Cresterea Performantelor Tehnico Economice Si Ecologice ale Cuptoarelor de Incalzire de Tip Camera

Economie

Cresterea Performantelor Tehnico Economice Si Ecologice ale Cuptoarelor de Incalzire de Tip Camera

Byadmin ianuarie 1, 2024

Cresterea performantelor tehnico- economice si ecologice ale cuptoarelor de incalzire de tip camera, din industria materialelor metalice, prin modernizarea recuperatoarelor de caldura de radiatie.

CUPRINS

1.Introducere.

2. Studiul recuperării căldurii gazelor arse la cuptoarele de incălzire de tip camera, din industria materialelor metalice.

2.1.Clasificarea cuptoarelor de incălzire utilizate în industria materialelor metalice.

2.2. Performante tehnico-economice si ecologice ale cuptoarelor de incălzire utilizate în industria materialelor metalice.

2.3.Model matematic de audit energetic si ecologic al cuptoarelor de incălzire utilizate în industria materialelor metalice.

2.4.Soluții și instalații de recuperare a căldurii fizice a gazelor arse din cuptoarele de incălzire.

2.5. Analiza tehnico-economică si ecologica a soluțiilor de recuperare în direcția tehnologică a căldurii fizice a gazelor arse evacuate din cuptoarele de incălzire.

3. Model matematic si program de calculator propriu pentru dimensionarea recuperatoarelor de caldura tip radiatie utilizate la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

3.1 Modele matematice pentru dimensionarea recuperatoarelor de caldura de radiatie prezentate in literatura de specialitate.

3.2. Model matematic propriu pentru dimensionarea recuperatoarelor de caldura de radiatie utilizate la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

3.3.Program de calculator propriu pentru dimensionarea recuperatoarelor de caldura de radiatie utilizate la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

4.Conceperea si proiectarea unui nou tip de recuperator de caldura de radiatie utilizat la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

4.1.Variante constructive si caracteristici tehnice ale recuperatoarelr de radiatie ce doteaza cuptoarele de incălzire tip camera.
4.2. Descrierea unui nou tip de recuperator de caldura de radiatie ( preincalzitor de aer ) conceput pentru a fi utilizat la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

4. 3. Dimensionarea noului tip de recuperator de caldura de radiatie, utilizat la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice, cu ajutorul programului propriu de calculator.

4.4.Alegerea materialelor utilizate la executia recuperatorului de radiatie.

5. Realizarea si experimentarea noului tip de recuperator de caldura de radiatie utilizat la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

5.1. Aspecte referitoare la executia recuperatorului de radiatie, din p.d.v. al materialelor utilizate.

5.1.Aspecte referitoare la montajul recuperatorului de caldura de radiatie pe un cuptor de incălzire tip camera.

5.2. Rezultate experimentale obtinute pe recuperatorul de caldura de radiatie utilizat la cuptoarele de incalzire si stabilirea variantei optimizate ( unghiul si pasul elicei, grosimea elicei, etc.).

5.3. Compararea rezultatelor experimentale cu cele obtinute prin rularea programului de calculator si definitivarea programului de calcul.

6. Performantele tehnico-economice si ecologice ale noului tip de recuperator de caldura de radiatie utilizat la cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice.

6.1.Aplicarea modelului matematic de audit energetic si ecologic la cuptorul de incălzire dotat cu noul tip de recuperator de caldura de radiatie.

6.2.Analiza materialelor utilizate la executia recuperatorului de radiatie.

6.3. Performante tehnico-economice si ecologice ale cuptorului de incălzire dotat cu noul tip de recuperator de caldura de radiatie.

7.Concluzii, contributii proprii si noi directii de cercetare.

Bibliografie.

1.Introducere.

La mijlocul anului 2005 Comisia Europeană a finalizat cartea verde a eficienței energiei a cărei deviză este “Producem mai mult cu mai puțin”.

Este unanim acceptată ideea că volatilitatea și creșterea prețului petrolului conduce la reducerea indicatorilor de dezvoltare economică prognozați fapt ce produce o puternică presiune pentru dezvoltarea unor programe cuprinzătoare de promovare a eficienței energetice la toate nivelurile societății europene.

Deoarece pe baza prognozelor actuale de dezvoltare Europa va fi dependentă de importul de hidrocarburi în proporție de peste 80% (la petrol fiind o situație și mai dramatică) este practice imposibil de făcut o predicție privind prețurile petrolului și gazelor pe termen mediu cu atât mai mult dacă și consumul țărilor în curs de dezvoltare va crește în ritmul actual. În consecință va fi dificil de controlat nivelul prețurilor la petrol, iar prețul înalt al petrolului lovește cel mai puternic în statele sărace și în special asupra celor în curs de dezvoltare.

În aceste condiții este imperios necesar un efort real pentru limitarea necesarului de energie la nivelul actual ca prim pas urmând ca în viitor să continue reducerea acestuia. Numai o astfel de politică coerentă și echilibrată poate asigura securitatea alimentării cu energie a țărilor europene.

O astfel de politică europeană ar avea, pe lângă importantul efect economic, meritul unei noi abordări prin concentrarea spre necesitatea creșterii reale a competitivității, dezvoltării durabile și securității în alimentarea cu energie.

Este de subliniat influența benefică directă pe care o are creșterea eficienței energetice asupra schimbărilor climatice. Din acest punct de vedere creșterea explozivă a necesarului de energie în țările în curs de dezvoltare, cu consecințele directe asupra încălzirii globale, nu pot fi combătute decât prin creșterea eficienței energetice în procesele de producere și consum de energie.

Strategia Uniunii Europene privind dezvoltarea durabilă prevede o politică de integrare a obiectivelor sociale, economice și de mediu. Sectorul energetic are o legătură strânsă cu toate cele trei obiective fapt ce impune ca cercetarea și dezvoltarea tehnologică să sprijine tranziția către o alimentare cu energie durabilă prin economisirea energiei și extinderea utilizării surselor regenerabile.

Pe plan mondial preocupările generalizate privind dezvoltarea energetică durabilă s-au concretizat în implementarea unor soluții care au condus la creșterea eficienței energetice atât în procesele de producere a energiei dar, mai pregnant, în procesele consumatoare.

Este fapt cunoscut că în țările dezvoltate prin astfel de acțiuni s-a reușit decuplarea creșterii PIB de creșterea consumului de resurse energetice pentru realizarea lui.

Strategia națională de dezvoltare energetică a țării noastre trebuie să prevadă ca în viitor eforturile principale să fie dirijate spre programe de conservare a energiei, fapt ce impune implementarea unor soluții și tehnologii noi care să permită reducerea decalajului țării noastre față de țările dezvoltate și totodată să detensioneze actuala situație privind costurile pentru resurse energetice din import.

Eficiența energetică prezintă un interes din ce în ce mai mare pentru sectorul industrial. Acest interes este motivat de o serie de evenimente începând cu creșterea continuă a prețului energiei în perioada ultimilor ani, volatilitatea mărită a prețului energiei, dereglementarea pieței de energie și nu în ultimul rând prin recenta intrare în vigoare a Protocolului de la Kyoto.

Costurile cu energia reprezintă o cotă importantă din costurile globale de producție în cea mai mare parte din sectoarele industriale. În același timp unele sectoare trebuie să facă față unei concurențe acerbe pe piață și în consecință să opereze cu profituri foarte reduse. Eficiența energetică poate fi una din cele mai bune căi de abordare a problemei creșterii profitului unui agent economic cunoscând că și cele mai performante tehnologii și echipamente consumă mai multă energie decât este strict necesară procesului industrial. Experiența țărilor dezvoltate arată că economii de energie de ordinul 15÷30 % pot fi realizate cu indicatori financiari acceptabili. Rezultă că în industrie există un potențial uriaș de reducere a costurilor proprii cu energia și a impactului asupra mediului prin identificarea și corectarea ineficiențelor proceselor industriale.

Există o serie de de metode de îmbunătățire a eficienței energetice a proceselor industriale între care un rol primordial este jucat de bilanțurile energetice. Bilanțul energetic reprezintă procedura de colectare și analiză a datelor referitoare la consumul de energie în scopul stabilirii cât mai precise a structurii sale pentru o unitate industrială, instalație sau echipament și de identificare a posibilităților de economisire a energiei.

Pentru reducerea consumului de energie în industrie în țările dezvoltate au fost desfășurate ample studii care s-au finalizat prin realizarea unor ghiduri pentru informarea și instruirea agenților economici în autoevaluarea eficienței energetice și prezentarea unor soluții de succes posibil de aplicat în propriile intreprinderi pentru diminuarea costurilor cu energia. Aceste ghiduri sunt specializate pe tipuri de ramuri industriale și tehnologii.

