Surse Conventionale Combustibilii

Prin combustibil se intelege orice subsțantă, sau amestec de substanțe, care in urma unei reacții chimice de ardere, produce o mare cantitate de căldură.

          Din categoria combustibililor chimici fac parte:

cărbuni de pământ,

țițeiul si gazele de sondă,

gazele naturale,

lemnul, etc.

         Pentru caracterizarea unui combustibil, in afară de starea fizică și de proveniență trebuie sa i se mai cunoască compoziția chimică, puterea calorică, cantitatea de aer necesară arderii, temperatura gazelor de ardere. [1]

Tipuri de combustibili

Clasificarea combustibililor se poate realiza pe de-o parte după starea de agregare în combustibili solizi, lichizi și gazoși, iar pe de altă parte după proveniență în combustibili naturali și artificiali. În continuare sunt prezentate câteva exemple:

combustibili solizi naturali: rumeguș, lemn, cărbune (turbă, huilă, antracit etc.), șisturi combustibile, paie, etc.;

combustibili solizi artificiali: mangal, cocs, brichete de cărbuni, peleți, etc.;

combustibili lichizi naturali: țiței;

combustibili lichizi artificiali: benzină, petrol, păcură, gaze lichefiate etc.;

combustibili gazoși naturali: gaz metan, gaz de sondă etc.;

combustibili gazoși artificiali: gaz de cocserie, gaz de furnal, gaz de generator

Combustibilii solizi coțin diferite combinații organice ale elementelor C, H, S (elemente combustibile), O si N, alaturi de umiditate și substanțe minerale (Al) care dau cenușă.

         Carbonul este elementul principal al combustibililor solizi. Acesta se gasește in proporție de 50-95%, in funcție de natura si varsta combustibilului . Prin arderea completă a unui kilogram de carbon se obține o energie de 33,44 kJ.

Hidrogenul se gasește in combustibilii solizi intre 2-6 %. Acesta este, de asemenea un element care ridică valoarea termică a combustibilului, intrucât prin ardere se degajă o mare cantitate de caldură .

         Sulful participă cu o pondere de 0,1 – 7 %, in compoziția diferiților combustibili solizi. In combustibil , sulful se gasește sub trei forme: in combinați organice (sulf organic), sub formă de sulfurii metalice, in combinați anorganice oxigenate (de exemplu, sulfați). In procesul de ardere intervine numai sulful organic si cel piritic. Cu toate că la arderea sulfului se degajează o mare cantitate de caldură, acest element este daunător in procesul de ardere a combustibililor, deoarece SO2 format, corodează partile metalice ale focarului si are acțiune poluantă (fiind un component al ploilor acide). Pe langă acesta, sulful necesită pentru aprindere o temperatură mare (500 – 600o C).

         Azotul se gasește în general în cantitate mică, nedepășind 2%. El este un element nedorit in masa combustibilului. Acesta nu participă la ardere, dar ia caldura pentru a se incalzi pana la temperatura cu care gazele arse parasesc instalația de ardere si prin urmare consumă o parte din caldura degajată la arderea combustibilului.

         Oxigenul se gasește in combusitbili, in proporție de 2 % (antracid) pană la 44 % (lemn). Prezența sa în combusitbil conduce la micșorarea valorii termice a acestuia, deoarece fiind combinat mai ales cu carbonul si hidrogenul, o cantitate din aceste elemente combustibile sunt deja oxidate.

         Umiditatea combustibililor constituie de asemenea, un balast, prin faptul că aceasta consumă o mare cantitate de căldură pentru a trece din starea lichidă in starea de vapori. De asemsnea marește volumul si corozivitatea gazelor de ardere.

         Cenușa constituie un balast al combustibilului, întrucât îi micșorează puterea calorică și uneori poate duce la dezorganizarea completă a procesului de ardere, fie prin faptul ca se acumulează în focar și impiedică admisia aerului, fie că se topește la o temperatură joasă (1150 – 1700 oC), și formează un conglomerat plastic cu înglobarea unor cantități de combustibil.

De aceea, în practica industrială, întotdeauna, la alegerea sistemului de ardere a combustibililor solizi se ia în considerație cantitatea de cenușă și proprietățile ei.

         Compoziția combustibilului poate fi determinată prin analiză chimică elementară, și prin analiză tehnică.

         Prin analiză elementară se determină conținutul procentual de C, H, N, O, S din masa organică a combustibilului, iar prin analiză tehnică se determină umiditatea, materiile volatile, cenușa si carbunele fix.

