Energia Aburului Si Energia Termicadocx

=== Energia aburului si energia termica ===

Lucrare stiintifica la energetica generala

Energia aburului si energia termica

Autori: Laura Cristina SERAFIM

Cadru didactic îndrumător: Ion N. Chiuta

București,2015

CUPRINS

Ce este energia regenerabila? ……………………………………………………………………………………2

Energia termica…………………………………………………………………………………………………………3

2.1Notiuni generale……………………………………………………………………………………………………3

2.2 Energia termica ecologica……………………………………………………………………………………..3

Energia provenita din sol………………………………………………………………………………………4

Energia aerului ambiant………………………………………………………………………………………..5

2.5 Apele subterane ca sursa de energie ………………………………………………………………………6

3 Energia aburului……………………………………………………………………………………………………..7

3.1 Turbina cu abur …………………………………………………………………………………………………..7

3.2 Motoare termice ………………………………………………………………………………………………….9

3.2.1 Istoric…………………………………………………………………………….9

3.2.2 Forta pistonului…………………………………………………………………10

3.2.3 Masina lui Watt ………………….……………………………………………11

3.2.4 Miscarea rotativa…………….…………………………………………………11

3.2.5.Tansformarea energiei………………………………………………………….11

Concluzie ………….…………………………………………………………………….12

Capitolul 1

Energia regenerabila

Energii regenerabile sunt considerate în practică, energiile care provin din surse care fie că regenerează de la sine în scurt timp, fie sunt surse inepuizabile. Termenul de energie regenerabilă se referă la forme de energie produse prin transferul energetic al energiei rezultate din procese naturale regenerabile. 

O resursa neregenerabila este o resursa naturala, care nu poate fi reprodusa, cultivata, generata sau utilizata pe o scara care poate sustine rata de consum. Odata epuizata nu mai este disponibila pentru nevoile viitoare. De asemenea, resursele neregenerabile sunt resursele care sunt consumate mult mai repede decat natura le poate crea, ca de exemplu combustibilii fosili (cum ar fi carbunele, petrolul si gazele naturale), energia nucleara (uraniul) si anumite exemple acvifere. Minereurile metalifere sunt primele exemple de resurse non-regenerabile.

Sursele regenerabile de energie energia solară, energia eoliană, energia hidro-electrică, energia mareelor, cea geotermală și cea obținuta din biomasă – sunt alternative esențiale la combustibilii fosili.

Toate sursele regenerabile cu excepția mareelor și surselor geotermale sunt, de fapt, derivate din energia solară, Soarele fiind sursa principală de energie a Pământului, sursă care generează toate procesele biologice și meteorologice.

Folosind aceste surse se contribuie la reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră rezultate din producerea și consumul de energie din surse convenționale. Se apreciază la 50% contribuția dioxidului de carbon la efectul de seră, alături de ozon 8%, fluoroclorocarburi 24%, metan 13% și oxizi ai azotului 5%.

Pentru a atinge ținta de 20% consum de energie din resurse regenerabile (din totalul energiei consumate) până în anul 2020, Uniunea Europeană intenționează să-și orienteze eforturile către sectoarele electricitate, încălzire, răcire și biocombustibili.

Toate aceste forme de energie sunt, în mod tehnic, valorificabile putând servi la generarea curentului electric, producerea de apă calde, etc. Actualmente ele sunt în mod inegal valorificate, dar există o tendință certă și concretă care arată că se investește insistent în această, relativ nouă, ramură energetică.

Caracteristicile energiei regenerabile

Energiile regenerabile Energiile neregenerabile

-nu sunt legate de o anumita locatie geografica – au o locatie geografica definita

-nu au o cantitate finita – au o cantitate finita

Capitolul 2

Energia termica

Notiuni generale

Energia termică este energia conținută de un sistem fizic și care poate fi transmisă sub formă de căldură altui sistem fizic pe baza diferenței dintre temperatura sistemului care cedează energie și temperatura sistemului care primește energie.

