ΠΡΟΤΥΠΗ ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ενέργειας ΠΡΟΤΥΠΗ ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΕ ΑΓΡΟΤΙΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ Δ. ΣΟΥΓΚΑΡΑ Επιβλέπων: Δημήτριος Λαμπρίδης Καθηγητής Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2009 1

2

Αριστοτέλειο Πανεπιστήμιο Θεσσαλονίκης Πολυτεχνική Σχολή Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών & Μηχανικών Υπολογιστών Τομέας Ενέργειας ΠΡΟΤΥΠΗ ΜΟΝΑΔΑ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΣΥΜΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΣΕ ΑΓΡΟΤΙΚΕΣ ΚΑΛΛΙΕΡΓΕΙΕΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ Δ. ΣΟΥΓΚΑΡΑ Επιβλέπων: Δημήτριος Λαμπρίδης Καθηγητής Α.Π.Θ. Εγκρίθηκε από την τριμελή εξεταστική επιτροπή την 24/03/2009 Δημήτριος Λαμπρίδης Βασίλη Χατζηαθανασίου Στυλιανή Καδή Καθηγητής Α.Π.Θ. Επίκ. Καθηγητή Α.Π.Θ. Λέκτορας Α.Π.Θ. Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2009 3

Αναστασία Δ. Σουγκάρα Διπλωματούχος Ηλεκτρολόγος Μηχανικός και Μηχανικός Υπολογιστών του Α.Π.Θ. Copyright Αναστασία Δ. Σουγκάρα Με επιφύλαξη παντός δικαιώματος. All rights reserved. Απαγορεύεται η αντιγραφή, αποθήκευση και διανομή της παρούσας εργασίας, εξ ολοκλήρου ή τμήματος αυτής, για εμπορικό σκοπό. Επιτρέπεται η ανατύπωση, αποθήκευση και διανομή για σκοπό μη κερδοσκοπικό, εκπαιδευτικής ή ερευνητικής φύσης, υπό την προϋπόθεση να αναφέρεται η πηγή προέλευσης και να διατηρείται το παρόν μήνυμα. Ερωτήματα που αφορούν τη χρήση της εργασίας για κερδοσκοπικό σκοπό πρέπει να απευθύνονται προς τον συγγραφέα. Οι απόψεις και τα συμπεράσματα που περιέχονται σε αυτό το έγγραφο εκφράζουν τον συγγραφέα και δεν πρέπει να ερμηνευθεί ότι αντιπροσωπεύουν τις επίσημες θέσεις του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης. 4

Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμά τον υπεύθυνο της διπλωματικής μου κ. Δημήτρη Λαμπρίδη, καθηγητή του Α.Π.Θ., για την πολύτιμη συμβολή και καθοδήγηση του κατά τη διάρκεια εκπόνησης της διπλωματικής εργασίας. Επίσης τον κ. Γιώργο Χατζάργυρο, Τεχνικό Διευθυντή της μονάδας συμπαραγωγής της εταιρίας AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε., χωρίς τη βοήθεια του οποίου η εκπόνηση της παρούσας διπλωματικής θα ήταν αδύνατη, καθώς και τον κ. Βασίλειο Χάϊτα, Γενικό διευθυντή & Διευθύνοντα Σύμβουλο της μονάδας. Ακόμα θα ήθελα να ευχαριστήσω τους κ.κ. Βασίλη Χατζηαθανασίου, επίκουρο καθηγητή του Α.Π.Θ. και Μηνά Αλεξιάδη, Λέκτορα του Α.Π.Θ. για τη βοήθεια τους. Τέλος όλους όσοι μου συμπαραστάθηκαν σε αυτό το ταξίδι και ιδιαίτερα τους γονείς μου. Θεσσαλονίκη, Μάρτιος 2009 Αναστασία Δ. Σουγκάρα 5

Περίληψη Αντικείμενο της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η εφαρμογή της τεχνολογίας συμπαραγωγής στην μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (ΣΗΘ) της εταιρίας AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε. Η μονάδα, η οποία βρίσκεται στην Αλεξάνδρεια του νομού Ημαθίας, αποτελεί πρότυπη μονάδα συμπαραγωγής για τα Ελληνικά δεδομένα, καθώς συνδυάζει την τεχνολογία ΣΗΘ με την αγροτική καλλιέργεια. Πιο συγκεκριμένα χρησιμοποιεί την παραγόμενη θερμότητα για την καλλιέργεια τομάτας σε ελεγχόμενα θερμαινόμενο θερμοκήπιο, ενώ την παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια πουλάει στον ΔΕΣΜΗΕ. Αναλυτικότερα, στο πρώτο κεφάλαιο παραθέτονται ο ορισμός της συμπαραγωγής, οι εφαρμογές της, η χρησιμοποιούμενη τεχνολογία στις μονάδες ΣΗΘ, οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές για τη μείωση των εκπεμπόμενων ρύπων, καθώς και μια εισαγωγή στο σύστημα ΣΗΘ και στη λειτουργία της μονάδας της εταιρίας AGRITEX. Το δεύτερο κεφάλαιο ασχολείται με τις μηχανές εσωτερικής καύσης, οι οποίες αποτελούν τη χρησιμοποιούμενη τεχνολογία της εν λόγω μονάδας. Γίνεται μια εκτενής παρουσίαση των επιμέρους κυκλωμάτων που απαρτίζουν μια μηχανή εσωτερικής καύσης και δίνεται ιδιαίτερη έμφαση στην εκκίνηση του συστήματος. Το τρίτο κεφάλαιο πραγματεύεται την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και τη διασύνδεση της μονάδας με το δίκτυο. Παραθέτονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά των γεννητριών μαζί με τους διακόπτες ισχύος τους, των μετασχηματιστών καθώς και των πεδίων μέσης τάσης. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της συμπαραγωγής, τα προβλήματα που παρουσιάζονται κατά την υλοποίηση των συστημάτων ΣΗΘ στην Ελλάδα καθώς και η παρούσα κατάσταση στο Ελληνικό δίκτυο όσον αφορά τη συμπαραγωγή. 6

Abstract The following thesis deals with the application of cogeneration technologies (CHP) in AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε. power plant. Located in Aleksandreia Imathias, Greece, it is a pioneer by Greek standards, as it combines cogeneration technology with agriculture. More specifically the heat produced by this process is used for green house tomato cultivation in a continuously controlled temperature, while the electrical energy produced is sold to the National Greek Energy System. The first chapter includes a definition of coproduction, the applications of coproduction, the technologies used in CHP power plants, the techniques available for lowering emissions and finally an introduction to the AGRITEX power plant and its function. The second chapter deals with internal combustion engines, the technology used to generate electricity by the power plant in question, along with an extensive presentation of the engines individual circuits with extra attention paid to the starting system. The third chapter outlines the process by which the electrical energy is produced, as well as the power plant s connection to the national energy system. The technical data of generators, circuit breakers and transformers is also attached. The fourth chapter lists the advantages and disadvantages of coproduction as well as detailing the problems faced during the construction of coproduction units. Finally it analyses the current contribution of coproduction to the Greek energy system. 7

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 1 Εισαγωγή...13 1.1 Τι σημαίνει συμπαραγωγή (cogeneration)...13 1.2 Εφαρμογές ΣΗΘ...16 1.3 Χρησιμοποιούμενα καύσιμα...17 1.4 Τριπαραγωγή...18 1.5 Σύγκριση συμβατικών σταθμών παραγωγής ενέργειας με ΣΗΘ....19 1.5.1 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης σταθμού συμπαραγωγής (CHP)19 1.5.2 Σύγκριση συντελεστή εξοικονόμησης καυσίμου FESR μεταξύ συμβατικού σταθμού παραγωγής και σταθμού συμπαραγωγής...22 1.6 Τεχνικές μείωσης εκπεμπόμενων ρύπων...24 1.6.1 Χρήση συσκευής μεταβλητού εμβαδού κυκλικής διατομής για τον έλεγχο της ροής (variable cross-sectional area)....24 1.6.2 Σταδιακή καύση (staged combustion)....25 1.6.3 Τεχνική πτωχού σε καύσιμο μείγματος (lean premix prevaporise, lpp)...25 1.6.4 Τεχνική πλούσιας καύσης, γρήγορης απόσβεσης, φτωχής καύσης (rich-burn/quick-quench/lean-burn, RQL)....26 1.7 Μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (CHP) AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε....27 2. Σύστημα Παραγωγής Θερμότητας...30 2.1 Γενικά...30 2.1.1 Περιγραφή της μονάδας...30 2.1.1.1 Παροχή φυσικού αερίου...33 2.1.1.2 Πύργος ψύξης...33 2.1.1.3 Αποβολή καυσαερίων...33 2.1.1.4 Σύστημα διαχείρισης λαδιού...34 8

2.1.1.5 Κύκλωμα θέρμανσης νερού...34 2.1.2 Πίνακας ελέγχου (Control panel)...36 2.1.2.1 Control panel 1 (Control Panel CHP)...36 2.1.2.2 Control panel 2 (Control panel Client)...36 2.1.2.3 Control panel 5 (Gas Treatment System panel)...36 2.1.2.4 Control panel 6 (Lubrication Oil panel)...36 2.2 Μηχανές εσωτερικής καύσης (Internal combustion engines)...37 2.3 Σύστημα λαδιού...40 2.3.1 Ιδιότητες λαδιού...40 2.3.1.1 Ιξώδες (viscosity)...40 2.3.1.2 Περιεκτικότητα σε πρόσθετες ουσίες (Additives)...41 2.3.1.3 Συνολικός αριθμός βάσεων (Total Base Number, ΤΒΝ)...41 2.3.2 Μόλυνση του λαδιού και υποβάθμιση της ποιότητας του...42 2.4 Σύστημα ψύξης...43 2.5 Σύστημα αέρα και καυσαερίων...45 2.5.1 Σύστημα εισερχόμενου αέρα καύσης (Air intake system)...45 2.5.2 Σύστημα εξερχόμενων καυσαερίων (Exhaust system)...45 2.5.2.2 Εξάτμιση...46 2.5.2.2 Αεροσυμπιεστής...46 2.5.2.3 Σωληνώσεις...47 2.5.2.4 Σιγαστήρας...47 2.6 Σύστημα καυσίμου...48 2.6.1 Σύστημα ψεκασμού καυσίμου (Carbureted fuel system)...48 2.6.1.1 Βαλβίδα φραγής αερίου (Gas shut-off valve)...48 9

