Tehnologii Industriale

Cuprins 1. Procese tehnologice. Caracteristici tehnice şi economice ..........................

3

2. Automatizarea, cibernetizarea şi robotizarea proceselor tehnologice ..

29

3. Procese tehnologice din industria extractivă ................................................

61

4. Procese tehnologice de valorificarea a resurselor energetice .................

89

5. Materiale speciale ................................................................................................

137

6. Prelucrarea materialelor prin tehnologii neconvenţionale ..........................

172

7. Poluarea industrială ..............................................................................................

183

Studii de caz ..............................................................................................................

200

Teste de autoevaluare .............................................................................................

205

Bibliografie .................................................................................................................

209

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

CAPITOLUL 1 PROCESE TEHNOLOGICE CARACTERISTICI TEHNICE ŞI ECONOMICE CUPRINS 1.1. Criterii de clasificare a proceselor tehnologice 1.2. Variabile caracteristice proceselor tehnologice 1.3. Indicatori tehnico-economici folosiţi pentru aprecierea proceselor tehnologice 1.4. Bilanţul de materiale 1.5. Bilanţul energetic 1.1. Criterii de clasificare a proceselor tehnologice Tehnologia se ocupă cu studiul operaţiilor şi proceselor industriale prin intermediul cărora materiile prime sunt transformate în bunuri materiale necesare societăţii, pe baza unui proces tehnologic specific. Procesul tehnologic poate fi definit ca totalitatea operaţiilor concomitente sau ordonate în timp necesare pentru obţinerea unui produs prin sinteză, prelucrare sau asamblare. Succesiunea în timp a operaţiilor prin care se realizează procesul tehnologic se numeşte flux tehnologic. În cadrul unui proces tehnologic putem distinge: flux tehnologic principal şi flux tehnologic secundar. Fluxul tehnologic principal este format din faze principale de fabricaţie, care cuprind transformările materiei prime până la produsul finit (de ex., cărbuni → cocs; metan → amoniac, clorură de sodiu → sodă calcinată, lemn → cherestea etc.). Fluxul tehnologic secundar sau auxiliar, este format din faze secundare ale procesului tehnologic, care au drept scop prelucrarea produselor secundare rezultate din fazele principale, sau au rolul de a condiţiona materia primă sau produsele secundare (de ex., recuperarea produselor volatile rezultate la cocsificarea cărbunilor, prepararea aglomeratului autofondant pentru încărcătura furnalului etc.). Timpul necesar pentru ca materiile prime şi auxiliare să treacă prin toate operaţiile procesului tehnologic se numeşte ciclu de fabricaţie. Procesul tehnologic este alcătuit din faze de fabricaţie distincte, care conduc la un 3

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

produs intermediar sau finit. Faza de fabricaţie este alcătuită dintr-un grup de operaţii care, pornind de la o anumită materie primă (sau produs intermediar), printr-o anumită succesiune conduc la obţinerea unui produs intermediar sau a unui produs finit. Majoritatea proceselor tehnologice decurg în mai multe faze de fabricaţie distincte; acestea, la rândul lor sunt alcătuite din operaţii. Operaţiile pot fi specifice unui anumit domeniu, (ca de exemplu clorurarea, fermentarea ş.a.), sau nespecifice, deci operaţii care se regăsesc în mai multe domenii (de exemplu, încălzirea, răcirea, topirea, amestecarea etc.). Aceste operaţii se mai numesc şi operaţii unitare. Fazele unui proces tehnologic se reprezintă grafic sub formă de scheme de faze, iar operaţiile care formează fazele procesului tehnologic se reprezintă în scheme de operaţii, în succesiunea lor normală. Din punct de vedere al modificărilor la care sunt supuse materialele ce intră într-un proces tehnologic, operaţiile unitare se clasifică în operaţii fizico-mecanice, fizice şi chimice. Succesiunea aparatelor, a instalaţiilor, a agregatelor, a maşinilor corespunzătoare operaţiilor prin intermediul cărora se desfăşoară în condiţii optime procesul tehnologic formează schema tehnologică a instalaţiei, sau a procesului respectiv. Operaţiei principale din cadrul unui proces tehnologic îi corespunde un utilaj principal sau de bază; în funcţie de capacitatea de producţie a acestuia se stabileşte capacitatea de producţie a întregii instalaţii. Clasificarea proceselor tehnologice Procesele tehnologice se pot clasifica după următoarele criterii: a) din punct de vedere al tehnicii de lucru: procese manuale, mecanizate, automatizate, cibernetizate, robotizate; b) din punct de vedere al naturii fenomenelor care au loc în timpul desfăşurării procesului tehnologic: procese fizice, procese chimice, procese biologice; procese combinate, care conţin operaţii fizice, chimice şi biologice; c) din punct de vedere al desfăşurării în timp sau al regimului de lucru se disting: procese discontinue, continue, combinate şi ciclice. Procesul discontinuu sau periodic, se caracterizează prin faptul că instalaţia (utilajul principal) se alimentează cu o anumită cantitate de materiale (şarjă) care, după ce este prelucrată, este descărcată (evacuată) după un anumit timp. După încheierea ciclului de fabricaţie, operaţia se repetă (de ex. elaborarea oţelului în convertizorul LD, coacerea formelor crude în cuptor pentru obţinerea cărămizilor, sau a plăcilor ceramice ş.a.). În procesele discontinue, fazele de fabricaţie utile sunt doar acelea în care se efectuează transformările propriu-zise şi care au o durată bine determinată în funcţie de regimul de lucru specific fiecărui proces. Durata celorlalte faze secundare, premergătoare şi ulterioare, poate varia în funcţie de aparatura utilizată şi de condiţiile de lucru, cât şi de calificarea personalului. Din punct de vedere economic, pentru creşterea productivităţii muncii, durata acestor faze trebuie să fie minimă. Pe baza unui calcul tehnico-economic se dimensionează instalaţiile auxiliare (pompe, conducte, staţii de producere a frigului etc.) şi se stabileşte un grad maxim de utilizare a acestora astfel 4

