Recuperarea căldurii fizice din produsul finit Student Îndrumător CUPRINS CAP I Tema Importanta domeniului CAP II Resurse energetice secundare… [304657]

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI”

[anonimizat]: [anonimizat]: Rotariu Mugurel

UNIVERSITATEA TEHNICĂ “GHEORGHE ASACHI”

[anonimizat]: [anonimizat],

[anonimizat] a zgurii

Caracteristicile zgurilor

Compoziția chimica

Proprietățile de întărire hidraulică a [anonimizat] a structurilor stabile

Domenii in care pot fi utilizate zgurile siderurgice

Valorificarea zgurilor de furnal

Caracteristicile luate in considerare la utilizarea acestora

Utilizarea zgurilor răcite in aer

Zgura granulată

Valorificarea zgurilor din oțelărie

Particularități ale zgurilor din oțelărie

Prelucrarea zgurilor solide din oțelărie

Procesarea zgurilor lichide din oțelărie

Schema mixte de recuperare a [anonimizat];

[anonimizat];

Schema de recuperare a căldurii în industria cimentului

Schema de recuperare a căldurii din cocsul metalurgic

Clasificarea bilanțurilor energetice

Principii generale de întocmire a bilanțurilor energetice

Termenii bilanțului energetic

Indicații privind întocmirea bilanțurilor energetice

Indicatorii de performanța energetica

Modalități de prelucrare a datelor și de prezentare a rezultatelor bilanțului energetic

Analiza bilanțurilor energetice

CAP III

Introducere

Breviar de calcul

Consumatorii din liniile de producție

Bilanțul transformatoarelor de putere

Aparate de măsură

Aparate de măsură pentru mărimi neelectrice

Aparate de măsură pentru mărimi electrice

Bilanț termic

Analiza bilanț

Plan masuri

Breviar de calcul final

CAP I

I. Zgura este principalul subprodus pentru metalurgia feroasă și reutilizarea ei aduce cele mai importante beneficii economice și ecologice. [anonimizat] a fontei și oțelului. [anonimizat]. [anonimizat] 16.000 grade Celsius pentru zgura de oțelărie si pentru zgura de furnal aproximativ 15.000 [anonimizat]. [anonimizat].

[anonimizat], condițiile termodinamice si cinetice de solidificare a [anonimizat]. [anonimizat].

II . [anonimizat]sum de materii prime și unul de energie sub mai multe forme. Rezultatul principal al oricărei activități este un produs sau un serviciu. În timpul procesului, pot rezulta unul sau chiar mai multe deșeuri, care depind de modul de lucru , de tipul resurselor consumate și de modul de organizare. Produsele secundare, dintre care unele pot fi acceptate iar altele nedorite, sunt deseori purtători de energie sub diverse forme :

căldura sensibilă sau latentă;

suprapresiune;

putere calorifică.

Aceste produse secundare pot fi aruncate sau pot fi reciclate și refolosite în cadrul aceluiași proces sau într-un altul. Conceptul RRR (recuperare, reciclare, refolosire) a apărut în momentul în care omenirea a devenit conștientă de caracterul limitat al resurselor, moment care a determinat și o creștere semnificativă a prețurilor acestor resurse. Recuperarea a devenit din acel moment o necesitate financiară pentru orice activitate umană ale cărei produse intrau pe piața mondială. Prețul recuperării s-a dovedit a fi mai mic datorita costurilor de producție mai mici în cazul recuperării decât în cazul nerecuperării. Astfel, dacă unul singur dintre producători adoptă un procedeu care implică recuperarea de orice fel, prețul produsului său scade și îi obligă și pe ceilalți producători de pe aceeași piață să adopte aceleași proceduri. În momentul de față, gestionarea eficientă a energiei în cadrul unei întreprindere constituie obiectul de activitate al unui colectiv sau măcar al unui responsabil cu utilizarea energiei, care răspunde în fața conducerii superioare a organizației. Odată cu creșterea prețului energiei și alinierea lui la prețul mondial, aplicarea recuperării energiei sub toate formele devine și pentru România o prioritate. Din punct de vedere tehnic, recuperarea energiei este legată de un contur de bilanț dat. În raport cu acest contur de bilanț energetic dat, recuperarea poate fi interioara sau exterioara.

CAP II

I.1). În cadrul proceselor tehnologice industriale se utilizează forme de energie de proveniență diferită. Astfel, energia poate avea o sursă exterioară procesului (arderea combustibililor), o sursă interioară (efect electrotermic) sau poate rezulta și din desfășurarea procesului respectiv (căldură degajată din reacțiile chimice exoterme). Procesele tehnologice disponibilizează adesea mari cantități de energie, sub diferite forme, rezultate ca produse secundare. Atunci când sunt caracterizate de un potențial energetic utilizabil, aceste fluxuri de energie, având de cele mai multe ori ca suport fluxuri de masă, reprezintă resurse energetice secundare (R.E.S).

Acestea pot fi încadrate în categoria pierderilor energetice ale procesului din care au rezultat. Analiza recuperării resurselor energetice secundare rezultate în cadrul unui proces tehnologic industrial se face la un moment de timp ținând cont de anumite condiții tehnice și economice. În funcție de aceste condiții, numai o cotă parte din conținutul energetic al resurselor energetice secundare (R.E.S) poate fi refolosită eficient din punct de vedere tehnic si economic, această cotă este reprezentată de resursele energetice refolosibile (R.E.R). Astfel, valoarea resurselor energetice refolosibile fiind dependentă de stadiul dezvoltării tehnologiilor de recuperare și de nivelul de referință al costurilor energiilor și materialelor utilizate, are un caracter dinamic.

Definirea resurselor energetice secundare (R.E.S) și calculul eficienței recuperării lor se face stabilind în prealabil un contur de referință, care poate fi un proces, un agregat, un subansamblu tehnologic, o linie tehnologică, o întreprindere sau o platformă industrială. Diversitatea mare de procese industriale conduce la apariția unor categorii diferite de resurse energetice secundare ( R.E.S.) cu caracteristici diferite în funcție de forma de energie utilizabilă și natura agentului energetic. În funcție de caracteristicile fizice si chimice pe care le prezintă, resursele energetice secundare (R.E.S) rezultate din diferite procese tehnologice, pot aparține uneia sau simultan mai multor categorii de resurse energetice secundare (R.E.S).

Principalele categorii de resurse energetice secundare (R.E.S):

RES-uri combustibile, sunt produse rezultate din procesele de natură pirotehnologică sau deșeuri de materie prima folosite în procesul de producție. Forma de energie a acestora este sub forma de energie chimica.

Exemple de resurse energetice secundare combustibile:

Gaze de ardere rezultate din procese chimice, furnale, cocserii, convertizoare, rafinării, înnobilarea cărbunelui;

Leșii din industria celulozei si hârtiei;

Deșeuri lemnoase;

Deșeuri agricole.

RES-uri termice, sunt constituite din căldura conținută de purtători de energie rezultați din procesele tehnologice sub forma de energie sensibila si/sau latentă. Exemple de resurse energetice secundare termice:

Gaze de ardere rezultate din procese pirotehnologice din industria metalurgică, industria chimică, industria materialelor de construcție, incinerarea deșeurilor industriale și urbane;

Deșeuri tehnologice fierbinți (zgură, cocs);

Abur uzat;

Aer umed evacuat din hale industriale și instalații de uscare.

RES-uri de suprapresiune, care sunt formate din unele fluide sub presiune, care se obțin din procese tehnologice sau energetice sub forma de energie potențială, cum ar fi :

Presiunea gazelor de la gâtul furnalelor,

Presiunea de zăcământ/transport a gazelor naturale

Presiunea lichidelor sau gazelor rezultate din procese chimice

Presiunea aburului uzat

R.E.S-uri sub formă de energie mecanica, care sunt rezultate din procese de frânare, în transportul feroviar sau la bancurile de probă ale mașinilor energetice de mare putere.

3). Stabilirea direcțiilor de utilizare a RES-lor industriale se face numai in urma unor calcule tehnice si economice. Aceste se fac pentru a se vedea daca soluția recuperării este eficientă față de cazul in care nu s-ar folosi resursele energetice secundare, dar mai ales pentru a stabili gradul optim de recuperare, atunci când sunt posibile mai multe direcții de utilizare.

Eficiența economică a utilizării RES-lor depinde de un număr mare de factori, precum:

Gradul de uniformitate

Nivelul termic

Debitul de căldura conținut de RES

Proprietățile fizice si chimice ale acestora

Debitul instalațiilor de recuperare

Direcția adoptata pentru utilizarea RES-lor

Durata anuală de utilizare a sarcinii nominale a RES

Tipul si puterea instalației energetice înlocuite corelată cu balanța energetica a întreprinderii

Prețul si natura combustibilului utilizat în instalația înlocuita

Calculele tehnice si economice trebuie sa aibă în vedere realizarea de economii la nivelul întreprinderii. Pentru determinarea eficienței economice exista mai multe metode de calcul:

Metoda cheltuielilor anuale de calcul minime

Metoda cheltuielilor anuale raportate

În cadrul acestor 2 metode este urmărită economia de combustibil realizată cu ajutorul RES-lor. Determinarea economiei efectuate se face urmărind următoarele condiții:

Echivalența cantităților de energie livrate consumatorilor

Investițiile aferente extracției și transportului

Economia de combustibil realizata prin folosirea RES-lor

La determinarea cheltuielilor de exploatare trebuie avut in vedere că valoarea cheltuielilor fixe rămâne aceeași în cazul folosiri RES-lor, cu toate ca volumul producției anuale al instalației energetice înlocuite se reduce

Randamentul de utilizare a RES-lor poate varia în timp, influențând cantitatea de căldură preluată

Cheltuieli suplimentare aferente unor eventuale capacități de rezervă

Trebui ținut seama de balanța de putere a sistemului energetic si de gradul de siguranță în alimentarea cu energie electrică

La determinarea puterii echivalente trebuie ținut seama de necesitatea rezervării puterii disponibile a RES-lor cu o putere instalată în alte unități ale sistemului energetic

4). Printre cele mai eficiente metode de creștere a gradului de utilizare a energiei consumate în procesele industriale poate fi amintită valorificarea resurselor energetice secundare rezultate, în speță a gazelor de ardere. Efectele recuperării resurselor energetice secundare sunt de natură tehnică, energetică, economică și ecologică.

A. Conceperea și încadrarea unor instalații recuperatoare direct în fluxul tehnologic contribuie la modernizarea schemelor generale ale proceselor tehnologice. Astfel amplasarea de recuperatoare (pentru preîncălzirea aerului, a combustibilului, a materialelor tehnologice) în cadrul proceselor pirotehnologice din industria metalurgică, a materialelor de construcții, chimică, permit trecerea la tehnologii noi, performante, cu un înalt grad de recuperare, cu productivități ridicate de obținere a produsului finit. Prin procedeele de recuperare, ca recircularea gazelor de ardere se mărește durata de viață a agregatelor tehnologice, diminuându-se solicitările termice la care sunt supuse părțile componente . Efectele de natură tehnică sunt corelate și se regăsesc în cele de natură economică.

B. Efectele de natură energetică se cuantifică practic prin economia de combustibil realizată prin recuperare: Principalii indicatori energetici pe baza cărora se va aprecia eficiența energetică a soluției de recuperare sunt :

echivalentul în combustibil al energiei economisite (economia de combustibil, valoare absolută sau relativă) – se definește ca diferența intre consumul de combustibil înainte și după recuperare;

gradul total de recuperare – se definește ca raportul între căldura efectiv recuperată, datorită restricțiilor termodinamice și tehnico-economice existente, și căldura conținută efectiv de către RES

C. 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, fie la nivelul beneficiarului acestuia. Astfel se reduc consumurile energetice la nivelul conturului analizat (indiferent care este acesta), reducându-se implicit și aportul de combustibil clasic. Reflectarea economică a reducerii consumurilor energetice, la nivelul întreprinderilor sau a platformelor industriale, are loc prin reducerea cheltuielilor de producție aferente acestora, ceea ce în final determină reducerea prețului de cost al produselor tehnologice. Efectul indirect, menționat anterior, respectiv reducerea 88 Utilizarea energiei apelului la energia primară, se reflectă prin reducerea pierderilor energetice și a consumurilor efective de energie din etapa extracției și a transportului combustibilului.

D: O importanță deosebită a recuperării resurselor energetice secundare, o reprezintă efectele reflectate asupra mediului ambiant. Din diferite procese industriale, rezultă gaze de ardere, care datorită cantității și calității lor nu pot fi evacuate ca atare în mediul ambiant. Cea mai mare parte a acestora, datorită particularităților pe care le prezintă : temperatură, compoziție, presiune, pot constitui resurse energetice secundare termice, combustibile sau de suprapresiune, ele fiind utilizate ca atare și în același timp neutralizate sub aspectul nocivității asupra mediului ambiant. Recuperarea gazelor de ardere rezultate din procesele industriale, ca resursele energetice secundare de natură termică determină reducerea sensibilă a emisiei de căldură în mediul ambiant, deci reducerea efectului de seră, care constituie în condițiile puternicei industrializări cu care se confruntă planeta, un pericol iminent de distrugere a echilibrului ecologic .

5) Cele mai multe procese tehnologice se desfășoară la temperaturi de peste 400-500 grade Celsius. Temperaturile uzuale ale produselor finite si ale deșeurilor la ieșirea din procesele respective sunt de peste 250 grade Celsius. Căldura pe care o conțin aceste produse finite sau a deșeurilor se poate folosi ca resursă energetică secundară atunci când se justifică din puncte de vedere tehnico-economic soluția adoptată.

Recuperarea căldurii fizice a produselor finite se face prin trecerea unui debit de aer rece în contracurent cu fluxul de produse ce rezultă din procesul tehnologic respectiv. Debitul de aer astfel preîncălzit poate fi folosit, în direcție tehnologică ( ca aer de ardere preîncălzit pentru procesul de ardere din același agregat ) sau in alte scopuri.

Schema de principiu a unui astfel de proces aste redată in figura de mai sus ce reprezintă recuperarea căldurii fizice la o fabrică de produse ceramice, aceasta fiind simplă deoarece folosește două ventilatoare (2) si (7) si tubulaturile (3) si (6) pentru introducerea aerului rece, respectiv pentru recuperarea aerului cald. Piesele de la care se preia căldura (4) circulă în contracurent prin răcitorul tunel (4). (1) reprezintă intrarea aerului rece si (8) ieșirea aerului cald.

II.1) Fiecare domeniu de utilizare a zgurilor sau a produselor obținute din zguri reclamă proprietăți specifice. Utilizatorii produselor din zguri și-au definit cerințele prin reglementări, norme, fișe în care sunt specificate condiții tehnice, caiete de sarcini (ex.: Germania DIN 4301 – condiții tehnice pentru utilizarea zgurilor în domeniul materialelor de construcții, Cehia – standard de ramură 7220108 cu condițiile tehnice impuse zgurii de furnal granulate pentru industria cimentului etc.).

2) Zgurile pot fi considerate topituri oxidice complexe formate în principal din oxizi de CaO, SiO2, Al2O3, MgO și FeO. Pe lângă aceștia, zgurile pot să conțină oxizi de Mn, Ba, Cr, P, Ti, V, B. Alături de FeO, zgurile pot să conțină ți oxizii superiori ai fierului, Fe3O4 și Fe2O3. Sulful în zguri se află sub formă de sulfuri și sulfați de Ca, Mn și Fe.
Zgură de furnal poate fi analizată după sistemul CaO-SiO2-Al2O3-MgO.

Zgurile de oțelărie, indiferent de agregatul de elaborare, sunt topituri cu un număr mare de componenți, în primul rând oxizi și combinații ale acestora, apoi sufluri, nitruri, etc. Componenții principali ai zgurilor de oțelărie sunt CaO, MgO, FeO, SiO2, MnO, P2O5. În afară de fazele oxidice din care este constituită, datorită specificului procesului de elaborare, în zgură poate ajunge o cantitate relativ mare de fază metalică (până la 18% – în cazul convertizorului LD) ce determină nu numai o micșorare a scoaterii de oțel ci și dificultăți de procesare ulterioară a zgurii în vederea utilizării ei în alte domenii.

Oxizii aflați în zgură se împart în trei grupe (acizi – SiO2, P2O5; bazici – CaO, MgO, FeO, MnO; amfoteri – Al2O3). Prin urmare, după caracterul chimic zgurile se clasifică în:

zguri acide (predomină oxizii acizi),

zguri bazice (predomină oxizii bazici),

zguri neutre.