Producția energiei termice are loc în agregatele de cogenerare. Generatoarele electrice sunt puse în mișcare de motoare cu ardere internă, în 4 timpi, cu 20 sau 24 de cilindri,motoare alimentate cu gaz natural. Gazele rezultate în urma procesului de ardere sunt evacuate la schimbătoarele de căldură, apoi la atenuatorul de zgomot și, în final, la coșul de dispersie.

Schimbătoarele de căldură recuperează, practic, căldura disipată de motorul cu ardere internă. Aceasta este folosită pentru încălzirea apei destinate circuitului de termoficare a orașului. Echipamentele Bepco sunt dotate cu mai multe tipuri de schimbătoare de căldură, plasate în așa fel încât eficiența să fie maximă.

Cele mai bune sisteme de încălzire a orașelor sunt cele bazate pe încălzirea centralizată. În condițiile liberalizării prețului la gaze, încălzirea cu ajutorul centralelor individuale va deveni foarte scumpă. De asemenea, sistemele individuale – centrale murale, sobe cu gaz, convectoare – sunt mai puțin sigure și poluează. Un sistem bun de încălzire centrală, fără pierderi pe rețea, va fi întotdeauna mai ieftin, mai sigur și mai ecologic. Acesta este motivul pentru care politicile energetice ale Uniunii Europene susțin încălzirea centralizată și, acolo unde este cazul, susțin rebranșarea.

2.2 Energia termica ecologica

Sursele de energie alternative devin din ce în ce mai atractive. Unul dintre motivele principale este creșterea continuă a prețurilor combustibililor convenționali. Natura ne oferă numeroase oportunități pentru producerea de căldură ecologică și rentabilă. Pompele de căldură folosesc energia pe care natura ne-o oferă gratuit.

Solul în special este un imens magazin de energie.Stochează căldura soarelui pana la cativa metri adancime. Din interiorul pământului temperaturi de 6.500 grade Celsius radiază spre straturile exterioare. Pompele de căldură folosesc căldura geotermală, sau căldura din apele subterane, în funcție de tehnologie. Energia stocată în aerul ambiant este potrivită pentru încălzirea locuințelor și pentru producerea apei calde. Pompele de căldură pot folosi aceste resurse și prin urmare se economisesc dramatic costurile de încălzire.

Indiferent de tehnologia utilizată: pompele de căldură funcționează eficient chiar și la temperaturi ambiante joase. Până la 75 % din necesarul dumneavoastră de încălzire poate fi obținut direct din mediu și în mod gratuit. Doar 25% trebuie adăugat sub formă de energie electrică. Pompele de căldură sunt capabile să utilizeze trei surse diferite de căldură în funcție de tehnologie.

Avantajele utilizării căldurii ecologice ca sursă de energie:

• Fără emisii de CO2

• Sursă de energie inepuizabilă

• Independență față de furnizorii externi

• Costuri de încălzire reduse

Cerințe pentru utilizarea căldurii ecologice:

• Radiatoare mari pentru un sistem cu temperatură scăzută

• Izolare corespunzătoare a clădirii.

2.3 Energia provenită din sol

Pompele de căldură pot utiliza energia provenită din sol. Furnizarea se realizează în două moduri diferite. Fie se utilizează căldura aproape de suprafață, caz în care temperatura anuală este aproape uniformă. Un colector de suprafață instalat ca o bobină de încălzire la o adâncime de 1,5 m extrage căldura din sol.

Sau, alternative recuperarea căldurii este posibilă cu ajutorul unei sonde geotermale care economisește spațiu. Căldura geotermică este scoasă cu ajutorul unor sonde speciale care ajung până la adâncimea de 100 de metri în pământ. Temperatura este constantă tot timpul anului, de aproximativ 10 °C, ceea ce este suficient pentru a obține căldura.

Avantajul utilizării căldurii geotermice:

• bună stocare a căldurii: temperaturi constante de 7-13 °C tot timpul anului

Cerințe pentru utilizarea căldurii geotermice:

• Suprafață de teren extinsă, cu acces deschis (colector de suprafață)

• Poate fi necesară autorizație.