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

încât, decalate în timp, să servească mai multe instalaţii sau operaţii. Prin dimensionarea tehnologică corespunzătoare se poate ajunge la o funcţionare continuă a acestor instalaţii. În cazul proceselor discontinue, utilajul de bază (convertizorul LD, cuptorul etc.) este cel mai costisitor, iar reducerea duratei ciclului de fabricaţie prezintă o importanţă economică deosebită. Procesul tehnologic continuu se caracterizează prin simultaneitatea desfăşurării tuturor stadiilor sale. Materia primă se încarcă continuu pe măsura eliminării unei cantităţi corespunzătoare de produs finit din instalaţie. Astfel funcţionează furnalul - în procesul de elaborare a fontei de primă fuziune, instalaţia de fabricare a cimentului; instalaţiile de distilare a ţiţeiului, majoritatea instalaţiilor din industria chimică, unele instalaţii de asamblare etc. Regimul de funcţionare continuu decurge fără acumulări de materiale sau energie şi prezintă următoarele avantaje: - posibilitatea realizării unei mecanizări şi automatizări complete a procesului, ceea ce permite reducerea la minimum a muncii manuale şi creşterea productivităţii; - omogenitatea din punct de vedere calitativ a produselor obţinute; - sporirea calităţii produselor finite (de ex., turnarea continuă în comparaţie cu turnarea clasică a oţelurilor); - utilajele sunt mai compacte, spaţiile construite se micşorează, ceea ce permite reducerea investiţiilor şi a cheltuielilor de reparaţii şi întreţinere; - reducerea timpului, deci creşterea producţiei în unitatea de timp. Procesele combinate sau semicontinue se caracterizează prin faptul că o parte din instalaţie funcţionează în regim discontinuu, iar cealaltă în regim continuu (de ex., cocsificarea cărbunilor se realizează discontinuu, iar prelucrarea produselor volatile se realizează în instalaţii cu funcţionare continuă). Procesele ciclice se caracterizează prin faptul că materiile prime netransformate (nereacţionate) la o trecere prin instalaţia tehnologică sunt recirculate în instalaţie cu o nouă cantitate de materie primă proaspătă (fig.1.1.). Aceste procese se întâlnesc în industria chimică, tratarea apelor reziduale şi recircularea apei epurate etc.

Materie primă

Proces tehnologic

Produs impurificat

Separare

Produs finit

materie primă recirculată

Fig.1.1. Schema unui proces tehnologic ciclic.

d) Procesele tehnologice se pot clasifica şi din punct de vedere al scopului urmărit, respectiv al participării la transformarea materiei prime în produs finit, după cum urmează: 5