Funcție de concentrația oxizilor, zgurile de oțelărie se împart în bazice și acide. Predominante sunt zgurile bazice care se pot împărți funcție de raportul CaO:SiO2 în:

zguri slab bazice pentru CaO:SiO2, 1,5,

zguri medii bazice pentru CaO:SiO2 = 1,6 – 2,5.

zguri puternic bazice pentru CaO:SiO2 > 2,5,

Zgurile acide se pot caracteriza după raportul SiO2: (FeO+MnO).
Compoziția chimică a zgurii este foarte utilă dar insuficientă, deoarece nu ne dau indicii suficiente despre comportarea acestora la procesare.

3) Zgurile metalurgice și în special cele de furnal, au proprietăți hidraulice latente, adică aduse în stare pulverulentă și activate prin adaosuri adecvate, se întăresc în prezența apei și ating rezistențe mecanice comparabile cu cele ale cimenturilor portland. Zgurile pot fi activate în două moduri:

activare alcalină (realizată prin adăugarea de hidroxizi alcalini sau alcalino-pământoși; practic, în acest scop se folosesc varul stins, dolomita arsă, zgurile foarte bazice sau adaosurile de ciment portland);

activare sulfatică (realizată prin adaosuri de 10-15% sulfați alcalini sau alcalino-pământoși în prezența hidroxizilor; practic, în acest scop se folosește ghipsul CaOSO4 2H2O, CaSO4 în asociere cu varul, dolomita calcinată sau clincherul de ciment portland).
Pentru a putea fi folosite la fabricarea cimenturilor, zgurile trebuie să aibă un anumit grad de saturare cu CaO.

3) Auto-dezintegrarea și posibilitățile de conservare a structurilor stabile reprezintă un fenomen observat atât la zgurile de furnal cât și la cele de oțelărie, în timpul procesului de răcire. Funcție de capacitatea lor de a se auto-dezintegra sau nu, zgurile se mai numesc scurte sau lungi. Capacitatea de auto-dezintegrare este mai puternică cu cât zgurile sunt mai acide.

La zgurile de furnal se poate produce o dezintegrare silicatică și una sulfitică. Dezintegrarea silicatică este determinată de prezența silicatului (2CaO•SiO2) în zgură. În intervalul de temperatură de la 0…15000C există 5 forme cristaline ale acestui silicat. Dezintegrarea zgurii se produce la trecere silicatului din starea A în starea B care este însoțită de o creștere a volumului de ~12%. Durata și temperatura de trecere (~6750C) depind de: viteza de răcire, dimensiunea grăunților, presiune, cantitatea și tipul impurităților, gradul de stabilizare.

Există diverse criterii chimice și structurale de apreciere a stabilității la dezintegrarea de tip silicatic (grafic prin utilizarea diagramelor în care sunt prezentate domeniile de stabilitate ale zgurilor de furnal la dezintegrarea silicatică; cu ajutorul unor relații; după concentrația anumitor componenți ai zgurii la dezintegrarea sulfitică a celor de furnal).

Pentru a nu se dezintegra, zgurile ce conțin 2CaOSiO2 în forma (instabilă mai ales atunci când se formează în domeniul cristalizării primare) pot fi stabilizate printr-un fenomen fizic (răcire rapidă) și chimic (adaosul unor cationi stabilizanți: Na+, Cl4+, P5+, Mo6+, Cr3+, V5+, Cr6+, Fe2+, C4+, B3+, K+, Mn2+, S6+).

Dezintegrarea sulfitică a zgurilor de furnal este determinată de existența sulfurilor (CaS, FeS și MnS) care hidrolizeaza în prezența apei formând hidroxizi și degajând H2S. Această hidroliză este însoțită de o creștere de volum de 24-38%, ce conduce la distrugerea structurii.

La zgurile de oțelărie sunt posibile următoarele tipuri de dezintegrări:
– silicatică (datorită prezenței );
– calcică (datorită prezenței CaO liber);
– magnezitică (datorită prezenței MgO liber).

Pentru procesele de prelucrare a zgurilor este deosebit de importantă cunoașterea condițiilor de apariție a fenomenului de dezintegrare precum și metodele de conservare a structurii stabile.

5) Cele mai importante domenii în care pot fi utilizate zgurile siderurgice sunt:

Domeniul construcțiilor:

Construcția de drumuri la:

stratul de bază;

stratul de subbază;

realizarea căilor rutiere ca agregate pentru beton și asfalt;

Construcția de căi ferate:

la fortificarea/armarea bazei;

la realizarea terasamentelor, rambleurilor;

Construcția aerodromurilor:

la amenajarea pistelor;

Construcții hidrotehnice:

la amenajarea râurilor (maluri, diguri , baraje);

la construcții portuare (bazine, amenajări țărmuri);

industria materialelor de construcții:

industria cimentului;

fabricarea betoanelor (materialelor de umplutură);

fabricarea unor produse finite:

blocuri beton, plăci tip BCA;

cărămizi, bolțari;

plăci pentru acoperișuri (țigle, olane);

plăci ceramice pentru decor exterior și interior (faianță, gresie etc.)

industria sticlei.

Domeniul agriculturii și lucrărilor funciare

îngrășământ mineral

fertilizare sol;

material pentru condiționarea solurilor;

material pentru consolidarea

modelarea solurilor.

Domeniul protecției mediului

material pentru realizarea stratului de etanșare mineral la amenajarea depozitelor pentru diferite deșeuri;

material fertil tip “humus”

Domeniul siderurgic

recuperarea fierului metalic prin separare electromagnetică;

reciclare la aglomerare și furnal a fracției oxidice din zgurile ce au conținut ridicat de FeO ca înlocuitor de minereu și fondanți.

6) Zgura este evacuată din furnal la ~ 1480 0C și are aspectul lavei topite. În funcție de viteza de răcire și de modul de solidificare, rezultă trei tipuri de zguri în stare solidă:

zgura răcită lent în aer, cu structură cristalină;

zgura expandată, răcită cu o cantitate controlată de apă pentru accelerarea procesului de solidificare, cu o structură sticloasă de natură celulară sau veziculară, care se prezintă sub forma unui produs cu greutate specifică redusă;

zgura granulată, obținută la răcirea rapidă (cea mai mare viteză de răcire, în comparație cu celelalte tipuri de zgură) cu structură sticloasă,.

A. Caracteristicile fizice, precum greutatea specifică, mărimea particulelor, proprietățile structurale etc., variază în funcție de condițiile de procesare. Caracteristicile și proprietățile importante care sunt luate în considerare la utilizarea zgurilor de furnal în anumite aplicații sunt:

– textura și forma
– greutatea specifică
– densitatea
– granulația
– culoarea
– contracția la uscare
– proprietățile termice/proprietățile de izolator termic
– capacitatea de absorbție a sunetelor și zgomotelor/capacitatea de transmitere a sunetului
– durabilitatea
– proprietăți de întărire
– rezistența la abraziune
– rezistența la coroziune
– rezistența la foc
– posibilitatea de fixare în cuie.

Zgura solidificată are o structură veziculară, cu multe celule neunificate. Zgura răcită lent în aer are structură cristalină, cu tendință de dezagregare spontană. Această tendință se datorează comportării silicatului dicalcic (2CaOSiO2) care la 1240 0C trece din forma γ în forma β, iar la 675 0C trece în forma α cu structură monocristalină. Deoarece transformarea este însoțită de o creștere de volum (de ~ 12 %) este provocată dezintegrarea cristalelor.

Zgura răcită lent în aer este formată din componente bazice pulverulente ce s-au dezagregat după răcire și din particule mari, foarte dure, ce au caracter acid. Bucățile rezultate după sfărâmare au muchii ascuțite, de forme aproximativ cubice, cu fragmente plane sau întinse foarte puține.

Zgura este sfărâmată și sortată granulometric, obținându-se anumite clase dimensionale conform cerințelor diferitelor aplicații (normelor de utilizare).

B. Aplicațiile/utilizările zgurilor răcite în aer sunt:

betoane de ciment portland pentru pavimente, poduri (peste șosele sau căi ferate), construcții de clădiri (industriale sau locuințe) și alte diferite produse din beton.

elemente de zidărie utilizate la fabricarea elementelor de zidărie, conductelor, tuturor formelor armate preturnate prezente în grinzi și planșee.

pavimente bituminoase

pentru straturile de legătură în macadam, agregat dens sortat, bază stabilizată bituminoasă (neagră) sau fundații sol-agregat. Fundațiile compacte din agregate de zgură sortată au o stabilitate ridicată și pot fi utilizate pentru autostrăzi mari și aeroporturi.

izolații din vată de zgură (prin adaosuri mici de alte materiale în încărcătura furnalului se poate obține calitatea necesară pentru zgura evacuată, astfel încât la răcire este posibilă obținerea vatei minerale din aceasta).

acoperișuri din zgură (în compoziția țiglelor și olanelor).

balast pentru terasamente de căi ferate (ca agregat mineral, atât pentru realizarea mixturilor bituminoase și macadamului pentru construcții, cât și a balastului pentru terasamente de căi ferate).

medii filtrante pentru diverse fluide (prezența gropilor și poligoanelor unghiulare pe suprafața particulelor de zgură determină o permeabilitate transversală eficientă, astfel ca zgură fi un foarte bun mediu filtrant).

paturi de absorbție pentru tancuri septice (în mici tancuri individuale septice, dispuse în sistemele de canalizare ale locuințelor sau instituțiilor, la realizarea straturilor de sub suprafețele de absorbție, a căptușirii gropilor de filtrare sau a paturilor de absorbție).

Zgura de furnal expandată este definită ca un material celular, cu greutate specifică mică, obținut prin răcirea controlată cu apă a zgurii, sau combinat cu apă și un alt agent de răcire (cu aburi ori aer comprimat, sau cu ambele). Se utilizează numeroase metode de expandare, de la turnarea zgurii topite în gropi deschise, până la utilizarea unor instalații mecanice specializate în dispersia zgurii ca particule sub formă de pelete.

Zgura expandată are aspect spongios, cu forme unghiulare și aproximativ cubice sau sferice cu un minimum de fragmente plane și alungite. Ea mai este denumită și „piatra ponce”. Datorită acțiunii apei și aburului în procesului de expandare, structura celulară a agregatelor este mult mai pronunțată decât la zgura răcită în aer.
Aplicațiile/utilizările zgurilor expandate sunt:

elemente de zidărie din beton

betoane ușoare de construcție

umpluturi și rambleuri ușoare

C. Zgura granulată de furnal este un material granular sticlos, format prin răcirea rapidă prin scufundare în apă a zgurii de furnal topite. Granularea zgurilor constă în prelucrarea zgurilor lichide prin răcire rapidă, prin procedee de granulare care pot fi clasificate astfel:

funcție de agentul de răcire utilizat

procedee umede (agentul de granulare este apa);

procedee semiuscate (agentul de granulare este un amestec apă – aer)

funcție de locul de amplasare a instalațiilor

secții speciale autonome;

secții aflate în imediata vecinătate a furnalului.

Construcția furnalelor cu un volum tot mai mare face ca în decurs de 24 de ore, în astfel de furnale să se obțină o cantitate foarte mare de zgură care se granulează imediat lângă furnal.
Procesul de prelucrare a zgurii constă din următoarele operații:
– granulare prin pomparea apei sub presiune în zgura lichidă;
– transportul pneumatic al șlamului;
– eliminarea apei din produsul granulat;
– uscarea granulatului din buncăr în aer;
– epurarea gazelor emanate.

Cele mai simple instalații de granulare a zgurii în instalații organizate în secții speciale sunt cele cu bazin și cele cu jgheab care utilizează ca agent de granulare apa. De la furnal spre aceste instalații, zgura este transportată cu oale de zgură.

Tehnologia de granulare a zgurii în bazine este caracteristică procedeelor de granulare umedă. Topitura de zgură este deversată în bazinul cu apă direct din vana de zgură sau prin intermediul unui jgheab. În contact cu apa, zgura se dispersează în particule răcindu-se.

Spuma de zgură întră în categoria sistemelor disperse gaz/solid, în care mediul de dispersie este solid iar faza dispersată este gazoasă. Zgura expandată este o dispersie coerentă, adică un sistem structurat în care particulele sunt legate între ele într-o rețea tridimensională.

Expandarea zgurii se face printr-o răcire lentă cu apă care străbate sub formă de vapori masa de zgură în curs de solidificare. Pentru fabricarea zgurii expandate se utilizează mai ales zgurile cu o bazicitate scăzută.

Cele mai importante metode de obținere a zgurii expandate sunt metodele de spumare în bazine basculante precum și metodele prin injectare sau cu tamburi. La metoda spumării prin injectare, procedeul de spumare are loc prin insuflarea aburilor, a aerului și a apei în jetul de zgură lichidă. Metoda cu tambur pentru obținerea zgurii expandate constă în spumarea unui strat fin de zgură care se scurge pe suprafața unui tambur ce se rotește cu o viteză mare.

Producerea pietrișului din zgura de furnal se realizează în două etape de procesare:

turnarea zgurilor din vanele de zgură în gropi, în straturi succesive cu solidificarea lor în aer liber prin răcire în aer sau accelerarea răcirii prin stropire cu apă;

prelucrarea mecanică a zgurii solidificate în stații prin concasarea, măcinarea și sortarea acesteia.

Vata minerală se poate obține din zgurile solide retopite sau din zgurile lichide de furnal preluate direct din furnal. Procedee de bază pentru obținerea structurii fibroase sunt: prin insuflare, prin centrifugare și prin procedeul combinat.

7). Zgurile de oțelărie se prelucrează în principal în stare solidă dar există și procedee de prelucrare a zgurilor direct din topitură utilizând apa, aburul și aerul ca agenți de procesare. Zgurile de oțelărie, indiferent de agregatul de elaborare din care rezultă, conțin în afară de fazele oxidice, o cantitate relativ mare de fază metalică. Aceasta determină dificultăți de procesare ulterioară a zgurii în vederea utilizării.

Spre deosebire de zgurile de furnal, zgurile de oțelărie prezintă compoziții chimice foarte variate. Apar deosebiri de la un agregat de elaborare la altul, la același tip de agregat de elaborare de la o șarjă la alta funcție de încărcătură utilizată, de marca de oțel și de procedeul de elaborare aplicat. La aceeași șarjă zgurile intermediare evacuate diferă de zgură finală.

Compozițiile chimice foarte variate ale zgurilor, care determină diferențe între proprietățile fizico-chimice și mineralogice ale acestora, îngreunează în mare măsură prelucrarea lor. Intervalul mic de solidificare face ca zgurile de oțelărie să se prelucreze mai ales în stare solidă.

A. Spre deosebire de zgurile de furnal, zgurile de oțelărie prezintă particularități tipice ce reduc posibilitățile de valorificare ale acestora. Aceste particularități pot fi sinterizate astfel:

dificultăți în procesarea directă din stare lichidă prin metode simple (viscozitate mare, adică solidificare rapidă ce împiedică granularea cu apă);

dificultăți la prelucrarea prin concasare datorită incluziunilor metalice și a dimensiunilor mari ale bucăților de zgură solidificate la haldă;

limitarea posibilității utilizării lor în construcții datorită instabilității conferite de prezența oxizilor de Ca și Mg în anumite combinații;

limitarea reciclării lor în fluxurile metalurgice ca adaosuri în încărcătura de aglomerare și în furnal datorită conținutului ridicat de fosfor, crom, elemente alcaline.

B. Prelucrarea zgurilor de oțelărie poate fi împărțită în două etape:

prelucrarea primară,

prelucrarea secundară

– în sectoare specializate de concasare

– măcinare

– sortare

– separare.

Practic, în toate oțelăriile se poate realiza prelucrarea primară a zgurilor. Secția de prelucrare primară a zgurilor de oțelărie cuprinde gropi de zgură cu cascade (pentru turnarea acesteia) și poduri rulante cu grătare și magneți (pentru prelucrarea zgurii monolit, separarea bucăților metalice și încărcarea zgurii).Se obține un produs grosier denumit pietriș grob și bucăți metalice mari. În unele cazuri, prelucrarea zgurilor se limitează la sortarea și separarea magnetică.

Prelucrarea secundară în secții independente se realizează cu utilaje de concasare, măcinare și sortare. În acest caz, se obțin pe lângă separarea bucăților metalice, bucăți de zgură de diferite dimensiuni și făina de zgură. Existența în zgurile de oțelărie a P2O5 și CaO în anumite concentrații fac posibilă utilizarea acestora în agricultură ca îngrășăminte ale solului și pentru scăderea acidității acesteia. Obținerea făinii de zgură se realizează în mori cu bile.

