raport etapa 1

RST - RAPORTUL ȘTIINȚIFIC

ȘI TEHNIC IN EXTENSO

Titlu proiect: Utilizarea resurselor energetice regenerabile pentru creșterea

independenței energetice a miniserelor și solariilor

Acronim: ENERGSER

Contract nr.: 67/2014

Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-0221

Domeniul 2: Energie

Direcția de cercetare: 2.1: Sisteme și tehnologii energetice durabile;

securitate energetică

Tematica de cercetare: 2.1.4: Promovarea tehnologiilor energetice curate, a

măsurilor de protecţie a mediului și a reducerii

emisiilor de gaze cu efect de seră.

Etapa 1: STUDII ȘI ANALIZE TEHNICE PENTRU DEFINIREA ȘI

ELABORAREA MODELULUI EXPERIMENTAL

Parteneri implicați în realizarea etapei curente:

CO: Universitatea POLITEHNICA din București, UPB - CCDSB

P1 : INOE 2000 - IHP

Director de proiect: Conf.dr.ing. Edmond MAICAN

Decembrie 2014

Proiect PN-II-PT-PCCA-2013-4-0221 Contract 67/2014

- 2 -

RAPORTUL ȘTIINTIFIC ȘI TEHNIC IN EXTENSO

I. Rezumatul etapei

Prezentul Raport științific și tehnic se referă la realizarea Etapei 1 a proiectului de

cercetare: Studii și analize tehnice pentru definirea și elaborarea modelului experimental.

Rezultatele așteptate ale etapei:

- un studiu tehnic model experimental;

- o analiză comparativă soluții tehnice potențiale;

- un workshop.

Activitățile desfășurate pe perioada de raportare a Etapei nr.1 a proiectului sunt:

- activitatea 1.1: Studiu tehnic privind modulele de gazeificare și arzător, responsabil

activitate: Universitatea POLITEHNICA din București (UPB-CCDSB);

- activitatea 1.2: Studiu tehnic privind modulele de schimbător de căldură și modulele

de gazeificare și modulul electronic conducere proces, responsabil activitate: INOE 2000 -

Filiala Institutul de Cercetări pentru Hidraulică și Pneumatică București, (INOE 2000 – IHP);

- activitatea 1.3: Elaborare soluții noi pentru modulul de alimentare cu biomasă –

calcul comparativ soluții potențiale, parteneri activitate: Universitatea POLITEHNICA din

București (UPB-CCDSB) și INOE 2000 - Filiala Institutul de Cercetări pentru Hidraulică și

Pneumatică București, (INOE 2000 – IHP);

- activitatea 1.4: Diseminarea prin participare la manifestări tehnico-științifice din

domenii specifice proiectului – un workshop, responsabil activitate: Universitatea

POLITEHNICA din București (UPB-CCDSB).

II. Descrierea științifică și tehnică

Sistemul de încălzire cu generator de aer cald, cu gazogen TLUD, este utilizat pentru

de a facilita trecerea solariilor legumicole și florale la stadiul de solarii încălzite (minisere) în

perioadele de început de iarnă și de primăvară. În acest fel se pot produce suplimentar una sau

două recolte cu valoare economica mare, specifică sezonului rece.

Obiectivul final al proiectului constă în conceperea și realizarea unui generator de aer

cald destinat încălzirii solariilor şi miniserelor compus din: gazogen cu procedeu TLUD,

arzător de gazogen, schimbător de căldură, sistem de distribuţie a aerului cald şi dispozitiv de

conducere automată a mini-climatului serei. Combustibilul utilizat va fi biomasa provenită din

producţia secundară agricolă. Echipamentul va îngloba soluţii tehnice noi, inovative și va fi

net superior ca performanţe și caracteristici faţă de produsele din aceeaşi categorie,

disponibile pentru comercializare.

Obiectivele și rezultatele proiectului

Scopul principal al proiectului constă în conceperea și experimentarea unui generator

de aer cald destinat creşterii independenței energetice a solariilor şi miniserelor pentru mărirea

duratei anuale de exploatare a acestora, prin utilizarea biomasei reziduale locale micro-

gazeificată cu procedeul TLUD, pentru mărirea siguranţei producţiei vegetale şi reducerea

costurilor de producţie.

Se urmăreşte dezvoltarea unui sistem de încălzire cu aer cald și circulaţie forţată,

echipat cu module energetice TLUD, reîncărcabile, simple, sigure, eficiente economic şi

ecologice, în care este gazeificată termo-chimic biomasa recoltată local, tocată şi uscată la o

umiditate relativă mai mică de 20%. Din procedeul TLUD de micro-gazeificare a biomasei

rezultă și 10...15% biochar (partea de carbon neconvertită în gaz), care poate contribui în

acest fel la sechestrarea ecologică și poate economică a carbonului atmosferic în sol.

Aceste caracteristici constructive și funcţionale pot contribui la trecerea fermelor

agricole de la nivelul de semi-subzistenţă la cel comercial, printr-o creştere semnificativă și

stabilă a producţiei vegetale autohtone în sezonul rece.


- 3 -

Proiectul are în vedere dezvoltarea şi experimentarea sistemelor de producere a

energiei termice prin gazeificarea biomasei, cu procedeul TLUD și se finalizează cu un

prototip de sistem de încălzire echipat cu un generator de aer cald ce utilizează biomasa

agricolă secundară, gazeificabilă, fiind destinat în principal încălzirii solariilor şi miniserelor.

Principalele obiective ale proiectului sunt:

- aplicarea conceptului sinergic CHAB și a gazeificării biomasei cu procedeul TLUD

pentru încălzirea solariilor şi miniserelor cu un generator de aer cald cu circulaţie forţată;

- dezvoltarea modelelor şi a programelor de simulare a funcţionării unui solar (miniseră)

încălzit cu un generator de aer cald cu gazogen TLUD, necesare pentru dimensionarea

sistemului și verificarea funcţionalităţii algoritmilor de conducere automată;

- creşterea autonomiei de funcţionare continuă prin reîncărcarea multiplă a sistemului

cu module interschimbabile;

- conceperea unui modul de control, automat, performant şi a softului aferent care să

asigure funcţionarea sigură și economică a sistemului de încălzire a solariilor;

- producerea de biochar utilizabil ca amendament pentru solul din solariu, seră şi în

ferma legumicolă;

- reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră şi sechestrarea ecologică a carbonului

atmosferic;

- diseminarea rezultatelor proiectului în vederea aplicării rezultatelor obţinute pentru un

viitor transfer tehnologic, precum şi în alte aplicaţii posibile.

Rezultatele proiectului

Drept rezultate tehnice așteptate se urmăreşte: cercetarea, proiectarea, realizarea şi

experimentarea unui prototip de sistem de încălzire cu aer cald destinat încălzirii solariilor

compus din:

- modul depozitare - distribuţie biomasă;

- modul de gazeificare;

- modul arzător;

- modul schimbător de căldură;

- modul conducere automată;

- tubulatură distribuţie aer cald.

De asemenea, se mai urmăresc:

- producerea de biochar, contribuie la reducerea concentraţiei de CO2 din mediul

înconjurător, prin sechestrarea în sol a carbonului pe perioade lungi, evident cu un bilanţ

negativ de carbon;

- posibilitatea ca o parte din gazele de ardere de la ieşirea schimbătorului de căldură, cu

un conţinut ridicat de CO2, care nu sunt toxice, să fie introduse în seră pentru a se mări

concentraţia de CO2 în vederea creşterii producţiei agricole cu costuri mai reduse;

- reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră;

- depunerea de cereri de brevetare pentru soluţiile inovative dezvoltate în derularea

proiectului;

- diseminarea rezultatelor proiectului și posibilitatea de aplicare a soluţiilor inovative

rezultate și în alte cazuri.