2.6.1.2 Ρυθμιστής διαφορικής πίεσης αερίου (Gas Differential Pressure Regulator)...49 2.6.1.3 Βαλβίδα ρύθμισης φορτίου (Load adjustment valve)...49 2.6.1.4 Δοχείο ανάμιξης αέρα-καυσίμου (Carburetor-mixer)...50 2.6.1.5 Σώμα ελέγχου ροής (Throttle body)...50 2.6.2 Σύστημα ελέγχου αναλογίας αέρα-καυσίμου (Air-fuel ratio control) 51 2.7 Σύστημα ανάφλεξης...52 2.7.1 Electronic Control Module, ECM...52 2.7.2 Ενσωματωμένο σύστημα μέτρησης θερμοκρασίας (Integrated temperature sensing module, ITSM)...53 2.7.3 Σύστημα προστασίας G3500 (G3500 engine protection system)...54 2.7.3.1 Εξελιγμένο ψηφιακό σύστημα διαχείρισης της μηχανής (Advanced digital engine management, ADEM)...54 2.8 Ηλεκτρικό σύστημα (Electrical system)...56 2.9 Σύστημα εκκίνησης...57 2.9.1 Τεχνικές συστημάτων εκκίνησης...57 2.9.1.1 Ηλεκτρική εκκίνηση (Electrical starting system)...57 2.9.1.2 Εκκίνηση αέρα ή πνευματική εκκίνηση (Air or Pneumatic starting system)...57 2.9.1.3 Υδραυλική εκκίνηση (Hydraulic starting system)...58 2.9.2 Λειτουργία συστήματος εκκίνησης...58 2.9.2.1 Ροπή εκκίνησης (Breakaway torque)...58 2.9.2.2 Ελάχιστες προδιαγραφές για τον εξοπλισμό υποστήριξης....60 2.9.2.3 Θερμοκρασία λαδιού...61 2.9.3 Ηλεκτρική εκκίνηση...62 2.9.3.1 Τύπος μπαταριών...62 2.9.3.2 Χωρητικότητα μπαταριών και θερμοκρασία...63 10

2.9.3.3 Διαστασιολόγηση καλωδίων μπαταριών (Μέγιστη επιτρεπόμενη αντίσταση)...64 2.9.3.4 Φόρτιση μπαταριών...65 2.9.3.5 Ενναλλάκτες (Alternators)...65 2.9.3.6 Γείωση (Grounding)...66 2.9.3.7 Τοποθέτηση...66 2.9.3.8 Μαγνητικός διακόπτης ή συμπλέκτης γεφύρωσης (Solenoid).66 2.9.3.9 Εκκινητής (Starter motor)...67 2.9.3.10 Διακόπτης κυκλώματος (Circuit breaker)...67 2.9.3.11 Μαγνητικός μετατροπέας μηχανικής κίνησης σε ηλεκτρικό ρεύμα (Magnetic pickup)...67 2.9.3.12 Μαγνητικός διακόπτης (Magnetic switch)...68 2.9.3.13 Διακόπτες θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού και αέρα καύσης (Water and air inlet temperature switch)...68 2.9.4 Βοηθητικός εξοπλισμός κατά την εκκίνηση...68 2.9.4.1 Θερμαντές περιβλήματος της μηχανής (Jacket water heaters)68 2.9.4.2 Θερμαντές μπαταριών (Battery heaters)...69 2.9.4.3 Θερμαντές λιπαντικού ελαίου (Oil heaters)...69 3 Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργεια...70 3.1 Γεννήτρια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας...70 3.2 Διέγερση γεννήτριας...73 3.3 Διακόπτης ισχύος γεννήτριας (Circuit Breaker)...75 3.3.1 Προστασία κατά της υπερφόρτισης L-tripping (Overload protection)...76 3.3.2 Προστασία κατά βραχυκυκλώματος S-tripping (Short time delay short circuit tripping)...76 3.3.3 Προστασία κατά στιγμιαίου βραχυκυκλώματος I-tripping (Instantaneous short circuit tripping)...77 11

3.4 Μετασχηματιστές ανύψωσης τάσης...78 3.5 Πεδία μέσης τάσης...83 3.6 Αγορά ηλεκτρικής ενέργειας για της ανάγκες της μονάδας...88 3.6.1 Μετασχηματιστής υποβιβασμού...88 3.6.2 Πεδίο μέσης τάσης...90 4 Συμπεράσματα...92 4.1 Πλεονεκτήματα Μειονεκτήματα ΣΗΘ...92 4.2 Η εξέλιξη της ΣΗΘ στην Ελλάδα...94 Παράρτημα Α...98 Χαμηλές εκπομπές και διαχείριση καυσαερίων...98 Α.1 Χαμηλές εκπομπές καυσαερίων...98 Α.1.1 Καύση φτωχή σε καύσιμο (Lean burn)...98 Α.1.2 Μηχανές καύσης ανοιχτού θαλάμου (Open chamber engines)...98 Α.2 Διαχείριση καυσαερίων...100 Α.2.1 Μείωση των εκπεμπόμενων NOx...100 Α.2.2 Μείωση των εκπεμπόμενων CO και HC...100 Παράρτημα Β...101 Έλεγχος της μηχανής και τερματισμός λειτουργίας για προστασία (Engine monitoring and shutdown protection)...101 Β.1 Κιβώτιο συνδέσεων (Junction box)...101 B.2 Πίνακας Εκκίνησης/Παύσης λειτουργίας (Engine Start/Stop panel)...103 Β.2.1 Διακόπτης ελέγχου μηχανής (Engine control switch, ECS)...104 Β.2.2 Διακόπτης τερματισμού λειτουργίας εκτάκτου ανάγκης (Emergency stop push button, ESPB)...104 Β.2.3 Έλεγχος κατάστασης (Status control module)...105 Βιβλιογραφία...106 12

1 Εισαγωγή 1.1 Τι σημαίνει συμπαραγωγή (cogeneration) Υπό τον όρο συμπαραγωγή (cogeneration) περιλαμβάνονται όλες οι μονάδες που παράγουν ταυτόχρονα δύο ή περισσότερες μορφές ενέργειας από μία και μόνο ενεργειακή πηγή. Οι δύο συνήθεις παραγόμενες μορφές ενέργειας είναι η μηχανική, που τις περισσότερες φορές μετατρέπεται σε ηλεκτρική και η θερμική. Έτσι έχει καθιερωθεί και ο ακόλουθος ορισμός. Συμπαραγωγή (cogeneration) είναι η συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρικής ή μηχανικής ενέργειας και χρήσιμης θερμικής ενέργειας από μία και μόνο ενεργειακή πηγή. Η μηχανική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα, για την κίνηση ενός συμπιεστή ή μιας αντλίας. Ενώ η θερμική ενέργεια μπορεί να χρησιμοποιηθεί για θέρμανση ή ψύξη. Ο συμβατικός τρόπος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι με καύση πετρελαίου, φυσικού αερίου ή λιγνίτη και με χρήση πυρηνικής ενέργειας. Για την παραγωγή θερμικής ενέργειας συνηθίζεται η καύση καυσίμου σε λέβητες (boilers). Στους συμβατικούς σταθμούς μόνο το ένα τρίτο της ενέργειας καυσίμου μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια, ενώ τα υπόλοιπα δύο τρίτα χάνονται υπό μορφή θερμικών απωλειών, μέσω των κυκλωμάτων ψύξης και της αποβολής καυσαερίων. Στόχος λοιπόν ενός συστήματος συμπαραγωγής, είναι η εκμετάλλευση αυτής της χαμένης ενέργειας για θέρμανση ή παροχή ζεστού νερού και ατμού. Παρατηρούμε έτσι μία αύξηση στο βαθμό της μονάδας από 30-50% σε 80-90%. Παρόλο που ο βαθμός απόδοσης μίας μικρής μονάδας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να είναι μικρότερος, η καλύτερη ενεργειακή αξιοποίηση του καυσίμου, παράγοντας ηλεκτρισμό και θερμότητα μαζί, αντισταθμίζει τον μικρότερο βαθμό απόδοσης. 13