C. Soluțiile de procesare a zgurilor de oțelărie lichide au la bază procese mecanice sau tehnologii de granulare. Procedee de prelucrare mecanică se bazează pe dispersarea zgurii printr-o acțiune mecanică în:

instalații cu tambur cu apă ce se rotesc în sensuri diferite (zgura ce se toarnă între ei se răcește brusc);

instalații cu tambur răcit în exterior cu apă în care este turnată zgura (produsul care se obține este pietrișul);

instalație de tip carusel pentru obținerea pietrișului în care zgura este turnată în celulele amplasate pe paletele unui carusel care se rotește în plan orizontal (pe parcursul unei rotații complete fiecare celulă este umplută cu zgură răcită și descărcată);

instalație cu disc rotativ pe care se produce granularea și răcirea zgurii;

instalație cu cutie specială răcită cu apă prevăzută cu o lance prin care se insuflă aer cu presiune mare și apa pentru răcire.

III. Recuperarea căldurii fizice a zgurii este procesul de evacuare a zgurii ce se caracterizează prin temperaturi ridicate intre 1000 si 1600 grade Celsius, dezavantajul principal fiind determinat de periodicitatea (o data la câteva ore ) de evacuare a zgurii .

Recuperarea căldurii conținute folosește procedeele tehnologice de utilizare a zgurii ca material de construcție ( cărămizi , plăci, etc.);soluția optimă de recuperare este în direcția tehnologică, de regulă tot pentru preîncălzirea aerului de ardere necesar cuptoarelor din care rezultă zgura. Din acest motiv, soluțiile de recuperare sunt diferențiate în funcție de modul în care se evacuează și se răcește zgura, respectiv cu apă sau cu aer.

Schemele mixte de recuperare a căldurii din produse calde :

Schema de recuperare prin granularea uscată, pentru producerea aburului;

Schema de recuperare prin granularea uscată, pentru preîncălzirea aerului;

Schema de recuperare a căldurii în industria cimentului;

Schema de recuperare a căldurii din cocsul metalurgic.

A. În acest caz, zgura este adusă la o temperatura de aproximativ 1200 grade Celsius și intră în instalația de granulare unde se răcește cedând căldură aerului rece exterior și ajungând la 100-150 grade Celsius.

Aerul rece circulă în contracurent prin instalația de granulare a zgurii (1) cu ajutorul ventilatorului (3) și se încălzește astfel până la temperaturi de 900-1000 grade Celsius. Aerul fierbinte obținut cedează căldura într-un cazan recuperator cu aer (2) în care se produce abur care este trimis la consumatori.

Aerul cald evacuat la temperaturi de 200-250 grade Celsius poate fi refolosit în continuare ca aer preîncălzit pentru alte procese tehnologice precum: ventilația, uscarea, etc.

B. Schema de principiu a instalației de granulare poate furniza aerul preîncălzit necesar arderii ( de exemplu pentru cazanul de abur de la ieșire căruia se evacuează zgura). Aerul rece este transmis cu ventilatorul (2) în preîncălzitorul (3) unde își crește temperatura până la valori de 800-900 grade Celsius. Zgura fierbinte ( între 1200-1300 grade Celsius ) este trecută printr-o instalație de granulare (4) similară cazului anterior, iar la ieșirea instalației este amplasat un preîncălzitor de aer ce răcește în continuare zgura până la 150-200 grade Celsius.

Produsul răcit poate fi folosit ca materie primă pentru industria materialelor de construcție.

C. În industria materialelor de construcție există mari cantități de produse calde rezultate ca urmare a proceselor de producție. La producerea cimentului se folosesc cuptoare rotative de prăjire a clincherului, consumul specific de căldură pentru producerea acestuia este aproximativ 1600 Kcal/Kg. Acest produs intermediar al procesului tehnologic este evacuat la temperaturi în jur de 900 de grade Celsius.

Recuperarea căldurii din clincher, care este penultima fază de fabricare a cimentului este folosita pentru preîncălzirea aerului secundar de combustie și aceasta se face în răcitoarele de clincher, acestea fiind recuperatoare de căldură funcționând în contracurent.

Clincherul fierbinte produs în cuptorul rotativ (1) este evacuat prin racordul (5) la răcitorul de clincher (2), unde preîncălzește aerul rece adus prin racordul (7). Se obține astfel aer preîncălzit care este condus prin tubulatura (8) la cuptorul rotativ (1). Gazele de ardere sunt evacuate după ce sunt, mai întâi epurate în (3), reziduurile care rezulta urmând recuperate împreună cu clincherul răcit la racordul (6).

Prin acest procedeu clincherul se răcește până la 100-150 grade Celsius, iar aerul de ardere se preîncălzește la 300-500 grade Celsius.

Cu cat mai multe linii de fabricație a cimentului debitând pe aceeași instalație de recuperare a căldurii cu atat eficiența economică este asigurata doar la un proces tehnologic continuu.

[Kcal/Kg]

Unde α este coeficientul de transmitere a căldurii de la clincher la aer.

D. Schema de recuperare a căldurii din cocsul metalurgic

În industria metalurgică se folosesc cuptoare de cocsificare în cocsul metalurgic se obțin temperaturi de la 1000 de grade Celsius pana la 1200 de grade Celsius. Pentru a putea fi utilizat, cocsul trebuie răcit până la temperaturi de 100-150 de grade Celsius. La temperatura de evacuare de mai sus căldura se poate recupera cam 60%-70%.

Răcirea cocsului se poate face prin două metode:

Prin stingere uscată, aceasta metodă presupune trecerea unui gaz inert peste cocsul fierbinte, circulația acestuia făcându-se în circuit deschis sau închis.

Prin stingere umedă, aceasta metodă are pierderi mari de căldură fiind neeconomică

Cocsul este depozitat în buncărul central (1),în care are loc stingerea sa prin recircularea gazului inert vehiculat cu ventilatorul (4). Cocsul stins este evacuat la racordul (6), iar gazul inert cu praf rezultat din operațiunea de stingere a cocsului este trecut prin separatorul de praf (2) după care ajunge la cazanul recuperator cu abur (3). Gazul inert este recuperat la ieșirea cuptorului și retrimis cu ventilatorul (4) înapoi la buncărul (1).

IV. A. Bilanțurile energetice pot fi clasificate pornind de la mai multe criterii. Unul dintre ele este natura activității desfășurate în conturul analizat. Sub aspectul destinației consumului de energie, procesele tehnologice pot fi clasificate în două mari categorii :

a. procese de transformare a energiei;

b. procese de consum final de energie.

Procesul de transformare energetică are drept scop fie trecerea de la o formă de energie la o altă formă de energie, fie modificarea parametrilor caracteristici ai aceleiași forme de energie. Procesul de consum final de energie este procesul în care energia este folosită în scopul realizării unuia sau mai multor produse sau al prestări unuia sau mai multor servicii neenergetice. Eventualele fluxuri de energie ieșite dintr-un proces de consum final de energie nu mai suferă vreo transformare energetică, cu excepția recuperării resurselor energetice secundare. După gradul de cuprindere al conturului, bilanțurile energetice pot fi întocmite :

a. pentru un echipament;

b. pentru o instalație;

c. pentru o secție;

d. pentru o uzină;

e. pentru o întreagă organizație (un agent economic).

Natura și gradul de interconexiune și complexitate al fenomenelor fizice și chimice pe care le presupune prelucrarea materiilor prime în cadrul proceselor sau procedeelor tehnologice analizate poate conduce în anumite condiții la clasificarea bilanțurilor energetice în :

a. bilanțuri simple (termoenergetic sau electroenergetic);

b. bilanțuri complexe (termoenergetic si electroenergetic).

Trebuie subliniat faptul că , din punct de vedere științific și tehnic, o astfel de clasificare nu este riguroasă, separarea în bilanțuri electroenergetice și termoenergetice constituind rezultatul unor simplificări. Bilanțul simplu este bilanțul întocmit pentru un contur în care fie fenomenele de natură electrică fie cele de natură termodinamică și/sau termochimică sunt considerate preponderente, iar celelalte sunt neglijate. Este evident că și formele de energie intrate și eventual ieșite sunt corelate cu natura fenomenelor care au loc în interiorul conturului dat.

Bilanțul complex ia în considerare toate formele de energie intrate și ieșite din contur, natura și complexitatea fenomenelor care au loc în interiorul conturului dat impunând în cele mai multe cazuri acest lucru. Marea majoritate a proceselor industriale de consum final au un caracter complex, care nu permite o abordare simplificată și impune contabilizarea tuturor formelor de energie care intră în și care ies din conturul de bilanț. După perioada de timp pentru care se inventariază fluxurile de energie intrate și ieșite, bilanțurile pot fi întocmite :

pentru o oră sau o perioadă mai scurtă decât o oră;

pentru un schimb;

pentru o zi (24 ore);

pentru un sezon;

pentru un an sau o perioadă mai lungă decât un an.

După sursa de proveniență a datelor de intrare, bilanțurile energetice se clasifică în:

bilanțuri propuse de către proiectant, constructor sau furnizor (de proiect);

bilanțuri întocmite pe bază de măsurători în instalație .

Bilanțul energetic de proiect se elaborează pe baza rezultatelor calculelor extrase din proiect, a datelor furnizate de prospecte, oferte, cataloage, literatura de specialitate, pe baza experienței obținute în exploatarea unor echipamente asemănătoare, a altor surse de informații. Bilanțul de proiect constituie situația de referință pentru bilanțul energetic de recepție. Omologarea unui echipament sau a unei instalații presupune măsurători prin care se obțin fie valorile unor indicatori de performanță în regimul nominal, fie comportarea sistemului la regimuri nenominale stabilizate sau tranzitorii. În cazul în care la probele de omologare nu se realizează parametrii sau performanțele de proiect, valorile realizate la omologare devin valori de referință pentru bilanțul energetic de recepție. Bilanțul energetic de recepție se elaborează cu ocazia punerii în funcțiune a unui echipament sau a unei instalații, în condițiile concrete de exploatare. În acest scop se efectuează o serie de probe de funcționare și măsurători la cel puțin trei trepte de sarcină, dintre care una este obligatoriu sarcina nominală.

Valorile astfel obținute se înscriu în cartea tehnică a echipamentului sau a instalației. Bilanțul energetic de recepție constituie bilanțul de referință pentru activitatea de exploatare. Bilanțul energetic real reflectă situația în care se găsește la un moment dat un echipament sau o instalație, punând în evidență abaterile indicatorilor de performanță realizați de la valorile lor de referință, stabilite în cadrul bilanțul de proiect, de omologare sau de recepție. Analiza trebuie să inventarieze și potențialul energetic al resurselor energetice refolosibile. Bilanțul real se elaborează numai pe bază de măsurători efectuate asupra subiectului analizei și constituie baza pentru analiza energetică.

B. Bilanțul energetic reprezintă metoda sistematică care permite analiza utilizării energiei într-o activitate oarecare. Întocmirea unui bilanț energetic la nivelul unui contur dat permite obținerea unei reprezentări accesibile a modului în care fluxurile de purtători de energie intrate se distribuie, se transformă, sunt consumate și ies din conturul analizat.

Conturul de bilanț este suprafața imaginară închisă în jurul unui echipament, instalație, clădire, secție, uzină, agent economic, etc în funcție de care se definesc fluxurile de energie care intră și cele care ies. Conturul de bilanț poate cuprinde o întreagă întreprindere, o secție de producție, un lanț tehnologic, o clădire, un agregat tehnologic, un aparat, etc. Conturul considerat poate cuprinde elemente care nu sunt neapărat situate pe același amplasament, dar între care există legături materiale.

Bilanțul energetic are la bază legea conservării energiei, scopul să u fiind identificarea și evaluarea tuturor cantităților sau fluxurilor de energie care intră și care ies din perimetrul analizat într-o anumită perioadă de timp. Întocmirea corectă a oricărui bilanț energetic presupune în primul rând stabilirea precisă a limitelor conturului în interiorul căruia se desfășoară activitatea analizată și a perioadei de timp considerate. Studiind cu atenție fenomenele fizice și chimice implicate în activitatea desfășurată în interiorul conturului dat se definesc categoriile de fluxuri energetice care sunt urmărite la întocmirea bilanțului. Din această categorie pot face parte căldura fizică (sensibilă), căldura latentă, puterea calorifică, efectul termic al reacțiilor chimice, lucrul mecanic, energia potențială, energia electrică, etc.

Întocmirea bilanțului energetic necesită de cele mai multe ori întocmirea în prealabil a unui bilanț material, ai cărui termeni pot servi drept bază de calcul pentru anumite fluxuri de energie intrate sau ieșite din conturul de bilanț. Reprezentarea grafică a rezultatelor obținute prin întocmirea bilanțului se face de obicei cu ajutorul diagramelor Sankey.

Este o metodă simplă și sugestivă, accesibilă atât specialiștilor cât și nespecialiștilor. Trebuie avut în vedere faptul că unele categorii de fluxuri energetice care intră în conturul de bilanț dat nu sunt incluse ca atare sau nu sunt incluse deloc în factura energetică, dar trebuie luate în considerare la întocmirea bilanțului energetic. În alte cazuri, substanțe combustibile sunt utilizate în alte scopuri, puterea lor calorifică nefiind luată în considerare ca termen al bilanțului energetic. Ele apar în evidența contabilă a organizației la alte capitole, iar valoarea lor se regăsește în costurile totale de producție.

VI. Consumurile finale de energie la nivelul unui perimetru dat, în interiorul căruia se desfășoară în mod organizat o activitate de tip industrial, pot îmbrăca mai multe forme :

energie electrică;

energie mecanică;

căldură;

frig;

combustibil;

aer comprimat.

Un flux de energie care intră în mod organizat în conturul unei întreprinderi industriale, poate fi alocat în principiu fie unui proces de transformare, fie unui proces de consum final. Fluxurile de energie direct utilizabilă, disponibile în perimetru întreprinderii pentru procesele de consum final, atât cele provenite din exteriorul cât și cele generate în interiorul acestuia, pot fi încadrate într-una dintre următoarele două categorii:

consumuri directe (tehnologice), aferente în mod nemijlocit etapelor realizării unui produs sau prestării unui serviciu;

consumuri indirecte, aferente activităților conexe desfășurate în perimetrul respectiv.

Consumurile indirecte contribuie la asigurarea și susținerea logistică a activității de producție propriu-zise. Activitățile indirecte (conexe) includ planificarea, monitorizarea, contabilizarea, aprovizionarea, asigurarea condițiilor de muncă, transportul intern, distribuția, paza, etc. Deosebirea între consumurile directe și cele indirecte nu este doar una formală. În afara faptului că ele nu sunt în mod necesar simultane, cele două categorii de consumuri de energie au de obicei și caracteristici diferite. De aceea este recomandabil ca la întocmirea inventarului să se precizeze din ce categorie face parte o anumită cerere sau un anumit consum de energie. În raport cu conturul de bilanț stabilit se definesc categoriile de intrări și ieșiri din acest contur. În general, fluxurile materiale continue sau discontinue intrate într-un contur dat pot fi clasificate în trei categorii :

resurse primare, care pot fi materiale și/sau energetice;

semifabricate ;

energie direct utilizabilă.

Ieșirile din conturul respectiv pot fi la rândul lor clasificate în patru categorii și anume :

produsul principal;

produsul sau produsele secundare;

resursele secundare materiale și/sau energetice;

pierderi directe de energie.

După ce au fost identificate, fluxurile de energie care intră și care ies trebuie apoi să fie cuantificate. Oricare dintre termenii bilanțului energetic, fie că este o mărime de intrare sau o mărime de ieșire, poate fi determinat ca valoare (cuantificat) în mai multe moduri și anume :

direct prin măsurare;

prin măsurarea în prealabil a uneia sau mai multor mărimi, urmată de calculul termenului de bilanț pe baza acestor mărimi;

în baza unor anumite informații provenind din proiectul tehnic sau din alte surse.

Cele mai multe situații impun cunoașterea bilanțului de masă înaintea întocmirii bilanțului energetic. Bazat pe analize chimice, pe măsurători, pe calcule sau numai pe estimări, bilanțul de masă precede întocmirea bilanțului energetic deoarece determinarea tuturor termenilor bilanțului energetic prin măsurare directă fie nu este tehnic posibilă, fie nu este rațională. Astfel, căldurile sensibile absolute și cantitățile de căldură sensibilă asociate unor cantități sau unor debite de substanță se calculează înmulțind cantitatea sau debitul de substanță cu căldura specifică și cu temperatura în cazul căldurii absolute sau numai cu o diferență de temperatură în cazul cantității de căldură. Efectul termic al reacțiilor chimice care au loc în interiorul conturului de bilanț nu poate fi măsurat direct. El poate fi însă estimat cu suficientă precizie prin calcul, cu condiția cunoașterii transformărilor chimice care au loc în interiorul conturului de bilanț atât sub aspect cantitativ cât si sub aspect calitativ.