Ghidurile permit agenților economici să identifice și să evalueze economiile de energie prin oferirea unor recomandări legate de tehnologii sau echipamente specifice fiecărui domeniu industrial cu mari consumatori de energie.

Realizarea și în țara noastră a unor astfel de documentații și diseminarea lor sistematică este de natură să asigure aplicarea reglementărilor în vigoare și creșterea competitivității în ramurile industriale mari consumatoare de energie și împlicit la reducerea importurilor de resurse energetic din ce în ce mai costisitoare.

2. Studiul recuperării căldurii fizice a gazelor arse la cuptoarele incălzire.

2.1.Clasificarea cuptoarelor de incălzire utilizate în industria materialelor metalice.

Cuptorul industrial este o instalatie energotehnologica în care prin actiunea caldurii se atribuie unui produs sau unui material anumite însusiri fizice sau chimice necesare pentru prelucrarea ulterioara sau pentru elaborarea lui ca produs finit.

Utilizarea cuptoarelor se face preponderant in:

• Industria constructoare de masini (marirea plasticitatii, turnarea,modificarea compozitiei chimice, tratament termic);

• Industria metalurgica feroasa si neferoasa (fonta, otel, încalzirealingourilor înainte de laminare);

• Industria sticlei, portelanului, faiantei, caramizilor refractare, acimentului, etc.

Varietatea proceselor metalurgice și diversitatea tehnologiilor specifice unui proces a generat de-a lungul timpului apariția unor numeroase tipuri de cuptoare de industriale a căror clasificare este foarte greu de realizată. Totuși luând în considerare anumiți factori putem face o clasificare:

Dupa destinatia tehnologica

cuptoare metalurgice ( laminare);

cuptoare pentru industria constructoare de masini (tratamente

termice, forja);

cuptoare pentru obtinerea cimentului;

cuptoare pentru arderea materialelor ceramice.

Dupa procesele care au loc în cuptor

cuptoare de topire (furnale, cuptoare electrice, cuptoare cu

creuzete, cuptoare de topit sticla);

cuptoare de încalzire (recoacere, calire, ardere);

cuptoare de uscare (uscatoare).

c) Dupa regimul termic

cu regim de temperatura si flux termic constant în timp (cuptoare

cu bazin pentru topirea sticlei, cuptoare tunel cu functionare

continua);

cu regim de temperatura constant si cu flux termic variabil

(cuptoare cu functionare continua si încarcare intermitenta);

cu regim de temperatura variabil si cu flux termic constant

(cuptoare circulare de tip Hoffman);

cu regim de temperatura si flux termic variabil (cuptoarele cu

functionare intermitenta).

Dupa sursa de caldura

cuptoare cu combustibil solid (în strat sau pulverizat);

cuptoare cu combustibil lichid;

cuptoare cu combustibil gazos;

cuptoare cu amestec de combustibil (lichid si gaz sau solid si gaz);

cuptoare electrice.

Dupa modul de transmisie a caldurii

cuptoarerocedura de colectare și analiză a datelor referitoare la consumul de energie în scopul stabilirii cât mai precise a structurii sale pentru o unitate industrială, instalație sau echipament și de identificare a posibilităților de economisire a energiei.

Pentru reducerea consumului de energie în industrie în țările dezvoltate au fost desfășurate ample studii care s-au finalizat prin realizarea unor ghiduri pentru informarea și instruirea agenților economici în autoevaluarea eficienței energetice și prezentarea unor soluții de succes posibil de aplicat în propriile intreprinderi pentru diminuarea costurilor cu energia. Aceste ghiduri sunt specializate pe tipuri de ramuri industriale și tehnologii.

Ghidurile permit agenților economici să identifice și să evalueze economiile de energie prin oferirea unor recomandări legate de tehnologii sau echipamente specifice fiecărui domeniu industrial cu mari consumatori de energie.

Realizarea și în țara noastră a unor astfel de documentații și diseminarea lor sistematică este de natură să asigure aplicarea reglementărilor în vigoare și creșterea competitivității în ramurile industriale mari consumatoare de energie și împlicit la reducerea importurilor de resurse energetic din ce în ce mai costisitoare.

2. Studiul recuperării căldurii fizice a gazelor arse la cuptoarele incălzire.

2.1.Clasificarea cuptoarelor de incălzire utilizate în industria materialelor metalice.

Cuptorul industrial este o instalatie energotehnologica în care prin actiunea caldurii se atribuie unui produs sau unui material anumite însusiri fizice sau chimice necesare pentru prelucrarea ulterioara sau pentru elaborarea lui ca produs finit.

Utilizarea cuptoarelor se face preponderant in:

• Industria constructoare de masini (marirea plasticitatii, turnarea,modificarea compozitiei chimice, tratament termic);

• Industria metalurgica feroasa si neferoasa (fonta, otel, încalzirealingourilor înainte de laminare);

• Industria sticlei, portelanului, faiantei, caramizilor refractare, acimentului, etc.

Varietatea proceselor metalurgice și diversitatea tehnologiilor specifice unui proces a generat de-a lungul timpului apariția unor numeroase tipuri de cuptoare de industriale a căror clasificare este foarte greu de realizată. Totuși luând în considerare anumiți factori putem face o clasificare:

Dupa destinatia tehnologica

cuptoare metalurgice ( laminare);

cuptoare pentru industria constructoare de masini (tratamente

termice, forja);

cuptoare pentru obtinerea cimentului;

cuptoare pentru arderea materialelor ceramice.

Dupa procesele care au loc în cuptor

cuptoare de topire (furnale, cuptoare electrice, cuptoare cu

creuzete, cuptoare de topit sticla);

cuptoare de încalzire (recoacere, calire, ardere);

cuptoare de uscare (uscatoare).

c) Dupa regimul termic

cu regim de temperatura si flux termic constant în timp (cuptoare

cu bazin pentru topirea sticlei, cuptoare tunel cu functionare

continua);

cu regim de temperatura constant si cu flux termic variabil

(cuptoare cu functionare continua si încarcare intermitenta);

cu regim de temperatura variabil si cu flux termic constant

(cuptoare circulare de tip Hoffman);

cu regim de temperatura si flux termic variabil (cuptoarele cu

functionare intermitenta).

Dupa sursa de caldura

cuptoare cu combustibil solid (în strat sau pulverizat);

cuptoare cu combustibil lichid;

cuptoare cu combustibil gazos;

cuptoare cu amestec de combustibil (lichid si gaz sau solid si gaz);

cuptoare electrice.

Dupa modul de transmisie a caldurii

cuptoare în care caldura se transmite materialului supus prelucrarii datorita arderii combustibilului solid care se amesteca cu materialul;

cuptoare la care caldura se transmite materialului de la gazele deardere (cuptoare cu flacara);

cuptoare în care caldura se transmite materialului prin peretiicamerelor sau ai vaselor în care se afla;

cuptoare în care caldura se degaja în materialul supus prelucrarii, datorita reactiilor exoterme;

cuptoare electrice în care caldura se transmite materialului prin radiatie de la un arc electric sau de la o rezistenta, prin conductive de la rezistenta, prin convectie si radiatie de la gazele încalzite la rezistenta, prin radiatie si conductie de la peretii încalziti de rezistenta si prin trecerea curentului electric direct prin material.

Dupa constructia camerei de lucru

cuptoare verticale;

cuptoare cu camere;

cuptoare cu vatra (fixa sau mobila);

cuptoare cilindrice rotative orizontale sau usor înclinate (5-10°);

cuptoare tunel;

cuptoare cu creuzete;

cuptoare cu bazin.

Cuptoarele de încălzire lucrează la la temperaturi cuprinse între 700 – 1400ºC și încălzesc semifabricatele în vederea deformării ulterioare la cald.

Cele mai frecvent întâlnite cuptoare de încălzire sunt [1]:

Cuptoare de încălzire tip cameră cu vatră fixă;

Cuptoare de încălzire tip cameră cu vatră mobilă;

Cuptoare de încălzire cu vatră pășitoare;

Cuptoare de încălzire cu propulsie;

Cuptoare de încălzire adânci;

Cuptoare de încălzire rotative cu vatră pășitoare.

2.2. Performante tehnico-economice si ecologice ale cuptoarelor de incălzire utilizate în industria materialelor metalice.

Exemple de cuptoare de incalzire sunt prezentate in figurile de mai jos:

Bilantul energetic, prin stabilirea detaliata a cantitatilor de caldura si indicii tehnico-economici, reprezinta mijlocul cel mai eficient de identificare a cailor de economisire si rationalizare a consumului de combustibili.