Συμπαραγωγή μικρής κλίμακας: Οι μονάδες συμπαραγωγής με εγκατεστημένη ηλεκτρική ισχύ ίση ή μικρότερη του 1 ΜWe. Συμπαραγωγή πολύ μικρής κλίμακας: Η μονάδα συμπαραγωγής με μέγιστη ηλεκτρική ισχύ ίση ή μικρότερη από 50 kwe. Συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας υψηλής αποδοτικότητας (ΣΗΘΥΑ): Η συμπαραγωγή που εξασφαλίζει εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας τουλάχιστον κατά δέκα τοις εκατό (10 %) σε σύγκριση με τη χωριστή παραγωγή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας. Η παραγωγή από μονάδες συμπαραγωγής μικρής και πολύ μικρής κλίμακας που εξασφαλίζει εξοικονόμηση πρωτογενούς ενέργειας, ανεξαρτήτως ποσοστού, χαρακτηρίζεται ως συμπαραγωγή υψηλής αποδοτικότητας. Ένας σταθμός ΣΗΘ αποτελείται από τρία κυκλώματα. Το κύκλωμα θέρμανσης, το κύκλωμα ψύξης και το κύκλωμα ισχύος. Στο κύκλωμα θέρμανσης περιλαμβάνονται: Ανάκτηση απορριπτόμενης θερμότητας Λέβητας ή εστία θέρμανσης Αντλία θερμότητας και άλλα Στο κύκλωμα ψύξης περιλαμβάνονται: Συμπιεστής Ψύκτης απορρόφησης Αντλία θερμότητας Πύργος ψύξης και άλλα 14

Τα πιο συνηθισμένα κυκλώματα ισχύος είναι : Σύστημα ατμοστροβίλου Σύστημα αεριοστροβίλου Σύστημα συνδυασμένου κύκλου Σύστημα με παλινδρομική μηχανή εσωτερικής καύσης, Diesel και Otto Μοντέρνες τεχνικές Στις μοντέρνες τεχνικές συμπεριλαμβάνονται τεχνικές όπως οι κυψέλες καυσίμου, οι μηχανές stirling, και οι μικροστρόβιλοι. Οι κυψέλες καυσίμου παράγουν ηλεκτρισμό και θερμότητα μέσω της ηλεκτροχημικής διάσπασης υδρογόνου σε οξυγόνο και νερό. Η μηχανή stirling είναι μια μηχανή εξωτερικής καύσης. Διαθέτει δύο δεξαμενές μία θερμή και μια ψυχρή. Όταν ο αέρας βρίσκεται στη θερμή δεξαμενή ο όγκος του αυξάνεται, ενώ όταν βρίσκεται στην ψυχρή δεξαμενή ο όγκος του μειώνεται. Αντίστοιχα με τη θερμοκρασία μεταβάλλεται και η πίεση, αυτό αναγκάζει τα έμβολα των δεξαμενών να κινηθούν με τέτοιο τρόπο ώστε να κινήσουν τον στροφαλοφόρο άξονα. Οι μικροστρόβιλοι είναι μικροί αεριοστρόβιλοι που χρησιμοποιούν αέρια και υγρά καύσιμα προκειμένου να περιστρέψουν μια γεννήτρια. Τα καυσαέρια πριν απορριφτούν στην ατμόσφαιρα περνάνε από ένα εναλλάκτη θερμότητας, όπου προθερμαίνουν τον αέρα καύσης. 15

1.2 Εφαρμογές ΣΗΘ Οι εφαρμογές ΣΗΘ μπορούν να διαιρεθούν σε τρεις κατηγορίες: 1. Βιομηχανικός τομέας. Στον βιομηχανικό τομέα συνήθως χρησιμοποιούνται μονάδες αεριοστροβίλων ή ατμοστροβίλων και το θερμικό προϊόν είναι συνήθως ατμός υψηλής πίεσης. 2. Εμπορικός, κτιριακός τομέας (τριτογενής τομέας). Στον τριτογενή τομέα χρησιμοποιούνται συνήθως μηχανές εσωτερικής καύσης. Το θερμικό προϊόν είναι ζεστό νερό ή ατμός χαμηλής πίεσης και χρησιμοποιείται για θέρμανση ή ψύξη. 3. Θερμοκήπια. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια στα Θερμοκήπια διατίθεται στο Εθνικό Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας, ενώ με τα θερμικά φορτία γίνεται θέρμανση του χώρου του θερμοκηπίου και εμπλουτισμός του με διοξείδιο του άνθρακα για την ταχύτερη ανάπτυξη των καλλιεργούμενων φυτών. 16

1.3 Χρησιμοποιούμενα καύσιμα Τα καύσιμα που χρησιμοποιούνται στην συμπαραγωγή ποικίλουν, ανάλογα με την τεχνολογία που χρησιμοποιείται. Ορυκτά καύσιμα. Στα ορυκτά καύσιμα κατατάσσονται το φυσικό αέριο και ο άνθρακας. Ανανεώσιμα καύσιμα, όπως βιοαέριο από οργανικά απορρίμματα ή από εγκαταστάσεις βιολογικών καθαρισμών. Ακόμα βιομάζα, όπως αγροτικά και δασικά υπολείμματα ή από ενεργειακές καλλιέργειες. Γεωθερμία Υδρογόνο 17

1.4 Τριπαραγωγή Ορισμένα συστήματα ΣΗΘ μπορούν να παράγουν και κρύο νερό για κλιματισμό ή ψύξη, με τη βοήθεια ενός ψύκτη απορρόφησης. Στην περίπτωση αυτή λέμε ότι έχουμε ένα σύστημα τριπαραγωγής. Σε αντίθεση με τα συστήματα συμπαραγωγής, τα οποία έχουν περιορισμένη ή καθόλου χρήση τους καλοκαιρινούς μήνες, τα συστήματα τριπαραγωγής βρίσκουν εφαρμογή ολόκληρο το χρόνο. Τα ψυκτικά φορτία μέχρι τώρα καλύπτονται από τα ηλεκτρικά, με τη χρήση, ασύμφορων οικονομικά, μονάδων αιχμής και υπερφορτισμένων γραμμών μεταφοράς. Τα συστήματα τριπαραγωγής επιφέρουν συμβάλλουν στη σταθερότητα του δικτύου μεταφοράς κατά τους θερινούς μήνες, καθώς μειώνουν ή καλύπτουν την απαίτηση ηλεκτρισμού για φορτία ψύξης. 18

1.5 Σύγκριση συμβατικών σταθμών παραγωγής ενέργειας με ΣΗΘ. 1.5.1 Υπολογισμός βαθμού απόδοσης σταθμού συμπαραγωγής (CHP) Οι σταθμοί ΣΗΘ παρέχουν την μέγιστη αξιοποίηση της ενέργειας καυσίμου, καθώς οι θερμικές απώλειες ελαχιστοποιούνται. Παρόλα αυτά η σύγκριση της απόδοσης δύο σταθμών ΣΗΘ και η τελική επιλογή της μονάδας εγκατάστασης είναι δύσκολη. Στην παράγραφο αυτή θα προσπαθήσουμε να υπολογίσουμε τον βαθμό απόδοσης μιας μονάδας συμπαραγωγής (CHP). Παρακάτω παρατίθεται μία αρχική προσέγγιση του βαθμού απόδοσης μιας μονάδας ΣΗΘ. Ηλεκτρική απόδοση: η = e W H e f = m W f e H u Όπου W η ηλεκτρική ισχύς εξόδου του συστήματος CHP e m f η παροχή καυσίμου H u η χαμηλή ενέργεια καυσίμου LHV Θερμική απόδοση: η th = Q H f = Q m H f u Όπου Q η χρήσιμη θερμική ενέργεια εξόδου του συστήματος CHP Συνολικός βαθμός απόδοσης η = η + η e th W e + Q = H f 19

Καθώς η θερμική και η ηλεκτρική ενέργεια υπολογίζονται ως δύο διαφορετικές μορφές ενέργειας, ο τύπος που δώσαμε παραπάνω δεν μπορεί να ανταποκριθεί πλήρως στην πραγματικότητα. Αντιθέτως μπορεί να μας οδηγήσει σε παραπλανητικά αποτελέσματα, πρώτον γιατί προσθέσαμε δύο διαφορετικές μορφές ενέργειας και δεύτερον γιατί η θερμική ενέργεια είναι χαμηλότερη ποιοτικά από την ηλεκτρική. Για αυτό το λόγο έχουν καθιερωθεί οι συντελεστές διάθεσης ενέργειας EUF και εξοικονόμησης καυσίμου FESR, καθώς και ο λόγος παραγόμενης ισχύος προς θερμότητα PHR. Οι τρεις παραπάνω συντελεστές λειτουργούν σαν κριτήρια σύγκρισης της αποδοτικότητας και επιλογής του καλύτερου τύπου εγκατάστασης. Συντελεστής διάθεσης της ενέργειας (Energy utilization factor-euf) EUF W + Q W + Q = = F ε m f f όπου Q η ωφέλιμη θερμότητα W η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και F το ενεργειακό περιεχόμενο του καυσίμου m f η παροχή καυσίμου ε f η ειδική εξέργεια του καυσίμου Λόγος παραγόμενης ισχύος προς θερμότητα (Power to heat ratio-phr) PHR = W e Q 20

Συντελεστής εξοικονόμησης ενέργειας καυσίμου (Fuel energy savings ratio- FESR) FESR = F F fs F fs fc Όπου F fs το ενεργειακό περιεχόμενο καυσίμου που χρειάζεται για ξεχωριστή παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας και η F fc το ενεργειακό περιεχόμενο καυσίμου που χρειάζεται για τη συμπαραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας Για να αποτελεί συμφέρουσα επιλογή, η εγκατάσταση συστήματος συμπαραγωγής πρέπει ο συντελεστής FESR να είναι μεγαλύτερος της μονάδας. Ακόμα, σημαντικό ρόλο στην επιλογή του κατάλληλου συστήματος παίζουν οι οριακές συνθήκες λειτουργίας. Αν η μονάδα λειτουργεί αυτόνομα ή συνδεδεμένη παράλληλα με άλλες μονάδες και με το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Αν έχει σχεδιαστεί για να καλύπτει κατά κύριο λόγο ηλεκτρικό ή θερμικό φορτίο. Αν έχει σχεδιαστεί για να καλύπτει το θερμικό φορτίο πρέπει να προβλεφθεί κατάλληλο σύστημα για την πώληση της πλεονάζουσας ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά και την αγορά ηλεκτρικής ενέργειας όταν η παραγόμενη ενέργεια δεν επαρκεί. Αν στόχος της μονάδας είναι η κάλυψη του ηλεκτρικού φορτίου και η θερμική ενέργεια που παράγεται δεν είναι αρκετή, πρέπει να προβλεφθεί η εγκατάσταση βοηθητικών λεβήτων. Τέλος σημαντικός παράγοντας επιλογής είναι και ο οικονομικός. Ο οικονομικός όρος εξαρτάται από το αρχικό κόστος εγκατάστασης, την τιμή αγοράς και πώλησης ηλεκτρικής ενέργειας, την τιμή πώλησης της θερμότητας, την τιμή καυσίμου κτλ. 21