2.4 Aerul ambiant ca sursă de energie

Pompele de căldură pot utiliza aerul ambiant și folosesc energia stocată pentru încălzire. Pompele noastre moderne de căldură funcționează economic pentru a produce încălzire chiar și cu o temperatură a aerului exterior de -20 °C.

Avantajele folosirii aerului ambiant:

• Disponibilitate excelentă datorită accesului liber la sursa de energie fără adaptări

• Acces liber

• Costuri de investiție reduse

• Adecvat mai ales pentru modernizare

Cerințe pentru utilizarea aerului ambiant:

• loc de instalare pentru unitatea exterioară

2.5 Apele subterane ca sursă de energie

Pompele de căldură pot extrage căldura din apele subterane. Temperatura acestora este constantă indiferent de anotimp și de temperatura mediului exterior. Pentru extragerea apelor subterane este nevoie de o fântână.

Avantajele utilizării apelor subterane:

• eficiență ridicată

• bună depozitare a căldurii: menține o temperatură de 7-12 °C în zilele geroase de iarnă

Cerințe pentru utilizarea apelor subterane:

• Autorizație

• Calitate și cantitate a apei subterane: apă subterană care nu are suficiente minerale și oxid de calciu.

Capitolul 3

Energia aburului

3.1 Turbina cu abur

Turbina cu abur este o mașină termică rotativă motoare, care transformă entalpia aburului în energie mecanicădisponibilă la cupla turbinei. Transformarea se face cu ajutorul unor palete montate pe un rotor cu care se rotesc solidar.

În prezent, turbinele cu abur înlocuiesc complet motoarele cu abur datorită randamentului termic superior și unui raport putere-greutate mai bun. De asemenea, mișcarea de rotație a turbinelor se obține fără un mecanism cu părți în translație, de genul mecanismului bielă-manivelă, fiind optimă pentru acționarea generatoarelor electrice — cca. 86 % din puterea electrică produsă în lume este generată cu ajutorul turbinelor cu abur.

Principiul de funcționare

Turbină monoetajată. Componente: Camera de admisie a aburului (gri), ajutajele (bej), paletele (portocaliu), discul și arborele (verde).

Aburul, cu presiune și temperatură ridicată este destins în paletele statorului, numite și ajutaje, până la o presiune mai mică. Energia aburului, caracterizată prin entalpie este transformată în energie cinetică. Aburului cu viteză mare i se schimbă direcția de curgere cu ajutorul unor palete, rezultând o forță care acționează asupra paletelor, forță care creează un moment asupra rotorului. Acesta se rotește cu o anumită viteză unghiulară, livrând la cuplă putere sub formă de lucru mecanic în unitatea de timp.

Ținând cont că:[13]

viteza la care este accelerat aburul prin destindere este:

       (m/s)

unde ht este căderea (diferența) totală de entalpie, exprimată în (kJ/kg) într-o transformare izoentropică pornind din starea inițială a aburului și până la presiunea finală;

viteza tangențială a paletelor (adică în direcția în care ele se mișcă momentan) este:

unde D este diametrul mediu al rotorului în dreptul paletelor, în (m), iar n este turația rotorului, în (rot/s);

randamentul la palete maxim se obține la un raport x1 = u/c1 de 0,5 pentru turbinele cu acțiune și de 1,0 pentru turbinele cu reacțiune;

rezultă că la o anumită cădere de entalpie disponibilă, trebuie realizat un anumit produs D n. La căderi de entalpie mari, care asigură randamente termice mari ale ciclului, rezultă sau diametre, sau turații prea mari. Din punctual de vedere al modul cum s-a rezolvat această problemă au apărut diverse soluții tehnice, care duc la clasificarea turbinelor după cum urmează.

3.2 Motoare termice

Motoarele termice sunt motoarele care consuma un combustibil :benzina, motorina, alcool, etc si transforma caldura dezvoltata in lucru mecanic.