Modelul matematic al bilantului energetic al cuptoarelor de forja exprima principiul conservarii energiei conform relatiei:

(1)

in care si sunt cantitati de caldura intrate, respective iesite, prin raport cu conturul stabilit pentru bilant.Cantitatile de caldura si se calculeaza cu relatii ce se gasesc in capitolul 2 in functie de anumiti parametri.

Prin aplicarea modelului matematic, utilizand parametri masurati direct pe cuptorul de forja in functiune, se obtine bilantul energetic real.

Masurile tehnico-organizatorice , rezultate in urma analizei bilantului energetic real, conduc la economii de energie care , scazute din componentele de pierdere de energie stabilite in bilantul real, determina unele din cantitatile de caldura ale bilantului enegetic optim.Celelalte componente se obtin din relatia (2):

(2)

in care este debitul optim de combustibil.

Modelul matematic a fost conceput astfel incat sa poata fi utilizat atat la cuptoarele de forja cu functionare continua , cat si la cele cu functionare discontinua. De asemenea, modelul matematic tine cont de situatiile in care cuptoarele de forja sunt prevazute sau nu cu preincalzitoare de aer, facand atat bilanturi separate pe cuptor si recuperator , cat si pe conturul care cuprinde cuptorul si recuperatorul impreuna.Pe baza datelor obtinute din masuratorile efectuate pe cuptorul de forja si pe recuperatorul in functiune si a celorlalti parametri care intervin in calcule, folosind relatia (1), se efectueaza bilanturile energetice reale ale cuptorului, recuperatorului si bilantul general, stabilind detaliat cantitatile de caldura intrate si iesite , suma caldurilor intrate, suma caldurilor iesite si indicii tehnico- economici, pentru fiecare contur in parte.

Pe de alta parte , pentru realizarea bilantului energetic optim , modelul matematic contine anumite relatii general valabile, unele din ele rezultand din urmatoarele ipoteze:

-arderea este completa ;

-debitul de aer intodus in instalatia de ardere este egal cu cel iesit din preincalzitorul de aer si se determina din ecuatiile de ardere complete la coeficientul de exces de aer la intrarea in instalatia de ardere impus;

-pierderile de caldura prin peretii recuperatorului sunt de ordinal de marime a erorii de inchidere a bilantului recuperatorului.

Pe baza acestor ipoteze si a valorilor parametrilor modificati in urma analizei bilantului energetic real, dintr-o relatie de tipul (2), in care se presupune ca temperatura gazelor arse la iesirea din cuptor este egala cu cea din bilantul energetic real, se determina debitul optim de combustibil.

În terminologia uzitată în cadrul bilanțului termic (energetic) se folosește termenul de contur de bilanț, prin care se înțelege suprafața închisă față de ale cărei limite se consideră intrările și ieșirile de energie (fig.3). Conturul bilanțului trebuie să corespundă, evident, cu conturul fizic al cuptorului. Dacă acesta este echipat cu instalație de recuperare a resurselor energetice secundare, conturul bilanțului se extinde și asupra acestora. Totuși, se întocmesc bilanțuri termice atât asupra cuptorului propriu-zis, cât și, separat, asupra acestor instalații, pentru a se pune în evidență modul de utilizare a energiei în fiecare dintre acestea.

Fig.3. Contururi de bilanț:

1- bilanțul termic a unei porțiuni din cuptor; 2- bilanțul termic al cuptorului; 3- bilanțul termic al recuperatorului; 4- bilanțul termic al cuptorului și recuperatorului.

Bilanțul termic poate fi:

– de proiect, care se întocmește pe bază de calcule teoretice la proiectarea agregatului termic și are ca scop stabilirea necesarului de energie termică pentru funcționarea agregatului termic proiectat (debitul de combustibil, puterea electrică etc.);

– real, care arată valorile efective ale capitolelor de bilanț ale unui agregat existent, punând în evidență atât imperfecțiunile constructive ale agregatului, cât și regimul, mai mult sau mai puțin corespunzător, de exploatare al acestuia;

– optim, care prevede valorile pe care ar trebui să le ia diferite capitole de bilanț referitoare la pierderi și pe bază căruia se pot preconiza măsuri de îmbunătățire a construcției și modului de exploatare a cuptorului în special de recuperare a resurselor energetice secundare;

– normat, indicând valorile admisibile ale diferitelor capitole de bilanț, valori ce țin cont atât de situațiile reale de construcție și exploatarea cuptorului într-o etapă dată, cât și de posibilitățile și necesitățile de îmbunătățire.

Rezultă că bilanțul de proiect trebuie să aibă caracter de bilanț optim, ca și faptul că bilanțul normat trebuie să tindă spre cel optim.

În cadrul bilanțului termic, cantitățile de energie termică se exprimă prin raportare la ora de funcționare a cuptorului [kJ/h], în cazul când acesta are regim de funcționare continuu și prin raportare la durata unui ciclu de funcționare [kJ/ciclu], în cazul funcționării discontinue a cuptorului (prin ciclu se înțelege durata de la pornirea cuptorului, până la oprirea alimentării cu energie).

Capitolele de bilanț se pot determina:

pe bază de calcule teoretice;

pe bază de date statistice;

pe bază de măsurători efectuate special în acest scop;

combinând metodele de mai sus.

De exemplu, bilanțul de proiect se întocmește, mai ales, pe bază de calcule teoretice, în timp ce bilanțul real are la bază măsurători ( debit de combustibil și de aer de combustie, energie electrică absorbită, temperaturi, compoziția chimică a gazelor de ardere etc.).

Bilanțul optim, care se întocmește pentru un cuptor cu bilanțul real încheiat deja, are la bază, pe lângă rezultatele bilanțului real, calcule și date statistice. Bilanțul normat se bazează, mai ales, pe elemente satistice.

2.3.1. Calculul caldurilor din cadrul bilanțului termic

Căldurile intrate în bilanț:

Q1- căldura chimică a combustibilului, calculată cu relația:

, [kcal/t]

în care:

DC – debitul orar de combustibil [Nm3/h];

HI – puterea calorică inferioară a combustibilului [kcal/Nm3];

PP – productivitatea cuptorului [t/h].

Q2- căldura sensibilă a combustibilului, calculată cu relația:

, [kcal/t]

TC – temperatura combustibilului [0C];

CP – căldura specifică medie a diferitelor componente ale combustibilului gazos [kcal/kg 0C] sau [kcal/Nm3 0C];

PVi – participațiile procentuale volumetrice ale diferitelor componente ale combustibilului gazos [%].

Q3 – căldura fizică a încărcăturii, calculată cu relația:

Q3= , [kcal/t].

în care:

GP – greutatea la intrarea în cuptor a materialului din care rezultă produsul principal [t/h] sau [t/șarjă];

TPG – temperatura la intrarea în cuptor a materialului din care rezultă produsul principal [C];

CPG – căldura specifică medie a acestui material [kcal/kgC];

Q4 – căldura introdusă în aerul de combustie, calculată cu relația:

Q4=Q41+QAS, [kcal/t]

Q41 – căldura sensibilă a aerului de combustie, calculată cu relația:

Q41=, [kcal/t]

în care:

DA – debitul de aer introdus în cuptor prin instalația de ardere [Nm3/h];

TAER – temperatura aerului la intrare în cuptor [C];

CAER – căldura specifică medie a aerului introdus [kcal/Nm3C];

QAS – căldura aerului aspirat în cuptor, calculată cu relația:

QAS=, [kcal/t]

în care:

V – volumul de aer umed intrat în cuptor, raportat la Nm3 de combustibil [Nm3/Nm3]

CAM – căldura specifică a aerului la temperatura ambiantă TAM [kcal/Nm3C].

Q5 – căldura degajată în urma reacțiilor exoterme, calculată cu relația:

Q5=, [kcal/t]

în care:

– căldura medie degajată în urma oxidării unui kilogram de oțel [kcal/t].

Caldurile iesite din bilant

Q6 – căldura sensibilă a produsului principal la ieșirea din cuptor, calculată cu relația:

Q6=CPPTPP, [kcal/t]

în care:

CPP – căldura specifică medie a produsului principal la ieșirea din cuptor [kcal/kgC];

TPP – temperatura produsului principal la ieșirea din cuptor [C].

Q7 – căldura pierdută prin pereți și vatră, calculată cu relația:

Q7=, [kcal/t]

în care:

SPERi – suprafața peretelui i [m2];

TPERi – temperatura exterioară a peretelui i [C];

TAM – temperatura mediului ambiant [C];

ALFAi – coeficientul de transmisia a căldurii de la peretele i la mediul ambiant calculat cu relațiile:

ALFAi = 6,8+0,046TPERi, pentru pereți din zidărie nevopsită;

ALFAi = 6+0,037TPERi, pentru pereți vopsiți cu vopsea de aluminiu.