1.5.2 Σύγκριση συντελεστή εξοικονόμησης καυσίμου FESR μεταξύ συμβατικού σταθμού παραγωγής και σταθμού συμπαραγωγής. Έστω ότι έχουμε ένα συμβατικό σταθμό παραγωγής. Ο σταθμός παράγει ηλεκτρική ενέργεια μέσω ενός συμβατικού ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους και θερμότητα μέσω ενός λέβητα. Ο σταθμός αυτός καλύπτει όλο το ηλεκτρικό φορτίο, ο βαθμός απόδοσης του λαμβάνεται ίσος με η Η, το ηλεκτρικό του φορτίο λαμβάνεται ίσο με W = 1. Ο λόγος θερμικής προς ηλεκτρική ζήτηση λαμβάνεται ίσος με λ, οπότε το ηλεκτρικό φορτίο λαμβάνεται και αυτό ίσο με Q = λ και ο βαθμός απόδοσης ίσος με η Θ. Η συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια καυσίμου στον συμβατικό σταθμό παραγωγής είναι : F 1 = η Η λ + η Θ Η συνολική απόδοση είναι : η = 1 F η Η η Θ = η + λ η Θ Η Ο συντελεστής διάθεσης ενέργειας είναι : EUF W + Q = F = ( 1+ λ)( η η ) Θ Θ η + λ η Η Η 22

Θεωρούμε τώρα ένα σταθμό ΣΗΘ ο οποίος είναι ιδανικά διαστασιολογημένος και καλύπτει πλήρως το απαιτούμενο ηλεκτρικό και θερμικό φορτίο. Το ηλεκτρικό του φορτίο λαμβάνεται ίσο με W = 1 και το θερμικό ίσο με Q = λcg. Η απορριπτόμενη μη ωφέλιμη θερμότητα λαμβάνεται ίση με απόδοσης λαμβάνεται ίσος με η CG. Q A και ο βαθμός Η συνολική καταναλισκόμενη ενέργεια καυσίμου στον ΣΗΘ είναι : F = 1 + λ + Q CG CG A Η συνολική απόδοση είναι : η CG = 1 F CG Ο συντελεστής διάθεσης ενέργειας είναι : EUF CG 1+ λcg = 1+ λ + Q CG A Η εξοικονόμηση καυσίμου ισούται με : F F CG 1 = η Η 1 + η Θ 1 η CG Ο λόγος εξοικονόμησης καυσίμου ισούται με : F FCG FESR = = 1 F η CG η η Η ( η + λ η ) Θ Θ Η 23

1.6 Τεχνικές μείωσης εκπεμπόμενων ρύπων Το ποσοστό των εκπεμπόμενων ρύπων, εξαρτάται από τις συνθήκες καύσης στον θάλαμο καύσης. Ενώ ορισμένες τροποποιήσεις μπορεί να μειώσουν τους εκπεμπόμενους ρύπους NOx, μπορεί να αυξήσουν τους εκπεμπόμενους ρύπους CΟx και τους άκαυστους υδρογονάνθρακες ή το αντίθετο. Οι χρησιμοποιούμενες τεχνικές είναι η χρήση συσκευής μεταβλητού εμβαδού κυκλικής διατομής (variable cross-sectional area), η σταδιακή καύση (staged combustion), η τεχνική πτωχού σε καύσιμο μείγματος (lean premix prevaporise, lpp) και τέλος η τεχνική πλούσιας καύσης, γρήγορης απόσβεσης, φτωχής καύσης (rich-burn/quick-quench/lean-burn, RQL). 1.6.1 Χρήση συσκευής μεταβλητού εμβαδού κυκλικής διατομής για τον έλεγχο της ροής (variable cross-sectional area). Στην τεχνική αυτή, μεγάλες ποσότητες αέρα εισέρχονται σε υψηλή πίεση στον θάλαμο καύσης, οδηγώντας σε μικρότερες ποσότητες παραγόμενων σωματιδίων άκαυστων υδρογονανθράκων και NOx. Σε χαμηλή πίεση το εμβαδόν κυκλικής διατομής μειώνεται, οδηγώντας σε αύξηση του λόγου καυσίμου αέρα και μείωση της ταχύτητας ροής. Αυτές οι συνθήκες ευνοούν την ανάφλεξη και αυξάνουν το ποσοστό καύσης του καυσίμου, έτσι έχουμε μείωση των σωματιδίων CO και των άκαυστων υδρογονανθράκων. Η τεχνική του μεταβλητού εμβαδού κυκλικής διατομής εφαρμόζεται σε μηχανές φυσικού αερίου που προορίζονται για εγκατάσταση σε βιομηχανίες. Το κυριότερο μειονέκτημα της έγκειται στο πολύπλοκο σύστημα ελέγχου, που έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους, του βάρους και της μείωσης της αξιοπιστίας. 24

1.6.2 Σταδιακή καύση (staged combustion). Στην τεχνική αυτή η καύση χωρίζεται σε δύο στάδια. Στο πρώτο στάδιο ο λόγος αέρα προς καύσιμο είναι μεγαλύτερος από τον απαιτούμενο. Με αυτό τον τρόπο αυξάνεται το ποσοστό καύσης και μειώνονται οι εκπεμπόμενοι ρύποι CO και οι άκαυστοι υδρογονάνθρακες. Το δεύτερο στάδιο είναι το στάδιο της κύριας καύσης. Ο αέρας και το καύσιμο έχουν ήδη αναμειχθεί πριν την εισαγωγή τους στο δεύτερο στάδιο και εδώ ο λόγος αέρα καυσίμου μειώνεται. Με αυτόν τον τρόπο μειώνονται οι εκπομπές NΟx. 1.6.3 Τεχνική πτωχού σε καύσιμο μείγματος (lean premix prevaporise, lpp). Αυτή η τεχνική παράγει εξαιρετικά χαμηλές ποσότητες NOx. Στόχος της τεχνικής είναι να εξατμιστεί το καύσιμο και να αναμειχθεί καλά με τον αέρα πριν την καύση. Η δραστική μείωση των εκπεμπόμενων νιτρικών οξέων οφείλεται στην αποφυγή της καύσης ολόκληρων σταγονιδίων καυσίμου, με επακόλουθο την πτώση της θερμοκρασίας φλόγας, την παρεμπόδιση δημιουργίας θερμών σημείων στην περιοχή της καύσης και τη φτωχή αναλογία καυσίμου-αέρα. Το κύριο μειονέκτημα της τεχνικής lpp, είναι ο υψηλός κίνδυνος αυτανάφλεξης του μείγματος ή flashback στον αγωγό προετοιμασίας του μείγματος. Το φαινόμενο αυτό μπορεί να συμβεί στις υψηλές πιέσεις και θερμοκρασίες που δημιουργούνται κατά τη διάρκεια λειτουργίας πλήρους φορτίου. Τίθενται έτσι κάποια θέματα ασφάλειας, διάρκειας ζωής και συντήρησης της εγκατάστασης. 25

1.6.4 Τεχνική πλούσιας καύσης, γρήγορης απόσβεσης, φτωχής καύσης (rich-burn/quick-quench/lean-burn, RQL). Η τεχνική αυτή αποτελεί μία ακόμα εναλλακτική στην εκπομπή εξαιρετικά χαμηλών NOx. Στο πρώτο στάδιο έχουμε καύση με μείγμα πλούσιο σε καύσιμο. Η χαμηλή θερμοκρασία καύσης και το χαμηλό ποσοστό οξυγόνου, οδηγούν σε μείωση των παραγόμενων ΝΟx. Στο δεύτερο στάδιο εισάγεται περίσσεια αέρα και αναμειγνύεται γρήγορα με τα παράγωγα του πρώτου σταδίου. Αν η μίξη είναι αργή, δημιουργούνται περιοχές με αυξημένη συγκέντρωση αερίου, ικανές να αυξήσουν τις ποσότητες ΝΟx. Στο τρίτο στάδιο το μείγμα εισέρχεται σε ένα θάλαμο καύσης με παρουσία καταλύτη. Το μείγμα εισέρχεται στον θάλαμο του καταλύτη, αφού προηγουμένως έχει αεριοποιηθεί πλήρως και αναμιχτεί καλά με μεγάλη περίσσεια αέρα. Ο καταλύτης βοηθάει αυτό το ομογενές μείγμα να καεί, παρόλο που έχει πολύ μικρή συγκέντρωση καυσίμου. Η συγκέντρωση καυσίμου είναι μάλιστα μικρότερη από το όριο ανάφλεξης για φτωχά σε καύσιμο μείγματα. Έτσι η θερμοκρασία καύσης και συνεπακόλουθα τα εκπεμπόμενα ΝΟx είναι εξαιρετικά χαμηλά. Στις περισσότερες μηχανές υπάρχει και ένας θάλαμος θερμικής αντίδρασης μετά τον θάλαμο του καταλύτη. Η χρησιμότητα του θαλάμου θερμικής αντίδρασης έγκειται στην αύξηση της θερμοκρασίας αερίου με συνεπακόλουθη αύξηση του βαθμού απόδοσης και στη μείωση της συγκέντρωσης CO και άκαυστων υδρογονανθράκων. 26