Combustibilii lichizi, cu cateva exceptii, provin din țiței si sunt de trei tipuri:

gaze lichefiate,

combustibili distilați,

combustibili reziduali.

          Combustibilii  lichizi distilați sunt:

benzina,

petrolul lampant,

motorina.

Acestia conțin în principal hidrocarburile C5 – C10,  C10  – C15 și respectiv C12 –C1.

          Combustibilii reziduali: sunt formați, în general, din reziduul obținut la distilarea primară a țițeiului și din reziduurile obținute la cracarea termică a păcurilor sau a motorinelor. Aceștia au o compoziție foarte complexă.

          Combustibilii gazoși : au o compoziție foarte variată, ce depinde de originea acestora. Astfel, gazele naturale din țara noastra conțin peste 99 % CH4, iar gazele combustibile artificiale constau dintr-un amestec de gaze combustibile si necombustibile.

Compozitia combustibililor gazoși: se exprimă obișnuit in procente volumetrice. Principalele componente combustibile ale acestora sunt: CO, H2,  CH4,  alte hidrocarburi și H2S, iar componentele necombustibile însoțitoare sunt: CO2, O2 si N2.         

2.1.2 Arderea combustibilor

Generalități.

Arderea este procesul de oxidare rapidă a unor substanțe, în urma căruia se degajă căldură. Din punct de vedere termodinamic, procesul de ardere este analizat global, în sensul că nu se studiază mecanismul de desfășurare a arderii, denumit cinetica arderii, care este un fenomen chimic extrem de complex și nu se studiază nici produsele intermediare ale arderii.

Combustibilii sunt substanțe care prin ardere, respectiv oxidare, produc o însemnată cantitate de căldură și deci pot să fie utilizate ca surse economice de căldură. De exemplu o piesă de mobilier din lemn, chiar dacă prin ardere produce căldură, nu poate fi considerată combustibil, pentru că nu este o sursă economică de căldură, dar în anumite condiții lemnul în sine, poate să fie considerat combustibil.

Prin ardere, energia chimică a combustibililor se transformă în căldură prin reacții exoterme de oxidare.

Câteva condiții pe care trebuie să le îndeplinească o substanță pentru a fi considerată combustibil sunt următoarele:

– să reacționeze exoterm cu oxigenul, cu viteză mare și la temperaturi ridicate;

– produsele rezultate în urma arderii să nu fie toxice;

– să fie suficient de răspândit în natură, deci să fie ieftin și să nu prezinte alte utilizări posibile, mai economice;

– produsele arderii să nu fie corozive pentru suprafețele cu care intră în contact etc.

În continuare, prin termenul combustibili, sunt desemnați combustibilii clasici (cărbuni, petrol și produsele sale, gaze naturale etc.).

Compoziția combustibililor

Compoziția combustibililor poate să fie stabilită global prin desemnarea părții care participă efectiv la procesul de ardere, denumită masa combustibilă și a părții care nu participă la ardere, denumită balast, care se regăsește între produșii finali ai arderii, sub formă de zgură. Această modalitate de definire a compoziției combustibililor evidențiază și umiditatea, respectiv cantitatea de apă conținută de combustibili și este numită analiză tehnică.

Necesități practice legate de calculul procesului de ardere, impun detalierea compoziției celor două componente ale combustibililor, prin analiza chimică elementară, sau mai scurt analiza elementară, în elemente chimice primare, sau compuși stabili, care alcătuiesc împreună combustibilul. Compoziția chimică elementară, este exprimată pentru combustibilii solizi și lichizi în participații masice [kg component / kg combustibil], iar pentru combustibilii gazoși în participații volumice [m3N component / m3N combustibil].

Combustibilii solizi și lichizi, au în compoziție ca și elemente chimice combustibile: carbonul (c), hidrogenul (h) și sulful (s). În paranteze, cu litere mici, au fost notate participațiile masice ale elementelor chimice. Dintre aceste elemente, sulful este o prezență nedorită, deoarece reacționează cu umiditatea din combustibil, rezultând acid sulfuric, iar acesta este extrem de coroziv pentru elementele metalice ale instalațiilor de ardere. Alte elemente care participă la procesul de ardere sunt: oxigenul (o) legat, deci existent în combustibil și umiditatea combustibilului (w). Masa inertă, minerală, sau balastul, are participația masică notată prin (a). Suma participațiilor masice evidențiate prin analiza elementară, trebuie să satisfacă relația:

(2.1)

Combustibilii gazoși au în compoziție ca elemente cobustibile: hidrogen (h2), oxid de carbon (co), diferite hidrocarburi de tipul (cmhn) de exemplu metanul (ch4), iar ca elemente necombustibile: oxigen (o2), azot (n2), bioxid de carbon (co2) și umiditate (w). Între paranteze au fost notate participațiile volumice, care trebuie să satisfacă relația:

(2.2)

Procesul de ardere. Puterea calorică

Pentru a analiza procesul de ardere, sistemul termodinamic în care se produce aceasta, este definit ca în schema din figura alăturată și permite introducerea unor noțiuni foarte importante pentru înțelegerea ulterioară a fenomenelor legate de ardere.