Activitățile Etapei 1 de raportare, au condus la realizarea unui studiu tehnic model

experimental, o analiză comparativă soluții tehnice potențiale și organizarea unui workshop,

sintetizate în RST după cum urmează:

1. Introducere

2. Obiectivele operaționale și rezultatele proiectului

3. Aspecte generale privind creșterea independenței energetice a miniserelor și a

solariilor de tip tunel

4. Resurse regenerabile de energie (SRE) în anul 2020

5. Procedeul de gazeificare TLUD


- 4 -

6. Analiza SWOT pentru principiul TLUD

7. Analiza stadiului actual al modulelor de gazeificare și arzător

8. Analiza stadiului actual al modulelor de schimbător de caldură

9. Analiza stadiului actual al sistemelor de conducere automată a generatoarelor de aer

cald

10. Analiza comparativă soluții tehnice potențiale

11. Diseminare – workshop

12. Concluzii și recomandări

13. Terminologie.

Capitolul 1 - Introducere

Europa se confruntă cu provocări în domeniul energiei, trebuind să raspundă

următoarelor întrebări: cum se pot asigura resurse energetice, cum poate fi asigurată siguranța

furnizării de energie și cum se pot reduce emisiile de gaze cu efect de seră. În același timp,

trebuie asigurată creșterea economică și dezvoltarea societății într-o manieră sustenabilă.

Aceste imperative necesită acțiuni drastice în context internațional.

Asigurarea unei palete cât mai largi de combustibili este una dintre opțiunile de

reducere a dependenței de combustibili fosili. Mai multe inițiative la nivel politic, precum

Directiva 2009/28/EC privind Energia Regenerabilă (obiectiv 20% energie regenerabilă până

în anul 2020), susțin nevoia în creștere de a trece de la o societate bazată pe combustibilii

fosili la o societate bazată mai mult pe energie regenerabilă. Bioenergia este o componentă

esențială pentru îndeplinirea obiectivelor Directivei până în anul 2020.

Capitolul 2 - Obiectivele operaționale și rezultatele proiectului

Scopul principal al proiectului constă în realizarea unui sistem generator de aer cald

în vederea creşterii independenței energetice a serelor și solariilor pentru mărirea duratei de

utilizare a acestora, prin încălzirea cu biomasă locală micro-gazeificată în module energetice

TLUD pentru mărirea siguranţei producţiei și reducerea costurilor de producţie. Se urmărește

utilizarea unui sistem de încălzire cu aer cald și circulaţie forţată echipat cu module energetice

TLUD reîncărcabile, simple, sigure, eficiente și ecologice în care este gazeificată termo-

chimic biomasa recoltată, tocată și uscată local. Din procesul de micro-gazeificare a biomasei

de tip TLUD rezultă în plus aproximativ 10...15% biochar, partea de carbon neconvertită în

gaz și contribuie la sechestrarea de carbon în sol. Aceste soluții constructive și funcționale pot

contribui esențial la trecerea fermelor agricole de la nivelul de semisubzistență la cel

comercial, adică la o creștere puternică și stabilă a producției vegetale autohtone în sezonul

rece.

Proiectul are în vedere cercetarea și experimentarea procesului de ardere cu

gazeificare pe principiul TLUD și se finalizează cu un prototip de sistem generator de aer cald

care utilizeaza ca materie primă producția secundară agricolă și este destinat în principal

încălzirii serelor.

Principalele obiective propuse pentru realizare în cadrul proiectului sunt:

- aplicarea principiului TLUD într-un sistem generator de aer cald;

- preîncălzirea aerului de combustie și de ardere folosind energia din gazele evacuate;

- controlul și dozarea aerului din procesul de gazeificare;

- creșterea autonomiei de funcționare continuă prin reîncărcarea multiplă a sistemului

cu module interschimbabile;

- proiectarea unui controler electronic performant și a softului aferent care să gestioneze

eficient toate mecanismele și buclele energetice necesare unei funcționări sigure și corecte;

- producerea de biochar utilizabil ca îngrășământ natural în agricultură;

- reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră;

- diseminarea rezultatelor proiectului în vederea utilizării acestora și în alte aplicații care

implică procese de gazeificare.


- 5 -

Capitolul 3 - Aspecte generale privind creșterea independenței energetice a miniserelor

și a solariilor de tip tunel

Un obiectiv al dezvoltării durabile a agriculturii constă în creşterea independenței

energetice a fermelor agricole, bazată în principal pe utilizarea resurselor de biomasă precum

și a surselor de energie solară şi eoliană disponibile local. Producţia agricolă are un caracter

sezonier care implică utilizarea în perioade relativ scurte a energiei necesare pentru procesele

de producţie. Acest aspect conduce la concluzia că biomasa este sursa de energie regenerabilă

cu cel mai ridicat nivel de adaptare la necesităţile reale ale producţiei agricole, întrucât poate

fi depozitată după recoltare şi utilizată eficient atunci când şi cât este necesar.

În multe cazuri, procesele de producţie agricole se desfășoară în areale izolate care nu

au acces la reţeaua de energie electrică și ca urmare independenţa energetică a instalaţiilor

trebuie realizată cu mijloace proprii în regim de cogenerare. Această necesitate conduce la

oportunitatea utilizării biomasei ca sursă de energie disponibilă local, nepoluantă și ecologică,

pentru alimentarea cu energie termică, mecanică și electrică a instalaţiilor agricole de

capacităţi mici și medii de producţie.

Instalaţiile de uscare convectivă și serele sunt oportunități ideale de utilizare a

sistemelor de cogenerare a energiei. Ele necesită din totalul consumului de energie:

- energie termică pentru încălzirea aerului: 92...95%;

- energie electrică pentru acţionarea ventilatorului: 4..6%;

- energie electrică pentru automatizare: 1...2%.

Biomasa se poate utiliza direct pentru producerea de energie termică prin:

- ardere directă care produce gaze de ardere cu energie termică mare;

- gazeificare termo-chimică, din care rezultă gazgen utilizabil în instalaţii termice sau

pentru producerea de energie electrică;

- gazeificare fermentativă, prin care se produce continuu biogaz utilizabil în instalaţii

termice sau în sisteme de producere a energiei electrice.

În instalaţiile agricole menţionate se constată că pentru asigurarea necesarului de

energie electrică este suficient un randament global de 5...8%. Pornind de la această realitate,

la alt nivel tehnologic, de materiale şi de automatizare s-a reluat producerea de energie

mecanică, la puteri mici, cu motoare cu abur cu piston liber sau turbine cu impuls, motoare cu

ardere externă care pot utiliza arzătoare de biomasă sau gazgen. Din cauza randamentului mic

al motorului cu abur aceste sisteme sunt eficiente economic numai în regim de cogenerare. Un

exemplu este sistemul de cogenerare Bison-OTAG care funcţionează cu peleți sau biomasă

tocată. Este important de menționat faptul că motoarele cu abur sunt cele mai ecologice

motoare termice, ceea ce corespunde cerinţelor privind protecţia mediului.

Arderea liberă a biomasei agricole reziduale produce o mare cantitate de emisii

poluante precum și o risipă masivă de energie termică. Metodele moderne de combustie a

biomasei se bazează pe procedee de densificare în pelete sau în brichete şi arderea în focare

cu viteze mari ale aerului de ardere ceea ce produce emisii mari de PM și de CO. De

menţionat că peletizarea produce indirect emisie de CO2 aferentă energiei electrice

consumate.

Producţia de legume în sezonul rece provine circa 2/3 din solariile neîncălzite iar

diferenţa - din serele de tip industrial. Datorită concurenţei pe piaţa globalizată a produselor

floricole o mare parte din suprafaţele de cultură protejată sunt alocate producției de flori, în

detrimentul producţiei de legume. Prin reducerea cheltuielilor necesare pentru încălzirea

solariilor şi serelor se pot produce cantități mai mari de legume, de calitate și cu un profit

corespunzător atât pentru producători cât și pentru consumator. Astfel, se poate reduce

tendinţa de ocupare a solariilor cu producţia floricolă.

