|
|
|
CRESTEREA EFICIENTEI SI REDUCEREA POLUARII IN TRANSPORTURI PRIN UTILIZAREA GRUPURILOR COGENERATIVE BINARE - INTRODUCERE
1.1. Notiuni generale
Principala cerinta care se impune unei instalatii energetice moderne este obtinerea energiei la un pret cat mai scazut si cu poluarea minima a mediului. Pretul energiei este impus de valoarea investitiei si de consumul de combustibil. Cu alte cuvinte pretul energiei este cu atat mai mic cu cat valoarea investitiei este mai mica si consumul de combustibil mai redus. Solutia tehnica pentru reducerea consumului de combustibil este cresterea randamentului.
Randamentul unei instalatii clasice de forta cu turbina cu gaze sau cu abur este in general sub 40%. Tehnici ca preincalzirea regenerativa, arderea fractionata sau supraincalzirea intermediara permit imbunatatirea performantelor ciclurilor, dar cantitatea de caldura pierduta reprezinta si in aceste cazuri o fractiune mare din cea introdusa.
Una din caile cele mai bune pentru obtinerea unor randamente superioare este utilizarea grupurilor cogenerative binare (pe scurt - grupuri binare), avand la baza cicluri combinate [16], [17], [23], [25], [49], [93]. In prezent, randamentele termice uzuale ale grupurilor binare depasesc 52%, valoarea maxima atinsa fiind de 60% [34], [84], [87], [95].
Grupurile binare nu constituie o noutate. Preocuparile pentru acest tip de instalatii dateaza dinainte de 1925 [74]. Motivul pentru care o perioada lunga de timp aceste grupuri nu au fost realizate pe scara larga, consta in unele dificultati de executie si tehnologie, dar mai ales in faptul ca nu puteau fi atinse limitele de optimare ale instalatiilor clasice cu abur sau gaze [79]. Evolutia tehnologica si mai ales progresele deosebite din domeniul informatic au facut ca obstacolele mentionate mai sus sa fie depasite [36], [37], [72].
Studiile economice arata ca, la 20 de ani din momentul punerii in functiune a unui grup binar, costul combustibilului reprezinta 70% din cheltuielile totale (cheltuieli de investitie si cheltuieli de exploatare), indiferent de marimea grupului [69]. De aceea, imbunatatirea randamentului poate reprezenta o reducere importanta a cheltuielilor totale.
Pe langa randamentul superior instalatiilor clasice, grupurile binare prezinta si avantajul unei investitii inferioare celei corespunzand unei instalatii clasice (abur sau gaze) de putere egala [18]. Astfel, amortizarea investitiei, in cazul grupurilor binare se realizeaza intr-un interval de timp mult mai scurt [69].
Randamentul ridicat al grupurilor binare se traduce printr-o cantitate mai mica de compusi poluanti emisi in atmosfera decat in cazul instalatiilor clasice. Prin arderea aceleiasi cantitati de combustibil, intr-o instalatie functionand dupa un ciclu combinat se obtine o cantitate mai mare de energie utila decat in cazul unei instalatii clasice, fiind eliberata in atmosfera aceeasi cantitate de compusi poluanti. Prin urmare, in cazul unui grup binar este eliberata in atmosfera o cantitate mai mica de emisii poluante pe kilowatul de energie produs. Pe langa avantajele economice, grupurile binare prezinta asadar si avantajul unei poluari termice reduse.
Avantajele pe care le ofera grupurile binare, prezentate mai sus, justifica atat incercarea de extindere a utilizarii acestora la puteri tot mai mici [42] cat si incercarea de extindere a domeniului lor de utilizare [68]. Unul dintre domeniile pentru care grupurile binare sunt deosebit de interesante este cel al transporturilor, in care se incadreaza sistemele de transport navale si terestre (feroviare sau auto). Puterile necesare propulsiei navale pot atinge 100 MW, in cazul navelor de mare tonaj, dar valorile uzuale sunt de ordinul zecilor de MW. Aceste puteri corespund instalatiilor energetice de putere mare si medie, prin urmare problema utilizarii grupurilor cogenerative binare pe aceste nave poate fi considerata rezolvata. In domeniul puterilor mici, de ordinul miilor de kW (cazul navelor mici si al locomotivelor) pana la sute de kW (cazul autovehiculelor), suprematia este detinuta, in prezent, de motoarele diesel. Cercetarea in cadrul grantului are in vedere tocmai acest domeniu de puteri, in care grupurile binare nu au fost inca utilizate. Chiar daca nu vor reusi sa atinga performantele grupurilor energetice de puteri mari si medii, grupurile binare se vor impune in fata motoarelor diesel si in domeniul puterilor mici daca vor permite obtinerea unor randamente superioare.