1.7 Μονάδα συμπαραγωγής ηλεκτρισμού και θερμότητας (CHP) AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε. Στα επόμενα κεφάλαια ακολουθεί η μελέτη της εγκατάστασης και της λειτουργίας της μονάδας συμπαραγωγής της εταιρείας AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε., η οποία χαρακτηρίζεται ως μονάδα ΣΗΘΥΑ. Η μονάδα είναι εγκατεστημένη στην περιοχή Αλεξάνδρεια του νομού Ημαθίας. Πρωταρχικός στόχος της μονάδας είναι η παραγωγή θερμότητας για την καλλιέργεια τομάτας. Η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται μέσω της συμπαραγωγής αγοράζεται από τον ΔΕΣΜΗΕ. Οι ενεργειακές ανάγκες της εγκατάστασης καλύπτονται με αγορά ηλεκτρικής ενέργειας από τον ΔΕΣΜΗΕ σε τιμές αγροτικού τιμολογίου. Σχήμα 1.1: Θερμοκήπιο της μονάδας συμπαραγωγής AGRITEX ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΗ Α.Ε. 27

Η μονάδα διαθέτει θερμοκήπιο 100 στρεμμάτων για την παραγωγή τομάτας με τη μέθοδο της υδροπονικής καλλιέργειας. Υδροπονική καλλιέργεια είναι η καλλιέργεια φυτών σε υποστρώματα εκτός του εδάφους. Στην περίπτωση μας οι τομάτες καλλιεργούνται σε υποστρώματα πετροβάμβακα. Η μέθοδος της υδροπονικής καλλιέργειας δίνει τη δυνατότητα μιας πλήρους ελεγχόμενης αγροτικής παραγωγής. Με αισθητήρες θερμοκρασίας μετριέται η θερμοκρασία στο εσωτερικό του θερμοκηπίου. Όταν η θερμοκρασία είναι πάνω από τα επιθυμητά όρια, κλείνουν τα προστατευτικά από τον ήλιο πετάσματα του θερμοκηπίου. Όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από τα επιθυμητά όρια εκκινεί το σύστημα συμπαραγωγής. Το θερμοκήπιο θερμαίνεται μέσω ενός δικτύου σωλήνων θέρμανσης. Μέσα στους σωλήνες θέρμανσης ρέει ζεστό νερό. Όταν δεν υπάρχει απαίτηση για θέρμανση του θερμοκηπίου, η μονάδα δεν παράγει ούτε ηλεκτρική ενέργεια. Τα προστατευτικά πετάσματα βοηθούν ακόμα στη θερμική μόνωση του θερμοκηπίου. Για να αυξηθεί η θερμοκρασία κλείνουν τα πετάσματα έτσι ώστε να μειωθεί η ροή θερμότητας προς το περιβάλλον, ενώ αντιθέτως για να μειωθεί η θερμοκρασία ανοίγουν τα πετάσματα. Η μονάδα χρησιμοποιεί για την θέρμανση του νερού, τρεις μηχανές εσωτερικής καύσης ως μονάδες βάσης και δύο λέβητες (Boilers) ως μονάδες αιχμής. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης και τα Boiler χρησιμοποιούν ως καύσιμο το φυσικό αέριο. Κάθε μηχανή εσωτερικής καύσης είναι συνδεδεμένη με μια γεννήτρια. Ανάλογα με τις ανάγκες θέρμανσης λειτουργούν μία, δύο ή και οι τρεις γεννήτριες. Αν υπάρχει ανάγκη για περαιτέρω θέρμανση λειτουργούν και τα Boiler. Το νερό θερμαίνεται σε τρεις βαθμίδες. Η πρώτη βαθμίδα βρίσκεται στη έξοδο των καυσαερίων και μετά το φιλτράρισμα τους. Η δεύτερη βαθμίδα βρίσκεται πριν το φιλτράρισμα των καυσαερίων και η τρίτη στο πρώτο ψυκτικό κύκλωμα των μηχανών εσωτερικής καύσης. Στη συνέχεια, το νερό κυκλοφορεί μέσα στο θερμοκήπιο, μέσω του δικτύου των σωληνώσεων θέρμανσης. Μέρος της 28

θερμότητας που παράγεται χρησιμοποιείται, από ένα ψύκτη απορρόφησης, για την ψύξη του ψυγείου αποθήκευσης της τομάτας. Η μονάδα διαθέτει ακόμα δεξαμενή αποθήκευσης θερμότητας. Το ζεστό νερό αποθηκεύεται στη δεξαμενή, η οποία διαθέτει αισθητήρες θερμοκρασίας σε διαφορετικά βάθη. Το ζεστό νερό προστίθεται στην κορυφή της δεξαμενής. Όταν χρειάζεται θερμότητα χρησιμοποιείται πάλι το νερό από την κορυφή της δεξαμενής. Όταν και το τελευταίο θερμόμετρο στην κορυφή της δεξαμενής δείχνει κάτω από την επιθυμητή θερμοκρασία, τότε εκκινούν τα Boiler. Η μονάδα παράγει επίσης διοξείδιο του άνθρακα. Μετά το φιλτράρισμα των καυσαερίων παράγεται καθαρό διοξείδιο του άνθρακα και ένα πολύ μικρό ποσοστό οξειδίων του αζώτου (πολύ κάτω από τα επιτρεπόμενα όρια). Τα φιλτραρισμένα καυσαέρια απελευθερώνονται στο θερμοκήπιο, όποτε και όσο χρειάζεται, για την καλύτερη ανάπτυξη της καλλιέργειας τομάτας. Τα καυσαέρια που παράγονται από το πρώτο Boiler μπορούν να ελευθερωθούν κατευθείαν στο θερμοκήπιο γιατί περιέχουν πολύ μικρό ποσοστό ρύπων. Τα καυσαέρια από το δεύτερο Boiler απελευθερώνονται κατευθείαν στην ατμόσφαιρα. Τέλος η μονάδα διαθέτει εξοπλισμό αξιοποίησης των βρόχινων νερών. Τα βρόχινα νερά συλλέγονται, φιλτράρονται και επεξεργάζονται. Στη συνέχεια αφού κριθούν κατάλληλα ποιοτικώς, αναμειγνύονται με λίπασμα. Το μείγμα αυτό τροφοδοτεί τα φυτά της τομάτας. 29

2. Σύστημα Παραγωγής Θερμότητας 2.1 Γενικά 2.1.1 Περιγραφή της μονάδας Η μονάδα αποτελείται από τρεις μηχανές εσωτερικής καύσης οι οποίες λειτουργούν παράλληλα. Αρχικά θα μελετήσουμε τον κύκλο παραγωγής θερμότητας της μιας εκ των τριών μηχανών. Για να υπολογίσουμε τη θερμότητα που παράγεται από τη λειτουργία και των τριών μαζί, πολλαπλασιάζουμε επί τρία. Η μηχανή είναι τύπου G 3516E της εταιρίας Caterpillar, λειτουργεί σε ταχύτητα 1500 rpm, έχει λόγο συμπίεσης (compression ratio) 11.6:1 και χρησιμοποιεί ως καύσιμο φυσικό αέριο Σχήμα 2.1: Μηχανή τύπου G 3516E Caterpillar 30

Το σύστημα καυσίμου λειτουργεί σε χαμηλή πίεση με μεταβλητό λόγο αέρα καυσίμου. Η πίεση του καυσίμου κυμαίνεται μεταξύ 3.5 και 34.5 KPa. Το επίπεδο εκπομπής NΟx είναι 500mg/Nm 3 και η LHV του φυσικού αερίου εκτιμάται 35.6 MJ/ Nm 3. Η ισχύς της μηχανής είναι 1656 kw και της γεννήτριας 1600 kw σε λειτουργία με φορτίο 100%. Ο ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης είναι 42.5 % και ο θερμικός 41.7 %. Ο συνολικός βαθμός απόδοσης είναι 84.2 %. Η κατανάλωση καυσίμου είναι 8.48MJ/bkW-hr. Τα ποσοστά εκπεμπόμενων ρύπων είναι : NOx 500 mg/nm 3 (dry) CO 1048 mg/nm 3 (dry) THC 2814 mg/nm 3 (dry) NMHC 423 mg/nm 3 (dry) O2 10%(dry) Η ενέργεια χαμηλής θερμότητας καυσίμου (Low Heating Value, LHV) που εισέρχεται στην μηχανή είναι 3898 kw. Από αυτά αποβάλλονται: 403 kw στο περίβλημα της μηχανής 115 kw στο λιπαντικό έλαιο 1197 kw στην εξάτμιση στους 25 ο C 825 kw στην εξάτμιση στους 120 ο C 298 kw στο πρώτο εσωτερικό κύκλωμα ψύξης και 130 kw στο δεύτερο εσωτερικό κύκλωμα ψύξης 31

Παρακάτω παρουσιάζονται τα τεχνικά χαρακτηριστικά της μηχανής G 3516E Σχήμα 2.2 : Τεχνικά χαρακτηριστικά της μηχανής G 3516E 32