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

procese de bază - care constau în însăşi transformarea materiei prime în produs finit, pe fluxul tehnologic principal (de ex., elaborarea fontei de primă fuziune în furnal, obţinerea sodei prin procedeul Solvey etc.); - procese auxiliare - care sunt realizate în scopul asigurării condiţiilor optime de desfăşurare a proceselor de bază, fără a participa direct la transformarea materiei prime în produs finit (de ex., preîncălzirea aerului înaintea intrării în focar, procesele de automatizare, alimentarea unor instalaţii cu apă demineralizată etc.); - procese de deservire - care au drept scop deservirea proceselor tehnologice de bază şi a proceselor auxiliare (de ex., transportul materiei prime, a materialelor auxiliare, a produselor finite; întreţinerea şi repararea utilajelor; controlul calităţii materiilor prime şi a produselor finite etc.). Suma proceselor tehnologice de bază, a proceselor auxiliare şi de deservire, care concură la obţinerea unui produs finit reprezintă procesul de producţie. e) După nivelul dezvoltării tehnologice, procesele tehnologice se clasifică în: - cu tehnologii emergente, relativ recente, ce nu şi-au dovedit viabilitatea pe piaţă. Comportă riscuri, pot fi neprofitabile, dar reprezintă o rezervă tehnologică ce poate fi perfecţionată pentru valorificare; - cu tehnologii evolutive, ce s-au impus prin performanţele lor şi profit. Prezintă cel mai mare interes pe piaţă; - cu tehnologii mature, cunoscute şi aplicate de mai mulţi ani, cu rezultate satisfăcătoare. Reprezintă "zestrea " tehnologică a unei întreprinderi, care susţine financiar activitatea şi dezvoltarea acesteia. Multe tehnologii actuale sunt variante perfecţionate ale unor tehnologii mature; - cu tehnologii în declin, ce coexistă în paralel cu alte tehnologii concurente, performante. Performanţele reduse impun înlocuirea lor; - cu tehnologii depăşite, cu calitate scăzută a produselor şi costuri mari de producţie. De exemplu, procedeul de fotolitografiere utilizat pentru fabricarea circuitelor integrate este un procedeu socotit matur, cu diferite variante ce îl fac evolutiv, iar utilizarea laserului pentru deschiderea de ferestre este un procedeu emergent. Produse În urma desfăşurării proceselor productive rezultă bunuri materiale denumite produse, care pot fi: produse principale - cele care constituie obiectivul principal al procesului tehnologic şi produse secundare - care rezultă din fabricaţie în mod inevitabil fără să constituie un obiectiv special (de ex., în procesul de cocsificare al cărbunilor produsul principal este cocsul care trebuie să corespundă din punct de vedere calitativ anumitor norme; în paralel însă se obţin şi o serie de produse secundare: gudroane, ape amoniacale, gaze de cocserie care se valorifică integral). Valorificarea produselor secundare prezintă eficienţă economică şi constituie o utilizare complexă a materiei prime cu pierderi minime de substanţe utile. Valorificarea acestora poate constitui, în unele cazuri, o rezervă internă de materiale şi este o cale de reducere a costurilor producţiei. Aceasta se poate realiza fie chiar în cadrul procesului tehnologic din care au rezultat, fie în alte domenii industriale, ca materiale auxiliare. Produsele secundare care nu se pot utiliza sub nici o formă poartă denumirea de 6

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

reziduuri şi este indicat ca acestea să se neutralizeze (dacă este cazul) şi să se depoziteze astfel încât valoarea conţinută în ele să poată fi recuperată când există bază tehnologică corespunzătoare. În funcţie de stadiul de prelucrare în care se găsesc produsele într-o instalaţie industrială, acestea pot fi: - produse brute - produse care nu pot fi utilizate ca atare, întrucât mai necesită operaţii de condiţionare, purificare sau finisare; - produse semifabricate - rezultate în unele etape intermediare ale procesului tehnologic, care pot fi utilizate în continuare la o altă etapă a procesului tehnologic sau care reprezintă materie primă pentru o altă fabricaţie (de ex., ţagle rotunde - pentru fabricarea ţevilor prin laminare); - produse finite - produse obţinute în ultima etapă a procesului tehnologic, finisate, corespunzătoare din punct de vedere calitativ normelor de utilizare. Produsele finite trebuie să corespundă din punct de vedere calitativ anumitor condiţii stabilite prin norme speciale cuprinse în standarde, norme interne şi caiete de sarcini. În cazul în care acestea nu corespund condiţiilor de calitate ele constituie rebuturi. Din punct de vedere al posibilităţilor de utilizare, rebuturile pot fi: recuperabile şi nerecuperabile, când constituie o reală pierdere de materie primă. Valorificarea produselor secundare, conducerea proceselor tehnologice la parametri optimi, astfel încât cantitatea de produse secundare şi de rebuturi să fie minimă trebuie să fie permanent în atenţia tehnicianului şi economistului, pentru reducerea consumurilor specifice de materii prime, auxiliare şi energie şi deci pentru reducerea costurilor de producţie. 1.2. Variabile caracteristice proceselor tehnologice Fiecare proces tehnologic se desfăşoară în instalaţii, ce se pot caracteriza prin intrări şi ieşiri de materiale, energie şi informaţii. Materialele suferă procese de transformare chimică, fizică sau biologică, precum şi acţiuni perturbatoare care sunt compensate prin mărimi de comandă, în cadrul legăturii funcţionale de tipul: xe = f (xi, xp, i, e)

