca pentru transportul materialelor în vrac (vărsate); semiremorca pentru transportul autoturismelor; semiremorca pentru transportul animalelor.

Ansamblul de vehicule se referă la formația alcătuită din unul sau mai multe vehicule tractate cuplate la un automobil:

Trenul rutier este un ansamblu format dintr-un automobil la care se cuplează una sau mai multe remorci independente cuplate prin proțap. Remorcile pot fi de tip special sau de uz general.

Trenul rutier de persoane este un ansamblu format dintr-un autobuz și una sau mai multe remorci autobuz legate prin proțap. Suprafața utilă pentru pasageri nu este continuă pentru vehicule.

Observație: Autobuzul articulat este considerat cu semiremorcă.

Trenul rutier articulat este un ansamblu format dintr-un vehicul tractor cu șa și o semiremorcă. Semiremorca poate fi specială sau de uz general.

Trenul rutier dublu este un ansamblu format dintr-un vehicul tractor cu șa, o semiremorcă și o remorcă. Semiremorca, respectiv remorca pot fi sau nu speciale.

Trenul rutier mixt este un ansamblu format dintr-un automobil de transport persoane și o remorcă pentru transportul mărfurilor (bagaje etc.).

Trenul rutier special este un tren rutier la care încărcătura însăși face legătura între vehiculul tractor și remorcă.

Agregatul tractor – remorcă reprezintă principalul mijloc de transport folosit în agricultură. Tractoarele destinate transportului rutier sunt echipate cu instalații de frânare pneumatică pentru remorci, cuple automate sau speciale pentru remorci monoaxe.

Pentru transporturile curente sunt utilizate remorcile basculante, care pot fi cu două axe sau monoaxe (figura 5.3.). Majoritatea remorcilor sunt cu două axe, însă datorită avantajelor (construcție simplă, manevrabilitate mare etc.) pe care le prezintă remorcile monoaxe, se observă o tendință de răspândire a acestora. Remorcile pot fi cu basculare numai laterală, în două părți și în trei părți. Descărcarea prin basculare se face hidraulic de la instalația hidraulică a tractorului sau cu pompă acționată manual. La unele remorci bascularea este însoțită de deschiderea automată a oblonului. Majoritatea remorcilor sunt echipate cu frâne cu saboți, acționate mecanic (manual, de la picior sau prin inerție) sau pneumatic.

Figura 5.3. Remorci de tractor

a — remorcă basculantă pentru sere; b — remorcă monoaxă pomi-viticolă

cu benă normală; c — remorcă basculantă în trei părți.

Pentru descărcarea produselor sau a materialelor în alte mijloace de transport, se construiesc remorci basculante, înălțătoare. Remorcile înălțătoare sunt utilizate și la alimentarea buncărelor de la mașinile de împrăștiat îngrășăminte, de plantat cartofi și de semănat. Pentru transportul produselor voluminoase, se folosesc echipamente de mărirea capacității benei. în unele cazuri remorcile au bene schimbabile. Remorcile pentru transport curent se echipează cu pneuri de înaltă sau de joasă presiune. Echiparea cu pneuri de joasă presiune a remorcilor care circulă mai mult pe teren sau drumuri de câmp (cu portanță scăzută) este avantajoasă.

Remorcile pentru transport tehnologic și special sunt folosite pentru încărcarea, transportul și descărcarea sau distribuirea unor materiale ca: furaje, porumb, bulbo — rădăcinoase, fructe, gunoi de grajd etc. Încărcarea remorcilor se realizează prin autoîncărcare, încărcare din mers de la mașini sau combine de recoltat furaje rădăcinoase, bulboase, struguri etc. Descărcarea remorcilor tehnologice se poate realiza la un punct fix, prin basculare, sau din mers, cu ajutorul unor transportoare longitudinale și transversale.

Figura 5.4. Autocamioane

a — cu platformă; b — cu benă; c, d — cu volum mărit; e, f, g — autofurgoane;

h — autobasculantă; i — autocisternă.

Remorcile pentru transport special sunt amenajate pentru transportul lichidelor (remorci cisternă), animalelor, legumelor, fructelor sau utilajelor grele (remorcile platforme de mare tonaj).

Principalele mijloace de transport autopropulsate sunt autocamioanele, motocarele și electrocarele. Autocamioanele (figura 5.4) sunt prevăzute cu bene, platforme fixe sau basculante, buncăre, cisterne, autofurgoane frigorifice pentru fructe etc.

5.1.1. Parametrii de bază ai autovehiculelor

Parametrii principali care caracterizează un autovehicul sunt : parametrii constructivi, dinamici și economici. Acești parametri servesc pentru aprecierea obiectivă a calităților diferitelor tipuri și pentru a scoate în evidență dacă aceștia corespund condițiilor de lucru impuse de exploatare. Numai cunoscând acești parametri pot fi alese modelele cele mai corespunzătoare condițiilor de exploatare date.

Parametrii constructivi ai tractoarelor și automobilelor sunt: dimensiunile principale, greutatea, capacitatea de trecere, razele de viraj și capacitatea de încărcare.

Dimensiunile principale care caracterizează construcția unui autovehicul sunt cele arătate în figură. Dimensiunile de gabarit sunt cele mai mari dimensiuni privind lungimea A, lățimea E și înălțimea D, ținând seama și de dimensiunile cabinei sau caroseriei.

Ampatamentul L (baza sau distanța între punți) este distanța între axele geometrice ale punților tractorului. La tractoarele cu trei punți, ampatamentul se consideră distanța între axa geometrică a punții din față și jumătatea distanței dintre cele două punți din spate, în acest caz, se indică suplimentar și distanța între cele două punți din spate. La tractoarele pe șenile, ampatamentul L reprezintă distanța dintre axa roții (steluței) motoare și axa roții de întindere, în acest caz, se mai indică și lungimea de sprijin a șenilei Llt adică lungimea șenilei în contact cu solul.

Ecartamentul (spate B și fața B1) reprezintă distanța dintre planele mediane ale roților de pe aceeași punte. Pentru tractoarele prevăzute cu roți duble în spate, ecartamentul se dă ca distanța dintre planurile care trec prin jumătatea distanțelor celor două roți de pe aceeași punte. La tractoarele pe șenile, ecartamentul este distanța dintre planele longitudinale de simetrie ale celor două șenile.

Lumina C (garda la sol) este distanța dintre sol și punctul cel mai de jos. al corpului tractorului.

Figura 5.5. Dimensiunile de gabarit ale unui tractor

Consolele din față F si din spate G sunt distanțele pe orizontală dintre axa de simetrie a punții din față, respectiv din spate, până la extremitatea din față, respectiv din spate, a tractorului. Aceste distanțe se mai numesc și depășirile bazei.

Rază longitudinală de trecere ρ este raza unui cilindru convențional tangent la roțile din față, din spate și punctul cel mai de jos al șasiului, punct situat între punțile tractorului.

Raza transversală de trecere ρ1 este raza cilindrului tangent la cele două roți de pe aceeași punte și la punctul cel mai de jos al tractorului, punct situat între roți.

Greutatea este un parametru care caracterizează calitățile de tracțiune după aderență, precum și presiunea specifică pe sol. La autovehicule, greutatea poate fi constructivă și de exploatare.

Greutatea constructivă este greutatea autovehiculului nealimentat cu combustibil, ulei și apă, fără scule și greutăți suplimentare și fără șofer, adică așa cum iese de pe banda de montaj. Acest parametru servește la aprecierea consumului de metale și materiale care intră în construcția tractorului.

Figura 5.6. Dimensiunile de gabarit ale unui autocamion

Greutatea de exploatare este greutatea totală a tractorului, alimentat, cu greutăți suplimentare sau apă în pneuri, cu tractorist, cutia de scule, inclusiv greutatea mașinilor agricole purtate, sau a unei părți din greutatea mașinilor agricole semipurtate.

Prin capacitate de trecere se înțelege calitatea tractorului de a se deplasa pe drumuri sau terenuri accidentate și de a trece peste obstacole. Din punct de vedere al capacității de trecere, autovehiculele pot fi: autovehicule obișnuite și autovehicule cu capacitate mare de trecere.

Autovehiculele cu capacitate mare de trecere pot fi: pe roți, pe șenile și pe semișenile. Autovehiculele pe roți cu capacitate mare de trecere sunt caracterizate de faptul că au toate roțile motoare. Autovehiculele pe șenile sunt caracterizate printr-o aderență bună cu solul și prin presiuni specifice mici pe sol, fapt care le fac utilizabile pe terenuri accidentate. Autovehiculele pe semișenile sunt construite în special pentru deplasarea pe terenuri nisipoase, pe zăpadă sau pe terenuri mlăștinoase.

În funcție de condițiile de deplasare, capacitatea de trecere poate fi îmbunătățită prin următoarele măsuri:

– la autovehicule pe roți: prin folosirea pneurilor cu profil de tracțiune; prin folosirea pneurilor de joasă presiune; prin folosirea lanțurilor etc.;

– la autovehicule pe senile : prin profilul zalelor șenilei; prin lățimea șenilei.

Capacitatea de trecere a unui tractor este caracterizată de următorii parametrii: presiunea specifică pe sol, garda la sol, raza longitudinală și raza transversală de trecere, raza minimă de viraj și unghiul de trecere.

Presiunea specifică pe sol, dată de raportul dintre greutatea totală a tractorului sau automobilului și suprafața de contact dintre pneuri sau șenile și sol. Cu cât presiunea specifică pe sol este mai mică, cu atât autovehiculul se poate deplasa mai ușor pe terenuri moi, pe zăpadă, nisip etc. Prin micșorarea presiunii specifice pe sol, se îmbunătățesc calitățile de tracțiune ale autovehiculului, iar organele de rulare nu tasează straturile superioare ale solului.

Lumina sau garda la sol – acest parametru indică obstacolele maxime peste care poate trece autovehiculul fără să le atingă. Cu cât lumina este mai mare, cu atât autovehiculul se poate deplasa mai ușor pe terenuri accidentate, însă se înrăutățește stabilitatea, deoarece se ridică poziția centrului de greutate. La tractoare agricole, lumina este condiționată și de înălțimea culturilor în perioada întreținerii lor.

Raza longitudinală de trecere este funcție de mărimea ampatamentului și de poziția punctului cu lumină minimă. Cu cât raza longitudinală de trecere va fi mai mică, cu atât capacitatea de trecere va fi mai mare. Raza transversală de trecere este funcție de ecartament și de punctul de lumină minimă în plan transversal. Capacitatea de trecere a autovehiculului va fi cu atât mai mare cu cât raza transversală de trecere este mai mică și cu cât distanța de la punctul cel mai de jos la sol este mai mare. Un astfel de autovehicul va putea circula pe drumuri cu făgașe adânci și cu partea centrală bombată.

Unghiul de trecere față sau unghiul de atac φ1 și unghiul de trecere spate sau unghiul de degajare φ2, reprezintă unghiul maxim dintre planul de sprijin și planul înclinat tangent la pneurile roților din față, respectiv din spate și caroseria autovehiculului aflat sub sarcină statică, astfel încât nici un punct rigid al autovehiculului să nu se situeze sub acest plan.

Raza minimă de viraj a autovehiculelor care este distanța de la polul virajului până la jumătatea punții din spate a tractorului sau automobilului, la un unghi de bracare maxim al roților de direcție. Cu cât raza de viraj este mai mică, cu atât capacitatea de trecere este mai bună.

Raza roților tractoarelor și automobilelor influențează capacitatea de trecere a autovehiculului peste obstacole orizontale sau verticale. La autovehiculele obișnuite, cu o singură punte motoare, înălțimea unui obstacol vertical peste care poate trece este h = 2r/3 (r fiind raza roților), iar la autovehiculele cu mai multe punți motoare h ≈ r.

Figura 5.7. Caracteristici geometrice

a. garda la sol și raza longitudinală de trecere, b. raza transversală de trecere,

c. unghiul de atac, d. caracteristicile virajului.

Lățimea canalului peste care poate trece un autovehicul, cu condiția ca marginile acestuia să fie suficient de rezistente, este b ≈ r, iar la automobilele cu mai multe punți motoare b ≈ 1,2 r.

Pentru tractoare pe șenile, lățimea canalului peste care poate trece este b ≤ L (L fiind baza tractorului), iar înălțimea peretelui vertical este limitată de unghiul limită de răsturnare.

Capacitatea de trecere a autovehiculului este îmbunătățită prin mărirea numărului de roți motoare. Un autovehicul cu toate roțile motoare este caracterizat printr-o capacitate de trecere mai mare decât un autovehicul prevăzut cu două roți motoare.

Tot în grupa parametrilor constructivi mai intră : gama și numărul treptelor de viteze, tipul prizei de putere, tipul și parametrii sistemului de rulare.

Performanțele dinamice ale tractorului sau automobilului depind de performanțele dinamice ale motorului, puse în evidență prin caracteristica externă. Cunoscând caracteristica externă a motorului, se pot stabili cei mai importanți indici de exploatare ai autovehiculului.

Factorul dinamic al autovehiculului este determinat de relația 5.1.

(5.1.)

unde: Fm este forța tangențială de tracțiune la roata motoare;

Fa — forța de rezistență a aerului (se ia în considerare numai la autovehiculele și tractoare de transport) ;

Gt — greutatea totală a agregatului de lucru.

Factorul dinamic, reprezintă forța tangențială de tracțiune specifică disponibilă la roată, care poate fi folosită pentru învingerea rezistențelor la rulare, pentru accelerare și pentru urcarea pantelor. Factorul dinamic D își modifică valoarea în funcție de viteză, deoarece atât Fm cit și Fa variază în funcție de viteza de deplasare. Variația factorului dinamic în funcție de viteză se numește caracteristica dinamică a autovehiculului și este o diagramă foarte importantă pentru aprecierea calităților dinamice.

Forța maximă de tracțiune este forța maximă dezvoltată la corpul sau rama tractorului care poate fi folosită pentru tractarea mașinilor agricole, remorcilor sau semiremorcilor. La tractoare, sunt indicate în notița tehnică forțele de tracțiune la fiecare treaptă și la o anumită patinare admisă a organelor de rulare.

Viteza maximă a autovehiculului reprezintă viteza reală, în km/h, cu care se poate deplasa autovehiculul pe un drum orizontal, în condiții normale, la treapta superioară din cutia de viteze și cu sarcina maximă utilă.

Viteza teoretică a unui autovehicul se calculează cu relația (5.2.).

Vt=ω*rm = 0,377*n* rm/it [km/h] (5.2.)

unde : rm este raza de rulare a roții motoare, respectiv raza de angrenare a steluței motoare care antrenează șenila, în m;

n este turația motorului, în rot/min;

it este raportul total de transmitere al autovehiculului.

Vitezele reale ale autovehiculului se determină experimental, ținând seama și de patinarea roților sau șenilelor.

Panta maximă este valoarea maximă a pantei, exprimată în grade sau în procente, pe care o poate urca autovehiculul cu sarcina maximă utilă. Acest parametru indică posibilitățile autovehiculului de a învinge rezistențele suplimentare care apar, la urcarea pantei și posibilitatea acestuia de a fi utilizat cu sarcină maximă pe drumuri cu declivități. De obicei, panta maximă se indică pentru fiecare autovehicul la treapta inferioară și Ia treapta superioară din cutia de viteze.

Stabilitatea autovehiculului reprezintă capacitatea acestuia de a se deplasa pe pante, drumuri înclinate, curbe etc., fără a se răsturna sau a derapa. Stabilitatea autovehiculului se apreciază în funcție de condițiile în care are loc deplasarea, viteza de deplasare, valoarea pantei, înclinarea transversală a drumului, de razele de curbură ale drumului, precum și de anumiți parametri constructivi ca: ecartamentul, ampatamentul, coordonatele centrului de greutate etc.

Parametrii economici cei mai importanți care caracterizează un tractor sunt: costul inițial, amortismentul și cheltuielile de exploatare (consumul de combustibil și lubrifianți, consumul de pneuri, cheltuielile de întreținere și reparații etc.).

Consumul de combustibil este cel mai important indice care caracterizează economicitatea autovehiculului si depinde de următorii factori: tipul, starea și puterea motorului montat pe autovehicul, construcția șasiului, viteza de deplasare, încărcarea, tipul și starea terenului etc. La tractoare, consumul de combustibil se raportează la unitatea de suprafață prelucrată la diferite lucrări (l/ha), iar la automobile consumul de combustibil se raportează la 100 km parcurși (1/100 km), la tonă kilometru (l/t—km), călător — kilometru (l/călător — km) etc.

Durabilitatea autovehiculului reprezintă calitatea acestuia de a funcționa timp îndelungat fără defecțiuni. Durabilitatea autovehiculului depinde de factori constructivi (calitatea suprafețelor în frecare, calitatea materialelor folosite pentru piesele solicitate puternic, felul ungerii, tipul filtrelor etc.) si de exploatare (starea drumurilor sau terenurilor, condițiile climaterice, calitatea combustibililor și lubrifianților, calitatea și punctualitatea reviziilor tehnice și periodice, calificarea conducătorului etc.).

5.1.2. [NUME_REDACTAT] sunt autovehicule echipate cu agregate frigorifice care mențin o temperatură adecvată transportului unor produse alimentare perisabile în interiorul unor camere frigorifice montate pe un șasiu auto. Agregatele frigorifice cele mai utilizate pe autovehiculele de fabricație indigenă sunt:

[NUME_REDACTAT] tip NWD-30;

[NUME_REDACTAT] tip XKW-30;

[NUME_REDACTAT] tip XRW-30;

TNT-10D, TNP-10 și TNP-20D;

BJS-31-67 care echipează remorcile ALKA-N12.

Schema funcțională a agregatului frigorific [NUME_REDACTAT] tip NWD-30 este prezentată în figura 5.8. Volumul interior al camerei frigorifice este de 55 – 65 m3, iar coeficientul global de transfer de căldură al caroseriei izolate este 0,35 kcal/m2h°C. Agregatul poate asigura menținerea în interior a unei temperaturi constante de până la -30°C. Principalele părți componente ale agregatului sunt: motorul cu ardere internă, compresorul frigorific, instalația frigorifică și instalația electrică.

Compresorul agregatului este acționat prin intermediul unui cuplaj de către un motor Diesel care asigură simultan și antrenarea a două ventilatoare: unul dintre ventilatoare realizează răcirea condensatorului instalației frigorifice, iar cel de al doilea este destinat circulației aerului peste vaporizator, asigurând astfel răcirea camerei frigorifice. Funcționarea motorului cu aprindere prin comprimare se poate face în regim de turație redusă, la cca. 1400 rot/min, sau în regim de turație nominală de 2200 rot/min Compresorul instalației frigorifice este cu patru cilindri în V, carter din aluminiu, cilindri amovibili din fontă și pistoane fără segmenți. Pentru a se preveni depășirea presiunii admisibile a freonului din instalație, care are valoarea de 21 daN/cm2, pe colectorul de refulare al compresorului se montează un întrerupător presostatic care asigură oprirea motorului termic de antrenare prin întreruperea alimentării acestuia cu combustibil. Acest întrerupător restabilește circuitul de alimentare a motorului numai la scăderea presiunii agentului frigorific din instalație sub valoarea de 16 daN/cm2.

Agentul frigorific utilizat în instalație este freon 12, refrigerent 12 sau, prescurtat, R12. Pentru realizarea unei izolații termice corespunzătoare în construcția camerei frigorifice se folosesc panouri de tip sandwich, formate din foi de tablă din aluminiu între care se găsește spumă poliuretanică sau polistiren expandat, îmbinate prin nituire. Menținerea temperaturii comandate se face prin acționarea instalației frigorifice comandată de instalația electrică. Agregatul frigorific poate funcționa în regimul de răcire, regimul de încălzire sau regimul de dezghețare.

Regimul de dezghețare – Agregatul este programat din construcție ca la obturarea cu gheață a peste 50 – 60 % din secțiunea de trecere pentru aer a vaporizatorului să se comande automat funcționarea în regim de dezghețare. Acest regim nu este altceva de cât un regim de încălzire cu turație ridicată la care, în plus, se comandă de către un electromagnet închiderea clapetei (29), care astfel nu mai permite trecerea aerului vehiculat de către ventilatorul vaporizatorului spre camera frigorifică.

În regim de dezghețare freonul are același circuit ca în regimul de încălzire, astfel că de la tripla valvă (5) agentul frigorific ajunge în serpentina de decongelare (24) și apoi la distribuitorul (17), ocolind valva de expansiune (14); agentul frigorific intră în vaporizatorul (18), unde topește gheața depusă pe țevile și lamelele acestuia, precum și gheața din tava de sub vaporizator. Apa rezultată din topirea brumei și a gheții este evacuată spre exterior din tavă prin două tuburi de cauciuc, pe lângă peretele frontal al caroseriei.

Funcționarea în regim de dezghețare este semnalizată pe panoul de control prin aprinderea becului marcat „DEFROST".

Atunci când agregatul trebuie să asigure o anumită temperatură comandată de la termostat, la atingerea temperaturii regimul de funcționare se schimbă din răcire în încălzire și invers în jurul valorii comandate, acest lucru fiind vizibil și prin semnalizarea luminoasă aferentă celor două regimuri, alternanța luminilor fiind și un semn de bună funcționare a instalației.

Regimul de răcire – Agregatul funcționează în regim de răcire atunci când temperatura mediului ambiant este mai mare decât temperatura reglată de termostatul instalației frigorifice. Elementele componente ale instalației sunt prezentate în figura 3. în care este redată circulația freonului în acest regim.

Freonul, încălzit și aflat în stare de vapori, este refulat de către compresorul (1) prin ventilul de refulare (2), furtunul flexibil (3) și conducta (4), spre tripla valvă (5). Acest circuit al freonului, de la compresor până la tripla valvă, este identic în toate cele trei regimuri de funcționare.

În regim de răcire, pistonașul din interiorul triplei valve (5) este deplasat spre stânga sub acțiunea unui arc, freonul în stare gazoasă fiind astfel obligat să iasă din tripla valvă prin racordul superior din dreapta și să ajungă în condensatorul (6). În condensator are loc condensarea agentului frigorific, cu cedare de căldura către mediul exterior. Freonul lichid trece, după ieșirea din condensator, prin supapa de sens unic (7) și ajunge în rezervorul de freon (8), prevăzut cu un vizor (9) pentru observarea nivelului.

Atunci când sunt necesare intervenții asupra instalației frigorifice, cea mai mare parte a freonului poate fi depozitată în condensator și rezervorul de freon, prin închiderea ventilului (10), evitându-se astfel pierderile de agent frigorific.

Din rezervorul (8) freonul lichid iese prin conducta (11) și ajunge la filtrul uscător (12), care are rolul de reținere a umidității din sistem în vederea evitării obturării instalației prin înghețare. Din acest filtru freonul ajunge printr-o conductă la subrăcitorul (13), aflat în interiorul caroseriei. În interiorul acestuia freonul este subrăcit, cedând căldură vaporilor de freon care circulă în sens opus prin mantaua schimbătorului, dinspre vaporizator către compresor.

În continuare agentul frigorific în stare lichidă ajunge la valva de expansiune (14), care reglează cantitatea de freon care pătrunde în vaporizatorul (18) în funcție de temperatura vaporilor la ieșirea din vaporizator. În acest scop, valva de expansiune este legată printr-un tub capilar cu bulbul sensibil (15), montat pe conducta (19) de ieșire din vaporizator. Debitul de freon este reglat prin acțiunea unei membrane asupra unui cui poantou. Partea din stânga a membranei este în legătură cu bulbul sensibil prin tubul capilar în timp ce partea din dreapta este legată prin intermediul conductei de egalizare (16) de conducta (19) de ieșire din condensator. Dacă temperatura vaporilor care ies din condensator este prea mare (debit mic de agent frigorific), gazul din bulbul (15) se încălzește și acționează membrana, care va deplasează cuiul poantou și asigură astfel trecerea unei cantități suplimentare de freon lichid spre vaporizator. Creșterea presiunii vaporilor de agent frigorific din conducta (19) acționează membrana în sens contrar, prin conducta de egalizare (16), închizând cuiul poantou.