Energia aburilor inca mai asigura o mare parte din energia folosita in prezent.Chiar si cele mai avansate reactoare nucleare sunt doar simple surse de caldura care transforma apa in aburi pentru a actiona turbinele legate la generatoare de electricitate.

3.2.1 Istoric

Prima masina cu aburi a fost inventata in secolul I e. n de catre inginerul grec Heron din Alexandria.O sfera goala pe dinauntru era pivotata pe doua tuburi prin care treceau aburii dintr-un mic fierbator.Aburii umpleau sfera si ieseau prin tevi dispuse in parti opuse ale acesteia.Jeturile de aburi care tasneau determinau sfera sa se roteasca. Totusi,in ciuda faptului ca era o inventie interesanta,masina nu servea unui scop util.

Prima masina cu aburi cu utilitate practica a fost inventata in 1698 de un inginer englez pe nume Tomas Savery.Aburul dintr-o camera era racit pana se condensa si forma o cantitate mica de apa.Reducerea mare a volumului producea un vid partial,care era folosit pentru a absorbi apa din minele de capbuni.

In 1707 Demis Papiu reactualizeaza problema si construieste o masina cu vapori pe care o instaleaza pe o corabie. Principiul de functionare era urmatorul: apa fierbea intr-un cazan inchis si vaporii treceau intr-un cilindru care impingea un piston,miscarea alternativa a pistonului era comandata manual prin deschiderea si inchiderea unor robinete.

Mai tarziu, in anul 1765, scotianul James Watt perfectioneaza masina cu vapori, dandu-i forma definitiva sub care functioneaza si astazi.

De-alungul timpului turbinele cu vapori s-au dezvoltat foarte mult, extinzandu-se pe o scara tot mai larga. Turbinele cu aburi produc miscarea rotativa nemijlocit prin forta aburilor.Vaporii de abur au o masa specifica mult mai mica decat a apei si de aceea trebuie sa intre in paletele turbinei cu o viteza mult mai mare. Aceasta viteza ajunge uneori la 1 km/s iar presiunea la 200 at.Mai multi inventatori au experimentat cu turbine cu aburi in anii 1800,insa abia in anul 1884 a aparut un model eficient si manevrabil,inventat de inginerul englez Charles Parsons.La cativa ani de la inventie turbinele Parsons erau folosite la propulsarea vaselor si actionarea generatoarelor.

Motoarele cu ardere interna sunt motoarele termice de cea mai larga raspndire.Ele au inceput sa evolueze mult mai tarziu datorita temperaturilor dezvoltate (cca 2000 °C) in corpul motorului. Din acest motiv dezvoltarea lor a avut loc odata cu dezvoltarea metalurgiei care a ajuns sa produca oteluri si aliaje suficient de rezistente. Avantajul acestora fata de turbinele cu abur este ca au gabarite mult mai reduse si pot fi puse in functine imediat. Astazi se construiestc asemenea masini cu puteri de 2500 CP la o greutate de numai 500g/CP.

O alta masina termica este motorul Diesel. El a aparut la inceputul anului 1900 in Germania si a fost inventat de Rudolf Diesel. La aceste motoare aerul este comprimat rapid in cilindru pana la 25-30 at. Aceasta comprimare ridica temperatura pana la 7-800 °C, producand astfel aprinderea combustibilului sub forma de mici picaturi produse de un vaporizator. Motorul Diesel este mult mai robust decat motoarele cu explozie si are avantajul ca foloseste combustibil ieftin: motorina, titei sau chiar praf de carbune.

Se fabrica pe scara larga in industrie, pe locomotive, automobile, autocamioane. In prezent puterea dezvoltata de aceste motoare poate ajunge pana la 20 000 CP.

