Ş.l.dr.ng. Radu Crstan DINU
CUPRINS Ca.. NOŢIUNI GENERALE DESPRE ENERGETICĂ......... 3.. Defnţe ş ărţ comonente ale sstemulu energetc. 3.. Necesarul, consumul, erderle de energe, randamentele de converse ş utlzare a energe în Sstemul Energetc... 5 Ca.. NOŢIUNI GENERALE DE TERMOTEHNICĂ. 9.. Sstem termodnamc, starea termodnamcă, ecuaţa termcă de stare 9.. Energa nternă, lucrul mecanc, căldura, entala.3. Prncle termodnamc...... 3.4. Dagrame ş transformăr termodnamce ale vaorlor...... 7 Ca.3. NOŢIUNI GENERALE DE TRANSFER DE CĂLDURĂ... 5 3.. Mărm secfce ale transferulu de căldură.. 5 3.. Transferul de căldură rn conducţe..... 5 3.3. Transferul de căldură rn convecţe..... 8 3.4. Transferul de căldură rn radaţe. 30 3.5. Procese comlexe de transfer de căldură 3 Ca.4. COMBUSTIBILI ENERGETICI..... 33 4.. Generaltăţ..... 33 4.. Combustbl solz... 33 4.3. Combustbl lchz.. 36 4.4. Combustbl gazoş.. 36 4.5. Arderea combustbllor. 37 Ca.5. SIMBOLURI GRAFICE UTILIZATE LA ÎNTOCMIREA SCHEMELOR TERMOMECANICE ŞI ELECTROENERGETICE... 38 5.. Clasfcarea centralelor electrce...... 38 5.. Gruarea nstalaţlor dn centralele electrce..... 39 5.3. Scheme utlzate...... 40 5.4. Smbolur grafce utlzate.... 40 Ca.6. NOŢIUNI DE ELECTROTEHNICĂ... 49 6. Sarcna electrcă... 49 6. Intenstatea câmulu electrc... 50 6.3 Potenţalul electrc... 5 6.4 Curentul electrc contnuu... 53 6.5 Elementele une reţele electrce... 56 6.6 Energa ş uterea electrcă... 57 6.7 Curentul electrc alternatv... 57 Ca.7. CARACTERISTICI GENERALE ALE SISTEMELOR ELECTROENERGETICE... 6 7. Generaltăţ..... 6 7. Transformatoare ş autotransformatoare de forţă... 66 7.3 Echamente ale sstemulu electroenergetc... 69 BIBLIOGRAFIE.. 74
. NOŢIUNI GENERALE DESPRE ENERGETICĂ ENERGETICA este ştnţa cae se ocuă cu extragerea, transortul, dstrbuţa ş utlzarea dfertelor forme de energe. INGINERIA ENERGETICĂ este ramura ngnere care se ocuă cu roectarea, roducţa ş exloatarea de echamente energetce, resectv cu actvtăţ de managerat tehnc. ENERGIA, noţune orgnară dn fzcă, consttue la ora actuală subectul central a numeroase dezbater ştnţfce, tehnco-economce ş socal-oltce datortă, în rncal, caracterulu său soco-economc. ENERGIA (dn unct de vedere soco-economc) este un bun materal care exstă sau lseşte, se economseşte sau se roseşte, se stochează sau se dstrbue, are nevoe fecare de ea ş, costă dn ce în ce ma mult. ENERGIA (dn unct de vedere fzc) este măsura generală a dfertelor forme de mşcare a matere ş exrmă caactatea unu sstem fzc de a efectua lucru mecanc atunc când suferă o transformare dntr-o stare în alta. Pentru clarfcarea robleme energe trebue făcută o dferenţere a energe în funcţe de dversele etae de converse ş utlzare, deosebndu-se astfel, ma multe forme de energe: - ENERGIE PRIMARĂ - este energa recuerată drect dn natură (exemle: cărbunele roasăt extras, ţţeul, gazele naturale, uranul natural). - ENERGIE SECUNDARĂ - este acea formă de energe ce oate f folostă într-o gamă largă de alcaţ (exemle: energa electrcă, energa termcă ş benzna). - ENERGIE FINALĂ - este acea formă de energe utlzată entru a asgura consumatorulu servc energetce... Defnţe ş ărţ comonente ale sstemulu energetc SISTEMUL ENERGETIC (SE) este ansamblul nstalaţlor de obţnere, relucrare, transformare, deoztare ş utlzare a dfertelor forme sau dferţlor urtător de energe, în toate ramurle econome naţonale ş ale nstalaţlor de almentare (transort ş dstrbuţe) secfce formelor sau urtătorlor de energe resectv (ssteme de almentare cu energe electrcă, cu gaze, cu energe termcă căldură etc.). Sstemul energetc are două comonente rncale de bază: Sstemul Energetc Naţonal (SEN) care gestonează toate formele de energe, resectv, Sstemul Energetc Industral (SEI) care se comune dntr-o sere de subssteme, urmărnd dversele stad (faze) ale converse energe (fgura.).. Stadul roducer energe - curnde subsstemul de combustbl (SSC) ş cel al roducer energe (SSP). Subsstemul de combustbl rea combustblul dn economa naţonală aarţnând Sstemulu Energetc Naţonal (SEN) ş îl foloseşte ca matere rmă entru arderea drectă în nstalaţle tehnologce (TH), or în subsstemul roducer energe, entru roducerea căldur în CT sau căldur ş energe electrce în nstalaţle CET ror;. Sstemul transformăr caltatve a energe electrce în unctele de transformare electrce (PTe) ş a căldur în unctele termce (PTc). În acest subsstem arametr energe electrce ş termce sunt adataţ valorlor muse de subsstemele ntermedare ş/sau de consumator; 3
Fgura.. Structura sstemulu energetc: SSC - subsstemul de combustbl; SSP - subsstemul roducer energe; CT - centrală termcă; CET - centrală electrcă de termofcare; PTe - ost de transformare a energe electrce; PTc - unct termc; SSAr - subsstemul de roducere a ae de răcre; SSF - subsstemul entru roducere a frgulu; SSAc - subsstemul de roducere a aerulu comrmat; SSAb - subsstemul de dstrbure a aburulu; SSAF - subsstemul de roducere a ae calde ş a ae ferbnţ; TH - nstalaţe tehnologcă; CM - nstalaţ entru asgurarea condţlor de muncă 3. Subsstemele transformăr energe electrce ş căldur în forme ntermedare (SSI) ş dstrbuţa agenţlor termc de consum. Prncalele subssteme dn această categore sunt: - subsstemul de roducere a ae de răcre (SSAr); - subsstemul de roducere a frgulu (SSF); - subsstemul de roducere a aerulu comrmat (SSAc); - subsstemul de dstrbuţe a aburulu (SSAb) ş a ae calde sau a ae ferbnţ (SSAf); 4. Subsstemul consumulu (SSCons) formelor fnale de energe în nstalaţ tehnologce (TH) sau în nstalaţ entru asgurarea condţlor de muncă (CM). Instalaţle tehnologce asgură drect realzarea ş desfăşurarea roceselor tehnologce, ar cele entru asgurarea condţlor de muncă (nstalaţ de încălzre, ventlare ş clmatzare ş cele entru roducerea ae calde în scour gencosantare ş menajere) artcă ndrect la rocesul de roducţe. Legătura între Sstemul Energetc Naţonal ş Sstemul Energetc Industral este unvocă în ceea ce rveşte combustblul ş bunvocă dn unct de vedere al energe electrce ş a căldur sub formă de abur sau aă ferbnte. Legăturle dntre dversele subssteme sau între Sstemul Energetc Naţonal ş Sstemul Energetc Industral sunt asgurate rn reţele de transort ş dstrbuţe a energe electrce ş a dverşlor agenţ energetc (abur, aă de răcre sau aă caldă, agenţ frgorfc, aer comrmat, CO, O etc.). 4
Toate subsstemele care asgură formele fnale de energe în vederea consumulu formează aşa numtele utltăţ ale Sstemulu Energetc Industral. Amlasarea une surse de energe faţă de consumator este determnată de rncalele fluxur de masă ş energe care străbat nstalaţle surse (combustbl, aă de răcre ş energa termcă ş electrcă lvrată consumatorlor). În funcţe de aceste fluxur de masă ş energe determnate, sursa oate f amlasată astfel: La consumator, amlasarea este caracterstcă centralelor de rezervă ş sguranţă; La sursa de aă de răcre, caracterstcă centralelor termoelectrce de condensaţe; La sursa de combustbl, caracterstcă centralelor care folosesc combustbl nferor, neeconomc de transortat... Necesarul, consumul, erderle de energe, randamentele de converse ş utlzare a energe în Sstemul Energetc... Necesarul, consumul ş erderle de energe Necesarul teoretc de energe entru desfăşurarea roceselor de consum, W n,t, rerezntă canttatea mnmă de energe necesară bune desfăşurăr a rocesulu de consum. Necesarul real de energe în condţ reale de funcţonare W rt, rerezntă canttatea de energe ntrată în aaratul (nstalaţa) consumator(oare), în condţle reale de funcţonare. Pentru localzarea unctelor în care se face econom de energe ş analza osbltăţlor tehnco-economce de realzare a acestora, este necesară cunoaşterea fazelor de transformare a energe, de la stadul de energe rmară ână la forma fnală a consumulu (fgura.), transformăr ce au loc în dversele subssteme ce comun sstemul energetc naţonal. Perderle de energe în aaratele consumatoare rerezntă dferenţa dntre energe necesară la aaratele consumatoare, în condţ reale de funcţonare ş necesarul de energe entru desfăşurarea roceselor de consum. Δ W = W W [kw] (.) ac rt n,t Prn transortul energe de la roducătorul forme de energe sau a agentulu energetc de consum la aaratul consumator aar erderle rn reţeaua de dstrbuţe, defnte ca dferenţa dntre energa lvrată dn subsstemul roducer sau transformăr formelor ntermedare de energe ş energa necesară la aaratele consumatoare. Δ W = W W [kw] (.) d l rt Conversa energe în subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe, entru a asgura forma fnală de energe necesară consumatorlor are loc, conform rnculu do al termodnamc, cu erder egale cu dferenţa dntre energa consumată în subsstemul roducer sau transformăr formelor ntermedare de energe ş energa lvrată dn subsstemul resectv. Δ W = W W [kw] (.3) c,l l, Între subsstemul de roducere a energe ş cel al transformăr formelor ntermedare de energe aar erder rn transort, faţă de energa lvrată W l, egale cu dferenţa dntre energa lvrată dn subsstemul roducer de energe ş energa consumată în sstemul roducer sau transformăr formelor ntermedere de energe. 5
Fgura.. Fluxurle energetce de la faza de energe rmară la rocesul consumator: a) Transformăr energetce; b) Dagrama Sankey a fluxurlor energetce coresunzătoare almentăr cu energe a consumatorlor ndustral; SEP sursa de energe rmară; SSP subsstemul roducer energe electrce ş/sau căldur; SSI subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe (agenţ energetc); SSCons subsstemul aaratelor ( nstalaţlor) consumatoare; W e energe rmară consumată; W b - energe rmară consumată de subsstemul roducer energe electrce ş/sau căldur; W l - energe electrcă ş/sau termcă, lvrată de subsstemul roducer energe; W cl - energe rmară consumată de subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe; W l - energe lvrată de subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe; W rt energe necesară la aaratele consumatoare, în condţ reale de funcţonare; W n,t necesar de energe entru desfăşurarea roceselor de consum (tehnologce sau entru asgurarea condţlor de muncă); ΔW e erder de energe rmară; ΔW s erder de energe în cadrul roceselor de converse care au loc în subsstemul roducer energe; ΔW tr - erder de energe rn reţeaua de transort de la subsstemul roducer energe la subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe; ΔW erder de energe în cadrul roceselor de converse care au loc în subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe; ΔW d - erder de energe rn reţeaua de dstrbuţe de la subsstemul realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe la nstalaţle consumatoare; ΔW ac - erder de energe în nstalaţle consumatoare coresunzătoare Ţnând seama de randamentul converse energe în subsstemul de roducere al acestea, dn forma de energe rmară W b în cea lvrată W l, vor aărea erder de energe egale cu dferenţa dntre energa rmară consumată în subsstemul roducer energe ş energa lvrată dn subsstemul resectv. Δ W = W W [kw] (.4) s tr b l l Δ W = W W [kw] (.5) c,l Transortul energe rmare de la sursă la subsstemul de roducere a energe se face de asemenea cu erder de energe care sunt egale cu dferenţa dntre energa rmară totală reluată dn Sstemul Energetc Naţonal ş energa consumată în subsstemul roducer energe. Δ W = W W [kw] (.6) e e b Pentru a asgura unu roces de consum canttatea de energe W nt, la nvelul sstemulu energetc naţonal, este necesar un aort de energe W e, determnat cu relaţa.7: 6
unde: Δ W = ΔW ac W W + ΔW d e e = W = W n,t n,t + ΔW [kw] + ΔW + ΔW + ΔW tr ac + ΔW + ΔW s d + ΔW + ΔW + ΔW e tr + ΔW s + ΔW e [kw] suma erderlor de energe, [kw]. (.7) La nvelul sstemulu energetc ndustral (SEI), consumul brut de energe oate f determnat cu relaţa.8 entru cazul când sstemul de roducere a energe face arte dn sstemul energetc ndustral sau, cu relaţa.9 entru cazul în care subsstemul de roducere a energe nu face arte dn sstemul energetc ndustral sau energa rmară este utlzată ca atare, drect în acesta, adcă ΔW s =0: W W b b = W + ΔW = W + ΔW + ΔW + ΔW + ΔW + ΔW [kw] (.8) n,t n,t SEI SEI n,t n,t ac ac d d = W + W = W + ΔW + ΔW + ΔW + ΔW [kw] (.9)... Randamentele de converse ş utlzare a energe în Sstemul Energetc Prncalele randamente de converse ş utlzare a energe, determnate e baza dagrame Sankey a fluxurlor energetce coresunzătoare almentăr cu energe a consumatorlor energetc dn fgura., sunt:. Randamentul aaratelor consumatoare, η ac, rerezntă raortul dntre energa consumată entru desfăşurarea roceselor de consum ş energa la aaratele consumatoare. W n,t η ac = (.0) Wrt. Randamentul de transort a energe de la subsstemul ntermedar la consumator, η d, rerezntă raortul dntre energa necesară aaratelor consumatoare ş energa lvrată de subsstemul roducer sau transformăr formelor ntermedare de energe. W rt η d = (.) Wl 3. Randamentul subsstemulu realzăr sau transformăr formelor ntermedare de energe, η SSI, rerezntă raortul dntre energa lvrată dn subsstemul roducer sau transformăr formelor ntermedare de energe ş energa consumată în subsstemul resectv. W l η SSI = (.) Wcl 4. Randamentul de transort a energe de la subsstemulu de roducere a e la subsstemul transformărlor ntermedare, η tr, rerezntă raortul dntre energa consumată în subsstemul roducer sau transformăr energe ş energa lvrată dn subsstemul roducer energe. W cl η tr = (.3) Wl 5. Randamentul subsstemulu de roducere a energe, η SSP, raortul dntre energa lvrată dn subsstemul roducer energe ş energa consumată în subsstemul resectv. W l η SSP = (.4) Wb 6. Randamentul transortăr energe rmare, η e, rerezntă energa consumată în subsstemul roducer energe raortată la energa rmară consumată. tr tr s 7
W b η e = (.5) We 7. Randamentul total al utlzăr energe, η tot, rerezntă energa consumată entru desfăşurarea roceselor de consum raortat la consumul de energe rmară. W n,t η tot = = ηac ηd ηssi ηtr ηssp ηe (.6) We 8. Randamentul utlzăr energe la nvelul conturulu subsstemulu de transformăr ntermedare: a) Pentru cazul în care subsstemul de roducere a energe face arte dn sstemul energetc ndustral, randamentul este egal cu energa consumată entru desfăşurarea roceselor de consum îmărţtă la energa consumată în subsstemul roducer energe. W n,t η SEI = = ηac ηd ηssi ηtr ηssp (.7) We b) Pentru cazul în care subsstemul de roducere a energe nu face arte dn sstemul energetc ndustral sau energa rmară W e este utlzată drect în acesta (η SSP =), randamentul este raortul dntre energa consumată entru desfăşurarea roduselor de consum ş energa lvrată dn subsstemul roducer. W n,t η SEI = = ηac ηd ηssi ηtr (.8) Wb Pentru stuaţa în care nu ntervne o converse ntermedară a energe (lseşte subsstemul transformărlor ntermedare) ΔW =0 ş η SSI =, se modfcă randamentul total ş cel al utlzăr energe, relaţle.9... η = η η η η η (.9) tot SEI ac ac d d tr tr SSP SSP e η = η η η η (.0) η = η η η (.) SEI ac d tr 8
