Generator de abur

Un generator de abur este un cazan care produce abur sub presiune, saturat sau supraîncălzit. Poate fi staționar sau mobil. Cele mobile sunt folosite exclusiv la acționarea mașinilor sau turbinelor instalate pe locomotive sau nave acționate cu abur. Cele staționare sunt folosite și ele la acționarea mașinilor și utilajelor (ex. ciocane cu abur), dar utilizările curente sunt în scopuri tehnologice sau energetice.^[1] De asemenea un model mai mic de generator de abur este folosit și la fiarele industriale de călcat.^[2]

Inițial, un generator de abur era un recipient închis încălzit, motiv pentru care era cunoscut sub denumirea de „căldare de abur”, respectiv „cazan de abur”. Acestea puteau produce doar abur saturat. Actual, pentru mărirea randamentului termic al ciclurilor în care lucrează, aburul este puternic supraîncălzit în componente suplimentare, supraîncălzitoare. Introducerea componentelor destinate preîncălzirii apei de alimentare și a aerului necesar arderii a făcut ca denumirea de „cazan” să nu mai corespundă tipurilor moderne de generatoare de abur,^[3] dar denumirea de „cazan” este încă larg răspândită.^[4]^[5]

Istoric

Primul generator de abur despre care se știe este cel al eolipilei lui Heron din Alexandria, în Egipt, în secolul I.^[6]^[7]^[8] Aburul se forma în vasul de jos, încălzit pe foc.

Mai sunt menționate în 1551 de către Taqi al-Din din Egiptul otoman un dispozitiv acționat cu abur,^[9] respectiv în 1629 turbina cu abur a lui Giovanni Branca.^[10] Cu toate astea, până la sfârșitul secolului al XVII-lea puterea aburului n-a fost exploatată datorită lipsei de combustibil adecvat. Lemnul, în special când este verde, având o putere calorifică scăzută, nu este un combustibil potrivit pentru producerea de abur. Abia în secolul al XVIII-lea cererea de putere mecanică a determinat dezvoltarea cazanelor.

Primele generatoare de abur erau niște recipiente metalice, de obicei cilindrice, străbătute de un tub de foc în care ardea un foc de cărbune. Acest model, zis „de tip Cornish”, nu diferă prea mult de cazanele de încălzire folosite uneori și în prezent, dar nu pentru producerea de abur, ci doar a apei fierbinți.

Cazan de locomotivă explodat (1850).

Modelul nu permitea realizarea unei suprafețe de schimb de căldură mari, deci nici producții mari de abur, astfel că la sfârșitul secolului al XVIII-lea și la începutul secolului al XIX-lea el a fost dotat cu fascicule de țevi de fum prin care circulau gazele de ardere fierbinți, modelul folosit apoi curent la locomotivele cu abur. Acestea însă aveau tendința de a exploda.

În 1867, în SUA, George Herman Babcock și Stephen Wilcox au conceput un cazan „care nu explodează”, cazan la care nu gazele de ardere, ci apa circula prin interiorul țevilor.^[11] Deoarece se puteau folosi diametre de țevi mai mici, s-au putut obține coeficienți de transfer termic mai buni și suprafețe, deci producții de abur, mult mai mari, iar volumul de apă care era în instalație la un moment dat era mai mic. Țevile cu diametru mic explodau mai greu, justificând afirmația inventatorilor.

În 1918 locotenentul de marină american inginer Walter Douglas La Mont depune cererea de brevetare a unui generator de abur cunoscut actual drept cu circulație forțată multiplă, pentru care obține în 1925 patentul USP 1545668.^[12] Aproape simultan, în 1922 inginerul sudet de origine germană Mark Benson brevetează un generator de abur cunoscut actual drept cu străbatere forțată,^[13] brevet preluat de Siemens AG, care în 1927 construiește primul generator de acest tip, pentru termocentrala Gartenfeld din Berlin.^[14].

Un factor important în evoluția cazanelor în general a fost tipul de combustibil folosit. Dacă la început acesta era lemnul, în secolul al XVIII-lea s-a trecut la folosirea pe scară largă a cărbunelui. Acesta era ars pe un grătar, alimentat mai mult sau mai puțin mecanizat, și din care era evacuată cenușa, de asemenea, în mod mecanizat sau nu. În secolul al XX-lea cărbunele a fost înlocuit treptat cu combustibili lichizi sau gazoși, ceea ce a dus la modificarea vetrei și cu sisteme de introducere dozată în focar a combustibilului și aerului necesar arderii, prin arzătoare.

Părți componente

Transformările termodinamice care au loc într-un generator de abur, reprezentate într-o diagramă T-s: 1 preîncălzire apă, 2 fierbere, 3 supraîncălzire abur, 4 resupraîncălzire abur.

Un generator de abur lucrează conectat cu o mașină de forță (motor cu abur, turbină cu abur într-un ciclu Clausius-Rankine, a cărui reprezentare în diagrama T-s este prezentată în figura alăturată. Aducerea apei de alimentare a cazanului până în apropierea temperaturii de fierbere (preîncălzirea apei) se face în economizor, fierberea propriu zisă se face în sistemul fierbător, iar supraîncălzirea aburului până la temperatura de utilizare (temperatura nominală) se face în supraîncălzitor. Dacă este cazul, aburul care se întoarce după o primă destindere în corpul de înaltă presiune al turbinei este resupraîncălzit, adică readus la temperatura nominală, sau la o temperatură apropiată, în supraîncălzitorul intermediar. În afară de aceste „suprafețe” (schimbătoare de căldură) la instalațiile mari există o suprafață care încălzește aerul necesar arderii, preîncălzitorul de aer.