Astfel se realizează un echilibru în sistem prin autoreglarea cantității de freon din vaporizator în funcție de presiunea și temperatura agentului la ieșirea din serpentina acestuia.

După trecerea din valva de expansiune (14), în care freonul ajunge sub formă lichidă la presiune ridicată, acesta trece în distribuitorul (17), care alimentează vaporizatorul. În vaporizator, datorită presiunii scăzute, are loc vaporizarea agentului frigorific, însoțită de absorbție de căldură.

După vaporizarea freonului acesta părăsește vaporizatorul prin colectorul de aspirație (19). De aici vaporii ajung la subrăcitorul (13), în mantaua acestuia, unde dată fiind presiunea lor mică, preiau căldura de la freonul lichid care trece prin conducta interioară spre valva de expansiune, mărind astfel randamentul frigorific al instalației.

Din mantaua schimbătorului intern de căldură freonul ajunge în acumulatorul de lichid (20), aflat în exteriorul caroseriei, iar de aici, prin furtunul flexibil de aspirație (21), agentul frigorific trece spre ventilul de aspirație (22), ajunge la regulatorul de presiune (23) și apoi la compresor.

Figura 5.8. Schema funcțională a agregatului frigorific [NUME_REDACTAT] tip NWD-30

1 – compresor; 2 – ventil de refulare; 3 – racord flexibil de refulare; 4 – conductă de refulare;

5 – triplă valvă; 6 – condensator; 7 – supapă închidere; 8 – rezervor freon; 9 – vizor; 10 – ventil golire; 11 – conductă lichid; 12 – filtru deshidrator; 13 – schimbătorul intern de căldură; 14 – valva de expansiune; 15 – bulbul sensibil al valvei de expansiune; 16 – conductă de egalizare; 17 – distribuitor; 18 – evaporator; 19 – conductă de aspirație; 20 -acumulator de lichid; 21 – racord flexibil; 22 – ventil aspirație; 23 – bloc aspirație; 24 -serpentină de dezghețare; 25 – conductă gaze calde; 26 – solenoid; 27 – ventil de siguranță;

28 – ventil de închidere; 29 – clapetă de congelare.

Furtunul flexibil de aspirație (21), la fel ca și furtunul de refulare (3), împiedică transmiterea vibrațiilor de la grupul motopropulsor la instalația frigorifică. Ventilul de aspirație (22) este prevăzut cu un racord pentru montarea unui manometru sau a unui furtun pentru încărcarea instalației cu agent frigorific. Regulatorul de presiune (23) reglează presiunea de aspirație a compresorului și astfel limitează debitul de agent frigorific vehiculat la temperaturi ridicate de vaporizare.

Dacă freonul circulă prin instalație numai în baza circuitului descris mai sus instalația realizează o răcire continuă, temperatura coborând fără a se face limitarea acesteia la o anumită valoare. În timpul exploatării, motorul termic al agregatului frigorific funcționează la turația ridicată de 2200 rot/min până la atingerea unei temperaturi situate în apropierea temperaturii reglate (cu 2 – 3°C mai mare decât valoarea dorită), acesta trecând apoi în regim de funcționare la turația joasă de 1400 rot/min. Funcționarea instalației în regim de răcire este semnalizată prin aprinderea unui bec de control cu înscrisul „COOL". Temperatura în interiorul caroseriei se poate citit în orice moment cu ajutorul unui termometru montat de asemenea pe panoul de comandă.

Regimul de încălzire – În acest regim freonul nu mai circulă prin condensator pentru a fi răcit din compresor, trecând prin tripla valvă, agentul frigorific ajunge cald în vaporizator, pentru a realiza astfel încălzirea aerului din interiorul caroseriei.

Comanda acestui circuit se face prin intermediul unui ventil acționat de solenoidul (26), care se găsește montat pe o conductă care face legătura între capătul anterior al triplei valve (5) și regulatorul de aspirație (23). Când bobina solenoidului nu este alimentată cu energie electrică, ventilul de închidere comandat de acesta este închis. La alimentarea solenoidului, ventilul se deschide și permite realizarea legăturii dintre aspirația compresorului și tripla valvă, ceea ce face ca pistonașul acesteia să fie deplasat spre dreapta prin acțiunea depresiunii create la aspirație. Astfel, freonul ajuns la tripla valvă va ieși prin racordul superior din stânga, racordul spre condensator fiind închis de către piston. Solenoidul (26) este alimentat de la un microîntreruptor al termostatului atunci când agregatul funcționează în regim de încălzire, sau de la releul de decongelare în regimul de dezghețare.

Agentul frigorific cald, refulat de compresor în stare de vapori prin ventilul de refulare (2) și furtunul flexibil (3), ajunge la tripla valvă (5) și iese din aceasta prin racordul superior din stânga, intrând în conducta (25), ramificată în două conducte cu diametre diferite.

Prin conducta cu diametru mic agentul frigorific ajunge la rezervorul de freon (8), antrenând freonul lichid aflat aici și mărind astfel randamentul astfel randamentul de încălzire. În această situație, supapa de sens unic (7) este închisă și nu permite trecerea freonului spre condensator. De la rezervorul (8) freonul circulă în instalație la fel ca în regimul de răcire.

Prin conducta cu diametru mai mare freonul pătrunde în interiorul caroseriei și străbate serpentina de dezghețare (24), amplasată pe fundul carcasei vaporizatorului cu scopul de a topi gheața formată din apa condensată și pentru a preveni înghețarea apei care se scurge pe țevile și aripioarele vaporizatorului la funcționarea agregatului în regim de încălzire sau de dezghețare, iar temperatura inițială în incinta frigorifică are valori negative.

La ieșirea din serpentina (24), freonul intră în distribuitorul (17), iar de aici în vaporizatorul (18), pe care îl încălzește; astfel aerul vehiculat de ventilatorul vaporizatorului se va încălzi. Din vaporizator freonul ajunge în mantaua schimbătorului subrăcitorului (13), trece în acumulatorul (separatorul) de lichid (20) și apoi la compresor. Datorită freonului cald care trece prin conducta (19), bulbul termosensibil (15) al valvei de expansiune (14) va comanda deplasarea membranei spre dreapta și va deschide cuiul poantou, permițând freonului ajuns aici de la rezervorul (8) să circule în instalație, mărind randamentul de funcționare în regim de încălzire.

Funcționarea instalației în regim de încălzire este semnalizată prin aprinderea unui bec de control cu înscrisul „HEAT". În situația când temperatura comandată este mult peste valoarea temperaturii mediului exterior, agregatul va funcționa în regim de turație ridicată la 2200 rot/min, până la apropierea cu 2 – 3 °C de valoarea reglată a temperaturii, apoi motorul cu ardere internă trece la regimul de turație mică de 1400 rot/min. Menținerea temperaturii comandate se face din acest moment printr-o succesiune de regimuri de răcire și încălzire la turație mică.

5.2. Utilaje și instalații pentru ridicare și încărcare – descărcare

Întrucât parcursurile la fiecare ciclu de transport sunt relativ scurte, timpul de încărcare și descărcare ocupă o pondere importantă din bilanțul ciclului de lucru al mijloacelor de transport. Pentru reducerea timpului de staționare, se impune mecanizarea lucrărilor de încărcare și descărcare. Aceste utilaje pot fi cu flux de lucru continuu sau discontinuu. Cele cu flux continuu sunt folosite la încărcarea mijloacelor de transport sau pentru deplasarea materialelor și a produselor pe distanțe mici.

Mijloace de încărcare – descărcare cu flux de lucru discontinuu se caracterizează printr-un proces de lucru ciclic. Organele de lucru preiau o anumită cantitate de material, îl deplasează și îl așază la locul stabilit. Față de transportoarele cu flux de lucru continuu, sunt mai complexe, mai universale și se autoalimentează, dar necesită un personal de deservire calificat. Din această categorie de utilaje fac parte: încărcătoarele frontale, încărcătoarele pivotante, încărcătoarele stivuitoare și transpaletele.

Figura 5.9. Încărcător frontal montat pe tractor

1 — ramă; 2 — stâlp; 3 — brațe de ridicare; 4 — cupă; 5 — cilindri hidraulici pentru

ridicare; 6 — cilindru pentru întoarcerea cupei; 7 — distribuitor hidraulic; 8 — pompă.

Încărcătoarele frontale sunt utilaje purtate pe tractor (figura 5.9.) sau autopropulsate, încărcătorul este format din două brațe oscilante, legate articulat de șasiul tractorului și comandate prin doi cilindri, hidraulici. La capătul brațelor se montează organele de lucru de diferite forme (cupe diferite, furci, lame). După încărcarea sarcinii, utilajul se deplasează până la locul de descărcare, deci procesul de lucru se desfășoară în mers. încărcătorul frontal poate deplasa sarcina pe distanță de câțiva zeci de metri. încărcătoarele autopropulsate sunt prevăzute cu transmisii hidrostatice, care ușurează efectuarea manevrelor.

Figura 5.10. Încărcător frontal pentru încărcat avioane

1 — suport; 2 — brațe oscilante; 3 — cilindri hidraulici; 4 — cupă; 5 — balast;

6 — tije de blocare a brațelor; 7 — cilindrul hidraulic pentru comanda rotirii cupei;

8 — cilindru hidraulic pentru deschiderea obturatorului.

Se construiesc încărcătoare frontale cu destinație specială (figura 5.10.) pentru încărcarea avioanelor.

Figura 5.11. Încărcător pivotant

1 — cadru; 2 — batiu; 3 — pivot; 4 — braț; 5 — antebraț; 6 — instalația hidraulică;

7 —picioare de sprijin; 8 — organ de lucru.

Figura 5.12. Transpaletă

1 — brațe; 2 — pompă; 3 — dispozitiv de ridicare.

Figura 5.13. Tractor încărcător hidraulic autopropulsat

a — tractorul încărcător :

1 — șasiu; 2 — motor; 3 — roți;

4 — picioare de sprijin;

5 — braț; 6 — instalație hidraulică; 7 — cabina; 8 — locul de fixare a organelor de lucru;

b — organele de lucru :

1 — cupă pentru materiale în vrac;

2 — furci pentru rădăcinoase;

3 — gheare pentru gunoi;

4,5 — cupe pentru săpat.

Încărcătoarele pivotante pot fi purtate sau autopropulsate. Aceste utilaje sunt deplasabile, dar lucrează staționar, poziție în care este rezemat pe sol cu ajutorul unor picioare de sprijin. Încărcătorul (figura 5.11.) are un suport rotitor sau un pivot, două brațe articulate și un echipament de lucru (cupă simplă, cupă dublă, furci etc.). Acționarea brațelor articulate, a organelor de lucru, precum și a picioarelor de sprijin se face cu ajutorul cilindrilor de forță, comandați de la un distribuitor hidraulic. În figura 5.13., a, este prezentat un încărcător hidraulic autopropulsat, care este prevăzut cu un set de echipamente pentru lucrări de încărcare-descărcare, stivuire, excavare, săpare de gropi etc. (figura 5.13., b).

Stivuitoarele sunt utilaje prevăzute cu organe de lucru sub formă de furci, utilizate pentru încărcarea-descărcarea și deplasarea la distanțe mici a produselor paletizate. Paletizarea constă în așezarea mărfurilor ambalate, pe palete plane (figura 5.14., a) sau în lăzi palete (figura 5.14., b). Manevrarea paletelor se poate face cu stivuitoare autopropulsate (figura 5.15.) sau purtate în fața sau în spatele tractorului (figura 5.16).

Stivuitoarele execută operațiunile de ridicare, deplasare, stivuire, eventual rotirea pentru descărcarea (golirea) lăzilor palete.

Transpaleții (figura 5.12.) sunt utilaje mobile simple, folosite la deplasarea paletelor în depozite și depunerea în anumite locuri fără stivuire.

Figura 5.14. Paleți

a — palete plane; b — lăzi palete.

Organizarea rațională a transportului presupune alegerea mijloacelor de transport adecvate, în funcție de felul materialelor, calitatea drumurilor și distanțele la care se face transportul, asigurarea mecanizării operațiilor de încărcare și descărcare. Utilizarea agregatelor tractor-remorcă până la distanța de 5 km este avantajoasă față de camioane. Peste această distanță, folosirea camioanelor devine mai economică. Stabilirea numărului de mijloace de transport pentru deservirea tehnologică a agregatelor se face în funcție de capacitatea de producție a acestora.

La încărcarea mijloacelor de transport se urmărește ca încărcătura utilă să fie egală cu sarcina utilă, adică coeficientul de utilizare a capacității de transport să fie de 0,8—1. în acest scop, în cazul produselor voluminoase, se folosesc echipamente pentru mărirea volumului util al remorcii.

În funcție de mijloacele de transport – încărcare – descărcare existente, materialele și produsele care trebuie să fie vehiculate, se aleg tehnologiile cele mai corespunzătoare. La toate utilajele de transport, încărcare – descărcare trebuie să fie executate operațiile de îngrijire zilnică și întreținerile tehnice periodice. Repararea ansamblurilor de la mecanismele de direcție și frânare la remorci se va face în ateliere cu personal calificat. Nu se admite sudarea pieselor de la mecanismul de direcție și frâne.

Figura 5.15. Autostivuitoare

1 – corpul electrostivuitorului, 2 – scaun, 3 – volan, 4 – mecanism de ridicare cu furci.

Figura 5.16. Furcă stivuitoare montată în spatele tractorului

1 — cadru; 2 — brațe cu cot, articulate la cadru; 3 — pârghii de prindere la tiranții laterali; 4 — tiranții laterali ai ridicătorului hidraulic al tractorului; 5 — tirantul central.

5.2.1. [NUME_REDACTAT] sunt mașini de ridicat folosite pentru ridicarea diverselor sarcini în întreprinderi, șantiere de construcții, exploatări miniere, gări, porturi, fiind caracterizate prin faptul că sunt fixate permanent pe o fundație, o cale de rulare sau un vehicul. Din punct de vedere al modului de întrebuințare și al locului de exploatare, macaralele pot fi:

macarale rotitoare staționare;

macarale rotitoare mobile;

macarale cu platforme rulante.

Figura 5.17. Macara cu coloană rotitoare – cu deschidere fixă

1 – scheletul mecanic, 2 – lagăr radial,

3 – lagăr axial, 4 – mecanism de ridicare.

Macaralele rotitoare staționare se caracterizează prin faptul că sunt fixate pe fundație, având posibilitatea de a se roti în jurul axei lor. Macaralele rotitoare staționare sunt utilizate pentru a ridica sarcini în depozite, în gări, în poduri, pe șantierele de construcție sau în atelierele de prelucrări mecanice pentru deservirea unor mașini unelte.

Figura 5.18. Macara cu coloană rotitoare cu deschidere variabilă.

1 – coloană, 2 – lagăr radial axial,

3 – lagăr radial, 4 – cărucior, 5 – mufă,

6 – mecanism de deplasare a căruciorului,

7 – mecanism de ridicare.

Se deosebesc următoarele tipuri constructive de macarale rotitoare staționare :

macarale cu coloană rotitoare ;

macarale rotitoare cu coloană fixă ;

macarale cu placă turnantă.

Macarale cu coloană rotitoare – cu deschidere fixă se folosesc pentru ridicarea sarcinilor în magazii, depozite și ateliere mecanice. Acționarea macaralei se face fie manual, fie mai frecvent electric.

Figura 5.19. [NUME_REDACTAT]

1 – braț oscilant, 2 – coloană rotitoare, 3 – tiranți sau cabluri, 4 – palanuri pentru ridicarea brațului, 5 – palanuri pentru ridicarea sarcinilor, 6 – troliu, 7 – role de ghidaj, 8 – role de

ghidaj, 9 – lagăr inferior radial, 10 – disc pentru rotire, 11 – lagăr superior radial.

[NUME_REDACTAT] sunt prevăzute cu troliu pentru ridicarea sarcinii, troliu pentru ridicarea brațului și mecanism pentru rotirea coloanei. Acestea se montează frecvent acolo unde este necesar să se instaleze utilaje cu înălțime mare, ca, de exemplu : coloane de distilare, coșuri de fum metalice etc.

Figura 5.20. Macara cu coloană fixă cu deschidere fixă

1 – coloana, 2 – construcția metalică, 3 – mecanism de ridicare, 4 – contragreutăți.

Macarale cu coloană fixă se întrebuințează pentru ridicarea sarcinilor în întreprinderi, în gări în porturi, caracterizându-se prin faptul că se pot roti complet în jurul axei lor, asigurând deservirea unei suprafețe inelare. Se construiesc cu deschidere fixă sau cu deschidere variabilă.

Figura 5.21. Macara cu coloană fixă cu deschidere variabilă

1 – coloana, 2 – construcția metalică, 3 – mecanism de ridicare, 4 – contragreutăți, 5 – cărucior,

6 – mecanism de deplasare

Figura 5.22. Macara cu placă turnantă

1 – braț, 2 – casa mecanismelor, 3 – platforma, 4 – cabina, 5 – contragreutate,

6 – role, 7 – fus central, 8 – șina circulară.

Macarale cu placă turnantă se folosesc pentru ridicarea sarcinii în porturi, în gări, în depozite de materiale, fiind caracterizate printr-o mare înălțime de ridicare și prin deschiderea mare a brațului de ridicare. Macaralele se construiesc cu braț cu deschidere fixă sau cu braț cu deschidere variabilă.

5.2.2. Organe și dispozitive pentru suspendarea și prinderea sarcinilor

În cazul repartizării sarcinii pe mai multe ramuri de cablu se folosesc muflele care asigură rotirea ușoară a cârligului. Ansamblul de piese suspendat în cablurile în care se montează cârligul se numește mufla cârligului. Mufla se compune din : cârlig; traversa muflei; pereții laterali ai muflei care susțin traversa și axul rolelor de cablu; rola sau rolele de cablu; rulment axial; piulița cârligului cu sistemul de siguranță împotriva deșurubării necontrolate.

Aceste organe și dispozitive se împart în două categorii :

1. pentru sarcini individuale

2. pentru sarcini vărsate

Figura 5.23. Cârlig simplu

În cazul palanelor cu număr par de role, sau al palanelor duble, pot fi folosite mufle scurtate (figura 5.24.), care au avantajul unei înălțimi mai mici și folosind cârlige cu tijă lungă, rolele de cablu se montează pe traversa cârligului.

Dispozitivele de prindere se folosesc în cazul manipulării aceluiași tip de sarcină.

Traversele sunt grinzi metalice atârnate direct sau prin intermediul unui organ de prindere la cârligul unui organism de ridicat. Acestea sunt folosite la ridicarea sarcinilor voluminoase și în special a celor cu lungime mare (camioane, tractoare, motoare, legături de țevi, bare etc.). Sunt construite dintr-o grindă metalică 1, care se prinde în cârligul mecanismului de ridicare, printr-un lanț (cablu) 2, cu două ramuri. Sarcina este fixată de traversă prin legăturile 3 (lanțuri, cabluri sau dispozitive speciale). Prin utilizarea traverselor, se realizează păstrarea echilibrului pieselor în timpul manipulării și o utilizare rațională a lanțurilor și cablurilor de legare.

Figura 5.24. Ansamblu muflă

Figura 5.25. [NUME_REDACTAT] 5.26. Electromagnet.

Electromagneții (figura 5.26.) se utilizează pentru manipularea materialelor cu proprietăți magnetice de forme și dimensiuni variate, fiind organe de prindere a sarcinii, în general detașabile din cârlig. Prin simpla închidere sau deschidere a circuitului electric se realizează prinderea, respectiv desprinderea sarcinii.

Cleștii (figura 5.27.) prezintă avantajul că timpul necesar prinderii și desprinderii sarcinii este redus la minimum.

Figura 5.27. Clești de prindere

a – clește automat, b – clește simplu, c – manipulator industrial.

5.2.3. Mecanisme de ridicat

Alegerea mașinilor și a dispozitivelor de ridicat și transportat depinde de felul și dimensiunile produselor asamblate, de caracterul producției și de gradul de mecanizare a procesului tehnologic de asamblare.

Mecanismele de ridicat sunt caracterizate prin greutate proprie și gabarit redus, ceea ce permite o deplasare ușoară de la un loc de muncă la altul. Acționarea este de regulă manuală, mai rar electrică. Principalele tipuri de mecanisme de ridicat sunt : vinciurile, palanele, troliile, ascensoarele.

Vinciurile sunt mecanisme de ridicat care realizează o înălțime mică de ridicare a sarcinilor, fiind situate fie dedesubtul acestora, fie lateral. După modul de construcție, se deosebesc : vinciuri cu cremalieră, vinciuri cu șurub, și vinciuri hidraulice.

Vinciurile cu cremalieră se folosesc pentru ridicarea mașinilor, a vagoanelor și a altor utilaje în vederea montării sau a reparării, la montajul șinelor de cale ferată.

Principiul de funcționare este : sarcina se sprijină pe capul rotitor situat la extremitatea superioară a cremalierei care alunecă pe ghidaje în carcasă, fiind acționată de roțile dințate. Vinciul este acționat manual prin intermediul manivelei. Pentru siguranța funcționării și suspendarea sarcinii, vinciul se prevede cu opritor cu clichet. Raportul de multiplicare a roților dințate se calculează astfel încât efortul la manivelă să nu depășească 45 daN. Corpul vinciului se confecționează din tablă de oțel, iar cremaliera, din oțel carbon de calitate, fiind solicitată atât la compresiune de sarcina de ridicat cât și la încovoiere de componenta radială a forței de angrenare.

Figura 5.28. Vinci cu cremalieră

1 – carcasă, 2 – cremalieră, 3 – ghidaje, 4 – cap rotitor, 5 – talpa cremalierei, 6 – manivelă,

7, 8, 9, 10, 11 – roți dințate, 12 – opritor cu clichet.

Vinciurile cu cremalieră au un randament destul de bun și o înălțime de ridicare de circa 400 mm. Dacă distanța între sol și sarcină este prea mică și nu încape vinciul, sarcina se ridică introducând talpa 5 a cremalierei sub sarcină. Având o greutate mică (20 – 120 daN), vinciurile se pot transporta cu ușurință la locul de folosire.

Vinciurile cu șurub servesc pentru ridicarea mașinilor, a utilajelor și altor sarcini în vederea operațiilor de montaj sau reparații. Caracteristicile principale sunt :

– sarcinile nominale sunt de 500 – 40000daN

– viteza de ridicare și randamentul sunt mici

– construcție simplă, cost redus.

Principiul de funcționare este : șurubul este prevăzut cu un filet de profil dreptunghiular sau trapezoidal, fiind acționat cu o pârghie cu clichet. Piulița șurubului poate fi prelucrată direct în carcasă sau poate fi executată separat. Pentru siguranță în exploatare, totdeauna, filetul se execută cu autofrânare. Tija filetului se calculează la solicitări compuse: compresiune datorită sarcinii de ridicat și răsucire, făcându-se și o verificare la flambaj. Pentru a se putea deplasa și longitudinal, vinciurile se montează pe glisieră.

Figura 5.29. Vinci cu șurub

1 – șurub, 2 – mâner pentru ridicare, 3 – cap, 4 – șurub pentru deplasare orizontală.

Vinciurile hidraulice – sunt folosite pentru ridicarea de sarcini mari cu o viteză de ridicare a sarcinii mici. Vinciul hidraulic este acționat manual. Datorită caracteristicilor sale, vinciurile hidraulice se utilizează și ca utilaj tehnologic pentru presări, depresări, îndreptări etc.

Caracteristici: sarcina nominală 2000-500 000 daN; construcție simplă; siguranță în exploatare; randament mare; etanșeitate bună; raportul de transmitere este proporțional cu raportul pătratelor diametrelor cilindrului de lucru.