Pentru creşterea producţiei de legume în sezonul rece, prin mărirea duratei de utilizare

a solariilor legumicole, este necesară încălzirea acestora cu sisteme termice simple, cu costuri

reduse atât în investiţie cât şi în exploatare.


- 6 -

Pentru a se reduce dependenţa de utilizarea combustibililor fosili, cu emisii mari de

CO2, în prezent creşte ponderea biomasei ca sursă de energie termică și, mai rar, în instalaţii

de cogenerare. În prezent se ard cantități mari de biomasă compactată sub formă de peleți,

uşor de transportat și de utilizat, ceea ce a determinat o largă extindere a utilizării acestei

forme de compactare. Arderea se face cu viteze superficiale mari ceea ce produce o

concentraţie mai mare de PM care colmatează schimbătorul de căldură şi poluează mediul.

Capitolul 4 - Resurse regenerabile de energie (SRE) în anul 2020

Consumul brut final de energie al Romaniei, în 2020, a fost prognozat inițial de către

Comisia Europeană pe baza studiilor ce au utilizat modelul PRIMES. În cadrul documentului

SEC (2008) 85/3 DOCUMENT DE LUCRU AL COMISIEI PRIVIND EVALUAREA

IMPACTULUI, s-a preconizat un consum final pentru România, în 2020, de 34,9 milioane

TEP. Studii mai recente (RES2020, www.res2020.eu) iau în considerare o valoare mai mică și

anume de 30,48 milioane TEP. Documentul previzional privind nivelul ER în România ia în

considerare valoarea de 31212 mii TEP pentru consumul final brut de energie, și 28507 mii

TEP pentru consumul final de

energie. Comitetul Național de

Prognoză a emis de atunci alte

prognoze (24 martie 2010), și anume

consumul final de enegie este redus

cu 1267 mii TEP în comparație cu

estimarea anterioară, având valoarea

de 27240 mii TEP. Această reducere

poate fi transferată și la consumul

final brut de energie. Cea mai recentă

estimare pentru consumul final brut

de energie în 2020 poate fi gasită în

propunerea de Plan Național de

Acțiune în domeniul Energiilor Regenerabile, scenariul adițional al eficienței energiei, fiind

de 30278 mii TEP.

Tabelul 1. Scenariu privind tehnologiile de biomasă pentru obținerea energiei,

până în 2020, inclusiv biocarburanții

În consecință, cea din urmă valoare dată mai sus va fi folosită ca referință în

continuare, ceea ce înseamnă că procentul de 24% este îndeplinit de 7267 mii TEP din surse

regenerabile de energie. De menționat faptul că, independent de analiza PNAER, estimarea


- 7 -

proprie facută în studiul Scenarii pentru Biomasă are o valoare foarte apropiată și este de

7200 mii TEP. Restul de necesar energetic din biomasă rămâne de obținut prin intermediul

tehnologiilor moderne de utilizare a biomasei, recomandate pentru România: încălzire

centralizată locală pe biomasa solidă (ce utilizeaza boilere eficiente sau unități de cogenerare)

și cogenerare pe bază de biogaz.

Luând în considerare posibila scădere sus-menționată a consumului biomasei de la 140

PJ la 112 PJ, trebuie definite noi opțiuni de creștere a consumului de la 112 PJ la 196 PJ în

România. Mai multe opțiuni sunt prezentate în Tabelul 1. Următorul capitol este dedicat

modulul de atingere al acestui obiectiv.

În mod tradițional, este cunsocută și acceptată utilizarea biomasei pentru obținerea

energiei (căldurii). În timp ce unele tehnologii SRE (micro-hidro, geotermală) au o poziție

matură pe piață, altele înregistrează un progres evident (biocombustibili, eoliană), tehnologiile

moderne de biomasă pentru încălzire și electricitate sunt încă la debutul pe piață. În prezent,

contribuția biomasei este mare, datorită utilizării masive a lemnului și a reziduurilor agricole

în sobe tradiționale rurale. Drept urmare, orice înlocuire cu tehnologii mai eficiente folosind

biomasa (conform Directivei SRE, art. 13.6), va conduce la reducerea consumului final de

biomasă. Totuși, până în anul 2020, principala contribuție a biomasei va fi reprezentată de

încălzirea cu Tehnologii eficiente.

Respectarea criteriilor de sustenabilitate pentru biomasă ca materie primă este

esențială. Cu toate acestea, criteriile de sustenabilitate pentru materie primă sunt mai puțin

critice în România, deoarece materia prima se poate obține din deșeuri de biomasă, neutilizate

în prezent și din culturi energetice pe terenuri agricole deasemenea momentan nefolosite (mai

mult de 2 milioane ha). În tabelul următor se prezintă o estimare a numărului centralelor

termice și electrice pe bază de biomasă necesare realizării scenariului 2020.

Capitolul 5 - Procedeul de gazeificare TLUD

Convertirea biomasei în energie se face în principal prin procedee de ardere sau de

gazeificare. Gazeificarea cărbunelui și a biomasei sunt procedee bine cunoscute, în prezent

bine puse la punct, dar datorită aspectelor economice cât și a celor ecologice este din ce în ce

mai utilizată pentru producerea de energie termică în principal şi apoi în energie electrică.

S-au proiectat, realizat și se exploatează centrale termo-electrice bazate pe gazeificarea

biomasei cu puteri până la 6 MWe. Limitarea de putere este datorată necesităţii restrângerii

arealului de colectare a biomasei pentru a se menţine cheltuielile de transport la un nivel

redus. Ca urmare a acestor experimente derulate pe parcursul a 20 de ani s-a concluzionat că:

- gazeificarea biomasei este o procedură eficientă din punct de vedere economic şi

ecologic dacă este utilizată în instalaţii energetice de puteri foarte mici, mici și mijlocii

5....500 kW;

- arealul de recoltare a biomasei nu trebuie să depăşească un diametru de 100 km, limită

care dispare dacă se utilizează biomasă compactată sub formă de peleți;

- trebuie utilizate metode ecologice de neutralizare a efluviilor toxice produse în secţiile

de filtrare și detartrare a gazului combustibil produs.

În continuare sunt prezentate câteva realizari de CHP, oferite curent pe piată:

- PP20, produs de ALL POWER LABS – GEKgasifier (USA) cu gazogen pentru peleți

şi motor cu ardere internă, care poate produce 20 kWe


- 8 -

Fig. 1 - CHP produs de APL (USA) cu gazogen pentru peleți din biomasă

- Spanner Re Holz-Kraft produs de SPANNER (Germania) cu gazogen pentru biomasă

tocată și motor cu ardere internă.

Fig. 2 - CHP produs de SPANNER (DE) cu gazogen pentru biomasă tocată

În procesul de gazeificare intră biomasă şi aer, rezultând gaz combustibil şi cenuşă cu

un bilanţ nul de CO2. Gazul combustibil cu CO, H2, CO2, N2 și gudroane se poate utiliza la

ardere într-un arzător specializat din care rezultă gaze de ardere cu entalpie ridicată care

conţin în concentraţii foarte mici PM şi CO, gaz cald care se utilizează la procese de încălzire

a apei, abur sau aer pentru motoare cu ardere externă pentru a produce energie electrică.

Conţinutul de gudroane şi PM se filtrează, iar gazul rezultat se utilizează în sisteme motor cu

ardere internă – generator electric, pentru a produce energie electrică.