Prin urmare trebuie bine cunoscută cantitatea și compoziția chimică a fluxurilor de masă care intră și care ies din conturul de bilanț. Efectul termic al reacțiilor chimice se determină prin calcul conform teoriilor chimiei fizice și constantelor disponibile în literatura de specialitate pentru fiecare reacție. Căldura dezvoltată de reacțiile chimice exoterme este considerată intrare în conturul de bilanț, în timp ce căldura absorbită de reacțiile chimice endoterme este considerată ieșire din conturul de bilanț. Căldura dezvoltată prin arderea combustibililor, deși este tot efectul unor reacții chimice exotermice de oxidare, se stabilește prin determinări experimentale sau de laborator făcute concomitent cu desfășurarea măsurătorilor de bilanț.

Stabilirea puterii calorifice a unui combustibil trebuie în general completată cu analiza elementară sau cu compoziția chimică a combustibilului respectiv. Pentru determinările compoziției și puterii calorifice trebuie respectate recomandările referitoare la asigurarea reprezentativității probei de combustibil. În cazul combustibililor gazoși este permisă stabilirea puterii calorifice pornind de la compoziția amestecului de gaze determinată experimental și de la puterile calorifice ale componentelor combustibile.

Conținutul de căldură al unui flux de masă se calculează ca produs între debitul sau cantitatea de masă și entalpia specifică, care se găsește în tabele sau se calculează cu ajutorul relațiilor analitice specifice disponibile în manualele de specialitate. În lipsa acestor date este necesară determinarea căldurii specifice și/sau latente în laborator, probele fiind prelevate în timpul măsurătorilor de bilanț. Determinarea experimentală a căldurii specifice sau latente poate fi înlocuită în anumite situații cu rezultatele obținute cu ajutorul unor relații analitice aproximative utilizate în chimie, care pornesc de la structura moleculei și de la legăturile între atomi și/sau radicali. Pierderile de căldură prin radiație și convecție în mediul exterior se recomandă să fie stabilite prin calcule. Acolo unde ele sunt puțin semnificative se acceptă stabilirea lor prin condiția de închidere a bilanțului. Condiția conservării energiei în cazul întocmirii bilanțului energetic al activității desfășurate în perimetrul analizat este exprimată matematic prin relația :

+ = +++

Unde WREP reprezintă conținutul de energie al fluxului sau fluxurilor de energie primară, WEDU reprezintă conținutul de energie al fluxului sau fluxurilor de energie direct utilizabilă, WPP reprezintă conținutul de energie al produsului principal, WRES reprezintă conținutul de energie al fluxului sau fluxurilor de resurse energetice secundare, WPDE reprezintă fluxul de energie pierdută direct în mediul ambiant iar WACU reprezintă cantitatea de energie disipată prin efect de acumulare. Ultimul termen apare doar în cazul proceselor discontinue, mărimea sa putând fi în anumite cazuri semnificativă iar în altele neglijabilă. Termenii bilanțului energetic pot fi exprimați, după caz, în W și multiplii, în cazul unor activități de tip continuu, sau în J și multiplii, în cazul unor activități de tip discontinuu. Resursele materiale pot fi în același timp și resurse energetice, având valoare energetică sau un anumit conținut de energie, pot fi de diverse feluri și se pot prezenta sub diverse forme. În general, prin resurse energetice primare sau energie primară se înțeleg substanțe combustibile convenționale (cărbuni, petrol și derivatele sale, gaz natural, alți combustibili sintetici, etc), în timp ce prin energie direct utilizabilă se înțelege o formă de energie rezultată de obicei prin conversia energiei primare, care poate fi consumată ca atare :

energia electrică;

energia mecanică;

căldură;

frig;

aer comprimat.

Din conturul de bilanț considerat iese în primul rând produsul principal, care este scopul activității analizate. În unele cazuri, pe lângă acesta mai ies și unul sau mai multe produse secundare, deșeuri, reziduuri sau resurse secundare (materiale și/sau energetice). Trebuie precizat că produsul principal poate avea și el un anumit conținut de energie, care îi poate conferi și calitatea de resursă energetică secundară. În categoria pierderilor directe de energie ale unui contur dat intră în primul rând următoarele :

căldura transmisă mediului înconjurător prin pereții a căror temperatură este mai mare decât temperatura ambientului,

energie mecanică transformată în căldură prin frecare în lagăre;

căldura generată în anumite situații prin efectul termic al curentului electric.

Analiza eficienței energetice a unei activități desfășurate într-un anumit contur pornește în primul rând de la cantitatea și calitatea resurselor energetice secundare disponibilizate. Resursele energetice secundare (RES) reprezintă cantități sau fluxuri de energie de orice fel, evacuate dintr-un contur în care se desfășoară o activitate productivă și care nu pot fi reciclate (valorificate tot în activitatea respectivă) decât prin modificări aduse instalațiilor aflate în conturul respectiv. Resursele energetice secundare pot fi clasificate în funcție de natura conținutului lor de energie în patru categorii distincte :

combustibile;

termice;

de suprapresiune;

cinetice.

RES combustibile pot fi întâlnite în stare gazoasă (gaz de cocs, gaz de furnal, gaze eliminate ca purjă dintr-o instalație de sinteza, etc), lichidă (leșie) sau solidă (deșeuri lemnoase, paie, cocs mărunt). Indiferent de starea de agregare, ele se caracterizează prin compoziția și puterea lor calorifică. RES termice pot fi agenți termici fluizi (aer cald, gaze de ardere, gaze de proces, abur uzat, condensat) sau substanțe solide (laminate, piese și materiale tratate termic, cocs fierbinte, zgură, etc). Ele se caracterizează prin nivelul de temperatură cu care ies din conturul de bilanț, dar și prin capacitatea de a transfera această căldură sensibilă sau latentă unui alt mediu. RES de suprapresiune sunt în general gaze având o presiune mai mare decât presiunea atmosferică, deci un conținut de energie potențială. RES cinetice sunt cunoscute și sub denumirea de volanți sau mase inerțiale frânate. Resursele energetice secundare care ies dintr-un contur de bilanț oarecare pot cumula mai multe astfel de caracteristici. De exemplu, un flux de gaze evacuat dintr-o instalație poate avea în compoziția sa elemente combustibile (metan, hidrogen, oxid de carbon), dar în același timp poate avea o temperatura și eventual o presiune mai mari decât acelea ale mediului ambiant.

C. Elaborarea unui bilanț energetic comportă o anumită structură, al cărui model este următorul:

Definirea conturului.

Prezentarea sumară a activității din interior (procesului tehnologic).

Schema fluxului tehnologic.

Precizarea caracteristicilor tehnice ale agregatelor și instalațiilor conținute în contur.

Prezentarea punctelor și aparatelor de măsură (tip, schemă, clasă de precizie).

Fișa tip sau buletinul de măsurători.

Ecuația de bilanț.

Calculul termenilor bilanțului (expresii analitice, formule de calcul).

Bilanțul energetic prezentat sub formă de tabel și de diagramă Sankey.

Analiza bilanțului.

Atât în cazul transformatorilor de energie cât și în cazul consumatorilor finali, eficiența energetică trebuie stabilită pentru întreg domeniul de variație al încărcării. Măsurătorile pentru determinarea performanțelor energetice se fac pentru mai multe mărimi ale sarcinii utile a echipamentului sau instalației analizate :

sarcină nominală;

sarcină maximă curent realizată în perioada analizată;

sarcină minimă curent realizată în perioada analizată;

sarcină medie anuală pe perioadele de funcționare efectivă.

În cazurile în care nu se pot crea condițiile necesare executării măsurătorilor la sarcinile de mai sus, se aleg cel puțin alte trei mărimi ale sarcinii, în limitele domeniului de variație a acesteia, pentru care se elaborează bilanțul. Dacă echipamentul sau instalația funcționează la o sarcină practic constantă pe perioada considerată, bilanțul se întocmește numai pentru această unică sarcină.

În cazul în care consumurile energetice și eventual produsul activității desfășurate în conturul dat sunt influențate sensibil de anumiți factori (caracteristicile materiilor prime, temperatura exterioară), bilanțul se întocmește pentru mai multe valori caracteristice ale acestor parametri (minim, maxim, mediu, normal). În funcție de natura activității desfășurate în interiorul conturului analizat, conținutul de energie al fiecăruia dintre termenii bilanțului poate fi exprimat în mărime absolută sau în mărime specifică, raportat la unitatea în care se exprimă volumul activității.

Durata pentru care se va întocmi bilanțul energetic depinde de scopul întocmirii și este cuprinsă între o oră și un an calendaristic sau durata unui ciclu de fabricație, dacă acesta din urmă depășește un an. Pentru recepția sau omologarea instalațiilor nu se efectuează decât bilanțuri orare sau pe cicluri de funcționare. Determinarea mărimilor necesare elaborării bilanțului se va face pe baza măsurătorilor directe. În cazul când o mărime nu poate fi determinată direct, dar poate fi dedusă cu suficientă precizie prin măsurarea altor mărimi, se admite să se aplice metoda determinărilor indirecte.

Unele elemente ale bilanțului pe partea de intrări sau pe partea de ieșiri pot fi neglijate, dacă determinarea lor comportă dificultăți apreciabile și reprezintă mai puțin de 1% din totalul energiei intrate respectiv ieșite. Aparatele folosite pentru măsurători trebuie să se afle în interiorul termenelor obligatorii de verificare metrologică stabilite prin normativele în vigoare. Măsurătorile de omologare și de recepție ale echipamentelor (respectiv instalațiilor) se vor executa cu aparate de măsură cu o clasă de precizie superioară, de regulă maximum 0,5.

Valorile parametrilor tehnologici și energetici caracteristici procesului analizat în timpul efectuării măsurătorilor, cât și evenimentele apărute în perioada măsurătorilor se vor consemna în fișele sau în buletinele de măsurători. Elementele bilanțului energetic se vor prezenta atât sub formă tabelară cât și sub forma uneia sau mai multor diagrame Sankey. Limita maximă de eroare, exprimată prin valoarea absolută a diferenței între totalul intrărilor și totalul ieșirilor împărțită la totalul intrărilor, nu va depăși :

±2,5%, în cazul bilanțurilor în care principalele mărimi sunt determinate prin măsurători directe (metoda recomandată);

±5%, în cazul bilanțurilor în care unele mărimi nu pot fi măsurate direct, dar pot fi deduse cu suficientă precizie prin măsurarea altor mărimi (determinare indirectă).

La elaborarea bilanțurilor energetice este recomandabilă utilizarea unităților de măsură legale (în cazul României cele din sistemul internațional), prevăzute în standardele în vigoare, dar decizia finală aparține beneficiarului auditului. În final trebuie amintit faptul că , în conformitate cu articolul 1 din Anexa.1 la Ordinul MIR nr. 245/20.06.2002, bilanțurile energetice vor fi întocmite numai de persoane fizice și juridice autorizate. Calitatea de auditor energetic se dovedește printr-o autorizație care atestă competența tehnică a persoanelor care efectuează bilanțuri energetice în România. Autorizația se obține de la Comisia de autorizare a auditorilor energetici, comisie care funcționează în cadrul ARCE. Conform Anexei 1 din ordinul MIR 245/20.06.2002 se definesc 3 clase și trei tipuri de bilanțuri energetice, definite în funcție de puterea maximă termică sau electrică consumată.

Pe baza acestei clasificări, persoanele fizice sunt autorizate să efectueze numai bilanțuri energetice de clasa A sau B. Persoanele juridice sunt autorizate să efectueze bilanțuri energetice de clasa A, B sau C.

D. Eficiența și respectiv ineficiența energetică nu pot fi măsurate direct. Ele pot fi exprimate cu ajutorul unor indicatori de performanță, ale căror valori sunt comparate cu una sau mai multe valorile alese ca referință. Nivelul de referință al unui indicator poate fi, de exemplu, valoarea obținută utilizând cele mai bune tehnologii dezvoltate pe plan mondial, cea obținută utilizând doar acele tehnologii care s-au dovedit economic eficiente sau valoarea obținută prin prelucrarea rezultatelor proprii obținute într-o perioadă anterioară. Referința este aleasă de obicei în funcție specificul și de interesele organizației care desfășoară sau patronează activitatea analizată.

Indicatorul de performanță energetică întrebuințat în special în cazul analizei proceselor de transformare a energiei este randamentul energetic. În energetică, randamentul este o mărime adimensională, ceea ce presupune ca atât efectul util cât și cel consumat să fie de aceeași natură și să fie exprimate în aceeași unitate de măsură. În cazul proceselor de consum final, efectul consumat este un flux sau o cantitate de energie, în timp ce efectul util este prin definiție de altă natură. Din acest motiv, randamentul energetic este considerat un indicator specific de natură cantitativă potrivit pentru procesele de transformare a energiei și mai puțin potrivit pentru cele de consum final.

Indicatorul de performanță fizic care caracterizează cel mai bine eficiența energetică a unui proces de consum final de energie este consumul efectiv de energie, absolut sau specific. Consumul specific este raportat la unitatea de măsură a volumului acestei activități. El reprezintă deci cantitatea de energie de un anumit fel sau suma cantităților de energie de orice fel necesare pentru realizarea unei singure unități în care se exprimă volumul activității analizate.

Utilizarea indicatorilor specifici de eficiență energetică elimină influența modificării volumului de activitate și a structurii producției. În funcție de modul de exprimare a mărimilor care intră în componența indicatorilor de performanță energetică, aceștia pot fi exprimați fizic sau valoric .

În cazul unui singur fel de energie intrat în conturul de bilanț și al unui singur produs principal, definiția consumului specific de energie este simplă și ușor de aplicat. Dacă din activitatea prestată în conturul dat ies două sau mai multe produse principale, repartizarea consumului efectiv de energie între acestea trebuie să se facă după un anumit criteriu sau pornind de la o anumită ipoteză, în funcție de specificul activității.

Situația se complică de asemenea și în cazul în care în conturul dat intră mai multe forme de energie. În această situație, conținutul efectiv de energie al fiecăruia dintre fluxurile intrate trebuie echivalat cu un singur fel de energie. În majoritatea cazurilor, energia echivalentă este energie primară (echivalent combustibil convențional). Raportul de echivalare este specific fiecărui caz în parte și trebuie bine justificat. Trebuie subliniat faptul că cea mai bună echivalare este asigurată prin exprimarea valorică, în unități monetare, a consumurilor de energie de orice fel. În urma echivalării energetice a diferitelor forme de energie consumate rezultă un al doilea indicator fizic de performanță energetică și anume consumul echivalent de energie primară, absolut sau specific. Notând cu VA volumul activității, consumul specific echivalent de energie primară Cse se calculează cu relația :

În relația de mai sus, β>1 este coeficientul de echivalare a energiilor direct utilizabile în energie primară. Consumul specific echivalent de energie primară este proporțional în anumite condiții și cu o anumită marjă de eroare cu principalul indicator valoric și anume cheltuielile specifice cu energia.

Consumul specific cumulat de energie primară, cunoscut și sub denumirea de energie înglobată sau de conținut de energie al unui produs, caracterizează gradul de valorificare a resurselor energetice pentru un întreg lanț tehnologic sau pentru un ciclu complet de fabricație. Mărimea sa poate include consumurile de energie primară aferente următoarelor componente :

obținerea resurselor materiale consumate pe parcursul întregului lanț tehnologic sau numai pentru o anumită parte a acestuia;

funcționarea în condiții normale a tuturor instalațiilor și agregatelor incluse în conturul stabilit;

transportul resurselor materiale și produselor intermediare până la locul de consum;

echivalentul în energie primară al uzurii mijloacelor fixe care contribuie, direct sau indirect, la realizarea produsului respectiv.

Calculul consumului cumulat de energie înglobată în unitatea de produs este cu atât mai complicat cu cât procesul sau lanțul tehnologic este mai extins și include mai multe etape. Mărimea consumului specific cumulat de energie primară exprimă intensitatea energetică a unui produs, a unei activități, a unui întreg lanț tehnologic, a unei filiere tehnologice.

Toți indicatorii de performanță energetică se determină în urma întocmirii auditului energetic al procesului, alcătuit pe o perioada suficient de lungă, cel puțin egală cu un ciclu de activitate, pentru ca valoarea astfel obținută să aibă relevanță. Practica recomandă ca auditul să fie întocmit pentru un an calendaristic sau financiar, cu excepția cazurilor în care ciclul de activitate depășește această perioadă.