5.3. Transportoare cu organ flexibil de tracțiune

Instalațiile pentru transport continuu asigură transportul continuu de sarcini, de la un punct la alt punct, situat la același nivel sau la un nivel diferit. După particularitățile lor constructive și funcționale, instalațiile pentru transport continuu se pot grupa în două categorii:

— transportoare cu organ flexibil de tracțiune (transportoare cu bandă, transportoare cu raclete, transportoare cu plăci, transportoare cu cupe etc.) ;

— transportoare fără organ flexibil de tracțiune (transportoare gravitaționale, transportoare elicoidale, transportoare pneumatice etc.).

La transportoarele din prima grupă, organul flexibil de tracțiune poate fi purtător al sarcinii (transportorul cu bandă) sau poate servi numai la realizarea tracțiunii necesară organelor de lucru. Transportoarele, din cea de a doua grupă, asigură deplasarea sarcinii în diferite modalități specifice (gravitațional, pneumatic etc.). În funcție de direcția de deplasare a sarcinii, fiecare din cele două grupe de mai sus se mai poate subdivide în : transportoare care deplasează sarcini numai pe orizontală sau sub un unghi față de orizontală, mai mic decât unghiul de alunecare a sarcinii ; transportoare care deplasează sarcini pe verticală sau sub un unghi mic față de verticală (denumite și elevatoare), transportoare care deplasează sarcini sub orice unghi, inclusiv pe direcția orizontală sau verticală.

Sub denumirea de sarcină se înțelege materialul care este supus operației de transport. Sarcinile se pot prezenta sub formă de sarcini individuale (în bucăți), sau sub formă de sarcini vărsate (în vrac).

Instalațiile de transport continuu au un rol deosebit de important în mecanizarea și automatizarea proceselor de lucru. În general, aceste instalații cuprind, în afară de mașina propriu-zisă de transport, și diferite subansambluri auxiliare: dispozitive pentru încărcare-descărcare; instalații pentru depozitarea materialului (buncăre); pentru repartizarea sau dozarea lui (închizătoare, alimentatoare, cântare). Natura materialului, precum și fluxul neuniform realizat pe trasee complicate de transport, obligă la folosirea unor mijloace de transport discontinuu așa cum ar fi : cărucioarele terestre sau remorcile tehnologice.

Transportoarele cu organ flexibil asigură transportul sarcinilor de orice fel (vărsate sau în bucăți). Ele realizează deplasarea sarcinilor cu ajutorul unor organe de lucru (cupe, raclete) care transmit sarcinii forța de tracțiune existentă în organul flexibil de tracțiune. Uneori însăși organul flexibil de tracțiune este purtător al sarcinii (transportul cu bandă). Traseul de transport este curba axei organului flexibil de tracțiune. Transportoarele cu element flexibil de tracțiune, sunt alcătuite din următoarele părți :

— organul flexibil de tracțiune al cărui axă formează o curbă închisă, alcătuită dintr-o succesiune de segmente de dreaptă, racordate între ele prin arce de cerc ;

— organele de lucru montate echidistant pe organul flexibil de tracțiune (raclete, cupe, platforme), transmit sarcinii forța de tracțiune din elementul flexibil ;

— organele de rezemare pe care se sprijină, fie organul flexibil de tracțiune, fie organele de lucru, ele prezentându-se sub forma unor ghidaje, tabliere sau baterii de role staționare, amplasate după traiectoria curbă sau rectilinie ;

— mecanismul de acționare care asigură antrenarea elementului flexibil de tracțiune;

— dispozitivul de întindere destinat să asigure o anumită stare de tensiune în elementul flexibil ;

— scheletul de susținere alcătuit din profile laminate pe care se montează celelalte subansambluri și care preia și transmite la sol încărcările care acționează asupra transportorului.

Organele specifice transportoarelor cu element flexibil de tracțiune sunt organele flexibile de tracțiune propriu-zise și organele pentru dirijarea și antrenarea acestuia.

Organele flexibile de tracțiune sunt benzile (textile, din cauciuc sau din împletitură metalică), lanțurile și cablurile (unul sau mai multe cabluri). Benzile folosite la transportoare trebuie, să îndeplinească o serie de condiții: să fie suficient de rezistente și de elastice, să nu se lungească excesiv, să reziste la abraziunea exercitată de sarcini și la intemperii etc. Benzile textile confecționate din fibre naturale (bumbac, in, cânepă) sau artificiale (PCV, relon) corespund parțial condițiilor de mai sus.

Benzile metalice confecționate dintr-o împletitură de fire metalice se folosesc mai ales la transportul sarcinilor calde.

Benzile din cauciuc corespund cel mai bine condițiilor enunțate și au o utilizare largă. Ele sunt armate cu inserții formate din straturi de pânză (țesături de bumbac sau din fire sintetice), din fire textile (cord) și uneori metalice (pentru benzile de mare rezistență). Cauciucul protejează inserțiile împotriva agenților externi, mărind durabilitatea pânzei.

Figura 5.27. Configurații ale traseelor de transport

în cazul folosirii transportoarelor cu bandă

5.3.1. Transportoarele cu bandă

Acestea reprezintă tipul cel mai răspândit de transportor continuu, putând fi utilizat atât ca instalație staționară cât și ca transportor mobil. În funcție de particularitățile traseului de transport, transportoarele cu bandă folosesc soluții constructive foarte variate. În cazul când traseul de transport are o configurație complicată, traseul se subdivide pe porțiuni rectilinii, fiecare fiind deservită de câte un transportor care debitează în dispozitivul de alimentare al transportorului următor (figura 5.27.). Lungimea unui transportor cu bandă este limitată de rezistența benzii în ceea ce privește preluarea forței de tracțiune (benzile cu inserție de bumbac au lungimi până la 300m, în timp ce benzile metalice pot ajunge până la 500 m).

Vitezele de transport sunt variate în funcție de natura sarcinii fiind cuprinse între 0,4 — 4 m/s (vitezele mici sunt pentru sarcini individuale și cele mari pentru materiale în vrac cu granulație mijlocie, așa cum ar fi cerealele). Panta maximă admisibilă față de orizontală, depinde de : coeficientul de frecare al sarcinii cu banda, de unghiul taluzului natural al sarcinii, de modul de încărcare etc. În general, unghiul de pantă al traseului trebuie să fie mai mic ca unghiul taluzului natural al sarcinii.

Transportoarele cu bandă se pot grupa în diferite categorii ținându-se cont de : panta traseului (transportoare orizontale și înclinate), forma benzii (bandă plată, în formă de jgheab), viteza de lucru. Părțile principale care alcătuiesc un transportor cu bandă sunt reprezentate în figura 5.28.

Figura 5.28. Schema generală a unui transportor cu bandă

a – vedere generală, b – secțiune prin banda transportoare plană, c – secțiune prin banda în formă de jgheab. 1 – banda transportoare continuă, 2 – tambur, 3 – tambur antrenare,

4 – dispozitiv de întindere, 5 – greutăți, 6 – partea purtătoare a benzii, 7 – partea liberă a benzii, 8 – role de susținere, 9 – construcție metalică, 10 – role așezate înclinat, 11 – pâlnia de descărcare, 12 – pâlnia de alimentare, 13 – materialul.

Figura 5.29. Rolă de rezemare

Benzile, în timpul funcționării, reazemă pe tabliere sau pe role. Rezemarea pe tabliere se folosește la transportoarele cu bandă plată și se caracterizează printr-o frecare mare între tablier și bandă. Cazul cel mai frecvent îl constituie rezemarea pe role. Rolele de rezemare, fiind reperul cel mai numeros al transportoarelor cu bandă, se recomandă să aibă o construcție cât mai simplă (figura 5.29.). Cu toate acestea construcția rolelor trebuie să satisfacă o serie de cerințe ca de pildă : o rotire mai ușoară în lagărele proprii, deoarece rolele sunt antrenate de bandă (lagăre pe rulmenți), o etanșare mai bună a lagărelor deoarece rolele sunt expuse la pătrunderea particulelor abrazive provenite de la sarcină etc.

La transportoarele cu bandă plată rolele de rezemare sunt unice, iar la transportoarele cu bandă în formă de jgheab, rolele sunt triple (figura 5.30.). Distanța la care se montează rolele ramurii încărcate depinde de natura sarcinii și de lățimea benzii. La nivelul ramurii neîncărcate rolele se montează la intervale de 2,5… 4 m. În timpul lucrului, banda are tendința de a se dezaxa față de axa longitudinală a transportorului datorită nesimetriei încărcării și întinderii benzii.

Figura 5.30. Așezarea rolelor de rezemare (a) și dispozitivul de încărcare (b)

Dispozitivele de încărcare-descărcare asigură încărcarea și descărcarea sarcinii la nivelul transportorului. Dispozitivele de încărcare asigură sarcinii o direcție și o viteză cât mai apropiată de cea a benzii pentru a proteja banda și pentru a uniformiza alimentarea. Orice dispozitiv de încărcare (figura 5.30., b) este alcătuit dintr-un tablier pentru sprijinirea benzii 1, dintr-o pâlnie pentru dirijarea, materialului 2, și din borduri laterale care evită împrăștierea sarcinii 3.

Dispozitivele de descărcare se recomandă să fie astfel construite încât să asigure descărcarea sarcinii în orice punct al traseului de transport. La construcțiile actuale de transportoare se folosesc două variante de dispozitive de descărcare : plugul descărcător (figura 5.31.) și căruciorul de descărcare.

Figura 5.31. Plug descărcător

Plugul descărcător este alcătuit dintr-un răzuitor oblic sau dintr-un răzuitor triunghiular care asigură descărcarea unilaterală, respectiv bilaterală. Răzuitorul este rabatabil și poate fi deplasat în lungul traseului de transport. Se folosește numai în cazul materialelor neabrazive.

Căruciorul de descărcare este alcătuit dintr-un cadru cu role care se poate deplasa în lungul transportorului fiind prevăzut cu două tobe de abaterea benzii, amplasate în așa fel încât materialul de la nivelul tobei superioare să se reverse într-o pâlnie de dirijare. Cărucioarele de descărcare pot fi folosite la viteze mari ale benzii și debite oricât de mari.

Dispozitivele de întindere asigură menținerea unei tensiuni permanente în organul flexibil de tracțiune evitând formarea unor săgeți mari între reazeme și preluând alungirile remanente ale organului flexibil de tracțiune. Se folosesc două variante constructive de dispozitive de întindere : dispozitive de întindere cu șurub și dispozitive de întindere cu contragreutate. Cursa de lucru a dispozitivului de întindere se recomandă a fi : 250 … 400 mm pentru organul flexibil cu lanțuri și 500 … 800 mm la transportoarele cu benzi și cabluri.

Figura 5.31. Cărucior de descărcare

5.3.2. Transportoarele cu plăci

Acestea servesc la transportul sarcinilor individuale sau vărsate, construcția lor fiind asemănătoare transportoarelor cu bandă. Organul flexibil de tracțiune (figura 5.32.) este alcătuit din două lanțuri cu eclise, bucșe și role, pe care sunt fixate o serie de plăci distanțate între ele sau apropiate, în așa fel încât formează un tablier continuu.

Figura 5.32. Variante constructive de transportoare cu plăci

Uneori plăcile sunt prevăzute cu borduri laterale (pentru sarcini vărsate) care măresc capacitatea de transport a transportorului (figura 5.32., a și b). La înscrierea pe roțile de abatere, sau antrenare, plăcile au niște copertine care împiedică sarcina să cadă de pe suprafața plăcilor (figura 5.32., c). La plăcile cu copertine sensul de mișcare al transportorului trebuie să fie numai cel indicat de săgeată. Elementul flexibil de tracțiune este capabil să preia încărcări mult mai mari ca cel al transportoarelor cu bandă. Acționarea elementului flexibil se face prin angrenare folosindu-se roțile poligonale. Vitezele de lucru sunt mici (v = 0,05 … 0,7 m/s). Se pretează să fie folosite la transportul sarcinilor calde sau cu abrazivitate ridicată.

5.3.3. Transportoarele cu raclete

Acestea sunt alcătuite din unul sau două organe flexibile de tracțiune (lanțuri, cabluri) pe care sunt fixate, la intervale egale, niște organe de lucru (raclete) care asigură transportul sarcinii în lungul unui jgheab sau tub. Se folosesc pentru sarcini vărsate care nu se aglomerează și nici nu aderă pe suprafețele cu care vin în contact. Schema generală este reprezentată în figura 5.33.

Organele de lucru (racletele) se prezintă sub forme constructive foarte variate (figura 5.34.), în funcție de natura sarcinii, de secțiunea transversală a jgheabului, de configurația traseului etc. Fluxul de sarcină realizat de transportul cu raclete poate fi discontinuu sau continuu. Funcționarea obișnuită a transportoarelor cu raclete este în flux discontinuu când, în fața fiecărei raclete, se acumulează o cantitate oarecare de material. Funcționarea transportorului cu raclete, în flux continuu, se realizează atunci când stratul de material din jgheab depășește înălțimea racletelor (figura 5.35.) — raclete înecate.

Figura 5.33. Transportor cu raclete

a – vedere generală, b – secțiune prin jgheab și raclete.

1- jgheab fix, 2- raclete, 3- cablu (lanț) pentru fixarea racletelor, 4- tambur de antrenare,

5- role de ghidare, 6- rigidizarea racletelor, 7- pâlnie de alimentare, 8- pâlnie de descărcare, 9- cadru de susținere, 10- șurub de întindere, 11- tambur de întindere.

Figura 5.34. Forme constructive de raclete

a — transportor cu raclete batante; b — transportor cu noduri;

c – transportor cu raclete fixe.

Deplasarea stratului de material în lungul jgheabului, în acest ultim caz, are la bază faptul că rezistența la forfecare (de către raclete), a materialului, este mai mare decât frecarea acestuia de pereții jgheabului. Acest lucru este posibil numai dacă viteza racletelor este mică (0,2 … 0,3 m/s).

Una din variantele constructive de transportor cu raclete folosită la furajarea animalelor este transportorul cu noduri (figura 5.34., b) la care elementul flexibil este unic (cablu) având fixate echidistant niște discuri. Datorită elementului flexibil unic și jgheabului în formă de tub, traseul de transport poate avea și configurație complexă. Figura 5.36. reprezintă ansamblul întregului transportor cu noduri. Orificiile de golire a sarcinii pot fi prevăzute oriunde în lungul traseului de transport. Transportorul se pune în funcțiune comandat și alimentează succesiv consumatorii. Pe măsură ce un consumator (hrănitor sau dozator) este umplut, sarcina este purtată până la nivelul consumatorului următor. După umplerea tuturor consumatorilor sarcina ar urma să fie purtată în circuit închis (returul va aduce sarcina din nou spre buncărul de alimentare).

Figura 5.35. Transportor cu raclete cu funcționare în flux continuu

Figura 5.36. Transportorul cu noduri

1 — alimentator; 2 — buncăr; 3 — tubul prin care se deplasează sarcina; 4 — dispozitiv pentru scoaterea din funcțiune a transportorului; 5 — organ flexibil cu noduri;

6 — rolă de abatere; 7 — rolă de antrenare; 8 — dozatoare; 9 — mecanism de întindere.

Pentru a se evita acest lucru, transportorul este prevăzut cu dispozitiv gravitațional (cupă) care umplut, acționează prin greutatea sa asupra unui întrerupător care deconectează motorul electric. Dispozitivul este amplasat ultimul pe traseul de transport.

O altă variantă constructivă de transportor cu raclete este transportorul cu raclete batante (figura 5.37.) folosit la evacuarea dejecțiilor în adăposturile pentru taurine. Transportorul este alcătuit din două sectoare : transportorul orizontal 1 din interiorul adăpostului, care transportă dejecțiile aflate în canalele colectoare și transportorul înclinat 2, care preia dejecțiile aduse de racletele batante spre a le descărca într-o remorcă aflată în afara adăpostului. Organul flexibil execută o mișcare alternativă (de du-te vino), iar acțiunea batantă a racletelor asigură deplasarea sarcinii într-un singur sens.

Figura 5.37. Transportor cu raclete batante

5.3.4. Transportoarele suspendate

Realizează trasee complexe, cu curbe în plan sau verticale, asigurând deplasarea sarcinilor de la un nivel la altul sau în palier. Aceste transportoare deservesc fluxuri tehnologice asigurând deplasarea sarcinilor de la un post de lucru la altul, încărcarea-descărcarea putându-se realiza oriunde pe traseul de transport. Viteza transportorului este corelată cu ritmul operațiilor pe flux, în general u = 0,01 … 0,035 m/s. Lungimea traseului de transport este mare putând ajunge până la 2 km.

Transportoarele suspendate sunt alcătuite dintr-o cale de rulare suspendată la o înălțime oarecare de la sol, montată în circuit închis, pe care se deplasează o serie de cărucioare puse în mișcare de un organ flexibil de tracțiune care poate fi cablu sau lanț. Organul flexibil de tracțiune poate fi pus în mișcare de una sau mai multe stații de acționare, având organe de abatere la curbele în plan orizontal sau vertical (role de abatere, ghidaje cu alunecare, ghidaje cu baterii de role staționare). Cărucioarele pot fi active, adică purtătoare de sarcină, sau intermediare, servind doar la rezemarea organului flexibil de tracțiune. Cărucioarele active poartă juguri speciale, suporți sau traverse pe care se poate agăța sarcina. La curbele în plan vertical ale traseului de transport, când tensiunea din organul flexibil de tracțiune tinde să ridice cărucioarele de pe calea de rulare, se prevăd ghidaje speciale, care obligă căruciorul să rămână la nivelul căii. Dispozitivele de întindere sunt de cele mai multe ori cu contragreutate. Mecanismele de acționare sunt cu frecare, în cazul cablurilor, sau cu angrenare, în cazul lanțurilor.

Elevatoarele sunt transportoare cu organ flexibil de tracțiune care realizează transportul sarcinii pe direcția apropiată de verticală sau verticală. Elevatoarele folosesc ca organe de lucru cupe pentru sarcini vărsate și leagăne sau platforme pentru sarcini individuale. Elevatoarele cu cupe (figura 5.39.) au un organ flexibil de tracțiune 2, care pe rola de abatere aflată la partea inferioară și prevăzută cu dispozitiv de întindere. Organul flexibil este neghidat, numai la transportoarele înclinate sunt prevăzute ghidaje la nivelul ramurii superioare (ramura încărcată). La majoritatea elevatoarelor pentru sarcini vărsate (cereale) cele două ramuri ale elevatorului se deplasează printr-o tubulatură de tablă. Descărcarea sarcinii se realizează prin gurile 4 și 5. Elevatoarele cu cupe se construiesc pentru înălțimi de ridicare până la 50 m și pentru productivități de până la 300 t/h.

Figura 5.38. Schema unui elevator cu cupe

1 – carcasa, 2 – banda de transport, 3 – tambur de acțiune,

4 – tambur de întindere, 5 – dispozitiv de întindere,

6 – carcasa, 7 – gura de alimentare, 8 – gura de descărcare,

9 – cupe.

Actualele construcții de elevatoare cu cupe se pot grupa în două categorii, considerându-se viteza organelor de lucru : elevatoare rapide cu viteza v > 1 m/s și elevatoare lente cu viteza v < 1 m/s. Viteza de lucru influențează asupra modului cum se realizează descărcarea sarcinii. După cum forța centrifugă sau forța gravitațională imprimată sarcinii, la înscrierea pe rola de antrenare, este preponderentă, elevatoarele cu cupe vor fi : cu descărcare centrifugă (figura 40, a) sau cu descărcare gravitațională (figura 5.40., b și c). Descărcarea gravitațională poate fi liberă sau dirijată. Alegerea celei mai potrivite metode de descărcare este deosebit de importantă, deoarece numai o descărcare bună a cupelor, poate duce la o productivitate mărită cu un consum minim de energie.

Figura 5.39. Elevator cu cupe

Cupele elevatoarelor sunt confecționate din tablă având forme constructive dictate de proprietățile fizico-mecanice ale materialelor care urmează a fi transportate. Pentru materialele care curg ușor se recomandă cupe cu fund rotunjit, în execuția adâncă (figura 5.41., a) ; pentru materialele care curg greu și aderă pe pereții cupei se recomandă cupele cu fund rotunjit și adâncime redusă (figura 5.41., b). Cupele cu fund ascuțit și borduri pe fața anterioară sunt utilizate la elevatoarele cu descărcare gravitațională dirijată (figura 5.41., c).

Figura 5.40. Modele de descărcare la elevatoarele cu cupe

Figura 5.41. Tipuri de cuve folosite la elevatoare

Figura 5.42. Schema unui elevator cu leagăne

Elevatoarele cu leagăne (figura 5.42.) au ca organe de lucru niște platforme atârnate central între cele două organe flexibile de tracțiune (lanțuri) prevăzute cu role ghidate. Pot asigura transportul sarcinilor atât pe ramurile verticale cât și pe cele orizontale. Pe ramurile orizontale încărcarea este transmisă ghidajelor și prezența acestora este obligatorie, încărcarea și descărcarea se poate realiza oriunde în lungul traseelor verticale.

5.4. Transportoare fără organ flexibil de tracțiune

La această categorie de transportoare rezistența la înaintare a sarcinii nu este învinsă prin forța exercitată de un organ flexibil de tracțiune ci pe alte căi și anume: prin forța gravitației, la transportoarele gravitaționale; prin acțiunea mecanică de împingere realizată de un melc transportor, la transportoarele elicoidale; prin împingerea unui amestec de aer și sarcină cu ajutorul unei pompe, la transportoarele pneumatice.

5.4.1. Transportoare gravitaționale

Transportoarele gravitaționale asigură transportul sarcinilor vărsate sau în bucăți pe baza forțelor de gravitație. Transportoarele se prezintă sub formă de tuburi, jgheaburi, plane înclinate pe care sarcina alunecă sau se rostogolește. Pentru sarcini în bucăți se pot folosi suprafețe căptușite cu rulouri neacționate (transportoare cu rulouri).

Figura 5.43. Jgheabul în cascadă și jgheabul elicoidal

Construcțiile cele mai simple se prezintă sub formă de tuburi, jgheaburi sau plane înclinate pe care alunecă sau se rostogolesc sarcinile. În cazul în care spațiul afectat transportorului nu permite amplasarea lui desfășurată, se folosesc jgheaburi în cascadă orientate pe verticală a, și jgheaburi elicoidale b (figura 5.43.). Pentru sarcinile sub formă de pulberi (sarcini care curg greu) se pot folosi și jgheaburi pneumatice (figura 5.44.). Jgheabul este format din două compartimente : unul superior 5, prin care se deplasează sarcina și altul inferior 3, prin care se insuflă aer la o presiune de 0,3 … 0,4 m H2O. Un strat poros 4, separă cele două compartimente. Aerul care trece prin peretele poros fluidizează stratul de sarcină din compartimentul superior micșorând coeficientul de frecare al acestuia. Compartimentul superior are o serie de capace cu strat filtrant 6, care asigură evacuarea aerului insuflat. Transportorul are o pompă de aer 1 și un buncăr de alimentare pentru sarcină 2.

Figura 5.44. Jgheab pneumatic

Figura 5.45. Transportor cu rulouri

Transportoarele cu rulouri se folosesc la transportul sarcinilor individuale și se întâlnesc sub două forme constructive : cu rulouri acționate și cu rulouri neacționate. În fermele și complexele pentru creșterea animalelor își găsesc utilizare numai în forma cu rulouri neacționate (transportoare gravitaționale). Transportoarele gravitaționale cu rulouri prezintă un tablier cu rulouri staționare (figura 5.45.). Corpul 2 al rulourilor este în general cilindric, iar pentru sarcini de formă alungită se pot folosi rulouri dublu tronconice.

Pe traseele curbe rulourile au formă tronconică sau fiecare rulou este înlocuit cu câte două rulouri scurte care se pot roti independent, pentru a se evita alunecarea sarcinii pe suprafața ruloului.