Q8 – căldura radiată prin neetanșeități, calculată cu relația:

,

, [kcal/t].

în care:

COEFi – coeficient de diafragmare pentru orificiul i;

SUPOi – suprafața orificiului i [m2];

TIMPi – timpul de radiație prin orificiul i [min];

TGOi – temperatura de radiație prin orificiul i [C].

Q9 – căldura pierdută la coș, calculată prin relația:

Q9=, [kcal/t].

în care:

VGA – volumul de gaze de ardere umede raportat la Nm3 de combustibil [Nmc/Nmc]

VGOi – volumul de gaze răbufnite prin orificiul i [Nm3/h];

IGA – entalpia gazelor evacuate din cuptor [kcal/Nm3].

Q10 – căldura chimică a gazelor arse la ieșirea din cuptor, calculată cu relația:

, [kcal/t].

în care:

VGAU – volumul de gaze de ardere uscate, raportat la Nm3 de combustibil [Nm3/Nm3]

CO – conținutul procentual de oxid de carbon nears [%];

H2 – conținutul procentual de hidrogen nears [%];

CH4 – conținutul procentual de metan nears [%].

Q11 – căldura pierdută prin răbufniri, calculată cu relația:

Q11=, [kcal/t]

în care.

IGOi – entalpia totală a gazelor răbufnite [kcal/Nm3].

Q12 – căldura sensibilă a gazelor la intrarea în preîncălzitorul de aer, calculată cu relația:

, [kcal/t].

în care:

VGI – volumul de gaze de ardere umede raportat la Nmc de combustibil la intrarea în preîncălzitor [Nm3/Nm3];

EGI – entalpia gazelor de ardere la intrarea în preîncălzitor [kcal/Nm3].

Q13 – căldura chimică a gazelor arse la intrarea în peîncălzitor, calculată cu relația:

, [kcal/t].

în care:

VGAUI – volumul de gaze de ardere uscate raportat la Nm3 de combustibil la intrare în preîncălzitor [Nm3/Nm3];

CO3 – conținutul procentual de oxid de carbon din gazele arse la intrare în preîncălzitor [%];

H23 – conținutul procentual de hidrogen din gazele arse la intrarea în preîncălzitor [%];

CH43 – conținutul procentual de metan din gazele arse la intrarea în preîncălzitor [%];

Q14 – căldura aerului aspirat pe traseul gazelor de ardere până la intrarea în preîncălzitor, calculată cu relația:

, [kcal/t].

în care:

VI – volumul de aer umed la intrarea în preîncălzitor, raportat la Nm3 de combustibil [Nm3/Nm3].

Q15 – căldura sensibilă a gazelor la ieșirea din preîncălzitor, calculată cu relația:

, [kcal/t].

în care:

VGE – volumul de gaze de ardere umede raportat la Nm3 de combustibil la ieșirea din preîncălzitor [Nm3/Nm3];

EGE – entalpia gazelor de ardere la ieșirea din preîncălzitor [kcal/Nm3].

Q16 – căldura chimică a gazelor arse la ieșirea din preîncălzitor, calculată cu relația:

,[kcal/t]

în care:

VGAUE – volumul de gaze de ardere uscate raportat la Nm3 de combustibil la ieșirea din preîncălzitor [Nm3/Nm3];

CO4 – conținutul procentual de oxid de carbon din gazele arse la ieșirea din preîncălzitor [%];

H24 – conținutul procentual de hidrogen din gazele arse la ieșirea din preîncălzitor [%];

CH44 – conținutul procentual de metan din gazele arse la ieșirea din preîncălzitor [%].

Q17 – căldura aerului aspirat pe traseul gazelor de ardere până la ieșirea din preîncălzitor, calculată cu relația:

, [kcal/t].

în care:

VE – volumul de aer umed la ieșirea din preîncălzitor, raportat la Nmc sau kg de combustibil [Nm3/Nm3].

Q18 – căldura acumulată în zidărie, calculată cu relația:

Q18=, [kcal/t].

în care:

VZi – volumul stratului de zidărie i [m3];

GZi – densitatea stratului de zidărie i [kg/m3];

CPZi – căldura specifică medie a stratului de zidărie i [kcal/kgC];

TZIi – temperatura medie a stratului de zidărie i la începutul șarjei [C];

TZFi – temperatura medie a stratului de zidărie i la sfârșitul șarjei [C];

tinc – timpul total de încălzire a șarjei [h].

Q19 – căldura sensibilă a arsurii, calculată cu relația:

Q19=, [kcal/t].

în care:

CARS – căldura specifică a arsurii [kcal/kgC];

TARS – temperatura arsurii [C].

2.4. Soluții și instalații de recuperare a căldurii fizice a gazelor arse din cuptoarele de incălzire.

Sectorul industriei materialelor metalice trebuie să facă față principalelor provocări ce se manifestă la nivel intern și global: reducerea consumurilor energetice, creșterea competitivității economice și reducerea impactului asupra mediului. Aceste provocări sunt deosebit de importante, în condițiile în care România trebuie să recupereze decalajul de performanță economică față de țările dezvoltate ale UE.

O contribuție majoră la realizarea acestor obiective o are creșterea eficienței energetice, unul dintre elementele prioritare ale politicii energetice românești.

Industria metalurgică – o activitate tradițională cu aparente dezavantaje date de energointensivitate, dar și de necesarul ridicat de materii prime din import – reprezintă totuși o activitate importantă pentru prezentul și viitorul industriei românești. Restructurarea și privatizarea i-au redus volumul de activitate – producția ramurii se situează în prezent la circa 65% din producția din 1990 – dar i-au îmbunătățit sensibil eficiența și competitivitatea. Ca urmare, acest sector are capacitatea de a-și spori contribuția la dezvoltarea economică, tendință favorizată de altfel, de expansiunea industriei constructoare de mașini, principala ramură beneficiară a producției metalurgice. De asemenea, amplul program de investiții și construcții îi vor asigura – pe termen mediu și lung – condiții favorabile pentru creșterea producției. De altfel, circa 20% din resursele de produse metalurgice (producție internă + import) sunt destinate acestor activități (aproximativ în proporție egală).

Dat fiind specificul acestei ramuri, principalul parametru de reflectare a eficienței și competitivității îl reprezintă reducerea consumului specific de energie și materii prime.

În cadrul proceselor tehnologice din industria materialelor metalice se utilizează forme de energie de proveniență diferită.Astfel, energia , poate avea o sursă exterioară procesului respectiv :

– arderea combustibilului;

– direct sub formă de energie electrică sau căldură.

Utilizarea eficientă a energiei poate fi pusă în evidență prin gradul de conversie în efect util în cadrul instalațiilor tehnologice.

Procesele tehnologice din industria materialelor metalice sunt însoțite de pierderi inevitabile de energie. Aceste cantități de energie rezultate ca produse secundare sunt caracterizate de un potențial energetic reutilizabil și le putem denumi resurse energetice secundare ( r.e.s.). R.e.s. rezultă dintr-un proces tehnologic primar ca produse secundare ale acestuia, făcând parte din categoria de disipări energetice ale

procesului sau agregatului respectiv. Definirea și calculul r.e.s. se face pentru un contur de referință, (care conține sistemul considerat) și pentru un interval de timp (stabilit pentru studiu).

Cauzele apariției r.e.s. sunt imperfecțiunile de natură energetică ale proceselor care se derulează considerat.Cu cât este mai mare conținutul de energie al r.e.s., cu atât procesele care au loc în sistem au randamente energetice mai mici. Rezultă că nivelul resurselor energetice secundare este un “barometru” din punct de vedere energetic al procesului.

Conținutul de energie al resurselor energetice secundare, care nu se recuperează, se disipă în mediul exterior. Se impune deci ca procesele tehnologice să se desfășoare astfel încât cantitățile de r.e.s. rezultate, respectiv disipările de energie, să fie cât mai mici. Aceasta are ca efect și reducerea poluării mediului. Din considerente tehnice și de eficiență economică ,nu pot fi utilizate decât o parte din r.e.s.

Analiza recuperării resurselor energetice secundare care rezultă în urma procesului tehnologic, se face la un moment dat de timp, caracterizat de anumite condiții tehnice și economice.Datorită acestor condiții , din valoarea totală a r.e.s., numai o cotă parte din conținutul energetic al r.e.s. va putea fi reutilizată eficient din punct de vedere tehnico- economic, constituind așa numitele resurse energetice refolosibile( r.e.r.)

Directiile posibile de recuperare a r.e.s. sunt de natură :

-tehnologică;

-energetică;

-tehnologică și energetică.

