Digitally signed by Biblioteca UTM Reason: I attest to the accuracy and integrity of this document

UNIVERSITATEA TEHNIC A MOLDOVEICatedra Alimentri cu cldur i gaze, ventilaie

Pavel Vrlan

BAZELE TEORETICE ALE ALIMENTRII CENTRALIZATE CU CLDURMaterial didactic

CHIINU U.T.M. 2007

Materialul didactic este elaborat n ajutorul studenilor din anul III, specialitatea 582.7 Ingineria sistemelor de alimentare cu cldur i gaze, ventilare la studierea disciplinei Reele termice I, n lipsa altor surse de studiu n limba romn.

Autor: conf. univ., dr. Pavel Vrlan Redactor responsabil: conf. univ., dr. Constantin uleanu Recenzent: conf. univ., dr. Valeriu Goncearuc

2

Introducere Energetica este una din ramurile de baz ale complexului industrial. Noiunea de energetic cuprinde un ansamblu larg de instalaii destinate producerii, transportrii i utilizrii energiei electrice i termice, energiei gazelor comprimate i altor ageni energetici. n organizarea raional a alimentrii consumatorilor cu energie o importan deosebit de mare are termificarea, una din formele cele mai perfecte de alimentare centralizat cu cldur i una din cile principale de micorare a necesarului de combustibil pentru producerea energiei electrice.P = 24 M Pa t = 560

Turbina Generator electric CazanP = 0,05M Pat = 33 condensator

sursa rece

Fig.1. Schema de principiu a Condensare

Centralei

Electrice

de

Producerea energiei electrice poate fi organizat la centrale electrice de condensare (CEC), iar producerea energiei termice - n centralele termice (CT), n baza combustibilului organic. Schema de principiu a CEC este prezentat n figura 1, iar ciclul de condensare prin care are loc producerea energiei electrice n fig 2.a.

3

Aceast form de organizare a producerii energiei electrice i termice se numete producere separat a energiei. Aburul din cazan, avnd entalpia, i4, corespunztoare punctului 4 din nomograma de pe fig. 2.a, nimerete n turbin, unde se destinde pn la un vacuum adnc cu presiunea absolut egal cu 0,05 MPa i temperatura aproximativ 33 0C i entalpia, i5. Pentru a fi ntors n cazan, aburul se condenseaz n condensator, procesul 5-1 (fig. 2.a), unde cedeaz cldura latent de condensare, i5-i1, apei de rcire.a) b)

T2 3Energie electrica

4

T2Energie electrica

4 3

1 1 5Energie termica

5

Sa b a b

S

Fig. 2. a) ciclul de condensare; b) ciclul de termificare n cazan, apa se nclzete pn la temperatura de fierbere la presiunea din cazan, procesul 1-2, i se evapor, procesul 2-3. Aburul obinut, se supranclzete pn la temperaturi nalte de circa 560 0C. n procesul, 3-4, de supranclzire , aburul i restabilete entalpia iniial, i4, i ciclul se repet. n acest ciclu este transformat n energie electric cantitatea de cldur echivalent cu aria trapezei1-2-3-4-5-1 din fig. 2.a, iar cantitatea de cldur echivalent cu aria dreptunghiului a-1-5-b-a este cedat apei de rcire i aruncat n mediul nconjurtor. La

4

temperatura din cazan de 560 0C i presiunea de 24 MPa, entalpia aburului i4 = 3365 kJ/kg, iar la ieire din turbin i5 = 1890 kJ/kg. Entalpia condensatului dup condensator i1 = 138 kJ/kg, iar cldura cedat apei de rcire constituie i5 - i1 = 1752 kJ/kg. Valoarea randamentului ciclului teoretic Rankine, pentru parametrii menionai, constituie = (3365-1890)/(3365-138) = 0,457, iar cldura cedat de ctre abur n condensator apei de rcire constituie 1752/3365 = 0,52 din toat cldura ce se conine n aburul din cazan. Producerea energiei electrice n centralele termice de condensare, dup cum rezult din cele relatate mai sus, prevede aruncarea inutil a minimum 52 % din cldur n mediul ambiant datorit condensrii aburului dup turbin, fr care nu poate avea loc obinerea energiei electrice. Prin urmare, 52 % din energia aburului se transform n deeuri care, printre altele, mai afecteaz i mediul ambiant. n acelai timp, pentru nclzirea cldirilor este necesar de a produce cldur n cazane prin arderea unei cantiti suplimentare de combustibil. Fig.3. Schema de principiu a Centralei Electrice de Termificare