Spațiul în care se desfășoară arderea este denumit focar. În acest spațiu sunt introduse cele două elemente care se întâlnesc obligatoriu în orice proces de ardere și anume combustibilul, adică acea componentă care urmează să ardă, având debitul și comburantul, adică acea componentă care conține oxigenul necesar arderii. De regulă, în procesele de ardere uzuale din tehnică, aerul este cel mai întâlnit comburant. Mai rar, de exemplu uneori în metalurgie, se utilizează ca și comburant, oxigen tehnic, având o puritate foarte ridicată.

În urma arderii, rezultă:

– gaze de ardere, având o compoziție care diferă în funcție de tipul combustibilului și al comburantului,

– cenușă sau zgură, datorită balastului conținut de combustibil;

– căldură, care reprezintă efectul util și care depinde de condițiile în care se desfășoară arderea și de cantitatea de aer (comburant) introdusă în sistem.

Puterea termică rezultată în urma arderii este notată cu: Q

Pentru oxidarea completă a elementelor combustibile, deci pentru ca arderea să fie completă, este necesară o cantitate minimă de oxigen (O2min), conținută într-o cantitată minimă de aer (Lmin).

Arderea desfășurată în prezența aerului minim necesar, poartă denumirea de ardere stoichiometrică, sau ardere teoretică. Stoichiometria este ramura chimiei care studiază raporturile cantitative dintre elemente, în combinații sau în reacții (conform DEX online).

Gazele de ardere, obținute în urma arderii, conțin în principal bioxid de carbon (CO2), azot (N2), apă (H2O), oxid de carbon (CO), bioxid de sulf (SO2) etc.

Figura 2.1: Schema sistemului termodinamic în care se produce arderea [5]

În cazul utilizării combustibililor solizi, în gazele de ardere se întâlnește și funingine, care de fapt reprezintă particule nearse de carbon.

Arderea perfectă, denumită și arderea teoretică este caracterizată prin faptul că gazele de ardere nu conțin elemente chimice combustibile (de exemplu funingine sau CO).

Arderea incompletă mecanic, este caracterizată prin faptul că gazele de ardere nu conțin particule mecanice combustibile (C).

Arderea incompletă chimic, este caracterizată prin faptul că gazele de ardere nu conțin gaze combustibile (de exemplu CO).

Prin ardere, energia chimică a combustibililor este eliberată sub formă de căldură, denumită și căldură de reacție. Pentru căldura de reacție se utilizează și denumirea de putere calorică (H) a combustibililor.

În funcție de valoarea căldurii de reacție degajate în procesul de ardere, poate să fie stabilită calitatea unui combustibil, iar aceasta reprezintă un criteriu de comparație a combistibililor.

Puterea calorică este căldura de reacție produsă în condițiile stării normale fizice (p0=1.013 bar; t=0°C).

Puterea calorică poate să fie definită mai simplu, ca fiind căldura dezvoltată prin arderea completă a unității de cantitate de combustibil.

Unitatea de măsură a puterii calorice, pentru combustibilii solizi și lichizi, este [kJ/kg], iar pentru combustibilii gazoși este [kJ/m3N].

Ținând seamă că în gazele de ardere există apă (H2O), provenită din oxidarea hidrogenului sau a hidrocarburilor (CmHn), pot să fie definite două tipuri de puteri calorice, în funcție de starea de agregare în care se regăsește apa, ca produs final al arderii.

Dacă apa rezultată în urma arderii, se regăsește în gazele de ardere sub formă de vapori, căldura latentă de vaporizare a apei (Qvap) este conținută în gazele de ardere.

Dacă apa rezultată în urma arderii, se regăsește ca produs de ardere sub formă lichidă, căldura căldura de vaporizare a apei (Qvap) este conținută în căldura de reacție.