Fig. 3 -Schema bloc de valorificare energetică a biomasei prin gazeificare

În Figura 3 este prezentată schema bloc a procedurii de valorificare energetică a

biomasei prin gazeificare termo-chimică.


- 9 -

În Figura 4 este prezentată o schemă funcţională pentru procedeul de gazeificare

TLUD similară cu un procedeu downdraft inversat (IDD). Stratul de biomasă este introdus în

reactor şi se sprijină pe un grătar prin care trece, de jos în sus, debitul de aer pentru

gazeificare.

Fig. 4 - Procedeul de gazeificare TLUD

Amorsarea procesului de gazeificare se face prin aprinderea stratului superior al

biomasei din reactor. Frontul de oxidare (flaming pyrolisis) coboară continuu consumând

biomasa din reactor. Datorită căldurii radiate de frontul de oxidare biomasa se încălzeşte, se

usucă şi apoi intră într-un proces de piroliză rapidă din care se degajă volatilele și rămânând

carbon neconvertit. Volatilele trec prin stratul de cărbune incandescent, sunt cracate şi ard în

regim substoichiometric cu aerul de gazeificare. Din procesul de ardere al volatilelor rezultă:

CO2, CO, H2, H2O, CH4 și hidrocarburi grele denunite gudroane. Biomasa, fără cenuşă și

umiditate, conţine în medie 75 % volatile și 25 % carbon fixat. Carbonul fixat nu intră în

procesul de piroliză și rămâne în stratul de cărbune incandescent, cu temperaturi în domeniul

700...850 ºC. Gazele produse intră în reacţii de reducere cu cărbunele incandescent, în

principal C + CO2 2CO și C + H2O CO+ H2, rezultând un gaz combustibil denumit în

continuare gazgen care are o compoziţie medie: CO - 15 %, H2 -12 %, CO2 – 10%, CH4 –

2...3%, gudroane 2...3%, diferenţa fiind N2. La ieşirea din stratul de cărbune, gazul are o

temperatură medie de 500 ºC. Din experimentările efectuare pe plan internațional, s-a

constatat că partea de biomasă consumată în faza pirolitică este gazeificată cu un randament

de conversie energetic ηconv foarte mare 93 ... 95 %.

Când frontul de ardere a ajuns la grătar toate volatilele din biomasă au fost gazeificate

și o parte din carbonul fixat a fost redus, pe grătar rămânând circa 10 ... 20 % din masa iniţială

sub formă de cărbune vegetal steril, întâlnit în literatura ştiinţifică sub termenul de biochar.

Unul dintre reziduurile agricole care pot fi utilizate cu succes provine din pomicultură.

Pomicultura în România este dominată de culturile de prun și de măr care reprezintă aproape

90% din totalul suprafeţelor pomicole. Masa şi umiditatea tăierilor pomicole variază în funcţie

de soi și de perioada optimă de tăiere. În tabelul următor este prezentată, pentru principalele 7

soiuri de pomi fructiferi din România, o estimare a masei anuale medii a tăierilor, a umidităţii

și a potenţialul energetic.

Prin uscare naturală sau cu ventilaţie mecanică, biomasa din tăieri ajunge la o

umiditate medie de 10...15% și o densitate a vracului de circa 200 kg/m3. Datorită marii

diversităţi de soiuri pomicole, în mod curent se utilizează pentru compoziţia chimică a


- 10 -

biomasei rezultate din tăieri o formulă simplificată de forma: C H1.4253 O0.6188, întâlnită des în

literatura ştiinţifică. Pentru această compoziţie chimică se poate calcula puterea calorifică

superioară a biomasei uscate la PCS = 19,329 MJ/kg.bm, valoare foarte apropiată de media

experimentală estimată la 19,15 MJ/kg.

Cultura Umiditate

la tăiere

Masă

tăieri

(umed)

Masă

tăieri

(uscat)

Potenţial

energetic

% t/ha*an t/ha*an GJ/ha*an

Prun 25.30 3.00 2.24 40.34

Măr 53.50 3.40 1.58 28.46

Cireș 36.20 2.50 1.60 28.71

Păr 34.30 2.00 1.31 23.65

Piersic 15.70 2.90 2.44 44.00

Cais 33.70 2.80 1.86 33.42

Nuc 33.10 3.00 2.01 36.13

Medie 30.00 3.00 2.10 37.80

Pentru compoziţia chimică medie a biomasei uscate s-a calculat o putere calorifică

inferioară, PCI, în medie de 18 MJ/kg. Necesarul stoechiometric de aer pentru oxidare

completă este de DSTH = 6,295 kg.aer/kg.bm. Temperatura de vitrifiere a cenuşii biomasei din

tăierile pomicole este similară cu cea medie a lemnului, fiind mai mare de 1400 °C.

Capitolul 6 - Analiza SWOT pentru principiul TLUD

Punctele tari:

Arderea completă și curata a unei largi

varietăți de biomasă solidă.

Emisii scazute, în mod curent, ale

conceptului natural al sobelor de gătit.

Eficiență ridicată a combustibilului datorită

arderii complete.

Se poate folosi o gamă largă de biomasă

locală, incluzând reziduri care altfel nu pot fi

arse în mod curat în alte sobe.

Mai puțină supraveghere a focului la

încărcarea șarjei.

Gata pentru folosire imediat după aprindere.

Punctele slabe:

Reglarea puterii focului poate fi dificilă.

Dificultăți la oprirea producerii de gaz la

finalul procesului de gătire/încălzire înainte

ca tot combustibilul sa fie consumat.

Inflexibilitate la timpii de încălzire/gatire cu

dispozitivul de alimentare al șarjei care nu

poate fi realimentat în timpul funcționării.

Necesită material de pornire a focului pentru

a iniția piroliza în generatorul de gaz.

Oportunități:

Unități de gazeificare pot fi atașate la

structurile sobei existente pentru a extinde

gama de combustibili utilizați, oferind

utilizatorilor posibilitatea folosirii a unui tip

de combistibil ce este disponibil pe moment.

Se poate obține biochar ca produs secundar la

încălzire / gătire.

Permite încălzirea / gătirea cu carbon –

bilanț negativ dacă mangalul este recuperat și

folosit ca biochar.

Riscuri:

Dacă flacăra unității de combustie se stinge și

generatorul de gaz continuă să producă gaz

de lemn, fumul gros părăsește unitatea fără a

avea loc arderea. Trebuie evaluat modul în

care oamenii învață sa evite acest risc.


- 11 -

Capitolul 7 - Analiza stadiului actual al modulelor de gazeificare și arzător

Pentru mărirea duratei de utilizare a solariilor legumicole în vederea creşterii

producţiei de legume în sezonul rece este necesară încălzirea acestora cu sisteme termice

simple, cu costuri reduse atât în investiţie cât şi în exploatare.

Încălzirea numai trei luni - o lună și jumătate din toamnă spre iarnă și o lună și

jumătate din iarnă spre primăvară - se poate face cu puteri specifice relativ mici ceea ce duce

la instalaţii mai mici, mai ieftine și cu costuri de exploatare suficient de scăzute pentru a se

asigura un profit în aceste perioade de producţie.

Pentru selectarea domeniului de investigare pentru modulele termice necesare, s-a

efectuat un studiu al necesarului de încălzire al unui solar cu o instalaţie cu aer cald cu

schimbător de căldură gaze de ardere aer. Pentru studiu s-a ales un solariu tip QUONSET-

Metric format din 24 module cu bază de 7 m, înălţime 3,5 m, pas de 1,2 m, care are o

suprafaţă la sol de 200 m2 și un volum de 554 m3. El este acoperit cu o folie dublă, gonflabilă,

de polietilenă, cu rezistenţă termică mare.