. NOŢIUNI GENERALE DE TERMOTEHNICĂ TERMODINAMICA studază roretăţle termce ale corurlor în condţ de echlbru energetc, recum ş rocesele care conduc la stablrea stărlor de echlbru. Se oate sune că termodnamca este ştnţa care se ocuă cu studul leglor de transformare a energe, analzează mşcarea moleculară dn nterorul corurlor ş fenomenele determnate de acţunea artculelor elementare constructve ale acestora. TERMODINAMICA TEHNICĂ (TERMOTEHNICA) este dsclna care studază rocese ce se desfăşoară în maşnle ş nstalaţle termce, rocese în care transferul de energe între corur se face sub formă de căldură ş lucru mecanc, ocuându-se în secal cu roblemele legate de roducerea, transortul ş utlzarea căldur... Sstem termodnamc, starea termodnamcă, ecuaţa termcă de stare CORPUL TERMODINAMIC rerezntă enttatea zolată de medul ambant care se studază dn unct de vedere al leglor termodnamc. Prn sstem termodnamc se înţelege un ansamblu bne delmtat de corur care ot nteracţona între ele sau cu exterorul, nteracţun de natură mecancă sau termcă. Defnţa sstemulu termodnamc este exlcată rn două mărm tehnce: schmb de căldură canttatea de energe cedată sau rmtă de sstem, însoţtă de varaţa arametrlor să extern; lucru mecanc canttatea de energe cedată sau rmtă de sstem, fără varaţa arametrlor extern a acestua. Tot ceea ce se găseşte în afara lmtelor sstemulu se numeşte medu ambant. Între un sstem termodnamc ş medu ambant se ot exercta nteracţun de natură mecancă sau termcă însoţte sau nu de schmbur de substanţă. Dn acest unct de vedere sstemele termodnamce ot f: ssteme termodnamce închse: ssteme în care este osbl un schmb de energe cu medul ambant, dar nu este osbl schmb de masă; ssteme termodnamce deschse: ssteme în care au loc atât schmb de energe cât ş schmb de masă cu medul ambant; ssteme termodnamce zolate: ssteme care sunt use în mosbltatea de a exercta orce t de nteracţun; ssteme termodnamce zolate adabate: ssteme care nu ot realza nteracţun de natură termcă cu medul ambant, dar ot realza nteracţun de natură mecancă. Starea termodnamcă a unu sstem este determnată rn natura, masa ş energa corurlor comonente, de condţle lu nteroare ş de condţle exteroare. Mărmle fzce cu ajutorul cărora se oate recza starea unu sstem aflat în echlbru termodnamc se numesc mărm de stare arametr de stare, arametr ce ot f ntern sau extern. Starea de echlbru termodnamc a unu sstem se atnge atunc când toţ arametr care o caracterzează nu se modfcă în tm. Parametr de stare extern sunt mărmle ce caracterzează starea exteroară a sstemulu ş care sunt funcţ numa de coordonatele generalzate ale corurlor (volum, ntenstăţ de câmur de forţe). Parametr de stare ntern sunt mărmle ce caracterzează starea nternă a sstemulu, dend de roretăţle sstemulu (resunea, temeratura, denstatea). 9
Prn cclul termodnamc se înţelege o succesune de transformăr termodnamce în urma cărora maşna revne de fecare dată în starea nţală. Defnrea une stăr a unu sstem termodnamc se realzează cu ajutorul ecuaţe termce de stare, dezvoltată e baza ostulatulu do al termodnamc, denumt ş rncul zero al termodnamc: Enunţ : Orce mărme de stare a unu sstem aflat în condţ de echlbru termodnamc oate f determnată în funcţe de arametr de stare extern a sstemulu ş de o mărme ce caracterzează starea nteroară a sstemulu, numtă temeratură. Enunţ : Două ssteme aflate în echlbru termc cu un al trelea smultan ş succesv se află în echlbru termc între ele. Ecuaţa termcă de stare (relaţa.) ermte determnarea unua dntre arametr de stare, resunea, [bar], volumul secfc, v, [m 3 /kg] sau temeratura, t, [ C] dacă se cunosc celalţ do: F f ( V, T,, m) ( v, t, ) = 0 = 0 Rezultă: a) volumul secfc al une substanţe este unvoc determnat dacă se cunosc resunea, ş temeratura termodnamcă T: (, T) (.) v = v (.) b) resunea este unvoc determnată dacă se cunosc volumul secfc, v ş temeratura termodnamcă T: ( v, T) = (.3) c) temeratura termodnamcă T este unvoc determnată dacă se cunosc resunea, ş volumul secfc, v: (, v) T = T (.4) Prn dferenţerea (dervarea) celor tre ecuaţ (...4), rezultă: d = dt + dv (.5) T v v T T T dt = dv + d v (.6) v v v dv = dt + d T (.7) T Înlocund relaţa.6 în relaţa.5, rezultă exresa generală a ecuaţe termce de stare (relaţa.8): T T d = dv + d + dv T v v v v T d = T v T v dv + T v T v d + v T dv M d 0
= T v T v v T + T v T v + v T v T = T v T v dv d T + + T dv = T v v d (.8) T.. Energa nternă, lucrul mecanc, căldura, entala... Energa nternă Energa nternă este o mărme de stare care rerezntă starea de agtaţe moleculară a unu cor (energa conservată într-un cor) într-o stare termodnamcă oarecare. Energa nternă se notează cu U ş se măsoară în Joul [J] sau [cal] (relaţa.9). Dacă ne referm la kg de substanţă, atunc se numeşte energe secfcă, se notează cu u ş se măsoară în [J/kg]. [ J] U = U cn + U ot + U 0 (.9) unde: U cn - suma energlor cnetce moleculare coresunzătoare mşcărlor de translaţe, rotaţe ş vbraţe, [J]; U ot - suma energlor otenţale datorate forţelor de nteracţune dntre molecule, [J]; U 0 - suma energlor dntre molecule ş atom, [J]. În calculele termotehnce nu nteresează valoarea absolută a energe nterne c numa varaţa aceste ΔU, adcă: [] J Δ U = U U (.0) unde: U, U - energa sstemulu în starea nţală, resectv starea fnală, [J].... Lucrul mecanc La nteracţunea unu sstem cu medul ambant se oate roduce schmb de energe de natură mecancă atât de la sstem la medul ambant, cât ş de la medul ambant la sstem. a) Lucrul mecanc rerezntă energa schmbată de-a lungul nteracţun mecance dntre sstem ş medul ambant. Lucrul mecanc rodus de o forţă care îş delasează unctul de alcaţe e o dstanţă x este determnat cu relaţa: L = F x (.) Dacă se consderă o delasare elementară dx, se va efectua un lucrul mecanc elementar: dl = F dx (.) Consderând o surafaţă de are S asura cărea acţonează la un moment dat resunea, se va efectua un lucrul mecanc elementar: Deoarece dl = F dx = S dx (.3) dv = S dx rezultă: dl = dv (.4) b) Lucrul mecanc de dslocare, l d (relaţa.5) rerezntă lucrul mecanc necesar entru delasarea unu volum de flud într-o conductă, dntr-o ozţe dată ână în ozţa următoare, în condţ de resune constantă.
V l d = = v [ J / kg] (.5) m unde: V - volumul de flud, [m 3 ]; - resunea fludulu, [bar]; m - masa fludulu, [kg]. v - volumul secfc de flud, [m 3 /kg]. c) Lucrul mecanc absolut efectuat de un gaz rn delasarea stonulu unu clndru e o dstanţă x, la trecerea dntr-o stare termodnamcă nţală,, într-o stare termodnamcă fnală,, se obţne rn însumarea (ntegrarea) canttăţlor elementare de lucru mecanc (relaţa.6). [] L = dl = dv J (.6) Pentru o canttate de gaz egală cu untatea, lucrul mecanc absolut este defnt rn relaţa.7: [ J / ] l dv kg (.7) = d) Lucrul mecanc total e care îl dezvoltă agentul termc într-o maşnă termcă (care nclude atât lucrul mecanc absolut rodus în trecerea de la starea la starea, cât ş lucrul mecanc de admse ş evacuare a agentulu termc), oartă denumrea de lucrul mecanc tehnc sau lucrul mecanc utl exteror ş este determnat cu relaţle.8 ş.9. L t = L + L + L = V + L V (.8) a e ( V V ) = dv d( V) = dv dv V d = V L = L d (.9) t Pentru o canttate de agent termc egală cu untatea, lucrul mecanc total se determnă cu relaţa: l v d (.0) = t CONVENŢIE DE SEMNE:. Dacă sstemul rmeşte energe rn nteracţune mecancă atunc, sstemul resectv consumă lucru mecanc ş, ca urmare, acesta este negatv (L<0);. Dacă sstemul cedează energe rn nteracţune mecancă atunc, sstemul resectv roduce lucru mecanc ş, ca urmare, acesta este oztv (L>0)...3. Căldura Între un sstem termodnamc ş medul ambant aare ndeendent de nteracţunle de natură mecancă, un schmb de energe us în evdenţă fe rn creşterea temeratur T a sstemulu când aceasta este ma mcă decât temeratura medulu ambant fe rn scăderea temeratur T a sstemulu când acesta este sueroară temeratur medulu ambant. Energa transmsă în acest schmb de energe se numeşte căldură ş, se determnă cu relaţa.. dq = m c dt [J] sau [kcal] (.) unde: m - masa fludulu, [kg]; c - căldura secfcă a fludulu, [J/kgºC]; dt - varaţa (gradentul) de temeratură, [ºC]. CONVENŢIE DE SEMNE:. Căldura rmtă de un cor sau de un sstem termodnamc în tmul unu roces este oztvă, conducând la creşterea temeratur (dt>0);
. Căldura cedată de un cor sau de un sstem termodnamc în tmul unu roces este negatvă, conducând la scăderea temeratur (dt<0);..4. Entala Este o mărme de stare cu caracter energetc, referndu-se ca ş energa nternă, la nvelul energetc al unu sstem defntă ca suma dntre energa nternă a corulu sau sstemulu ş lucrul mecanc de dslocare (termen ntrodus de H. Kamerlng Onnes în anul 909). Ea se notează cu H(I), se măsoară în J ş se determnă cu relaţa., resectv, h(), caz în care se numeşte entale secfcă, se măsoară în J/kg ş se determnă cu relaţa.3: H(I) = U + V [J] (.) h() = u + v [J/kg] (.3).3. Prncle termodnamc.3.. Prncul I al termodnamc Prmul rncu al termodnamc rerezntă legea conservăr energe ş de asemenea se referă la modul în care varază energa nternă a unu sstem care nteracţonează mecanc sau termc cu medul exteror, având ma multe enunţur: Enunţ. Varaţa energe nterne a unu sstem U, la trecerea dntr-o stare nţală de echlbru într-o stare fnală de echlbru este egală cu suma dntre lucru mecanc efectuat de sstem L ş căldura schmbată Q de acesta în cursul rocesulu. Enunţ. O maşnă entru a roduce lucru mecanc trebue să consume o canttate echvalentă de energe. În cazul în care aceasta nu este rmtă dn exteror, se consumă dn energa nternă sau externă a sstemulu. O consecnţă a rmulu rncu o consttue nfrmarea osbltăţ exstenţe unu eretuum moble de seţa I. (Peretuum moble de seţa I este o maşnă care ar roduce lucru mecanc fără a consuma o canttate echvalentă de energe). a) Pentru ssteme închse A. În cazul unu sstem închs zolat faţă de medul ambant care nu schmbă nc căldură nc lucru mecanc, energa se ăstrează constantă în tmul aceste transformăr: E = E (.4) B. În cazul unu sstem închs zolat adabatc faţă de medul ambant care nu schmbă căldură dar schmbă lucru mecanc cu medul exteror, se oate scre: E - L = E (.5) C. În cazul unu sstem închs care schmbă ş lucru mecanc ş căldură cu medul înconjurător, se oate scre: E - L + Q = E (.6) Energa conţnută de sstem în cele două stăr ş (E ş E ) este comusă dn energa cnetcă ş energe otenţală energa externă - ş energa nternă. m w U + + m g h E = (.7) 3
m w U + + m g h E = (.8) Cu aceste relaţ, relaţa.6 devne: U h w w + m + m g h + Q L = U + m + m g w w L = U U + m + m g h ( h ) Q (.9) sau entru untatea de masă: sau forma dferenţală: q Se oate consdera: entru ssteme închse: w w l = u u + + g h ( h ) (.30) dq = dl + du + w dw + g dh = du + dv + w dw + g dh (.3) w h w h ecuaţa dferenţală a rmulu rncu al termodnamc dq = du + dl = du + dv (.3) b) Pentru ssteme deschse Se consderă o maşnă termcă în care agentul termc rmeşte căldură ş efectuează lucru mecanc.maşna lucrează în sstem deschs (fgura.): medul de lucru este reluat dn exteror ş duă ce efectuează o sere de transformăr este cedat dn nou medulu înconjurător. Fludul de lucru trebue să traverseze de două or lmta sstemulu: la ntrare ş la eşre. De fecare dată roduce sau consumă lucru mecanc. m x z q M.T l t Fgura.. Sstem termodnamc deschs Lucrul mecanc rodus de masa m la ntrarea în maşnă, resectv lucrul mecanc consumat la eşrea dn maşnă entru a trece este lmta sstemulu, va f: l A x = = (.33) m v z m A x l = = v (.34) m unde: A - ara secţun de ntrare, [m ]. Scrnd blanţul energetc entru o astfel de maşnă între stărle ş se obţne: x 4
w w v + + g z + q = u + v + + g z l t u + + (.35) unde: h () = u + v - o mărme de stare numtă entale, [J/kg]. l t - lucru mecanc tehnc efectuat de maşnă în nteracţunea cu medul înconjurător sau în nteracţunea cu un alt sstem, [J/kg]. w w + g z + q = h + + g z l t h + + (.36) q w w l t = z ( h h ) + + g ( z ) (.37) w w Se oate consdera: rn dervarea relaţe.37 ecuaţa dferenţală a z z rnculu I al termodnamc entru ssteme deschse: dq t = dh + dl = dh v d (.38).3.. Prncul al - II - lea al termodnamc Prncul I al termodnamc stableşte numa relaţ canttatve ale schmburlor energetce dntre ssteme fără a face reczăr cu rvre la condţle în care se ot face transformărle ş la sensul de desfăşurare al acestora. Prncul al II-lea al termodnamc stableşte relaţ caltatve entru fenomene termce dn natură, cele două rnc se comletează recroc, e baza lor utându-se realza maşnle termce rn cclur termodnamce. O rma formulare a rnculu II al termodnamc a fost dată de Sad Carnot: O maşnă termcă nu oate roduce în mod contnuu (cclc) lucru mecanc decât dacă agentul termc schmbă căldură cu două surse de căldură de temeratur dferte. O maşnă care ar funcţona contnuu cu o sngură sursă de căldură ş ar transforma energa rmtă de la această sursă ntegral în lucru mecanc s-ar num eretuum moble de seţa a doua. În 850 Rudolf Claussus a enunţat o nouă formulare entru rncul al II-lea: Căldura nu trece de la sne de la un cor cu temeratura scăzută la un cor cu temeratura ma rdcată. Acest roces este totuş osbl dacă se consumă lucru mecanc dn exteror. În concordanţă cu cele de ma sus Lord Kelvn (W. Thomson 85) a enunţat rncul al II-lea sub forma: În natura, transformărle cclce al căror efect constă în roducerea de lucru mecanc echvalent cu canttatea de căldură reluată de la o sngură sursă, sunt mosble. Observaţe: Prncul al II-lea scoate în evdenţă caltatea energe: exstă energ sueroare care ot f ntegral transformate în lucru mecanc (energe electrcă, energe mecancă) sau alte forme de energe, ş energ arţal transformable (energe nternă). Exrmarea matematcă a conţnutulu rnculu al II-lea al termodnamc a necestat găsrea une no funcţ care să ermtă stablrea unor relaţ valable entru toate rocesele termodnamce care au loc în sstemele zolate, aceasta fnd entroa. Într-un cclu reversbl ntegrala lu Clausus este nulă (relaţa.39) ş dec, exresa de sub ntegrală rerezntă dferenţa unu funcţ de stare. Acesta nouă funcţe este notată cu S este defntă de Clausus ca entroe ş este o caactate calorcă de stare cu caracter extensv e baza cărea se oate scre exresa matematcă a rnculu II al termodnamc entru rocese reversble (cvasstatce) (relaţa.40): 5
dq = 0 (.39) T dq ds = [J/K] sau T dq ds = [J/kgK] (.40) T Fnd o funcţe de stare, varaţa entroe într-un roces reversbl dende exclusv de starea nţală ş fnală a sstemulu: f dq rev ds = Sf S = (.4) T Pentru ssteme zoterm-reversble relaţa devne: dq rev ds = (.4) T ar entru rocese adabatce reversble în care dq rev =0: ds = 0, S = ct (.43) Prncul al dolea al termodnamc entru rocese reversble se oate scre: dq ds rev (.44) T > Cu cât varaţa de entroe este ma mare decât valoarea ntegrale Clausus cu atât gradul de reversbltate al rocesulu este ma rdcat. Pentru un sstem zolat, ntegrala lu Clausus este nulă fndcă sstemul nu schmbă căldură cu exterorul..3.3. Prncul al III-lea al termodnamc (teorema lu Nerst) Prncul al III-lea oferă osbltatea de a calcula valorle absolute ale unor arametr de stare ş ale constantelor de echlbru. Teorema lu Nerst Exermental, Nerst a constatat că la temeratur aroate de 0K varaţa otenţalulu Gbbs (entale lberă) rezntă valor aroate de varaţa entale, ar cele două mărm devn egale. S-a formulat astfel următoarea concluze: Teorema căldur: În sstemele la echlbru, care tnd către temeratura zero absolut rn rocese zoterm cvasstatce, varaţa entale lbere nu ma dende de temeratură. Teorema lu Nerst sau rncul al III-lea al termodnamc se enunţă ş sub forma: Este mosbl de răct o substanţă ână la zero absolut luându- căldura; zero absolut este naccesbl..3.4. Ecuaţ calorce de stare Relaţle stablte între u ş h e de o arte ş, v, T e de altă arte se numesc ecuaţle calorce de stare: u = u (T, v); h = h (T, ) u u du = dt + T v v h h dh = dt + T T T dv d 6 (.45) Relaţle.45 se ntroduc în exresle rmulu rncu al termodnamc entru ssteme închse ş deschse.