Η μηχανή τροφοδοτείται με φυσικό αέριο ροής 360 Nm 3 /h και πίεσης 200 mbar. Επίσης τροφοδοτείται με αέρα μέσω δύο φίλτρων ροής 24 kg/sec, θερμοκρασίας 25 ο C και πίεσης 25 mbar. Η μηχανή έχει δύο κυκλώματα ψύξης. Το πρώτο κύκλωμα χρησιμοποιείται για την αύξηση της θερμοκρασίας του νερού θέρμανσης μέσω ενός εναλλάκτη θερμότητας, ενώ το ψυκτικό υγρό του δεύτερου κυκλώματος ψύξης ψύχεται στον πύργο ψύξης. 2.1.1.1 Παροχή φυσικού αερίου Το φυσικό αέριο παρέχεται με ροή 360 Nm 3 /h και πίεση 200 mbar. Όταν εισέρχεται στη μηχανή είναι σε πίεση 100 mbar. 2.1.1.2 Πύργος ψύξης Στον πύργο ψύξης ψύχεται το ψυκτικό υγρό του δεύτερου κυκλώματος ψύξης της μηχανής, του συμπυκνωτή των καυσαερίων και του κυκλώματος ψύξης του ψύκτη απορρόφησης. Το ψυκτικό υγρό του δεύτερου κυκλώματος ψύξης της μηχανής εξέρχεται στους 58 ο C και εισέρχεται στους 54 ο C, συνολικά αποβάλλονται 127 kw με απόκλιση 10 %. Στο συμπυκνωτή τα καυσαέρια μπαίνουν στους 120 ο C και εξέρχονται στους 55 ο C αποβάλλοντας 169 kw. Συνολικά στον πύργο ψύξης αποβάλλονται 296 kwth. 2.1.1.3 Αποβολή καυσαερίων Τα καυσαέρια αποβάλλονται στους 430 ο C με 465 ο C, με ροή 8777 kg/hr. Τα καυσαέρια αποβάλλουν 56,6 kw στον δεύτερο εναλλάκτη θέρμανσης του νερού θέρμανσης και στη συνέχεια εισέρχονται στο σύστημα διαχείρισης καυσαερίων. Μετά την έξοδο τους από το σύστημα διαχείρισης καυσαερίων αποβάλλουν 780 kw στον πρώτο εναλλάκτη θέρμανσης του νερού 33

θέρμανσης. Στη συνέχεια ανάλογα με την τρέχουσα ανάγκη του θερμοκηπίου για CO 2, τα καυσαέρια εισέρχονται στο συμπυκνωτή όπου η θερμοκρασία τους πέφτει από τους 120 ο C στους 55 ο C και διοχετεύονται στο θερμοκήπιο ή οδηγούνται κατευθείαν στην εξάτμιση. 2.1.1.4 Σύστημα διαχείρισης λαδιού Η χωρητικότητα της μηχανής σε λάδι είναι 423 lit λαδιού. Κατά τη λειτουργία της μηχανής μέρος του λαδιού λίπανσης χάνεται λόγω αναθυμιάσεων ή καύσης του. Η μηχανή τροφοδοτείται με λάδι μέσω της δεξαμενής του συστήματος αυτόματης πλήρωσης λαδιού, που βρίσκεται τοποθετημένη πάνω από κάθε μηχανή. Το σύστημα αυτόματης πλήρωσης λαδιού αποτελείται από ένα δοχείο χωρητικότητας 500 λίτρων. Όταν το δοχείο έχει πληρότητα 80 % δίνεται εντολή να σταματήσει η λειτουργία της αντλίας τροφοδότησης, ενώ όταν έχει πληρότητα 90 % δίνεται συναγερμός υψηλής στάθμης. Αντιστρόφως όταν η πληρότητα φτάσει στο 20 % δίνεται εντολή να ξεκινήσει η αντλία τροφοδότησης, ενώ όταν η πληρότητα πέσει στο 10 % δίνεται συναγερμός χαμηλής στάθμης. Το σύστημα αυτόματης πλήρωσης λαδιού τροφοδοτείται από μία δεξαμενή χωρητικότητας 6000 lit και αποβάλει το βρώμικο λάδι σε μία δεξαμενή χωρητικότητας 4000 lit. 2.1.1.5 Κύκλωμα θέρμανσης νερού Το νερό ζεσταίνεται σε τρεις βαθμίδες για να αποκτήσει την επιθυμητή θερμοκρασία. Στην συνέχεια εισέρχεται στις σωληνώσεις θέρμανσης του θερμοκηπίου αφού πρώτα αναμιχθεί με κρύο νερό (40 ο C) για την απόκτηση της επιθυμητής θερμοκρασίας. Η πρώτη βαθμίδα βρίσκεται στην έξοδο της μονάδας διαχείρισης καυσαερίων. Εκεί το νερό απορροφά θερμότητα ώστε η θερμική του ενέργεια να αυξηθεί κατά 780 kw. Η δεύτερη βαθμίδα θέρμανσης βρίσκεται πριν τη μονάδα 34

διαχείρισης καυσαερίων και η ενέργεια του αυξάνεται κατά 56,6 kw. Συνολικά η θερμοκρασία του νερού στις πρώτες δύο βαθμίδες ανεβαίνει από τους 65 0 C (70 ο C max) στους 75 ο C (80 ο C max). Η τελευταία βαθμίδα βρίσκεται στο πρώτο ψυκτικό κύκλωμα της μηχανής εσωτερικής καύσης. Εκεί η θερμοκρασία του νερού ανεβαίνει στους 80 ο C (90 ο C max) και απορροφάτε ενέργεια 796 kw με απόκλιση 10 %.Το ψυκτικό υγρό βρίσκεται σε θερμοκρασία 90 ο C (97 ο C max) πριν την είσοδο του στον εναλλάκτη, ενώ μετά την έξοδο του βρίσκεται στους 80 ο C (90 ο C max). 35

2.1.2 Πίνακας ελέγχου (Control panel) Η μονάδα διαθέτει τέσσερις πίνακες ελέγχου (Control panel) για τον έλεγχο και την εποπτεία των εγκαταστάσεων. 2.1.2.1 Control panel 1 (Control Panel CHP) To Control panel 1 ελέγχει το δεύτερο κύκλωμα ψύξης της μηχανής, την παροχή φυσικού αερίου, την παροχή εισερχόμενου αέρα καύσης, τον αερισμό στο δωμάτιο στέγασης του ηλεκτροπαραγωγού ζεύγους και το ρεύμα εξόδου της γεννήτριας. 2.1.2.2 Control panel 2 (Control panel Client) Το Control panel 2 ελέγχει το πρώτο κύκλωμα ψύξης της μηχανής, την παροχή φυσικού αερίου και επικοινωνεί με τα Control panel 1, 3, 5 και 6. 2.1.2.3 Control panel 5 (Gas Treatment System panel) Το Control panel 5 ελέγχει το σύστημα διαχείρισης καυσαερίων, την παροχή CO 2 στο θερμοκήπιο καθώς και το πρώτο κύκλωμα ψύξης της μηχανής. 2.1.2.4 Control panel 6 (Lubrication Oil panel) Το Control panel 6 ελέγχει το σύστημα λίπανσης της μηχανής, το σύστημα αυτόματης πλήρωσης λαδιού, την παροχή καθαρού λαδιού και την αποβολή του βρώμικου. 36

2.2 Μηχανές εσωτερικής καύσης (Internal combustion engines) Οι μηχανές εσωτερικής καύσης αποτελούν μια αρκετά οικονομική λύση, όσον αφορά τις τεχνολογίες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Η καύση του καυσίμου γίνεται σε ένα θάλαμο καύσης που βρίσκεται ολόκληρος μέσα στο κινητήρα. Με τον όρο μηχανές εσωτερικής καύσης συνήθως εννοούνται οι παλινδρομικές εμβολοφόρες μηχανές (reciprocating engines). Όταν για καύσιμο χρησιμοποιείται το φυσικό αέριο, τότε τα καυσαέρια που παράγουν είναι αρκετά καθαρά. Σαν καύσιμα μπορούν να χρησιμοποιηθούν εκτός από το φυσικό αέριο, προπάνιο, βιοαέριο, υδρογόνο και άλλα. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης χρησιμοποιούνται ευρέως στη συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού. Οι περισσότερες μηχανές εσωτερικής καύσης, είναι κατασκευασμένες να λειτουργούν σε κύκλο τεσσάρων βημάτων. Κάθε κύκλος λειτουργίας είναι χωρισμένος σε τέσσερα στάδια. Τα στάδια εισαγωγής, συμπίεσης, καύσης/εκτόνωσης και εξαγωγής. Αναλυτικά τα τέσσερα αυτά στάδια παρουσιάζονται παρακάτω. Στάδιο εισαγωγής Καθώς το έμβολο κινείται προς τα κάτω, δημιουργείται ένα κενό αέρος. Αυτό το κενό πληρώνεται με ένα μείγμα αέρα και καυσίμου που εισέρχεται μέσω της βαλβίδας εισαγωγής. Στάδιο συμπίεσης Στο στάδιο συμπίεσης, το έμβολο κινείται προς τα πάνω αφού προηγουμένως οι βαλβίδες εισαγωγής και εξαγωγής έχουν κλείσει. Τα αέρια συμπιέζονται και θερμαίνονται. Στάδιο καύσης/εκτόνωσης Τα αέρια καύσης εκτονώνονται και ωθούν το έμβολο να κινηθεί προς τα κάτω περιστρέφοντας έτσι τον άξονα. 37