Pentru o exploatare eficientă, instalaţia de încălzire a solariilor tunel trebuie să aibă

costuri de funcţionare cât mai mici, în condiţiile de funcţionare impuse. Din punct de vedere

economic exista două componente importante: amortizarea investiţiei și costul energiei

primare. În concluzie, se urmăreşte ca instalaţia sa aibă un preţ de achiziție şi de instalare

redus, cheltuielile de întreţinere și reparaţii să fie reduse, rezultând necesitatea asigurării unei

fiabilități sporite.

Pentru evaluare, trebuie să se utilizeze o unitate de măsură, pentru domeniul analizat, ce

reprezintă costul de producţie a unităţii de energie livrată la ieşirea din sistem – lei/MWht aer

încălzit.

În condiţii experimentale, energia livrată se calculează cu ajutorul valorilor măsurate

pentru debitul de aer şi a diferenţei de temperatură. În condiţii de exploatare în timp real

eficenţa se estimează prin valoarea medie a costurilor cu încălzirea, împărţite la suprafaţa

solarului și la diferenţa medie de temperatură interior – exterior pentru o lună sau pentru un

sezon de încălzire.

Pentru a se produce şi biochar, este necesară utilizarea unui proces de piroliză +

gazeificare a biomasei disponibile local. Biomasa disponibilă local se poate utiliza sub formă

de tocătură uscată natural sau artificial, sau compactată sub formă de brichete sau pelete.

Reducerea emisiei de CO2 precum și a subproduselor toxice sunt cerinţe ale dezvoltării

durabile, a agriculturii în special. Utilizarea biomasei reduce spre zero bilanţul de CO2, dar nu

contribuie la reducerea concentraţiei actuale de CO2. Aşa cum s-a prezentat în Capitolul 4,

aplicarea conceptului sinergic CHAB conduce la valorificarea superioară a biomasei pentru a

produce energie şi biochar cu un bilanţ negativ de CO2, ceea ce contribuie la reducerea

concentraţiei de CO2 din atmosfera terestră.

Fig. 5 - Schema bloc a unei sere echipată cu modul energetic cu gazogen


- 12 -

În studiu se analizează variantele de instalaţii care produc și biochar. Producţia de

biochar are în plus o mare eficienţă economică, preţul mediu al biochar-ului în Europa fiind

de 680 €/t.bc, respectiv de 3000 lei/t.bc. Prin valorificarea biocharului se pot obţine și scăderi

semnificative ale costurilor reale ale încălzirii solariilor tunel. În Figura 5 este prezentată

schema bloc a unui solar tunel încălzit cu un modul energetic care produce energie termică și

biochar printr-un proces de gazeificare a biomasei.

Un exemplu este instalaţia de tip DRAGON produsă CHIP ENERGY (USA) care poate

gazeifica o varietate de biomasă, produce apă caldă sau aer cald şi biochar în proporţie de 15

... 20 %. În Figura 6 este prezentată schema funcţională, iar în Figura 7 sistemul montat într-

un container transportabil. Preţurile încep de la 15.000 USD până la 60.000 USD în funcţie de

putere şi dotare.

Fig. 6 - Schemă funcţională instalaţie de tip AVUD de la CIP ENERGY.

Fig. 7 - Schemă bloc pentru producere combinată de energie şi biochar

Schema funcţională a generatorului TLUD cu arzător cuplat este prezentată în Figura 8.

Procesul de micro-gazeificare este alimentat cu aer de un ventilator cu turaţie variabilă.

Fig.8 - Schema funcţională generator TLUD cu arzător cuplat


- 13 -

În Figura 9 este prezentată schema bloc a unui modul energetic TLUD. Mărimile de

intrare în modulul energetic sunt:

- consumul, Cbm, de biomasă;

- aerul necesar pentru gazeificare, Dag și pentru ardere, Dard;

- mărimea de comandă, uPt, a sarcinii termice.

Fig. 9 - Schema bloc a modulului energetic TLUD

Mărimile de ieşire din modulul energetic sunt:

- biocharul, Dch, produs din piroliză și parţial redus;

- puterea termică, Pth, a gazelor arse la ieşirea arzătorului;

- concentraţia de CCO în gazele de ardere;

- concentraţia de particule solide, PM, în gazele de ardere.

Se poate poate concluziona că preţul specific al energiei primare, fără producere de

biochar, este de cira 8 ori mai mic la utilizarea biomasei locale, tocată şi uscată, decât în cazul

utilizării peleţilor.

Producerea de biochar şi valorificarea acestuia poate aduce costul specific al energiei

primare la maxim 20% din cel în cazul gazeificării complete a biomasei.

Capitolul 8 - Analiza stadiului actual la module de schimbător de caldură Schimbătorul de caldură este un echipament care are drept scop realizarea unui

transfer de caldură între două fluide cu temperaturi diferite, în procesele de încălzire (însoțit

eventual de topire, fierbere, vaporizare, evaporare, uscare etc.) sau de răcire (eventual însoțită

de condensare), cum sunt cele din cazanele de abur ori apă caldă sau fierbinte, cuptoare,

preîncălzitoare, evaporatoare, distilatoare, condensatoare etc. Cele două fluide între care are

loc transferul de caldură sunt denumite purtători de caldură. Fluidul mai cald, care cedează

caldura și se răcește se numește agent sau purtător primar, iar fluidul mai rece, care preia

caldura de la primul și se încăzeste, se numește agent sau purtator secundar.

Din definiția schimbătoarelor de caldură, se vede marea diversitate a acestora atât din

punct de vedere constructiv cât și al calculului lor. Sensul de curgere pentru cele două fluide

(cald și rece) este prezentat schematic în Figura 10.

Fig. 10 - Schema de curgere a agenților termici în schimbătoarele de caldură

a - echicurent; b- contracurent; c- curent încrucișat; d- curent mixt

Factorii care influențează performanțele unui schimbător de caldură se pot grupa în

trei categorii:

- datele procesului tehnologic;


- 14 -

- variabilele de proiectare;

- proprietatile fizice ale fluidului și peretelui despărțitor.

Alegerea celui mai adecvat tip de schimbător de căldură pentru un anumit scop dat

trebuie să se facă ținând seama de condițiile impuse de procesul tehnologic în care urmeaza a

fi încadrat, de caracteristicile și parametrii agenților termici, de eficiența economică, de

posibilitățile de amplasare, de posibilitățile de utilizare a căldurii recuperate etc, avându-se în

vedere avantajele și dezavantajele prezentate de fiecare tip în parte cât și domeniile

preferențiale de utilizare ale acestora. Principalele condiții ce trebuie sa le îndeplinească un

schimbator de caldură sunt:

- să nu perturbe condițiile funcționării optime a procesului tehnologic în care este

introdus, problema deosebită fiind cea a respectării cu strictețe a regimului de temperatură

cerută de acel proces;

- să realizeze un schimb de caldură cât mai intens între cei doi purtători de energie;

- să aiba pierderi de căldură cât mai mici către mediul ambiant, deci o buna izolație

termică față de mediu;

- să prezinte siguranță și securitate maximă în exploatare, fiind determinate, între altele,

de posibilitatea unui control usor și a unui reglaj corespunzator al temperaturilor, de ușurința

deservirii, de respectarea condițiilor de securitate a aparaturii și a personalului;

- să fie, pe cât posibil, ușor de construit și de montat, cât mai compact și să necesite o

investiție cât mai redusă;

- să prezinte o eficiență economică cât mai mare, pentru obținerea căreia o importanță

deosebită o are alegerea celor mai adecvați purtători de caldură și a parametrilor acestora în

masura în care purtătorii și parametrii lor nu sunt impusi de procesul tehnologic în care este

încadrat schimbătorul de caldură respectiv.

Normativul STAS 8535-83 realizează o astfel de clasificare a aparatelor pentru transfer

termic utilizate în industria chimică.