Puterea calorică superioară (Hs), este căldura de reacție pentru cazul în care aceasta conține căldura căldura de vaporizare a apei (apa reprezintă un produs al arderii în stare lichidă, iar toate produsele arderii sunt obtinute în condițiile de temperatură și presiune corespunzătoare stării normale fizice – starea inițială a combustibilului și comburantului, înainte de arderea propriu-zisă).

Puterea calorică inferioară (Hi), este căldura de reacție pentru cazul în care aceasta nu conține căldura de vaporizare a apei, deoarece aceasta se regăsește în gazele de ardere (apa reprezintă un produs al arderii în stare de vapori, iar toate produsele arderii sunt obtinute în condițiile de temperatură și presiune corespunzătoare desfășurării arderii).

Între cele două tipuri de puteri calorice există relația evidentă

Pentru combustibili solizi și lichizi se poate scrie:

[kj/kgcb]

unde h și w sunt participațiile masice ale apei rezultate din arderea hidrogenului, respectiv apei conținute inițial de combustibilul solid, sau lichid.

Pentru combustibilii gazoși se poate scrie:

[kj/m3Ncb]

unde (cmhn), (h2) și (w) sunt participațiile volumice ale hidrocarburilor, hidrogenului și umidității combustibilului gazos.

Puterea calorică se poate determina experimental într-o instalație denumită bombă calorimetrică. Determinarea experimentală furnizează puterea calorică reală a combustibilului și constă în încălzirea unei cantități cunoscute de apă, între valori determinate experimental ale temperaturii inițiale și finale, cu ajutorul căldurii rezultate în urma arderii unei cantități cunoscute de combustibil.

Puterea calorică se poate determina prin calcul, cunoscând elementele combustibile, puterile calorice ale acestora și participațiile masice, respectiv volumice ale acestora.

Puterea calorică inferioară a combustibililor solizi și lichizi se calculează cu relația:

[kj/kg]

unde Hik este puterea calorică inferioară a elementului k, gk este participația masică a elementului k, iar n este numărul de elemente combustibile;

Puterea calorică inferioară a combustibililor gazoși se calculează cu relația: [kJ/m3N]

unde rk este participația volumică a elementului k.

Relațiile de calcul ale puterii clorice sunt aproximative, deoarece că nu țin seama de faptul că o parte din aceasta este utilizată la ruperea legăturilor chimice.

Ca exemplu de calcul a puterii calorice inferioare pentru un combustibil solid sau lichid, poate fi prezentată relația:

Ca exemplu de calcul a puterii calorice inferioare pentru un combustibil gazos, poate fi prezentată relația:

O noțiune foarte des utilizată în analize tehnico-economice, este cea de combustibil convențional, desemnând combustibilul fictiv având puterea calorică inferioară:

Cantitatea de combustibil convențional (mcc), echivalentă cu o cantitate dată de combustibil solid sau lichid (mcb) având puterea calorică inferioară Hi, se poate determina din condiția : :

Cantitatea de combustibil convențional (mcc), echivalentă cu un volum oarecare de combustibil gazos se poate calcula asemănător:

:[kgcc]

Astfel, de exemplu pentru 100 m3N de metan (CH4) cu puterea calorică Hi = 35583 kJ/m3N, cantitatea de echivalentă combustibil convențional este:

Noțiunea de combustibil convențional este utilizată mai ales în calcule economice, referitoare la combustibili sau la consumuri energetice echivalente.

Calculul procesului de ardere

Calculul procesului de ardere se efectează pe baza reacțiilor chimice de ardere a elementelor combustibile și are ca scop, pe lângă determinarea căldurii rezultate, pe de-o parte determinarea cantității de aer necesar desfășurării acestor reacții și pe de altă parte determinarea volumului de gaze rezultate în urma arderii. Cele două aspecte sunt foarte importante pentru că dacă nu se asigură o cantitate suficientă de oxigen, respectiv de aer, arderea va fi incompletă, iar dacă se introduce prea mult oxigen, deci aer, se diminuează temperatura de ardere, pentru că aerul în exces trebuie încălzit și în plus crește cantitatea de gaze de ardere rezultate. Cunoașterea cantității de gaze de ardere obținute este esențială pentru dimensionarea tubulaturii pentru evacuarea acestora, pentru dimensionarea coșului de fum și pentru dimensionarea sistemelor de recuperare a căldurii din gazele de ardere.

