Ştiinţă

articolul anterior articolul urmator

Diesel, micul Luvru şi căldura din canal

54
26 Jan 2020 06:18:10
Cornel Stan

Diesel înghite dioxidul de carbon ejectat de industrie şi transformat în metanol, Diesel înghite fecalele dejectate în agricultură şi transformate în biogaz, apoi în metanol, Diesel înghite gunoiul menajer transformat în dioxid de carbon prin ardere, apoi în metanol.

Doar atât? Nu, Diesel ştie să fie şi super-energy-man, dacă e pus la muncă! Diesel ne poate oferi, tot pe bază de deşeuri, de 4 ori mai multă energie decât am învestit în el! Cum adică? Perpetuum mobile de gradul 4? Iese de 4 ori mai multă energie decât intră? Nu, nu aşa, bilanţul trebuie definit clar: transformarea unei forme de energie, de exemplu a căldurii în lucru mecanic, nu este acelaşi lucru cu transferul unei forme de energie, de exemplu a căldurii tot în căldură, dar în altă stare! (Stan, Cornel: Termodinamică Automobilului, Editura Matrixrom, Bucureşti, 2017, ISBN 978-606-25-0354-3).
 
Transformarea: Diesel primeşte căldură din arderea unui combustibil cu oxigenul din aer, şi o transformă, în motoarele moderne, în 40-47% lucru mecanic. Restul se pierde prin răcirea motorului (25-28%) şi prin gazele arse (25-30%), evacuate la temperatură înaltă (500-700°C) Câteva procente din energia primită sunt consumate de frecările pieselor în mişcare. 
 
Transferul: Diesel poate transfera căldura apelor tulburi, dar cu temperaturi utilizabile, din canalele colectoare de dejecţii din băile, toaletele şi chiuvetele de bucătărie din blocuri, sau din sistemele de răcire în diferite procese din fabrici, unui mediu fluid în circuit închis. Aceste ape murdare au, şi în cea mai friguroasă iarnă, temperaturi de 10° până la 20°C. Dacă trecem o asemenea apă tulbure printr-un canal cu un diametru de un metru, înconjurat pe 70 de metri lungime de un schimbător de căldură format ca o ţeavă spirală, răcind-o astfel cu numai 4°C, am câştigat un flux de căldură de peste 33 kilowatt! Important este acum ce facem cu această căldură. De aici intră în joc Diesel!
 
Principiul de funcţionare a unei pompe de căldură care foloseşte ca sursă principală de căldură apa uzată
 
Cu mai mulţi ani în urmă aveam biroul în clădirea construită în 1903 a Universităţii Tehnice din Zwickau, patria firmelor de automobile Horch (1904) şi Audi (1910 – audi fiind imperativul latinescului audire, în germană: horch!).

Clădirea era Luvrul nostru, acelaşi stil, aceeaşi desfăşurare cu corp central şi două lături, acelaşi număr de etaje, fiind doar cu mult mai mică. Dar mai avea ceva comun cu Luvrul: piramida din curtea centrală! Adevărat, cea de la Luvru e transparentă, de sticlă. A noastră era neagră şi opacă, de cărbune! Adică de combustibil pentru staţia noastră termică de la subsol. Încălzirea mergea cum mergea, studenţii, asistenţii, profesorii mergeau însă spre intrările în Luvrul lor pe lângă piramida, atât cât aceasta le lăsa loc, cărând pe tălpile încălţărilor praf negru în amfiteatre şi birouri, în caz că nu aveau punguliţa obligatorie cu cârpe de şters. 
 
Cea mai grea zi de lucru era lunea, nu, nu pentru că era prima zi după duminica liberă, ci pentru că fochistul, duminică, de obicei se îmbată. Drept care, lunea chiulea. Toţi stăteam în frig prin săli şi birouri, aşteptând ca fochistul să se trezească din mahmureală, ceea ce se întâmpla, de obicei, cam după prânz. 
 
Dar, într-o bună zi, a venit salvarea, mai bine zis ordinul de proprie salvare prin creativitate şi sudoare, ordin dat direct de la minister, din Berlin: concepeţi şi construiţi singuri o pompă de căldură pentru Luvrul vostru, că doar sunteţi ingineri şi oameni de ştiinţă! Bani ne-au dat, e adevărat, piese a trebuit să găsim pe unde am putut. Căldura necesară am captat-o din apele uzate provenind dintr-un cartier de blocuri al oraşului. Până şi în cea mai cumplită iarnă aveam în colector 15°C, doar de “scafandrul” care din când în când, trebuia să curate filtrele, ne era milă. Fluxul de apă uzată, la 15 grade, încălzea într-un schimbător de căldură agentul de lucru dintr-un circuit separat, cedând în acest fel 3-4°C. După absorbţia căldurii din apa uzată, fluxul de agent de lucru trebuia să fie comprimat atât cât să ajungă la o temperatură de peste 70°C, cedând apoi, într-un alt schimbător, căldura în circuitul cu apă de încălzire a caloriferelor. După destinderea într-un ventil de expansiune, agentul de lucru ajungea din nou în schimbătorul de căldură din canal, la o temperatură cu mult inferioară celei a apei uzate, drept care putea absorbi căldura acesteia. Apoi, ciclul se relua. 
 