Capitolul 9 - Analiza stadiului actual al sistemelor de conducere automată a

generatoarelor de aer cald

Sistemele de încălzire sunt unităţi termice de producere a căldurii în scopuri

tehnologice sau menajere. Rolul acestora se referă la proiectarea şi realizarea de soluţii

moderne și eficiente pentru:

- menţinerea în încăperi a unei temperaturi cât mai uniforme, situată în jurul valorii

cerute, atât în plan orizontal cât și în plan vertical;

- reglarea temperaturii interioare în funcţie de necesităţi, ţinând seama de inerţia termică

a elementelor de construcţie;

- menţinerea temperaturii suprafeţelor elementelor de construcţii, astfel încât să se evite

fenomenul de radiaţie rece și fenomenul de condensare a vaporilor de apă pe suprafaţa acestor

elemente;

- încălzirea fără poluarea aerului din încăperi și fără poluarea mediului;

- încălzirea fără curenţi perturbatori ai aerului din încăperi;

- asigurarea de soluţii eficiente și economice din punct de vedere al instalaţiilor şi al

exploatării.

Pentru aprecierea unei instalaţii de încălzire se defineşte un set de cerinţe, de

importanţă diferită. Astfel, confortul termic (apreciat prin temperatura interioară a aerului)

trebuie obținut cu prioritate, apoi stabilitatea şi uniformitatea temperaturii interioare a aerului,

temperatura interioară rezultată, ecartul de temperatură pe verticală, indicele global de confort

termic, viteza curenţilor de aer și umiditatea relativă a aerului. Adaptarea la utilizarea şi

economia de energie sunt, de asemenea, exigenţe prioritare, pentru care se asigură: stabilitatea

hidraulică a reţelei, măsuri pentru reglarea sarcinii termice în funcţie de parametri climatici

exteriori, aparatură de măsură şi control pentru cunoaşterea parametrilor instalaţiei de

încălzire, condiţii speciale pentru extinderi, funcţionare parţială, avarii. De asemenea, au o


- 15 -

importanţă majoră siguranţa în exploatare, siguranţa la foc, rezistenţa şi stabilitatea,

etanşeitatea, igiena, sănătatea și protecţia mediului, confortul acustic, vizual și tactil,

economicitatea.

Instalaţiile de încălzire se pot clasifica după mai multe criterii și anume:

- după modul de amplasare a sursei termice: încălzire centrală, locală, la distanţă;

- după natura agentului termic: încălzire cu apă caldă, apă fierbinte, abur cu presiune

joasă, abur cu presiune medie, aer cald;

- după natura energiei utilizate: încălzire electrică, încălzire cu pompe de căldură,

încălzire cu energie convenţională (combustibili gazoşi, lichizi, solizi), încălzire cu energii

neconvenţionale (solară, geotermală, biomasă, etc.), instalaţii de recuperare a căldurii

reziduale;

- după modul de transmitere a căldurii: încălzire prin convecţie, radiaţie;

- după modul în care se asigură parametri din interiorul încăperilor: încălzire normală,

încălzire de gardă.

Analiza soluţiilor de automatizare pentru o centrală termică porneşte de la un criteriu

hotărâtor, respectiv valoarea maximă a raportului performanţă tehnică/valoarea investiţiei,

deci calitate/preţ, dar ţine seama și de regimul hidraulic din circuitul primar şi secundar,

respectiv de funcţionarea în sisteme cu debit variabil şi funcţionarea în sisteme cu debit

constant de agent termic. În procesele de încălzire și preparare a apei calde de consum,

obiectivul reglării constă în menţinerea mărimii reglate (temperatura, presiunea, debitul

purtătorului de căldură) la valoarea prescrisă, în condiţiile unor costuri minime și respectării

cerinţelor privind parametri optimi de confort. Analizate prin prisma optimizării, procesele de

încălzire și de preparare a apei calde de consum trebuie să răspundă unei serii de cerinţe:

- menţinerea în încăperile din clădiri a unor temperaturi interioare constante (cât mai

apropiate de valoarea de confort), cu posibilitatea modificării acestora în funcţie de: destinaţia

încăperii, regimul de utilizare, perioadă (zi – noapte, sfârşit de săptămână), obişnuinţa cu un

anumit regim termic, apariţia unor aporturi gratuite, etc.; ca urmare, în conceperea soluţiilor

de reglare apare indicat să se controleze desfăşurarea procesului de încălzire în fiecare

încăpere.

- coordonarea regimului hidraulic al instalaţiilor de încălzire (circuitele secundare ale

punctelor termice) cu caracteristica de pompare debit – presiune; în acest sens se impune

echilibrarea reţelei de distribuţie şi a coloanelor;

- coordonarea regimului hidraulic al punctelor termice și al reţelei de apă fierbinte cu

caracteristicile funcţionale ale pompelor de circulaţie; în acest sens se impune echilibrarea

reţelei și prevederea de regulatoare de debit în punctele termice;

- menţinerea temperaturii apei calde de consum într-un domeniu restrâns, teoretic

constant; această cerinţă, datorită variaţiei consumului de apă caldă şi a temperaturii agentului

primar, constituie o sursă de perturbaţii;

- livrarea agentului termic primar în reţea și la punctele termice, la un nivel de

temperatură cât mai apropiat de graficul teoretic de reglare, astfel încât buclele de reglare să

opereze eficient în obţinerea parametrilor controlaţi (temperatură interioară în încăperi,

temperatura apei calde de consum).

Funcţiile de reglare se pot asocia cu alte funcţii ale buclelor de automatizare (ex.

asigurarea protecţiei utilizatorilor şi personalului de exploatare, precum și a echipamentelor).

Pentru realizarea funcţiei de reglare se poate utiliza:

- reglarea în buclă închisă, în care mărimea reglată este măsurată, valoarea ei este

comparată cu valoarea prescrisă şi se acţionează asupra puterii termice, pentru ca valoarea

mărimii reglate să se apropie de valoarea prescrisă, în limite strânse (ex. controlul

temperaturii de preparare a ACC);

- reglarea în buclă deschisă, în care mărimea reglată este comparată cu valoarea

prescrisă, în corelare cu variaţia perturbaţiilor care influenţează nevoile de căldură, fără


- 16 -

controlul mărimii care reflectă calitatea serviciului (ex. realizarea corespondenţei dintre

temperatura apei calde din conducta de tur şi temperature exterioară a aerului).

Acţiunea de reglare este concepută să răspundă la trei operaţiuni funcţionale:

măsurarea, compararea și comandarea. Dintre soluţiile utilizate în tehnica reglării, în funcţie

de modul în care se corectează mărimea reglată, se disting următoarele:

- reglarea “tot sau nimic”, în care se controlează temperatura apei la ieşirea din cazan,

prin anclanşarea şi declanşarea arderii; modul “totul sau nimic” este recomandat la reglarea

temperaturii interioare din clădirile cu inerţie termică mare. Prin efectul inerţiei termice a

încăperilor şi al aporturilor de căldură, duratele de funcţionare şi de întrerupere a emiţătorului

de energie termică se pot schimba; acest mod de acţionare poate fi folosit şi la prepararea apei

calde de consum în instalaţii prevăzute cu acumulare;

- reglarea tripoziţională (flotantă), în care poziţiile “deschis”, “de echilibru” și “închis”

a elementului de execuţie (ex. robinet de reglare) se obţin prin comanda de deschidere sau

închidere la anumite valori negative sau positive ale abaterii mărimii reglate faţă de valoarea

de consemn; modul tripoziţional se poate utiliza la reglarea temperaturii interioare din

încăperi, prin modificarea puterii termice emise (debitul de fluid);

- reglarea progresivă, în care regulatorul poate fi: proporţional (P), integrativ (I),

proporţional-integrativ (PI) sau proporţional–integrativ-derivativ (PID).