(1.1)

în care: xe - mărimea variabilelor de ieşire (produs finit); xi - mărimea variabilelor de intrare (materii prime, forme de energie, materii auxiliare); i, e - variabile de comandă. Aşadar, orice proces tehnologic este caracterizat prin factori, sau variabile, ce intervin la intrarea şi ieşirea din proces, sau pe parcursul procesului. Variabilele caracteristice proceselor tehnologice pot fi: variabile independente (comandabile xi şi necomandabile xp) şi variabile dependente (de performanţă xep, intermediare xei). Variabile independente (de intrare) Variabile independente comandabile, xi sunt acele mărimi ce pot fi modificate de operator în sensul şi la valoarea dorită, astfel încât să fie atinse performanţele de calitate, 7

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

cantitate, profit etc. (de ex., debit de materie primă, materiale auxiliare, temperatură, presiune, viteză liniară, sau de rotaţie etc.). Variabile necomandabile xp (perturbaţii) sunt mărimi ce nu pot fi modificate de operator în vederea conducerii procesului în modul dorit, acestea având caracter aleator. Variabilele necomandabile sau perturbaţiile provin de la: materiile prime şi auxiliare, mediul ambiant, starea utilajului, factorii economice, sociali şi politici. Materii prime şi auxiliare constituie una din sursele perturbatoare posibile ale proceselor tehnologice. Ele intervin prin calitate, compoziţie, accesibilitate, cost, determinând într-o măsură hotărâtoare indicii calitativi şi cantitativi ai producţiei industriale. Materiile prime sunt materiale ce se regăsesc în produsul finit, în timp ce materialele auxiliare nu se regăsesc. Ele pot fi naturale, semifabricate industriale, sau din agricultură. Cele naturale şi din agricultură sunt: minerale şi roci (hidrocarburi fluide, gaze, minereuri, sare etc.), vegetale (fibre, grăsimi, cereale etc.) şi animale (grăsimi, fibre etc.). Prin procese fizice, fizico-chimice, chimice şi biochimice, materia primă naturală poate fi transformată în produse finite sau în alte materii prime. Neomogenitatea compoziţiei şi a structurii materiei prime naturale minerale provoacă dificultăţi tehnice, perturbaţii care implică crearea unui regim tehnologic uniform şi conducerea acestuia la parametrii optimi, prin modificarea unor variabile de intrare şi chiar de ieşire (respectiv de performanţă). Materiile prime minerale sunt epuizabile, nu se pot reînnoi ca materiile prime vegetale şi animale şi din această cauză este necesară economisirea acestor resurse. Mediul ambiant constituie o a doua sursă de perturbaţii a proceselor tehnologice. Variabile ca temperatura, umiditatea, viteza vântului, cantitatea de precipitaţii, cutremurele şi uneori chiar presiunea atmosferică influenţează sensibil desfăşurarea proceselor tehnologice la parametrii optimi. De ex., efectul perturbator al temperaturii ambiante se reflectă ca o modificare a temperaturii apei şi a aerului, utilizaţi apoi ca agenţi de transfer termic. Starea utilajului se manifestă ca efect perturbator în desfăşurarea proceselor tehnologice la parametrii optimi, prin modificarea coeficienţilor de transfer termic datorită depunerilor, modificarea regimurilor de curgere, modificarea suprafeţelor de contact datorită uzurilor etc. Factorii economici intervin ca variabile aleatorii, necomandabile, în majoritatea proceselor tehnologice (de ex., costul materiilor prime, a materialelor auxiliare, al energiei, cât şi preţul de vânzare al produselor, factori ce se pot modifica în timp în funcţie de diferite conjuncturi economice). Pentru a se obţine un efect economic în permanenţă pozitiv, întreprinderea este obligată ca în urma prospectării pieţei să-şi modifice programul de producţie (consumuri specifice, parametrii etc.) şi ca atare şi procesul tehnologic. Factorii sociali (calificarea forţei de muncă, conflicte de muncă), politici (conflicte internaţionale etc.) pot de asemenea perturba o activitate productivă industrială. Variabile dependente (de ieşire) Variabilele dependente de performanţă (xep) sunt variabile care servesc direct la 8