5.4.2. Transportoare elicoidale

Transportoarele elicoidale (figura 5.46. și 5.47.) au utilizare largă fiind folosite nu numai la transportul materialelor ci și în alte scopuri (amestecătoare. extractoare, alimentatoare, dozatoare). Pot fi folosite ca instalații fixe sau deplasabile.

Figura 46. Schema unui transportor elicoidal

1 – jgheab, 2 – melc transportor, 3 – arbore, 4-5 – lagăre capăt, 6 – lagăr intermediar,

7 – angrenaj cu roți conice, 8 – motor electric, 9 – pâlnie de alimentare,

10 – pâlnie descărcare, 11 – reductor, 12 – volant, 13 – suport.

Figura 5.47. Transportor elicoidal

1 — motor de acțiune; 2 — cuplaj elastic; 3 — reductor; 4 — cuplaj de siguranță;

5 — jgheab; 6 — role transportor; 7 — gură de alimentare; 8 — gură de evacuare.

Din punctul de vedere al cinematicii materialului transportat se disting transportoare elicoidale lente, la care materialul se transportă după o direcție paralelă cu axa melcului și transportoare elicoidale rapide, la care materialul transportat descrie o traiectorie elicoidală. Înaintarea materialului în lungul jgheabului se realizează datorită acțiunii rotorului melc. Formele constructive ale melcului transportor sunt variate. În figura 5.48. sunt prezentate câteva forme uzuale (a, b sunt variantele de uz general, iar c și d sunt variantele folosite la materiale foarte abrazive și aderente când, concomitent cu transportul, se realizează și o amestecare-mărunțire).

Turația melcului este cuprinsă între 40 și 190 rot/min (cele mai ridicate turații fiind la transportoarele cu diametru mic, pentru sarcini vărsate). Jgheabul transportorului poate fi închis sau deschis. Umplerea jgheabului se realizează în proporție redusă (12 … 45%), mai ales la materialele grele și cu abrazivitate ridicată. Diametrul jgheabului variază între 150 . . . 600 mm. Lungimea tronsoanelor de melc transportor, sau jgheab, nu depășește 2 … 2,5 m. La elevatoarele melcate, care asigură transportul sarcinilor pe verticală, jgheabul este complet umplut cu material.

Alimentarea și evacuarea sarcinii se poate realiza oriunde pe traseul de transport. Se recomandă ca alimentarea să fie cât mai uniformă folosindu-se în acest scop alimentatoare speciale.

Figura 5.48. Variante constructive de rotoare

Transportoarele elicoidale prezintă construcții simple, ușor de exploatat, cu siguranță ridicată în exploatare, cu posibilități de etanșarea jgheabului, cu încărcare și descărcare în mai multe locuri, capabile să realizeze înălțimi de ridicare a sarcinii până la 15 m, lungimi de transport în palier până la 30 m și debite până la 50 t/h. Pe lângă aceste avantaje, transportoarele melcate prezintă și o serie de dezavantaje : productivitate relativ redusă, uzarea organelor de lucru, și consum ridicat de energie pe unitate de produs transportat.

5.4.3. Transportoare pneumatice

Transportoarele pneumatice se folosesc la transportul sarcinilor vărsate, cu granulație fină, amestecate cu o cantitate oarecare de aer care constituie agentul de transport. Acest amestec este împins printr-o conductă prin realizarea unei diferențe de presiune între capătul inițial și final al acesteia. Ajuns în punctul de descărcare amestecul este separat în componentele sale.

Subansamblurile principale ale unui transportor pneumatic sunt : alimentatorul, care formează amestecul între sarcină și aer ; tubulatura, care formează traseul de transport ; separatorul, aflat la punctul de descărcare cu rolul de separare a sarcinii de aer și o pompă de aer (ventilatorul) care produce diferența de presiune necesară transportului.

În funcție de modul cum se realizează diferența de presiune, instalațiile de transport pneumatic se împart în următoarele grupe : transportoare pneumatice cu refulare, transportoare pneumatice cu aspirație și transportoare pneumatice mixte (figura 5.49.).

Transportoarele pneumatice cu refulare (figura 5.49., a) cuprind pompa de aer 1, care realizează o presiune de 2 … 6 bar în recipientul de uniformizare 2. Aerul refulat pe conducta de transport este amestecat cu sarcina introdusă de alimentatorul 3. Amestecul de aer și sarcină este împins spre nivelul de descărcare unde se află separatorul 4 și curățitorul de aer (des-prăfuitorul) 5. Descărcarea sarcinii se poate face divergent (în mai multe puncte de recepție). Prin folosirea unei presiuni de lucru ridicate se pot realiza trasee de transport lungi.

La transportoarele pneumatice cu aspirație (figura 5.49., b) materialul este absorbit printr-o gură specială de absorbție 6, direct din vrac. Amestecul trece prin separatorul 4, desprăfuitorul 5, urmând cu aerul curățit să fie aspirat de ventilatorul 1. Transportorul poate fi folosit cu alimentare convergentă (alimentare din mai multe puncte). În conducta de transport existând subpresiune, care poate fi menținută cu greu datorită neetanșărilor, traseele de transport sunt scurte.

Figura 5.49. Tipuri de transportoare pneumatice

Transportoarele pneumatice mixte (figura 5.49., c) sunt alcătuite în prima parte dintr-o instalație cu absorbție, iar în partea a doua dintr-o instalație de refulare. Aceste transportoare pot realiza cele mai lungi și mai complicate trasee de transport (până la 2000 m lungime), atingând debite mari (până la 300 t/h). Transportoarele pneumatice prezintă dezavantajul unui consum specific de energie ridicat și a unei uzuri pronunțate a conductelor.

Figura 5.50. Gură de aspirație

Dispozitivele pentru efectuarea amestecului utilizate în construcția transportoarelor pneumatice pot fi : guri de aspirație (pentru transportoarele cu aspirație), alimentatoare celulare, alimentatoare elicoidale sau alimentatoare cu camere duble pentru celelalte categorii de transportoare etc. :

— gurile de aspirație (figura 5.50.) sunt alcătuite dintr-un tub central și un manșon exterior culisant. Deplasarea manșonului culisant duce la mărirea sau micșorarea secțiunii prin care pătrunde aerul. Aerul trecând prin masa de material antrenează particulele de material spre tubul central;

— alimentatoarele celulare (ecluze — figura 5.51.) sunt alcătuite dintr-un rotor celular care se rotește într-o carcasă cilindrică (20 … 60 rot/min). Celulele preiau materialul și-1 transmit în conducta de transport în care se află aer sub presiune ;

Figura 5.51. Alimentator celular (ecluză)

— alimentatoarele elicoidale (figura 5.52.) sunt alcătuite dintr-un transportor elicoidal scurt 1 și o cameră de amestec 2. Rotorul elicoidal are pas variabil (descrescător spre camera de amestec), ceea ce conduce la o comprimare oarecare a materialului asigurându-se astfel etanșarea camerei de mestec. Pentru cazul când alimentatorul nu funcționează, camera de amestec este etanșată prin clapeta 3. Camera de amestec are o serie de ajutaje prin care se insuflă aer prin presiune, aerul barbotează materialul trimițându-l spre conducta de transport;

— alimentatoarele cu camere duble sunt alcătuite din două camere de amestec care au și rol de ecluze. Aceste camere funcționează alternant : în timp ce una din ele se umple cu material (sarcină), în cealaltă se introduc jeturi de aer sub presiune care barbotează și antrenează sarcina spre traseul de transport. Alimentatorul cu camere duble se caracterizează printr-un consum mai redus de energie în comparație cu celelalte alimentatoare ;

— separatoarele și curățitoarele de aer permit separarea sarcinii de agentul de transport, folosind diferite modalități de separare : micșorarea bruscă a vitezei amestecului, centrifugarea amestecului sau trecerea lui prin straturi filtrante.

Figura 5.52. Alimentator elicoidal.

5.4.4. Transportoare oscilante

Sunt compuse dintr-un jgheab 7 (figura 5.53.), susținut de lamelele elastice 2 înclinate în sens contrar mișcării materialului din jgheab. Mișcarea rectilinie alternativă este imprimată jgheabului de mecanismul bielă manivelă 3 (sau excentric). Alimentarea materialului se face prin pâlnia de alimentare 4 evacuarea făcându-se prin gura de descărcare 5.

La mișcarea jgheabului înainte, materialul din jgheab se deplasează o dată cu acesta având o viteză mai mică, în timp ce, la cursa de întoarcere, jgheabul deplasându-se cu viteză mare, materialul nu mai poate fi antrenat și continuă să se deplaseze înainte sub acțiunea inerției. Prezintă avantajul unei construcții simple și ieftine, materialul transportat având granulație neuniformă, distanțele de transport fiind de până la 100 m. Capacitatea de transport fiind de asemenea de maximum 250 t/h, consumul de energie este mare, produce vibrații și zgomot în timpul transportului.

Dacă se mărește numărul de oscilații ale jgheabului, între 1500 – 3000 mișcări/min, iar mărimea cursei se micșorează, deplasarea materialului se realizează în salturi mici (figura 54), iar transportorul se numește vibrator.

Figura 5.53. Transportor oscilant

1 – jgheab, 2 – lame elastice de oțel, 3 – mecanisme bielă-manivelă,

4 – pâlnie de alimentare, 5 – gură de descărcare.

Figura 5.54. Schema mișcării materialului pe transportorul oscilant

1 – material, 2 – jgheab.

5.4.5. Instalații auxiliare ale transportatoarelor

Instalațiile auxiliare ale transportoarelor deservesc alimentarea, descărcarea și stocarea temporară a materialelor care se transportă în cele ce urmează se vor prezenta: buncăre, închizătoare și alimentatoare.

Buncărele sunt recipiente în care se pot stoca sarcinile vărsate. Forma constructivă a acestor recipiente permite clasificarea lor în două categorii (figura 5.55) : buncăre propriu-zise la care înălțimea ac<ce tgβ și silozuri la care înălțimea ac>ce tgβ. Unghiul β este considerat unghiul de surpare a materialului β = 45°+ ρ0/2 în care ρ0 este unghiul de frecare interior al materialului.

Figura 5.55. Forme constructive de buncăre

Formele constructive de buncăre sunt foarte variate, principalele forme constructive fiind prezentate în figura 5.56.

Figura 5.56. Buncăre și silozuri

Figura 5.57. Scurgerea materialelor din buncăre

Figura 5.58. Modalități de activare a scurgerii materialelor din buncăre

a — scurgere gravitațională;

b, c și d — scurgere cu activanți mecanici;

e și f — scurgere cu activanți vibratori.

Închizătoarele servesc la închiderea și deschiderea gurilor de evacuare a materialului din buncăr. În cazul când gurile de scurgere au dimensiunile mai mari de 600 • 600 mm, închizătoarele nu mai pot fi manevrate manual. Închizătoarele se pot clasifica după forma organului de închidere : închizătoare cu clapetă și cu contragreutate (figura 5.59.), închizătoare cu sertar plan ghidat în glisiere (figura 5.60.), închizătoare cu sertar simplu (se folosesc și cu sector dublu) care datorită formei lor, cer o forță mai mică de manevrare (figura 5.61.), închizătoare cu lanțuri (figura 5.62., a) și închizătoare cu tăblier flexibil care se pot folosi la materialele cu granulație mare (figura 5.62., b). închizătorul cu tablier flexibil elimină frecarea dintre material și organul de închidere (tăblierul flexibil fiind ancorat de buncăr la deplasarea căruciorului se va rostogoli pe material).

Figura 5.59. Închizător cu clapetă și contragreutate

Figura 60. Închizător cu registru plan

Figura 5.61. Închizător cu sertar

Alimentatoarele asigură evacuarea materialelor din buncăre în vederea alimentării transportoarelor, la debite prescrise. Aceste alimentatoare pot îndeplini și funcția de dozatoare volumice. Cele mai răspândite alimentatoare sunt : alimentatoarele cu element flexibil de tracțiune (alimentatoare cu bandă, alimentatoare cu plăci — figura 5.63.) și alimentatoarele cu organe de lucru rotative — figura 5.64.

Alimentatorul cu bandă (figura 5.63.) se compune dintr-o bandă textilă cauciucată fără sfârșit 1, tamburul de acționare 2, tamburul de întindere 3 și rolele de susținere 4. Poate fi reglat cu ajutorul unui sertar care modifică înălțimea stratului de material de pe transportor. Productivitatea dozatoarelor cu bandă poate ajunge până la 3000 m3/h.

Figura 5.62. Închizător pentru materiale cu granulație mare.

Alimentatorul cu disc (figura 5.64., d) se folosește în principal pentru materiale cu granulație fină. Alimentatorul oscilant cu cărucior (figura 5.65., a) se folosește pentru materiale cu granulație mijlocie, având productivitatea de 10 … 300 m3/h.

Alimentatorul compartimentat (figura 5.65., b) este compus din discul rotativ 1, montat în tamburul cilindric 2 la care sunt atașate jgheaburile de alimentare 3 și evacuare 4. Prin rotirea discului compartimentat 1 celulele acestuia sunt umplute și descărcate apoi prin jgheabul 4. Discul 1 se fixează pe axul 5, sprijinit pe lagăre și acționat prin angrenajul cilindric de la motorul electric. Turația discului compartimentului 1 se reglează în funcție de debitul de alimentare. Discul se toarnă din fontă sau oțel, fiind căptușit după caz, cu materiale de protecție. Tamburul cilindric 2, turnat din fontă, este prevăzut cu capace laterale, fixate cu șuruburi.

Figura 5.63. Alimentator cu organ flexibil de tracțiune

a – cu bandă orizontală, b – cu bandă înclinată.

Figura 5.64. Alimentatoare cu organe de lucru rotative

a — cu melc; b, c — cu tobă; d — cu disc.

Figura 5.65. Alimentatoare

a – oscilant cu cărucior : 1 – jgheab oscilant orizontal, 2 – role, 3 – arbore excentric,

4 – buncăr, 5 – sertar mobil.

b – compartimentat : 1 – disc compartimentat, 2 – tambur cilindric, 3 – pâlnia de alimentare, 4 – gura de descărcare, 5 – arbore.

6. AUTOMATIZĂRI FOLOSITE ÎN ALIMENTAȚIA PUBLICĂ ȘI AGROTURISM

6.1. Istoric, categorii și scopuri

Termenii automat și automatizare fac parte din categoria celor mai utilizați atât în limbajul ingineresc cât și, păstrând proporțiile, în limbajul curent.

În limba română cuvântul automat se folosește cu valoare de substantiv și cu valoare de adjectiv.

Adjectival, cuvântul automat desemnează calitatea unui sistem fizico-tehnic de a efectua, pe baza unei comenzi, o operație sau un complex de operații fără participarea directă a operatorului uman.

Substantival, un automat este un dispozitiv, un aparat sau o instalație – în general un sistem care operează sau funcționează în mod automat, adică are calitatea desemnată prin adjectivul automat.

În acest context automatizarea reprezintă acțiunea de concepere, de realizare de automate și de echipare a sistemelor fizico-tehnice cu automate pentru efectuarea în mod automat a unor operații, mișcări, acțiuni etc. Cele mai importante categorii de automatizări sunt următoarele: de comandă, de măsurare, de reglare, de protecție, și de semnalizare (toate realizabile, după caz, ca automatizări locale sau ca tele-automatizări).

În cadrul societății industriale și al celei postindustriale scopurile generale ale automatizării sunt următoarele: creșterea productivității, scăderea consumurilor specifice (de materii prime, de materiale, de combustibil și de energie), asigurarea preciziei execuției, creșterea siguranței în funcționare, protejarea instalațiilor, scoaterea operatorului uman din medii nocive și, nu în ultimul rând, eliberarea acestuia de participarea nemijlocită la producția de bunuri și de servicii.

Sub aspect socio-economic automatizarea conferă omului o poziție calitativ nouă în raport cu producția de bunuri și de servicii. Omul, eliberându-se de munca fizică nemijlocită și de participarea directă la procesul de producție, conduce, comanda și supraveghează instalațiile (automatizate) create de el însuși.

Prin mecanizare, munca manuală a omului se înlocuiește cu mecanisme, aparate și mașini acționate de convertori de energie adecvați. Operatorul uman ia parte la procesul de producție în calitate de manipulator al mijloacelor de mecanizare, ca un component necesar al desfășurării normale a procesului de producție. Operatorul uman se eliberează de efortul fizic direct. Procesele de producție devin mai rapide, mai eficiente (crește raportul calitate / preț), mai complicate și mai cuprinzătoare. Operatorul uman urmărește numeroase mărimi fizice și pe baza lor influențează prin dispozitive și aparate adecvate, fluxurile de substanță, de energie și de informație. Activitatea sa constă în prelucrarea cerebrală a informațiilor despre proces (pe baza cunoștințelor și a experienței privind evoluția procesului) și din comenzi de dirijare a procesului în conformitate cu prescripțiile privind evoluția corectă (normală) a procesului. Între proces și operatorul uman se stabilesc astfel anumite relații care pot fi exprimate grafic ca în figura 6.1. Participarea operatorului uman este necesară deoarece perturbațiile care acționează asupra procesului tind să-l abată de la desfășurarea sa conform prescripțiilor. Rolul operatorului este acela de a sesiza aceste abateri și de a acționa, prin comenzi, în sensul reducerii efectului perturbațiilor, respectiv al reducerii abaterii dintre evoluția prescrisă și cea curentă a procesului. În acest sens operatorul uman constituie calea de reacție (preponderent informațională și de nivel energetic redus), în timp ce procesul constituie calea directă (preponderent procesoare de substanță și de energie, și în subsidiar de informație), așa cum se menționează pentru sistemul proces-operator uman reprezentat în figura 6.1.

Figura 6.1. Structura și relațiile în cadrul unei

mecanizări sau al unei automatizări

Pentru exemplificarea unei mecanizări și totodată pentru concretizarea structurii din figura 6.1., se consideră instalația tehnologică cu schema de principiu din figura 6.2. Aceasta trebuie să furnizeze unor consumatori tehnologici un debit Q2 (variabil prin robinetul R, dar conform unor necesități imprevizibile) de lichid tehnologic LT, la presiune și temperatură prescrisă (de exemplu constante). O soluție simplă constă în menținerea unui nivel constant al lichidului din RT prin debitul Q1 (prin care să se compenseze consumul Q2) și a temperaturii constante a lichidului din RT prin debitul Qt al agentului termic care străbate schimbătorul de căldura SC (prin care să se compenseze variația de temperatură produsă de adaosul de lichid rece, prin Q1). Rolul operatorului uman Op este acela de a urmări indicațiile nivelmetrului N și termometrului T și în funcție de abaterile valorilor curente ale nivelului și temperaturii față de valorile lor prescrise (conform prescripțiilor tehnologice ale consumatorilor) să pornească sau să oprească adecvat motorul M (de acționare a pompei P) prin comutatorul C și să deschidă sau să închidă adecvat robinetul Rt.

În cadrul acestei mecanizări funcțiile operatorului uman sunt următoarele:

prelevarea informației despre proces (activitate senzorială),

prelucrarea informației și elaborarea deciziei de comandă (activitate intelectuală),

acționarea organelor de reglare (activitate motorie).

Figura 6.2. Instalație tehnologică mecanizată Figura 6.3. Instalație tehnologică

Q1 – debitul de LT rece (proaspăt), automatizată (faza de mecanizare

Q2 – debitul de LT cald (consumat), figura 6.2.); EVt – electroventil

Qt – debitul de agent termic (detalii în figura 6.4.)

Aceste funcții sunt exercitate în sensul reducerii abaterii dintre valoarea prescrisă (constantă) și valoarea curentă (a nivelului și respectiv a temperaturii), abatere provocata în primul rând de acțiunea perturbației. Concret, debitul Q2 perturbă nivelul și debitul Q1 perturbă temperatura lichidului din RT.

În procesele tehnologice automatizate operatorul uman este înlocuit cu un dispozitiv de automatizare care realizează, mutatis mutandis, aceleași funcții ca și operatorul uman, conform unei structuri ca aceea din figura 6.1.

O soluție simplă de automatizare a sistemului din figura 6.2. este ilustrată (principial) în figura 6.3., în care nivelmetrul N acționează direct (și adecvat) contactorul C și termometrul T (cu mercur, având o pereche de contacte – unul în masa metalică și altul în zona liberă a capilarului) acționează direct electroventilul EVt. În acest fel motorul M (implicit pompa P) este pornit sau oprit în mod automat în funcție de scăderea sau creșterea valorii curente a nivelului față de valoarea prescrisă și respectiv electroventilul EVt (a cărui construcție principială este prezentată în figura 6.4.) se deschide sau se închide în funcție de scăderea sau creșterea valorii curente a temperaturii față de valoarea sa prescrisă.

Modificarea valorilor prescrise (dacă este necesară) este posibilă prin schimbarea lungimii tijei nivelmetrului N – în cazul reglării automate a nivelului, și respectiv deplasarea contactului superior al termometrului T – în cazul reglării automate a temperaturii.

Pentru realizarea funcțiilor sale dispozitivul de automatizare, în general, este constituit din:

traductor, cu ajutorul căruia se măsoară valoarea curentă (a nivelului sau a temperaturii);

regulator, care elaborează comanda, pe baza unui algoritm, astfel încât evoluția sistemului sa aibă loc în sensul anulării abaterii dintre valorile prescrisă (existentă în regulator) și cea curentă (măsurată de traductor);

element de execuție, care reproduce comanda elaborată de regulator la un nivel energetic adecvat și care acționează prin organul de reglare (existent în proces) asupra fluxurilor de energie și / sau de substanță implicate în procesul automatizat.

Figura 6.4. Schema unui electroventil

O comparație a celor două soluții (figura 6.2. și figura 6.3.) din punctul de vedere al aparaturii utilizate conduce la următoarele constatări:

în cazul mecanizării aparatele trebuie să facă posibilă includerea operatorului uman ca în figura 6.1. Astfel, aparatele de măsură oferă indicații vizuale și organele de reglare permit (prin intermediul unor dispozitive de mecanizare) comanda manuală, acestea fiind interfețele normale cu operatorul uman;

în cazul automatizării, aparatele de măsură cu indicare vizuală și organele de reglare comandabile manual (prin dispozitive de mecanizare) nu sunt utilizabile ca atare; ele trebuie modificate (în sensul realizării lanțului traductor – regulator – element de execuție) astfel încât transferul, prelucrarea informațiilor și acționarea organelor de reglare sa aibă loc fără participarea operatorului uman.

Din aceste constatări se trage concluzia că ingineria automatizării constă în crearea unor dispozitive și aparate specializate (traductoare, regulatoare și elemente de execuție) și asamblarea lor pentru realizarea automatizării celor mai diverse procese tehnologice. În acest scop s-a dezvoltat tehnica automatizării (și implicit o industrie a echipamentelor de automatizare) ale cărei componente principiale sunt:

tehnica măsurării: se ocupă cu prelevarea, compararea, convertirea, amplificarea, indicarea și înregistrarea mărimilor fizice;

tehnica reglării: se ocupă cu elaborarea comenzilor, conform anumitor algoritmi, care să asigure modificarea fluxurilor de substanță, energie și informație;

tehnica telematicii: se ocupă cu transmiterea la distanță a informațiilor între om și mașină sau între mașini;

tehnica de calcul: se ocupă cu codificarea, prelucrarea, stocarea, decodificarea și distribuția informațiilor (inclusiv în timp real).