Rezultatele astfel obținute au un caracter cantitativ, reflectând consecințele primului principiu al termodinamicii. Pentru completarea lor cu aspectele calitative absolut necesare unei analize tehnice este necesară recurgerea la bilanțul exergetic. Bilanțurile exergie-anergie pun în evidență limitele capacității de transformare a unui tip de energie în altul și consecințele celui de-al doilea principiu al termodinamicii asupra eficienței energetice a conturului analizat. Din acest tip de bilanț rezultă indicatorul numit randament exergetic.

Eficiența energetică a fost separată în mod artificial de rentabilitate în condițiile economiei socialiste de comandă. Diferența între prețurile stabilite pentru diferitele produse prin planificare centralizată și costurile lor reale de producție sau de achiziție nu permitea stabilirea prin calcul a rentabilității reale a unei activități sau a unei soluții tehnice. În aceste condiții, criteriile energetice de apreciere au permis compararea pe baze reale dar incomplecte a unor soluții tehnice sau a unor tehnologii. Ele au avut la bază o serie de indicatori fizici, absoluți sau specifici (randamente, consumuri efective, consumuri echivalente, consumuri cumulate). Indicatorii tehnici reflectă numai parțial eficiența cu care sunt valorificate resursele intrate într-un contur dat.

În condițiile capitalismului și economiei de piață, eficiența energetică se exprimă și se măsoară în special cu ajutorul indicatorilor valorici. Principalul indicator valoric de eficiență energetică este valoarea specifică a facturii energetice sau cheltuielile specifice cu energia, mărime raportată la unitatea de măsură a volumului activității. Acesta este un indicator sintetic, care cumulează toate influențele consumului de energie asupra costului de producție. Trebuie subliniat faptul că exprimarea valorică a indicatorilor de eficiență energetică are mai multă relevanță și este accesibilă și unor persoane fără o pregătire tehnică de specialitate. Pe lângă cheltuielile specifice cu energia pe unitatea de volum al activității prestate, exprimarea valorică a efectului consumat mai permite evidențierea unor aspecte semnificative de natură economico-financiară, legate de conceptul de eficiență energetică :

ponderea cheltuielilor cu energia în costurile totale de producție;

costul pierderilor de energie, al ineficienței sau/și al nerecuperării RES.

E. Un bilanț termoenergetic poate fi întocmit în două feluri :

Considerând cantitățile absolute de căldură care intră și care ies cu fiecare flux de masă din conturul de bilanț (entalpiile asociate acestor fluxuri);

considerând cantitățile de căldură care sunt fie preluate din fie cedate de fiecare dintre fluxurile de masă (diferențele de entalpie asociate acestor fluxuri).

Prima variantă are un caracter mai general, deoarece ea poate fi aplicată în orice situație. Ea este recomandabilă în cazurile în care fluxurile de masă care intră în perimetrul analizat își modifică compoziția sau se transformă integral în interiorul acestuia și nu se mai regăsesc ca atare la ieșire. A doua variantă este recomandabilă numai când fluxurile de masă care intră se regăsesc fără modificări sau cu modificări minime la ieșirea din conturul de bilanț. Pentru exemplificare se va prezenta cazul unei operații de uscare, al cărei bilanț energetic poate fi conceput în ambele feluri, în funcție de obiectivul urmărit. Instalația de uscare funcționează continuu și realizează uscarea unui debit de 100 kg/s material care intră în incintă cu temperatura de 25 grade C și umiditatea relativă egală cu 0,65 și iese din incintă cu temperatura de 115 grade C și umiditatea relativă egală cu 0,05. Materialul este susținut la trecerea prin incinta de uscare cu ajutorul unui sistem de transport, având un echivalent caloric egal cu 48 kW/grd și funcționând între temperaturile de 40 grade C la intrare și respectiv 120 grade C la ieșire.

Agentul de uscare este aer atmosferic aspirat din exterior, care are la intrare temperatura de 20 grade C și umiditatea absolută egală cu 0,01. Aerul de uscare iese din incintă cu temperatura de 130 grade C si umiditatea absolută egală cu 0,016. Schimbul de căldură prin radiație și convecție între suprafața exterioară a pereților incintei si mediul înconjurător este estimat la circa 65 kJ pentru un kg de umiditate evacuată din material. Bilanțul energetic poate fi întocmit numai după precizarea termenilor bilanțului material al procesului de uscare. Printr-un calcul simplu rezultă că debitul de material uscat care iese din incinta este de 36,84 kg/s iar cantitatea de umiditate evacuată din material prin operația de uscare este de 63,16 kg/s.

Debitul de aer uscat este un invariant în raport cu intrarea și ieșirea din incinta de uscare. El este însă un debit fictiv, deoarece nu include si conținutul său de umiditate, dar care poate fi utilizat la calculul cantităților de căldură care intră sau ies din conturul de bilanț. Debitul de aer uscat care circulă prin incinta de uscare este în acest caz egal cu 10,53 t/s.

Bilanțul termoenergetic al incintei de uscare având drept termeni călduri absolute:

Bilanțul termoenergetic al incintei de uscare având drept termeni cantități de căldură:

Varianta a doua este mai convenabilă, deoarece pe baza ei se poate trasa direct diagrama fluxurilor (Sankey) care intră și ies din conturul de bilanț. Tot pe baza ei se pot calcula direct consumul specific de căldură și randamentul termic al operației. Astfel, consumul specific de căldură pentru eliminarea unui kg de umiditate din material este egal cu 1354,5/162,3 = 8,34. Randamentul termic al procedeului, în care se consideră consum util suma următorilor trei termeni 4,64 + 3,84 + 162,29 = 170,77 MW, este egal cu 12,61 %.

F. Analiza oricărui bilanț energetic pornește de la informațiile furnizate de :

tabelul conținând mărimile absolute sau relative ale fluxurilor de energie intrate și respectiv ieșite din contur;

diagrama Sankey trasată pe baza tabelului de mai sus;

indicatorii de performanță energetică calculați pe baza aceluiași tabel;

nivelul de referință al indicatorilor de performanță energetică;

inventarul resurselor energetice secundare disponibilizate (eliminate) din contur;

alte informații.

Nivelul sau valoarea de referință a indicatorilor de performanță energetică urmăriți poate proveni din proiectul instalației analizate, prospecte, brevete, standarde în vigoare, literatura de specialitate. Referința este în general stabilită cu ocazia întocmirii bilanțului de proiect, de omologare sau de recepție. Valoarea de referință trebuie să fie aleasă în așa fel încât să poată fi atinsă în condiții reale de funcționare. Alegerea unei valori de referință imposibil de atins are de regulă efecte psihologice negative și poate demobiliza personalul de exploatare. Fluxurile de energie care intră în conturul de bilanț pot fi clasificate astfel :

intrări organizate, achiziționate contra cost din exterior, care se regăsesc ca atare în factura energetică;

intrări neorganizate, care nu se regăsesc ca atare în factura energetică. Fluxurile de energie care ies din conturul de bilanț pot fi în clasificate astfel :

termeni utili, cunoscuți și sub denumirea de fluxuri de energie utile, a căror lipsă împiedică buna desfășurare a activității din interiorul conturului de bilanț;

termeni inutili, cunoscuți și sub denumirea de pierderi de energie.

Pierderile de energie constituie o categorie complexă și eterogenă de fluxuri de energie, din care pot face parte următoarele :

căldura sensibilă conținută de gazele reziduale (de ardere, de proces, etc);

căldura nedezvoltată ca urmare a unei combustii incomplete din cauze chimice sau mecanice;

căldura pierdută prin radiație și convecție prin suprafețele echipamentului în contact cu mediul ambiant în care se desfășoară procesul;

căldura conținută în cantitățile de substanță care se pierd prin evaporare, purjare, drenare, decantare, reglare sau prin neetanșeitățile instalației;

căldura evacuată din proces prin intermediul apei de răcire;

căldura sensibilă conținută în rebuturile de fabricație, în deșeuri, în materialele rezultate din proces ca asociate produsului propriu-zis (zgură, cenușă, pulberi, balast,) ca și căldura sensibilă a produsului propriu-zis la ieșirea din conturul de bilanț considerat;

lucrul mecanic de frecare transformat în căldură.

În cazul în care procesul desfășurat în interiorul conturului de bilanț este unul de transformare a energiei, definirea efectului util și a pierderilor este relativ simplă. În cazul în care în interiorul conturului de bilanț are loc un proces de consum final, împărțirea fluxurilor de energie în utile și inutile este în multe cazuri discutabilă.

Analiza rezultatelor bilanțului energetic are două etape. Prima etapă constă în determinarea indicatorilor de performanță energetică, al căror nivel se compară cu cel de referință. Ca urmare a acestei comparații, activitatea desfășurată în interiorul conturului analizat sau instalația analizată primește un calificativ în raport cu referința. În cazul bilanțurilor energetice reale, situația caracterizată de ele se abate mai mult sau mai puțin de la situația de referință. Prima etapă a analizei trebuie să stabilească motivele abaterii și să propună măsuri de remediere a situației. Chiar dacă rezultatul primei etape a analizei indică o situație suficient de apropiată de referință, este posibil ca nivelul de referință stabilit anterior momentului analizei, să nu mai corespundă cerințelor momentului analizei sau celor ale viitorului previzibil.

În astfel de cazuri, problema eficienței energetice trebuie abordată în alt mod. Această a doua etapă a analizei eficienței energetice a unei activități desfășurate într-un anumit contur pornește de la cantitatea și calitatea resurselor energetice secundare disponibilizate.

Prin definiție, resursele energetice secundare reprezintă cantități sau fluxuri de energie de orice fel, evacuate dintr-un contur în care se desfășoară o activitate productivă și care nu pot fi reciclate (valorificate tot în activitatea respectivă) decât prin modificări aduse instalațiilor aflate în conturul respectiv. Prin urmare, a doua etapă a analizei are ca obiect evaluarea potențialului RES și a posibilităților de valorificare a acestora.

Valorificarea RES în interiorul conturului asociat activității din care provin presupune modificarea procesului tehnologic sau a cel puțin unuia dintre echipamentele care compun instalația. Ea se numește recuperare internă sau interioară și are ca efect reducerea consumului propriu de energie primară sau direct utilizabilă. Acest mod de valorificare a RES, care poate fi considerat ca o reciclare sau o recirculare, nu este întotdeauna tehnic posibil și/sau avantajos din punct de vedere economic. Recuperarea internă are ca efect direct reducerea facturii energetice ca urmare a reducerii consumului propriu de energie.

Valorificarea RES în afara conturului respectiv se numește recuperare externă sau exterioară și implică existența unui consumator exterior conturului asociat activității din care provine RES. Consumatorul este de obicei amplasat în apropiere, deoarece transportul la distanțe mari este cu atât mai puțin avantajos din punct de vedere economic cu cât intensitatea sau densitatea energetică a RES este mai mică. Recuperarea externă are ca efect reducerea în mod indirect a facturii energetice a activității care a generat-o, deoarece din ea se deduc încasările obținute din vânzarea în exterior a RES.

Consumatorul alimentat printr-o recuperare externă a RES renunță la serviciile unei surse de energie convenționale (centrală electrică, centrală termică), care va produce mai puțină energie direct utilizabilă pentru care va consuma mai puțină energie primară. El trebuie să prezinte o cerere de energie compatibilă cu caracteristicile RES disponibile (natură, parametrii, simultaneitate, mod de variație în timp). Dacă compatibilitatea este parțială, RES va constitui doar una dintre sursele sale de alimentare cu energie, cealaltă rămânând sursa convențională. Recurgerea la alimentarea cu energie recuperată duce de obicei la complicații suplimentare pentru consumator, dezavantaj compensat printr-un preț mai coborât al energiei cumpărate.

Oportunitatea și gradul de recuperare al unei RES sunt întotdeauna rezultatul unei analize tehnico-economice, care exprimă o anumită situație la un moment dat, într-un anumit loc și într-un anumit context. Modificarea momentului, a locului sau a contextului poate infirma o soluție de recuperare în totalitate sau numai într-o anumită proporție. Acest lucru trebuie subliniat, deoarece anumite soluții practicate cu succes în alte părți nu sunt în mod obligatoriu la fel de eficiente și în condițiile actuale din România și invers.

CAP III

Studiu privind reducerea consumurilor energetice

O societate ce-și desfășoară activitatea în domeniul industriei sticlei, în special fabricarea și prelucrarea de matrițe. Procesul industrial de fabricație al matrițelor poate fi grupat în două fluxuri:

flux piese mari;

flux piese mici;

În hala de producție piesele mari sunt prelucrate în zona BC-AC (Before Colmonoy-After Colmonoy), unde sunt supuse unor operații (proceduri) de tip BC. În continuare piesele trec prin etapa de sudură și revin în zona BC – AC pentru prelucrări de tip AC (figura 1.1). După această etapă, piesele astfel prelucrate sunt trimise în zona de strunjire interioară – exterioară, fiind apoi prelucrate prin frezare, găurire și extrafrezare, operații efectuate cu ajutorul mașinilor dedicate din zonele OP 50, Gundrill și Extra – milling.

Fig. 1.1 Schemă flux de producție piese mari

Din categoria pieselor mari, care intră în fluxul de producție descris anterior, fac parte matrițele finale sau matrițele preforma (cunoscute sub denumirea de mould-uri și blank-uri).

Al doilea flux de producție este dedicat pieselor mici, în general reprezentate de partea de jos a matrițelor care constituie fundul recipientului (buttom –uri). Prima etapă este cea de debitare, urmată de etapele de strunjire, sudură și frezare. După etapa de frezare (denumită small parts milling) piesele sunt trimise în zona de gravare, apoi în cea de lustruire, fluxul de producție încheindu-se cu etapa de remediere a defectelor (fig.1.2).

Fig.1.2 Schemă flux de producție piese mici

Cele două fluxuri de producție sunt deosebit de importante în obținerea produsului final, atât piesele mici cât și piesele mari parcurg trei etape comune și anume:

asamblare;

inspecție finală;

împachetare.

De precizat faptul că toate operațiile ce stau la baza fluxurilor de producție pentru piesele mari și mici sunt efectuate prin intermediul unor mașini unelte cu comandă numerică, special concepute pentru a ușură procesul tehnologic de fabricare a matrițelor pentru diferite tipuri de sticle.

Sistemul de management al calității certificat furnizează încrederea managementului că va putea realiza obiectivele propuse , va atinge și menține calitatea dorita la un cost optim.

De asemenea, certificarea se menține în urma evaluărilor și supravegherii din partea organismelor certificatoare, ceea ce furnizează încredere clienților noștri că produsele și serviciile vor fi consecvent de aceeași calitate. Hala de producție și succesiunea celor două fluxuri (piese mari și piese mici) este prezentată în fig.1.3.

Fig.1.3. Schema halei de producție – flux piese mari și mici

Breviar de calcul

Procesele tehnologice care se desfășoară în cadrul companiei solicită cantități importante de energie electrică și termică.

Energia electrică este furnizată halei de producție prin intermediul unui transformator coborâtor de 6 / 0,4 kV cu puterea de 1000 kVA: Postul de transformare este prevăzut cu 2 secții de bare, cuplate longitudinal, modul de funcționare fiind de regulă cu cupla închisă.

Definirea contururilor de bilanț

Din analiza proceselor tehnologice se constată că nu poate fi stabilită o lege precisă de alocare a intervalelor de funcționare și nefuncționare pe fiecare dintre agregatele liniilor tehnologice. Oricare dintre mașini poate funcționa atât la gol, cât și la vârf de sarcină. În plus, oricare dintre agregate poate funcționa în intervale de timp distincte, de durate inegale, pe parcursul unui singur schimb. În aceste condiții este, practic, imposibil de stabilit regimul de lucru caracteristic pentru fiecare agregat.

În aceste condiții, conturul de bilanț s-a stabilit la nivelul tablourilor locale de forță din secțiile de producție, intrările în contururile de bilanț fiind asociate alimentărilor din tabloul general din postul de transformare către acestea. Bilanțul energetic global pe conturul companiei se întocmește prin sumarea tuturor contururilor stabilite la nivelul intrărilor în tablourile locale de forță, respectiv a celor două tablouri de alimentare a consumatorilor (TG1 și TG2).