Comprimarea agentului de lucru necesita însă mult lucru mecanic, adică, la o turaţie anume, putere! De unde să luăm putere pentru compresor? De la un motor electric? Acesta are, într-adevăr, un randament de 90-95%, dar fluxul de energie electrică îi este trimis de la o centrală termoelectrică, randamentele fiind, în funcţie de tipul acesteia – pe cărbune, cu gaz sau nucleară - de 25-50%. Randamentul total rămâne aşadar sub 47%.
 
Un asemenea randament poate fi asigurat însă şi de motoarele Diesel! Este adevărat, într-o comparaţie cu energia electrică în termenii de mai sus, ar trebui considerate şi exploatarea, apoi rafinarea petrolului, care diminuează randamentul total. Doar că într-o pompă de căldură, Diesel îşi arată adevăratele valenţe! 

Dacă randamentul unui Diesel la transformarea căldurii în lucru mecanic este doar de 47%, ce se întâmplă cu restul de căldură? Aproape tot restul, în afară de câteva procente datorate frecărilor din motor, se pierde, atunci când motorul propulsează un vehicul, prin apa de răcire a motorului şi prin gazele arse, eşapate la temperaturi înalte. Dar în pompa de căldură? 
 
Ţeava de eşapament, în care gazele arse trec într-un flux fierbinte de peste 500 de grade Celsius şi radiatorul de apa de raciere a motorului, care are 80-90°C, sunt conectate şi ele, pe lângă apa uzată, la schimbătorul pompei de căldură. În acest fel, Diesel ajunge la un randament – adică lucru mecanic şi călduri folosite raportate la căldură dezvoltată prin ardere – de peste 90%, ajungând un concurent direct al motorului electric!
 
Aşadar, pentru Luvrul nostru am ales un motor Diesel.  Numai că ni s-a impus să folosim drept combustibil biogaz dintr-o staţie apropiată, în care acesta era fermentat din mustul de bălegar de pe câmpurile învecinate. Ceea ce a însemnat transformarea motorului de la autoaprindere la aprindere prin scânteie. Pentru aceasta am schimbat pistoanele, micşorând compresia. 
 
Diesel salvatorul: alimentat cu gaze din bălegar, pentru a transforma o căldură în lucru mecanic şi pentru a transfera o altă căldură, din ape murdare în căldură pentru calorifere! Diesel, cel cu randament de peste 90%!
 
De atunci, Luvrul nostru a devenit cald, curat şi primitor. 
 
Pompele de căldură devin eficiente de la un flux de căldură de peste 100 kilowatt, în special în blocuri sau cartiere, în clădiri industriale şi comerciale. De obicei, pentru a acoperi tot necesarul de căldură al unui asemenea complex, pompa de căldură este cuplată cu un cazan prevăzut şi cu o instalaţie de ardere. Emisiile de dioxid de carbon scad cu până la 45% faţă de încălzirea numai cu gaz, dacă pompa de căldură este acţionată cu un motor electric. Cu un motor termic cu gaz pentru antrenarea pompei de căldură emisiile scad până la 60%. Emisiile pot fi chiar neutralizate, atunci când motorul foloseşte un combustibil (metanol) format din dioxidul de carbon emis din unităţi industriale apropiate, în combinaţie cu hidrogenul, aşa cum am scris în articolul Diesel, salvatorul climei terestre.
 
Un exemplu de pompă de căldură pentru uz casnic este oferit în cadrul  complexului de locuinţe din Berlin-Karlshorst – în care un bloc cu 78 de apartamente este încălzit în proporţie de 80% de o asemenea instalaţie  - emisia de dioxid de carbon  fiind înjumătăţită faţă de o încălzire doar cu gaz.
 
Tuburi de apă uzată cu schimbător de căldură integrat
 
În Kalundbord, Danemarca funcţionează trei pompe de căldură, fiecare de câte 3,3 megawatt, utilizând apă uzată cu temperaturi de 15-30°C, care provine dintr-o staţie de epurare, aceasta fiind răcită, în schimbătoare de căldură, cu 5°C. Cu ajutorul fiecărei din cele 3 pompe de căldură, în care agentul de lucru este amoniac, temperatura apei din circuitul de încălzire ajunge până la 80°C. Compresoarele fiecărei pompe sunt antrenate de câte patru motoare de 250-315-kilowatt fiecare. Aceste pompe asigură căldură a 4400 de familii care locuiesc în apartamente, respectiv în case individuale. 
 