În cazul exemplelor (figura 6.2. și 6.3.) temperatura lichidului din RT variază (este perturbată) deoarece există un consum de lichid (debitul Q2) și un adaos de lichid proaspăt (debitul Q1). Prin variația adecvată a debitului Qt al agentului termic, efectul perturbației, respectiv abaterea dintre valoarea prescrisă a temperaturii și valoarea curentă a ei poate fi redusă până la anulare. Conform celor doua exemple, realizarea practică a reducerii abaterii este posibilă pe două căi:

1. un operator uman prelucrează informațiile prelevate din proces și acționează prin organul de reglare Rt (figura 6.2.) asupra desfășurării procesului și anume în sensul anulării abaterii dintre valoarea prescrisă a temperaturii și valoarea ei curentă.

2. un aparat, respectiv dispozitiv de automatizare, realizează prelevarea și prelucrarea informațiilor despre proces și acțiunea asupra desfășurării procesului în sensul anulării abaterii dintre valoarea prescrisă a temperaturii și valoarea ei curentă.

În ambele cazuri, indiferent de modul de realizare, evoluția întregului proces are loc în sensul anulării abaterii dintre valoarea prescrisă și valoarea curentă a temperaturii, prin aceasta asigurându-se compensarea efectului acțiunilor externe (în primul rând al perturbației, dar și al mărimii prescrise a cărei valoare se poate modifica).

Funcțional cele doua soluții sunt izomorfe în sensul că suportul abstract al ambelor soluții este unic, conform structurii din figura 6.1. În cel de al doilea caz este vorba de un sistem automat deoarece evoluția procesului are loc fără participarea operatorului uman. Acest lucru este posibil prin existenta căii de reacție, constituită concret de elemente ale dispozitivelor de automatizare (în cazul mecanizării calea de reacție este constituită de operatorul uman). Reacția este negativă deoarece ea determină evoluția procesului în sensul anulării abaterii respectiv diferenței dintre valoarea prescrisă și valoarea curentă (a temperaturii sau a nivelului).

Un concept fundamental în automatică, care se referă la o formă specială de comunicație în cadrul sistemelor automate, este cel de reacție (în limba engleză feedback = retroacțiune). Ea poate fi negativă (ca în cazul sistemelor automate) sau pozitivă (ca în cazul sistemelor generatoare de oscilații).

Ca fenomen natural, reacția este prezentă la toate nivelele și formele de organizare a materiei, organismelor biologice și societăților. În acest cadru multi- inter- și meta-disciplinar (reacția negativă sau pozitivă) este obiectul de studiu al ciberneticii.

Figura 6.5. Schema

,,reflexului pupilar fotomotor”
1 – globul ocular, 2 – mușchiul pupilar,

3 – pupila, 4 – retina, 5 – encefalul,

6 – centrul optic.

Un exemplu al prezenței reacției negative în cadrul unui sistem biologic este ,,reflexul pupilar fotomotor” – figura 6.5. După cum este cunoscut, mușchiul pupilar este de formă inelară în centrul căruia se află pupila – orificiul circular de diametru variabil prin care lumina pătrunde în globul ocular. Rolul pupilei este acela de a regla, prin variația diametrului ei, cantitatea de lumină care pătrunde în globul ocular. Acest reglaj are loc în mod reflex (automat) și anume la variația iluminării retinei. Prin intermediul nervului optic (calea de reacție) și a centrului optic, se transmite mușchiului pupilar o comandă de deschidere sau de închidere (după cum iluminarea retinei a scăzut sau a crescut). În acest fel sistemul evoluează în sensul anulării abaterii dintre valoarea prescrisă și valoarea curentă a iluminării retinei, comportarea lui fiind, sub acest aspect, similară cu aceea a oricărui sistem automat. De altfel, după cum este cunoscut, aparatele de fotografiat din ultima generație sunt echipate cu sisteme de reglare automată a iluminării peliculei fotosensibile a căror structură este similară, mutatis mutandis, cu aceea a ,,reflexului pupilar fotomotor” prezentat principial în figura 6.5.

Figura 6.6. Ceasul cu apă a lui [NUME_REDACTAT] tehnică reacția negativă a început sa fie utilizată, fără o conceptualizare pertinentă, o dată cu realizarea primelor sisteme automate. Trebuie remarcat faptul că noțiunea de reacție a apărut relativ târziu în electronică (o dată cu inventarea triodei și a amplificatorului electronic cu reacție) și universalitatea ei a fost descoperită către sfârșitul anilor 1930.

Primele automatizări au fost identificate (evident, în cadrul unei evaluări retrospective) în reglarea automată a nivelului apei cu ajutorul flotorului (plutitorului) în ceasurile cu apă (ceasul lui Ktesibios, [NUME_REDACTAT], sec. IV-III i. H.), figura 6.6. În acest caz menținerea automată, de către flotor, a nivelului apei în recipientul mijlociu la o valoare constantă asigura un debit constant al apei care se scurge în recipientul inferior. Ca urmare, nivelul apei în acest recipient crește uniform în timp, fapt care a putut fi utilizat pentru măsurarea timpului.

În secolul I, Heron din Alexandria a scris o carte intitulată ,,Pneumatica” în care a descris numeroase mecanisme bazate pe reglarea automată a nivelului apei.

[NUME_REDACTAT] prima automatizare a fost realizată de olandezul [NUME_REDACTAT] (1572-1633), care a inventat un regulator de temperatură pentru incubatoare – figura 6.7. Acesta este constituit dintr-un termometru cu mercur (la presiune atmosferică) în care plutește un flotor. Prin intermediul unui mecanism cu pârghiei, flotorul acționează obturatorul de gaze arse al focarului incubatorului. Este ușor de constatat că la creșterea / scăderea temperaturii obturatorul deschide / închide automat orificiul de evacuare a gazelor arse, asigurând în acest fel menținerea unei temperaturi (aproximativ) constante în incinta incubatorului.

Figura 6.7. Incubatorul lui [NUME_REDACTAT] automatizare care a avut o largă utilizare industrială și un impact în sensul cristalizării conceptelor a fost realizată de [NUME_REDACTAT] în 1769. Este vorba despre celebrul regulator centrifugal utilizat pentru reglarea automată a turației mașinii cu vapori (inventata de același [NUME_REDACTAT]), figura 6.8. Este ușor de observat că scăderea / creșterea valorii curente a turației mașinii cu vapori are ca urmare deplasarea în jos / sus a culisei 4, respectiv în sus / jos a clapetei 5, consecința este o creștere / scădere a debitului de abur viu, fapt care imprimă procesului o evoluție în sensul anulării abaterii dintre valoarea prescrisă și valoarea curentă a turației.

Figura 6.8. Sistem de reglare automată a turației mașinii cu vapori

1 – mase centrifugale, 2 – resort antagonist,
3 – mecanism patrulater, 4 – culisa,

5 – clapeta (organ de reglare);

a – mișcare de rotație,

b – mișcare datorită forței centrifuge,

c – mișcare de translație.

Valoarea prescrisă a turației se poate modifica prin valoarea tensiunii inițiale a resortului 2. În ceea ce privește variația valorii curente a turației, aceasta se datorează perturbațiilor. Este vorba în primul rând de cuplul rezistent al mecanismului acționat de mașina cu vapori, a cărui creștere / scădere determină scăderea / creșterea turației, și de parametrii aburului viu (presiunea și temperatura).

Un studiu mai amplu al perioadei care a urmat automatizării mașinii cu vapori conduce la concluzia că până în anul 1869 dispozitivele de automatizare au fost concepute și realizate pe baze empiric-intuitive. Au apărut totodată numeroase probleme de funcționare, imprevizibile în faza de proiectare. Este vorba de fenomene oscilatorii slab amortizate și chiar de instabilitate (oscilații neamortizate).

În acest cadru a apărut necesitatea unei teorii a sistemelor automate. În 1869 J. C. Maxwell a publicat primul studiu matematic privind stabilitatea unor sisteme automate. Puțin mai târziu un studiu matematic mai amplu a fost întreprins de I. A. Vyshnegradskii.

Înainte de cel de al II-lea război mondial teoria și practica sistemelor automate s-au dezvoltat în mod diferit în Occident și în fosta URSS. În SUA un impuls în acest sens s-a datorat dezvoltării spectaculoase a telecomunicațiilor bazate pe amplificatoarele electronice cu reacție. Concret, este vorba de grupul format de Bode, Nyquist și Black de la [NUME_REDACTAT] Laboratories care au fundamentat și utilizat metoda frecvențială bazata pe transformarea Fourier. În același timp, în fosta URSS s-au implicat în studiul sistemelor automate mari matematicieni și mecanicieni care au dezvoltat metoda domeniului timpului bazată pe teoria ecuațiilor diferențiale.

O dezvoltare remarcabila a teoriei și (mai ales) practicii sistemelor automate s-a produs pe parcursul celui de al II-lea război mondial. A fost necesar, în ambele tabere beligerante, să se proiecteze și să se construiască piloți automați pentru avioane, sisteme de poziționare automată (pe țintă) a tunurilor, sisteme de urmărire automată cu echipamente radar ca și alte sisteme automate de uz militar sau civil. Înainte de 1940 proiectarea sistemelor automate a fost mai degrabă o artă bazată pe "încercare – eroare". În anii 1940 au fost formulate metode riguroase astfel că ingineria sistemelor automate a devenit o disciplină științifică de sine stătătoare. Metoda frecvențială, bazată acum și pe transformarea Laplace, împreună cu metoda locului rădăcinilor au dominat în perioada anilor 1950. Totodată a fost revigorată metoda domeniului timpului (începând cu anii '60), ceea ce a permis o abordare nouă a problemelor stabilității și optimalității sistemelor automate.

Sub aspect tehnologic, astăzi și în viitor, tehnica de calcul pătrunde rapid în conducerea și reglarea automată a proceselor complexe din principalele ramuri industriale ca și din domenii neindustriale. Trebuie remarcat faptul că însăși complexitatea acestor procese reclamă o abordare nouă, posibilă tehnologic numai utilizând pe scară largă tehnica de calcul. Un exemplu elocvent în acest sens este conducerea unui bloc ,,cazan de abur – turbina – generator sincron” cu ajutorul calculatorului – figura 6.9. Calculatorul de proces, pe baza informațiilor prelevate din proces și pe baza ,,cunoașterii" de către calculator a fenomenelor (exprimate sub forma unor relații matematice) care au loc în blocul ,,cazan de abur – turbina – generator sincron”, elaborează comenzi de conducere și reglare automată. Principalele mărimi fizice care trebuie menținute constante (asigurându-se în acest fel calitatea energiei electrice furnizate) sunt frecvența (turația turbinei) și tensiunea (eficace) la bornele generatorului sincron. Principalele perturbații sunt puterile activă și reactivă solicitate de consumatori, dar la acestea se mai adaugă: căldura specifica a combustibilului, temperatura apei de alimentare, temperatura aerului de ardere și presiunea atmosferica. Mărimile (principale) de comanda ale blocului ,,cazan de abur – turbina – generator sincron”, prin care calculatorul de proces menține constante frecvența (turația turbinei) și tensiunea (eficace) la bornele generatorului sincron sunt: debitul de combustibil, debitul de aer de ardere și debitul de apă de alimentare.

Un sistem este o unitate relativ delimitată față de mediu, delimitarea fiind evidențiată de structura sa internă.

Noțiunea de sistem este relativă. Una și aceeași realitate poate conține mai multe sisteme. În cazul exemplelor prezentate în figura 6.2. și 6.3. se disting două sisteme: unul de reglare (automată) a nivelului (în care temperatura lichidului are o influență neglijabilă) și unul de reglare (automată) a temperaturii, care îl include pe primul (variația nivelului influențează temperatura lichidului din recipient).

S-a văzut că între subsisteme (elemente, părți ale unui sistem) sau între sisteme există anumite legături, respectiv se transmit informații. Sensul științific al noțiunii de informație a fost obținut prin abstractizarea semnificațiilor sale uzuale.

Figura 6.9. Structura de conducere a blocului

,,cazan de abur – turbina – generator sincron”

traductoare : DPF – depresiunea în focar, OGA – oxigen în gaze arse, TAV – temperatura aburului viu, PAV – presiunea aburului viu, TT – turația turbinei,

TG – tensiunea la bornele generatorului;

elemente de execuție : DA – debitul apei de alimentare, DC – debitul de combustibil,

DAA – debitul de aer de ardere, DAV – debitul de abur viu

În limbajul curent ,,a se informa” înseamnă a lua cunoștință de anumite evenimente sau date. Pentru a găsi un formalism în acest domeniu, a fost necesar un efort de abstractizare, având în vedere marea varietate de informații care se pot vehicula. Ceea ce este comun tuturor informațiilor particulare este faptul că ele nu sunt cunoscute aprioric, respectiv realizarea unei informații (adică ea devine efectiv cunoscută) duce la înlăturarea unei incertitudini. Se are în vedere numai existenta acestei incertitudini și valoarea ei, aspectele concrete ale informației fiind nesemnificative.

Transmiterea (transferul, prelucrarea) unei informații are întotdeauna un suport material. O mărime fizico-tehnică prin care se transmite o informație se numește semnal. Caracteristica fizică a unui semnal care se modifică dependent de informație se numește parametru informațional.

Concomitent semnalele sunt funcții de timp. Acesta este al doilea parametru al semnalelor. Din punct de vedere matematic timpul este variabila independentă care evoluează continuu în sens unic: de la trecut, prin prezent, spre viitor (un moment situat în trecut nu mai poate fi atins niciodată).

Semnalele (și implicit sistemele, de care semnalele sunt inseparabile) se pot clasifica în conformitate cu foarte multe criterii. Câteva din posibilele clasificări se prezintă în continuare:

1. După natura fizică a semnalului:

semnale mecanice (deplasare, forța etc.);

semnale electrice (tensiune, curent etc.);

semnale optice (intensitate, culoare etc.).

2. După mulțimea de valori ale parametrului informațional:

semnale discrete: parametrul informațional este definit pe o mulțime finită sau numărabilă (izomorfa cu mulțimea numerelor naturale); semnalele discrete pot fi digitale, adică valoarea parametrului informațional este multiplu al unei cuante; dacă parametrul informațional ia numai două valori, semnalul se numește binar;

semnale analogice: parametrul informațional este definit pe un interval al mulțimii numerelor reale.

3. După mulțimea de valori ale parametrului timp:

semnale netede: pentru fiecare valoare a timpului se definește o valoare a parametrului informațional;

semnale eșantionate (discrete în timp): parametrul informațional este definit numai pentru anumite valori ale timpului; daca valorile timpului sunt echidistante, semnalul se numește eșantionat uniform.

4. După previzibilitatea evoluției în viitor:

semnale deterministe: evoluția în viitor este complet cunoscută;

semnale stohastice (aleatoare): evoluția în viitor este previzibilă cu o anumită probabilitate.

Întrucât sistemele procesează semnale (noțiunile sunt duale în sensul că se poate afirma că în lipsa semnalelor / sistemelor existența sistemelor / semnalelor este insesizabilă), rezultă că tipurile de semnale care se transmit între elementele unui sistem ii imprimă acestuia caracterul respectivelor semnale. Se trage în mod firesc concluzia că se pot distinge: sisteme discrete sau analogice, sisteme netede sau cu eșantionare și sisteme deterministe sau stohastice (aleatoare).

Sistemele automate (figura 6.10.) sunt în circuit deschis (nu folosesc informația de lucru) și în circuit închis (folosesc informația de lucru). Sistemele automate în circuit deschis au o singură cale și anume: sistemele de comandă automată au cale directă, iar cele de măsurare, semnalizare, control și protecție automată, cale inversă. Sistemele automate în circuit deschis asigură funcțiile de comandă, măsurare, semnalizare, control și protecție automată.

Figura 6.10. Clasificarea sistemelor automate

Sistemele de comandă automată conțin sub formă generală, un amplificator A, un element de comandă EC, un element de execuție EE și procesul P asupra căruia se acționează (figura 6.11.).

Figura 6.11. Schema bloc a unui sistem de comandă

Comanda se inițiază la intrarea sistemului sub forma semnalului ε, obținându-se la ieșire semnalul yp. Toate semnalele merg de la stânga la dreapta (calea directă).

Sistemele de măsurări automate asigură măsurarea continuă sau discretă a parametrilor unui proces.

Sistemele de semnalizare automată transmit informații asupra elementelor procesului cu caracter discontinuu.

Sistemele de control automat măsoară continuu în scopul sesizării depășirii anumitor limite ale parametrilor procesului.

Sistemele de protecție automată măsoară continuu parametrii procesului în scopul sesizării momentului în care apare o avarie, moment în care se transmite comanda de oprire a procesului (instalației tehnologice).

Sistemele de măsurare, semnalizare, control și protecție automată sunt caracterizate de faptul că semnalele merg de la dreapta la stânga (calea inversă sau de reacție).

Sistemele automate în circuit închis au atât cale directă cât și cale de reacție. Aceste sisteme asigură funcția de reglare.

Sistemele în circuit închis se clasifică după următoarele criterii:

După variația mărimii de intrare i sistemele automate sunt: cu stabilizare dacă i = constant, cu program, dacă i variază după un anumit program i = f(t) și de urmărire, dacă i variază aleatoriu.

După caracteristicile constructive, sistemele automate sunt: specializate și unificate. Sistemele automate specializate sunt utilizate în anumite instalații, pentru anumiți parametri, între anumite limite. Sistemele automate unificate au la intrarea și ieșirea diverselor elemente componente, semnale de aceeași natură și în același domeniu de variație (de exemplu: 2 – 10 mA c.c.; 4 – 20 mA c.c.; 0,2 – 1 bar).

După modul de transmitere a comenzii, sistemele automate sunt: fără energie auxiliară (cu acțiune directă) și cu energie auxiliară (cu acțiune indirectă).

După agentul purtător de semnal, sistemele automate sunt: electronice, pneumatice, hidraulice și mixte (electropneumatice, electrohidraulice).

După numărul mărimilor de ieșire yp, sistemele automate sunt: cu o mărime reglată (monovariabile) sau cu mai multe mărimi reglate (multivariabile).

După caracterul prelucrării semnalului, sistemele automate sunt: cu acțiune continuă și discontinuă.

După viteza de răspuns a procesului, procesele sunt: lente (constantele de timp sunt mai mari de 10 s) și rapide (constantele de timp sunt mai mici de 10 s). Procesele lente sunt întâlnite la reglarea diferiților parametri din instalații (temperatura, umiditatea etc.). Procesele rapide sunt întâlnite în acționările electrice (de exemplu, reglarea turației unui motor electric).

6.2. [NUME_REDACTAT] scopul măsurării mărimilor fizice care intervin într-un proces tehnologic, este necesară de obicei convertirea acestora în mărimi de altă natură fizică pentru a fi introduse cu ușurință într-un circuit de automatizare. Traductorul este elementul care permite convertirea unei mărimi fizice (de obicei neelectrică) într-o altă mărime (de obicei electrică) dependentă de prima, în scopul introducerii acesteia într-un circuit de automatizare.

Se poate spune că traductoarele sunt de fapt mijloace de măsură care nu sunt utilizate direct de către om ci, incluse în sistemele de conducere automată. Deseori, pentru acea parte a traductorului care este direct sensibilă la acțiunea mărimii măsurate se folosește termenul de senzor, detector sau captor.

De exemplu, o temperatură sau o presiune sunt convertite în mărimi de natură electrică – tensiune, curent electric – proporționale cu mărimile inițiale, care pot fi utilizate și prelucrate de celelalte elemente de automatizare ale SRA (comparatoare, regulatoare automate etc.).

Traductoarele se pot clasifica după natura mărimilor de intrare și de ieșire în:

a) traductoare de mărimi electrice în mărimi electrice:

• amplificatoare, transformatoare, redresoare, divizoare, șunturi etc.;

b) traductoare de mărimi neelectrice în mărimi neelectrice:

• pârghii, resorturi, reductoare, membrane etc.;

c) traductoare de mărimi electrice în mărimi neelectrice:

• electromagneți, electromotoare, cristale piezoelectrice, LED-uri etc.;

d) traductoare de mărimi neelectrice în mărimi electrice:

• timbre tensometrice, cristale piezoelectrice, fotodiode etc.

În structura traductoarelor se întâlnesc, în general, o serie de elemente constructive, ca de exemplu: convertoare, elemente sensibile, adaptoare etc. Structura generală a traductoarelor este foarte diferită de la un tip de traductor la altul, cuprinzând unul, două sau mai multe convertoare conectate în serie.

Figura 6.12. Structura generală a unui traductor

ES – element sensibil;

ELT – element de legătură;

A – adaptor; SAE – sursă

exterioară de energie

În general un traductor cuprinde următoarele elemente (figura 6.12.):

• un element sensibil (ES) denumit și senzor, detector sau captor, care sesizează variațiile mărimii fizice x (de exemplu: presiune, nivel, forță etc.) și o transformă într-o mărime intermediară, x01, de altă natură fizică (de obicei, o deplasare liniară sau unghiulară sau de natură electrică: t.e.m. sau variație de rezistență, capacitate sau inductivitate).

Elementul sensibil este elementul specific pentru detectarea mărimii fizice pe care traductorul trebuie să o măsoare.

În mediul în care trebuie să funcționeze traductorul, în afara mărimii x există și alte mărimi fizice. Elementul sensibil trebuie să aibă calitatea de a sesiza numai variațiile mărimii x, fără ca informațiile pe care acesta le furnizează să fie afectate de celelalte mărimi din mediul respectiv (din proces). În urma interacțiunii dintre mărimea de măsurat și detector are loc o modificare de stare a acestuia, care, fiind o consecință a unor legi fizice cunoscute teoretic sau experimental, conține informația necesară determinării valorii mărimii de măsurat.

Modificarea de stare presupune un consum energetic preluat de la proces. În funcție de fenomenele fizice pe care se bazează detecția și de puterea asociată mărimii de intrare, modificarea de stare se poate manifesta sub forma unui semnal la ieșirea elementului sensibil (de exemplu: tensiunea electromotoare generată la bornele unui termocuplu în funcție de temperatură).

În alte situații modificarea de stare are ca efect modificarea unor parametri de material a căror evidențiere se face utilizând o energie de activare de la o sursă auxiliară (SEA).

Indiferent cum se face modificarea de stare a detectorului, informația furnizată de acesta nu poate fi folosită ca atare, necesitând prelucrări ulterioare prin ELT și A. Elementul sensibil trebuie să aibă următoarele proprietăți:

selectivitate: trebuie să fie sensibil numai la parametrul de proces care se dorește a fi investigat și să elimine celelalte mărimi ale mediului în care se face măsurătoarea;

să nu excite: efect de retroacțiune către mărimea măsurată. Dacă apare o influență aceasta trebuie să fie neglijabilă;

să permită schimbarea domeniului de măsurare fără a se produce modificări esențiale în structura traductorului.

Semnalul de ieșire din ES conține informații despre mărimea x într-o formă necalibrată și de cele mai multe ori dependența este neliniară.

un element de legătură (ELT), care poate fi și un convertor, care asigură transmiterea semnalului x01, sub forma transformată x02 către adaptor. ELT realizează o serie de conexiuni simple de natură mecanică, electrică, termică, optică. Acestea pot avea o structură mai complexă atunci când se pune problema transmiterii la distanță a semnalului de la ES la A;

un adaptor (A), care convertește semnalul x02 primit și îl adaptează cerințelor impuse de utilizarea sa în schema de automatizare. Semnalul y (tensiune electrică, rezistență electrică, inductanță, capacitate etc.) de la ieșirea din adaptor este, de regulă, un semnal unificat. Adaptorul A are rolul de a prelua semnalul de la elementul sensibil transformându-l în semnal electric echilibrat și de a asigura cuplarea la elementele dispozitivului de automatizare (pe baza energiei auxiliare de la SAE are o putere suficientă în ieșire pentru garantarea cuplării fără pericolul apariției efectului de retroacțiune către ES).

În funcție de elementele constructive, impuse de natura semnalelor de ieșire, adaptoarele sunt adaptoare electrice (electronice) sau adaptoare pneumatice.

În raport cu forma de variație a semnalelor de ieșire, adaptoarele pot fi analogice sau numerice.