2 1

3

4 7 9

1- cazan; 2,3,4 respectiv, treptele 8 12 de presiune nalt, medie i joas ale turbinei cu abur; 5 5 6 condensator; 6 deaerator; 7 11 generator de energie electric; 10 8 schimbtor de cldur pentru reelele termice; 9 cazan de vrf; 10 sursa rece; 11, 12 - pompe

RT

5

Producerea concomitent a energiei electrice i termice n Centrala Electric de Termificare (CET) constituie cea de-a doua form de organizare a producerii energiei i se numete termificare. Schema de principiu a CET este prezentat pe figura 3, iar procesele ciclului - n fig. 2.b. n acest caz, o parte sau tot aburul, n dependen de necesarul de cldur n momentul dat, este luat cu presiunea de 0,05 0,25 MPa din treapta de presiune medie (3) a turbinei i trecut prin schimbtorul de cldur 8, n care apa din reelele termice se nclzete aproximativ pn la 120 0 C. n cazul n care temperatura apei n reelele termice trebuie s fie mai nalt, ea se nclzete suplimentar, pn la temperatura necesar, n cazanul de vrf 9, unit n serie cu schimbtorul de cldur 8. n cazurile n care necesarul de cldur n reelele termice este mai mic dect puterea termic a CET ului, partea din abur nefolosit n schimbtorul 8 trece prin treapta de presiune joas (4) a turbinei i ndeplinete ciclul de condensare din figura 1, producnd suplimentar energie electric. Astfel, CET ul produce cu acelai abur i energie electric (cu un randament electric puin mai mic dect CEC) i cldur, aruncnd n mediul ambiant doar acea cantitate de cldur care nu poate fi consumat la momentul dat. Astfel, n acest ciclu, n energie electric se transform cantitatea de cldur din aburul din cazan echivalent cu aria trapezei curbliniare 1-2-3-4-5-1 din fig. 2.b, iar cantitatea de cldur echivalent cu aria dreptunghiului a-1-5-b-a din aceeai figur este utilizat n reelele termice. Din figura 2.a se vede, c cantitatea de cldura utilizat n ciclul de termificare teoretic este egal cu coninutul de cldur n abur la intrare n turbin, 100 %. Deoarece consumul de cldur de ctre beneficiarii racordai la reelele termice variaz n timpul anului, fiind mai mare iarna i mai mic vara, CET ul funcioneaz numai n ciclul de termificare aproximativ 2000-3000 ore n an, restul orelor - n ambele cicluri concomitent. Din acest motiv randamentul mediu anual total (de producere a energiei electrice i a cldurii) este n jurul 0,65 0,75. Nectnd la aceasta, termificarea permite de a consuma cu mult mai puin combustibil dect n cazul organizrii

6

producerii separate a acelorai cantiti de energie electric, E, i termic, Q. De aceea, ct timp va exista necesitatea de a produce energie electric n baza combustibilului organic (i nu numai), alimentarea centralizat cu cldur va fi mai rentabil. Afar de aceasta, la arderea combustibilului solid i lichid, din cauza impactului asupra mediului ambiant, alimentarea centralizat cu cldur este mai eficient dect cea descentralizat, fiindc organizarea proceselor de curare a gazelor de ardere nainte de a fi aruncate n atmosfer este mai puin costisitoare, urmnd ca proiectantul s decid gradul de centralizare din punct de vedere economic.

7

Capitolul 1. Consumul de cldur 1.1. Clasificarea consumatorilor de cldur n sistemele de alimentare centralizat cu cldur, aceasta este utilizat pentru nclzirea cldirilor, nclzirea aerului n instalaiile de ventilare i condiionare, pentru prepararea apei calde de consum, precum i n procesele tehnologice la ntreprinderile industriale. Necesarul de cldur pentru nclzire i ventilare depinde n mare msur de temperatura aerului exterior i de alte condiii climaterice ale localitii (radiaia solar, viteza vntului, umiditatea aerului). n condiiile n care, temperatura aerului exterior este mai nalt ca acea stabilit de norme, pentru nclzire i ventilare nu mai este necesar cldura. Astfel, n sistemele de nclzire i ventilaie, cldura este consumat nu anul mprejur, dar numai la temperaturi relativ joase ale aerului exterior. De aceea aceti consumatori sunt numii sezonieri, iar necesarul lor de cldur necesar sezonier. Necesarul de cldur pentru prepararea apei calde de consum, precum i pentru procesele tehnologice la ntreprinderile industriale se consum anul mprejur i puin depinde de temperatura aerului exterior. De aceea consumul de cldur pentru prepararea apei calde de consum i n procesele tehnologice la ntreprinderile industriale se consider permanent. Numai unele procese tehnologice (uscarea fructelor, conservarea produciei agricole etc.) sunt caracterizate de consum sezonier de cldur. Instalaiile de nclzire, ventilare i condiionare a aerului precum i de preparare a apei calde de consum constituie categoria de consumtori comunali, iar instalaiile tehnologice constituie categoria de consumtori industriali. 1.2. Consumul sezonier de cldur Pentru consumatorii sezonieri de cldur sunt caracteristice urmtoarele particulariti de consum:

8

1) pe parcursul anului, consumul de cldur variaz n funcie de temperatura aerului exterior; 2) consumul de cldur este determinat de particularitile meteorologice ale anului curent n localitatea respectiv (iarn cald sau rcoroas) i variaz de la an la an; 3) variaia necesarului diurn de cldur pentru nclzire este nesemnificativ, n mare msur, datorit ineriei termice mari a elementelor de nchidere ale cldirii; 4) consumul de cldur n sistemele de ventilaie se poate deosebi semnificativ n diferite ore ale zilei n dependen de numrul de schimburi i regimul de lucru al ntreprinderii. n cazul efecturii proiectelor de alimentare centralizat cu cldur a localitilor existente, consumurile orare de calcul de cldur trebuie luate din compartimentele de nclzire, ventilare i alimentare cu ap cald de consum ale proiectelor cldirilor. Dar documentele de proiect nu ntotdeauna pot fi folosite, deoarece ele, fiind elaborate n diferite perioade de timp de diverse organizaii, de regul, nu se pstreaz. Pentru proiectarea de perspectiv a localitilor consumurile de calcul de cldur se recomand a fi luate din proiectele tip ale cldirilor cu corectarea pentru condiiile climaterice ale localitii date. n cazul n care documentele de proiect lipsesc, se admite determinarea consumului de calcul al necesarului de cldur macro indicatori. Necesarul de calcul de cldur pentru nclzire. n lipsa proiectelor, n cazul n care sunt cunoscute destinaia i volumul de construcie al cldirii, necesarul orar de calcul de cldur poate fi apreciat cu formula: Q c = (1+ ) V x o (t - t c ) a , (1.1) o e n care V este volumul de construcie al cldirii dup dimensiunile exterioare, m3; ti temperatura de calcul a aerului interior n ncperile cu destinaie preponderent din cldire, 0C ; t c e temperatura de calcul pentru nclzire a aerului exterior, 0C;

i

9

xo caracteristica termic specific pentru nclzirea cldirii, W/(m30C),care poate fi luat din tabelul 1.1 n dependen de destinaia cldirii i volumul ei; a coeficient care ine cont de dependena caracteristicii xo de temperatura de calcul a aerului exterior. Pentru cldiri de locuit i obteti, poate fi calculat cu formula aproximativ a 0,54 + 22/(ti-tec); coeficient care ine cont de necesarul de cldur pentru nclzirea aerului infiltrat prin neetaneitile ngrdirilor vitrate i uilor, care poate fi calculat cu formula:

= b

t c + 273 2 e 2 g H 1 + v , t + 273 i

(1.2)

n care b constant, care depinde de raportul ariilor golurilor de ferestre i ui i aria pereilor exteriori i de tipul ngrdirilor vitrate i poate avea urmtoarele valori: - pentru cldiri industriale cu ferestre mari b = 0,035 0,040; - pentru cldiri de locuit i obteti cu ferestre duble b=0,0080,010; g acceleraia cderii libere, m/s2; H nlimea cldirii, m; v viteza de calcul a vntului pentru perioada rece a anului, m/s. Documentele normative n vigoare admit calcularea necesarului de calcul de cldur pentru nclzirea cldirilor de locuit si celor obteti, W, cu formula: Q c = A q o (1+ k ) (1.3) o n care: A este aria total a cldirilor de locuit, m2; qo indicatorul macro privind consumul de calcul de cldur pentru nclzirea cldirilor de locuit, W/m2; k1 coeficient care ine cont de consumul de calcul de cldur de ctre cldirile obteti. n cazurile n care lipsesc date concrete privind valoare numeric a acestui coeficient, ea poate fi considerat egal cu 0,25 ( 2.04.07-86, pag. 1.). Pentru determinarea ariei suprafeei totale a cldirilor de locuit recomandm a se utiliza datele privind densitatea populaiei la 1 ha n cartierele localitii prezentate n tabelul 1.2.

1

10

T a b e l u l 1.1. Caracteristicile termice specifice ale cldirilor Volumul Caracteristicile termice Temperatura cldirii, specifice, W/(m3 0C) preponderent Destinaia V, mii a aerului cldirii Pentru Pentru m3 interior, ti nclzire, xo ventilare, xo 1 2 3 4 5 Administra