Ecuațiile arderii

Pentru fiecare element combustibil, trebuie scrisă ecuația procesului de oxidare (ardere):

Arderea carbonului:

Dacă arderea carbonului este incompletă se obține ca produs de ardere oxidul de carbon (CO):

Arderea hidrogenului în combustibilii solizi sau lichizi:

Arderea sulfului:

Arderea oxidului de carbon:

Arderea hidrogenului în combustibilii gazoși:

Arderea unei hidrocarburi:

3 Principalii consumatori de energie termică

Consumatorul de energie termică este persoana fizică sau juridică, care beneficiază de energia termică produsă în sisteme de conversie proprii sau de la sistemul de alimentare centralizat.

Una dintre problemele principale, de a cărei soluționare depinde dezvoltarea civilizației noastre, problemă care a revenit pe primul plan al preocupărilor oamenilor de știință, este asigurarea cu energia necesara dezvoltării activităților de bază, care condiționează evoluția progresivă a nivelului de trai al populației globului terestru.

Consumul de energie pe cap de locuitor este considerat astăzi ca un indice al nivelului de trai.

Creșterea nivelului de trăi nu poate avea loc fără o creștere corespunzătoare a consumului de energie.

Consumul de energie minim necesar unui om este cantitatea de energie obținută din hrana necesară pentru a trăi.

În urmă cu un milion de ani, ca de altfel și astăzi în unele regiuni din Africa și Australia, oameni trăiau cu hrană care conține circa 1800 calorii pe zi de fiecare om, sau, dacă am măsura energia in unitățile cu care ne-am obișnuit, doi kilowați-ore pe zi și pe om.

Această energie este consumată în două scopuri: asigurarea unei temperaturi constante corpului și asigurarea energiei mecanice necesară pentru mișcările cu care omul își procura hrana și pentru diferite deplasări.

Transformarea energiei chimice din alimente în energie termică, în căldura necesara menținerii temperaturii corpului cât și în energia mecanică a mușchilor, se face prin procedee biologice incomplet cunoscute.

Cele patru cicluri energetice prin care a trecut omenirea sunt:

omul izolat cu posibilitățile de conversie biologica a energiei chimice, cu un consum de 2 kwh/zi-om;

societatea de vânători care utiliza arderea lemnului ca o posibilitate de conversie externă a energiei regenerative înmagazinate prin fotosinteza, cu un consum de 5 kwh/zi-om;

societatea agricola, care conduce la distrugerea pădurilor si deci a sursei de energie regenerative, cu un necesar de 8kwh/zi-om;

societatea industrială modernă, caracterizată prin utilizarea combustibililor fosili (cărbune, petrol, gaze naturale) si posibilități de conversie a energiei dintr-o formă în alta cu un consum de 270kwh/zi-om;

Trecerea de la 2kwh/zi, necesari pentru a asigura viața unui om intr-o societate primitiva la 270kwh/zi cât consuma un om intr-o societate industriala modernă, a mai avut si alte repercusiuni asupra revoluției energeticii.

Creșterea consumului de energie reflectă, după cum am văzut o creștere a nivelului de trai. Un aspect deloc neglijabil al creșterii nivelului de trai îl constituie posibilitatea de izolare a omului de mediul nociv extern și crearea unor condiții care să-i asigure o viață sănătoasă, cu un număr cât mai mare de ani.

La același consum de energie pe persoană, vom avea o creștere a necesarului de energie direct proporționala cu creșterea populației.

O analiză sumară a obiectivelor pentru care este necesar să consumăm energie în vederea menținerii unui nivel de trai adecvat, ne arată ca acestea sunt:

asigurarea apei portabile

asigurarea hranei

asigurarea metalelor, fibrelor si materialelor de construcție

asigurarea unui mediu înconjurător tolerabil. (pana in prezent atmosfera conține suficient oxigen pentru a se asigura nevoile de inspirație a viețuitoarelor, dar trebuie menținută curată)

3.1 Clasificarea consumatorilor

Clasificarea consumatorilor după necesarul de energie termică

Consumatori mari de energie termică

Se consideră „consumator mare” de energie termică consumatorul cu o putere termică instalată mai mare de 2000 kW. Aceștia sunt consumatorii care folosesc energia în instalațiile de forță din industrie, transporturi, utilități menajere, încălzirea consumatorilor, urbani etc.

Consumatori medii de energie termică

Se consideră „consumator mediu” de energie termică consumatorul cu o putere termică instalată în intervalul 100 kW – 2000 kW. Din această categorie fac parte școlile, instituții publice, firme mici, blocurile de locuințe, consumatori agricoli.

Consumatori mici de energie termică

Se consideră „consumator mic” de energie termică consumatorul cu o putere termică instalată mai mică de 100 kW. Din această categorie fac parte consumatori casnici.