Semnalele analogice se caracterizează prin variații continue ale unui parametru caracteristic și sunt, de regulă, semnale unificate.

Prin semnal unificat se înțelege adoptarea ca semnal a aceleiași mărimi fizice, cu același domeniu de variație, indiferent de locul unde este plasat elementul de automatizare într-un SRA. De exemplu, pentru un domeniu de variație al presiunii măsurate de 0 – 15 atm, traductorul elaborează la ieșire un curent unificat icc = 2 – 10 mA (respectiv pentru 0 atm => 2mA și pentru 15 atm => 10 mA). Un asemenea sistem de semnal unificat la care pentru o mărime de intrare nulă se obține un curent diferit de zero se numește semnal unificat „cu zero viu". Rațiunea de a se folosi un semnal „cu zero viu" rezidă în aceea că un „zero real" poate să însemne nu numai o intrare nulă, dar și o defectare a sistemului de convertire a mărimii măsurate. Folosirea unor traductoare cu semnal de ieșire unificat implică și utilizarea unor aparate de măsurat având același semnal de intrare unificat. Acest lucru prezintă un avantaj considerabil datorită faptului că numărul tipurilor de aparate de pe panoul central este foarte redus (aparatură unificată). În acest caz, aparatura respectivă este mai ușor de înlocuit. Procesul de unificare a aparaturii de automatizare se extinde și la alte semnale ca, de exemplu, unificarea parametrilor surselor de alimentare (f = 500 Hz, f = 1000 Hz) etc., ceea ce implică o structură modulară a echipamentelor în ansamblul lor.

Frecvent utilizate sunt următoarele semnale unificate:

1) curentul continuu (în cazul sistemelor de reglare a proceselor lent variabile) cu domeniul de variație: Icc  [2 — 10] mA sau Icc  [4 — 20] mA;

2) tensiunea continuă (în cazul sistemelor de reglare a proceselor rapide), cu domeniul de variație: Vcc  [0 —10] V sau Vcc  [-10 — +10] V;

3) presiunea aerului instrumental (aer fără impurități și cu umiditate minimă – standardizată) produs în instalații speciale: p  [0,2—1] daN/cm2 (bar).

Semnalele numerice, generate la ieșirea traductoarelor numerice și utilizate în SRA numerice, se caracterizează prin variații discrete care permit reprezentarea într-un anumit cod a unui număr de valori din domeniul de variație a semnalului analogic de la intrarea traductorului. Cele mai utilizate coduri sunt:

– binar-natural, cu 8, 10, 12, 16, 32 sau 64biți;

– binar-codificat zecimal cu 2, 3 sau 4 decade;

• o sursă exterioară de energie (SAE), necesară adaptorului A la convertirea semnalului și a elementului sensibil ES pentru detectarea și convertirea mărimii măsurate x.

Mărimea de măsurat x este aplicată la intrarea traductorului, reprezentând parametrul reglat (temperatură, debit, presiune, turație, nivel, viteză, forță etc.).

Mărimea de ieșire y reprezintă valoarea mărimii măsurate, exprimată sub formă de semnal analogic (curent, tensiune sau presiune).

Observații:

Utilizarea unui traductor este precedată de operația de calibrare inițială prin care intervalul de variație al semnalului analogic de la ieșirea traductorului (adaptorului) se asociază domeniului necesar al mărimii de intrare în traductor și în consecință, fiecărui nivel de semnal la ieșire îi corespunde o valoare bine precizată a mărimii de intrare (a mărimii traduse) – prin legea de dependență liniară a mărimii măsurate.

Particularitățile referitoare la aspectele tehnologice sau economice impun și prezența unor elemente auxiliare. Exemplu: în măsurarea temperaturilor înalte, elementul sensibil (ES) nu poate fi plasat în aceeași unitate constructivă cu adaptorul. Deci, este necesar un element de legătură între ES și A (adaptor). Aceste elemente (ELT) – de transmisie, realizează legături electrice, mecanice, optice etc. între ES și A. Dacă mărimea generată de ES este neadecvată pentru transmisie (cazul transmisiilor la mare distanță) atunci ELT conține și elemente de conversie potrivit cerințelor impuse de canalele de transmisie.

În categoria elementelor auxiliare intră și sursele de energie auxiliară, care ajută la conversia semnalelor din ES și A, atunci când aceste conversii nu se pot obține utilizând puterea asociată mărimii de măsurat, sau când aceste conversii (cu energie proprie luată de la semnalul de măsurat) introduc dificultăți în realizarea performanțelor cerute semnalului de ieșire din traductor.

6.2.1. Caracteristicile generale ale traductoarelor

Performanțele unui traductor sunt legate în special de modul în care acesta realizează legătura dintre semnalul de intrare, adică mărimea măsurată și semnalul de ieșire. Caracteristicile unui traductor pot fi analizate în două situații distincte:

în regim staționar de funcționare;

în regim dinamic de funcționare.

În cazul regimului staționar, denumit și regim static, permanent, stabilizat sau netranzitoriu, mărimea fizică măsurată, adică semnalul de intrare în traductor are o valoare constantă în timp, iar semnalul de ieșire al traductorului are valoarea corespunzătoare acestei valori.

În cazul regimului dinamic, denumit și regim nestaționar, nepermanent, nestabilizat sau tranzitoriu, semnalul de intrare în traductor are variații în timp, iar semnalul de ieșire are, de asemenea, variații în timp.

Din punct de vedere practic, regimul dinamic de funcționare a traductoarelor are o importanță mare în cazul automatizării proceselor.

Caracteristica statică a unui traductor este exprimată prin dependența analitică dintre mărirea de ieșire y și mărimea de intrare x, care sunt de natură diferită și care se exprimă prin relația generală:

y = f(x) (6.1)

Relația (6.1) este stabilă și este valabilă numai în condițiile în care mărimea de intrare x este constantă în timp. Funcția f(x) din relația (6.1) poate fi liniară sau neliniară și, respectiv, continuă sau discontinuă (cu valori discrete). Caracteristica statică a traductorului este de o importanță fundamentală în definirea performanțelor generale ale unui traductor.

În realitate, mărimea de ieșire este influențată în mod nedorit de mărimile perturbatoare externe (factori de mediu, temperatură, presiune, umiditate, câmpuri magnetice sau electrice perturbatoare etc.) și de cele interne (zgomote, frecări în lagăre, proprietăți fizice ale materialelor, variații ale frecvenței și intensității surselor de alimentare electrice, variații de presiuni ale surselor pneumatice etc.).

Matematic toate derivatele intrării respectiv ieșirii sunt nule în raport cu timpul. Regimul static este imposibil de realizat pe durate mari de timp. Se poate însă considera condiția îndeplinită pe intervale reduse de timp, astfel încât dependența y = f(x) să reprezinte caracteristica statică a traductorului în condiții ideale. Dacă se presupune că efectele mărimilor perturbatoare nu implică depășirea erorii admise, atunci forma generală a caracteristicii statice este:

y = k (x – x0) +y0 (6.2)

în care x0 este cea mai mică valoare a mărimii măsurate, adică limita din stânga a intervalului de măsurare, iar y0 este valoarea corespunzătoare lui x0 a semnalului de ieșire. Constanta k reprezintă panta dreptei, adică tangenta unghiului α de înclinare a caracteristicii statice.

În figura 6.13. este reprezentată caracteristica statică liniară a cărei ecuație este dată de relația (6.2).

Figura 6.13. Caracteristica statică

liniară a unui traductor

Există și caracteristici statice liniare pe porțiuni, cu zone de insensibilitate și cu histerezis (fenomen ireversibil potrivit căruia valoarea actuală a unei mărimi, a unei substanțe depinde și de valorile anterioare ale mărimilor care o determină).

Principalele performanțe ale traductoarelor sunt: domeniul de măsurare, precizia de măsurare, sensibilitatea, pragul de sensibilitate, clasa de precizie și rezoluția.

Domeniul de măsurare al traductorului reprezintă intervalul cuprins între limita minimă, xmin, și limita maximă, xmax, în interiorul căreia se pot efectua măsurători acceptabile cu traductorul respectiv. Domeniul de măsurare corespunde unei porțiuni liniare a caracteristicii statice.

Precizia de măsurare a unui traductor reprezintă diferența dintre valoarea reală sau adevărată a mărimii măsurate și rezultatul măsurării.

Sensibilitatea traductorului este definită ca raportul dintre variația semnalului de ieșire Δy și variația mărimii de intrare Δx:

(6.3)

Sensibilitatea este o mărime adimensională și de aceea se mai numește și sensibilitate absolută.

Pragul de sensibilitate al unui traductor este exprimat prin cea mai mică variație a semnalului de intrare (mărimea fizică măsurată) care determină o variație sesizabilă a semnalului de ieșire.

Clasa de precizie a traductorului se definește ca raportul dintre eroarea admisibilă, εad, care se produce în condiții statice de măsurare, și domeniul de măsurare:

(6.4)

Rezoluția unui traductor reprezintă intervalul de variație minimă a mărimii de intrare necesar pentru a determina apariția unui salt la semnalul de ieșire.

Performanțele unui traductor sunt cu atât mai ridicate cu cât:

sensibilitatea este mai mare;

pragul de sensibilitate este mai mic;

rezoluția este mai mică.

Pentru măsurări în regim tranzitoriu, se definesc o serie de caracteristici dinamice. Caracteristicile dinamice ale unui traductor reprezintă performanțele acestuia în legătură cu răspunsul tranzitoriu al traductorului la un semnal treaptă la intrare.

Suprareglajul sau suprareglarea (σ) reprezintă depășirea maximă de către mărimea de ieșire (ymax) a mărimii din regimul staționar yst:

σ = ymax – yst (6.5)

Practic, suprareglajul se exprimă în procente, prin raportarea la valoarea yst a mărimii de ieșire în regim staționar. O valoare prea mare a suprareglajului determină o înrăutățire a calității răspunsului tranzitoriu.

Durata regimului tranzitoriu sau timpul de răspuns reprezintă intervalul de timp dintre începutul procesului tranzitoriu și momentul în care valoarea absolută a diferenței (y – yst) scade sub o valoare limită fixată, fără a o mai depăși ulterior.

În mod convențional, se consideră că regimul tranzitoriu ia sfârșit, restabilindu-se un nou regim staționar, atunci când este îndeplinită condiția:

|y – yst| yst (6.6)

în care Δyst este limita fixată (de regulă Δyst = ± 5 %).

Timpul de creștere (tc) reprezintă intervalul de timp în care mărimea de ieșire y evoluează între 0,05 yst și 0,95 yst.

Timpul de întârziere (ti) reprezintă timpul necesar ca mărimea de ieșire y să evolueze între valoarea zero și valoarea 0,5 yst.

6.2.2. Tipuri de traductoare

Întrucât circuitele de automatizare cel mai des folosite sunt de natură electrică, mărimea de ieșire a traductoarelor este aproape exclusiv de natură electrică (figura 6.14.).

Figura 6.14. Clasificarea traductoarelor

În funcție de natura mărimii electrice de la ieșire (y) se deosebesc:

traductoare parametrice, la care mărimea măsurată este transformată într-un „parametru de circuit electric" (rezistență, inductanță sau capacitate). Traductoarele parametrice se împart, la rândul lor, în: traductoare rezistive, traductoare inductive și traductoare capacitive;

traductoare generatoare, la care mărimea măsurată este transformată într-o tensiune electromotoare a cărei valoare depinde de valoarea mărimii respective.

În funcție de natura mărimii aplicate la intrare (x) se disting:

• traductoare de mărimi neelectrice (temperatură, deplasare, debit, viteză, presiune etc.);

• traductoare de mărimi electrice (curent, frecvență, putere, fază etc.).

În practică, traductoarele sunt definite pe baza ambelor criterii arătate mai sus (de exemplu, traductor parametric rezistiv de temperatură, traductor inductiv de presiune etc.).

În funcție de modul de variație al mărimii de ieșire traductoarele pot fi :

traductoare numerice (unificate) – la care mărimea de ieșire reprezintă un semnal unificat electric (2 – 10 mA c.c. sau 4 – 20 mA c.c.), sau pneumatic (0,2 – 1 daN / cm2); aceste traductoare se utilizează în cadrul sistemelor de reglare automată cu elemente unificate;

traductoarele analogice (neunificate, la care y poate varia fără restricții).

Clasificarea traductoarelor poate fi făcută în funcție de natura mărimii de ieșire y sau în funcție de natura mărimii de intrare x.

6.2.2.1. Traductoare parametrice

a) Traductoarele rezistive transformă mărimea de intrare mecanică într-o variație a rezistenței electrice. Utilizare largă o au traductoarele rezistive cu fir metalic și cu semiconductori. Caracteristica de transfer liniarizată a traductoarelor rezistive se exprimă astfel:

ΔR = k • R • ε (6.7)

unde: R – reprezintă variația rezistenței electrice (mărime de ieșire);

k – constanta traductorului;

ε – alungirea relativă a elementului sensibil al traductorului (mărimea de intrare).

Figura 6.15. Traductor rezistiv

Traductoarele rezistive cu semiconductori se prezintă sub forma unor bastonașe paralelipipedice (figura 6.15.), având drept element sensibil un policristal de siliciu cu grosimea de 20 … 50 µm, lățimea de până la 0,5 mm și lungimea cuprinsă între 2 și 12 mm. Aceste traductoare au același principiu de funcționare ca și traductoarele rezistive cu fir, numai că valoarea constantei k este cu mult mai mare. Traductoarele cu semiconductori prezintă, de asemenea, dezavantajul unei variații puternice a rezistenței specifice cu temperatura, motiv pentru care nu sunt utilizate în cazul măsurătorilor la care temperatura variază în limite largi.

b) Traductoare inductive transformă parametrii mișcării într-o variație a impedanței Z a unei bobine care este conectată la o sursă de curent alternativ. Constructiv, acestea pot fi: traductoare inductive simple (figura 6.16.) și traductoare inductive diferențiale (figura 6.17.).

Figura 6.16. Traductor inductiv simplu Figura 6.17. Traductor inductiv diferențial

Traductoarele inductive simple cu jug sunt foarte răspândite mai ales sub forma traductoarelor fără contact. În acest caz, armătura este constituită chiar de piesa feromagnetică a cărei deplasare se studiază, domeniul de măsurare fiind redus la δ = (0,1—0,15)*δ0, unde δ0 este întrefierul inițial. În general, se reglează δ0 = 0,4 … 0,6 mm. În această formă, traductoarele inductive se utilizează la măsurarea deplasărilor foarte mici, care nu depășesc 0,1 mm. În scopul lărgirii domeniului de măsurare, ca și pentru diminuarea erorilor datorate factorilor externi (variațiile temperaturii mediului, ale tensiunii și frecvenței sursei de alimentare), traductoarele inductive se recomandă a fi utilizate numai în schemă diferențială. Schema diferențială se realizează și cu două traductoare inductive fără contact, utilitatea ei fiind probată prin numeroase exemple din presiune domeniul construcțiilor de mașini.

Pentru deplasările mari (mm și chiar zeci de mm) se folosește un alt tip constructiv de traductor inductiv (figura 6.18.).

Figura 6.18. Traductoare inductive

Aceste traductoare sunt formate dintr-o bobină, în interiorul căreia se deplasează un miez de fier. În acest caz, inductanța L este direct proporțională cu lungimea l, pe care miezul pătrunde în bobină:

[H] (6.8)

unde: μ0 – este permeabilitatea magnetică a materialului miezului;

N – numărul de spire al bobinei;

L – lungimea bobinei;

s – secțiunea transversală a bobinei;

1 – cursa miezului.

Datorită relației liniare L = f(l), rezultă avantajul acestui tip de traductoare pentru măsurarea deplasărilor mari. De menționat însă că sensibilitatea este mai mică decât la variantele anterioare. Aparatele (traductoarele) inductive pot fi: cu circuit magnetic deschis, diferențiale și altele. În figura 6.19. a este prezentat un traductor cu circuit magnetic deschis, iar în figura 6.19. b, un traductor de tip diferențial.

Figura 6.19. Schemele unor traductoare inductive

În cazul unui traductor cu circuit magnetic deschis, variația dimensiunii piesei 3 provoacă deplasarea tijei de măsurare 1, deci a miezului de fier și acesta, la rândul lui, determină modificarea inductanței bobinei 2 a electromagnetului și, ca urmare, modificarea curentului din circuitul electric de măsurare. Valorile abaterilor se citesc pe scara gradată a aparatului 4 etalonată în μm.

Aparatele (traductoarele) fotoelectrice pot fi cu palpare mecanică sau cu palpare optică.

Figura 6.20. Traductor

fotoelectric

În figura 6.20. este prezentată schema de principiu a unui traductor fotoelectric cu palpare mecanică. Fasciculul de raze luminoase de la sursa S trece prin lentila condensor 1, fanta diafragmei 2, lentila obiectiv 3 și ajunge la celula fotoelectrică 6. Prin întreruperea parțială sau totală a fasciculului de raze, de către obturatorul 4 (sub acțiunea tijei de măsurare 5), se produce variația curentului emis de celula fotoelectrică. Această variație este înregistrată și citită pe scara gradată a galvanometrului etalonat în μm și reglat, în prealabil, la zero.

c) Traductoarele capacitive sunt condensatoare plane sau cilindrice, la care una din plăci poate fi făcută mobilă. Capacitatea unui traductor este dată de relația:

[F] (6.9)

în care: ε – permeabilitatea electrică a mediului dintre plăci;

S – suprafața unei placi;

d – distanța dintre plăci.

Figura 6.21. Schemă de măsurare

cu traductor capacitiv

Variind sub efectul unei acțiuni mecanice una din mărimile S, ε, d, variază și capacitatea condensatorului (figura 6.21.). Pe acest principiu se bazează construcția traductoarelor capacitive.

În schema din figura 6.22. prin modificarea valorii condensatorului variabil, se poate constata că intensitatea curentului care trece prin acesta este: Ix= Cx*ω*U.

Exemplu: la un condensator cu d = 0,2 mm, pentru o variație Δd = 0,025 mm, rezultă o variație de 14 % a capacității când dielectricul este aerul (ΔC/C = 14 %).

Figura 6.22. Traductoare capacitive

d) Traductoare pneumatice sunt traductoare analogice parametrice a căror funcționare se bazează pe modificarea unei mărimi caracteristice circuitului pneumatic al traductorului, în funcție de variația mărimii de măsurat. Aerul instrumental parcurge circuitul de curgere și iese în atmosferă prin una sau mai multe duze calibrate în fața suprafeței de măsurat. În funcție de poziția suprafeței de măsurat în raport cu duza calibrată, refularea aerului în atmosferă se face cu o rezistență la curgere mai mare sau mai mică. În acest fel, mărimea măsurată influențează mărimile caracteristice ale întregului circuit pneumatic al traductorului, adică presiuni statice, debite, presiuni dinamice, viteze de curgere, căderi de presiune locale.

Traductoarele pneumatice sunt de mai multe tipuri:

traductoare pneumatice bazate pe variația presiunii statice a aerului;

traductoare pneumatice bazate pe variația presiunii dinamice sau a vitezei aerului;

traductoare pneumatice bazate pe variația debitului de aer.

Funcționarea traductoarelor pneumatice se bazează pe variația presiunii statice a aerului utilizează măsurarea presiunii statice într-o anumită zonă a circuitului pneumatic, presiune a cărei variație este determinată de variația mărimii de măsurat. Schema generală de funcționare a unui astfel de traductor este redată în figura 6.23. Aerul instrumental, de presiune pi intră în circuitul pneumatic al traductorului prin robinetul automat 1 în camera de presiune 2, iar prin duza calibrată 5 refulează în fața piesei de măsurat 6. În funcție de distanța Δx, rezistența aerodinamică pe care o întâmpină aerul la ieșirea din duza 5 conduce la o cădere de presiune statică, pe tot circuitul și implicit, în camera 2.

În acest fel, mărimea de măsurat Δx poate fi citită pe manometrul 4, după etalonarea acestuia în unități echivalente ale mărimii de măsurat.

Traductoarele pneumatice bazate pe variația presiunii dinamice sau a vitezei aerului utilizează măsurarea presiunii dinamice, în special cu ajutorul tuburilor hidrodinamice (Prandtl), presiune dinamică a cărei variație este determinată de variația mărimii de măsurat. Traductoarele pneumatice bazate pe variația debitului de aer utilizează măsurarea debitului, a cărui variație este determinată de variația mărimii de măsurat. Pentru măsurarea debitului se pot folosi metode volumetrice, prin măsurarea vitezei și respectiv, prin laminare.

Figura 6.23. Schema de principiu a unui traductor pneumatic bazat pe variația presiunii statice

1 – robinet automat de intrare aer instrumental; 2 – cameră de presiune;

3 – robinet de reglare de zero (de ajustare a presiunii); 4 – manometru;

5 – duză calibrată de măsurare;

6 – piesă de măsurat

6.2.2.2. Traductoare generatoare

Traductoarele generatoare transformă mărimea de măsurat direct într-o tensiune electrică (curent electric) fără a mai fi nevoie de o sursă ajutătoare.

a) Traductoarele de inducție se bazează pe transformarea mărimii de măsurat, care este o deplasare, o viteză sau o accelerație, într-o tensiune electromotoare de inducție. Conform legii inducției, tensiunea electromotoare de inducție e, determinată de variația unui flux magnetic Φ, care străbate o bobină cu N spire este:

(6.10)

Tensiunea produsă de traductor este aplicată elementului Rs, a cărui inducție este proporțională cu mărimea de măsurat.

Dintre toate tipurile de traductoare de inducție, cel mai des utilizat este tahogeneratorul, care este de fapt un mic generator electric, construit atât pentru curent alternativ cât și pentru curent continuu. Tahogeneratorul de curent continuu sau alternativ, TG, poate debita direct pe rezistența de sarcină Rs (figura 6.24. a); cel de curent alternativ poate debita printr-un transformator de adaptare T, pe rezistența de sarcină de curent alternativ (figura 6.24. b) sau prin transformatorul T, și printr-o punte de redresare R, dacă rezistența Rs este de curent continuu (figura 6.24. c).

Traductoarele electrodinamice funcționează pe baza legii inducției electromagnetice, la care mărimea neelectrică măsurată (de obicei, mecanică) este transformată într-o tensiune electromotoare de inducție. Traductoarele electrodinamice se întâlnesc în diferite variante constructive: cu bobină fixă sau mobilă (figura 6.25. a), cu element mobil având mișcare de translație (figura 6.25. b) sau de rotație (figura 6.25. c).

În figura 6.25. a, este prezentat un traductor la care bobina mobilă are mișcare de translație, fiind legată rigid cu obiectul de cercetat. Ca urmare a deplasării bobinei în câmpul magnetului permanent, care rămâne fix, în circuitul bobinei se induce o tensiune electromotoare e(t), care poate fi măsurată. Tensiunea electromotoare indusă este proporțională cu viteza elementului mobil.

Figura 6.24. Legarea rezistenței de sarcină la tahogeneratoare

a – legare directă; b – legare prin transformator;

c – legare prin transformator și punte de redresare

Figura 6.25. Traductoare electrodinamice

b) Traductoarele piezoelectrice funcționează pe baza efectului polarizării electrice a cristalelor unor materiale, atunci când sunt solicitate la compresiune. Materialele piezoelectrice utilizate sunt: cuarțul, fosfatul de amoniu, titanatul de bariu și zirconatul de plumb. Dacă forța Fx acționează pe direcția axei electrice a cristalului, sarcina electrică qx care apare pe suprafețele normale acesteia se exprimă prin: qx = k*Fx, unde k este coeficientul piezoelectric fundamental al materialului piezoelectric, care arată cantitatea de electricitate generată la acțiunea unității de forță, respectiv de presiune.