Recuperarea în direcție tehnologică se poate aplica atunci când utilizarea energiei recuperate se face direct în procesul tehnologic din care au rezultat r.e.s. Principalele caracteristici ale acestui tip de recuperare sunt:

– utilizarea energiei recuperate se face direct în cadrul agregatului .Prin includerea în fluxul tehnologic a recuperatorului cât mai aproape de locul producerii r.e.s. se pot evita pierderile de energie prin transport, asigurându-se un grad ridicat de recuperare dar, limitele existente în această direcție sunt de natură termodinamică și tehnico- economică în ceea ce priveste dimensionarea recuperatorului.

– economisirea combustibilului și creșterea productivității reflectate sub aspect energetic și economic la nivelul cuptorului;

– prin includerea recuperatorului în fluxul tehnologic, această soluție de recuperare nu necesită cheltuieli suplimentare de exploatare.

Recuperarea în direcție energetică se aplică în cazul în care energia recuperată se utilizează în afara procesului tehnologic din care au rezultat r.e.s.

Conceperea și includerea recuperatoarelor direct în fluxul tehnologic contribuie la modernizarea proceselor tehnologice.Prin procedeele de valorificare a r.e.s. , cum ar fi recircularea gazelor de ardere se mărește durata de funcționare a agregatului ( cuptorului de incalzire), scăzând solicitările termice la care sunt supuse părțile componente.

Sub aspect economic , efectele imediate sunt determinate în primul rând de economia de energie realizată ,în funcție de direcția în care s-a făcut recuperarea , fie la nivelul producătorului energiei recuperată (cazul recuperării în direcție sau tehnologică), fie la nivelul beneficiarului acestuia (cazul recuperării în direcție energetică).Astfel se reduc consumurile energetic la nivelul conturului( cuptorului) analizat, reducându-se implicit și aportul de combustibil gazos.

Reflectarea economică a reducerii consumului de combustibil are loc prin reducerea cheltuielilor de producție și implicit reducerea prețului de cost al produsului finit.

De asemenea prin recuperarea unei părți din căldura degajată în atmosferă, odată cu reducerea cantităților de căldură emise se vor reduce și cantitățile de substanțe toxice.

În ultimul timp , majoritatea celor angrenați în studiul recuperării căldurii gazelor arse evacuate din cuptoarele de tratamente termice, au ajuns la un numitor comun, și anume că această recuperare, nu mai reprezintă o parte colaterală a procesului tehnologic propriu-zis și trebuie tratată simultan cu acesta.În sensul acestei afirmații , s-a constatat că la proiectarea cuptoarelor de tratamente termice se ține seama și de ponderea căldurii gazelor arse și odată cu livrarea cuptorului propriu-zis se mai livrează și soluția de recuperare ( în cazul studiat de mine recuperatoare de convecție).

Pentru reducerea pierderilor prin căldura sensibilă a gazelor de ardere se folosesc, cu preponderență, recuperatoarele de căldură destinate preîncălzirii aerului de ardere sau preîncălzirii materialului( șarjei).Performanțele recuperatoarelor folosite în mod curent sunt destul de slabe, prin gradul redus de recuperare și degradării intense în timpul funcționării.Din această cauză tendințele de modernizare a recuperatoarelor au fost de a obține temperaturi înalte de preîncălzire a aerului și/sau gazelor combustibile, să fie de construcție simplă, să fie eficiente energetic și preț redus de cost.

De cele mai multe ori aceste obiective cerute de la recuperatoare nu se pot reuni într-un numitor comun deoarece, de exemplu creșterea temperaturii de preîncălzire duce la mărirea suprafeței de schimb de căldură ,deci crește prețul investiției ( pentru fiecare 100ºC de creștere a temperaturii de preîncălzire a aerului este necesară să se dubleze suprafața de transfer de căldură).De asemenea , creșterea temperaturii de preîncălzire conduce la creșterea temperaturii la care sunt supuse diversele componente ale instalației , crescând astfel riscul distrugerii zonelor cele mai solicitate din punct de vedere termic .Un alt inconvenient îl constituie tensiunile mecanice la care sunt supuse aparatele, ca urmare apariției dilatărilor termice diferite ale parților componente.

Recuperatorele de căldură sunt echipamente de transfer termic, care transmit căldura de la un mediu la altul prin contact cu peretele despărțitor pe fețe diferite. Transmiterea căldurii între cele două medii se face prin peretele care le separă. Transferul de căldură are loc întotdeauna, conform principiului al doilea al termodinamicii, de la mediul mai cald la cel mai rece. Transferul termic este staționar în timp (continuu) .

Recuperatoarele de radiatie sunt alcatuite , in principiu, din doua tuburi de tabla (exterior si interior), de diametre relativ mari, dispuseconcentric, care sunt legate elastic intre ele printr-un compensator de dilatatie .Gazele de ardere circula prin tubul interior, rezistenta gazodinamica introdusa fiind neglijabila [11]. In figura …este redat schematic un recuperator cu radiatie simpla.

Figura 5. Recuperator cu radiartie simpla(unilaterala)

1-virola exterioara; 2-virola interioara; 3-izolatia; 4-contragreutate;

5-compensator de dilatare; 6-capac de acces; 7-nervuri elicoidale

Curgerea celor doua fluide(gaze arse si aer) prin recuperatorul de radiatie se face in acelasi sens (echicurent) figura 6a sau contrasens (contracurent) figura 6b

Figura 6. Schema curgerii celor doua fluide

a-curgere echicurent; b-curgere contracurent

La recuperatoarele de radiatie densitatea fluxului termic atinge valori maxime de

qmax= (58…93)*103 W/m2

Forma constructiva a recuperatoarelor de radiatie a suferit modificari substantiale datorita posibilitatii de a obtine oteluri refractare rezistente la temperaturide 11000C,fara oxidare sau fluaj. S-a ajuns astfel ca temperatura aerului de combustie sa ajunga la valori de 950-11000C, pentru o temperatura agazelor de ardere ce intra in recuperator de 16500C.

Recuperatoarele de radiatie unilaterala au ca principal dezavantaj suprafata de schimb de caldura limitata. Pentru inlaturarea acestui inconvenient s-au dezvoltat recuperatoarele de radiatie bilaterala(figura 7), recuperatorul clepsidra cu doua drumuri pe partea aerului (figura 8,a) si recuperatoare de radiatie cu doua drumuri pe partea gazelor de ardere (figura 8,a)

Figura 7. Recuperator cu radiatie bilaterala

a b

Figura 8. Recuperator de radiatie cu doua drumuri

a-tip clepsidra; b-cu doua drumuri pe partea de gaze de ardere

In prezent majoritatea specialistilor sunt de acord ca problema recuperarii caldurii fizice a gazelor arse evacuate din instalatiile industriale nu reprezinta o anexa a procesului tehnologic propriu-zis, ci trebuie tratata simultan si in directa corelare cu aceasta.Afirmatia este sustinuta de modalitatea actuala de a proiecta, construi si livra beneficiarilor utilaje complete, care inglobeaza intr-un tot unitar si echipamentele destinate recuperarii caldurii fizice a gazelor arse evacuate din aceste instalatii.

Caldura fizica a gazelor arse evacuate din cuptoarele de incalzire tip camera din industria materialelor metalice reprezinta ponderea majora in pierderile energetice din aceste instalatii, aceste pierderi avand valori cuprinse intre 30-60%. Recuperarea unei parti cat mai mari din caldura fizica a gazelor arse reprezinta una dintre cele mai importante masuri cu efect major in cresterea randamentului termic al cuptoarelor de incalzire. Acest lucru se poate concretiza prin realizare unor recuperatoare de radiatie ce au ca scop preincalzirea aerului de combustie. Preincalzirea aerului de ardere duce la:

– marirea vitezei de ardere simultan cu scurtarea flacarei;

– reducerea excesului de aer la care are loc arderea;

– cresterea temperaturii teoretice de ardere;

– cresterea productivitatii cuptorului.

La ora actuala atat pe plan national cat si international cuptoarele de incalzire tip camera au valorii ale temperaturii gazelor in spatiul de luru cuprinse intre 1100-1200ºC, iar temperatura aerului de combustie generata de recuperatoarele de radiatie ce le doteaza are valorii cuprinse intre 400-500ºC. Din punct de vedere constructiv constructia aparatelor de recuperare propriu-zisa urmareste urmatoarele tendinte in ultimii 15 ani:

a.Scăderea procentului de recuperatoare care înglobeaza volume mari de metal.

Recuperatoarele turnate din oțel sau fontă ( de tip acicular, termobloc, de radiație cu virolă centrală turnată) sunt utilizate din ce în ce mai rar ( mai ales pentru zonele de teperatură înaltă, ca secțiuni de protecție.În locul acestora sunt folosite construcțiile sudate din table de oțel refractar.

b.Utilizarea recuperatoarelor de radiație cu încălzire bilaterală.