Στάδιο εξαγωγής Το τελευταίο στάδιο είναι αυτό της εξαγωγής. Η βαλβίδα εξαγωγής αερίων ανοίγει και τα καυσαέρια εξέρχονται, ωθούμενα από την άνοδο του εμβόλου. Στο σχήμα που ακολουθεί βλέπουμε αναλυτικά τον κύλινδρο μιας μηχανής εσωτερικής καύσης. Σχήμα 2.3: Κύλινδρος μηχανής εσωτερικής καύσης. C: Στροφαλοφόρος άξονας (Crankshaft), R: Συνδετική ράβδος (Connecting rod), P: Έμβολο (Piston), W: Κύκλωμα ψύξης νερού (Water jacket for coolant flow), V: Βαλβίδες (Valves), S: Σπινθηριστής (Spurk plug), E: Άξονας βαλβίδων εξαγωγής (Exhaust camshaft), I: Άξονας βαλβίδων εισαγωγής (Intake camshaft) Οι μηχανές εσωτερικής καύσης χωρίζονται σε δύο σημαντικές κατηγορίες: 1. Μηχανές όπου η ανάφλεξη συμβαίνει με τη βοήθεια σπινθήρα (spark ignited) ή μηχανές Otto 2. Μηχανές όπου η ανάφλεξη συμβαίνει εξαιτίας της συμπίεσης του μείγματος αέρα καυσαερίου (compression ignition) ή μηχανές Diesel 38

Στις μηχανές Otto (spark ignited) η καύση ξεκινάει από ένα ελεγχόμενο σπινθήρα, ο οποίος αναφλέγει το μείγμα αέρα-καυσίμου αφού έχει εισέρθει στον κύλινδρο και έχει συμπιεστεί. Αντιθέτως στις μηχανές Diesel (compression ignition) το καύσιμο δεν αναμειγνύεται με τον αέρα από την αρχή. Το καύσιμο ψεκάζεται μέσα στον κύλινδρο στο τέλος του σταδίου συμπίεσης. Οι αυτοαναφλεγόμενες μηχανές Diesel έχουν πολύ μεγαλύτερο λόγο συμπίεσης από τις μηχανές Otto. Αυτό οδηγεί στη θέρμανση του αέρα σε υψηλότερες θερμοκρασίες κατά το στάδιο της συμπίεσης. Καθώς αυξάνει η πίεση, αυξάνει και η θερμοκρασία μέχρι το σημείο όπου η καύση ξεκινάει αυθόρμητα οδηγώντας στην εκτόνωση των αερίων. Οι μηχανές Diesel τείνουν να έχουν μεγαλύτερο βαθμό απόδοσης από τις μηχανές Otto, απαιτούν όμως συχνότερη συντήρηση και τα καυσαέρια τους είναι λιγότερο καθαρά. Η απόδοση των μηχανών εσωτερικής καύσης μπορεί να βελτιωθεί, συμπιέζοντας τον αέρα ή το μείγμα αέρα-καυσίμου πριν την είσοδο τους στον κύλινδρο (charged aspiration). Αυτό μπορεί να γίνει με τη βοήθεια ενός μικρού στροβίλου οδηγούμενου από καυσαέρια (turbocharger) ή ενός υπερσυμπιεστή ο οποίος οδηγείται μηχανικά από ένα βοηθητικό άξονα της μηχανής (supercharger). Ένα σημαντικό πλεονέκτημα της τεχνικής charged aspiration είναι ότι επιτρέπει στην καύση να συμβεί με μείγμα φτωχό σε καύσιμο. Έτσι έχουμε χαμηλότερη θερμοκρασία καύσης και μικρότερα ποσοστά εκπεμπόμενων οξειδίων του αζώτου Nox. Στην συνδυασμένη παραγωγή ηλεκτρισμού και θερμότητας η απορριπτόμενη θερμότητα που εκμεταλλευόμαστε προέρχεται από τα καυσαέρια, το νερό ψύξης που κυκλοφορεί στο μανδύα της μηχανής και συμπληρωματικά από το κύκλωμα ψύξης του λαδιού. Τα καυσαέρια και το νερό ψύξης της μηχανής παρέχουν το ίδιο ποσοστό θερμότητας. Επειδή η θερμοκρασία των καυσαερίων (450 o C) είναι υψηλότερη αυτής του νερού ψύξης (100 o C) η αποκτωμένη από τα καυσαέρια θερμότητα έχει περισσότερες χρήσεις. 39

2.3 Σύστημα λαδιού Η λίπανση της μηχανής είναι πολύ σημαντική για τη σωστή λειτουργία της. Το σύστημα λίπανσης παρέχει αδιάλειπτα φιλτραρισμένο λάδι στη μηχανή. Τρεις είναι οι βασικές λειτουργίες του κυκλώματος λίπανσης. 1. Η λίπανση της μηχανής, ώστε να ελαχιστοποιούνται οι απώλειες ισχύος λόγω τριβών. 2. Η ψύξη των εσωτερικών μερών της μηχανής, που δεν είναι προσβάσιμα από το κύκλωμα ψύξης νερού της μηχανής. 3. Ο καθαρισμός της μηχανής, απομακρύνοντας μικροσωματίδια. Επιπλέον το λάδι προστατεύει τη μηχανή από τους κραδασμούς της ανάφλεξης του καυσίμου, ουδετεροποιεί τα διαβρωτικά στοιχεία που δημιουργούνται κατά το στάδιο της καύσης, προστατεύει τις μεταλλικές επιφάνειες από τη διάβρωση. 2.3.1 Ιδιότητες λαδιού 2.3.1.1 Ιξώδες (viscosity) Το ιξώδες είναι μια κρίσιμη ιδιοκτησία του ελαίου. Αναφέρεται την αντίσταση ροής του λαδιού και ορίζει πόσο παχύρρευστο ή λεπτόρρευστο είναι ένα λάδι. Ένα υψηλό ιξώδες θα είναι περισσότερο ανθεκτικό στη ροή και θα προστατεύει καλύτερα την επιφάνεια αφού θα ασκεί επάνω της λιγότερη τριβή. Ένα λάδι με υπερβολικά μεγάλο ιξώδες θα ρέει πολύ αργά σε χαμηλές θερμοκρασίες, αδυνατώντας να λιπάνει ικανοποιητικά τις κινούμενες επιφάνειες. Είναι σημαντικό λοιπόν να επιλεχθεί ένα λάδι κατάλληλου ιξώδους, για την καλύτερη λειτουργία της μηχανής τόσο σε υψηλές όσο και σε χαμηλές θερμοκρασίες. 40

2.3.1.2 Περιεκτικότητα σε πρόσθετες ουσίες (Additives) Η περιεκτικότητα πρόσθετων ουσιών στο λάδι, μπορεί να επηρεάσει τις ιδιότητες του λαδιού. Στις πρόσθετες ιδιότητες περιλαμβάνονται ουσίες όπως απορρυπαντικά, ανασταλτικοί παράγοντες οξείδωσης, διαλύτες, αλκαλικές ενώσεις, αντιδιαβρωτικά στοιχεία και βελτιωτές ιξώδους. Τα απορρυπαντικά βοηθούν στον καθαρισμό της μηχανής αντιδρώντας με τα προϊόντα οξείδωσης για να σταματήσει ο σχηματισμός αδιάλυτων ενώσεων. Οι ανασταλτικοί παράγοντες οξείδωσης αποτρέπουν την αύξηση του ιξώδους, το σχηματισμό οργανικών οξέων και ανθρακούχων ενώσεων. Οι διαλύτες αποτρέπουν το σχηματισμό λάσπης από μολυσματικούς παράγοντες. Οι αλκαλικές ενώσεις εξουδετερώνουν τα οξέα. Τα αντιδιαβρωτικά στοιχεία μειώνουν την τριβή με τη διαμόρφωση ενός λεπτού στρώματος γύρω από τις επιφάνειες των μετάλλων. Οι βελτιωτές ιξώδους αποτρέπουν το πετρέλαιο από να γίνει υπερβολικά λεπτόρρευστο σε υψηλές θερμοκρασίες. 2.3.1.3 Συνολικός αριθμός βάσεων (Total Base Number, ΤΒΝ) Ο συνολικός αριθμός βάσεων (TBN) είναι ένα μέτρο της αλκαλικότητας του ελαίου. Μια από τις λειτουργίες του λιπαντικού ελαίου είναι η εξουδετέρωση των όξινων προϊόντων καύσης. Στις πρόσθετες ουσίες του ελαίου εμπεριέχονται οι απαραίτητες αλκαλικές ενώσεις για να εξουδετερώσουν τα όξινα προϊόντα. Γενικά, όσο υψηλότερη η τιμή TBN, τόσο μεγαλύτερη είναι η ικανότητα του ελαίου να εξουδετερώνει όξινες ενώσεις. 41

2.3.2 Μόλυνση του λαδιού και υποβάθμιση της ποιότητας του Η μόλυνση του λαδιού αναφέρεται στην ύπαρξη ανεπιθύμητων ουσιών διαλυμένων στο λάδι. Υπάρχουν οχτώ συνηθισμένοι παράγοντες μόλυνσης, διαβρωτικά στοιχεία, ρύποι, καύσιμο, νερό, αντιψυκτικό υγρό, οξέα, οξείδια, νιτρικές ενώσεις. Τα επίπεδα οξειδίων και νιτρικών ενώσεων είναι κρίσιμα, επειδή μπορούν να αυξήσουν το ιξώδες του ελαίου και να προκαλέσουν διάβρωση στα μεταλλικά μέρη της μηχανής και απώλεια της δυνατότητας λίπανσης. Μπορούν επίσης να προκαλέσουν το σχηματισμό ιζημάτων, να βουλώσουν τα φίλτρα λαδιού και να προκαλούν δυσκολίες στην κίνηση των εμβόλων. Η υποβάθμιση της ποιότητας του ελαίου αναφέρεται σε μια γενική μείωση της αποτελεσματικότητας του ελαίου. Οι κοινές αιτίες για την υποβάθμιση του ελαίου είναι: χαμηλή θερμοκρασία του νερού ψύξης στο περίβλημα της μηχανής, υψηλή υγρασία, φορτίο μηχανών και κακή συντήρηση. Η χαμηλή θερμοκρασία του νερού ψύξης στο περίβλημα της μηχανής αυξάνει το ποσοστό διαλυμένου νερού στο λάδι. Το νερό αντιδρά με τις πρόσθετες ουσίες πετρελαίου σχηματίζοντας ιζήματα. Η υψηλή υγρασία οδηγεί σε αυξημένα επίπεδα αέριων οξέων. Σε μηχανές που λειτουργούν με χαμηλά φορτία, μπορεί να υπερψυχθεί η μηχανή, με συνέπεια τη συμπύκνωση του λαδιού. Τέλος, η τήρηση των ενδεικνυόμενων διαστημάτων αλλαγής ελαίου και φίλτρων είναι σημαντική. Επέκταση του διαστήματος αλλαγής θα οδηγήσει σε βαριές κατακαθίσεις που οι επόμενες αλλαγές ελαίου δεν θα μπορούν να αφαιρέσουν. 42