Pentru constituirea traductoarelor, se secționează cristalele materialelor piezoelectrice în paralelipipede. Pe fețele perpendiculare pe axa electrică, se aplică folii metalice, care se conectează într-un circuit electric. Schematic, traductorul piezoelectric este prezentat în figura 6.26. Pentru mărirea sarcinii electrice, de obicei, se montează o serie de plăcuțe piezoelectrice 1 intercalate între folii metalice. Așezarea plăcuțelor se face astfel încât o folie metalică să aibă, pe ambele fețe, suprafețe ale plăcuțelor de aceeași polaritate. Întrucât materialele piezoelectrice sunt izolante, foliile metalice formează niște electrozi care se comportă ca și armăturile unui condensator, între care apare diferența de potențial . Înlocuind capacitatea condensatorului prin expresia cunoscută: , se obține relația:

[6.11]

ca diferență de potențial creată, în care d este grosimea plăcuței de cuarț iar p este presiunea aplicată asupra plăcuței.

Pentru generarea impulsurilor se folosesc de obicei traductoare inductive sau fotoelectronice, evitându-se traductoarele cu contacte glisante datorită dezavantajelor pe care acestea le au, atât de natură constructivă cât și funcțională. În primul caz (figura 6.27.), la corpul a cărui viteză trebuie măsurată, se montează o tijă din material nemagnetic (de obicei din textolit) pe care se fixează, la distanțe egale, inele metalice de lățime constantă, realizându-se astfel distanțele Δx. În dreptul tijei, cât mai aproape de aceasta, se plasează traductorul inductiv (cu miez fix). Când inelele trec prin dreptul traductorului se produce o variație bruscă a reluctanței circuitului magnetic, generând o tensiune în bobinaj care creează impulsul respectiv.

Figura 6.26. Schema traductorului piezoelectric

Figura 6.27. Schema măsurării vitezei Figura 6.28. Schema măsurării vitezei

medii liniare cu traductor inductiv medii liniare cu traductor fotoelectronic

În al doilea caz (figura 6.28.), pe tijă sunt montate inele lucioase, astfel încât fluxul luminos emis de sursa S să fie reflectat spre o celulă fotoelectronică, provocând un impuls de curent care generează în circuitul electric respectiv un impuls de tensiune. Introducând impulsurile într-un oscilograf cu baza de timp calibrată, deci care înregistrează timpul, se poate determina durata Δt dintre două impulsuri. Astfel, la oscilografele cu bandă fotosensibilă, timpul este înregistrat prin apariția unor linii transversale pe bandă, la distanțe egale, care corespund în general unui interval de timp t = 0,1 s (figura 6.29.).

Notând cu ni numărul de intervale t de timp dintre două impulsuri alăturate, rezultă că durata dintre două impulsuri este: Δt = nit [s], de unde se obține viteza medie: [mm/s], distanța Δx fiind exprimată în mm.

Figura 6.29. Imprimarea la oscilograf a timpului și a impulsurilor unui traductor

c) Traductoarele termoelectrice sunt traductoare generatoare a căror funcționare se bazează pe tensiunea electromotoare care apare în punctul de sudare a două materiale diferite supuse încălzirii.

Traductoarele termoelectrice au cea mai largă aplicație pentru măsurarea temperaturii. Principiul lor de funcționare se bazează pe efectul de termocuplu, care constă în aceea că printr-un circuit închis, constând din două metale diferite 2 și 3 (figura 6.30.), circulă un curent electric dacă îmbinările celor două fire sunt la temperaturi diferite T1 și T2. Îmbinarea care se află la temperatura T1 (sudură caldă) se numește joncțiune de măsurare sau element sensibil al traductorului, iar îmbinarea de la temperatura T2 (sudură rece) poartă numele de joncțiune de referință. Pe schemă se disting elementele care formează termocuplul, sudura rece și legătura cu aparatul de măsurare, milivoltmetrul.

Figura 6.30. Traductor termoelectric

(termocuplu)

6.3. [NUME_REDACTAT] de automatizare la intrarea căruia se aplică eroarea rezultată din elementul de comparație (numită abatere) și furnizează la ieșire mărimea de comandă care se aplică elementului de execuție se numește regulator.

În funcție de elementele componente din punct de vedere constructiv, regulatorul poate fi electric (electronic), pneumatic, hidraulic sau mixt.

Figura 6.31. Locul regulatorului într-un sistem de reglare automată

Figura 6.32. Structura tip a unui regulator

Într-un sistem de reglare automată, regulatorul este amplasat ca în figura 6.31.

Structura tip a unui regulator (figura 6.32.) cuprinde următoarele elemente:

blocul de amplificare (A), care amplifică mărimea ieșită din elementul de comparare;

elementul de reacție (ER), care primește la intrare mărimea de comandă și furnizează la ieșire o mărime de reacție;

elementul de comparare (ECR), care efectuează continuu compararea abaterii cu mărimea de reacție.

Regulatoarele se pot clasifica după următoarele criterii principale:

1) După viteza de răspuns a procesului în care se utilizează, regulatoarele pot fi:

regulatoare pentru procese rapide – folosite pentru reglarea automată a instalațiilor tehnologice care au constante de timp mici (sub 10 s);

regulatoare pentru procese lente – folosite atunci când constantele de timp ale instalației sunt mari (depășesc 10 s și pot ajunge până la zeci de minute).

2) În funcție de sursa de energie exterioară folosită, acestea se clasifică în:

regulatoare directe – atunci când acționează direct asupra elementului de execuție, nefiind necesară o sursă de energie exterioară, transmiterea semnalului realizându-se pe seama energiei interne;

regulatoare indirecte – când folosesc o sursă de energie exterioară pentru acționarea elementului de execuție.

3) După modul de prelucrare a semnalului:

regulatoare cu acțiune continuă – sunt cele care prelucrează și transmit semnale continue în timp (mărimi analogice); ele pot fi liniare și neliniare;

regulatoare cu acțiune discretă sau regulatoare discontinue (funcționează cu semnale sub forma unor succesiuni de impulsuri modulate în amplitudine sau durată – regulatoare cu eșantionare sau cu succesiuni de impulsuri codificate – regulatoare numerice).

4) După caracteristicile constructive există:

regulatoare unificate – utilizate pentru reglarea a diferiți parametri (temperatură, presiune, debit etc.);

regulatoare specializate – utilizate numai pentru o anumită mărime, caracteristică pentru un proces dat sau o instalație dată.

5) După agentul purtător de semnal există:

regulatoare electrice (numite uzual regulatoare electronice, datorită componentelor lor);

regulatoare electromagnetice;

regulatoare hidraulice;

regulatoare pneumatice;

regulatoare mixte.

1. Regulatoarele liniare au mărimea de ieșire xc (mărimea de comandă) influențată în mod continuu de variațiile abaterii ε de la ieșirea elementului de comparare. Ele sunt cel mai frecvent utilizate, întrucât permit stabilirea oricărei valori pentru mărimea de comandă necesară legii de reglare a mărimii de ieșire xe în funcție de cea de intrare xi. După forma acestei relații de dependență se construiesc mai multe tipuri de regulatoare.

Regulatoarele continue utilizate în industrie furnizează la ieșire o mărime de comandă formată din două componente: o componentă constantă Xco egală cu jumătatea benzii de variație a mărimii de comandă și o componentă xc dependentă de abaterea s, precum și o serie de parametri numiți parametri de acordare a regulatorului. Acest regulator poate funcționa după mai multe legi tipizate de prelucrare a abaterii de reglare, și anume:

Figura 6.33. Variația mărimii de ieșire (răspunsul) când la intrarea regulatorului P mărimea de intrare variază

sub forma unei trepte unitare

Legea de reglare proporțională (P) stabilește între mărimea de ieșire xc(t) și cea de intrare (t) o relație de dependență proporțională, având un singur parametru de acordare care reprezintă factorul de amplificare Ka.

xc (t ) = Xco + Ka ×(t ) (6.12)

Rolul componentei Xco a semnalului de comandă este de a menține elementul de execuție într-o poziție medie, determinând deplasarea elementului de execuție față de poziția medie în funcție de semnalul abaterii. În figura 6.33. este reprezentată variația (răspunsul) mărimii de ieșire xc(t) când mărimea de intrare (t) variază sub forma unei trepte. Se observă deci că răspunsul regulatorului P este tot sub formă de treaptă, dar amplificată cu factorul Ka. În practică însă, în loc de Ka se utilizează factorul denumit bandă de proporționalitate BP:

(6.13)

Pentru regulatoarele P având mărimi de aceeași natură la intrare și ieșire, Ka poate fi variat între 50 și 0,5 – ceea ce înseamnă o bandă de proporționalitate BP între 2 % și 200 %. Dezavantajul regulatorului proporțional constă în menținerea în regim staționar a unei erori dependente de sarcină, astfel că se pot utiliza numai când procesul admite o astfel de eroare.

Legea de reglare integrală (I) stabilește o dependență între xc(t) și ε(t) astfel că mărimea de comandă xc depinde de integrala în timp a mărimii de acționare (abaterea ε). Factorul de proporționalitate este fixat prin construcția regulatorului și se numește factor de amplificare al regulatorului I.

Figura 6.34. Răspunsul regulatorului I

la intrare treaptă unitară

Răspunsul acestui regulator pentru ε(t) având o variație treaptă, este o mărime xc(t) cu variația rampă, ca în figura 6.34. Regulatoarele I se utilizează foarte rar datorită întârzierilor pe care le introduc.

Legea de reglare diferențiată (D) realizează o relație de proporționalitate între mărimea de ieșire xc(t) din regulator și derivata mărimii de intrare ε(t), sau altfel exprimat, mărimea de ieșire este proporțională cu viteza de variație a erorii. Coeficientul de proporționalitate depinde de construcția regulatorului și se numește factor de amplificare al regulatorului D.

Figura 6.35. Răspunsul regulatorului D

la intrare treaptă unitară

Răspunsul regulatorului D pentru o abatere ε(t) unitară este un impuls unitar ca mărime de comandă, cum se vede în figura 6.35. Acest tip de regulator poate să ofere un răspuns foarte rapid, dar are inconvenientul unei durate foarte mici a intervalului de timp în care se manifestă acest răspuns, neavând deci posibilitatea stabilirii unui regim staționar al reglării, din care cauză nu se poate realiza practic.

Figura 6.36. Figura 6.37. Figura 6.38.

Răspunsul regulatorului Răspunsul regulatorului Răspunsul regulatorului

PI la intrare treaptă unitară PD la intrare treaptă unitară PID la intrare treaptă unitară

Datorită unei deficiențe specifice fiecăruia din tipurile de regulatoare descrise, s-au combinat avantajele fiecăruia dintre ele, materializându-se în regulatoare mixte cum sunt:

– regulatorul PI (proporțional-integral) are doi parametri de acordare: Ka și constanta de timp de integrare Ti exprimată în secunde. Răspunsul unui regulator PI este reprezentat în figura 6.36.;

– regulatorul PD (proporțional – derivativ) are tot doi parametri de acordare: Ka și constanta de timp de derivare (diferențiere) Td exprimată în secunde. Răspunsul său este reprezentat în figura 6.37.;

– regulatorul PID (proporțional – integral – derivativ) are trei parametri de acordare Ka, Ti și Td. Răspunsul său este reprezentat în figura 6.38. Dacă se fixează Td = 0 și Ti foarte mare, regulatorul PID poate fi transformat în regulator P, acest tip de regulator având posibilitatea să funcționeze de asemenea și ca PI și ca PD.

În practică, cel mai frecvent se utilizează regulatoarele P, PI și PID.

Figura 6.39. Caracteristica statică

a unui regulator tripozițional

Figura 6.40. Caracteristica statică

a unui regulator bipozițional

2. Regulatoarele neliniare se caracterizează prin dependența neliniară dintre mărimea de comandă xc și abaterea . Regulatoarele neliniare sunt mai puțin răspândite în practică și se realizează mai mult ca regulatoare specializate pentru anumite cazuri particulare. Ele sunt cu acțiune de tip releu (bipoziționale și tripoziționale) și cu acțiune discontinuă.

La regulatoarele bipoziționale (de tipul ,,tot sau nimic”), mărimea de execuție poate lua numai două valori. Astfel când 0 (eroare pozitivă), mărimea de execuție ia valoare maximă, iar când < 0 (eroare negativă), mărimea de execuție ia valoare minimă. Regulatoarele bipoziționale sunt frecvent utilizate în sistemele de reglare unde nu se cer performanțe ridicate în ceea ce privește mărimea de ieșire din sistem y, acceptându-se variații ale acesteia între două limite apriori fixate.

La regulatoarele tripoziționale mărimea de execuție poate lua trei valori. De exemplu: când > 0, mărimea de execuție ia valoarea maximă, când = 0 – ia valoare nominală, iar când < 0 – ia valoare minimă.

Caracteristicile statice ale regulatoarelor bipoziționale și tripoziționale sunt date în figurile 6.39. și 6.40. și se mai numesc și caracteristici de releu.

Un exemplu de regulator bipozițional este cel utilizat la reglarea temperaturii fierului de călcat.

3. Regulatoarele discrete sunt cele la care semnalul de eroare și semnalul de comandă pentru elementul de execuție sunt o succesiune de impulsuri periodice. Aceste tipuri de regulatoare sunt realizate după două principii funcțional-constructive: regulatoare cu impulsuri (eșantionare) și regulatoare numerice.

Regulatoarele cu impulsuri (eșantionare) (figura 6.41.) nu primesc eroarea în mod continuu, ci în mod discret. Prin eșantionare se preiau valorile instantanee ale mărimii continue (t) la intervale de timp fixe T, pe o durată foarte scurtă T, obținându-se astfel semnalul discret (k). Acest semnal constituie intrarea în regulator care, după prelucrarea erorii discrete conform algoritmului implementat prin structura regulatorului, produce la ieșire o mărime de comandă u(k), tot sub formă de impulsuri, având aceeași frecvență 1/T cu cea a semnalului de la intrare.

Regulatoarele numerice (figura 6.42.) funcționează cu semnale sub formă de impulsuri codificate, care, potrivit codului respectiv, reprezintă valorile cu care operează regulatorul la diverse momente de timp sau rezultatele unor calcule numerice efectuate asupra acestora. Comparatorul său este tot numeric și compară mărimea de referință dată de elementul de prescriere sub formă numerică, cu mărimea de reacție dată de un convertor analog-numeric. Abaterea rezultată este transmisă sub formă numerică blocului de calcul numeric care realizează legea de reglare. Un regulator numeric se poate utiliza în mai multe bucle de reglare.

Figura 6.41. Regulator cu impulsuri (RI)

E1, E2 – elemente de eșantionare; ER – element de reținere;

EE – element de execuție; P – proces

Realizarea numerică a unei legi de reglare este justificată în principal de următoarele considerente:

precizia de realizare a legilor de reglare superioară regulatoarelor analogice;

posibilitatea de încadrare a regulatorului numeric într-un SRA numeric complex în care să se realizeze și funcții de supraveghere, testări de limite, analize și rapoarte periodice, afișări grafice ale unor mărimi calculate sau de proces;

pentru procese lente, cu constante de timp mari, devine posibilă conducerea cu același regulator numeric, în timp divizat, a mai multor bucle de reglare;

posibilitatea de integrare a regulatorului numeric într-un sistem ierarhizat, condus prin calculator;

posibilitatea modularizării prin program (software) a structurilor de reglare (P, PI, PID, neliniare) a unor structuri de reglare în cascadă, sau implementarea unor algoritmi de reglare evoluați (de exemplu conducerea după stare).

Eroarea este reprezentarea codificată a erorii (t) obținută la mărimea y din proces, convertită numeric. Ca urmare a calculelor numerice este realizat algoritmul de reglare, obținându-se valoarea numerică a semnalului de comandă u*. Acest semnal este convertit analogic și menținut în intervalul dintre două momente de eșantionare de un element de menținere a valorii ER.

Figura 6.42. Schema bloc a regulatorului numeric

EPN – element de prescriere numerică a referinței; CN – comparator numeric; RA – regulator automat; I – interfața; D – display; ER – element de reținere; CA/N – convertor

analog / numeric; CN/A – convertor numeric / analogic; EE – element de execuție;

P – proces

La un sistem de reglare numerică apar o serie de blocuri specifice:

• blocul de calcul, care realizează algoritmii de reglare prin prelucrarea erorii numerice *(nT); acest bloc realizează în principal operații de adunare, scădere, înmulțire, transferuri, memorare;

elementul de prescriere numerică a referinței;

convertoarele numeric/analogic și analog/numeric;

elementul de comparație numerică, poate fi înglobat în blocul de calcul;

• afișarea grafică, prin intermediul interfeței I cu blocul de calcul și cu secțiunea de memorie, a valorilor reprezentative pentru procesul de reglare.

În ultima perioadă realizarea regulatoarelor numerice se face cu ajutorul microprocesoarelor și microcalculatoarelor, ceea ce oferă avantaje atât funcționale, cât și economice.

Regulatoarele specializate fac parte din generația inițială de regulatoare, fiind proiectate și executate pentru un tip anume de proces sau instalație tehnologică.

Regulatoarele unificate folosesc mărimi de intrare și ieșire de aceeași natură fizică și în aceleași limite ale intervalului de variație, precum și blocuri tip cu semnale unificate. Astfel s-au putut realiza și utiliza sisteme unificate de automatizare a unor procese tehnologice total diferite. Regulatoarele automate unificate pot fi folosite pentru reglarea diferitelor mărimi din cadrul unei diversități de instalații tehnologice, având un caracter de generalitate, deoarece au la intrări și ieșiri aceeași mărime fizică, care se încadrează în anumite domenii de valori standardizate – semnale unificate.

Regulatoarele electronice sunt realizate fie cu componente active și pasive (rezistențe, condensatoare, bobine), fie cu circuite integrate și cu afișare numerică. Ele se construiesc atât pentru automatizarea proceselor lente, cât și pentru cele rapide.

Regulatoarele pneumatice se utilizează la reglarea proceselor în care există pericolul de explozie (industria chimică, petrochimică etc.). Aceste regulatoare au avantajul că sunt ieftine și ușor de întreținut, datorită faptului că au o construcție simplă și robustă. Ele au însă dezavantajul unei raze de acțiune reduse, datorită întârzierilor în transmiterea semnalului, consumului energetic mare și dependenței de sursa de aer. Ele sunt alcătuite din comparatoare, preamplificatoare, amplificatoare de debit și elemente de corecție operațională, cu ajutorul cărora se asigură obținerea legii de reglare cerută regulatorului. Utilizează semnal pneumatic unificat de 0,2 – 1 daN/cm2 și o presiune de alimentare de 1,4 daN/cm2.

Schemele de principiu ale regulatoarelor liniare de tip P, PI și PID se dau în figurile 6.43., 6.44. și 6.45.

În aceste figuri, AP este amplificatorul de presiune, care are mai multe intrări necesare pentru îndeplinirea funcțiilor de amplificator și sumator; AD este amplificatorul de debit, iar R și Rp – rezistențe, fixă și respectiv, reglabilă, care constituie reacția negativă; Pi – presiunea impusă; Pr – presiunea corespunzătoare reacției principale; Pr1 – presiunea de reacție locală; Pr2 – presiunea corespunzătoare reacției pozitive.

Figura 6.43. Schema de principiu a Figura 6.44. Schema de principiu a

regulatorului pneumatic liniar tip P regulatorului pneumatic liniar tip PI

Figura 6.45. Schema de principiu

a regulatorului pneumatic liniar

tip PID

La regulatorul PID, schema cuprinde un etaj cu comportare PD, format dintr-un amplificator-sumator prevăzut cu o reacție negativă și un etaj cu comportare PI.

8. Regulatoarele hidraulice prezintă avantaje similare cu cele pneumatice; ele utilizează ulei mineral sub presiunea de 30 – 50 daN/cm pentru alimentarea regulatorului în domeniul -50 … +70°C. Sunt construite pentru funcționare liniară și neliniară. Regulatoarele liniare pot fi directe și indirecte.

Regulatoarele directe lucrează în general în regim P și funcționează pe principiul dilatării unui lichid sub acțiunea temperaturii. Mai frecvent se utilizează regulatoarele pentru reglarea apei calde și pentru reglarea temperaturii aerului din încăperi.

Regulatoarele indirecte utilizează ulei mineral sub presiunea de 30 – 50 daN/cm și lucrează în regimurile P, I, PI, PD, PID. Ele asigură forțe mari pentru mărimea de comandă, întârzieri reduse, deoarece lichidele sunt practic incompresibile, deci presiunile se transmit instantaneu, precum și siguranță în funcționare. Au dezavantajul gabaritelor mari, necesită surse de alimentare speciale și prezintă pericolul de incendiu.

Ca părți componente conțin: un amplificator hidraulic, un element de execuție hidraulic și un element de corecție hidraulic. Se folosesc la reglarea temperaturii, presiunii, debitelor, turației etc.

6.4. Elemente de execuție

Elementul de execuție reprezintă elementul de automatizare care primește la intrare mărimea de comandă de la regulatorul automat și furnizează la ieșire mărimea care acționează asupra instalației tehnologice. Structura unui element de execuție rezultă din figura 6.46. și se compune din două părți: elementul de acționare EA (servomotorul sau motorul de execuție) și organul de reglare OR (organul de execuție).

Figura 6.46. Schema bloc

a unui element de execuție

Elementul de acționare (EA) are rolul de a transforma semnalul de comandă, primit de la regulator, într-un cuplu sau forță (mărime intermediară) cu care acționează asupra organului de reglare. Pentru generarea cuplurilor sau forțelor sunt necesare surse de energie exterioare. După natura energiei folosite, servomotoarele pot fi electrice, pneumatice sau hidraulice. Organul de reglare (OR) este elementul care intervine în instalația tehnologică, modificând sub acțiunea forței sau cuplului generat de servomotor, cantitățile de material sau energie necesare procesului. Mărimea de ieșire a organului de reglare este, de regulă, sub forma unei deplasări liniare sau unghiulare.

Clasificarea elementelor de execuție se face după următoarele criterii principale:

După caracterul prelucrării semnalului:

continue (primesc, prelucrează și transmit mărimi analogice) care pot fi liniare sau neliniare;

discrete (discontinue).

După agentul purtător de semnal:

electrice;

pneumatice;

hidraulice.

După felul mișcării imprimate de servomotor organului de reglare:

mișcare de rotație;

mișcare de translație.

Elementele de acționare electrice (servomotoare electrice) sunt întâlnite sub formă de motoare electrice (elemente continue, liniare) și electromagneți (elemente continue, neliniare). Dintre motoarele electrice, cele mai utilizate în sistemele de automatizare sunt următoarele:

• motoarele de curent alternativ, monofazate, bifazate și trifazate (toate motoarele asincrone cu rotorul în scurtcircuit). Acestea transmit prin intermediul unor reductoare de turație o mișcare de rotație sau translație elementelor mecanice de reglare. Practic, servomotoarele sunt ansambluri formate din motoare, reductoare și elemente de transformare a mișcării de rotație în mișcare de translație;

• motoarele de curent continuu, cele mai utilizate fiind cele cu excitație separată. Electromagneții sunt utilizați în reglările bipoziționale și sunt asociați frecvent robinetelor de reglare.

Avantajele utilizării motoarelor de curent continuu:

• posibilitatea reglării turației în limite largi;

• nu necesită instalații de producere și conservare a fluidului (uleiului);

• viteză mare de răspuns.

Dezavantaje:

• nu pot fi utilizate în medii explozive și inflamabile;

• nu pot dezvolta forțe mari de acționare;

• funcționare cu vibrații, zgomote;

• necesită sursă de tensiune continuă.

Elementele de acționare pneumatice (servomotoarele pneumatice) sunt elemente de execuție neelectrice și se construiesc în două variante: cu membrană și cu piston. Elementele cu membrană (figura 6.48.) sunt formate dintr-o capsulă manometrică C prevăzută cu o membrană M situată deasupra unui disc metalic D solidar cu o tijă T și a unui resort antagonist R. Aerul comprimat adus prin conducta A de la regulator sau convertor la presiunea 0,2 și 1 daN/cm, apasă asupra membranei și, învingând rezistența resortului antagonist, împinge tija în jos. Cursa tijei este de 1 – 6 cm. În funcție de presiunea aerului comprimat, poziția tijei variază continuu între două limite.