În cazul reglării P, ventilul robinetului de reglare se deplasează cu aceeaşi valoare

pentru fiecare unitate a abaterii mărimii reglate. Diferenţa dintre valoarea maximă a mărimii

reglate și valoarea minimă admisă a acesteia reprezintă “banda de proporţionalitate” (BP). În

cazul reglării I, viteza de deplasare a organului de execuţie este proporţională cu valoarea

abaterii mărimii reglate faţă de mărimea de referinţă. Atâta timp cât există o eroare (abatere)

regulatorul acţionează, asigurând corecţia poziţiei robinetului de reglare. În cazul reglării PI,

poziţia robinetului de reglare se obţine prin completarea acţiunii proporţionale cu modul de

acţiune integral. Constanta de timp de integrare care apare în acest caz, reprezintă timpul după

care corecţia poziţiei robinetului de reglare generată de acţiunea P este repetată prin acţiunea I

și depinde de viteza de deplasare a organului de execuţie. Un astfel de sistem (cu regulator PI)

este precis și sensibil şi poate fi folosit la încălzirea clădirilor civile sau industriale şi la

prepararea apei calde de consum cu schimbătoare de căldură fără acumulare. Suplimentar,

faţă de modul PI, sistemul PID ţine seama de viteza cu care mărimea reglată se îndepărtează

de valoarea de consemn. Un regulator PID se adaptează la o buclă de reglare prin trei mărimi

caracteristice (banda de proporţionalitate, constanta de timp de integrare, constanta de timp de

derivare), mărimi de care se ţine seama în operaţiunile de acordare a regulatoarelor.

Se propune, în etapele următoare ale proiectului, abordarea automatizării pentru

cazanele cu gazeificare prîntr-un sistem cu arhitectura distribuita, procesele ce vor fi

automatizate fiind abordate la nivel local prin module electronice integrate în elementele

constructive ale centralei: arzător, electrovalve etc. Modulele electronice locale transforma

elementele centralei unde sunt amplasate în echipamente inteligente capabile sa execute

funcții de prelucrare avansata a valorilor mărimilor fizice monitorizate și/sau controlate

precum și facilitați de comunicare pe linii de comunicație de date. Sistemul de automatizare

al cazanului de gazeificare va include și un modul de conducere/supervizare care va controla

funcționarea ansamblului centralei formata din elemente inteligente; comunicarea va fi

asigurata de o linie seriala de comunicație de date. Modulele electronice care alcătuiesc

sistemul de conducere distribuit al cazanului de gazeificare vor fi realizate folosind tehnologii

electronice adaptate mediului agresiv de lucru specific cazanelor de gazeificare, temperaturi

ridicate, umiditate cu condensare, vibrații etc. Astfel se vor utiliza componente electronice

SMD (cu montare de suprafața), plăcile electronice vor fi încapsulate în rășina

termoconductoare etc. Programele de funcționare ale modulelor electronice vor fi dezvoltate

folosind tehnici de programare moderne bazate pe evenimente „event-driven”, funcționarea

fiind descrisa folosind principiile și recomandările UML (Unified Modeling Language) ce

permite o dezvoltare eficientă și clară a software-ului.


- 17 -

Capitolul 10 - Analiza comparativă soluții tehnice potențiale

Alimentarea sistemului de gazeificare cu funcționare pe principiul TLUD se face de

obicei manual, după consumarea masei de biocombustibil, datorită faptului ca frontul de

oxidare parcurge stratul de material de sus în jos. În cadrul proiectului se va propune și o

soluție de alimentare automată, compusă din doua subsisteme: (1) subsistem de alimentare cu

material și (2) subsistem de raclare a materialului consumat, amplasat la partea superioară a

arzătorului.

Subsistemul de alimentare trebuie să acționeze uniform asupra stratului de material

existent în camera de ardere, fără perturbări care ar putea conduce la destabilizarea procesului

de piroliză. Alimentarea se poate face dintr-un buncăr de material lignocelulozic tocat,

continuu (cu viteze foarte mici), sau intermitent (la etape prestabilite în funcție de

caracteristicile funcționale ale soluției tehnice finale). Sistemul de alimentare va fi controlat

automat. În faza de selectare a soluției, au fost avute în vedere urmatoarele tipuri de

transportoare: elicoidale, cu raclete, cu cupe, cu lanț. În prezentul RST se prezintă

caracteristicile soluțiilor constructive rezultate în urma studiului ca fiind optime pentru

alimentarea, respectiv golirea camerei de ardere.

Transportoarele elicoidale sunt comune, des întâlnite inclusiv la instalațiile automate

de alimentare cu peleți ai echipamentelor de gazeificare și pot funcționa atât în regim

continuu cât și intermitent. Se folosesc la transportul diferitelor produse granulare sau

pulverulente sub orice unghi de înclinare faţă de planul orizontal și pot fi prevăzute cu una sau

mai multe ferestre de alimentare, respectiv evacuare.

Din punct de vedere al caracterului mişcării materialului în carcasă se disting două

categorii de transportoare elicoidale: lente sau rapide. La aceasta categorie de transportoare

influenţa forţei centrifuge este neînsemnată, caracterul mişcării fiind determinat în special de

greutatea materialului și de forţele de frecare. Materialul execută o deplasare în lungul

carcasei ocupând spaţiul dintre arbore şi partea inferioară a carcasei. Viteza periferică maximă

a spirei elicoidale este 1...1,5[m/s]. Se folosesc la transportul materialului în plan orizontal sau

într-un plan ce face un unghi de cel mult 20º cu planul orizontal. La transportoarele elicoidale

rapide o influenţă deosebită o au forţele centrifuge care aruncă materialul peste arbore.

Materialul se dispune sub forma unui strat inelar în trepte. Cea mai mare parte din material

execută o mişcare elicoidală în timp ce o mică parte scapă prin jocul dintre spiră și carcasă.

Transportoarele elicoidale verticale și cele cu înclinare mare lucrează cu randament maxim

(debit maxim şi consum minim de energie) în cazul în care viteza periferică a spirei elicoidale

este 2,8 ... 6[m/s].

Carcasa transportoarelor elicoidale lente se execută din mai multe tronsoane de

1...2[m] fiecare, iar carcasa transportoarelor verticale se recomandă să se execute dintr-o

singură bucată. Ele se confecţionează din tablă din OL37 cu grosimea de 1...2,5[mm].

Transportoarele elicoidale spirale reprezintă sistem de transport continuu de

construcţie mai recentă folosite în special la transportul, amestecarea şi dozarea diferitelor

materiale granulare cu dimensiuni până la 20[mm]. La aceste transportoare organul de lucru

este format din două sau trei spirale elicoidale montate una în alta, ce se rotesc în interiorul

unei carcase elastice sau rigide din material plastic sau metal anticoroziv, rezistent la uzură.

În vederea alegerii corecte a solutiei de alimentare, trebuie avute în vedere avantajele

și dezavantajele transportoarelor elicoidale. Printre avantajele acestora se enumeră:

- simplitatea constructivă;

- întreţinerea uşoară;

- siguranţa în exploatare;

- izolarea materialului de mediul înconjurător;

- uşurinţa încărcării și descărcării intermediare;

- gabaritul mic;

- costul redus.

Principalele dezavantaje ale transportoarelor elicoidale sunt:


- 18 -

- strivirea produsului transportat ca urmare a intrării acestuia între spira elicoidală și

carcasă sau deteriorarea acestuia ca urmare a frecării cu spira elicoidală și cu carcasa;

- necesitatea unei alimentări uniforme;

- consum specific de energie ridicat (cu 50...100% mai mult decât la transportoarele cu

organ flexibil de tracţiune).

Pentru extragerea biocharului rezultat în urma pirolizei se poate folosi fie un

transportor elicoidal, fie un transportor cu raclete cu o latime de lucru egala cu latimea

camerei de ardere.