Recuperatoarele de radiație bilaterală au suprafețe de transfer de căldură mai mari decât cele clasice(Escher) Aceste utilaje pot funcționa la temperaturi ridicate, compensarea dilatărilor termice făcându-se liber, fără a mai fi necesare dispozitive speciale, cu dezavantajul că prețul de cost este procentual mai mare decat la cele clasice.

c.Utilizarea recuperatoarelor de radiație de costrucție specială

În această categorie se regăsesc:

– recuperatoarele de tip colivie:

– recuperatoarele cu tuburi spirale (create ca replică la recuperatoarele de radiație clasice care sunt voluminoase și au o eficiență scăzută) redat in figura 9;

Figura 9. Recuperator de radiatie cu tuburi spirale

– recuperatoarele tip caseta (figura 10).

Figura 10. Schema de amplasare a recuperatorului caseta

Recuperatoarele tip colivie și cele cu țevi spirale pot funcționa la presiuni mari ale aerului și nu necesită dispozitive speciale pentru compensarea dilatărilor termice, dar au un cost destul de mare și dificultăti tehnologice în a le realiza.

d.Folosirea recuperatoarelor mixte (de radiație si convecție)

Recuperatoarele mixte imbina avantajele recuperatoarelor de radiatie si a celor de convectie si au o construcție complexă recuperand căldura gazelor arse pe o plajă mai largă de temperatură.Putem enumera ca făcând parte din această categorie două recuperatoare: recuperatorul tip Clepsidră și recuperatorul tip Schack.

e. Cuplarea procesului de ardere cu cel de recuperare

Pentru micșorarea pierderilor de căldură pe traseele de legătură între recuperator și arzător s-au creat două procedee de recuperare: autoregenerativ și autorecuperativ.Aceste procedee constau în exhaustarea gazelor arse în zona arzătoarelor sau chiar prin corpul lor.

Procedeul autogenerativ,care a fost aplicat si in Romania cu bune rezultate se bazeaza pe un ansamblu de arzator cu doua regeneratoare ceramice cu pat fix de bile, cele doua regeneratoare functionand in tandem.

Folosirea acestor aparate conduce la o recuperare mai mare, aerul de ardere putând ajunge la 700ºC, dar necesită multe echipamente de automatizare ceea ce crește costul ansamblului.

Arzatoarele autorecuperative reprezinta un alt exemplu de cuplare a procesului de ardere cu cel de recuperare. Aceste aparate realizeaza simultan arderea combustibilului si exaustarea gazelor arse, preincalzitorul de aer fiind montat chiar in corpul arzatorului.

Un studiu comparativ realizat in Germania a pus in evidenta o usoara superioritate tehnico-economica a arzatoarelor autorecuperative fata de cele conventionale existente pe piata la acea ora.

Superioritatea este mica datorita investitiei mari in aparat si echipamente anexe,cat si datorita energiei consumate de ventilatorul ejectorului aferent.

f. Completarea recuperarii primare cu recuperarea regenerativa.

Prin preincalzirea aerului de ardere, eventual si a combustibililor gazosi nu se poate extrage decat o cantitate limitata din caldura fizica a gazelor arse.Din acest motiv, este de dorit ca recuperarea tehnologica sa fie completata cu cu o a doua treaptade recuperare,energetica.

Cantitatea de caldura recuperata in scop energetic poate fi folosita pentru producerea de energie electrica, de apa calda menajera sau pentru incalzire.Utilizarea resursei in scopul incalzirii prezinta dezavantaje datorita neconcordantei intre momentul productiei si cel al consumului.

Acest neajuns a fost inlaturat de curand printr-o metoda de recuperare in doua trepte, unde in treapta 1 se preincalzeste aerul pentru combustie,iar in treapta a doua se produce aer cald pentru incalzirea directa, prin insuflare, in sezonul rece. In sezonul cald se inseriaza treapta 1 cu treapta 2,obtinandu-se astfel o preincalzire mai buna a aerului de ardere.

Tendinte majore in recuperarea caldurii fizice a gazelor arse.

Nivelul actual al cunoasterii a permis crearea in ultimul timp a unor procedee de recuperare si a unor aparate remarcabile, cu performante deosebite. Considerarea dintr-un punct de vedere nou, calitativ superior, in stricta interdependenta cu procesele tehnologice a resurselor energetice secundare a dus la conturarea catorva tendinte de majorare in recuperare in recuperarea caldurii fizice a gazelor de ardere.

Cresterea cantitatii de caldura extrasa din gazele arse, pe baza modernizarii tehnologiilor de recuperare.

Preocuparile in acest sens pot bfi foarte bine ilustratye prin crearea conceptului de ,,recuperare in cascada’’, care, prin definitie, necesita adaptarea temperaturii energiei disponibile la necesitatile consumatorului. Pentru gaze arse cu temperatura si presiune inalta se poate folosi lantul: turbina cu gaze – cazan recuperator – preincalzitor de aer(recuperare tehnologica) –schinbator de gaze –apa –pompa de caldura. Studiile efectuate arata ca aplicarea totala a coceptului de recuperare in cascada ar putea duce la o economie de energie considerabil marita, mai ales pentru intrepriderile aflate in vecinatatea marilor orase.

Pefectionarea schimbatoarelor de caldura in procesul de recuperare.

Cercetarile desfasurate in vedera creerii unor utilaje de recuperare cu performante superioare urmaresc sa rezolve patru categorii distincte de probleme:

crestera coeficientilor de transfer de caldura in scopul reducerii suprafetei de schim de caldura, deci de reducere a pretului de cost al aparatelor;

crearea si utilizare unor noi materiale, cu proprietati superioare, in scopul maririi temperaturii de functionare a aparatelor cat si pentru marirea duratei lor de viata;

optimizare constructiva a instalatiilor de recuperare si a aparatelor aferente;

crearea unor noi procedee si echipamente destinate recuperarii.

Organizarea proceselor de recuperare la nivel de grupuri de utilaje,sectii,platforme, si integrarea cantitatilor de caldura in fluxurile de energie ale unitatilor economice.

O metoda prin care se poate obtine mari economii de combustibil este organizarea proceselor de recuperare la toate nivelurile: grupurib de utilaje, sectii, uzine, platforme industriale. Deoarece cantitatea de gaze arse rezultate de la instalatiile pirotehnologice variaza cu regimul de functionare al agregatelor, punerea in paralel a doua sau mai multe agregate poate asigura un debit relativ constant al gazelor arse. In consecinta, se poate folosi blocuri centralizate de cazane recuperatoare, ceea ce are ca urmare uniformizarea productiei de abur si cresterea randamentului acestora.

2.5 Analiza tehnico-economică si ecologica a soluțiilor de recuperare în direcția tehnologică a căldurii fizice a gazelor arse evacuate din cuptoarele de incălzire.

Dezvoltarea industriei, atât în România cât și în lumea întreagă, are loc printr-o continuă modernizare a proceselor tehnologice și o permanentă intensificare a preocupării pentru utilizarea rațională a energiei în toate formele ei. Problema utilizării raționale a energiei este foarte complexă și împlică o mulțime de factori din diverse domenii, principalele direcții în care trebuie să se acționeze fiind:

– economisirea resurselor energetice primare, care sunt limitate;

– reducerea costurilor pentru obținerea energiei primare;

– reducerea costurilor de investiție și exploatare ainstalațiilor termice;

– reducerea poluării mediului ambiant;

– recuperarea și folosirea eficientă a resurselor energetice secundare.

Recuperarea energiei conținute în resursele energetice secundare ale unei instalații termice constituie o măsură importantă pentru îmbunătățirea eficienței termice. Această recuperare poate fi [41]:

– recuperare tehnologică (ca de exemplu preîncălzirtea aerului de ardere, preîncălzirea combustibilului etc.);

– recuperare energetică (cum ar fi de exemplu prepararea apei calde pentru nevoi sociale etc).

Direcțiile de recuperare a resurselor energetic secundare industriale se stabilesc, în principal, funcție de eficiența folosirii acestora. În acest scop trebuie efectuată o analiză detaliată, ținând cont de o serie de factori, principalii fiind:

– variația în timp a parametrilor resurselor energetic secundare;

– forma de energie sub care se realizează recuperarea;

– destinația energiei recuperate;

– fiabilitatea echipamentului de recuperare;

– spațiul disponibil amplasării echipamentului de recuperare;

În general, economia de energie, obținută ca urmare a recuperării, se pune în evidență comparând performanțele instalației, înainte și după dotarea sa cu echipamentul de recuperare.