Figura 6.47. Clasificarea elementelor de execuție

Figura 6.48. Element de acționare pneumatică

cu membrană

Atunci când este necesară o forță mare de acționare a organului de reglare, deci când sunt necesare deplasări mai mari ale tijei, se folosesc elementele cu piston. Elementele cu piston pot fi executate în două variante și anume: cu o față a pistonului activă (figura 6.49. a) și cu ambele fețe ale pistonului active (figura 6.49. b). La cel cu o față activă, poziția tijei depinde de presiunea aerului comprimat, deplasarea înapoi a tijei făcându-se prin scoaterea aerului din cilindru, sub acțiunea resortului, în timp ce la cel cu două fețe active, poziția tijei depinde de diferența de presiune aplicată celor două fețe ale pistonului și revine prin aplicarea unei variații contrare a presiunii.

Figura 6.49. Elemente de acționare pneumatice

a – cu o față a pistonului activă;

b – cu ambele fețe ale pistonului active.

Principalele caracteristici ale elementelor de execuție pneumatice sunt: deplasare liniară, simplitate constructivă, gabarit redus, siguranță în funcționare.

Elementele de acționare hidraulică folosesc ca agent motor lichide sub presiune, de obicei uleiuri minerale și sunt utilizate când sunt necesare forțe și viteze mari. Ele se construiesc în trei variante, și anume: cu piston, cu membrană și cu organe rotative. Primele două tipuri se realizează în construcție cu cilindru fix sau cu piston fix și sunt asemănătoare celor pneumatice, iar dintre cele cu organe rotative mai utilizate sunt de tipul bielă-manivelă (figura 6.50. a), de tipul cu paletă rotativă (figura 6.50. b) sau de tipul pompelor volumetrice (figura 6.50. c – cu roți dințate, cu palete sau cu piston). Servomotorul cu paletă rotativă determină o mișcare de rotație a axului de ieșire pe care este montată paleta, sub influența presiunii lichidului asupra suprafeței paletei.

Avantajele elementelor hidraulice față de cele pneumatice constau în posibilitatea utilizării lor în medii explozive sau inflamabile, precum și în faptul că dezvoltă o forță de acțiune mai mare și acționează mai rapid datorită incompresibilității uleiului. În schimb, ambele sisteme (hidraulice și pneumatice) necesită instalații speciale de producere și conservare a uleiului sub presiune și aerului comprimat, ceea ce reprezintă un dezavantaj față de cele electrice. Datorită acestor considerente, au apărut elemente de acționare mixte (electrohidraulice, hidropneumatice etc.) care îmbină avantajele fiecărui sistem.

Figura 6.50. Elemente de execuție hidraulice cu organe rotative

a – cu mecanism bielă-manivelă; b – cu paletă rotativă; c – de tipul pompelor volumetrice

Deși în practica industrială se utilizează o varietate foarte mare de organe de reglare, acestea pot fi împărțite în două mari categorii:

1) organe de reglare mecanice, care pot fi grupate în următoarele categorii:

a) robinete cu ventil, robinete cu palete (reglarea debitelor la fluide);

b) aparate de cârmă la nave sau la avioane (reglarea direcției);

c) alimentatoare cu bandă sau cu șurub melcat (reglarea cantității de material solid);

2) organe de reglare electrice (reostatele, autotransformatoarele, contactoarele, amplificatoarele unghiulare etc.).

6.5. Sisteme de automatizare

Prin sistem de reglare automată convențională se înțelege ansamblul de dispozitive (aparate) și conexiuni prin care se realizează automat și independent operația de reglare automată a unei variabile (parametru tehnologic). În acest scop pot fi folosite mijloace de automatizare analogice, logice sau digitale.

Realizarea sistemelor automate se face cu mijloace tipizate și standardizate (traductoare, regulatoare, elemente de execuție ș. a.). În aceste condiții proiectarea sistemelor de reglare automată (SRA) se reduce în fond la alegerea traductorului, a regulatorului, a elementului de execuție, a elementelor de convertire și adaptare, a aparatelor de vizualizare a variabilei reglate sau a altor mărimi, ținând cont de particularitățile procesului (parametrului) reglat.

Alegerea fiecărui element al SRA trebuie făcută astfel încât să se asigure o compatibilitate și o cât mai corectă cuplare cu celelalte elemente ale sistemului, adică semnalul de ieșire al unui element trebuie să aibă aceeași natură și aceleași limite de variație ca semnalul de intrare al elementului următor. Dacă elementele de bază alese nu îndeplinesc aceste condiții se recurge la utilizarea unor dispozitive de convertire sau de adaptare.

Pentru reprezentarea schemelor de reglare se folosesc scheme tehnologice în care sunt amplasate simbolurile elementelor care compun sistemele de reglare. Cele mai uzuale dintre aceste simboluri sunt prezentate în tabelul 6.1.

Există patru categorii de simboluri: o categorie de litere pentru a indica variabila supusă unei operații (A, F, L, P, T…), o categorie de litere pentru a indica limitele variabilei (L, LL, H, HH…), o categorie de litere pentru a indica funcția îndeplinită de către un dispozitiv automat (A, S, C, E, I, R, T, V, Y,…) și o categorie de simboluri grafice pentru a indica locul și natura mijloacelor de automatizare folosite. Simbolizarea se face în sau lângă simbolul grafic se scrie mai întâi litera care indică variabila supusă operației, apoi operația sau operațiile efectuate și, în final, dacă este necesar, se scrie limita sau limitele admise ale variabilei. Câteva exemple de simbolizare sunt prezentate la sfârșitul tabelului 6.1.

Tabelul 6.1. Simboluri folosite în automatizări

Dispozitive

6.5.1. Scheme de automatizare simple

a. Reglarea debitului

Cea mai simplă metodă de reglare a debitului pompelor cu turație constantă constă în modificarea caracteristicii conductei de refulare prin modificarea gradului de închidere / deschidere a unui robinet de reglare plasat pe această conductă, astfel încât să se realizeze debitul prescris (figura 6.51.).

Figura 6.51. Reglarea debitului pompelor centrifugale cu turație constantă

– schema bloc a SRA

V – execuție;

FC – regulator centralizat de debit;

ΔPT – transmitere prin presiune;

ΔPE – traductor primar de presiune

Această metodă este avantajoasă pentru motorul care acționează pompa, deoarece funcționează într-un regim constant convenabil. Ea poate fi convenabilă și pentru pompă dacă valoarea de referință a debitului corespunde randamentului optim al acesteia.

b. Reglarea presiunii

Presiunea din aparatele tehnologice de tip recipient (reactoare, coloane de separare, ș. a.) se poate regla pe baza modificării debitului de admisie sau a debitului de evacuare, mai precis, pe baza modificării diferenței dintre debitul de intrare și cel de ieșire din aparatul respectiv. Debitul de admisie poate fi schimbat prin modificarea gradului de închidere / deschidere a unui robinet de reglare, montat pe conducta de intrare a fluidului sau prin modificarea presiunii de refulare a compresorului, iar debitul de evacuare – prin modificarea gradului de închidere/deschidere a unui robinet de reglare montat pe conducta de ieșire a fluidului sau prin modificarea presiunii la receptorul fluidului.

Figura 6.52. Reglarea presiunii în recipiente

a – cu robinetul de reglare pe intrare; b – cu robinetul de reglare pe ieșire;

PE – traductor primar de presiune; PT – transmitere prin presiune; PC – regulator centralizat de presiune; I/pY – convertor curent-presiune; LC – regulator centralizat

de nivel; LT – transmitere de nivel; LE – traductor primar de nivel.

Alegerea locului de amplasare a robinetului de reglare (pe intrare sau pe ieșire) se face în funcție de rolul tehnologic al aparatului respectiv. Astfel, în cazul unui vas tampon din care fluidul este dirijat către mai mulți consumatori prin conducte diferite, robinetul de reglare se montează pe conducta de intrare (figura 6.52. a). În cazul unui colector sau separator de gaze care primește fluid prin mai multe conducte sau primește un amestec bifazic, robinetul de reglare se plasează pe conducta de evacuare a gazului (figura 6.52. b). În primul caz la creșterea presiunii din vas regulatorul comandă închiderea robinetului de pe conducta de intrare, pe când în al doilea caz comandă deschiderea robinetului de pe conducta de evacuare.

Presiunea poate fi reglată la sursă, la consumator sau într-o zonă intermediară. Reglarea presiunii la sursă este convenabilă pentru sursă, care poate funcționa într-un regim constant, dar este neconvenabilă pentru consumator, care primește fluidul la o presiune dependentă de debit. Reglarea presiunii la consumator este convenabilă pentru acesta, dar neconvenabilă pentru sursă, deoarece la creșterea debitului sursa trebuie să debiteze fluidul la presiune mai mare, uneori neconvenabilă sau periculoasă pentru sursă.

c. Reglarea nivelului de lichid

Sub multe aspecte reglarea nivelului de lichid este asemănătoare cu reglarea presiunii. Nivelul poate fi reglat fie prin modificarea admisiei de lichid, fie prin modificarea evacuării acestuia, în funcție de rolul tehnologic al vasului în care se realizează reglarea acestei variabile (figura 6.53.).

Figura 6.53. Reglarea nivelului de lichid

a – prin modificarea debitului de intrare;

b – prin modificarea debitului de ieșire.

Variația nivelului, provocată de modificarea debitului de evacuare, este sesizată de traductorul primar de nivel LE, care transmite regulatorului centralizat de nivel LC mărimea de reacție prin intermediul LT; primind și mărimea de intrare (reprezentând valoarea prescrisă a nivelului), regulatorul centralizat de nivel LC transmite abaterea convertorului curent-presiune I/pY, care comandă robinetul de reglare și modificarea debitului de admisie în sensul necesar restabilirii valorii prescrise a nivelului. Variația nivelului în rezervor (figura 6.54.) este sesizată de traductorul 1 și determină o variație a mărimii de reacție la ieșirea din traductor. Mărimea de reacție intră în elementul de comparare 2, este comparată cu mărimea de intrare și rezultă mărimea de acționare (eroarea) care intră în regulatorul 3. Regulatorul automat 3 prelucrează mărimea de acționare (eroarea) și elaborează mărimea de comandă a elementului de execuție 4, care prin intermediul robinetului modifică debitul de lichid prin conducta de alimentare, în așa fel încât nivelul să se stabilească la valoarea prescrisă.

Figura 6.54. Reglarea nivelului lichidului într-un rezervor

1 – traductor;

2 – element de comparare;

3 – regulator automat;

4 – element de execuție.

d. Reglarea temperaturii

Caracteristic pentru reglarea temperaturii este existența a două fluide în interacțiune, între care are loc un transfer de căldură prin încălzirea unui fluid și răcirea celuilalt. Transferul de căldură poate avea loc direct prin amestecarea acestora, sau prin intermediul unui perete despărțitor. Oricare ar fi situația, se pune problema reglării temperaturii de ieșire a unuia dintre fluide sau a amestecului de fluide la o anumită valoare de referință, prin modificarea corespunzătoare a debitului celuilalt fluid, sau a unuia dintre cele două fluide în cazul amestecării acestora. Transferul de căldură și modificarea temperaturii celor două medii în interacțiune, mai ales în cazul când acesta se face prin intermediul unui perete despărțitor, este foarte lent.

Figura 6.55. Reglarea temperaturii unui schimbător de căldură tubular

TRC – înregistrator-regulator centralizat de temperatură;

TI – indicator centralizat de temperatură;

TT – transmitere de temperatură;

TE – traductor primar de temperatură;

PI – indicator centralizat de presiune;

PE – traductor primar de presiune;

PT – transmitere prin presiune;

I/pY – convertor curent-presiune;

TI – indicator local de temperatură.

Durata proceselor tranzitorii este de ordinul minutelor sau zecilor de minute, de aceea inerția traductoarelor de temperatură, a regulatorului și a elementului de execuție poate fi neglijată în raport cu inerția aparatului tehnologic, care se comportă ca un filtru care atenuează efectele comenzilor sau perturbațiilor cu frecvență mare. Datorită inerției mari a procesului și preciziei ridicate care se cere în măsurarea și reglarea temperaturii, se recomandă folosirea regulatoarelor PID, PI, PD. În figura 6.55. este prezentat un sistem pentru măsurarea principalelor variabile ale unui schimbător de căldură tubular, precum si pentru reglarea automată a temperaturii de ieșire a unuia dintre fluide.

e. Reglarea pH-ului

Calitatea produselor poate fi apreciată după valoarea unor indicatori cum sunt: compoziția chimică sau concentrația unui amestec într-un component sau grup de componenți, factorul pH, densitatea, vâscozitatea, punctul de inflamabilitate ș.a.

Figura 6.56. Reglarea automată a purității produsului de la vârful unei coloane de fracționare

AE – traductor primar de concentrație;

AT – transmitere prin concentrație;

ARC – indicator-semnalizator local de

concentrație.

Sub aspectul conducerii proceselor tehnologice, reglarea calității produselor prin reglarea oricăruia dintre indicatorii menționați mai sus prezintă avantaje nete față de reglarea parametrilor de stare (temperatură, presiune ș.a.) de care aceștia depind; de aceea, interesul pentru reglarea unor astfel de variabile de calitate crește continuu, deoarece garantează obținerea produselor cu caracteristicile cerute.

Sistemele pentru reglarea calității produselor sunt în general, sisteme în care au loc procese de schimb de masă și/sau de căldură, care au loc în urma interacțiunii a cel puțin două fluxuri de materiale cu compoziție chimică și/sau cu temperaturi diferite. Schimbul de masă are loc prin amestecarea celor două fluxuri de material, iar schimbul de căldură poate avea loc și prin intermediul unui perete despărțitor. Ca exemplu se poate da sistemul pentru reglarea purității produsului de la vârful unei coloane de fracționare prin modificarea debitului de reflux rece, injectat pe talerul de la vârful coloanei (figura 6.56.).

6.5.2. Conducerea proceselor cu calculatorul

Datorită creșterii gradului de complexitate a funcțiilor echipamentelor de automatizare s-a impus utilizarea calculatorului pentru conducerea acestora.

Conducerea cu calculatorul a proceselor tehnologice reprezintă o tehnică de utilizare a calculatoarelor numerice pentru conducerea unor părți sau în totalitate a unui proces tehnologic cu scopul realizării și menținerii unor performanțe tehnice și economice deosebite. Un sistem de conducere cu calculatorul a proceselor tehnologice cuprinde întregul ansamblu de echipamente, programe pentru calculator, proceduri de operare, operatori umani care realizează împreună conducerea procesului tehnologic dat, în conformitate cu cerințele de performanță impuse.

Utilizarea calculatorului ca element al sistemului de conducere a procesului tehnologic are următoarele avantaje:

posibilitatea de a prelua și prelucra volume mari de informații;

• precizia mare de prelucrare a datelor; capacitatea de a executa calcule de complexitate ridicată și viteză mare de prelucrare a informațiilor din proces;

• posibilitatea de intervenție asupra procesului (funcționare în timp real).

Realizarea funcțiilor de conducere cu calculatorul a proceselor tehnologice impune:

memorarea cu precizie și frecvență corespunzătoare a parametrilor tehnologici semnificativi;

transmiterea cu precizie a semnalelor de măsură la echipamentul de calcul;

prelucrarea în calculator a mărimilor măsurate utilizând algoritmi convenționali și algoritmi complecși de conducere automată;

acționarea în consecință (directă sau prin operator) în timp util asupra desfășurării procesului tehnologic condus pentru menținerea lui în limitele admise de funcționare sau menținerea regimului optim de funcționare;

> furnizarea de informații corecte, suficiente și la momentul oportun către operatorul tehnologic sau către nivelele superioare de conducere a procesului de producție.

Ținând seama de funcțiile și operațiile care trebuie realizate de un sistem de conducere cu calculatorul a proceselor tehnologice, structura unui asemenea sistem conține următoarele elemente principale:

– echipamentul de calcul (unitate centrală, dispozitive periferice de intrare și de ieșire);

– echipamente de cuplare la procesul tehnologic condus (interfață industrială, traductoare ale diferiților parametri din procesul tehnologic, convertoare de semnal externe, regulatoare automate, elemente de execuție, cabluri speciale de măsură și legătură, stații de comutare calculator/manual);

– echipamente de interfață cu operatorii tehnologici (panouri, pupitre, terminale tip display etc.);

– echipamente de transmisie a datelor și de cuplare între calculatoare;

– programe pentru calculator (program de bază), programe standard, programe de aplicații);

– proceduri de operare;

– operatori umani (personalul de exploatare a instalației tehnologice, personalul de întreținere a sistemului de conducere a procesului tehnologic).

Pentru proiectarea și implementarea unui sistem de conducere cu calculatorul se impune luarea în considerare a mai multor factori cum ar fi: dimensiunea procesului, gradul de risc în exploatare, complexitatea procesului, cerințele de performanță impuse sistemului condus cu calculatorul.

Configurația generală a unui calculator de proces, reprezentată în figura 6.57., presupune existența a trei mari subsisteme:

– unitatea de memorie alcătuită din memorie, registrul tampon și registrul de adrese;

– unitatea de comandă alcătuită din registrul de comandă decodificator, contorul programului și rețeaua de comandă;

– unitatea aritmetică-logică, alcătuită din acumulator, registrul tampon și sumatorul tampon.

Figura 6.57. Configurația generală a

unui calculator de proces

Comunicarea calculatorului cu procesul se realizează prin intermediul dispozitivelor de intrare-ieșire cum sunt: perifericele generale (tastaturi, unități de discuri, imprimante, dispozitive de afișare cu tub catodic) sistemul de interfață și consola operatorului de proces. Calculatoarele de proces utilizează memorii cu adresare aleatoare. Datele și adresele circulă pe magistrale corespunzătoare, organizate ca în figura 6.58. Un element esențial al structurii unui sistem de conducere a unui proces prin calculator este consola operatorului de proces. Aceasta asigură interfața operator-proces condus, comunicarea completă, rapidă și sigură a personalului de exploatare cu procesul condus.

În funcție de tipul procesului, de gradul de cunoaștere a modelului său matematic, de natura perturbațiilor care acționează asupra procesului, de criteriile de performanță urmărite, de gradul de complexitate al procesului, se alege structura sistemului de conducere cu cele patru grupe principale de elemente (echipamente, programe pentru calculator, proceduri de operare și operatori umani).

Figura 6.58. Organizarea transferului de

date în cadrul unui calculator de proces

Ținând seama de caracteristicile proceselor tehnologice și de indicatorii tehnico-economici care trebuie realizați prin utilizarea calculatorului, în automatizarea complexă a proceselor tehnologice pot fi utilizate diferite configurații de sisteme de conducere cu calculatorul care realizează diverse funcții.

a. Calculator consultant pentru conducerea procesului tehnologic – calculatorul nu este cuplat direct la proces, ci prin intermediul operatorului care, în anumite situații, consultă calculatorul în vederea asigurării funcționării procesului la parametrii impuși. Operatorul, pe baza unor informații privind evoluția procesului, introduse în calculator, primește rezultatele unor calcule sau simulări ale acestuia, care îi permit să intervină asupra procesului direct sau asupra referinței din buclele de reglare ale diverșilor parametri. O asemenea configurație de sistem de conducere este mai rar întâlnită și anume acolo unde perturbațiile sunt relativ mari, însă au frecvență redusă.

b. Calculator pentru controlul centralizat – este destinat culegerii datelor din proces și supravegherii și desfășurării procesului tehnologic. Calculatorul măsoară și înregistrează periodic, automat, parametrii tehnologici cu ajutorul unor traductoare cuplate direct la calculator, compară valorile măsurate cu valorile limită și semnalizează abaterile generând în unele cazuri comenzi simple spre elementele de execuție corespunzătoare pentru readucerea parametrilor între limite, urmărește funcționarea corectă a utilajelor și alarmează în caz de tendințe de funcționare necorespunzătoare, elaborează periodic bilanțuri de materiale și energie, protocoale asupra funcționării și încărcării utilajelor. Prin sistemul de interfață și în concordanță cu strategia implementată prin program se realizează funcția de colectare de date și se obțin informații asupra variabilelor și stării procesului condus. Informațiile culese de la proces, înainte de a fi utilizate în calcule și afișate, sunt prelucrate astfel încât acestea să caracterizeze cât mai bine variabilele și starea procesului. Astfel este necesară corectarea erorilor sistematice în procesul de măsurare și liniarizarea caracteristicilor neliniare ale unor traductoare. Această funcție de control centralizat este simplă, însă în multe aplicații (industria energetică, chimică, metalurgică, construcții de mașini) oferă un mijloc eficient de îmbunătățire a conducerii procesului tehnologic permițând menținerea procesului în limitele de funcționare admisibile.

c. Calculator de supervizare a procesului – preia în plus față de funcțiunile de culegere a datelor din proces și de supraveghere a desfășurării în timp a procesului tehnologic și următoarele funcțiuni suplimentare:

interpretează datele culese din proces, calculează valorile unor parametri măsurabili direct și a unor indicatori tehnici și economici (randamente, consumuri specifice realizate, preț realizat) inclusiv tendințele (calcul de gradienți (variație pe unitatea de lungime a unei mărimi scalare), comparare cu limite a gradienților);

elaborează indicații sub formă de ghiduri de conducere pe baza cărora operatorul tehnolog poate îmbunătăți desfășurarea procesului în sensul apropierii de regimul optim;

• elaborează pe baza informațiilor primite și a tendințelor de variație a unor parametri, referințe pentru regulatoarele automate existente în cadrul automatizării convenționale.

Modul de utilizare a calculatorului este de complexitate medie și eficient în multe aplicații industriale, în special pentru procese supuse unor perturbații de frecvență mare.

d) Conducerea numerică directă a proceselor (CND) – în acest caz acționează direct asupra procesului tehnologic, fără intervenția operatorului tehnolog, fiind cuplat direct sau indirect cu elemente de execuție care acționează asupra procesului. Cu o asemenea configurație se poate realiza reglarea normală cu reacție și cu predicție, optimizarea statică și dinamică a procesului, comanda secvențială (porniri, opriri). Această configurație conduce la o eficacitate maximă a utilizării calculatorului dar presupune eforturi apreciabile de cercetare a procesului, de identificare cu mare precizie a modelului matematic al procesului tehnologic condus, de stabilire a algoritmului de conducere optimală, de asigurare a funcționării cu o înaltă fiabilitate. Mărimile caracteristice ale procesului sunt măsurate cu ajutorul traductoarelor și convertite în semnale numerice compatibile cu intrarea în calculator. Introducerea semnalelor în calculator, precum și transmiterea semnalelor spre elementele de execuție se realizează prin intermediul sistemului de interfață. Pe baza datelor obținute în mod nemijlocit de la punctele de măsurare, în această configurație, calculatorul ia decizii fără intervenția operatorului uman. Calculatorul poate interveni asupra referințelor regulatoarelor deja existente sau poate acționa direct asupra elementelor de execuție. În cazul conducerii directe, regulatoarele convenționale sunt înlocuite prin module software, iar funcțiile lor sunt exercitate prin rularea unor programe sau subprograme. Calculatorul transmite semnale numerice directe la elementele de execuție de tip pas cu pas sau alte elemente de execuție a căror intrare este numerică.

6.5.3. Automatizări complexe

În figura 6.59. este prezentată automatizarea complexă a unei clădiri de locuit (pensiune turistică).

În figura 6.60. este prezentată automatizarea complexă a unei ferme de producție a ouălor formată din trei hale.

Figura 6.59. Automatizarea complexă a unei clădiri

Figura 6.60. Automatizarea complexă a unei ferme de producție a ouălor