Dar cel mai spectaculos exemplu pe această temă îl oferă celebrul hotel de 5 stele Carlton din St. Moritz/Elveţia. Hotelul dispune, pe lângă camerele “normale”, de 60 de suites de lux, şi de piscine indoor şi outdoor, precum şi de mai multe saune şi băi de abur, pentru care apă trebuie să fie circulată şi încălzită, ceea ce înseamnă un consum de energie de 800.000-kilowatt pe an, pentru care, într-o instalaţie de încălzire cu ardere, ar trebui să fie consumaţi 80.000 de litri de păcură. Soluţia salvatoare – pentru consum şi pentru aerul din St. Moritz – a fost, la reconstrucţia hotelului, în anul 2007, instalarea unei pompe de căldură care foloseşte propria apă reziduală a hotelului, din băi, şi piscine. 
 
Această apă este colectată într-un rezervor de beton de 25 de metri cubi, „lăsând“ acolo, prin schimbătorul de căldură,  3°C înainte de a fi trimisă în canalizare. Prin pompa de căldură acţionată, în acest caz, de un motor electric, pentru eliminarea completă a poluării sonore şi atmosferice în jurul hotelului, apa proaspătă este adusă la o temperatură de 60°C.
 
O asemenea soluţie ar putea fi aplicată pe scară foarte largă. Davos, unde a avut loc, în această săptămână, Forumul Economic Mondial, este situat la numai 34 de kilometri în linie directă de St.  Moritz! Acolo ar trebui discutat în fond, un plan de reciclare a unor asemenea forme de energie lângă orice fabrică şi lângă orice cartier de locuinţe din lume, aşa am ajunge la o reducere considerabilă şi a energiei consumate, dar şi a emisiilor de substanţe de tot felul în atmosfera terestră. 
 
Deocamdată, şi nu pentru prima dată, la Davos, unii, cei cu piedestal, lansează doar baloane colorate umplute cu gaze proaspete, iar alţii, care au nevoie de piedestal, împroaşcă în toate direcţiile cu gaze rău mirositoare.
 
Hotelul Carlton din St. Moritz, Elveţia, cu o pompă de căldură pe bază de apă uzată,  pentru încălzirea apei proaspete din băi, saune şi piscine
 
Mi-e dor de aer proaspăt, de apă proaspătă. 
 
Într-o bună zi îmi voi încropi o cabană de lemn, undeva sus, în Carpaţii noştri, pe care o voi alimenta cu căldură şi curent de la râul de alături: apa căzută din cascadă în turbină îmi va alimenta generatorul de curent şi compresorul pompei de căldură, mai în aval îi voi mai ciupi 3-4 grade pentru circuitul de încălzire din pompă. 
 

Adauga Comentariu

Pentru a comenta, alege una din optiunile de mai jos

Varianta 1

Autentificare cu contul adevarul.ro
Creeare cont

Varianta 2

Autentificare cu contul de Facebook
Logare cu pseudonim

54 Comentarii

silent warrior
26.01.2020, 06:40:00

Felicitari pentru articolele interesante si pline de optimism . Pacat ca se adreseaza celor putini. Nu numai pt ca iti trebuie o nota maricica la fizica , pentru a le intelege , ci si pt faptul ca din putinii care o au , sunt destui pe care subiectele nu-i intereseaza. Deocamdata ....

+12 (16 voturi)
aprozar
26.01.2020, 08:06:11

Va dati seama ca la migratori tot ce depaseste compotu de capsuni e SF .

-6 (10 voturi)
aprozar
26.01.2020, 08:04:47

Cornel Stan "dar fluxul de energie electrică îi este trimis de la o centrală termoelectrică, randamentele fiind, în funcţie de tipul acesteia – pe cărbune, cu gaz sau nucleară - de 25-50%." Asta-mi vine greu s-o cred . Am citit odata ca exista masini Jaguar cred sau Volvo care functionau cu o turbina de gaze pe post de motor hibrid . Deci inseamna ca turbinele centralelor termoelectrice trebuie sa aibe randament mai mare . Asta nemaipunand la socoteala ca incalzesc si orasele la care sunt arondate !

-7 (7 voturi)
aprozar
26.01.2020, 08:13:43

Cornel Stan "În acest fel, Diesel ajunge la un randament – adică lucru mecanic şi călduri folosite raportate la căldură dezvoltată prin ardere – de peste 90%, ajungând un concurent direct al motorului electric!" Pai da, dar motorul electric are el singur prin propriile forte 90% . Daca se mai pune si pompa de caldura ajunge la 500%, fara centrala termoelectrica evident .

-4 (4 voturi)
aprozar
26.01.2020, 08:24:14

Cornel Stan "Într-o bună zi îmi voi încropi o cabană de lemn, undeva sus, în Carpaţii noştri, pe care o voi alimenta cu căldură şi curent de la râul de alături: apa căzută din cascadă în turbină îmi va alimenta generatorul de curent şi compresorul pompei de căldură, mai în aval îi voi mai ciupi 3-4 grade pentru circuitul de încălzire din pompă." Si o sa va amortizati investitia in 100 ani . In schimb daca ne-ati spune cum sa ne facem noi o pompa de caldura de putere mare dintr-una de putere mica si ieftina , ne-ati salva si pe noi !

-4 (4 voturi)

Vezi toate comentariile (54)