Recuperarea energiei din gazele de ardere numai în direcție tehnologică, numită recuperare primară, conduce la o recuperare incompletă, care nu valorifică întreaga energie disponibilă [42]. De aceea se recomandă, atunci când este posibil, completarea cu o recuperare energetică, numită secundară, care ridică gradul de recuperare, contribuind la o creștere semnificativă a eficienței instalației termice.Efectul tehnologic al preîncălzirii aerului de ardere se manifestă prin creșterea productivității agregatului, având drept rezultat economisirea unei cantități de combustibil.

Prin utilizarea unei astfel de soluții s-ar realiza:

– Economisirea cantității de căldură care ar fi necesară pentru încălzirea aerului de ardere de la temperature mediului ambiant până la temperatura de preîncălzire.

– Economisirea cantității de căldură ce ar fi necesară pentru încălzirea aerului necesar arderii cantității de combustibil economisită, de la temperatura mediului ambient până la temperatura de evacuare a gazelor de ardere.

Folosirea unor recuperatoare de căldură pentru recuperarea energiei va conduce la scăderea entalpiei gazelor evacuate, crescând astfel factorul de utilizare a combustibilului și importanța energiei furnizate de combustibil în balanța căldurii intrate în instalație.

Recuperatoarele de căldură pot avea un rol esențial în funcționarea la parametrii, a unui cuptor de tratamente termice.Având scopul valorificării energiei termice disponibile a fluxurilor calde în interiorul sistemului termic, recuperatoarele de căldură trebuie concepute astfel încât să deservească cât mai bine cerințele procesului tehnologic.

Recuperatoarele de căldură în exploatare sunt supuse periodic unei analize a performanțelor de funcționare. Acest lucru presupune efectuarea de măsurători și determinarea unor indici privind calitatea transferului de căldură, mărimea energiei de pompare și a pierderilor de căldură în mediul ambiant, evoluția depunerilor în aparat. În urma acestei analize se adoptă măsurile cele mai potrivite de ameliorare a funcționării schimbătorului de căldură.

Aprecierea eficienței recuperării căldurii gazelor de ardere se poate face pe baza următoarelor criterii de natură:

tehnologică;

energetică;

ecologică;

economică.

Eficiența tehnologică se manifestă prin creșterea productivitații agregatului termic, datorită măririi încărcării specifice a volumului și a suprafeței camerei de lucru.Aceasta e determinată de creșterea temperaturii inițiale a arderii și ca urmare a temperaturii medii a gazelor de ardere evacuate din cuptor.

Preîncălzirea aerului de ardere

Odată cu creșterea temperaturii de preîncălzire a aerului crește și entalpia aerului introdus în cuptor. Prin urmare va crește și și temperatura teoretică de ardere și temperatura efectivă a gazelor de ardere. În consecință va crește valoarea relativă a căldurii utile ăn timp ce consumul specific de combustibil va scădea.

Preîncălzirea combustibilului

Eficiența tehnologică a acestei soluții de recuperare se manifestă prin creșterea productivității cuptorului, datorită creșterii încărcării termice specifice cuptorului, analog soluțiilor de preîncălzire a aerului de ardere.

Preîncălzirea șarjei

În cazul acestei soluții de recuperare , regimul termic în interiorul cuptorului va fi mai scăzut.Considerând cantitatea de căldură intrată în cuptor ca fiind constantă, productivitatea acestuia va rămâne aceeași.

Eficiența energetică a soluțiilor de recuperare presupune efectuarea bilanțurilor energetic ale cuptorului înainte și după aplicarea diverselor metode de recuperare a căldurii gazelor arse.

Indiferent de criteriul aplicat, se pune în balanță valoarea economiei de energie (în echivalent combustibil) realizată prin aplicarea soluției de modernizare cu surplusul de investiții și cheltuieli anuale necesare realizării instalațiilor de modernizare și a anexelor acestora. Se pot cuantifica economic și efectele ecologice ale acestor soluții de modernizare prin folosirea anumitor indicatori specifici.

Indicatorii fac parte din instrumentarul de bază folosit pentru măsurarea și analiza eficienței economice în cadrul evaluării proiectelor de investiții. Ei reprezintă caracteristici cantitative, mărimi, valori cu ajutorul cărora se exprimă nivelul eficienței economice a diverselor proiecte din practica investițională.

Indicatorii de eficiență economică se obțin prin calcule și prelucrare a informațiilor inițiale, existente în documentația de proiect a investiției, pe baza unor modele matematice care, în diverse modalități, redau și realizează compararea costurilor necesare cu efectele preconizate a se obține.

Orice indicator de eficiență economică are o anumită capacitate cognitivă de informare și exprimă, caracterizează o latură, un anumit aspect al eficienței economice, în funcție de categoria de eforturi și efecte comparate.

Indicatorii de eficiență economică, construiți după modelul raportului matematic între eforturi și efecte (fig. 11) se exprimă sub formă de:

eforturi (costuri) specifice pentru obținerea unei unități de efecte economice;

efecte (rezultate) specifice pe unitatea de măsură a costurilor necesare, antrenate de realizarea proiectului în varianta dată.

Fig.11. Corelație grafică între efecte economice – eforturi

La calculul acestor indicatori se pot lua în considerație efectele anuale, dar mai ales efectele economice integrale, costurile de investiții, dar și costurile totale de investiții și de exploatare.

La indicatorii efecte specifice tendința și dorința sunt de a obține un volum de efect economic cât mai mare pe unitatea de efort, iar la indicatorii eforturi specifice – să asigurăm obținerea unei unități de efecte economice cu costuri cât mai mici.

Dintre aceștia cei mai importanți indicatori (criterii) pe baza cărora se calculează efectele economice sunt:

– criteriul cost – beneficiu;

– criteriul cheltuielilor anuale;

– criteriul duratei de recuperare a investiției;

– criteriul rentabilității;

– criteriul productivității;

– termenul de recuperare a investiției.

2.5.1. Criteriul cost – beneficiu

În vederea stabilirii rentabilității investiției, într-o soluție de modernizare, se poate utiliza criteriul preț de cost – beneficiu. Aplicarea acestuia presupune calculul ratei interne de rentabilitate, RIR.

Prin ierarhizarea rezultatelor finale ale calculului se pot analiza comparativ mai multe soluții de modernizare, avându-se în vedere același nivel de referință, soluția inițială și aceeași sursă de finanțare pentru realizarea investiției.

Se urmărește stabilirea valorii limită a ratei de eficiență anuală (de actualizare) rlim, sub care investiția în soluția de modernizare analizată devine rentabilă.

Etapele principale de calcul sunt:

2.5.1.1. Calculul investiților efective actualizate în instalația de modernizare și anexele acesteia, Ief,act

, [euro]

în care:

– Ief reprezintă investiția efectivă totală de realizat, în euro și se calculează conform relației:

, [euro]

unde:

– Ir sunt investiții în instalații de modernizare, în euro;

– Ianexe sunt investițiile aferente anexelor acestor instalații ( conexe, care se refera la investitii indirecte determinate in realizarea obiectivului, ca de ex. consolidari, amenajari si colaterale, pentru asigurarea noului obiectiv cu utilitati, ca de ex. alimentari cu gaze, apa etc.) , în eur.

Celelalte mărimi din calculul relației investiților efective actualizate reprezintă:

r – rata de actualizare, care conform normativelor în vigoare este r= 8 %;

yj – cota din investiții totală efectivă Ief în anul „j” din perioada de execuție „d” a soluției analizate:

Având în vedere că duratele de execuție „d” a soluțiilor de modernizare sunt sub 3 ani, se poate aplica forma simplificată a relației :

[euro]

unde: kal – este operatorul de actualizare pentru investiții efective, ale cărui valori sunt date în tabelul 3, pentru r = 8%, considerându-se că investiția efectivă se repartizează uniform pe durata de execuție d.

Tabelul 2. Valoarea operatorului de actualizări a investițiilor efective, kal

2.5.1.2. Calculul încasărilor anuale, IA:

[eur/an]

în care:

ΔB este economia de combustibil anuală realizată prin aplicarea soluției de modernizare față de soluția inițială, în unitati de combustibil economisit/an;

cb – prețul combustibilului economisit, în eur/unitate de combustibil.

2.5.1.3. Calculul cheltuielilor anuale de exploatare, Cex la momentul punerii în funcțiune la capacitatea nominală a instalației modernizate (sau de recuperare). În cazul sistemului de termoficare cu cogenerare, aceste cheltuieli se compun din suma urmatoarelor cheltuieli:

– cheltuielile pentru intretinere si reparatii, care in calculele curente se aproximează procentual din valoarea investiției efective :

[eur/an]

unde:

β este un coeficient (în general, β~2%);

– cheltuielile anuale pentru amortismente :

tsn [eur/an]

unde tsn este perioada normată de serviciu;

– cheltuielile anuale pentru combustibilul consumat :

Cb = B Cb

unde:

– B – consumul annual de combustibil, in unitate de combustibil/an;

– Cb – prețul combustibilului consumat, în eur/unitate de combustibil;

– cheltuielile anuale pentru salariile personalului de exploatare :

Cs = NS [eur/an]

unde ;

N – numarul personalului de exploatare;

S – salariul mediu anual al unei persoane, in eur/an.