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

aprecierea performanţelor economice şi tehnice ale procesului tehnologic, ca de exemplu: profitul, costul de producţie, productivitatea, randamentul în produs, cantitatea produselor principale, cantitatea produselor secundare, calitatea produselor rezultate, protecţia oamenilor şi a mediului. În conducerea proceselor tehnologice este necesară modificarea variabilelor comandabile, astfel încât, în condiţiile acţiunii perturbaţiilor (xp) să se obţină valori optime pentru variabilele de performanţă. Variabilele dependente intermediare (xei) sunt acele variabile din cadrul procesului, care servesc la constatarea efectului modificării variabilelor independente, înainte ca acest efect să se facă resimţit total sau parţial asupra variabilelor de performanţă. Asemenea variabile sunt, de exemplu: temperaturile şi presiunile din interiorul unor instalaţii, compoziţia produselor la ieşirea din anumite utilaje intermediare (gradul de transformare a materiilor prime în produse) etc. În cazul în care dependenţa dintre variabilele de performanţă şi variabilele intermediare nu este cantitativ exprimată cu precizia necesară, variabilele intermediare pot constitui un indicator important în operaţia de corectare a variabilelor comandabile. În concluzie, factorii care determină desfăşurarea proceselor la parametrii optimi şi care reprezintă variabilele necesare pentru întocmirea modelelor matematice ale acestora sunt: calitatea şi consumul de materii prime, auxiliare, energie; randamentul, conversia, calitatea produsului finit, intensitatea procesului de producţie, determinat de parametrii specifici, menţinuţi în limitele optime menţionate prin proiectul tehnologic, investiţiile necesare producţiei, costul produselor finite, beneficiul, calitatea mediului. 1.3. Indicatori tehnico-economici folosiţi pentru aprecierea proceselor tehnologice Indicatorii tehnico-economici folosiţi pentru aprecierea proceselor tehnologice sunt mărimi scalare, care caracterizează o substanţă, un dispozitiv, un sistem tehnic sau un proces tehnologic, din punct de vedere tehnic şi economic. Aceştia reprezintă mărimi caracteristice producţiei unei întreprinderi, folosite în compararea rezultatelor activităţii acesteia cu întreprinderi de profil, din ţară sau din alte ţări, pentru urmărirea producţiei în timp, pentru calcularea aprovizionării cu materii prime, materiale, utilităţi, energie, combustibil, pentru estimarea producţiei etc. După natura mărimilor din care derivă, indicatorii tehnico-economici sunt: de consum, de utilizare, de calitate, de mecanizare. 1.3.1. Indicatori de consum Indicatorii de consum cuprind în principal consumurile specifice, randamentele, extracţia cantitativă. 1. Consumuri specifice Consumurile specifice reprezintă cantitatea de materii prime sau de materiale, combustibil, energie necesară/utilizată pentru obţinerea unei unităţi de produs. În anumite situaţii, deşi unităţile de măsură sunt identice, acestea nu pot fi simplificate 9

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

deoarece se referă la produse/instalaţii diferite. De exemplu, g/g, kg/kg, t/t, t/m3, l/g, kWh/kg, kg/bucată, m/bucată etc. Consumurile specifice de materii prime reprezintă cantitatea de materii prime necesare pentru obţinerea unei unităţi de produs finit, de exemplu: C sp =

3 tone minereu tone fontã m metan ; C sp = ; C sp = 3 tona fontã tona otel m acetilenã

(1.2)

Consumul specific de materiale auxiliare reprezintă cantitatea de materiale auxiliare necesare pentru obţinerea unei unităţi de produs finit: Csp =

m 3 dioxid de carbon m 3 gaz de sintezã

(1.3)

Consum specific energetic reprezintă cantitatea de energie consumată pentru unitatea de produs finit, de exemplu: C sp =

kWh kWh kWh ; C sp = 3 ; C sp = tona otel electric tona NaOH m acetilenã

(1.4)

În această categorie sunt incluse toate formele de energie utilizate pentru desfăşurarea procesului tehnologic. Consumurile specifice de utilităţi generale (abur, apă, aer tehnic, gaz inert) C sp =

3 3 m apã rãcire Nm azot ; = C sp 3 tona cocs m gaz de sintezã

(1.5)