Clasificarea consumatorilor după zona demografică

Consumatori urbani

Consumatorii urbani de energie termică au ponderea cea mai mare in consumul de energie termică după consumatorii industriali. Funcție de o serie de parametri ce caracterizează consumatorul urban de energie termică se aleg diverse moduri de producerea, transportul și distribuția acesteia astfel încât să existe un nivel de siguranță în alimentare cât mai ridicat și un preț pe unitatea de energie termică cât mai scăzut. Sistemele centralizate de alimentare cu energie termică se pot amplasa în raport cu consumatorul de căldura în una din următoarele situații:

a) interioare, amplasate în centrul de greutate al consumatorului,

b) periferice, amplasate, la marginea zonei de consum,

c) exterioare, amplasate depărtate, în afara zonei de consum.

a) Amplasarea interioară a centralei de termoficare urbană, în regiunea clădită a orașului, cât mai aproape de zona cu cel mai mare consum termic prezintă următoarele aspecte caracteristice:

evită magistralele de transport de diametre mari și lungi, reducând astfel, investițiile în rețeaua de termoficare precum și pierderile de căldura și presiune la transportul și distribuția energiei termice;

permite o adaptare mai elastică la dezvoltarea în timp a consumului;

face posibila utilizarea pentru fiecare zonă de consum a celui mai adecvat agent termic, avantaj important mai ales dacă centrala de termoficare are caracter mixt, livrând și cantitatea de energie termică pentru acoperirea unor necesitați tehnologice;

în situații de cogenerare poate livra energia electrică direct la medie tensiune, evitând astfel pierderile la dubla transformare de tensiune

terenul de amplasare este limitat și scump, ceea ce impune dezvoltarea pe verticală a centralei, și pune probleme legate de sursa de răcire și de posibilitatea alimentării cu combustibil și depozitarii acestuia, în special dacă este un combustibil inferior,

Necesitatea evitării poluării atmosferei orașelor presupune folosirea de regulă a unui combustibil superior, lichid sau combustibil gazos,

Este posibilă și folosirea combustibililor inferiori sau a deșeurilor menajere, însă este necesară luarea unor măsuri de purificare a gazelor de ardere care măresc investițiile în centrala de termoficare.

Amplasarea periferică a centralei de termoficare urbană, la distante destul de diferite de centrul de consum, la limita zonei cădite, se caracterizează prin:

îndepărtarea centralelor de zonele urbane aglomerate permite utilizarea combustibililor inferiori, ușurând aducerea cantităților de combustibil necesar, depozitarea acestora și evacuarea zgurii și cenușii care rezultă din procesul de ardere;

necesită instalații de epurare a gazelor mai puțin costisitoare și evită poluarea atmosferei cu gaze de ardere;

investiții specifice mai reduse datorită costului mai redus al terenului, a dezvoltării centralei pe orizontală și a rezolvării problemelor de alimentare cu apă de răcire și combustibil;

permite realizarea unor centrale de termoficare mai mari decât în cazul amplasării interioare, dând posibilitatea unor extinderi ulterioare ușoare;

duce la creșterea investițiilor în rețeaua de termoficare și a pierderilor de căldura și presiune la transport, efect negativ care este însă compensat de aspectele avantajoase menționate anterior.

Amplasarea exterioară a centralei de termoficare urbane la distanțe mai lungi de limita zonei construite nu este avantajoasă din considerentele generale care conduc la amplasarea periferică a centralelor de termoficare urbane, suficient de departe de zona locuită pentru scopul urmărit, și de o serie de considerente speciale :

Centrala de termoficare are și un consum de căldura industrial, amplasându-se pe platforma industrială sau este asamblată în apropierea sursei de apă de răcire sau de combustibil.

În toate cazurile, dezavantajul distanței mari de transport se amplifică trebuind luate măsuri speciale pentru realizarea transportului agentului termic în cantitate favorabilă (creșterea parametrilor de transport, utilizarea rețelelor de transport monotubulare, etc.)

Consumatori industriali

Consumatori industriali de energie termică sunt în cele mai multe cazuri concentrați pe platforme industriale cu scopul de a fi cât mai aproape de producătorul de energie termică.