2.5 Σύστημα ψύξης Όλες οι μηχανές εσωτερικής καύσης παράγουν θερμότητα ως παραπροϊόν της καύσης και των τριβών. Η θερμοκρασία στο εσωτερικό της μηχανής μπορεί να φτάσει μέχρι και τους 1925 C (3500 F). Στις μηχανές τύπου G 3516E η θερμοκρασία μπορεί να φτάσει μέχρι τους 580 C (1076 F). Το σύστημα ψύξης έχει άμεση επίδραση στον κύκλο λειτουργίας και στον κύκλο ζωής της μηχανής. Αν το κύκλωμα ψύξης δεν είναι κατάλληλα επιλεγμένο, δεν λειτουργεί ή δεν συντηρείται σωστά, η μηχανή κινδυνεύει να υπερθερμανθεί ή να υπερψυχθεί. Η υπερθέρμανση ή υπερβολική ψύξη μπορούν να μειώσουν τη διάρκεια ζωής της μηχανής και την απόδοση της. Σε συγκεκριμένα σημεία της μηχανής, είναι σημαντικό η θερμοκρασία να διατηρείται σε χαμηλά επίπεδα. Πιο συγκεκριμένα, τα εσωτερικά τοιχώματα του κυλίνδρου καύσης πρέπει να διατηρούνται σε χαμηλή θερμοκρασία έτσι ώστε το λάδι λίπανσης να σχηματίζει ένα προστατευτικό στρώμα γύρω τους, για να μπορεί το έμβολο να κινείται με ευκολία πάνω κάτω. Ο κύλινδρος, οι βαλβίδες και το έμβολο πρέπει να διατηρούνται σε χαμηλή θερμοκρασία για τη μείωση του κινδύνου έκρηξης. Το λιπαντικό/ψυκτικό λάδι πρέπει να ψύχεται για να διατηρήσει την ποιότητα του. Ένας γενικός κανόνας λειτουργίας είναι ότι το 20 % με 40 % της ενέργειας εισόδου μιας μηχανής, πρέπει να αφαιρείται από το κύκλωμα ψύξης. Το κύκλωμα ψύξης αποτελείται από το ψυκτικό υγρό (Coolant), την αντλία νερού (Water pump), το ψυκτικό/λιπαντικό λάδι (Engine oil cooler), τους ρυθμιστές θερμοκρασίας του ψυκτικού υγρού (coolant temperature regulators), τον ανεμιστήρα (fun) και τον εναλλάκτη θερμότητας (radiator). Κατά τη λειτουργία, η αντλία νερού ωθεί το ψυκτικό υγρό μέσα από ειδικά διαμορφωμένες κοιλότητες για να απορροφήσει τη θερμότητα των κυλίνδρων. Άλλα ψυκτικά κυκλώματα που μεταφέρουν θερμότητα στο ψυκτικό υγρό είναι το κύκλωμα ψύξης του συμπιεσμένου αέρα καύσης (aftercooler), το κύκλωμα εξάτμισης (exhaust manifold), το κύκλωμα των αεροσυμπιεστών (turbocharger), και το κύκλωμα του λαδιού λίπανσης/ψύξης (oil cooler). Στη 43

συνέχεια το ψυκτικό υγρό ρέει μέσα από το σύστημα ρυθμιστών θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού (coolant temperature regulators). Όταν η μηχανή είναι κρύα οι ρυθμιστές θερμοκρασίας ψυκτικού υγρού (coolant temperature regulators), παρακάμπτουν τον εναλλάκτη και στέλνουν το ψυκτικό υγρό κατευθείαν στην αντλία νερού. Καθώς η θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού αυξάνεται οι ρυθμιστές θερμοκρασίας αφήνουν κάποιο ποσοστό του ψυκτικού υγρού να περάσει μέσα από τον εναλλάκτη. Το ποσοστό του ψυκτικού υγρού που οδηγείται στον εναλλάκτη εξαρτάται από το φορτίο της μηχανής και τη θερμοκρασία του αέρα. Ο ανεμιστήρας ωθεί ή τραβά τον αέρα μέσα στον εναλλάκτη και γύρω από τους σωλήνες που εκτείνονται από την κορυφή ως τη βάση του εναλλάκτη. Όταν το καυτό ψυκτικό υγρό περάσει μέσα από τους σωλήνες του εναλλάκτη, η ροή του αέρα γύρω από τους σωλήνες μειώνει τη θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού. Κατόπιν το ψυκτικό υγρό οδηγείται πίσω στην αντλία νερού. 44

2.5 Σύστημα αέρα και καυσαερίων 2.5.1 Σύστημα εισερχόμενου αέρα καύσης (Air intake system) Ένα καλά σχεδιασμένο σύστημα εισερχόμενου αέρα καύσης, παρέχει καθαρό αέρα καύσης, απαλλαγμένο από ρύπους, μειώνοντας ταυτόχρονα την πτώση πίεσης του αέρα στον αεροσυμπιεστή (turbocharger). Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση φίλτρων αέρα (air cleaners). Η απόδοση της καύσης βασίζεται στη σωστή αναλογία καυσίμου και αέρα. Η αναλογία υπολογίζεται με βάση τη μάζα καυσίμου και αέρα και όχι τον όγκο τους. Αυτός ο παράγοντας είναι πολύ σημαντικός αν αναλογιστούμε ότι ο όγκος των αερίων μεταβάλλεται ανάλογα με το υψόμετρο και τη θερμοκρασία. Ιδιαίτερη προσοχή πρέπει να δοθεί στο σημείο εισόδου του αέρα. Πρέπει να βρίσκεται τοποθετημένο μακριά από το σημείου εξόδου των καυσαερίων στην ατμόσφαιρα, για να εξασφαλίζεται όσο το δυνατόν καθαρότερος αέρας. Η θερμοκρασία εισόδου του αέρα πρέπει να είναι το πολύ 11 ο C (20 ο F) υψηλότερη από τη θερμοκρασία περιβάλλοντος. 2.5.2 Σύστημα εξερχόμενων καυσαερίων (Exhaust system) Το σύστημα εξόδου καυσαερίων συλλέγει τα καυσαέρια από τους κυλίνδρους καύσης και τα απορρίπτει στην ατμόσφαιρα όσο το δυνατόν γρηγορότερα και αθόρυβα. Πρωταρχικός στόχος στον σχεδιασμό του συστήματος απόρριψης καυσαερίων είναι η μείωση της αντίστασης ροής (backpressure). Όσο μεγαλύτερη είναι η αντίσταση ροής, τόσο αυξάνεται η θερμοκρασία των καυσαερίων, γεγονός που οδηγεί στη μείωση της διάρκειας ζωής του αεροσυμπιεστή. Οι μηχανές εσωτερικής καύσης παράγουν θερμότητα ως αποτέλεσμα της καύσης. Η θερμοκρασία της μηχανής μπορεί να φτάσει μέχρι και τους 1927 ο C (3500 ο F). Στις μηχανές τύπου G 3516E η θερμοκρασία 45

μπορεί να φτάσει μέχρι τους 580 C (1076 F). Το 30 % αυτής της θερμότητας απορρίπτεται μέσω των καυσαερίων. Τα βασικά στοιχεία του συστήματος απόρριψης καυσαερίων είναι η εξάτμιση (exhaust manifold), ο αεροσυμπιεστής (turbocharger), οι σωληνώσεις (piping) και ο σιγαστήρας (muffler). 2.5.2.2 Εξάτμιση Βασικός ρόλος της εξάτμισης είναι να συλλέξει τα καυσαέρια από τους κυλίνδρους καύσης και να τα οδηγήσει στην ατμόσφαιρα, διατηρώντας παράλληλα χαμηλή αντίσταση ροής. 2.5.2.2 Αεροσυμπιεστής Ο αεροσυμπιεστής ωθεί ατμοσφαιρικό αέρα στους κυλίνδρους καύσης έτσι ώστε να καεί μεγαλύτερο ποσοστό καυσίμου και να παραχθεί περισσότερη ιπποδύναμη. Τα ζεστά καυσαέρια που εξέρχονται από τους κυλίνδρους εισέρχονται στον στρόβιλο του αεροσυμπιεστή. Οι λεπίδες του συμπιεστή και του στροβίλου του turbocharger είναι στερεωμένες στον ίδιο άξονα. Τα καυσαέρια κατά την έξοδο τους περιστρέφουν τον στρόβιλο, ο οποίος με τη σειρά του περιστρέφει τον συμπιεστή του εισερχόμενου αέρα καύσης. Καθώς ο εισερχόμενος αέρας καύσης συμπιέζεται, αυξάνεται ταυτόχρονα και η θερμοκρασία του. Στο παρακάτω σχήμα φαίνεται η λειτουργία του turbocharger. 46