În funcţie de modul de determinare a consumului specific se deosebesc: consum specific teoretic (net); norma de consum; consum specific practic (real). a) Consumul specific teoretic ( Cspt ) reprezintă cantitatea minimă (teoretică, în fapt) de materii prime, materiale auxiliare, utilităţi, combustibili şi energie necesară pentru obţinerea unităţii de produs. În calcul nu se au în vedere pierderile de fabricaţie, toleranţa maşinilor, gradul de transformare al reactanţilor. Se determină din calcule stoechiometrice, pe bază unor considerente teoretice, a geometriei pieselor etc. b) Norma de consum ( Cspn ) reprezintă limita maximă admisă a consumului de materii prime, materiale auxiliare, combustibil, energie. Norma de consum se stabileşte utilizând: - calcule tehnico-analitice pe baza desenului tehnic, a fişei tehnologice, a reţetei de fabricaţie etc.; - experimentări în laborator sau în producţie, în condiţii asemănătoare; - metode statistice de calcul bazate pe realizările anterioare la care se aplică corecţii de reducere. Practic, norma de consum este egală cu consumul specific teoretic, la care se 10

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

adaugă pierderile tehnologice/unitate de produs. Pierderile tehnologice se referă la materii prime, materiale auxiliare, combustibil, energie, pierdute în mod inevitabil în timpul procesului respectiv. Pe lângă acestea se înregistrează şi pierderi netehnologice din alte cauze, excluzând cele legate de tehnologie. Normele de consum servesc la proiectarea unei instalaţii şi apoi la calcularea fluxului de materiale pentru realizarea aprovizionării tehnico-materiale. c) Consum specific practic ( Cspp ) reprezintă valoarea realizată în activitatea de producţie, fiind influenţată de: calitatea materiilor prime, a materialelor, de nivelul tehnic al instalaţiei, calificarea forţei de muncă şi de unii factori aleatori (pierderi la transport, la depozitare etc.). Aşadar, consumul specific practic reprezintă suma dintre norma de consum şi pierderile totale/unitate produs. Între cele trei tipuri de consumuri specifice există următoarea dependenţă: Cspt ≤ C spn ≤ Cspp

(1.6)

Dacă Cspp ≤ Cspn , se economisesc materii prime, materiale, combustibil, energie, cu consecinţe favorabile în privinţa reducerii cheltuielilor de producţie şi creşterea profitului. Raportul dintre consumul specific teoretic şi cel practic defineşte gradul de utilizare al materiei prime, materialului, combustibilului, energiei: U=

C spt C spp

⋅100 ,

(%)

(1.7)

2. Randamentul în produs reprezintă gradul de utilizare al materiei prime şi este dat, în principiu, de raportul exprimat procentual, dintre cantitatea de produs practic obţinut şi cantitatea maximă, teoretică de produs care s-ar fi putut obţine din materia primă respectivă în cazul conducerii optime a procesului (fără pierderi). Randamentul se exprimă în mod diferenţiat, în funcţie de tipul proceselor tehnologice. Pentru procese cu transformări chimice, randamentul este dat de raportul dintre masa de produs obţinut în mod practic (mp) şi masa de produs care ar fi trebuit să se obţină în mod teoretic (mt) şi care rezultă din calcule stoechiometrice: η=

mp mt

⋅100 ,

(%)

(1.8)

unde mp < mt. Din cauza pierderilor, randamentul este sub 100%. Cu cât valoarea acestuia se apropie mai mult de 100%, cu atât procesul este mai perfecţionat, consumul de materii prime mai mic şi, în consecinţă, costul produsului finit mai scăzut. În cazul proceselor tehnologice chimice care se desfăşoară conform unor reacţii chimice reversibile (A + B ↔ R + S), transformarea realizată la o singură trecere prin 11

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

coloana de sinteză este numită "conversie" şi este dată de următoarea relaţie: Conversia =

moli materie transformatã ⋅100 , moli materie primã introdusã

(%)

(1.9)

Astfel, conversia, în cazul procesului de sinteză a amoniacului din elemente, este de 15-18% şi pentru a se ajunge la un grad de transformare a materiei prime ridicat (85-90%) se procedează la recircularea materiilor nereacţionate (proces cu recirculare). Pentru industria prelucrătoare randamentul se exprimă prin raportul procentual dintre cantitatea de materie primă necesară în mod teoretic (mt) pentru obţinerea unui produs şi cantitatea de materie primă efectiv utilizată în procesul de producţie (mp): η=

mt ⋅100 , mp

(%)

(1.10)

unde mp < mt (la prelucrări fizice materia primă are dimensiuni mai mari decât produsul finit datorită prezenţei adaosului de prelucrare. Pentru sectorul energetic, randamentul se exprimă cu relaţia: η=

Eu ⋅100 , Ec

(%)

(1.11)

unde: Eu = energia efectiv obţinută (energia utilă); Ec = energia totală disponibilă dată de sursă (energia consumată). În cazul în care procesul de fabricaţie constă din mai multe faze, şi fiecărei faze îi corespunde un anumit randament, randamentul total (ηtotal) pentru întregul proces se determină cu relaţia: n