Transportoarele cu raclete se folosesc pentru sarcini variate care nu se aglomerează şi

nici nu aderă pe suprafeţele cu care vin în contact. Sunt formate din unul sau două organe

flexibile de tracţiune (lanţuri, cabluri) pe care se fixează, la intervale egale organele de lucru

denumite raclete, ce au formă corespunzătoare secţiunii transversale a jgheabului sau tubului

prin care este transportat materialul. Fluxul de sarcină la transportoarele cu raclete poate fi

discontinuu sau continuu. La transportorul discontinuu materialul se dispune sub formă de

grămezi în faţa fiecărei raclete, iar în cazul transportoarelor cu flux continuu materialul

formează o masă compactă continuă a cărei înălţime este mai mare ca înălţimea racletelor

(raclete încărcate). Deplasarea stratului de material în lungul jgheabului are la bază faptul că

rezistenţa la forfecare a materialului de către raclete este mai mare decât rezistenţa datorată

frecării acestuia de pereţii jgheabului. Acest lucru este posibil numai dacă viteza este mică

(0,2...0,3[m/s]).

Ca și în cazul celorlalte tipuri de transportoare, în vederea alegerii corecte a solutiei

trebuie avute în vedere avantajele și dezavantajele transportoarelor cu raclete. Avantajele

acestora constau în:

- construcţia relativ simplă;

- posibilitatea deplasării sarcinilor pe trasee sub orice unghi de înclinare faţă de planul

orizontal.

Aceste transportoare prezintă însă şi o serie de dezavantaje:

- rezistenţe mari la deplasarea sarcinilor;

- consum de energie ridicat;

- uzură rapidă a organului de tracţiune şi a jgheabului;

- vătămarea produsului ca urmare a prinderii între raclete și jgheab.

Pentru compararea performantelor tipurilor de transportoare analizate și selectate ca

potentiale solutii finale, au fost efectuate calcule comparative pentru principalii parametri

constructivi, functionali și energetici ai acestora, pentru un debit prestabilit de biomasa tocata.

În etapa de proiectare a versiunii finale, aceste calcule vor fi actualizate în vederea corelării cu

parametrii funcționali ai întregului echipament de încălzire.

Au fost impuse, respectiv calculate, următoarele mărimi:

Transportoare elicoidale Transportoare cu raclete

Capacitatea de lucru (debitul de material)

Unghiul de inclinare al transportorului Latimea jgheabului, lungimea/inaltimea

racletei, pasul racletelor Diametrul interior, exterior și pasul spirei

Viteza medie de deplasare a materialului

Turația spirei elicoidale Masa de material existentă la un moment dat

pe întreaga lungime a transportorului Masa de material existentă la un moment dat

în carcasă

Forța de antrenare a materialului de către

spira elicoidală

Forțele rezistente pe ramura încarcată,

respectiv descarcată a transportorului

Forța de tracțiune

Puterea necesară deplasării materialului

Puterea motorului electric de antrenare a transportorului


- 19 -

Concluzii privind alegerea soluției constructive

În urma calculului comparativ al soluțiilor tehnice prezentate anterior, s-a

concluzionat:

- în vederea realizării obiectivului de perturbare minimă a masei de material aflate deja

în camera de ardere, în cazul de față se impune alegerea variantei de alimentare cu transportor

elicoidal lent;

- pentru descărcarea camerei de ardere de material, studiul tehnic a relevat ca fiind cea

mai adecvată varianta cu transportor cu raclete, urmată de sistemul cu transportor elicoidal;

- se impune și realizarea unei analize economice în vederea fundamentării soluției

optime pentru descărcarea camerei de ardere.

Capitolul 11 - Diseminare – workshop

Având la bază activitățile, pentru Etapa 1, prevăzute în planul de realizare al

proiectului de cercetare cu acronimul ”ENERGSER” - contract nr.67/2014, s-a prevăzut

organizarea unui workshop cu titlul ”Resurse regenerabile pentru independența energetică a

mini-serelor și solariilor”. Workshop-ul ”ENERGSER” a fost organizat în cadrul manifestării

științifice HERVEX 2014 – International Conference and Exhibition of Hydraulics,

Pneumatics, Sealing Elements, Fine Mechanics, Tools, Specific Electronic Equipment &

Mechatronics, Căciulata, jud.Vâlcea. Din partea instituției conducătoare a proiectului de

cercetare (UPB prin CCDSB), a participat o delegație formată din patru membri.

Scopul organizării workshopului a fost diseminarea rezultatelor parțial-finale ale

studiilor și analizei tehnico-științifice prevăzute în Etapa 1 de realizare a proiectului. În cadrul

workshopului s-au susținut discuții libere pe teme legate de resurse energetice regenerabile,

independență energetică, politici de mediu și modalități de aplicare a acestora.

Subiectele abordate în cadrul workshopului ”ENERGSER” organizat, cât și în

celelalte sesiuni moderate au ținut de:

- energii regenerabile;

- energii verzi;

- independență energetică;

- sisteme biotehnice;

- politici de mediu.

Sub conducerea Directorului de proiect a avut loc o discuție a partenerilor prezenți la

workshopul ”ENERGSER” pe tema modificărilor aduse planului de realizare al proiectului în

condițiile realocării de către Autoritatea Contractantă a fondurilor bugetare din ultima lună.

Capitolul 12 - Concluzii și recomandări

Închiderea unei bucle energetice între temperatura gazelor evacuate și arderea propriu-

zisă, corelată cu o creștere a temperaturii aerului de ardere și combustie preluată din energia

gazelor evacuate, la care se adaugă o automatizare completă a sistemului ar putea duce la

crearea unui sistem generator de aer cald comparabil ca performanțe cu o centală termică

clasică, dar la un preț mai accesibil și cu costuri de expoatare mai reduse. În același timp,

derularea proiectului și ulterior introducerea pe piață ar avea ca efect promovarea

tehnologiilor energetice curate, a măsurilor de protecţie a mediului și a reducerii emisiilor de

gaze cu efect de seră precum și o economie importantă de material lemnos respectând

principiile dezvoltarii durabile. Obiectivul final al proiectului constă în realizarea unui

prototip de sistem generator pe principiul TLUD compus din generatorul de gazogen,

arzătorul, schimbătorul de caldură și sistemul electronic de comandă și control, destinat

încălzirii serelor, care funcționează cu materie primă din producția secundară agricolă, care

să înglobeze cele mai noi soluții tehnice, inovative și care să fie net superior ca performanțe,

caracteristici și design față de produsele de aceeași categorie din comerț. În Figura de mai

jos este prezentată schema bloc recomandată a unui solar tip tunel, încălzit cu o instalaţie cu

aer cald care utilizează două module termice BGM (Biomass-Gasification-Module). Cele


- 20 -

două module sunt cuplate la intrarea în schimbătorul de căldură, funcţionând la un debit

constant de aer încălzit şi ca urmare are un randament mediu de 90%, fără a scădea sub 85%.

Fig. 11 - Schema bloc a unui solar încălzit cu o instalaţie cu aer cald care utilizează

două module termice BGM

Sistemul solar tip tunel încălzit este format din patru subsisteme:

- subsistemul proces de climatizare a solar-ului;

- subsistemul de încălzire cu aer cald;

- subsistemul bloc energetic cu două module BGM;

- subsistemul de control automat.

Rezultatele cercetării sistemelor de ardere cu gazeificare a combustibililor lemnoși tip

TLUD vor putea fi folosite și la alte aplicații cum ar fi: generatoarele de gazogen, sistemele

de cogenerare cu energie verde bazate pe biogaz sau alte aplicații ce vor fi identificate pe

parcursul activităților de diseminare.

raport etapa 1

Documents