a) Pentru ssteme închse: u u dq = du + dv = dt + dv + dv T v v u u dq = dt + + dv (.46) T v v T b) Pentru ssteme deschse: h h dq = dh vd = dt + d vd T T T unde: c c v h h dq = dt + v d T (.47) T u = - căldura secfcă la volum constant; T v h = - căldura secfcă la resune constantă. T Căldura secfcă este căldura necesară entru a creşte (mcşora) temeratura untăţ de masă dntr-un cor cu un grad..4. Dagrame ş transformăr termodnamce ale vaorlor Cclurle termce ale maşnlor ş nstalaţlor termoenergetce sunt comuse dn transformăr smle. Transformărle suferte de sstemele termodnamce se ot grua în transformăr de echlbru ş transformăr de neechlbru. Transformarea este numtă reversblă dacă sstemul trece rn aceleaş stăr într-un sens sau altul de arcurgere. În cazul când stărle arcurse de sstem dferă, transformarea se numeşte reversblă. V Fgura.. Procese reversble în dagrama -V Dagramele termotehnce ale vaorlor se obţn rn rerezentarea grafcă a tabelelor în ssteme de două axe de coordonate, în care sunt trasate curbe de v=ct; =ct; t=ct; h=ct; s=ct; x=ct. Toate aceste dagrame au la baza rerezentarea rocesulu de vaorzare. Se numesc vaor corurle în stare gazoasă în aroerea domenulu de lchefere. Vaorzarea este rocesul de trecere a une substanţe dn faza lchdă în faza de vaor rn ferbere, roces ce se desfăşoară în întreaga masă de lchd. Ttlul vaorlor umez x rerezntă raortul dntre canttatea (în kg) de vaor saturaţ uscaţ, ş canttatea de vaor saturanţ umez (relaţa.48): 7
m va m va x = = (.48) m m + m amestec unde: m va - masa vaorlor, [kg]; m amestec - masa amesteculu (lchd + vaor), [kg]; m lch - masa lchdulu, [kg]. va lch Observaţe: Procesul de vaorzare, ca orce roces de schmbare de fază, are loc la temeratură ş resune constantă, dec este un roces zobar-zoterm. Dec utem concluzona că în tmul vaorzăr faza gazoasă ş faza lchdă se găsesc în stare de echlbru termc, numtă stare de saturaţe. Temeratura la care are loc vaorzarea se numeşte temeratură de saturaţe; valoarea e dende de resunea la care se desfăşoară rocesul. Trecerea de la lchdul în stare de saturaţe la vaor saturanţ uscaţ se face cu coexstenţa faze lchde ş gazoase, care formează îmreună un amestec numt vaor saturaţ umez. Dagramele termodnamce ale vaorlor ermt ctrea drectă cu sufcentă recze a mărmlor de stare. Prn utlzarea dagramelor se obţne o magne ntutvă a desfăşurăr roceselor termodnamce în domenul vaorlor..4.. Dagrama -v a vaorlor de aă Dagrama -v ermte evaluarea lucrulu mecanc efectuat de vaor în tmul transformăr termodnamce la care sunt suuş (fgura.3). Sunt trasate cele două ramur ale curbe lmtă, famlle de curbe zoterme ş curbele de ttlu constant. Fgura.3. Dagrama -v a vaorlor de aă Pentru aă coordonatele unctulu crtc au valorle: cr =,9 bar; v cr =0,0036 m 3 /kg; t cr =374,5 C. Dacă se unesc unctele ce rerezntă înceutul ş sfârştul vaorzăr se obţne curba lmtă sau curba de saturaţe alcătută dn două ramur (curba lchdulu la saturaţe x=0, resectv curba vaorlor la saturaţe x=) care se unesc în unctual crtc k. 8
.4.. Dagrama T-s a vaorlor de aă Dagrama se utlzează în calculele termodnamce entru a une în evdenţă căldura schmbată în rocesele de încălzre, vaorzare, condensare sau suraîncălzre (fgura.4). În zona umedă zobarele, fnd ş zoterme, se rezntă sub formă de segmente orzontale, ar zocorele formează un fasccul de curbe care converg sre unctul de îngheţare. T k k = ct = ct t k IV. Zona Vaorlor suracrtc = ct III. Zona Vaorlor suraîncălzţ I. Zona lchdă V = ct = ct V = ct = ct Vaor saturaţ uscaţ x = 0 A x = ct II. Zona Vaorlor saturaţ umez x = ct x = B Fgura.4. Dagrama T-s s În zona de suraîncălzre zobarele ş zocorele au o formă logartmcă, subtangentele la aceste curbe rerezentând căldurle secfce c ş c V, curbele la volum constant sunt ma înclnate decât zobarele. Între curbele lmtă rocesele de vaorzare sau condensare sunt zobar-zoterme. Căldura ce trebue furnzată entru defntvarea vaorzăr dntre curbele lmtă dende de resune. ramura A-k rerezntă curba lmtă la saturaţe a lchdulu sau curba lmtă nferoară (curba de ttlu constant x=0); ramura k-b rerezntă curba lmtă a vaorlor la saturaţe sau curba lmtă sueroară (curba de ttlu constant x=). Pe dagramă T-s (fgura.4) se dstng următoarele zone, ş anume: zona I stuată în stânga ramur lchdulu la saturaţe; coresunde stărlor în care fludul se află în stare lchdă (x=0); zona II stuată între ramurle rocesulu de vaorzare; rerezntă domenul vaorlor saturaţ umez zona amesteculu lchd-vaor. Zona este formată dntr-o nfntate de curbe de ttlu constant ce ornesc dn unctual crtc ar sre baza dagrame tnd să devnă aralele ( x ( 0,) ) ; zona III curnsă între zoterma crtcă ş curba lmtă sueroară; rerezntă domenul vaorlor suraîncălzţ (x=); zona IV zona vaorlor suracrtc (x=). Pentru mărmle de stare ale vaorlor se utlzeză următoarele notaţ: entru lchd la saturaţe: v'; ρ'; u'; '; s'; 9
entru vaor saturaţ uscaţ: v"; ρ"; u"; "; s". entru zona amesteculu, arametr se calculează în funcţe de valoarea ttlulu termodnamc al curbe e care se află stuat unctul de studu: v = v' + x = ' + x s = s' + x ( v' ' v' ) ( ' ' ' ) ( s' ' s' ).4.3. Dagrama -s a vaorlor de aă Dagrama -s este utlzată în calculele cu vaor de aă (abur) deoarece ermte determnarea entale ş mlct a lucrulu mecanc obţnut rn destnderea adabată a aburulu în turbnă (fgura.5). Punctul k nu ma este unct de maxm e curbele lmtă, c un unct de nflexune (unct în care se schmbă alura curbe ş entru care dervata de ordnul al - II-lea este zero). Pe întregul câm al dagrame, zocorele au o formă aroată de cea a curbelor logartmce. În zona vaorlor saturaţ umez zotermele se suraun este zobare, care sunt rerezentate rn drete înclnate. În zona vaorlor suraîncălzţ zobarele devn curbe logartmce, a căror antă este ma mcă (.49) decât cea a zocorelor, ar zotermele devn curbe cu concavtatea în jos, tnzând către asmtote orzontale..4.4. Transformăr termodnamce ale vaorlor.4.4.. Transformare zocoră sau legea lu Charles Transformarea zocoră (fgura.6) oate avea loc în domenul vaorlor umez sau suraîncălzţ. Prn încălzre la volum constant aburul saturat umed (starea ) îş mcşorează umdtatea (starea ), x >x sau devne abur saturat (starea ") uscat sau suraîncălzt (starea 3). k 3 º º " º º T º [kj/kg ] k " ' " º º T=const. x=0,5 k =const. x=0,55 > cr T>T cr. < cr x=0,75 v=const. T=const. =const. T<T cr. x= x=0,9 s' s" s Fgura.5. Dagrama -s a vaorlor de aă V=ct º 3 k V=ct " º º º º 3 x x x x V =V =V 3 V x x s s Fgura.6. Transformarea zocoră a vaorlor de aă Parametr de stare care se modfcă sunt resunea ş temeratura, volumul rămânând constant. Ecuaţa care descre starea unu roces zocor, conform Leg lu Charles este: 0
T = = ct (.50) T T Observaţe: O astfel de transformare are loc în cazul în care o butele umlută cu gaz este ntrodusă într-un medu cu temeratură varablă. Pentru transformarea zocoră, conform ecuaţlor rnculu I al termodnamc entru ssteme închse ş deschse, se oate scre: Căldura schmbată în tmul transformăr: dq = du + dv (.5) V = ct dv = 0 dq = du = C dt q = C T T Lucru mecanc: dl = dv V ct dv = 0 Lucrul mecanc tehnc: l = 0 V V ( ) (.5) dlt = - V d lt = - V ( - ) = V ( - ) (.53) Varaţa de energe nternă: Entala: V V ( T T ) du = dq = C dt q = C (.54) dq = dh V d h = C V (T T ) + V ( dh = dq + V d ) dh = C V dt + V d. (.55).4.4.. Transformarea zobară sau legea Guy - Lussac În tmul transformăr zobare (fgura.7), arametr de stare care se modfcă sunt temeratura ş volumul, resunea rămâne constantă. Această transformare este cel ma des întâlntă în funcţonarea maşnlor ş nstalaţlor termce (rocese de condensare ş vaorzare), ecuaţa care descre starea unu roces zobar, conform Leg lu Guy - Lussac fnd: V V T V = = ct (.56) T T k 0 ' " º º º º º 3 º =ct T 0 º ' º k =ct º 3 º º º " =ct k º =ct 3 " º º º x x x x x x V s s Fgura.7. Transformarea zobară a vaorlor de aă Pentru transformarea zobară, conform ecuaţlor rnculu I al termodnamc entru ssteme închse ş deschse, se oate scre: căldura schmbată în tmul transformăr:
dq = dh V d = ct d = 0 dq = dh = C dt q = h = C ( T T ) (.57) lucrul mecanc exteror: l dl = dv = dv = (V V ) (.58) lucrul mecanc tehnc: dl t = ct = V d d = 0 varaţa de energe nternă: lt = 0 ( T T ) ( V V ) (.59) dq = du + dv du = dq dv = C (.60).4.4.3. Transformarea zotermă sau legea Boyle - Marote În tmul transformăr zoterme (fgura.8) se modfcă resunea ş volumul sstemulu termodnamc, temeratura rămânând constantă. În domenul vaorlor saturaţ umez rocesul este ş zobar ş zoterm, ar ecuaţa termcă care stă la baza rocesulu este: T = ct; V = ct T = ct; V = ct (.6) 0 k T=ct ' " 3 T 0 ' k T=ct " 3 k º º º" 3 º T=ct x x x x x x V s Fgura.8. Transformarea zotermă a vaorlor de aă s Pentru această transformare se oate scre, conform ecuaţlor rnculu I al termodnamc entru ssteme închse ş deschse: căldura: dq = du + dv = C T = ct dt = 0 energa nternă: entala: du = C V dt T = ct dt = 0 dh = C T = ct dt dt = 0 V dt + dv dq = dv du = 0 dh = 0 q u h = u h V V ln V = 0 = V ln = R T ln (.6) (.63). (.64) = 0
.4.4. Transformarea adabată Procesele adabatce resuun transformăr ale sstemulu termodnamc fără schmb de căldură cu exterorul (fgura.9). În tmul une astfel de transformăr se modfcă temeratura, resunea ş volumul sstemulu. dq=0 - destnderea aburulu în turbnă (maşnle termce) se consderă că se desfăşoară duă o transformare adabatcă negljând schmbul de căldură între vaor ş medu exteror sau între vaor ş organele maşnlor. 3 4 k " T 3 k 4 " k " t x x x x x x V s 3 = s 4 s = s Fgura.9. Transformarea zotermă a vaorlor de aă s s = s s Transformărle adabatce reversble sunt caracterzate rntr-o entroe constantă se rerezntă în dagramele T-s ş -s rntr-un segment vertcal. Prn destnderea adabatcă vaor suraîncălzţ se transformă în vaor saturaţ umez (starea ). Lchdul saturat (starea 3) suus une destnder adabate se vaorzează transformându-se în vaor saturaţ umez (starea 4). C Se defneşte în acest caz coefcentul k = exonent adabatc. C v Pentru această transformare se oate scre: C Cum k= C dq = du + dv = 0 dq = dh V d = 0 V căldura: C C V dt = dv dt = V d 3 C V d = (.65) C dv V dv d k dv + V d = 0 k + = 0 k ln V + ln = ct (.66) V ln V k R T k k T = ct V = R T = V = ct T V = ct sau = ct (.67) k V dq = 0 q = ct (.68) lucru mecanc exteror: V V dl = dv l = dv = (.69) k lucrul mecanc tehnc: k dl t = V d l t = ( V V ) (.70) k varaţa de energe nternă: V V dq = du + dv u u = dv = l = (.7) k k
entala: k dq = dh V d = 0 dh = V d = dl t h h = l t = ( V V ) (.7) k.4.4.5. Transformarea oltroă sau generală În cursul transformăr oltroce agentul termc schmbă energe sub formă de căldură ş lucru mecanc cu exterorul (fgura.0). Aceste rocese sunt reversble, ş se roduc cu creştere de entroe. V n = ct C C n n = C V C n unde: n exonent oltroc; C n caactate calorcă mască generalzată. (.73) adabată oltroă zotermă V Fgura.0. Transformarea adabată, zotermă ş oltroă a vaorlor de aă Pentru această transformare se oate scre, conform rnculu I al termodnamc: căldura: n k dq = du + dv q = C v (T T ) (.74) n lucrul mecanc exteror: V V l = (.75) n lucrul mecanc tehnc: l t n = ( V V ) = n l (.76) n varaţa de energe nternă: V V dq = du + dv du = dq dv u u = Cn (T T ) (.77) n entala: n dq = dh V d dh = dq + V d h h = C n (T T ) ( V V ) (.78) n 4
3. NOŢIUNI GENERALE DE TRANSFER DE CĂLDURĂ 3.. Mărm secfce ale transferulu de căldură Transferul de căldură rerezntă un roces dnamc în care energa termcă la anumţ arametr este transformată în energe termcă la alţ arametr cu resectarea leglor fundamentale ale termodnamc, ma recs a rnculu conservăr energe. Transferul de căldură are loc în nterorul aceluaş sstem termodnamc sau între ssteme dferte rerezentând schmbul de energe termcă ca rezultat al une dferenţe de temeratură. Prncalele mărm secfce transferulu de căldură sunt:. Debtul de căldură, rerezntă căldura totală transferată în untatea de tm. Δ Q. = Q [J/s], [W] (3.) Δτ unde: ΔQ - căldura transferată, [J]; Δτ - tmul de transfer a căldur, [s]. tm.. Fluxul de căldură q, rerezntă căldura transferată e untatea de surafaţă, în untatea de Q ΔQ q = = [W/m ] (3.) S S Δτ unde: S surafaţa rn care se realzează transferul de căldură, [m ]. 3. Câmul de temeratură, rerezntă totaltatea valorlor temeraturlor t în întreg saţul la un tm oarecare τ. Temeratura, ca arametru de stare, dende de ozţe ş de tm t=f(x, y, z, t) cu x, y, z coordonate saţale ale unu unct cu temeratura t faţă de un sstem de refernţă. Câmul de temeratură oate f ermanent (staţonar) când temeratura nu se modfcă în tm sau varabl (nestaţonar) când temeratura varază în tm. 4. Surafaţa zotermă, rerezntă totaltatea unctelor dn saţul consderat care la momentul dat au aceeaş temeratură t. 5. Gradentul de temeratură, rerezntă lmta raortulu dntre varaţa temeratur Δt dntre două surafeţe zoterme ş dstanţa Δn dntre acestea, măsurată e normala la surafaţă, când Δn tnde către zero. Δt grad t = lm Δn 0 Δn unde: grad t căderea elementară de temeratură. Transferul de căldură se oate realza rn atru modur dferte, în funcţe de rncul de realzare: rn conducţe, rn convecţe, rn radaţe ş transfer global de căldură. 3.. Transferul de căldură rn conducţe [3] Conducţa termcă rerezntă rocesul de transfer de căldură dntr-o zonă cu temeratură ma rdcată către o zonă cu temeratură ma coborâtă în nterorul unu cor termodnamc (sold, lchd, gazos) sau între dferte med în contact fzc drect între care exstă o dferenţă de temeratură. 5 (3.3)
Transferul de căldură rn conducţe se realzează în cazul corurlor solde rn dfuza electronlor lber, ar în cazul corurlor flude (lchde sau gaze) rn cocnr elastce dn aroae în aroae între molecule sau atom. Conductvtatea termcă este caracterzată rn coefcentul de conductvtate termcă λ [W/(m K)] determnat teoretc (relaţa 6.4), deendent de substanţa dn care este alcătut materalul, de starea de agregare, de resune, de temeratură, de axele de crstalzare etc. ρ λ = k [W/(m K)] (3.4) δ W unde: k constantă dmensonală, ; / 3 kg mol K ρ - denstatea, [kg/m 3 ]; δ=(m/ρ) /3 arametru structural, [m/mol /3 ]; M masa moleculară, [kg/mol]. Transferul de căldură rn conducţe în corurle solde cu temeratură neunformă se realzează dn zonele cu temeratură ma rdcată către zonele cu temeratură ma scăzută. Fluxul termc transferat rn conducţe între două surafeţe zoterme cu temeratur dferte e drecţa normală, n ş rn surafaţa ds va f, conform leg lu Fourer: t dq = λ ds [W] (3.5) n unde: λ - conductvtatea termcă a materalulu, [W/(m K)]; t - gradentul de temeratură e drecţe normală la surafaţă; n ds elementul de surafaţă rn care trece fluxul de căldură dq, [m ]. Pe untatea de surafaţă, fluxul termc untar se determnă cu relaţa: t q = λ [W/m ] (3.6) n În funcţe de tul secţun surafeţe (lană, clndrcă, sfercă), exresle de calcul entru fluxul de căldură transms rn conducţe sunt rezentate în tabelul 3.. Fgura Tabelul 3.. Relaţ de calcul entru transferul de căldură rn conducţe Relaţ de calcul 3... PERETE PLAN Q = q S [W] A. Perete lan omogen cu feţe aralele Fluxul termc: t = t q [W/m ] (3.7) δ λ Temeratura la dstanţa x de surafaţa caldă a eretelu: x t x = t q [ C] (3.8) λ 6