ηtotal = ∏ηi

(1.12)

i =1

în care: η1, η2, η3, ……ηi = randamentele diferitelor faze ale procesului. Randamentul optim se obţine prin respectarea tuturor condiţiilor tehnice şi economice prescrise pentru procesul tehnologic. 1.3.2. Indicatori de utilizare Indicatorii de utilizare caracterizează eficacitatea şi gradul de folosire judicioasă a instalaţiilor şi utilajelor. Pot fi de utilizare intensivă şi de extensivă. a) Indicatorii de utilizare intensivă apreciază modul în care este utilizată capacitatea de producţie a unui utilaj şi se referă fie la cantitatea de produse realizate, fie la cantitatea de materie primă prelucrată cu un utilaj (instalaţie) într-o anumită perioadă (unitate) de timp. Sub acest aspect, o importanţă majoră o prezintă gradul de utilizare a capacităţii de producţie şi producţia specifică Psp. Capacitatea de producţie (Cp) este principala caracteristică a aparatelor, utilajelor şi instalaţiilor şi reprezintă producţia maximă pe care o poate da un utilaj sau o instalaţie, 12

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

în condiţiile exploatării optime, într-o anumită perioadă de timp (oră, zi, an). Se exprimă fie prin cantitatea de materiale intrate în fabricaţie în unitatea de timp, fie prin cantitatea de materiale obţinute din fabricaţie (P) în unitatea de timp (Ta): Cp =

P , Ta

(tone/an)

(1.13)

Capacitatea de producţie depinde de dimensiunile utilajelor şi de viteza cu care se desfăşoară procesul respectiv; în majoritatea cazurilor; cu cât dimensiunile utilajelor sunt mai mari şi viteza procesului este mai mare, cu atât capacitatea de producţie a acestora este mai mare. Tehnologia oferă câteva modalităţi de utilizare intensivă a capacităţii de producţie, prin: aplicarea procedeelor şi tehnicilor celor mai avansate, prin automatizarea şi cibernetizarea proceselor tehnologice, prin controlul riguros al producţiei, respectarea parametrilor tehnologici, respectarea condiţiilor de calitate a produselor etc. Gradul de utilizare a capacităţii de producţie se calculează raportând producţia reală în unitatea de timp la capacitatea de producţie: U=

Prealã ⋅100 , Ta ⋅ C p

(%)

(1.14)

Un grad redus de utilizare al capacităţii de producţie (de exemplu de 40%) indică lipsa contractelor, sau uzura utilajelor, calificarea necorespunzătoare a forţei de muncă, aprovizionare defectoasă, discontinuităţi în activitate etc. Producţia specifică (Psp) este capacitatea de producţie a unei maşini, utilaj, agregat etc., raportată la o caracteristică constructivă importantă ce caracterizează aparatul, utilajul sau maşina respectivă: Psp =

P Cp = Ki T a ⋅ Ki

(1.15)

unde: Ki = caracteristică specifică utilajului respectiv, (de exemplu, m3 volum reactor, m2 suprafaţa unui cuptor tip tunel, sau chiar număr de maşini ce efectuează aceeaşi operaţie etc.). Pentru mărirea producţiei specifice este necesară reducerea caracteristicei tehnice (volumul utilajului sau gabaritul acestuia); în mod corespunzător vor fi mai mici cheltuielile pentru exploatarea utilajului, acesta se poate controla şi conduce mai bine, se amplasează în încăperi de dimensiuni mai reduse, scad cheltuielile de reparaţii şi întreţinere etc. b) Indicatorii de utilizare extensivă arată cât timp a funcţionat utilajul respectiv faţă de întregul interval de timp de care se dispune. Notând cu Ta - timp de activitate şi Tcal - timp calendaristic, se obţine: 13

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

T a ⋅ 100 , I ue = T cal

(%)

(1.16)

Din diferenţa dintre timpul calendaristic şi cel de activitate se obţine timpul de inactivitate (Tin): Tin = Tcal - Ta

(1.17)

Prin raportarea timpului de inactivitate la timpul calendaristic, se obţine indicele de inactivitate (Kin): T cal - T a ⋅ 100 , Ki n = T cal

(%)

(1.18)