Spre deosebire de celelalte categorii de consumatori de energie termică aceștia impun o serie de restricții furnizorului de energie termică (puteri instalate forte mari, parametri speciali ai energiei termice livrate, gradul de siguranță în alimentare foarte ridicat, etc.). În cazul consumatorilor industriali energia termică poate fi asigurată direct sau indirect. Consumatorii industriali alimentați în mod direct cu energie termică, sunt caracterizați de faptul că aceasta, se livrează către consumator sub formă de apă fierbinte sau abur cu diverși parametri termodinamici (temperatură, debit, presiune, entalpie etc.) impuși de consumatorul industrial. Cea dea doua categorie de consumatori industriali care nu primesc energia termică în mod direct au propriile sisteme de conversie a energiei electrice în energie termică. Se pot enumera câteva tipuri de consumatori industriali care primesc în mod indirect energia termică adică prin conversia energiei electrice în energie termică.

instalații cu radiații

instalații cu încălzire prin convecție

instalații de tip deschis (cu radiații infraroșii)

instalații de tip închis (cuptoare)

instalații de încălzire directă a semifabricatelor

instalații de încălzire a lichidelor (încălzirea sticlei lichide, încălzirea apei)

instalații de sudare (prin puncte, cap la cap, prin cusătură, prin relief)

instalații de producție la temperaturi înalte (grafi tare, carborund)

Consumatori agricoli

Sarcina principală a fiecărui consumator agricol este aceea de a facilita, crea și păstra condiții optime de temperatură pentru cultivarea plantelor, independent sau cu o dependență controlată față de condițiile climaterice exterioare. Aceste „condiții optime” se caracterizează printr-un set de factori și parametri fizici legați de natura și cerințele plantelor cultivate. Principalele fenomene care apar sunt fotosinteza și respirația plantelor. Scopul pentru care se creează microclimatul este acela de a accelera procesele caracteristice ale plantelor, ceea ce va permite existența unei producții sezoniere în cantități maxime posibile.

În general, diferența dintre condițiile climaterice interioare și cele exterioare este dată de patru fenomene fizice:

radiația solară, în particular cea de lungime scurtă de undă, penetrează sticla sau folia transparentă de plastic cu care este acoperită sera, fiind transformată în radiație cu lungime mare de undă. În consecință, majoritatea radiației este „prinsă” în interiorul serei, ducând la creșterea temperaturilor dinăuntru

aerul închis în interiorul serei nu circulă, fiind stagnant

concentrarea masei de plante este mult mai mare în interiorul serei decât în exteriorul acesteia

prezența încălzirii și a altor instalații duc la schimbarea caracteristicilor energetice ale climatului serei

Aspectele energetice dintr-o seră impun cunoașterea elementară a naturii mărimilor componente ale „climatului serei”, a particularității interdependențelor lor, a caracterului lor șanjabil la influența variațiilor climatului exterior, precum și a stadiului de dezvoltare a plantelor și a altor factori de influență. Parametri energetici ai unei sere sunt, caracterizat în principal de următoarele mărimi: lumina, temperatura și umiditatea aerului interior, temperatura și umiditatea solului, mișcarea aerului, concentrația de bioxid de carbon, echipamentele de încălzire, managementul și controlul climatului. Această abordare este necesară pentru a înțelege complexitatea microclimatului serei și căile ce trebuie urmate pentru menținerea lui.

Sistemul de încălzire a serei este format din două părți principale: partea de producere a căldurii și partea de distribuție a ei – reprezentată de instalațiile de încălzire. Factorul cel mai important care trebuie întotdeauna luat în considerare atunci când se alege tipul sistemului de încălzire și cel al sursei de energie este corelarea între locațiile sursei de energie și zona de amplasare a serelor.

Consumatori din zone rezidențiale

Consumatorii din cartierele rezidențiale au o serie de avantaje care permit utilizarea energiei termice cu eficiență ridicată.

Caracteristicile consumatorilor rezidențiali sunt următoarele:

construcțiile rezidențiale din România, sunt realizate în ultimele două decenii, din materiale de o calitate superioară din punctul de vedere al reducerii pierderilor de căldură

cartierele rezidențiale sunt amplasate în imediata vecinătate a orașelor mari, fapt ce permite racordarea la sistemele industriale de producere a energie termice

datorită gradului ridicat de izolare termică a clădirilor din aceste zone sarcinile termice pe unitate sun scăzute

distanțele între locuințele rezidențiale sunt foarte mici fapt ce permite implementarea sistemelor centralizate de energie termică

suprafețele clădirilor rezidențiale permit acolo unde este cazul amplasarea de centrale proprii sau sisteme neconvenționale de producere a energiei termice

Consumatorii rezidențiali de energie termică permit mai multe tipuri de sisteme de alimentare cu căldură.