Fgura Relaţ de calcul B. Perete lan neomogen cu feţe aralele Fluxul termc: t t 4 t t 4 q = = [W/m ] (3.9) δ δ δ n 3 δ + + λ λ λ λ 3 = Temeratura la dstanţa x de surafaţa caldă a eretelu: 3... PERETE CILINDRIC Q = q L [W] A. Perete clndrc omogen t x δ = t q [ C] (3.0) λ Fluxul termc: t t q l = [W/m] (3.) d ln π λ d Temeratura la dstanţa d de surafaţa caldă a eretelu: d t d = t q l ln [ C] (3.) π λ d B. Perete clndrc neomogen Fluxul termc: t t 4 q l = [W/m] (3.3) n d + ln π λ d = Temeratura la dstanţa x de surafaţa caldă a eretelu: d t x = t q l ln [ C] (3.4) π λ d 3..3. PERETE SFERIC Q = q S sfera [W] A. Perete sferc omogen Fluxul termc: t t q = [W/sferă] (3.5) 4π λ r r Temeratura la dstanţa x de surafaţa caldă a eretelu: t x = t q [ C] (3.6) 4π λ r r 7
Fgura B. Perete sferc neomogen Relaţ de calcul Fluxul termc: t t 3 q = [W/sferă] (3.7) n = π λ d d+ Temeratura la dstanţa r de surafaţa caldă a eretelu: t r = t q [ C] (3.8) 4π λ r r 3.3. Transferul de căldură rn convecţe Convecţa termcă rerezntă modul de transfer de căldură în cazul fludelor în mşcare forţată sau lberă, aflate în contact cu surafaţa unu sold sau între canttăţ de acelaş flud. Fluxul termc untar de surafaţă q s se exrmă rn legea de răcre a lu Newton sub forma rodusulu între o roretate a sstemulu α ş forţa care generează rocesul (este vorbe de dferenţa de temeratură sau dferenţa de otenţal termc): ( t t ) qs = α s f (3.9) Defnrea în acest mod smlst a unu mecansm de transfer în esenţă comlcat conferă coefcentulu de transfer de căldură rn convecţe, α, roretatea de a îngloba toţ factor care determnă rocesul. Transferul de căldură rn convecţe este nfluenţat de:. Factor hdrodnamc:. a. cauza mşcăr: - mşcarea lberă este cauzată de forţe gravtaţonale determnate de gradentul de temeratură, ar mşcarea forţată de o dferenţă de otenţal (resune) creată de o omă, ventlator sau suflantă.. b. Regmul hdrodnamc al curger: - regm de curgere lamnar, Re< 30; - regm de curgere tranztoru 30<Re<0000 - regm de curgere turbulent, Re>0000 Crterul Reynolds se determnă cu relaţa: w d Re = (3.0) υ unde: w este vteza fludulu, [m/s]; d dametrul hdraulc echvalent, [m]; υ - vâscoztatea cnematcă, [m /s]..c. Caracterul curger: - subsonc, sonc, suersonc, ţnându-se seama de roblemele secfce fecăru t. 8
. Factor termofzc:. a. Dferenţa de temeratură dntre erete ş flud: - la dferenţe de temeratură Δt>500 C se ţne cont în calcule ş de efectul radant.. b. Comortarea fludulu în curgere: - flude newtonene; - flude ne-newtonene..c. Parametr termofzc a fludulu: - denstatea, ρ, căldura secfcă la resune constantă, c, vâscoztatea cnematcă, υ ş coefcentul de conductvtate termcă, λ, au o nfluenţă mare asura convecţe termce. Valoarea mede a coefcentulu de convecţe α între un flud ş un erete, se obţne dn relaţa: q α = [W/m K] (3.) t t f Pentru dferte regmur hdrodnamce ş condţ geometrce, valorle coefcentulu de convecţe α, se obţn dn ecuaţ crterale de forma: ( Re, Gr, Pr,...) Nu = f (3.) Determnând valorle crterlor de smltudne entru cazul resectv, se obţne valoarea numercă a crterulu Nusselt în funcţe de care se obţne valoarea mede a coefcentulu de convecţe: λ f α = Nu (3.3) l unde: λ f conductvtatea termcă a fludulu, [W/m K]; l lungmea caracterstcă a eretelu sold, [m]. Valoarea mede a lu α în lungul une surafeţe S se obţne cu relaţa: α = α S S x ds = C x n [W/m K] (3.4) Fluxul termc convectv schmbat între un flud ş un erete se determnă cu ajutorul relaţlor matematce rezentate în tabelul 3.. Nr. crt... 3. 4. Condţ geometrce Legea lu Newton entru un erete oarecare Legea lu Newton entru un erete lan Legea lu Newton entru un erete clndrc Legea lu Newton entru un erete sferc Tabelul 3.. Relaţle de calcul ale fluxulu termc convectv Fluxul Fluxul termc untar Temeratura eretelu, [W/m termc, Observaţ ] sau [W/m] [ C] [W] t f t q = α t f t q = α t f t q l = π d α t f t = π d α Q = q S Q = q S Q = q l Q = q S q sfera S t t t t = t = t f q α q α t f > t S=surafaţa f - = t = t f f q q l l π d α π d α l lungmea conducte, [m] q l, [W/m] S sferă ara sfere, [m ] 9
3.4. Transferul de căldură rn radaţe Radaţa termcă rerezntă ansamblul schmburlor de energe la dstanţă între corur rn unde electromagnetce. Fenomenul se manfestă sub dverse asecte : unde hertzene, lumnoase, termce, raze X, gama sau cosmce. Aceste radaţ ot f descomuse într-un sectru alcătut dn radaţ erodce smle (radaţ monocromatce) caracterzate rn frecvenţa lor υ sau lungmea de undă λ, aceasta fnd legată de frecvenţă rn relaţa: unde: c λ = υ = / n - vteza de roagare a undelor în medul traversat ; c c 0 c 0 vteza de roagare a undelor electromagnetce în vd (c 0 =3 0 8 m/s); n ndcele de refracţe al medulu. (3.37) Frecvenţa une radaţ monocromatce rămâne constantă dacă aceasta se roagă în med cu ndc de refracţe dferţ, în tm ce λ ş c varază în funcţe de ndcele de refracţe al medulu traversat. Radaţa termcă este emsă de un cor datortă temeratur sale ş se realzează rn transformarea energe nterne în energe a undelor electromagnetce. Ea ocuă în sectrul radaţe electromagnetce domenul de lungm de undă curns între 0, ş 00 μm ş sunt erceute de no sub forma une senzaţ de căldură. În domenul mult ma restrâns (0,4...0,8 μm) numt sectru vzbl, radaţle devn ercetble cu ochul lber. Căldura schmbată rn radaţe între două surafeţe lane, nfnt de mar, aşezate faţă în faţă se determnă cu relaţa 3.38 ţnând cont de fatul că surafaţa cu temeratura cea ma rdcată este cea cu ndcele. unde: unde: cu e, 4 4 T T q, = e, C0 [W/m ] (3.38) 00 00 = - coefcentul mutual între laca (e ) ş laca (e ). + e e Căldura ma oate f exrmată ş rntr-o relaţe de forma: q, α r ( t t ) [W/m ] = (3.39) 4 4 T T e, C0 00 00 α r = = ε, C0 εt - coefcent de radaţe, [W/m K]; t t 4 T T 00 00 ε T =. t t 4 Căldura schmbată rn radaţe între două surafeţe lane, nfnt de mar, desărţte de un ecran se determnă cu relaţa 3.40. q, 4 4 e,e e E, C 0 T T = [W/m ] (3.40) e,e + e E, 00 00 30
3 unde: e e e E,E + = - coefcent mutual de emse între laca ş ecran; e e e E E, + = - coefcent mutual de emse între ecran ş laca. 3.5. Procese comlexe de transfer de căldură Studul oeraţlor ş tehnclor de îmbunătăţre a roceselor de transfer de căldură, întâlnt uzual sub denumrea de tehnc de ntensfcare a transferulu de căldură, vzează utlzarea atât a unor metode no dar ş extnderea unor metode deja cunoscute, consttund subectul unor cercetăr teoretce ş ractce cu mare răsândre. Rezultatele ractce ale acestor lucrăr, sunt justfcate tehnco-economc rn luarea în consderare a: costurlor nvestţlor, energe necesare vehculăr fludelor, cheltuellor de exloatare ş întreţnere ş se materalzează rn mcşorarea dmensunlor ş greutăţ, îmbunătăţr ndcatorlor de exloatare ş conducerea cu maxmă efcenţă a utlajelor sau nstalaţlor, cu econome de combustbl. În alcaţle tehnce resuunând schmb de căldură între două flude searate de un erete desărţtor, transferul de căldură are loc rn acţunea combnată a celor tre modur de transfer termc. Pentru consderarea smultană a celor tre rocese de transfer termc se defneşte coefcentul global de schmb de căldură. Astfel, fluxul termc total, Q, schmbat între două flude rn ereţ se exrmă cu ajutorul următoarelor relaţ: a. ereţ lan omogen: ( ) ( ) e s s S t t t t S k S q Q α + λ δ + α = = = [W] (3.4) b. ereţ lan neomogen: ( ) ( ) e n s s S t t t t S k S q Q α + λ δ + α = = = = [W] (3.4) c. ereţ clndrc omogen: ( ) ( ) e e e l l d d d ln d L t t t t L k L q Q α π + πλ + α π = = = [W] (3.43) d. ereţ clndrc neomogen: ( ) ( ) e e n l l d d d ln d L t t t t L k L q Q α π + π λ + α π = = = + = [W] (3.44) e. ereţ sferc omogen: ( ) ( ) e e e sf sf sf s d d d d S t t t t S k S q Q α + πλ + α = = = [W] (3.45)
f. ereţ sferc neomogen: Q = q s S = k sf S sf ( t t ) = ( t t ) S sf [W] (3.46) n d d d + + α π = λ e d eα e unde: k s, k l coefcentul global de schmb de căldură entru un erete lan, resectv clndrc, [W/(m grd)]; S, L surafaţa eretelu lan, [m ], resectv lungmea eretelu clndrc, [m]; t, t temeratura eretelu cald, resectv rece, [ºC]. 3
4. COMBUSTIBILI ENERGETICI 4.. Generaltăţ ARDEREA, rerezntă rocesul chmc de combnare a două substanţe (combustblul ş oxdantul) care are loc cu degajare de căldură, rovocând o creştere bruscă a temeratur amesteculu substanţelor aflate în reacţe. COMBUSTIBILUL este orce substanţă care conţne ş oate degaja lber elemente carburante în stare atomcă, care reacţonând cu O dn aerul atmosferc ş rn ardere dezvoltă căldură utlzablă avantajos dn unct de vedere economc. Dn unct de vedere energetc, entru ca o substanţă sa fe folosta dret combustbl trebue sa îndelnească o sere de condţ: - să se combne cu oxgenul dn aer exotermc, cu degajare secfcă de căldură sufcent de mare la o temeratura cât ma rdcată; - să-ş menţnă constante în tm caracterstcle fzco-chmce ş tehnologce; - să conţnă în canttăţ foarte reduse substanţe care rn ardere roduc gaze cu acţune nocvă (sulful sau vanadu); - să se găsească în canttăţ sufcente ş să se oată exloata cu cheltuel mnme; - să nu abe o utlzare sueroară arder. OXIDANTUL este orce substanţă care conţne ş care oate degaja atom de oxgen în stare lberă. Clasfcarea combustbllor a) Dn unct de vedere al rovenenţe - natural; - artfcal sunt forme înnoblate, dervate dntr-un roces de înnoblare a celor natural rn rocedee mecance sau termomecance fe forme de substanţe organce, fabrcate ndustral entru a înlocu combustbl natural; b) Dn unct de vedere a stăr de agregare - combustbl solz: - natural; - sntetc; - artfcal; - combustbl lchz: - natural; - sntetc; - artfcal; - combustbl gazoş: - natural; - sntetc; - artfcal. 4.. Combustbl solz Combustbl solz sunt ace combustbl comuş, în alcăturea cărora ntră elementele: oxgen (O ), sulf (S), carbon (C), unele elemente necombustble, comuş mneral ş aă (relaţa 4.). S S + C + H + O + N + S o + A + W t = 00 % (4.) Prncal combustbl solz folosţ în ndustra energetcă dn ţara noastră sunt cărbun, care sunt clasfcaţ conform STAS 363-5 în cnc clase (tabelul 4.). 33
Combustbl solz sunt caracterzaţ de o sere de roretăţ ş caracterstc, care ermt clasfcarea acestora. Tabelul 4.. Clasele de cărbun ş gruele aferente lor extrase dn baznele carbonfere dn ţară Nr. Smbolul Denumrea Denumrea clase crt. clase grue Denumrea baznulu carbonfer. TURBA T - Mandra, Mercurea-Cuc, Dersca ământos Ilen Rovnar,Schtu-Golest, Doceşt, lemnos(lgnt). CĂRBUNE BRUN B Fleşt de Pădure mat Comănest, Ţebea cu lucu smolos Codlea 3. CĂRBUNE BRUN-HUILOS B/H - Valea Julu cu flacăra lunga Valea Julu entru gaz Valea Julu 4. HUILA H grasă Secu entru cocs Anna slabă degresată Baa Mare antractoasă Cozla 5. ANTRACIT A - Schela Gorj 4... Caracterstc fzco chmce Prncalele caracterstc fzco chmce ce caracterzează cărbun dn ţara noastră sunt: a) Umdtatea - rerezntă conţnutul de aă ce se găseşte într-un klogram de combustbl. Dn unct de vedere al arder umdtatea este un balast ş oate f: - totală (W t ) rerezentând canttatea de aă ce se găseşte într-o sută de klograme de combustbl la starea nţală a acestua W t = W h + W [%] (4.) - hgroscocă (W h ), rerezentând conţnutul de aă dn combustblul sold care rovne de la lantele dn care s-a format acesta ş este funcţe de vârsta geologcă ş gradul de încarbonzare. - de îmbbaţe ( W ), rerezentând conţnutul de aă dn combustblul sold funcţe de zăcământul dn care se extrage acesta (cca.0 30 %, W > W h ). b) Sulful. Toţ combustbl conţn sulf în roorţe de %...3% ş oate f sulf organc (S O ), S. sulf mneral (S S ), sulfat ( ) SO 4 c) Materle volatle rerezntă canttatea de gaze combustble ce se degajă în tmul arder ş în tmul regătr entru ardere a combustblulu. Materle volatle sunt: CO,H,CH 4,C H etc. Conţnutul de mater volatle este de aroxmatv 50% la cărbun tner ş0% la cărbun vech. d) Cocsul, rerezntă ceea ce rămâne duă îndeărtarea umdtăţ ş a materlor volatle: K = 00 - ( W t + V ) [%] (4.3) Conţnutul de cocs are două comonente : - cărbunele fx (C f ) care rerezntă artea dn conţnutul de cocs care rămâne duă scăderea umdtăţ, a materlor volatle ş a cenuş. C l = K - A [%] (4.4) - cenuşa rerezentând canttatea de masă mnerală ce rămâne duă arderea combustbllor solz sau lchz. 34
4... Caracterstc tehnologce a) Denstatea oate f: relatvă ρ (care nu a în calcul oroztatea ş golurle dntre artculele combustblulu); - aarentă ρ a ; - de vrac ρ v. b) Comozţa granulometrcă rerezentând reartţa e dmensun a artculelor combustbllor. Pentru combustbl concasat:5, 0, 30, 80, 00, 50, 350, 400 mm ar entru raf: 45, 63, 80, 88(90), 5, 50, 00, 300, 500μm. c) Caactatea de alunecare arecată rn unghul taluzulu natural, adcă unghul obţnut într-un deozt de cărbune rn alunecarea lberă a bucăţlor de cărbune. Ea este nfluenţată de umdtatea combustbllor ş de medul ambant (temeratura). d) Segregarea este roretatea combustblulu de a se seara e tur de dmensun. Dacă combustblul este deoztat în grămez, artculele mar sunt la baza acestea, ar dacă combustblul este transortat e benz, artculelel mar sunt la surafaţă. e) Rezstenţa la stocare rerezntă caactatea combustbllor de a-ş menţne roretăţle tm îndelungat. f) Gradul de aglutnare este roretatea combustblulu de a roduce cocs. 4..3. Caracterstc energetce Sunt cele ma mortante dn unct de vedere al arder combustbllor. a) Cenuşa ş umdtatea raortată ra A A = (4.5) Q ra W W = (4.6) Q unde: Q - uterea calorcă nţală, [kj/kg]. b) Puterea calorcă (calorfcă) rerezntă căldura degajată rn arderea comletă a unu klogram de combustbl în anumte condţ [kcal/kg ], [kj/kg]. Poate f:. Sueroară ( Q s ) defntă ca fnd căldura degajată rn arderea comletă a unu klogram de combustbl ş răcrea gazelor de ardere ână la temeratura de 5 o C astfel încât H O dn combustbl ş cea rezultată în urma arder să fe în stare lchdă.. Inferoară ( Q ) defntă ca acea căldură degajată rn arderea comletă a unu klogram de combustbl, gazele de ardere având temeratura ma mare decât temeratura de condensare a H O. Relaţa de legătură dntre cele două uter calorfce este: 9 H + W Q = QS 5 [kj/kg] (4.7) 00 c) Crterul de arndere [k a ] (4.8) - conduce la clasfcarea cărbunlor astfel: - cărbun cu caactate redusă de arndere (k a <0,5 - antractul) - cărbun cu caactate mede de arndere (0,5< k a < - hule ş cărbune brun) - cărbun cu caactate mare de arndere (k a > lgnţ). k a f t V V = = (4.8) C 00 W A V 35