2.5.1.4. Calculul venitului brut anual, VB ca diferență între încasările anuale și cheltuielile anuale de exploatare:

[eur/an].

2.5.1.5. Calculul venitului brut actualizat, VBA pentru perioada normată de serviciu tsn a soluției analizate:

[eur],

în care:

este mărimea actualizată, în ani, calculată cu relația:

[ani].

2.5.1.6. Calculul venitului net actualizat, VNA ca diferență între venitul brut actualizat și investițiile efective actualizate:

[eur].

Venitul net actualizat poate fi:

VNA < 0, în acest caz soluția de modernizare analizată este nerentabilă, deoarece investițiile nu se recuperează pe seama venitului brut, pe durata de viață a obiectivului respectiv;

VNA ≥ 0, se continuă calculul de rentabilitate cu determinarea indicatorilor de eficiență.

2.5.1.7. Calculul ratei interne de acumulare a capitalului(RIA) ca raport între venitul brut actualizat și investițiile efective actualizate:

În funcție de valoarea ratei interne de acumulare a capitalului se pot întâlni două situații:

dacă RIA < 1, soluția respectivă de recuperare nu este rentabilă deoarece investiția actualizată nu poate fi recuperată;

dacă RIA ≥ 1, soluția de recuperare este eficientă din punct de vedere al VBA și se continuă calculul.

2.5.1.8. Determinarea ratei interne de rentabilitate, RIR valoarea limită a ratei de actualizare (RIR=rlim), pentru care:

[eur]

În condițiile limită, rata internă de rentabilitate este dată de formula:

Având în vedere expresia lui , rezultă valoarea limită:

Analiza finală a rentabilității soluției de modernizare se face comparând valoarea RIR cu r, exitând următoarele posibilități:

dacă RIR < r, investiția în soluția de modernizare nu este rentabilă;

dacă RIR = r, investiția este la limita de rentabilitate;

dacă RIR > r, investiția analizată este rentabilă.

În cazul comparări mai multor soluții propuse, soluția optimă este cea cu valoarea RIR cea mai mare.

Pentru a cuantifica efectul ecologic al soluțiilor de modernizare, în calcul pot fi luate în considerație și taxele plătite în cazul depășirii limitelor admisibile ale elementelor poluante prevăzute de normative în vigoare privind protecția atmosferică.

În aceste condiții, la incasarile anuale se adauga taxele care ar fi trebuit plătite în cazul neaplicării soluției de modernizare:

[eur/an]

în care:

Tap, în eur/an, sunt taxele care ar fi trebuit plătite în cazul neaplicării soluției de modernizare.

2.5.2. Criteriul cheltuielilor anuale de calcul, Z.

Se poate utiliza în condițiile aplicării investițiilor aferente soluției de modernizare într-un singur an, a unor cheltuieli anuale de exploatare constante de la an la an și a unei durate de studiu cel puțin egale cu durata de viață a obiectivului analizat.

Expresia analitică sub care se aplică acest criteriu (comparativ cu soluția inițială) este:

[eur/an]

sau:

[eur/an

în care:

Z1 și Z2 – sunt cheltuielile anuale de calcul în varianta „inițială”, respectiv „cu modernizare”, în eur/an;

pn – este coeficientul normat de eficiență economică a investițiilor, are valoarea inversului termenului normat de recuperare al investițiilor pn=1/tm=r;

ΔI și ΔC – sunt diferențele de investiții totale, respectiv de cheltuieli anuale totale între cele două variante, în UM respectiv UM/an, calculate cu relațiile:

[eur]

[eur/an],

în care:

I1, I2 reprezintă investițiile aferente soluțiilor „inițiale” respectiv „modernizate” în eur;

C1, C2 – reprezintă cheltuielile aferente soluțiilor „ inițiale” respectiv „ modernizate”, în eur /an.

Diferențele de investiții, respectiv de cheltuieli între cele două soluții „inițială” și „modernizată” se calculează cu relațiile:

[eur],

[eur/an]

în care:

Iin, Cin sunt investițiile, respectiv cheltuielile anuale totale aferente părții din instalația înlocuită, sau care devine disponibilă prin folosirea soluției de modernizare, în eur, respectiv eur/an;

Ir, Cr – investițiile, respectiv cheltuielile aferente instalațiilor de modernizare, în eur respectiv eur/an;

Ianexe, Canexe sunt investițiile, respectiv cheltuielile anuale totale aferente anexelor instalațiilor de modernizare, în eur respectiv eur/an; în cadrul cheltuielilor anuale anexe sunt incluse și cele aferente consumurilor suplimentare de energie ale anexelor instalațiilor de modernizare (ventilatoare, pompe, etc..).

[eur/an],

în care:

ΔCin reprezintă diferența de cheltuieli anuale de exploatare pentru instalațiile înlocuite sau care devin disponibile prin folosirea soluției de modernizare, eur/an.

Soluția de modernizare este eficientă din punct de vedere economic dacă este îndeplinită condiția: ΔZ>0.

Când se compară mai multe soluții de modernizare, varianta pentru care ΔZ are valoarea maximă este considerată optimă din punct de vedere tehnico-economic.

În cazul cuantificării efectelor ecologice ale soluției de modernizare, se au în vedere taxele care ar fi trebuit plătite în cazul neaplicării soluției, Tap, în cadrul relației de calcul a diferenței de cheltuieli ΔC.

Astfel relația devine:

[eur/an].

2.5.3. Criteriul duratei de recuperare a investiției.

În condițiile simplificatoare din calculul criteriului Z, se poate aplica și criteriul duratei de recuperare a investițiilor.

Expresia matematică a criteriului este:

în care:

[eur],

[eur/an],

unde:

Iin, Cin sunt investițiile, respectiv cheltuielile anuale totale aferente părții din instalația înlocuită, sau care devine disponibilă prin folosirea soluției de modernizare, în eur respectiv eur/an;

Ir, Cr – investițiile, respectiv cheltuielile aferente instalațiilor de modernizare, în eur respectiv eur/an;

Ianexe, Canexe sunt investițiile, respectiv cheltuielile anuale totale aferente anexelor instalațiilor de modernizare, în eur, respectiv eur/an; în cadrul cheltuielilor anuale anexe sunt incluse și cele aferente consumurilor suplimentare de energie ale anexelor instalațiilor de modernizare (ventilatoare, pompe, etc..).

[eur/an],

în care:

ΔCin reprezintă diferența de cheltuieli anuale de exploatare pentru instalațiile înlocuite, sau care devin disponibile prin folosirea soluției de modernizare, eur/an.

Soluția de recuperare este eficientă economic dacă este îndeplinită condiția:

.

2.5.4. Criteriul rentabilității.

În economia de piață, rentabilitatea este unul dintre cei mai importanți indicatori de eficiență economică. În practică se mai numește profitabilitate, respectiv, rata rentabilității sau rata profitabilității. Există mai multe formule de calcul, cea mai utilizată fiind următoarea:

în care:

r – reprezintă rentabilitatea;

P – reprezintă profitul obținut;

C – reprezintă cheltuielile de producție.

În analiza economică se va opta pentru varianta care are rentabilitatea cea mai mare.

Rentabilitatea exprimă conceptul clasic al eficienței economice, deoarece profitul concretizează scopul urmărit pe piață (efectul final al oricărei activități productive) iar costul producției sintetizează resursele (umane, materiale, financiare) consumate.

2.5.5. Criteriul productivității.

Productivitatea muncii trebuie privită din ce în ce mai mult ca o cauză a producției și nu ca efect al acesteia.

Relația de calcul a productivității este următoarea:

în care:

W – reprezintă productivitatea;

T – reprezintă timpul necesar obținerii unei cantități de producție;

q – reprezintă cantitatea de producție obținută într-o perioadă de timp.

Se va opta pentru varianta care are productivitatea cea mai mare.

2.5.6. Termenul de recuperare a investiției.

Este un indicator sintetic de eficiență economică a investițiilor care exprimă corelația dintre efortul de capital investit, pe de o parte și efectul obținut sub forma profitului anual, pe de altă parte.

[ani],

în care:

T – reprezintă termenul de recuperare a capitalului investit;

I – reprezintă valoarea capitalului investit;

P – reprezintă profitul anual.

Acest criteriu reflectă care este perioada de timp în care se va recupera capitalul investit din profitul anual obținut.