Stabilirea unității de referință asociate bilanțului

Variațiile în timp ale sarcinii electrice arată că este dificil de stabilit durata de referință la nivelul unei operații sau la nivelul unui produs. În aceste condiții și în conformitate cu Ghidul de elaborare și analiză a bilanțurilor energetice, unitatea de referință asociată bilanțului electroenergetic întocmit pe baza măsurătorilor este ora, bilanțul energetic real anual întocmindu-se pe baza timpilor de funcționare din registrele zilnice de exploatare ale beneficiarului și a consumurilor de energie electrică înregistrate lunar de beneficiar, doar cu titlu consultativ, el neavând posibilitatea să redea situația exactă a consumurilor de energie la nivelul unui an calendaristic.

Chiar în condițiile în care mai mulți consumatori din liniile tehnologice au un regim variabil, un bilanț zilnic ar putea fi totuși realizat, cu eroare acceptabilă, însă numai la nivelul întregii întreprinderi.

BREVIAR DE CALCUL ELECTROENERGETIC

Consumatorii electrici din cadrul societății sunt, din punct de vedere al regimurilor de funcționare, de mai multe categorii. Prin urmare, ecuațiile de bilanț și breviarele de calcul corespunzătoare vor diferi de la un tip de consumator la altul.

Consumatorii din liniile de producție

Ecuația de bilanț energetic a unui contur, aferent unui tablou de forță, este de forma

în care:

Ei – energia intrată în contur;

Eu – energia utilă;

Eag – total pierderi de energie în agregate, echipamente și instalații (consumatori);

EL – total pierderi de energie în cablurile de alimentare ale conturului.

Bilanțul electroenergetic este realizat pentru energie activă, energia reactivă fiind considerată pierdere de energie, conform reglementărilor. Măsurătorile efectuate cu analizoarele de rețea electrică trifazată și regimuri tranzitorii tip CHAUVIN ARNOUX modelele QUALISTAR CA 8334 și CA 8334 B, au arătat că tensiunile de fază nu sunt, în general, deformate de prezența armonicelor de rang superior, așa cum se poate observa în figura 2.2

Fig. 2.2 Formele de undă ale tensiunilor și curenților, înregistrate la nivelul tablourilor

Conținutul total de armonice de rang superior în tensiunea de alimentare (THD – Total Harmonic Distortions) rezultă explicit din înregistrările analizoarelor, câteva exemple ale valorilor acestuia fiind prezentate în figurile 2.3.a – fig. 2.3.b.

Fig. 2.3.a. Conținutul de armonice în tensiunea și curentul de alimentare

Ponderea componentei fundamentale este în general mare, peste 96,5 %, fapt care nu justifică efectuarea unei analize armonice a regimurilor de funcționare, puterile deformante în aceste situații fiind neglijabile ca valoare.

Energia utilă este dificil de calculat sau de măsurat direct datorită regimului dinamic al utilajelor, diversității constructive a acestora, acționării de către un singur motor a mai multor mecanisme ale unui aceluiași utilaj etc. În aceste condiții și în conformitate cu prevederile Ghidului de elaborare și analiză a bilanțurilor energetice, energia utilă se poate calcula ca diferență între energia intrată în contur și totalul pierderilor de energie.

Pierderile de energie, în cazul acționărilor electrice, pot fi clasificate în următoarele categorii:

electrice, în înfășurările motoarelor;

electrice, în circuitul magnetic al acestor motoare;

electrice colaterale, în instalațiile de iluminat;

mecanice, în motoarele de antrenare;

mecanice în mecanismele mașinilor.

Așa cum este specificat și în § 4.1 din Ghidul de elaborare și analiză a bilanțurilor energetice, pentru motoarele asincrone având rotorul în scurtcircuit determinarea pierderilor electrice în fierul mașinii este foarte dificilă, chiar și în regim uniform de funcționare. Efectuarea unor încercări specifice, aplicate doar motoarelor de antrenare nu se justifică, datorită necesității demontării utilajelor și separării motorului de utilajul acționat.

În aceste condiții, se poate utiliza modelul matematic simplificat pentru determinarea randamentului motorului asincron funcție de gradul sau de încărcare. Conform acestui model matematic, randamentul unui motor asincron, având un anumit randament nominal, are o dependență funcție de gradul de încărcare cu putere activă.

În conturul de bilanț aferent unui tablou de forță sunt mai multe categorii de consumatori de la motoare electrice și până la consumatori practic pur rezistivi, așa cum sunt mașinile de călcat. Datorită ponderii mari a energiei consumate de motoare electrice, în raport aceea consumată de alte categorii de consumatori din liniile de fabricație (mai puțin iluminatul) o posibilă soluție de abordare a calculului de bilanț este aceea a considerării tuturor consumatorilor aferenți unui tablou de forță ca fiind un motor echivalent.

Gradul de încărcare cu putere activă (ßp) se calculează cu o relație de forma:

ßp= PA /PAn

În care PA reprezintă puterea activă absorbită la o încărcare oarecare, iar PAn puterea activă absorbită în regimul de sarcină nominală.

Randamentul mașinii echivalente poate fi calculat cu relația:

,

În care coeficienții Aη si Bη sunt dați în tabelul 2.1.

Având în vedere numărul mare de utilaje, regimul de funcționare dinamic și imposibilitatea stabilirii unui coeficient de simultaneitate, este relativ dificil de stabilit, prin măsurare directă, un grad de încărcare cu putere activă pentru mașina echivalentă. Totuși, utilizând înregistrări ale parametrilor electrici corespunzători fiecărui tablou de forță aferent liniilor de fabricație și un anumit algoritm, poate fi determinat, în mod indirect, gradul de încărcare cu putere activă a mașinii echivalente.

Astfel, factorul de putere corespunzător unei anumite încărcări a mașinii echivalente poate fi calculat cu o relație de forma:

,

În care coeficienții Aφ și Bφ sunt dați, de asemenea, în tabelul 2.1.

Pentru un randament dat al mașinii electrice echivalente (ηn) pot fi determinați coeficienți Aη și Bη și, astfel, poate fi calculat randamentul mediu al mașinii electrice echivalente. Odată cunoscut acest randament și puterea absorbită de mașina echivalentă, poate fi calculată suma pierderilor electrice și mecanice în mașina echivalentă. Evident, în aceste pierderi vor intra și pierderile de energie pe cablurile prin intermediul cărora se alimentează utilajele dintr-un anumit tablou de forță. La prima vedere ar putea părea o discordanță în raport cu metodologia de calcul a pierderilor, însă având în vedere că pierderile pe aceste cabluri sunt nesemnificative, în raport cu celelalte pierderi, precum și faptul că într-o linie de fabricație poziția unor mașini se poate schimba, funcție de produsul fabricat la un moment dat, schimbându-se astfel și lungimea relativă a cablurile de alimentare, pot fi considerate aceste pierderi ca făcând parte din pierderile generale ale mașinii echivalente. Evident, nu vor intra în aceste calcule și pierderile pe cablul de alimentare al tabloului de forță

Tab. 2.1. Coeficienții din expresia randamentului și a factorului de putere

Pierderile mecanice din motoarele de antrenare și din mecanismele antrenate ar putea fi considerate ca pierderi mecanice globale, în agregat, conform § 3.3.6. din Ghidul de elaborare și analiză a bilanțurilor energetice. În această situație însă, în care se poate determina, pe cale analitică, randamentul global al mașinii electrice echivalente, este preferabil să se determine separat randamentul mecanic al mecanismelor utilajelor antrenate. Dificultatea efectuării unor încercări separate pe fiecare dintre aceste utilaje, conduce la adoptarea unei abordări analitice a determinării randamentului mecanic.

Randamentul global al agregatului echivalent se calculează, astfel, cu relația:

În care ηech este randamentul mașinii electrice echivalente (motor asincron), la sarcina la care acesta funcționează (grad de încărcare cu putere activă), iar ηmec este randamentul mecanic al mecanismelor utilajului echivalent, alimentat dintr-un anumit tablou de forță.

Astfel, pierderile de energie în agregatul echivalent, imaginat ca unicul agregat alimentat dintr-un tablou de forță, rezultă:

[kWh],

În care Ecag este energia consumată de agregatul echivalent alimentat dintr-un tablou de forță, energie care este efectiv măsurată.

Așa cum se poate observa din figurile 2.1 – 2.4, valoarea curentului electric absorbit corespunzător consumatorilor alimentați de la nivelul unui tablou de forță, are o evoluție tranzitorie, cu variații rapide și bruște, funcție de pornirile repetate ale utilajelor dintr-o linie de fabricație. Deoarece pe parcursul intervalului de timp corespunzător unității de referință asociate bilanțului (o oră) există multiple modificări ale valorilor curentului, puterii absorbite și factorului de putere, toate calculele anterioare, referitoare la agregatul echivalent, trebuie făcute la o valoare medie a acestor parametri.

Deoarece valorile acestor parametri sunt pozitive, nu este necesară utilizarea valorilor medii pătratice, fiind suficient să se introducă în calcule valorile medii aritmetice înregistrate pe intervalele de eșantionare ale înregistratorului. În același timp, pentru a ține seama de variația continuă a parametrilor, poate fi introdus în calcule și un factor de formă a curbei curentului, puterii respectiv factorului de putere.

În aceste condiții, în relațiile anterioare vor fi utilizate următoarele mărimi:

[ kWh ],

[ kVArh ],

,

În care kfEa, kfEr, kfcosφ reprezintă factorii de formă pentru energie activă, reactivă și respectiv pentru factorul de putere;

Eamed, Ermed reprezintă valorile medii ale energiei active și respectiv reactive absorbite, pe durata de referință asociată bilanțului;

cosφmed reprezintă factorul de putere mediu, pe durata de referință asociată bilanțului.

În toate relațiile anterioare, Eai, Eri și cosφi reprezintă valori medii calculate pe intervalele de eșantionare la care au fost setate aparatele de măsură – analizorul de calitate a energiei de tip LEM NORMA PQ 70 sau analizorul de rețea electrică trifazată și regimuri tranzitorii modelul CHAUVIN ARNAUX – Qualistar CA 8334 B.

Pierderile electrice în cablurile de alimentare a tablourilor de forță se calculează, conform metodologiei indicate în Ghidul de elaborare și analiză a bilanțurilor energetice, în funcție de valoarea curentului mediu absorbit de instalațiile din contur și de factorul de formă a curentului. Relația de calcul este de forma :

[kWh],

Notațiile având următoarea semnificație:

t – reprezintă durata de referință asociată bilanțului = o oră;

kf – factor de formă al curentului, calculabil cu relația

,

Imp – valoarea medie pătratică a curentului măsurat la capătul alimentat al liniei;

Im – valoarea medie a curentului măsurat la capătul alimentat al liniei;

n – numărul de intervale egale la care se face citirea curentului;

Imed – curentul mediu absorbit de instalațiile din conturul unui tablou de forță, valoare care se calculează cu o relație de forma:

[A],

U – reprezintă valoarea tensiunii de linie;

RL – rezistența liniei electrice de alimentare a unui tablou de forță, ce poate fi calculată cu o relație de forma:

[Ω],

În care:

Rsp – rezistența specifică corespunzătoare tipului de cablu utilizat [Ω/km],

L – lungimea cablului de alimentare [km].

Randamentul global al echipamentelor alimentate dintr-un tablou de forță poate fi calculat cu o relație de forma:

.

Bilanțul transformatoarelor de putere

Ecuația de bilanț a unui transformator de putere, scrisă pentru energie activă, este de forma:

Ei = Eu + ΔEt [kWh],

În care energia utilă (Eu) este energia tranzitată prin transformator, către consumatorii de joasă tensiune, iar ΔEt reprezintă totalul pierderilor de energie în transformator.

Pierderile de energie într-un transformator de alimentare sunt formate din pierderi în miez (în fier) și pierderi în înfășurări (în cupru).

Prima componentă este independentă de regimul de sarcină al transformatorului, iar cea de a doua componentă depinde de intensitatea curentului prin înfășurări. Relația de calcul a pierderilor în transformator este de forma:

ΔEt =(ΔP0+β2ΔPsc) · τ

În care:

ΔP0 reprezintă pierderile în transformator, la funcționarea în gol;

ΔPsc reprezintă pierderile în transformator, la funcționarea în scurtcircuit;

β este coeficientul de încărcare a transformatorului, coeficient care poate fi calculat cu relația:

β = kf ,

Unde:

Im este valoarea medie a intensității curentului prin transformator, în intervalul de timp asociat duratei de referință a bilanțului τ;

In este curentul nominal al transformatorului;

kf este coeficientul de formă al variației curentului, în intervalul τ, care se calculează ca un raport dintre valoarea medie pătratică Imp și valoarea medie aritmetică Im a intensității curentului, în intervalul de timp τ:

În care n reprezentând numărul de intervale egale la care se face citirea curentului.

III. Pentru efectuarea măsurătorilor în cadrul contractului s-au folosit mai multe tipuri de aparate de măsură, atât pentru mărimi electrice (tensiuni, curenți, cos , puteri active și reactive etc.) cât și pentru mărimi neelectrice (debite de apă, debite de gaz, conținut gaze de ardere, etc).

APARATE DE MĂSURĂ PENTRU MĂRIMI ELECTRICE

Pentru efectuarea măsurătorilor electrice în instalațiile de alimentare a consumatorilor s-au utilizat o serie de aparate de măsură, principalele caracteristici funcționale ale acestora fiind prezentate în subcapitolele următoare.

A.1. Analizorul de rețea electrică CHAUVIN ARNOUX CA 8334

Analizor de rețea electrică trifazată și regimuri tranzitorii Chauvin Arnoux modelul QUALISTAR CA 8334 (fig. 3.1) este un aparat cu înregistrare, având o memorie de 4 MB. Este dotat cu un set de 3 traductoare flexibile tip cordon – speciale pentru bare și cabluri de curent, având un domeniu larg de măsură – 10A…3000A precum și cu clești de măsură, pentru măsurarea curenților cu valori mici, sub 10 A. Intervalul de valori în care lucrează pentru tensiunile de fază măsurate este 0 … 860 V RMS.

Analizorul CA 8334 măsoară și afișează valori True RMS, afișează și memorează parametri, forme de undă (funcție osciloscop), diagrame fazoriale (funcție vectorscop), analiză armonică pe semnalele de curent și tensiune (mod expert), fenomenul de flicker, precum și diverse evenimente tranzitorii.

Afișarea rezultatelor se face pe un ecran LCD color de mare rezoluție, iar datele înregistrate și salvate în memorie pot fi descărcate, interpretate și exportate pe un calculator în format EXCEL utilizând software-urile de analiză date QualistarView și Qualistar DataView.

Fig 3.1. Analizorul de rețea CHAUVIN ARNOUX CA 8334 și soft-ul de analiză date QualistarView 2.5

A.2.CLEȘTELE AMPERMETRU-WATTMETRU METRIX MX 2040

Aparatul măsoară în curent continuu în plaja de mărimi 30A – 300A și în curent alternativ în plaja de mărimi 20A – 200A. Pentru tensiuni, în c.c. plaja de măsurare este 600 – 1000 V, iar în c.a. plaja de măsură este 400 – 750V.

Aparatul măsoară puteri active și reactive, puteri aparente în plaja 2 … 200 kW (respectiv kVAr și kVA) precum și factorul de putere cos .

Afișarea mărimilor măsurate se face pe un ecran LCD alb negru.

Fig 3.2. Clește ampermetru-wattmetru METRIX MX 2040

APARATE DE MĂSURĂ PENTRU MĂRIMI NEELECTRICE

Pentru efectuarea măsurătorilor neelectrice în instalațiile și echipamentele din interiorul conturului s-au utilizat o serie de aparate de măsură, principalele caracteristici funcționale ale acestora fiind prezentate în subcapitolele următoare.

B.2. Analizorul de gaze MADUR GA 12

Aparatul este un analizor de gaze digital, cu afișarea valorilor măsurate pe un display LCD monocolor de 38 x 66 mm.

Aparatul poate măsura concentrația în gazele de ardere a oxidului de carbon – CO, oxidului de azot – NO, bioxidului de carbon – CO2, precum și valorile excesului de aer – .

Sonda de măsură are un cap cu lungimea de 150 mm și dispune de un tub de măsură având lungimea de 2m. Aparatul indică valorile temperaturii ambiante, precum și valorile temperaturii gazelor de ardere măsurate. Datele măsurate sunt transmise prin intermediul unei interfețe în infraroșu către o imprimantă miniatura care le imprimă direct pe bandă de hârtie.

Fig. 3.3. Analizorul de gaze MADUR GA 12

IV. Bilanț termic

Societatea are în dotare 10 instalații termice, respectiv 5 centrale termice murale de mică putere și 5 generatoare de aer cald, ambele tipuri de instalații fiind alimentate cu combustibil gazos – gaz natural.