d) Crterul de ntenstate al arder [k ] (7.9) clasfcă cărbun astfel: - cărbun cu caactate mare de ardere (k <0,5 - hula); - cărbun cu caactate mede de ardere (0,5< k <); - cărbun cu caactate redusă de ardere (k < - lgnt). k a f t A A = = (4.9) C 00 W A V e) Măcnabltatea, rerezntă roretatea combustbllor de a se sfãrâma, deosebt de mortantă entru nstalaţle în care arderea se face sub formă de raf. Este caracterzată rn coefcentul de măcnabltate m. f) Temeratura de autoarndere este o caracterstcă a caactăţ de arndere a cărbunlor (400 450) o C. 4.3. Combustbl lchz Combustbl lchz în marea lor majortate rovn dn ţţe cunoscut ş sub denumrea de etrol brut. ŢIŢEIUL rerezntă combustblul lchd natural, de culoare brună închsă, uneor castane, cu o fluorescenţă albastrã sau verde închs. Este alcătut dntr-un amestec de hdrocarbur gazoase, lchde ş solde cu mc canttăţ de substanţe organce care conţn sulf ş azot (4.0). S + C + H + O + N + A + W t = 00 % (4.0) Produsele etrolere rezultate dn dstlarea ş cracarea ţţeulu, ot f clasfcate în funcţe de utlzarea rncală care l se dã, în următoarele grue: benznă, etrol, motorna ş ăcură. Prncalele caracterstc ale combustbllor lchz sunt: a) Mater volatle. Conţnutul lor este mult ma mare decât la combustbl solz.funcţe de tendnţa de volatltate, combustbl ot f clasfcaţ în: - combustbl uşor cu volatltate rdcată (benznele); - combustbl semfluz (motorna); - combustbl gre cu volatltate redusă ăcura. b) Canttatea de cocs este cea care ermte o altă clasfcare a combustbllor lchz, astfel: - combustbl lchz uşor cu ână la,5% cocs; - combustbl lchz semfluz cu ână la 0% cocs; - combustbl lchz gre cu un conţnut de cocs de (...5)%. c) Conţnutul de vanadum este de crca 0m cea rodusă în Româna ş de aroxmatv 80...0 m cea dn mort. Vanadum-ul conţnut în ăcură la temeratur rdcate roduce entoxdul de Vanadu (Va O 5 ) roducând corozunea de înaltă temeratură. 4.4. Combustbl gazoş Gazele combustble foloste în scour energetce se îmart în două mar clase: 4.4.. Gazele naturale Gazele naturale sunt defnte ca fnd acele gaze combustble obţnute în mod natural rn sondajele efectuate în zăcămnte subterane consttute dn amestecur de hdrocarbur saturate cu murtăţ ca: boxdul de carbon, hdrogen sulfurat, mercatan, oxz de azot (rel. 7.). anh anh anh anh anh anh anh anh O + H + H S + N + CH + C H + CO + C H 00 % (7.) 4 m = 36
Gazele naturale ot f: - gaze lbere, rerezentate rn amestecur de gaze obţnute rn sondaje, dn zăcămnte în care se află numa gaze; - gaze dzolvate, acele amestecur de gaze combustble, consttute dn metan, hdrocarbur saturate ş murtăţ, care se află dzolvate în ţţe ş care se obţn rn sondaje dn zăcămnte de ţţe odată cu acestea; - gaze asocate, care sunt amestecur de gaze, consttute dn metan, hdrocarbur saturate ş murtăţ care se află în cuole în vecnătatea zăcământulu de ţţe ş care se exloatează rn sondaje, la sfârştul exloatăr zăcământulu de ţţe or concomtent cu exloatarea acestua. 4.4..Gazele artfcale Gazele artfcale sunt acele gaze combustble obţnute rn relucrarea termcă a cărbunlor (gaze de gazogen, de furnal, de cocsere) ş a roduselor etrolfere (gaze de rafnăre). 4.5. Arderea combustbllor 4.5.. Calculul uter calorce Puterea calorcă a unu combustbl se oate determna drect, e cale exermentală, sau ndrect cunoscându-se analza elementară a combustblulu. Pentru calcule curente de ardere, uterea calorcă nferoară se oate determna entru combustbl solz ş lchz cu relaţa 4., ar entru combustbl gazoş cu relaţa 4.3. H ( O S 5, W) c = 339 C + 09, H 09 [kj/kg] (4.) H = 6 CO + 07,98 H + ( H ) mn ( CmH n ) [kj/kg] (4.3) 00 unde: C, H, S c ş W t - artcaţle masce ale carbonulu, hdrogenulu, oxgenulu, sulfulu ş umdtăţ totale în masa de lucru (nţală), [%]; CO, H, C m H n - artcaţle volumce ale dfertelor gaze combustble dn comozţa elementară a combustblulu; (H ) mn - uterea calorcă nferoară entru hdrocarburle de tul C m H n, cu valorle entru dverse gaze combustble. 4.5.. Coefcentul de exces de aer Cum rocesul de ardere are loc în rezenţa oxgenulu dn aerul atmosferc, entru desfăşurarea coresunzătoare a acestu roces, în focarul cazanelor trebue să exste un exces de aer care se oate calcula, în funcţe de analza gazelor de ardere cu relaţa: λ = (4.4) O 0,5 CO CH 4 0,5 H 79 00 ( RO + O + CO + CH 4 + H ) unde: RO artcaţa volumetrcă a gazelor tratomce în gazele de ardere, determnată cu relaţa 4.5; RO = + (4.5) CO SO CO, SO, O, N, CO, CH 4, H - artcaţle volumetrce rocentuale de boxd de carbon, boxd de sulf, oxgen, azot, oxd de carbon, metan ş hdrogen în gazele de ardere. Pentru controlul analze gazelor de ardere s al coefcentulu de exces de aer se utlzează trunghul arder (Ostwald ). 37
5. SIMBOLURI GRAFICE UTILIZATE LA ÎNTOCMIREA SCHEMELOR TERMOMECANICE ŞI ELECTROENERGETICE 5.. Clasfcarea centralelor electrce O centrală termoelectrcă este un ansamblu sstemc de echamente ş nstalaţ care realzează un lanţ (o sere) de transformăr energetce succesve, în scoul obţner de energe electrcă ş eventual termcă e care o dstrbue centralzat. Crterul rncal de clasfcare al centralelor electrce, în general, îl consttue felul energe rmare care stă la baza lanţulu de transformăr. Pentru centralele termoelectrce clasce energa rmară care stă la baza lanţulu de transformăr este: a. energa solară foslă înmagaznată în cărbun, etrol, gaz, şstur, roc; b. resursele energetce secundare dn deşeur lchde, solde sau gazoase. Lanţul de bază al transformărlor este: energe chmcă energe termcă energe mecancă energe electrcă (fgura 5.). Fgura 5.. Structura ş confguraţa lanţulu de transformăr Centrale Desel Electrce (CDE) Centrale cu Turbne cu Gaze (CTG) Centrale Cclu Mxt Abur Gaze (CMAG) fără ostardere Centrale Electrce de Termofcare (CET) Centrale Cclu Mxt Abur Gaze (CHAG) cu ostardere Centrale Termoelectrce (CTE) Acest lanţ de transformăr se realzează rn ntermedul unor fluxur de masă ş energe care realzează transformăr succesve în nstalaţ termoenergetce dstncte, secalzate, dmensonate ş echate în mod coresunzător. Fecare dn aceste nstalaţ rerezntă un ansamblu de dotăr 38
tehnce, necesare ş sufcente entru desfăşurarea sgură ş efcentă energetc a unea sau ma multor transformăr energetce înserate. Structura ş confguraţa lanţulu de transformăr recum ş nstalaţlor termoenergetce de bază secfce ermt clasfcarea centralelor termoelectrce clasce, duă cum se rezntă în fgura 5.. Pe lângă nstalaţle termoenergetce de bază, secfcate în fgura 8. unele dn centrale ma dsun de o centrală termcă de ornre, tratare chmcă a ae, almentarea cu combustbl de rezervă, tratare aă de adaos etc. 5.. Gruarea nstalaţlor dn centralele electrce Gruarea nstalaţlor dntr-o CTE/CET se face duă crterul funcţonal, utând aarţne unu echament sau comune ma multor. Atunc când nstalaţle sunt legate de un echament ş afectează drect funcţonarea acestua, atunc echamentul îmreună cu nstalaţle aferente, consttue o nstalaţe comlexă. În general, în CTE/CET aar următoarele grue de nstalaţ (fgura 5..): -nstalaţa comlexă a cazanulu de abur (A); -nstalaţa comlexă a turboagregatulu (B); -nstalaţle termomecance ale crcutulu termc (C), care asgură cularea ş deservrea în comun a nstalaţlor comlexe A ş B; BLOCUL A C B D E F J I H BLOCUL N G Fgura 5.. Gruarea nstalaţlor dntr-o CTE/CET echată cu blocur termoenergetce - nstalaţle gosodărlor secalzate, comune ma multor untăţ energetce dn CTE/CET recum: combustbl rncal (D), combustbl secundar (E), noxe (solde, lchde, gazoase ) (F), centrala termcă de ornre (G), staţa de tratare chmcă a ae (H), crcutul hdrotehnc (I), termofcare (J) etc. Prmele tre grue de nstalaţ sunt amlasate în clădrea rncală resectv în sala cazanelor, sala maşnlor, corul ntermedar ş eventual corul degazorlor. Orce nstalaţe termoenergetcă de t CTE sau CET, curnde funcţonal, în esenţă atru categor de comonente tehnologce: 39
- echamentele, care realzează transformărle tehnologce secfce nstalaţe; - elementele de legătură (conducte, canale ş benz) care asgură crculaţa controlată ş drjată a agenţlor de lucru, între echamentele nstalaţe sau între acestea ş nstalaţle anexe; - almentărle cu energe ş acţonărle; - aaratele de măsură ş automatzare; - sstemul nformatc de suraveghere, reglare, control ş conducere cu calculatorul a rocesulu de roducere a energe electrce ş/sau termce. 5.3. Scheme utlzate Pentru o centrală electrcă schemele funcţonale se întocmesc în funcţe de natura comonentelor vzate ş în consecnţă se ot clasfca în 4 categor dstncte: -scheme termoenergetce care curnd echamente termoenergetce ş elementele de legătură dntre acestea; -scheme electrce care curnd echamentele electrce ş cablurle de legătură; -scheme de măsură ş automatzare care curnd amlasarea aaratelor de măsură, rotecţe ş automatzare; -scheme nformatce. Schemele termoenergetce concentrează nformaţ tehnce legate atât de structura crcutulu termc cât ş de varantele ş regmurle de exloatare muse comonentelor acestora, transmse rn ntermedul smbolurlor grafce. Nu sunt ncluse nformaţ constructve ş geometrce asura echamentelor. Clasfcarea schemelor termoenergetce în funcţe de gradul de detalere resuune exstenţa următoarelor categor: -scheme de rncu - întocmte entru un crcut sau generală; -scheme funcţonale de calcul - în care se ndcă regmul de calcul ş valorle arametrlor în unctele caracterstce; -scheme termomecance - entru un gru CTE/CET sau total centrală (CET), care nclude nstalaţle crcutulu termc; -scheme secalzate - entru sstemele funcţonale dn cadrul centrale (răcre, termofcare, tratare aă, rotecţa medulu, combustbl, amlasare etc.); -secţun ş veder rn clădrea rncală cu ndcarea cotelor de amlasare a rncalelor echamente; -scheme de detalu - constructve sau de montare entru anumte comonente sau ssteme. Întocmrea ş nterretarea scheme termomecance necestă formate de desen adecvate, care să ermtă folosrea judcoasă a saţulu grafc ş utlzarea unor smbolur grafce care rerezntă ndrect, în mod convenţonal sau în vrtutea une coresondenţe analogce, aceste scheme. 5.4. Smbolur grafce utlzate Smbolurle grafce utlzate entru schemele termoenergetce (tabelul 5.) ş electroenergetce (tabelul 5.) sunt semne convenţonale standardzate sau uzuale. 40
Tabelul 5.. Smbolur grafce la întocmrea scheme termomecance Nr. crt. Dotarea smbolzată Smbolul grafc STAS Conducte entru dverse flude - abur Dxs (dmensun standardzate) φ Dxs D - dametrul exteror 644/3-73 s - grosmea - aă ş condensat 644/3-73 3 - urjă 644/3-73 4 - aer 644/3-73 5 - căldură, zgură 644/3-73 6 - cenuşă - 7 - gaze de ardere 644/3-73 8 - combustbl lchd 644/3-73 9 - combustbl gazos 644/3-73 0 - eşaarea aburulu în atmosferă 644/3-73 - ntersecţe conducte - - ntersecţe aarentă - Organe de închdere 3 - robnet cu sertar (vană), cu acţonare manuală sau electrcă D a ; n b (resune flud) b - a b - a 85/3-79 4 - robnet de reglare cu ventl, cu acţonare: manuală, electrcă sau servomotor b - a b - a b - a - 5 - robnet cu ventl, cu închdere radă - 6 - robnet cu ventl de reducere a resun, cu acţonare electrcă sau servomotor D n a/ a; P n b/b (a<a; b>b) b -a b -a - 7 - robnet de reţnere cu claetă 85/3-79 8 - robnet de reţnere cu ventl - 9 - robnet cu tre că 85/3-79 0 - claetă de închdere a) deschs b) închs a b 85/3-79 4
Nr. crt. Dotarea smbolzată Smbolul grafc STAS - searator de condensat (amestec abur + condensat) - surafaţă de transfer de căldură (semn general) Aarate schmbătoare de căldură aă abur 85/3-79 644/3-73 3 - schmbătoare de căldură rn surafaţă, abur-aă (semne generale) - 4 - schmbătoare de căldură rn surafaţă, aă-aă (semne generale) - 5 - reîncălztor de aă rn surafaţă, cu abur, cu surafaţă entru reluarea căldur de suraîncălzre (desuraîncălztor). încororat searat - 6 - schmbătoare de căldură cu amestec - 7 - rezervor de aă cu reîncălztor de amestec ş degazare (degazor) 644/3-73 8 - vaorzator de surafaţă ş răctoare rn condensarea vaorlor 644/3-73 9 - răctor de abur rn condensarea aburulu sub aă. 644/3-73 30 - răctor de abur cu njecţe de aă. 644/3-73 3 - condensator de surafaţă: a) în crcut deschs; b) în crcut închs; c) cu două crcute. a) b) c) 644/3-73 3 - turn de răcre: a) uscat; b) umed. a) b) - 4
Nr. crt. Dotarea smbolzată Smbolul grafc STAS 33 -reîncălztor rotatv (regeneratv): a) de aer; b) de gaze. a) b) Generatoare de abur 644/3-73 34 a) cazan (semn general); b) generator de abur. a) b) 644/3-73 35 - cazan de abur fără suraîncălztor - 36 - cazan de abur cu suraîncălztor - 37 - cazan de abur cu suraîncălztor ş suraîncălztor ntermedar - 38 - cazan de abur cu cărbune - 39 40 - cazan de abur cu focar entru combustbl lchd - cazan recuerator încălzt cu gaze de evacuare - - 4 - cazan de aă ferbnte CAF 644/3-73 4 - reactor nuclear (semn general) 644/3-73 43 - generator de gaze entru cărbune - 44 - focar entru combustbl lchd - 45 - focar entru combustbl gazos - Instalaţ anexe 46 - electrofltru 644/3-73 43
Nr. crt. Dotarea smbolzată Smbolul grafc STAS 47 - elevator - 48 - almentator - 49 - concasor materal mare - 50 - buncăr - 5 - moară entru măcnare fnă - Turbne 5 - monoflux, fără rze 644/3-73 53 - monoflux, cu rze nereglable 644/3-73 54 - cu dafragmă ş rze reglable - 55 - cu rză reglablă ş ventl de reglare a resun între cele două corur. - 56 - cu rză reglablă în două corur reglable înserate - 57 - în dublu flux cu admse centrală, fără rze ş cu rze - 58 - cu gaze 644/3-73 Maşn rotatve 59 - generator electrc (semn general) 644/3-73 60 - generator electrc, sncron, trfazat - 6 - generator electrc de exctaţe, în curent contnuu (exctatrce). 44 = 644/3-73
Nr. crt. Dotarea smbolzată Smbolul grafc STAS M 6 - omă, ventlator 644/3-73 63 a) electroomă; b) turboomă a) b) Instalaţ anexe 644/3-73 64 - ejector (semn general) 644/3-73 65 - ejector cu abur entru asrarea aerulu - 66 - ejector cu aă entru asrarea aerulu - 67 - staţe de reducere răcre: D n a /a ; P n b /b ; T n c /c ; a <a ; b >b ; c >c b a c b a c 644/3-73 68 - acumulator vertcal entru egalzare de resune, acumulator de gaze - 69 - condensator de volum, resurzoare - Rezervoare 70 - rezervor deschs 644/3-73 7 - rezervor închs, sub resune 644/3-73 Instalaţ de tratare chmcă 7 - fltru onc entru eurarea ae (ltera rerezntă substanţa de umlere) N 644/3-73 73 - decantor - 45