3.2.2 Forta pistonului

La masina inventata de inginerul englez Tomas Newcomen, in jurul anului 1710,aburii impingeau un piston in sus printr-un cilindru.Apoi cilindrul era racit pentru a condensa aburii,si pistonul era tras in jos.Condensarea aburilor reducea presiunea din cilindru, astfel incat presiunea atmosferica era suficienta pentru a impinge pistonul in jos.Masina cu aburi era folosita pentru a pune in functiune pompe de mina.Desi s-a dovedit mult mai eficienta decat sistemul lui Savery,masina lui Newcomen era extrem de inceata si ineficace.Acesta pentru ca dupa racire cilindrul trebuia incalzit pentru a produce din nou aburi necesari care sa impinga pistonul in sus.Astfel aburii s-ar fi condebsat instantaneu.

3.2.3 Masina lui Watt

Cel care a rezolvat aceasta problema a fost inginerul scotian James Watt. La masina sa inventata in 1769,aburii treceau intr-o camera separata pentru condensare.Deoarece cilindrul nu era incalzit si racit alternativ,pierderile de caldura ale masinii erau relativ scazute.De asemenea,masina lui Watt era mai rapida,pentru ca putea admite mai multi aburi in cilindru odata ce pistonul se intorcea in pozitia initiala.Aceasta si alte imbunatatiri concepute de Watt au facut ca masina cu aburi sa fie folosita intr-o gama mare de aplicatii.

In perioada victoriana,locomotivele cu aburi puternice revolutionasera deja calatoria pe uscat.Masinile cu aburi au facut posibile si tiparirea ziarelor,torsul si tesutul textilelor si actionarea masinilor de spalat in "spalatoriile cu aburi".Masinile cu aburi puneau in miscare caruselele iar unii fermieri foloseau energia de abur pentru a ara pamantul.Antreprenorii de curatatorii aveau aspiratoare cu aburi,si la cele mai bune frizerii din orase existau chiar si perii pentru masarea capului actionate de aburi.

3.2.4 Miscarea rotativa

Miscarea primelor masini cu aburi produceau o miscare alternativa (de "du-te-vino") prin intermediul pistoanelor care se deplasau in cilindrii.Aceasta miscare a putut apoi sa fie transformata in miscare rotativa prin mijloace mecanice.

Turbinele cu aburi produc miscarea rotativa nemijlocit prin forta aburilor.Mai multi inventatori au experimentat turbinele cu aburi in anii 1800,insa inginerul englez Charles Parsons a inventat un model eficient si manevrabil care a aparut abia in anul 1884.

3.2.5.Tansformarea energiei

Masinile cu aburi si turbinele trannsforma caldura in energie.La ambele caldura produsa de combustibil este folosita la fieberea de apa,obtinandu-se un volum de aburi de 1600 de ori mai mare,iar aburii comprimati provoaca miscare.La motoarele cu piston aburii se dilata intr-un cilindru,impingand un piston.La turbinele cu aburi,aburii care se dilata actioneaza rotoare.In ambele cazuri,aburii pierd energie termica.

Masinile cu aburi si turbinele sunt exemple de motoare cu ardere externa,deoarece caldura se aplica afara sectorului de lucru,de obicei prin combustie(arderea combustibililor).Aburii sunt creati in fierbatoare prin arderea petrolului sau a carbunilor.In centralele nucleare caldura este produsa prin reactii nucleare.

Concluzie

Exista si alternative la motoarele termice (de exemplu motorul electric ce functioneaza pe baza de curent electric care este transformat in camp magnetic) si care prezinta si resurse practic inepuizabile dar datorita costurilor carburantilor si posibilitatilor de a-i inmagazina, motoarele termice au ramas mult timp cele mai des intalnite.

Cele mai clare exemple de motoare termice sunt motorul cu ardere interna pentru ca este si cel care se foloseste la automobile si motorul cu aburi folosit la locomotive in zone neelectrificate.

In zona noastra exista chiar Termocentrala Mintia care produce curent electric bazandu-se pe principiul motoarelor termice. Vaporii de apa sunt incalziti pana la temperaturi ce depasesc 100°C si apoi sunt eliberati cu presiune pe paletele unei turbine generatoare, producand lucru mecanic prin rotirea acesteia.