Caracteristicile tehnice precum și destinația fiecăreia dintre centrale sunt precizate în tabelul 5.1. de mai jos.

Tab. 5.1 Caracteristici tehnice centrale si generatoare de aer cald

A.Bilanț real orar cazane

Bilanțul orar al cazanului IMMERGAS, model EOLO ESTRA – 32 kW

În tabelul 5.2 se prezintă valorile măsurate și valorile calculate ale mărimilor care intervin în bilanțul orar al cazanului.

Tab. 5.2 Mărimi măsurate și calculate pentru cazanul IMMERGAS, EOLO ESTRA 32 kW

În tab. 5.3 se prezintă bilanțul orar propriu-zis al cazanului, iar în fig. 5.1 și 5.2 se prezintă diagramele Sankey pentru cele două regimuri de funcționare considerate.

Fig. 5.1. Diagrama Sankey pentru cazan IMMERGAS, model EOLO ESTRA – 32 kW, la încărcare 100 %

Fig.5.2. Diagrama Sankey pentru cazan IMMERGAS, model EOLO ESTRA – 32 kW, la încărcare 50 %

Bilanțul orar al cazanului SAUNIER DUVAL, modEL

THERMAFAST – 32,6 kW

În tabelul 5.4 se prezintă valorile măsurate și valorile calculate ale mărimilor care intervin în bilanțul orar al cazanului.

Tab. 5.4 Mărimi măsurate și calculate pentru cazanul SAUNIER DUVAL, model THERMAFAST – 32,6 kW

În tab. 5.5 se prezintă bilanțul orar propriu-zis al cazanului, iar în fig. 5.3, 5.4 se prezintă diagramele Sankey pentru cele două regimuri de funcționare considerate.

Fig. 5.3. Diagrama Sankey pentru cazan SAUNIER DUVAL, model THERMAFAST – 32,6 kW, la încărcare 100 %

Fig.5.4. Diagrama Sankey pentru cazan SAUNIER DUVAL, model THERMAFAST – 32,6 kW,la încărcare 50 %

Bilanț real orar generatoare de aer cald

În cazul generatoarelor de aer cald, ecuația de lanț are aceeași forma ca si la cazanele da apa calda (vezi cap. 2), cu precizarea ca mărimea Qal are semnificația –„căldura conținuta in aerul încălzit”.

Bilanțul orar al generatorului de aer cald nr.1,

DERMAC, model WLG 2000 – 250 kW

În tabelul 5.6 se prezintă valorile măsurate și valorile calculate ale mărimilor care intervin în bilanțul orar al generatorului.

Tab. 5.6 – Mărimi măsurate și calculate la generatorul de aer cald nr.1, DERMAC, WLG 2000 – 250 kW

În tab. 5.7 se prezintă bilanțul orar propriu-zis al generatorului, iar în fig. 5.5, 5.6 se prezintă diagramele Sankey pentru cele două regimuri de funcționare considerate.

Fig. 5.5. Diagrama Sankey pentru generatorul de aer cald nr.1, DERMAC, model WLG 2000 – 250 kW, la încărcare 100 %

Fig. 5.6. Diagrama Sankey pentru generatorul de aer cald nr.1, DERMAC, model WLG 2000 – 250 kW, la încărcare 50 %

Bilanțul orar al generatorului de aer cald nr.1, ITALKERO, model BIGFOX – 32 kW

În tabelul 5.8 se prezintă valorile măsurate și valorile calculate ale mărimilor care intervin în bilanțul orar al generatorului.

Tab. 5.8 Mărimi măsurate și calculate pentru generatorul de aer cald nr.1, ITALKERO, model BIGFOX – 32 kW

În tab. 5.9 se prezintă bilanțul orar propriu-zis al generatorului, iar în fig. 5.7, 5.8 se prezintă diagramele Sankey pentru cele două regimuri de funcționare considerate.

Fig. 5.7. Diagrama Sankey pentru generatorul de aer cald nr.1, ITALKERO, model BIGFOX – 32 kW, la încărcare 100 %

Fig. 5.8. Diagrama Sankey pentru generatorul de aer cald nr.1, ITALKERO, model BIGFOX – 32 kW, la încărcare 50 %

BILANTUL TERMOENERGETIC real anual

S-a întocmit mai întâi un bilanț global orar, ale cărui rezultate sunt prezentate in tab 5.10 si apoi un bilanț real anual, ale cărui rezultate sunt prezentate in tab. 5.11.

Bilanțul real orar s-a realizat pe baza bilanțurilor reale orare ale cazanelor și a datelor furnizate de beneficiar privind durata de funcționare și gradul de încărcare.

În tabelul 5.10 este prezentat bilanțul termic real orar, iar în fig. 5.9 este prezentată diagrama Sankey corespunzătoare.

Tab. 5.10. Bilanț termic real orar

Fig.5.9. Diagrama Sankey pentru bilanțul termic real orar

Bilanțul termic real anual s-a realizat pe baza bilanțurilor termice reale orare ale cazanelor și a datelor furnizate de beneficiar privind durata de funcționare și gradul de încărcare.

În tabelul 5.11 este prezentat bilanțul termic real anual, iar în fig. 5.10 este prezentată diagrama Sankey corespunzătoare.

Tab. 5.11. Bilanț termic real anual

Fig. 5.10. Diagrama Sankey pentru bilanțul termic real anual

IV.

ANALIZA BILANȚULUI ENERGETIC REAL

Analiza s-a făcut pe cele două componente ale bilanțului, respectiv bilanțul electroenergetic și bilanțul termoenergetic.

V.ANALIZA BILANȚULUI electroenergetic REAL

Concluziile privind bilanțul electroenergetic anual sunt sintetizate în tab 6.1.

În tabel este prezentat bilanțul orar global al procesului de fabricație, bilanț obținut prin însumarea bilanțurilor electroenergetice reale orare întocmite pe fiecare din contururile mașinilor.

Tab. 6.1 Componentele bilanțului electroenergetic orar global

Se observă următoarele:

pierderile in cablurile de alimentare sunt reduse, valoarea procentuală de 1,11 % din total energie consumată fiind in limitele normale. Trebuie remarcat că la măsurători s-a observat că marea majoritate a utilajelor (din cele măsurate) funcționează descărcat, încărcarea lor medie fiind d 50% din valoarea nominală.

pierderile electrice și mecanice în utilaje sunt destul de mari – 31,48% din total energie consumată. Valoarea mare se explica prin modul de concepere a mașinilor si a liniilor tehnologice, unde realizarea unei succesiuni de operațiuni se face cu mai multe utilaje care au mase mari in mișcare de rotație, deci consum propriu de mers la gol mare, in raport cu consumul ce apare la funcționarea in sarcina.

Reducerea acestei componente se poate face prin creșterea nivelului tehnologic al echipamentelor, respectiv eventuala achiziționare a unor mașini noi, cu consumuri energetice specifice mai mici.

din punct de vedere al organizării instalațiilor electrice, respectiv a celor două tablouri de forță ce alimentează practic toată societatea, trebuie făcute câteva observații:

Amplasarea aparatelor de comutație în dulapurile de aparataj este făcută în spatii foarte mici, cu reducerea inacceptabilă a distanțelor de separație între conductoare, respectiv între faze și față de părțile metalice ale dulapurilor. Aceasta prezintă un foarte serios potențial de risc in cazul unor avarii la instalația electrică (scurtcircuite sau suprasarcini accidentale), care ar putea influenta negativ si circuitele electrice alăturate.

Cablurile de forță de alimentare nu au etichete care să precizeze plecarea și respectiv locul de legare la sosirea lor în dulapul de aparataj, ceea ce face dificile atât măsurătorile cât în special lucrările de întreținere și reparații.

Recomandăm verificarea periodică cu ajutorul unei camere de termoviziune a legăturilor electrice dintre cabluri și barele aparatelor de comutație, urmărindu-se valorile temperaturii contactelor pentru a se evita posibilele încălziri locale ce pot constitui eventuale surse de defect.

Este obligatorie introducerea unui sistem de etichetare a plecărilor și sosirilor în cablu din și în fiecare dulap de aparataj, notații care trebuie să corespundă schemelor electrice monofilare, respectiv legăturilor existente la fiecare tablou de forță și de distribuție.

Precizăm că în cadrul prezentei lucrări s-au relevat schemele electrice ale dulapurilor de aparataj, scheme ce sunt puse la dispoziția beneficiarului, atât în forma tipărită cât și în format electronic. Aceasta va permite, pe viitor, corectarea și completarea directă a schemelor și aducerea lor la zi de câte ori vor apare modificări sau extinderi în instalații.

ANALIZA BILANȚULUI TERMOENERGETIC REAL

Concluziile privind bilanțul termoenergetic anual sunt sintetizate în tab 6.2.

În tabel este prezentat bilanțul termoenergetic anual global, bilanț obținut prin însumarea bilanțurilor termoenergetice reale orare întocmite pe cazanele de apă caldă și pe generatoarele de aer cald și luând în considerare datele furnizate de beneficiar privind durata de funcționare și gradul de încărcare a utilajelor.

Tab. 6.2. Bilanț termoenergetic real anual

În ceea ce privește cele cinci cazane de apă caldă, acestea sunt folosite pentru încălzire birouri și pentru preparare a.c.m. la grupurile sanitare.

Din analiza bilanțului acestora rezultă:

la cazanele 3 si 10, conform notațiilor din schemă, se constată că există valori mari ale excesului de aer (peste 3) și, pe cale de consecință, valori mai reduse ale randamentului acestor cazane (0,88 … 0,89). Se recomandă refacerea reglajelor pentru a reduce excesul de aer la valorile normale (1,3 … 1,6).

la cazanele 1, 2 si 4, conform notațiilor din schema termică de amplasare, se constată existența unor valori relativ bune ale excesului de aer, deși, chiar și la aceste cazane, este posibil un reglaj mai bun al excesului de aer (la valorile recomandate de furnizorul de echipamente). În acest fel, și la aceste cazane s-ar putea obține valori ale randamentului apropiate de cele nominale.

În ceea ce privește cele cinci generatoare de aer cald, acestea sunt folosite exclusiv pentru încălzirea spațiilor productive

Din analiza bilanțului acestora rezultă:

la generatoarele de aer cald 5, 6 și 7 (conform notaților din schema termică de amplasare), excesul de aer are valori în jur de 2, valori susceptibile de ușoare corecții în sensul reducerii lor pentru a obține creșteri ale randamentului la valori de 0,91 … 0,92.

la generatorul de aer cald 8 (conform notațiilor din schema termică de amplasare), excesul de aer are valori în jur de 1,28 …1,3, valori conforme cu recomandările și deci nu sunt necesare intervenții corective în partea de reglaj al excesului de aer.

la generatorul de aer cald nr. 9 (conform notațiilor din schema termică de amplasare), excesul de aer are valori în jur de 1,9, valori susceptibile de ușoare corecții în sensul reducerii lor pentru a obține și în acest caz o creștere a randamentului generatorului de aer cald.

Pe durata efectuării măsurătorilor de bilanț s-au constatat și alte aspecte privind consumurile de energie dintre care menționăm următoarele:

cele două compresoare de aer de 55kW, respectiv de 75 kW, care lucrează în sarcină cam la 75% din parametrii nominali, au un disponibil de energie termică recuperabila de aproximativ 40 kW, ceea ce la nivelul unui an calendaristic înseamnă o cantitate de căldură de 165 MWh.

posibilitatea reducerii însemnate a consumului de energie pentru iluminatul halelor, prin renunțarea la folosirea tuburilor fluorescente clasice și înlocuirea acestora cu lămpile de iluminat construite în tehnologia LED.

Ambele observații au și un puternic impact la mediu, prin reducerea efectivă a consumului de energie al întreprinderii, deci implicit prin reducerea corespunzătoare a consumului de energie primară (combustibil gazos) care ar trebui folosit pentru producerea acelorași cantități de energie.

VI.PLAN DE MĂSURI ȘI ACȚIUNI DE CREȘTERE A EFICIENȚEI ENERGETICE

Pornind de la datele prezentate în capitolele de bilanț electro și termoenergetic, precum și pe baza analizei detaliate a bilanțului prezentată anterior, în capitolul de față se prezintă o serie de măsuri tehnice care pot fi luate pentru creșterea eficienței energetice, concomitent cu unele aprecieri economice privind costul implementării acestor măsuri.

Măsurile sunt prezentate sub forma unor tabele de calcul privind valoarea energiei recuperate și costuri de implementare la introducerea unor recuperatoare de căldură pe fiecare din compresoarele de aer de 55 kW respectiv de 75 kW, precum și în cazul înlocuirii tuburilor fluorescente folosite actualmente în instalațiile de iluminat din halele industriale și birouri cu tuburi de tip LED cu consum energetic redus.

PLAN DE MĂSURI PRIVIND RECUPERAREA ENERGIEI LA COMPRESOARELE DE AER

Recuperator de căldură (modul M1-55) montat în exteriorul compresorului Atlas Copco model GA 55 (55 KW): (2 buc.) -varianta fără carcasă: 5974 EUR/buc. -varianta cu carcasă: 7071 EUR/buc., Kit legătura compresor Atlas Copco model GA 55 (55 KW) recuperator căldură: 775 EUR/buc. -Dacă se montează un recuperator de căldură, costul acestuia împreună cu kitul de montare este pentru compresor Atlas Copco model GA 55 (55 KW) maxim 7846 EUR/buc. (pentru varianta cu carcasa). Din tabelul anexat rezultă:

cheltuielile cu consumul de gaz pentru producerea aceleași cantități de apă caldă obținută fără un recuperator de căldură, într-un an sunt de 8.000 EUR/buc.

dacă se montează un recuperator de caldură, costul acestuia împreună cu kitul de montare este maxim 7846 EUR/buc. (pentru varianta cu carcasă)

rezultă că investiția dumneavoastră se recuperează în maxim 2 luni.

Recuperator de căldură (modul M2-75) montat în exteriorul compresorului Atlas Copco model GA 75 (75 KW): (1 buc.) -varianta fără carcasă: 6916 EUR -varianta cu carcasă: 8013 EUR Kit legătura compresor Atlas Copco model GA 75 (75 KW) recuperator căldură: 775 EUR -Daca se montează un recuperator de căldură, costul acestuia împreună cu kitul de montare este pentru compresor Atlas Copco model GA 75 (75 KW) maxim 8788 EUR (pentru varianta cu carcasa). Din tabelul anexat rezultă:

cheltuielile cu consumul de gaz pentru producerea aceleași cantități de apă caldă obținută fără un recuperator de caldură, într-un an sunt de 10.909 EUR

-dacă se montează un recuperator de caldură, costul acestuia împreună cu kitul de montare este maxim 8788 EUR (pentru varianta cu carcasa)

rezultă că investiția dumneavoastră se recuperează în maxim 2 luni.

VII. Breviar de calcul final

Procesele tehnologice care se desfășoară în cadrul societății solicită cantități importante de energie electrică si termica.

Energia electrica este furnizata prin intermediul a trei posturi de transformare;

– PT 10, dotat cu 2 transformatoare coborâtoare de 10 / 0,4 kV cu puterea de 1000 kVA;

– PT 171, dotat cu 2 transformatoare coborâtoare de 10 / 0,4 kV cu puterea de 1600 kVA;

– PT 166. dotat cu 2 transformatoare coborâtoare de 10 / 0,4 kV cu puterea de 1600 kVA.

Posturile de transformare PT 10 si PT 171 sunt interconectate printr-o cupla longitudinala.

Alimentarea cu energie termica consta in furnizarea de abur tehnologic liniilor de fabricație, sursele folosite fiind 2 cazane de abur de 0,2 t/h fiecare având puterea de 155 kW. Cazanele produc abur saturat la presiunea de 4 bar, combustibilul folosit fiind gazele naturale.

Definirea contururilor de bilanț

Descrierea procesului tehnologic

Succesiunea operațiilor tehnologice aplicate in fabrica de cabluri si conductori electrici constituie un proces specific industriei de cabluri, integrat cu operații specifice fabricației principalelor grupe de produse.