Nr. crt. Dotarea smbolzată Smbolul grafc STAS Consumator de abur 74 - consumator de abur (semn general) 644/3-73 75 - consumator de abur fără recuerare de condensat - 76 - consumator de abur cu surafaţă de schmb de căldură: a) fără condensarea aburulu; b) cu condensarea aburulu. a) b) - Nr. crt. Dotarea smbolzată Tabelul 8.. Smbolur grafce la întocmrea scheme electroenergetce Smbolul grafc Rezstor. Semn general. Rezstor cu rezstenţă varablă 3 Condensator 4 Condensator varabl 5 Bobnă 6 Transformator cu două înfăşurăr 7 Transformator cu tre înfăşurăr 8 Autotransformator 9 Bobnă de reactanţă 0 Motor asncron monofazat cu rotor cu fază auxlară cu borne de eşre ş rotor în scurtcrcut Contact normal deschs, Întrerutor (cu acţonare mecancă) M ~ Contact normal închs 46
Nr. crt. UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA Dotarea smbolzată Smbolul grafc 3 Întrerutor automat cu releu termc 4 Întrerutor cu releu termc 5 Întrerutor debroşabl de joasă ş de mede tensune a) cu rză e artea fxă b) cu rză e artea moblă a) b) 6 Searator (mecanc) 7 Searator de sarcnă 8 Searator de sarcnă cu deschdere automată 9 Contactor 0 Contactor cu releu de rotecţe Voltmetru Amermetru 3 Watmetru 4 Varmetru 5 Cosfmetru 6 Fazmetru 7 Frecvenţmetru V A W var cosϕ ϕ Hz 8 Contor de energe actvă Wh 9 Sguranţa fuzblă 47
Nr. crt. UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA Dotarea smbolzată Smbolul grafc 30 Eclator 3 Descărcător 3 Paratrăsnet 33 Legare la ământ 34 Defect 35 Conductor, Gru de conductoare, Lne, Cablu, Crcut 48
6. NOŢIUNI DE ELECTROTEHNICĂ 6.. Sarcna electrcă Prn frecare, contact sau nducţe corurle ot f aduse într-o stare secală, în care nteracţonează între ele rn forţe numte forţe de nteracţune electrcă, care ot f de atracţe sau de resngere. Pentru a exrma canttatv roretatea e care o manfestă corurle electrzate se defneşte sarcna electrcă, Q, care este o mărme fzcă scalară defntă ca rodus între ntenstatea curentulu electrc, staţonar dntr-un conductor, I ş, tmul în care conductorul este arcurs de curent, t, (relaţa 6.). Q = I t [C] (6.) Ca urmare, un Coulomb se defneşte ca fnd sarcna electrcă transortată rn secţunea transversală a unu conductor de curent staţonar, cu ntenstatea de un amer, în tm de o seundă (relaţa 6.). [ Q] = [] I [] t = A s C = SI SI (6.) SI Deoarece între corurle electrzate exstă cele două felur de nteracţune (atracţe ş resngere), sarcna electrcă oate f negatvă sau oztvă. Corurle cu sarcnă electrcă de acelaş semn se resng, ar corurle cu sarcnă electrcă de semne ouse se atrag. Cea ma mcă sarcnă electrcă usă în evdenţă rn exermentele realzate de fzcen, oartă denumrea de sarcnă electrcă elementară, care este sarcna electrcă a unu electron e=-,6 0-9 C. În cursul nteracţunlor dntre corurle unu sstem care nu schmbă sarcnă electrcă cu exterorul (sstem zolat dn unct de vedere electrc), sarcna electrcă se redstrbue între corurle sstemulu, fără ca valoarea e totală să se modfce ş astfel se oate enunţa rncul conservăr sarcn electrce: Pentru un sstem zolat dn unct de vedere electrc suma algebrcă a sarcnlor electrce ale corurlor ce alcătuesc sstemul resectv rămâne constantă. Charles Auguste de Coulomb (736-806) a stablt exresa canttatvă a forţe de nteracţune, F, dntre două corur unctforme cu sarcnle electrce q ş q, aflate la dstanţa r unul de celălalt, numtă Legea lu Coulomb: q q F = k [N] (6.3) r unde: k constantă de roorţonaltate care dende de medul în care se află sarcnle electrce în nteracţune (relaţa 6.4), [(N m )/C ]: k = [(N m )/C ] (6.4) 4 π ε cu: ε - ermtvtatea secfcă fecăru medu (entru vd ε 0 =8,854 0 - F/m). Ca urmare, Legea lu Coulomb se oate scre astfel: - dacă cele două sarcn se află într-un medu omogen oarecare: q q F 4 π ε r - dacă cele două sarcn se află în vd: = (6.5) 49
F q q 0 = 4 π ε 0 r (6.6) Forţele de nteracţune dntre două corur unctforme cu sarcnă elecrcă sunt orentate duă drecţa care uneşte cele două corur, ar sensul lor dende de semnul ambelor sarcn. Pentru a exrma atât modulul cât ş orentarea acestor forţe, legea lu Coulomb trebue scrsă vectoral. În acest sco se alege unctul O în care se află sarcna q, ca orgne a vectorulu de ozţe r al sarcn q (fgura 6.). + q + q F O r F a) + q q F F O r b) q + q F F O r c) q q F O r F d) Fgura 6.. Orentarea forţelor de nteracţune electrcă: a), d) când sarcnle q ş q au acelaş semn; b), c) când sarcnle q ş q au semen ouse Cu ajutorul vectorulu r r, având drecţa forţe ş modulul egal cu untatea, se oate scre vectorul forţă F, cu care sarcna q acţonează asura sarcn q (relaţa 6.7): q q r q q F = = r (6.7) 3 4 π ε r r 4 π ε r Când sarcnle q ş q au acelaş semn, q 0, dec F are acelaş sens cu r (fgura 9. a ş q > d), sarcnle se resng. Când sarcnle q ş q au semne ouse, q 0, dec F este de sens ous q < lu r (fgura 9. b ş c), sarcnle se atrag. Forţa cu care sarcna q acţonează asura sarcn q este F, egală în modul, dar de sens ous lu F. 6.. Intenstatea câmulu electrc De regulă, un cor cu sarcnă electrcă modfcă roretăţle fzce ale saţulu dn jurul său, asect us în evdenţă cu ajutorul unu alt cor încărcat, de dmensun ma mc, numt cor de robă. Exermentele efectuate au arătat că, dacă se aduce corul de robă în aroerea unu cor cu sarcnă electrcă, în fecare unct dn jurul corulu încărcat se exerctă forţe asura corulu de robă, exstând în jurul corulu încărcat cu sarcnă electrcă un câm electrc. Forma de exstenţă a matere dn jurul corurlor electrzate, care se manfestă rn acţun asura corurlor cu sarcnă electrcă, se numeşte câm electrc. Un câm electrc rodus de un cor cu sarcnă electrcă aflat în reaus, este constant în tm ş se numeşte câm electrostatc. Conform leg lu Coulomb (relaţa 6.5), într-un unct la dstanţa r de cor, forţa electrcă va dende atât de sarcna generatoare de câm, Q, cât ş de sarcna corulu de robă, q (relaţa 6.8): Q q F = (6.8) 4 π ε r 50
Intenstatea câmulu electrc, E, într-un unct oarecare, este defntă ca fnd raortul dntre forţa F cu care acţonează câmul asura unu cor de robă aflat în acel unct ş sarcna electrcă q a corulu de robă (relaţa 6.9). F E = (6.9) q Intenstatea câmulu electrc generat de un cor unctform, cu sarcna Q, la dstanţa r, va avea relaţa: Q E = r 3 4 π ε r (6.0) Ca urmare, sensul vectorulu ntenstăţ câmulu electrc, E, concde cu sensul forţe cu care câmul electrc acţonează asura unu cor de robă denzând de semnul sarcn Q (de la cor sre exteror entru sarcnă oztvă fgura 6. a resectv, de la exteror sre cor entru sarcna negatvă - fgura 6. b), având modulul dat de relaţa 6., care scade nvers roorţonal cu ătratul dstanţe, r: Q E = [N/C] (6. 4 π ε r a) b) Fgura 6.. Vector ntenstate a câmulu electrc generat de un cor unctform (sau sferc) conductor având sarcnă: a) oztvă; b) negatvă 6.3. Potenţalul electrc Câmul electrc oate f descrs nu numa cu ajutorul mărm vectorale E, c ş cu ajutorul une mărm scalare, numtă otenţal electrc. Pentru defnrea otenţalulu electrc se va studa entru înceut lucrul mecanc efectuat în câmul electrc, arătându-se că lucrul mecanc efectuat entru delasarea unu cor de robă încărcat între două uncte ale câmulu electrc nu dende de drumul urmat între cele două uncte, c dende de sarcna generatoare de câm, Q, de unctul nţal, r M, de unctul fnal r N dn câmul electrc ş de sarcna de robă, q. Lucrul mecanc efectuat de câmul electrc al sarcn Q entru a delasa sarcna de robă q dntr-un unct M, la dstanţa de Q, într-un unct N, la dstanţa r N de Q (fgura 6.3) este dat de rodusul dntre valoarea mede a forţe e ntervalul [r M, r N ], determnată ca mede geometrcă a valorlor forţe la caetele ntervalulu (relaţa 6.) ş delasarea unctulu e de alcaţe (relaţa 6.3). F mede Q q Q q Q q = FM FN = = [N] (6.) 4 π ε r 4 π ε r 4 π ε r r M N M N 5
Q q q q F M F (r) 0 + + + + M N r M r N r F N Fgura 6.3. Forţa electrcă varablă sub acţunea cărea corul cu sarcna q se delasează dn M ş N într-un câm rodus de un cor unctform încărcat Q q Q q L = Fmede MN = [J] (6.3) 4 π ε r r M N ( r ) N rm = 4 π ε rm rn Raortul L/q este caracterstc entru fecare ereche de uncte ale câmulu electrc ş nu ma dende nc de sarcna de robă, q, delasată în câm ş nc de drumul e care s-a delasat, c numa de sarcna generatoare de câm, Q ş de ozţa celor două uncte M ş N (relaţa 6.4). L q Q = 4 π ε r M r N 5 (6.4) Dferenţa de otenţal electrc V M - V N dntre două unct, M ş N, sau tensunea electrcă, U, dntre acele uncte, este o mărme fzcă egală cu câtul dntre lucrul mecanc efectuat de câm la delasarea unu cor încărcat între cele două uncte ş sarcna electrcă a corulu (relaţa 6.4). L U = VM VN = [V] (6.4) q Potenţalul electrc într-un unct este o mărme fzcă egală cu raortul dntre lucrul mecanc efectuat de câm la delasarea unu cor de robă încărcat, dn acel unct în unctul de refernţă arbtrar ales ş, sarcna acelu cor (relaţa 6.5). V M L Q = = [V] (6.5) q 4 π ε r M În cazul unu câm electrc unform, deoarece vectorul ntenstate a câmulu electrc, E, este constant, rezultă că ş forţa electrcă ce acţonează asura corulu cu sarcna, q, e o dstanţă, d, este la rândul e constantă (fgura 6.4, relaţa 6.6), caz în care tensunea electrcă are exresa dată de relaţa 6.7). + q + + M + + + F d F + N Fgura 6.4. Forţa electrcă constantă sub acţunea cărea corul cu sarcnă electrcă q se delasează dn unctul M în N într-un câm electrc unform - - - - - Prn câm electrc unform se înţelege câmul electrc dntre două lăc metalce lane ş aralele, zolate una de alta, încărcate cu sarcn egale dar de sens contrar, caracterzat rn vectorul ntenstăţ constant în fecare unct ş ln de câm aralele ş echdstante. F = q E (6.6) F d q E d U = = = E d [V] (6.7) q q Un volt, rerezntă dferenţa de otenţal dntre două uncte ale unu câm electrc, între care se efectuează un lucru mecanc de J entru a delasa o
sarcnă electrcă de C. Pe baza relaţe 6.7 se stableşte untatea de măsură entru ntenstatea câmulu electrc în Sstemul Internaţonal (SI): [ ] [ U] SI V E SI = = (6.8) d [] m SI 6.4. Curentul electrc contnuu Curentul electrc rerezntă o mşcare ordonată a electronlor lber rntr-un conductor electrc sub efectul une energ rmte de la un dsoztv ce oartă denumrea de generator electrc sau sursă electrcă. Curentul electrc oate f contnuu, când sensul de delasare a sarcnlor electrce în crcut nu se schmbă, sau alternatv, când acest sens se schmbă. Prncalele mărm ce caracterzează curentul electrc contnuu sunt: a) Intenstatea curentulu electrc, I, [A] - rerezntă mărmea fzcă numerc egală cu canttatea de electrctate, Δq, care străbate o surafaţă dată în untatea de tm, Δt: Δq I = [A] (6.9) Δt Instrumentul utlzat în vederea măsurăr ntenstăţ curentulu electrc este Amermetrul. În general, ntenstatea curentulu electrc este o mărme care îş modfcă valoarea în tm, curentul electrc care are o ntenstate constantă în tm fnd denumt curent electrc staţonar. b) Denstatea de curent, j, A/m rerezntă ntenstatea curentulu, I, raortată la untatea de de surafaţă, S: I j = [A/m ] (6.0) S c) Tensunea electrcă, U, [V] determnă mşcarea urtătorlor de sarcn electrce. Tensunea electrcă dntre două uncte ale unu crcut electrc este dată de dferenţa de otenţal dntre cele două uncte: U = V A V B [V] (6.) d) Rezstenţa electrcă, R, [Ω] este o mărme fzcă numeruc egală cu raortul dntre tensunea electrcă, U ş, ntenstatea curentulu electrc care srtrăbate conductorul, I, exrese ce rerezntă Legea lu Ohm entru o orţune de crcut: U R = [Ω] (6.) I Dsoztvul care dn unct de vedere al comortăr într-un crcut electrc are numa rezstenţă electrcă este numt rezstor ş oate f: - lnear sau ohmc, dacă este valablă legea lu Ohm; - nelneare sau neohmce, dacă deendenţa I(U) nu este o funcţe lneară. Rezstenţa electrcă dende de natura ş dmensunle conductorulu străbătut de curent rn relaţa: l R = ρ [Ω] (6.3) S unde: l lungmea conductorulu, [m]; S secţunea conductorulu, [m ]; 53
ρ - rezstvtatea electrcă a conductorulu care dende de materalul dn care este alcătut conductorul ρ 0 (tabelul 6.), de temeratura, t ş, de coefcentul termc al rezstvtăţ, α: ( + α t) ρ = ρ [Ω m] (6.4) 0 Tabelul 6.. Rezstvtăţle electrce ş coefcenţ termc entru rncalele materale foloste la realzarea conductoarelor electrce Nr. ρ Materalul 0, α, crt. [Ω m] [grd - ]. Platnă (Pt), 0,0067. Aur (Au), 0,00377 3. Argnt (Ag),5 0,00390 4. Curu (Cu),6 0,00390 5. Alumnu (Al),6 0,00400 6. Fer (Fe) 0,0 0,00550 7. Bronz 8,0 0,00050 Curentul electrc crculă rn elementele crcutulu electrc care are ca elemente rncale generatoarele ş consumator. Porţunea de crcut stuată în afara generatorulu electrc se numeşte crcut exteror, ar orţunea de crcut aflată în nterorul generatorulu se numeşte crcut nteror. În cadrul crcutulu electrc (fgura 6.5), generatorul transferă energa W gen consumatorulu rn conductoarele de legătură: W gen = Wext + Wnt [J] (6.5) unde: W ext energa furnzată de generator orţun exteroare a crcutulu; W nt energa furnzată de generator orţun nteroare a crcutulu. Tensunea la bornele generatorulu, U, se defneşte ca raort între energa furnzată de generator crcutulu U exteror, W ext, într-un nterval de tm oarecare ş sarcna 3 electrcă, Q, care trece rn crcut în acel nterval de tm: Fgura 6.5. Crcut electrc smlu: generator electrc; rezstenţă electrcă a crcutulu exteror, R; 3 rezstenţă electrcă a crcutulu nteror, r u Wext U = [V] (6.6) Q Tensunea nteroară, u, se defneşte ca raort între energa furnzată de generator crcutulu nteror, W nt, întrun nterval de tm oarecare ş sarcna electrcă, Q, care trece rn crcut în acel nterval de tm: Wnt u = [V] (6.7) Q Tensunea electromeotoare, E, rerezntă raortul dntre energa furnzată de generator întregulu crcut, W gen, într-un nterval de tm oarecare ş sarcna, Q, care trece rn crcut în acel nterval de tm: Wgen E = [V] (6.8) Q În cazul unu crcut electrc smlu (fgura 6.5) tensunea electromotoare este dată de realaţa 6.9, astfel încât Legea lu Ohm e întregul crcut este dată rn relaţa 6.30 ş se oate enunţa astfel: Intenstatea curentulu electrc rntr-un crcut este drect roorţonală cu tensunea electromotoare dn crcut ş nvers roorţonală cu rezstanţa totală a crcutulu. 54