Principala problema care trebuie rezolvata in vederea utilizarii grupurilor binare ca sisteme de propulsie terestra este reducerea masei si gabaritului lor. Daca in cazul instalatiilor stabile masa si gabaritul conteaza doar din punct de vedere economic (cresterea lor implica, indirect, o valoare mai mare a investitiei), in cazul unitatilor de transport terestru masa nu poate depasi o valoare maxima admisa, iar gabaritul trebuie sa corespunda spatiului disponibil. Aceste limitari afecteaza in primul rand domeniul auto si in mai mica masura pe cel feroviar. Reducerea la minim a masei si gabaritului grupului binar impune reducerea la minim a suprafetelor de schimb de caldura ale cazanului recuperator si instalatiei de condensare (condensator si circuitul apei de racire a condensatorului). In cazul in care turbomotorul cu gaze este prevazut cu recuperator, trebuie avuta in vedere, de asemenea, reducerea la minim a suprafetei acestuia.
1.2. Obiectivele grantului
Utilizarea grupurilor binare ca sisteme de propulsie este cu atat mai dificila cu cat puterea grupului si gabaritul unitatii propulsate sunt mai scazute. Insasi evolutia grupurilor binare in domeniul transporturilor constituie o confirmare a acestui fapt: grupuri binare pentru propulsia navala sunt deja realizate, in prezent in SUA se studiaza posibilitatea utilizarii grupurilor binare pentru tractiunea feroviara, iar in ce priveste vehiculele grele si automobilele, utilizarea grupurilor binare se afla doar in stadiul de propunere. Asadar cele mai mari dificultati vor fi intalnite in cazul automobilelor, gasirea unei solutii in cazul acestora, echivaland cu rezolvarea problemei propulsiei cu ajutorul grupurilor binare pentru orice mijloc de transport.
In cazul marinei civile, grupurile binare pentru propulsia navala devin interesante doar in conditiile in care ofera posibilitatea obtinerii unor randamente superioare motoarelor Diesel navale. Problema se pune cu totul altfel in cazul navelor militare, pentru care randamentul nu constituie intotdeauna principalul criteriu in alegerea sistemului de propulsie. Luand in considerare avantajele majore pe care le prezinta (de exemplu posibilitatea functionarii in regim de fortaj), grupurile binare ar putea cunoaste o larga raspandire in domeniul marinei militare; informatiile legate de acest subiect sunt insa extrem de sarace.
In domeniul automobilelor, motoarele clasice cu piston sunt lider in momentul de fata. Grupurile binare gaze de ardere - abur vor reusi sa se impuna in fata acestora in momentul in care, la o greutate si un gabarit cel mult egale, le vor depasi ca eficienta.
Luand in considerare cele prezentate mai sus, obiectivele grantului sunt:
1. Actualizarea evolutiei grupurilor cogenerative binare, in special a celor de transport
2. Stabilirea schemelor termodinamice de grupuri cogenerative binare utilizabile in transporturi
3. Elaborarea si testarea programului de calcul pentru estimarea performantelor termodinamice ale ciclurilor combinate corespunzatoare schemelor stabilite; analiza acestor cicluri in vederea optimizarii
4. Dezvoltarea programului pentru calculul suprafetelor de schimb de caldura ale instalatiei de condensare
5. Studierea posibilitatilor de realizare a unor instalatii de condensare cu greutate si gabarit reduse.
6. Proiectarea si realizarea unor dispozitive experimentale pentru efectuarea de masuratori
7. Interpretarea rezultatelor teoretice prin confruntarea cu valorile masurate.