Procesul de fabricație pentru conductori si cabluri

Acest proces de fabricație se compune din operațiile tehnologice de baza, grupate in ordinea fluxului tehnologic după cum urmează:

Trefilarea sirmei de cupru este operația de reducere treptata a diametrului sârmei, realizata prin tragerea ei printr-o serie de filiere așezate in mașina de trefilat. Deformarea plastica, la rece, a cuprului determina ecruisarea materialului si implicit necesitatea intercalarii unui tratament termic de recoacere (inmuiere). Sarma trefilata se bobineaza pe tamburi sau in colaci, dimensiunile tamburilor fiind caracteristica functionala a liniei de trefilare. Trefilarea se poate face in sistem unifilar cand operatia descrisa mai sus se executa cu un singur fir – HENRICH ,SKET, sau multifilara, cand aceeasi operatie se executa simultan cu 8 fire pe un utilaj tehnologic adecvat, realizand productivitati marite. Operatia de trefilare a sarmei de cupru incepe de la sarma laminata de 8 mm, diametrele trefilabile fiind grupate in 4 trepte:

Treapta I -trefilare sarme groase de la 8 mm la minim 1,35 mm:

Treapta II -trefilare sarme intermediare de la 3 mm la minim 0,5 mm

Treapta III -trefilare sarme subtiri de la 1.8 mm la minim 0,15 mm

Treapta IV -trefilare sarme foarte subtiri de la 0,6 mm la 0,1 mm

Litarea este operatia de rasucire impreuna a unui numar de 7 ÷ 56 sarme, 0,10 mm ÷ 0,50 mm, componente ale unui conductor flexibil de sectiune dorita. Se realizeaza prin tragerea firelor derulate de pe tamburi asezati pe un stativ adecvat si trecerea lor pe generatoarea rotorului antrenat al masinii de litat. La operatia de litare se realizeaza conductori flexibili cu sectiunea cuprinsa intre 0.22 mm2-4 mm2 sau se realizeaza toroane pentru funii flexibile.

Infunierea este operatia de rasucire impreuna a unui numar de sarme groase sau de toroane flexibile componente ale conductorilor cu sectiunea mai mare de 6 mm2, numit funie. Constructia funiilor difera de lite prin rasucire ordonata si asezarea in straturi a unui numar specific de fire componente pentru fiecare strat, in urmatoarea ordine: 1 + 6 + 12 + 18 +….Operatia se executa pe masini de infuniat tip tigara (rotor tubular cu tamburi in sir) sau pe cableze cu 3 – 6 tamburi intr-un tronson al rotorului. Rasucirea se realizeaza la fiecare rotatie a rotorului, iar funia rezultata se infasoara pe tamburul montat in dispozitivul de receptie al utilajului.

Bobinarea sârmelor sau rebobinarea toroanelor pe tamburii de alimentare a masinilor de infuniat este o operatie auxiliara care nu modifica starea componentelor dar asigura trecerea lor pe suport tehnologic adecvat. Se executa pe masini de bobinat prin antrenarea tamburului de infasurare cu o viteza caracteristica utilajului.

Izolarea primara a conductorilor si aplicarea mantalei pe cabluri. Izolarea este operatia de invelire concentrica a conductorului cu un strat de masa plastica avand grosimea radiala in limitele prescrise. Operatia este executata cu un extruder de materiale plastice sau cu un grup de 2-4 extrudere, care cu ajutorul unui snec antrenat intr-un cilindru incalzit preseaza materialul plastifiat in capul de extrudare. Conductorul metalic traverseaza capul trecand prin conducatorul de fir si apoi printr-o pastila. Masa plastica este presata prin orificiul (sau profilul) pastilei in jurul firului in miscare.

Cablarea vanelor este operatia de asamblare a vanelor componente ale cablurilor. Operatia este similara cu infunierea conductorilor, executandu-se cu utilaje tehnologice asemanatoare construite la gabarite adecvate. Conducerea vanelor izolate de-a lungul masinii trebuie realizata cu elemente de profil corespunzator pentru a evita deteriorarea izolatiei.

Cablarea vanelor poate fi combinata cu infolierea, caz in care masina este echipata cu un dispozitiv adecvat.

Rebobinarea vanelor izolate este necesara in cazul necorelarii dimensiunilor tamburilor la receptia liniilor de izolare primara cu derularea firelor la cablare. Se executa pe masini relativ simple compuse din derulator si dispozitiv de receptie cu tambur antrenat.

Armarea cablurilor este operatia de infasurare a cablurilor cu benzi metalice sau sarma – cu margini suprapuse sau spira langa spira – in scopul protejarii lor mecanice. Se executa pe linii de armare compuse din dispozitiv de derulare, de armare, de tragere si de bobinare pe tamburi (receptie).

Ecranarea cablurilor este operatia prin care se aplica conductorul exterior al cablurilor sau stratul de protectie la cablurile coaxiale, deparazitate. Aceasta operatie are variante multiple de executie. La ROMCAB ecranarea se face cu impletitura de sarma (tresa) si/sau invelirea izolatiei cu folie metalica sau metalizata. Masinile de ecranat functioneaza pe principii similare celor de tesut (tricotat) tuburi (HORN; WARDWEL), utilizand fascicole (suvite) de sarme 0,12 – 0,30 mm bobinate pe mosorele antrenate pe traiectorii incrucisate.

Operatii de masurare, ambalare, marcare

Conductorii si cablurile izolate se livreaza in diferite forme si ambalaje. Aducerea lor într-o forma corespunzătoare condițiilor de livrare necesita una din următoarele operații:

Masurarea si bobinarea in colaci se executa prin derularea produsului de pe tamburul tehnologic, trecerea printr-un contor de lungime si infasurarea lui pe capul de bobinat colaci. Colacul se eticheteaza si se leaga in minim 3 locuri. Lungimea produsului in colaci este limitata intre 20 – 300 (500) m si greutate max. 30 kg.

Masurarea si ambalarea cablurilor pe tamburi este operatia de trecere a produsului finit de pe tamburul tehnologic (de regula din otel) pe un suport de livrare (tambur sau mosor din plastic, carton, sau lemn), etichetarea si marcarea lungimilor continute. Se executa pe masini de rebobinat si masurat compuse din: dispozitiv de derulare, aparat de testare in flux, contor de lungime si dispozitiv de bobinat pe tambur.

Ambalarea colacilor se executa la cererea clientului, prin diverse metode, cu dispozitive adecvate cum ar fi:

înfășurare colaci cu folie;

ambalare in pungi de folie sudate sau in folie contractibila;

ambalare pe palete EURO in folie de plastic.

In general, marcarea cablurilor se face la ultima operatie de izolare prin inscriptionare pe manta.

Fiecare unitate de ambalare – livrare este prevazuta cu o eticheta care contine datele de identificare a produsului, producatorului si a cantitatii ambalate: pe ambalajul unor sortimente destinate retelelor de magazine se aplica coduri de bare pentru fiecare unitate ambalata.

Din analiza proceselor tehnologice se constată că nu poate fi stabilită o lege precisă de alocare a intervalelor de funcționare și nefuncționare pe fiecare dintre agregatele liniilor tehnologice. Oricare dintre mașini poate funcționa atât la gol, cât și la vârf de sarcină. În plus, oricare dintre agregate poate funcționa în intervale de timp distincte, de durate inegale, pe parcursul unui singur schimb. În aceste condiții este, practic, imposibil de stabilit regimul de lucru caracteristic pentru fiecare agregat.

În aceste condiții, conturul de bilanț s-a stabilit la nivelul tablourilor locale de forță din secțiile de producție, intrările în contururile de bilanț fiind asociate alimentărilor din tabloul general din posturile de transformare către acestea. Bilanțul energetic global pe conturul societății se întocmește prin sumarea tuturor contururilor stabilite la nivelul intrărilor în tablourile locale de forță.

Stabilirea unității de referință asociate bilanțului

Variațiile în timp ale sarcinii electrice arată că este dificil de stabilit durata de referință la nivelul unei operații sau la nivelul unui produs. În aceste condiții și în conformitate cu Ghidul de elaborare și analiză a bilanțurilor energetice, unitatea de referință asociată bilanțului electroenergetic întocmit pe baza măsurătorilor este ora, bilanțul energetic real anual întocmindu-se pe baza timpilor de funcționare din registrele zilnice de exploatare ale beneficiarului și a consumurilor de energie electrică înregistrate lunar de beneficiar, doar cu titlu consultativ, el neavând posibilitatea să redea situația exactă a consumurilor de energie la nivelul unui an calendaristic.

BREVIAR DE CALCUL TERMOENERGETIC

Modelele matematice pentru realizarea bilanțurilor energetice au la bază principiul conservării energiei. În acest sens, se definește mulțimea mărimilor de intrare, a mărimilor de ieșire și se calculează pierderile în conturul de bilanț.

Ecuația de bază a calculelor de bilanț este de forma generală:

unde:

– este suma cantităților de căldură de la intrarea conturului;

– este suma cantităților de căldură de la ieșirea conturului.

Pentru realizarea bilanțului cazanelor, acestea au fost pornite și aduse la un regim stabilizat de funcționare, corespunzător sarcinii nominale și unor sarcini de 50 % și 75 % din sarcina nominală. În aceste regimuri s-au măsurat:

– cantitățile de căldură livrate de cazan;

– compoziția gazelor de ardere și temperatura acestora;

– consumul de combustibil;

– dimensiunile și temperaturile suprafețelor exterioare ale fiecărui cazan.

Din analiza rezultatelor măsurătorilor s-a putut aprecia faptul că, pentru regimurile caracteristice considerate, compoziția gazelor de ardere și temperatura acestora prezintă diferențe de la un regim la altul.

În vederea întocmirii bilanțului termoenergetic, s-a considerat un contur de bilanț delimitat de: vana de alimentare cu apă, ieșirea agentului termic – apă caldă sau abur, racordul de evacuare a gazelor de ardere la coșul de fum, priza de aspirație a aerului proaspăt, ventilele de admisie a combustibilului.

Pentru acest contur și în condițiile regimurilor de funcționare menționate anterior s-au determinat celelalte mărimi de intrare și ieșire ale conturului de bilanț și indicatorii specifici.

Fluxurile termice de la intrare sunt reprezentate de:

Căldura introdusă cu combustibilul:

Qc = B.q [MJ/h]

unde B este consumul de combustibil, în Nm3/h, iar q este puterea calorifică a combustibilului, în kJ/Nm3;

Căldura introdusă cu aerul de ardere:

Qa = Var.ia [kJ/h]

unde ia este entalpia aerului la intrarea în arzător, funcție de temperatură, în kJ/Nm3, iar Var este debitul real de aer de ardere, în Nm3/h.

Volumul real de aer de ardere se determină funcție de volumul teoretic de aer de ardere și de coeficientul de exces de aer.

Volumul teoretic de aer de ardere rezultă din ecuația stoechiometrică a arderii combustibilului; pentru gaz metan avem:

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

și, ținând seama de compoziția volumetrică a aerului atmosferic – 21 % oxigen și 79 % azot – și, de asemenea, de faptul că gazul metan nu este pur, ci are o concentrație volumetrică de cca. 5 % azot, rezultă ecuațiile de ardere pentru 1 kmol de combustibil gazos, funcție de excesul de aer:

Tab. 2.2. Ecuații de ardere

Din consumul orar de combustibil, B, se calculează numărul de kilomoli de metan, nB, cu relația:

nB = B / 22,42 [kmol]

unde 22,42 Nm3/kmol reprezintă volumul normal al unui kilomol. Cu această valoare a numărului de kilomoli de gaz metan consumat, tabelul anterior capătă forma din tab. 2.3:

Volumul teoretic de aer de ardere, pentru debitul de combustibil, B, este de forma:

Va0 = (2 nB O2+7,527 nB N2).22,42 [Nm3/h]

iar volumul real de aer de ardere, cu un coeficient de exces, α, este:

Var = α Va0 [Nm3/h]

Tab. 2.3. Ecuații de ardere funcție de consumul orar de combustibil

Căldura introdusă cu apa de alimentare a cazanului

Qal = Dw.ial [MJ/h]

unde Dw este debitul de apă de alimentare, în kg/h, iar ial este entalpia apei la intrarea în cazan, în kJ/kg. Entalpia apei se determină din tabele aflate în literatura de specialitate, funcție de temperatură și presiune.

Fluxurile termice de la ieșire sunt reprezentate de:

Căldura conținută de apa caldă sau aburul livrate:

Qac = Dw.iac [MJ/h]

unde iac este entalpia apei calde sau aburului, la ieșirea din cazan, în kJ/kg, determinată din tabele, funcție de presiune și temperatură.

Căldura pierdută; aceasta are mai multe componente, și anume:

Pierderi de căldură determinate de căldura conținută de gazele de ardere la ieșirea din cazan:

Qgu = Vgu.igu [kJ/h]

Volumul real de gaze de ardere, Vgu, se determină înmulțind membrul al doilea din tabelul nr. 2.3, pentru coeficientul de exces calculat, cu 22,42; se obține volumul real în Nm3/h.

Entalpia gazelor de ardere se determină funcție de compoziția acestora, temperatura de evacuare și căldurile specifice ale fiecărei componente; de exemplu, pentru un coeficient de exces de aer, α = 1,1 și combustibil gaz metan, relația de calcul a entalpiei este de forma:

unde:

cCO2 – căldura specifică a dioxidului de carbon, în kJ/Nm3.0C;

cH2O – căldura specifică a vaporilor de apă, în kJ/Nm3.0C;

cN2 – căldura specifică a azotului, în kJ/Nm3.0C;

cO2 – căldura specifică a oxigenului, în kJ/Nm3.0C;

r – căldura latentă de vaporizare a apei, în kJ/Nm3;

Toate căldurile specifice se determină la temperatura gazelor de ardere, tga, iar căldura latentă se determină pentru presiunea de 1 bar.

În tab. 2.4 se prezintă căldurile specifice ale principalelor componente din gazele de ardere, funcție de temperatură.

Tab. 2.4. Călduri specifice

Pierderi de căldură prin pereții cazanului:

Qp = Σ αi.Si.(tpi – to).3,6 [MJ/h]

unde:

Si este suprafața peretelui considerat, în m2;

αi este coeficientul de transmisie a căldurii, prin convecție naturală, de la perete la aerul înconjurător, în kW/m2.0C;

tpi este temperatura peretelui, în 0C;

to este temperatura aerului ambiant, în 0C.

Pentru determinarea acestor pierderi, se procedează în modul următor:

se împarte întreaga suprafață exterioară a cazanului în zone caracteristice – verticale, orizontale, cilindrice, iar acestea în elemente de suprafață de egală temperatură;

se calculează coeficienții de transmisie a căldurii prin convecție naturală, de la perete la aerul înconjurător, pentru fiecare element de suprafață considerat;

se determină pierderea de căldură pentru fiecare element;

se însumează pierderile de căldură ale tuturor elementelor.

Coeficienții de transmisie a căldurii prin convecție se determină din numărul lui Nusselt:

unde l este dimensiunea geometrică determinantă, iar λ este coeficientul de conductibilitate termică al fluidului la temperatura sa medie:

unde:

– tpi este temperatura peretelui pe fața exterioară;

– t0 este temperatura aerului ambiant.

La rândul lui, numărul lui Nusselt se determină din relația specifică convecției naturale în spațiu nelimitat:

unde valorile lui C și n se determină funcție de produsul (Gr.Pr), conform tabelului 2.4, iar:

unde:

Gr – numărul lui Grasshoff, mărime adimensională;

Pr – numărul lui Prandtl, mărime adimensională, determinată pentru aer, funcție de temperatura lui medie;

β – coeficientul de dilatare volumică al aerului;

g – accelerația gravitațională;

ν – vâscozitatea cinematică a aerului.

Toate mărimile fizice care intervin în relațiile anterioare se determină funcție de temperatura medie.

Tab. 2.5 – Valorile lui C și n

Pierderi de căldură cu combustibilul nears, sau prin ardere incompletă; la arderea gazului metan se poate considera că aceste pierderi sunt foarte mici și pot fi neglijate.

În final, se calculează randamentul cazanului:

Bibliografie

Mugurel Rotariu , Resurse Energetice Secundare , Iași , 2014

Cristian Răducanu, Roxana Pătrașcu, Eduard Minciuc, Bilanțuri Termoenergetice, Editura AGIR , București , 2004;

Carabogdan I. Gh. ș. a. Instalații termice industriale. ET, București 1978;

Carabogdan I. Gh., Badea A., Athanasovici V., sa Bilanțuri energetice. ET București 1986;

Răducanu C., Pătrașcu R., Paraschiv D., Gaba A. Auditul energetic. Editura AGIR București 2000;

Carabogdan I. Gh. ș. a. Instalații termice industriale. ET, București 1978;

Athanasovici V., Dumitrescu I. S., Mușatescu V. Termoenergetică industrială și termoficare. EDP București 1984;

Berinde T., Berinde M. Bilanțuri energetice în procesele industriale. ET București 1985

Răducanu C., Pă trașcu R., Paraschiv D., Gaba A. Auditul energetic. Editura AGIR București 2000

Surse Internet

https://cyd.ro/ ( Construct your dream )