Sisteme individuale de alimentare cu căldură: sunt caracterizate de faptul că o sursă de căldură alimentează un singur consumator, care poate fi reprezentat de o clădire sau de un apartament în cadrul unei clădiri comune. În general, sistemele individuale au un caracter relativ, dependent de conturul alimentat cu căldură și de aspectele administrativ-juridice privind proprietatea. Ele se caracterizează prin faptul că, alimentează un singur consumator

Sisteme centralizate de alimentare cu căldură: sunt caracterizate de faptul că o sursă de căldură alimentează mai mulți consumatori, caracterizați ca atare din punct de vedere juridic. Gradul de centralizare diferă de la caz la caz: de la alimentarea cu căldură a mai multor consumatori individuali situați în aceeași clădire, la gruparea mai multor clădiri, sau a unor zone caracteristice.

Sisteme mixte de alimentare cu căldură se definesc prin aceea că unii consumatori au surse proprii de căldură, iar alții sunt alimentați în sistem centralizat, dintr-una sau mai multe surse de căldură de zonă sau dintr-una singură centralizată.

Alimentarea cu energie termică poate fi realizată în trei moduri

cu sisteme termice, utilizate numai pentru alimentarea cu căldură;

cu sisteme de cogenerare, folosite pentru alimentarea simultană cu căldură și energie electrică;

cu sisteme de trigenerare, care asigură alimentarea simultană cu căldură, frig și energie electrică

Consumatori din zone rurale

Consumatorul de energie termică din mediul rural este caracterizat în mod special de un consum foarte mic de energie termică pe unitate. Acoperirea consumului de energie termică în zonele rurale în condiții de eficiență maximă impune soluții tehnice speciale pentru fiecare zonă în parte.

În prezent în spațiul rural serviciile de alimentare cu energie termica sunt limitate dintr-o serie de motive:

distanțe fizice foarte mari intre consumatori

gardul precar de izolație termică a locuințelor din mediul rural

dificultatea de alimentare cu energie termică dată de relieful neprietenos în cele mai multe cazuri

potențial financiar scăzut al consumatorilor de energie termică din mediul rural pentru investiții în sisteme performante de energie

lipsa de programe pentru încălzirea locuințelor din mediul rural, care să ducă la atragerea de fonduri pentru a rezolva creșterea eficienței energetice a clădirilor

Locuințele din mediul rural sunt în procent de peste 95% neizolate din punct de vedre termic astfel chiar dacă sunt caracterizate de un consum mic pe unitate, pierderile de energie termică sunt foarte mari.

Sursele regenerabile de energie coroborate cu anveloparea termică a clădirilor din mediul rural constituie soluția viitorului pentru consumatorii din zonele rurale.

Consumatori solitari

Consumatorul solitar nu are acces la rețelele de distribuție a gazelor naturale, electricitate și apă caldă, dar nici de aprovizionarea cu păcură, cărbuni sau lemne. Datorita acestui fapt acești consumatori au restricții severe în ceea ce privește pierderile de energie. Cele mai mari pierderi se regăsesc în domeniul de energie termică motiv pentru care se impun o serie de masuri suplimentare pentru evitarea lor:

anvelopa termică a clădirii foarte eficienta, astfel încât climatul confortabil din interior este menținut cu un consum redus de energie, indiferent de sezon, atât în cel cald, cît și in cel rece

orientarea construcției cu spațiile locuibile spre sudul cardinal, pentru a mări câștigurile energetice solare

ferestrele trebuie sa aibă un coeficient de pierdere termică cât mai redus și un câștig de energie solară cât mai ridicat; dimensiunile acestora trebuie să corespundă în primul rând scopului funcțional și abia apoi celui decorativ

nivel ridicat de etanșeitate realizată cu scopul de a diminua scurgerile de aer; anvelopa termica a clădirii va fi dublată si de o anvelopa de etanșeizare de regulă realizată prin lucrările de finisare

ventilația se realizează doar în sistem controlat, cu recuperare energetică și regim continuu de introducere a aerului; recuperarea energetică se poate face atât pentru descărcarea termică a aerului exhaustat cât și pentru folosirea energiei recuperate pentru încălzirea sau răcirea (după caz) aerului proaspăt introdus

În cazul consumatorilor solitari sursele energetice sunt în marea majoritate a cazurilor de natură regenerabilă. Sistemele cu care sunt echipați astfel de consumatori sunt în mod obligatoriu sisteme hibrid (fig.2.1) compuse din panouri solare, a turbine eoliene, pompe de căldura, centrale cu biocombustibil, elemente de stocare a energiei etc.

Figura 2.7 Sisteme energetice hibrid pentru consumatori solitari