Generatorul de abur mai este echipat cu sisteme de alimentare și preparare a combustibililor (praf de cărbune, păcură), de evacuare a cenușii, arzătoare, ventilatoare de asigurare a tirajului, sisteme de reglare (menținere a parametrilor de funcționare), armături (elemente de comandă, reglaj și siguranță), aparatură de măsură și control (AMC), protecții și automatizări, sisteme de purjare, de curățare a suprafețelor și de epurare a gazelor de ardere.

Note

^ Academia RPR Dicționar Enciclopedic Român, Editura Politică, București, 1962-1966, vol. I, p. 550
^ decusut.ro Arhivat în 21 noiembrie 2010, la Wayback Machine. Referinta magazin online generatoare de abur și fiare de călcat
^ Ungureanu, 1978, p. 235
^ Aldea, coperta
^ Pănoiu, coperta
^ en Turbine. Encyclopedia Britannica Online. 18 iulie 2007
^ en P. Keyser, A new look at Heron's ‘steam engine’, Arch. Hist. Exact Sci. 44 (2) (1992), p. 107–124.
^ en Roberston, E and O'Connor. Heron of Alexandria. MacTutor, aprilie 1999. Accesat la data de 24 iulie 2007.
^ en Ahmad Y Hassan (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, p. 34-35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.
^ it Giovanni Branca Le Machine volume nuovo, et di molto artificio da fare effetti maravigliosi tanto Spiritali quanto di Animale Operatione, arichito di bellissime figure, Roma: 1629
^ en George Babcock & Stephen Wilcox^{[nefuncțională]}, inventors.about.com, accesat 2010-02-20
^ en American locomotive engineers, steamindex.com, accesat 2010-02-20
^ en Sebastian Teir The History of Steam Generation Arhivat în 6 martie 2016, la Wayback Machine., Helsinki University of Technology, 2002
^ en Power Arhivat în 29 septembrie 2009, la Wayback Machine., siemens.de, accesat 2010-02-20

Bibliografie

Bazil Popa ș.a., Manualul inginerului termotehnician (MIT), vol. 1, București: Editura Tehnică, 1986
M. Aldea ș.a., Cazane de abur și recipiente sub presiune, București: Editura Tehnică, 1972
Corneliu Ungureanu, Generatoare de abur pentru instalații energetice, clasice și nucleare, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1978
Nicolae Pănoiu, Cazane de abur, București: Editura Didactică și Pedagogică, 1982
Constantin C. Neaga, Tratat de generatoare de abur, vol I, Editura AGIR, București, 2001, ISBN 973-8130-67-0
Constantin C. Neaga, Tratat de generatoare de abur, vol II, București: Editura Matrix Rom, 2003, ISBN 973-685-650-X
Constantin C. Neaga, Tratat de generatoare de abur, vol III, București: Editura Printech, 2005, ISBN 973-718-262-6
Corneliu Ungureanu ș.a., Combustibili, instalații de ardere, cazane, Timișoara: Editura „Politehnica”, 2006, ISBN 973-9389-21-0
Mihai Jădăneanț ș.a., Bazele termoenergeticii. Note de curs pentru auditorii energetici, Timișoara: Editura orizonturi Universitare, 2006, ISBN 973-638-257-5

Vezi și

Portal Energie

Combustibil fosil

[DER-1] Academia RPR Dicționar Enciclopedic Român, Editura Politică, București, 1962-1966, vol. I, p. 550

[2] usut.ro Arhivat în 21 noiembrie 2010, la Wayback Machine. Referinta magazin online generatoare de abur și fiare de călcat

[U8_235-3] Ungureanu, 1978, p. 235

[A-4] Aldea, coperta

[P-5] Pănoiu, coperta

[6] Turbine. Encyclopedia Britannica Online. 18 iulie 2007

[7] P. Keyser, A new look at Heron's ‘steam engine’, Arch. Hist. Exact Sci. 44 (2) (1992), p. 107–124.

[8] Roberston, E and O'Connor. Heron of Alexandria. MacTutor, aprilie 1999. Accesat la data de 24 iulie 2007.

[9] Ahmad Y Hassan (1976). Taqi al-Din and Arabic Mechanical Engineering, p. 34-35. Institute for the History of Arabic Science, University of Aleppo.

[10] t Giovanni Branca Le Machine volume nuovo, et di molto artificio da fare effetti maravigliosi tanto Spiritali quanto di Animale Operatione, arichito di bellissime figure, Roma: 1629

[11] George Babcock & Stephen Wilcox^{[nefuncțională]}, inventors.about.com, accesat 2010-02-20

[12] American locomotive engineers, steamindex.com, accesat 2010-02-20

[13] Sebastian Teir The History of Steam Generation Arhivat în 6 martie 2016, la Wayback Machine., Helsinki University of Technology, 2002

[14] Power Arhivat în 29 septembrie 2009, la Wayback Machine., siemens.de, accesat 2010-02-20

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]