E = U + u [V] (6.9) E I = [A] (6.30) R + r Pentru un crcut electrc format dn ma multe rezstenţe legate în sere sau în aralel (fgura 6.6 a ş b) este necesară determnarea rezstenţe echvalente a crcutulu, astfel: a) La legarea în sere, ornnd de la fatul că R R R n I toate rezstenţele sunt arcurse de aceaş ntenstate a curentulu electrc, fecare rezstenţă U U U n U având la borne rora tensune, rezultă exresa de calcul a rezstenţe electrce de forma: U I I R R R n I n a) b) Fgura 6.6. Crcut electrc cu n rezstenţe electrce: a) legate în sere; b) legate în aralel U = U + (6.3) + U +... U n I = I = (6.3) = I =... I n U Dn legea lu Ohm I = entru R U crcutul sere I = ş ca urmare: R sch,s R sch,s U = I [V] (6.33) U = U + [V] I R + U +... U n sch,s = I R + I R +... + I R n R = R + R +... + R = R [Ω] (6.34) b) La legarea în aralel, ornnd de la fatul că toate rezstenţele au la borne aceeaş cădere de tensune, U, fnd arcurse de ntenstăţ dferte ale curentulu electrc, rezultă exresa de calcul a rezstenţe electrce de forma: Dn legea lu Ohm + I +... I n sch,s I = I + (6.35) U = U = (6.36) = U =... U n R sch, U I = entru crcutul sere R U I = ş ca urmare: R sch, U I = [A] (6.37) n n j= j U R sch, U U U = + +... + [V] R R R n R sch, = + +... + R R R n R sch, R R + R 3 3 = [Ω] R R R R + R 3 R R sch, 3 = [Ω] (6.38) R R R + R R R R 3 + R R 3 55
De asemenea, în cadrul unu crcut electrc se ot utlza ma multe generatoare legate în sere (fgura 6.7 a), caz în care toate generatoarele sunt arcurse de acelaş curect ceea ce conduce la creşterea tensun de utlzare (relaţa 6.39), sau legate în aralel (fgura 6.7 b), caz în care toate generatoarele au la borne aceaş tensune ceea ce conduce la creşterea curentulu debtat (relaţa 6.40). n U = U + U +... + U = U [V] (6.39) echv n n j= j I = I + I +... + I = I [A] (6.40) echv n j j= U G G G n G I I R G I U U U n a) R G n I n b) I Fgura 6.7. Crcut electrc cu n generatoare electrce: a) legate în sere; b) legate în aralel La cularea în sere sau în aralel a ma multor generatoare trebue luate în consderare următoarele asecte: la legarea în sere, bornele care se leagă între ele trebue să fe de semn contrar. Dacă această condţe nu se resectă, tensunea rezultată va f egală cu dferenţa tensunlor arţale; la legarea în aralel, bornele care se leagă între ele trebue să fe de acelaş semn. Dacă această condţe nu se resectă, un curent de scurtcrcut va străbate generatoarele. 6.5. Elementele une reţele electrce Un crcut electrc cu ma multe ramfcaţ alcătueşte o reţea electrcă. Dferte ramur ale reţele electrce sunt arcurse de curenţ dferţ. Pentru descrerea une reţele electrce se defnesc elementele de structură (toologce) ale acestea: a) nodul unctul unu crcut în care sunt nterconectate cel uţn tre elemente de crcut; b) latura sau ramura este acea orţune de crcut care este curnsă între două nodur, nu curnde nc un nod în nteror ş este arcursă de acelaş curent; c) ochul sau bucla este acea orţune de crcut formată dntr-o succesue de latur ce determnă o lne olgonală închsă, la arcurgerea cărea se trece rn fecare nod o sngură dată. În calculul reţelelor electrce o mortanţă deosebtă o au cele două teoreme ale lu Krchhoff, rma teoremă se referă la nodur, ar cea de-a doua teoremă se referă la ochur. Teorema I a lu Krchhoff: Suma ntenstăţlor curenţlor care ntră într-un nod al une reţele este egală cu suma ntenstăţlor curenţlor care es dn acelaş nod: I nt rare = Iesre [A] (6.4) Teorema a II a lu Krchhoff: Suma algebrcă a tensunlor de e consumator aflaţ într-un och de reţea este egală cu suma algebrcă a tensunlor electromotoare ale generatoarelor dn acel och de reţea: 56
n n I R = E [V] (6.4) j j= j j= j Rezolvarea une reţele electrce resuune, în general, determnarea ntenstăţlor curenţlor dn fecare latură, în cazul în care se cunosc toate caracterstcle generatoarelor ş consumatorlor. Etaele arcurse în vederea rezolvăr une reţele electrce sunt: E. Se dentfcă nodurle crcutulu; E. Se dentfcă laturle crcutulu, se notează curenţ ş se aleg arbtrar sensur entru aceşta; E3. Se aleg n- nodur entru care se vor alca teorema I-a a lu Krchhoff; E4. Se dentfcă ochurle reţele ş se alcă entru acestea teorema a II a lu Krchhoff; E5. Se rezolvă sstemul de ecuaţ rezultate rn alcarea celor două teoreme. 6.6. Energa ş uterea electrcă Un cor osedă energe dacă este caabl să roducă lucru mecanc. Energa se oate rezenta sub formă de energe calorcă, mecancă, chmcă, nucleară, electrcă. Orce formă de energe oate f transformată drect sau ndrect în altă formă de energe. Energa e care un generator electrc o oate furnza unu crcut electrc este, aşa cum s-a rezentat anteror, orţun nteroare a crcutulu (W nt ), resectv, orţun exteroare a crcutulu (W ext ). Utlă entru consumator este numa energa furnzată entru crcutul exteror. Ca urmare, se oate defn randamentul crcutulu electrc, ca fnd mărmea fzcă egală cu raortul dntre energa utlă dn crcut (energa furnzată consumatorlor, W ext ) ş energa totală dn crcut (energa totală furnzată de generatorul electrc, W gen ): W ext η = (6.43) Wgen Puterea electrcă rerezntă lucrul mecanc caabl a se roduce în untatea de tm, adcă este raortul dntre energa electrcă ş tm (relaţa 6.44), rezultând că, energa electrcă este rodusul dntre uterea electrcă, W ş, tm (relaţa 6.45). W P = [W] (6.44) t W = P t [W h] (6.45) Puterea dsată e crcutul exteror se determnă ca rodus între tensunea e crcutul exteror, U ş, ntenstatea curentulu electrc ce străbate crcutul exteror, I: unde: P = U I [W] (6.46) U = E r I [V] (6.47) cu: r rezstenţa nteroară a generatorulu electrc, [Ω]. 6.7. Curentul electrc alternatv 6.7.. Generaltăţ Mărmle fzce, în funcţe de deendenţa de tm, ot f constante sau varable. Astfel, ntenstatea curentulu, tensunea electrcă, ntenstatea câmulu electrc ş nducţa câmulu magnetc ot f constante sau varable în funcţe de factor care determnă funcţonarea sstemelor electrce resectve. 57
Inducţa unu câm magnetc unform, B, este o mărme fzcă vectorală, al căre modul este egal cu raortul dntre forţa cu care acel câm magnetc acţonează asura unu conductor rectlnu, erendcular e lnle câmulu magnetc, F ş, rodusul dntre ntenstatea curentulu electrc dn conductor, I ş lungmea conductorulu, l, aflat în câmul magnetc (relaţa 6.48). F N B = I l,[t] (6.48) A m Câmul magnetc este o formă a matere, care se manfestă rn acţunea asura aculu magnetc sau asura conductoarelor arcurse de curent electrc. În cazul mărmlor varable, o mortanţă ractcă o au sstemele electrce în care deendenţa de tm a dfertelor mărm este erodcă. O mărme fzcă este erodcă dacă exstă un nterval de tm, T, numt eroadă, astfel încât entru orce t, să fe adevărată relaţa 6.49: u (t + T) = u(t) (6.49) Mărmle erodce sunt numte mărm alternatve. Dacă ntenstatea unu curent este o mărme alternatvă, curentul este numt curent alternatv. O categore aarte de mărm alternatve o rerezntă mărmle alternatve snusodale entru care deendenţa de tm este dată de o funcţe snusodală. Intenstatea curentulu electrc aternatv este o mărme snusodală, deendenţa e faţă de tm fnd dată de relaţa: ( ω + ϕ) = I max sn t (6.50) unde: valoarea ntenstăţ în momentul t, numtă ntenstate nstantanee sau ntenstate momentană; I max valoarea maxmă e care o oate atnge ntenstatea momentană; ω t+ϕ - faza ntenstăţ momentane; ω - vteza de varaţe a faze sau, ulsaţa ntenstăţ alternatve, [rad]; ϕ - faza nţală a ntenstăţ momentane,, la momentul de tm t=0. Curentul alternatv, în comaraţe cu cel contnuu, rezntă o sere de avantaje înceând cu roducerea ş contnuând cu transortul ş almentarea consumatorlor. Practc, ara de utlzare a curentulu alternatv curnde aroae toate domenle tehnce în care este utlzată energa electrcă. 6.7.. Crcutele R, L, C sere ş aralel Dacă în crcutul de curent contnuu Legea lu Ohm dădea o relaţe de legătură între tensune, ntenstatea curentulu electrc ş rezstenţă, în crcutul alternatv ne nteresează relaţa care se stableşte când avem un crcut cu rezstor ş bobnă ur nductvă sau condensator. În curent alternatv, crcutele electrce ot f: a) crcute ur rezstve (fgura 6.8) dacă în crcut avem numa rezstenţă, curentul ş tensunea fnd tot tmul în fază; b) crcute ur nductve (fgura 6.9) dacă în crcut avem numa nductanţă, curba de varaţe a curentulu fnd cu 90 în urma tensun, vectorul curentulu fnd ş el cu 90 în urma vectorulu tensun; c) crcute ur caactve (fgura 6.0) - dacă în crcut avem doar caactate, curba de varaţe a curentulu fnd cu 90 înantea tensun, vectorul curentulu fnd ş el cu 90 înantea vectorulu tensun. Dacă consderăm un crcut în care avem o rezstenţă, R, o nductanţă, L ş, o caactate, C, legate în sere (fgura 6. a), rn toate aceste comonente va trece acelaş curent I, fecare dntre aceste elemente de crcut având rora cădere de tensune la borne, U R, U L, resectv, U C. Tensunea U R este în fază cu ntenstatea curentulu, tensunea e nductanţă U L este defazată cu 90º înantea curentulu, ar tensunea e caactate U C este defazată cu 90º în urma curentulu (fgura 6. b), rezultând medanţa Z, dată rn relaţa: 58
unde: X L X C Z ( X X ) = R + L C [Ω] (6.5) = ω L - reactanţa nductvă a crcutulu, [Ω]; = - reactanţa caactvă a crcutulu, [Ω]. ω C Fgura 6.8. Crcut electrc ur rezstv: schema crcutulu, curba de varaţe a tensun ş curentulu ş vector tensune ş curent Fgura 6.9. Crcut electrc ur nductv: schema crcutulu, curba de varaţe a tensun ş curentulu ş vector tensune ş curent. Fgura 6.0. Crcut electrc ur caactv: schema crcutulu, curba de varaţe a tensun ş curentulu ş vector tensune ş curent R X L X C U R U L U C U T a) ~ I R I L U IC T R X L X C a) ~ U T U R U L I b) I T I R I C U T b) U C Fgura 6.. Crcut RLC sere: a) schema crcutulu; b) dagrama fazorală Prn medanţă se înţelege mărmea caracterstcă a unu crcut electrc de curent alternatv, egală cu raortul dntre tensunea efcace la bornele crcutulu, u ş, ntenstatea efcace a curentulu, (relaţa 6.5). [ Ω] u Z = (6.5) În cazul unu crcut R, L, C aralel (fgura 6. a), se observă că ntenstăţle curenţlor I L ş I C sunt defazate la 80º (adcă sunt în oozţe de fază) ş ot avea valor ma mar decât valoarea curentulu total I T (fgura 6. b). Ca urmare, entru un crcut R, LC aralel, medanţa crcutulu I L Fgura 6.. Crcut RLC aralel: a) schema crcutulu; b) dagrama fazorală 59
se va determna cu relaţa 6.53, tensunea la bornele crcutulu va f dată rn relaţa 6.54, ar curentul total va f exrmat rn relaţa 6.55. Z = R + ( X L X C ) = R + ω L [ Ω] (6.53) ω C U = U = U U [V] (6.54) T R L = C I T ( I I ) [A] = I + (6.55) R L C 6.7.3. Puterea ş factorul de utere În cazul unu crcut de curent alternatv care conţne rezstenţe, nductanţe ş caactăţ, se oate vorb de tre tur de uter (fgura 6.3): - Puterea actvă, P, datorată trecer curentulu electrc rn rezstenţa R a crcutulu: Putere aarentă (S) ϕ Putere actvă (P) Putere reactvă (Q) Fgura 6.3. Trunghul uterlor entru un crcut de current alternatv U P = U I cos ϕ [W] (6.56) - Puterea reactvă, Q, datorată trecer curentulu electrc rn nductanţa L sau caactatea C a crcutulu: Q = U I sn ϕ [VAr] (6.57) - Puterea aarentă, S, datorată combnaţe uter actve P cu uterea reactvă Q: S = U I [VA] (6.58) S = P + Q [VA] (6.59) Un consumator electrc almentat la o tensune U absoarbe atât un curent actv în fază cu tensunea cât ş un curent reactv, defazat cu 90º faţă de tensune. Curentul total absorbt, I, va f defazat cu unghul ϕ faţă de tensune, cosnusul acestu ungh (cos ϕ) rerezentând factorul de utere al consumatorulu. Lvrarea curentulu electrc în Sstemul Eneretc Naţonal (SEN) este în sstem trfazat (fazele R, S, T), datortă următoarelor cauze: generatoarele ş motoarele monofazate au un volum mare, saţul entru bobne nefnd cel ma bne folost; costul generatoarelor ş motoarelor monofazate este mult ma mare faţă de cel al motoarelor trfazate; motoarele trfazate au un tm de ornre ma mc; motoarele trfazate se ot transorta ma uşor. Generatorul elecrc trfazat (fgura 6.4) este comus dn tre bobne aşezate în saţu sub un ungh de 0º. Datortă câmulu magnetc rottor, generatorul trfazat, va nduce o tensune în fecare bobnă, cele tre tensun fnd egale ca amltudne, dar decalate una faţă de cealaltă cu 0º. Fecare dntre cele tre faze ale unu generator de curent alternatv trfazat este scoasă afară rn două caete termnale (rezultă 6 caete termnale). În scoul eftnr transortulu energe se ot reduce cele şase conductoare rn realzarea une conexun sere (fgura 6.4 a) sau trungh (fgura 6.4 b). În cazul conexun stea, unctul N oartă numele de unct de neutru. La coductorul neutru se oate renunţa, întrucât rn el nu crculă curent atunc când curenţ consumaţ de sarcnă sunt egal e cele tre faze. Dacă cele tre faze (R, S, T) nu sunt echlbrate, conductorul de neutru este necesar. 60
S S R N U fază T I S a) R I S I R Dacă cele tre faze (R, S, T) nu sunt echlbrate, conductorul de neutru este necesar. Tensunle între fazele R, S, T ş unctul neutru N se numesc tensun de fază ş sunt defazate cu 0º între ele, ar tensunle între fazele R ş S, Rş T, S ş T se numesc tensun de lne, determnate cu relaţa.3: U lne = 3 U [V] (6.60) faza Datortă fatulu că acelaş curent crculă ş e fază ş e lne, în cazul conexun în stea curentul de lne este egal cu cel de fază (relaţa 6.6): Ilne = I faza [A] (6.6) În cazul conexun în trungh, datortă fatulu că fecare fază a conexun este drect conectată la două ln, tensunea de lne devne egală cu tensunea de fază (relaţa 6.6), ar curentul de lne va f determnat cu relaţa 6.63: U lne = U faza [V] (6.6) I lne U lne I T I R I N U lne U lne R U lne T b) Fgura 6.4. Generator electrc trfazat: a) conectarea fazelor în stea; b) conectarea fazelor în trungh I T S = 3 I [A] (6.63) faza S R N T Pentru ca suma tensunlor conectate în trungh să fe egală cu zero, este necesar ca înfăşurărle să fe conectate cu olartatea corectă, ceea ce mlcă necestatea efectuăr de măsurător a tensunlor, înante de închderea trunghulu. Frecvenţa, f, a unu generator trfazat este dată de relaţa 6.64, în funcţe de numărul de erech de ol, ş, de turaţa, n: T n f = [Hz] (6.64) 60 6
7. CARACTERISTICI GENERALE ALE SISTEMELOR ELECTROENERGETICE 7.. Generaltăţ Sstemul Electroenergetc (SEE) rerezntă totaltatea nstalaţlor care concură la roducerea, transortul, dstrbuţa ş consumul de energe electrcă, resuunând realzarea unor conexun de o formă oarecare între toate elementele sale comonente: generatoarele electrce dn sursele de roducere a energe electrce, transformatoarele, lnle de transort ş dstrbuţe ş consumator de energe electrcă. Descoerrea fenomenelor electromagnetce ş a alcaţlor acestora, a făcut ca la sfârştul secolulu al XIX lea să fe osblă utlzarea ndustrală a energe electrce entru consum, datortă numeroaselor avantaje e care energa electrcă le rezntă entru utlzare în raort cu alte forme de energe:. oate f transmsă rad ş economc la dstanţe mar ş la un număr mare de consumator de uter dferte;. se oate transforma în alte forme de energe în general în condţ avantajoase (randamante rdcate în rocesele de transformare); 3. în urma utlzăr e nu rezultă rezduur; 4. se retează bne la automatzăr ş se oate măsura cu recze. În rm an de utlzare ndustrală a energe electrce în curent alternatv, elementele mlcate în rocesul de roducere, transort (eventual dstrbuţe) ş consum a energe electrce, erau stuate într-o zonă geografcă de dmensun lmtate ş funcţonau zolat, conectate între ele duă o schemă smlă. Creşterea contnuă a numărulu ş uter consumatorlor, dversfcarea acestora ş a amlasăr lor geografce, a determnat creşterea numărulu de surse de roducere a energe electrce ş, mlct, a reţelelor de transort ş dstrbuţe, astfel că s-a realzat nterconectarea zonelor funcţonând zolat, rezultând astfel sstemul electroenergetc (fgura 7.). ~ 4 5 3 ~ 3 4 ~ 4 Fgura 7.. Porţune de sstem electroenergetc: generator electrc; transformator rdcător; 3 - transformator coborâtor; 4 consumator; 5 lne electrcă 6
7... Evoluţa structur sstemulu electroenergetc Prma centrală electrcă dn ţara noastră, destnată deservr ma multor consumator, a fost usă în funcţune la Tmşoara, la fnele anulu 884, urmată la scurt tm de centrala de la Grozăveşt Bucureşt, astfel că odată cu încheerea celu de-al dolea Războ Mondal, în ţara noastră (în 945) exsta o utere electrcă nstalată în centrale electrce de 70 MW. În eroada 945-989, strategle energetce naţonale au vzat creşterea ermanentă a uter nstalate în centralele electrce astfel că, la sfârştul anulu 989, în Româna, uterea totală nstalată era de.000 MW. Pe lanul dezvoltăr sstemelor de roducere a energe electrce, stratega energetcă a contnuat ş duă 989 rn unerea în funcţune în 996 a rmulu reactor nuclear de la Centrala Nuclearo-Electrcă Cernavodă, cu uterea untară de 700 MW, care în rezent asgură aroxmatv 0% dn roducţa de energe electrcă a ţăr. În ceea ce rveşte sstemul de transort a energe electrce, rma lne trfazată este constrută între Bucureşt ş Floreşt în anul 94, având tensunea nomnală U n =60 kv, entru ca, uţn ma târzu, în anul 930, să se construască rma lne electrcă de 0 kv între Dobreşt ş Bucureşt. O caracterstcă defntore a eroade e care o trăm este aceea că, în ultmul tm, s-a înregstrat un consum scăzut de energe, în anul 00 înregstrându-se un consum ntern ma mc cu 60% faţă de consumul realzat în 989. Datortă scăder cerer de energe, uterea nstalată s-a redus în ultmul tm la aroxmatv 7.000 MW rn retragerea dn exloatare a majortăţ gruurlor energetce vech care funcţonau cu consumur secfce mar. 7... Avantajele ş dezavantajele formăr sstemulu electroenergetc Formarea Sstemulu Electroenergetc (SEE) a fost musă de avantajele ce le rezntă funcţonarea nterconectată în raort cu funcţonarea zolată a elementelor ce concură la almentarea consumatorlor. Exstenţa Sstemulu Electroenergetc rezntă avantajele: determnă reducerea vârfulu de utere la nvelul sstemulu (datortă fatulu că vârfurle de utere ale consumatorlor care ntră în comonenţa sstemulu nu se atng smultan, vârful de utere smultan la nvelul sstemulu va f ma mc decât suma vârfurlor de utere ale consumatorlor comonenţ relaţa 7.). Ca o consecnţă, uterea nstalată totală necesară la nvel de sstem este ma mcă decât în cazul funcţonăr zolate ş ca urmare cheltuelle de nvestţ ş exloatare se reduc; n P < P [kw] (7.) var f,sstem = var f,consum, determnă creşterea sguranţe în almentarea consumatorlor; determnă alatzarea curbe de sarcnă, ermţând o utlzare economcă a centralelor dn sstem; ermte utlzarea economcă a nstalaţlor dn sstem, fnd osbl ca în fecare moment de funcţonare să se menţnă numa acele comonente care ermt furnzarea energe electrce la costul mnm, datortă exstenţe conexun între toate elementele sstemulu ş în funcţe de valoarea totală a consumulu; ermte utlzarea cu efcactate mărtă a resurselor energetce ale ţăr; ermte utlzarea resurselor energetce soradce de genul gazelor de furnal, gazelor de sondă, energe eolene, energe solare etc., în condţ avantajoase; ermte creşterea uter untare a gruurlor dn sstem ş a uter nstalate în centrale rn reducerea cheltuellor de nvestţe ş exloatare; ermte o lanfcare judcoasă a revzlor ş rearaţlor elementelor dn sstem, deoarece în condţle exstenţe une nterconectăr între elementele comonente, deconectarea unea dn ele la momentul ş e durata necesară nu afectează almentarea consumatorlor, funcţle sale fnd reluate de alte comonente; 63
Sstemul Electroenergetc rerezntă o întrerndere uncă, cu otenţal economc rdcat, ceea ce î ermte să angajeze nvestţ mar, extnder de anvergură, ntroducerea de automatzăr ş tehncă nouă etc., în concordanţă cu necestăţle ş cu soluţa otmă rezultată. Pe lângă avantajele amntte, odată cu formarea Sstemulu Electroenergetc au aărut o sere de robleme, care ot f consderate dezavantaje: - creşterea uter de scurtcrcut la bare ceea ce rdcă retenţ în ce rveşte aaratajul de comutaţe ş alte nstalaţ dn sstem; - ntroducerea robleme stabltăţ care rerezntă roblema funcţonăr sncrone a generatoarelor dn sstem, roblemă care la funcţonarea zolată nu exstă; - comlcarea tuturor asectelor funcţonale de regm normal (determnarea crculaţe de uter, reglajul de tensune, reglajul de frecvenţă, funcţonarea economcă etc.) ş regm de avare (determnarea curenţlor de scurtcrcut, calculul regmurlor nesmetrce etc.) entru a căror rezolvare se cere formarea de modele matematce foarte comlcate ş utlzarea mjloacelor de calcul uternce; - dfculatte în suravegherea regmurlor de funcţonare; - necestatea utlzăr unu aarataj de roducţe ş automatzare foarte comlex care să ţnă cont de corelaţa care trebue resectată la funcţonarea numărulu mare de elemente comonente ale sstemulu. 7..3. Evoluţa ş dezvoltarea Sstemulu Electroenergetc Naţonal Dezvoltarea nstalaţlor de roducere, transort, dstrbuţe ş consum a energe electrce în ţara noastră a urmat îndearoae dezvoltarea aceloraş domen e lan mondal. În ţara noastră, rma centrală electrcă destnată a deserv ma mulţ consumator, a fost usă în funcţune la Tmşoara, la fnele anulu 884, urmată de centrala electrcă de la Grozăveşt Bucureşt. În ceea ce rveşte sstemele de transort ş dstrbuţe a energe electrce, rma lne electrcă trfazată cu tensunea nomnală de 60 kv, a fost constrută în anul 94 între Floreşt ş Bucureşt, ar rma lne de 0 kv a fost constrută în anul 930 între Dobreşt ş Bucureşt. Puterea totală nstalată în centralele electrce dn Româna era la nvelul anulu 945 de 70 MW, ar roducţa totală de energe e ca de locutor era de 80 kw, cu mult, atât sub meda mondală, cât ş sub meda consumatorlor de Euroa. În urma adotăr, în anul 950, a Planulu de electrfcare de 0 an, la sfârştul anulu 960 uterea nstalată era de 779 MW, cu o utlzare de crca 450 ore e an, ceea ce a rerezentat o creştere a uter de 3,7%. În această eroadă, o atenţe sortă a fost acordată construr de no centrale termoelectrce cu abur, atât cu arametr a aburulu reduş - cu uter untare nstalate între...0 MW (Ovdu, Doceşt, Comăneşt) -, cât ş cu arametr ma rdcaţ a aburulu (98 bar, 50 C) - cu uter ale gruurlor energetce ma mar (5 MW ş 50 MW) (Sângeorgu de Pădure 50 MW ş Paroşen 50 MW). Paralel cu aceste no surse de roducere a energe electrce ş termce, au fost nstalate ş un număr mortant de gruur electrogene cu motoare Desel ş s-a elaborat baza tehnco-economcă entru ntroducerea termofcăr la no consumator ndustral ş urban. Toate aceste stud s-au concretzat rn unerea în funcţune a centrale de termofcare Borzeşt. Dezvoltarea contnuă a subsstemulu de roducere a energe electrce ş termce la nvel naţonal, a condus în an 60, la crearea unu sstem energetc unc, obţnut rn dezvoltarea ş nterconectarea ma multor ssteme energetce regonale ş care dsunea de o reţea de bază de 0 kv sub forma une bucle cu ma multe dagonale, care curndea ractc toate marle nodur consumatoare ş roducătoare de energe electrcă de e tertorul Române ş ulteror, la unerea în funcţune a rme ln de 0kV între Bcaz ş Fîntînele, ar în anul 963 a rme ln de 400kV e traseul Luduş Mukacevo (URSS) Lemeşanz (RSC) care realza nterconexunea cu sstemele energetce vecne. 64
Sstemele de roducere a energe au cunoscut în eroada 960 970 o evoluţe contnuă, marcată rn folosrea în termocentrale a untăţlor (gruurlor) cu condensaţe cu suraîncălzre ntermedară de utere mare (00...35 MW). De asemenea, au fost use în funcţune mortante amenajăr hdrotehnce e valea Bstrţe ş valea Argeşulu. Punctul culmnant în dezvoltarea energetcă dn această eroadă, a fost atns odată cu unerea în funcţune a centrale de termofcare Braz (00 MW) cu untăţ cu treată de arametr sueror (37 bar ş 570 C). Pentru eroada ma sus amnttă, creşterea mede de roducţe a fost de 6,80%, Sstemul Energetc Naţonal fnd almentat în rncal de centralele termoelectrce (cca. 80% dn uterea nstalată ş roduceau 88% dn energe). Termofcarea se dezvoltă în contnuare rn mlementarea sstemelor de cogenerare cu untăţ de 5, 50, 00 MW la arametr de 98 bar ş 0 C, resectv 37 bar ş 570 C. În eroada medat următoare anulu 970 ş ână sre sfârştul anulu 980, dezvoltarea ramur energe este marcată de fatul că balanţa de energe devne defctară. Hdrocarburle ş gazul metan găsndu-ş o utlzare ma efcentă, ca matere rmă, în ndustra chmcă, a condus la o uterncă sorre a otenţalulu hdroenergetc al ţăr. Punerea în funcţune a Centrale Hdroelectrce de la Porţle de Fer cu o caactate de 068 MW ş a hdrocentrale de e Lotru, a făcut ca întreaga canttate de energe electrcă rodusă în hdrocentrale ână în anul 978 să crească de 6 de or. Ş totuş, dezvoltarea sstemulu energetc dn Româna a contnuat, obectvele rncale fnd formate dn mar centrale electrce de condensaţe cu gruur energetce de 330 MW sau 5 50 MW, folosnd lgnţ dn Oltena (Rovnar, Turcen). 7..4. Structura organzatorcă a sstemulu electroenergetc naţonal duă 990 Preocuărle în domenul energetc au vzat în rncal dezvoltarea sstemelor de roducere a energe electrce ş termce în concordanţă cu dezvoltarea economcă. Ca urmare, evoluţa sstemulu energetc a condus la mărrea caactăţlor de roducţe, cu unerea accentulu e construrea de no untăţ hdrotehnce. Totodată, construrea la Cernavodă a une centrale nuclearo-electrcă cu gruur de 700 MW a contrbut la reducerea consumurlor de combustbl natural. Astfel, la sfârştul anulu 989, în ţara noastră, uterea nstalată era de este 000 MW, gradul de utlzare fnd de 50%. Dn unct de vedere organzatorc toate comonentele sstemulu electroenergetc au fost gruate, ână în anul 990, în cadrul Mnsterulu Energe Electrce. În ersectva aderăr la Ununea Euroeană, înceând cu anul 990, se înfnţează RENEL, ca rege naţonală, reluând structura dn fostul mnster al energe electrce. Ca o încununare a eforturlor de dezvoltare ş modernzare a sstemulu energetc, în anul 996 s-a us în funcţune rmul reactor nuclear de la CNE - Cernavodă cu uterea untară de 700 MW, ar ulteror, în anul 007, cel de-al dolea reactor nuclear. O altă caracterstcă deloc de negljat a eroade desre care vorbm, este aceea că, în comaraţe cu anul 989, consumul de energe a scăzut foarte mult, ajungând în anul 006 la un consum ntern de aroxmatv 60% dn consumul înregstrat în 989, ceea ce a avut un mact dur asura uter nstalate, care a ajuns să nu deăşească 7000 MW. Ca urmare a acestor asecte, ţara noastră s-a transformat dntr-un mortator de energe în exortator, confruntându-se char ş în rezent cu o crză de suracaactate. Dacă dn unct de vedere funcţonal, eroada de duă 989 n-a fost una rea lnşttă, acelaş lucru se oate sune ş desre sstemul organzatorc. Duă înfnţarea RENEL au avut loc schmbăr rofunde ale structur organzatorce a aceste Coman, care au însemnat dvzăr ş externalzăr ale dfertelor actvtăţ. Astfel, în anul 998 rn HG nr.365/998 a fnţă CONEL având în comonenţă tre flale, organzate ca socetăţ comercale e acţun: S.C. Electrca S.A, S.C. Termoelectrca S.A ş resectv, S.C. Hdroelectrca S.A. De asemenea, în anul 000, rn HG 67/3.07.000, CONEL s- Rega Autonomă de Electrctate 65
a dvzat în actualele socetăţ comercale care acţonează ş az în SEN, enttăţ care au sufert la rândul lor, transformăr organzatorce succesve, ma mult sau ma uţn mortante, în funcţe de oltca fecărea: S.C. TRANSELECTRICA S.A. Comana Naţonală de Transort a Energe Electrce; S.C. TERMOELECTRICA S.A. Socetatea Comercală de Producere a Energe Electrce ş Termce; S.C. HIDROELECTRICA S.A. Socetatea Comercală de Producere a Energe Electrce; S.C. ELECTRICA S.A. Socetatea Comercală de Dstrbuţe ş Furnzare a Energe Electrce. 7.. Transformatoare ş autotransformatoare de forţă 7... Noţun generale Transformatorul electrc este un aarat statc cu două sau ma multe înfăşurăr culate magnetc (fgura 7..), cu ajutorul cărora se transformă arametr electrc (tensunea ş curentul) a uter electrce, în curent alternatv, frecvenţa rămânând neschmbată. Înfăşurarea care rmeşte uterea se numeşte înfăşurare rmară, ar cea care debtează uterea se numeşte înfăşurare secundară. Autotransformatorul, sre deosebre de transformator, are o sngură înfăşurare. Fgura 7.. Transformatoare electrce de forţă Indferent de tul constructv, transformatoarele ş autotransformatoarele au ca elemente constructve de bază mezul magnetc ş înfăşurărle. Mezul magnetc se construeşte dn tole dn tablă slcoasă uternc alată. Tolele se zolează între ele cu hârte sau cu lac zolant. Mezul se construeşte dn coloane ş jugur. Înfăşurărle sunt aşezate e coloane. Ele sunt construte dn conductor de curu sau alumnu, zolat cu bumbac sau hârte. Înfăşurărle se ot realza sub două forme: înfăşurăr în clndru sau înfăşurăr în galeţ. La înfăşurărle în clndru, bobnele formează un clndru cu o înălţme uţn ma mcă decât înălţmea mezulu feromagnetc. La înfăşurărle în galeţ, bobnele de tensune înaltă alternează în drecţe axală cu cele de tensune joasă. Caetele înfăşurărlor transformatoarelor aarţnând aceleaş ărţ (rmar sau secundar) sunt conectate între ele. Modul de culare a acaetelor transformatoarelor trfazate se numeşte conexune. Se ot utlza tre tur de conexun: în stea, în trungh ş în zg-zag. Pentru ca transformatorul de utere să oată funcţona în condţ normale ş în vederea revenr unor eventuale ncdente, el trebue să ma conţnă un sstem de răcre, un echament de comutare a latourlor sub sarcnă, echamentul de măsură ş control ş nstalaţa de stngere a ncendlor. Modul de răcre al transformatoarelor dend de modul în care crculă uleul rn corurle de răcre ş de cel în care este răctă surafaţa exteroară a acestora. Crculaţa uleulu oate f naturală sau forţată, ar răcrea surafeţe exteroare a elementelor de răcre oate f: lberă (naturală), cu aer; forţată, rn suflare cu aer. 66