Cheltuieli

1.3.3. Indicatori de calitate Calitatea este o noţiune complexă, ce se referă la un proces, produs, fenomen etc. Calitatea are un caracter dinamic, cu un grad mare de generalizare. Calitatea producţiei se exprimă prin randamente, consumuri specifice, indicatorii de utilizare intensivă şi extensivă, grad de mecanizare, automatizare, cibernetizare, robotizare, cheltuieli de întreţinere, protecţia mediului, a oamenilor etc. Condiţiile de calitate corespunzătoare fiecărui produs sau materie primă sunt prevăzute în standarde, în norme interne (NI) sau în caiete de sarcini. Calitatea unui produs se exprimă prin caracteristici: - tehnice: concepţie constructivă, execuţie, parametrii de lucru, nivel tehnic; - economice: preţ, greutate, consumuri specifice, termen de garanţie, finisare, ambalare; - estetice şi organice: formă, culoare, design, comoditate în utilizare, confort, ambianţă etc.; - fiabilitate; - mentenabilitate, respectiv uşurinţa de întreţinere. Calitatea unui produs se impune încă din faza de proiectare. Urmează faza de

50

Calitate

Fig.1.2. Variaţia cheltuielilor cu creşterea calităţii produsului finit. 100 %

fabricaţie, etapă importantă de realizare a calităţii produsului, ţinând cont de calitatea materiilor prime, auxiliare, funcţionarea instalaţiei la parametrii optimi, conducerea instalaţiei de către un personal calificat. După executare, produsul este livrat beneficiarului, direct sau prin intermediari. În această fază, calitatea produsului este 14

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

influenţată de calitatea depozitării, a transportului şi a altor activităţi. Creşterea calităţii produselor implică creşterea costurilor în cele trei faze menţionate, ceea ce afectează în final preţul produsului. În fig.1.2. se prezintă variaţia costului de producţie cu creşterea calităţii produsului. Costul de producţie creşte exponenţial cu sporirea calităţii. De exemplu, costul cuprului rafinat electrolitic la puritatea de 99,8%, creşte de 3 ori faţă de cel rafinat termic, de puritate 95-98%. Problema calităţii, pentru fiecare unitate economică se identifică cu stabilirea unui raport optim: calitate/preţ, în condiţii de solicitare crescândă a creşterii calităţii produselor. Tehnicile şi mijloacele de estimare cantitativă a calităţii produselor fac obiectul CALIMETRIEI. În cadrul calimetriei se realizează o estimare şi o ierarhizare a caracteristicilor funcţionale ale produsului, pornindu-se de la următoarele considerente generale: - caracteristicile unui produs nu au importanţă egală în deţinerea calităţii, de aceea estimarea fiecăruia trebuie corectată cu un coeficient de ponderare (Pi); - suma ponderilor atribuite caracteristicilor unui produs trebuie să fie întotdeauna constantă; - pentru corectarea acestor indici se utilizează aceeaşi scală. Pe baza principiilor menţionate, calitatea unui produs se poate exprima şi ca o medie ponderată a unor indici de calitate Ki, convertiţi la aceeaşi scală. Scala se referă la un nivel maxim obţinut pe plan mondial, sau la nivelul obţinut în alte întreprinderi similare. Indicatorul global de calitate (Qglobal) poate fi exprimat prin relaţia: n

Q global =

¦

K i Pi

(1.19)

i=1

unde: n - numărul caracteristicilor luate în considerare; Ki - indicele de calitate al caracteristicii i; Pi - ponderea atribuită caracteristicii i. Indicatorul de concordanţă arată în ce măsură un produs corespunde funcţiei pentru care a fost creat. În calimetrie, indicii care permit compararea în mod obiectiv a două procedee cu funcţii similare se cunosc sub denumirea de indici de referinţă şi se determină cu relaţia: n

Qr = ¦ i=1

C ⋅ Pi C′

(1.20)

unde: Qr - indice de referinţă; C şi C' - valoarea aceleiaşi caracteristici, i, pentru două produse; Pi - ponderea cu care caracteristica participă la întregirea produsului respectiv. 1.3.3.1. Fiabilitatea Fiabilitatea reprezintă probabilitatea ca produsul să-şi îndeplinească misiunea prescrisă cel puţin un timp dat (to) în condiţii de utilizare "specifice", respectiv: R(to) = Prob {T ≥ to}

(1.21) 15

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

unde: R(to) - funcţia de supravieţuire (de fiabilitate), sau probabilitatea ca T să ia cel puţin valoarea to ; T - variabilă aleatoare care descrie comportamentul în funcţionare al produsului. Creşterea siguranţei în exploatare, componentă importantă a calităţii, se exprimă prin fiabilitate. Industria modernă a trebuit să se adapteze rapid solicitărilor crescânde de calitate, punând în mod expres problema furnizării de produse (componente, subansamble, sisteme etc.) cu o durabilitate şi fiabilitate dată, astfel încât cerinţele de înlocuire să poată fi satisfăcute în mod economic. În prezent există posibilitatea stabilirii ştiinţifice, pe baza unor considerente tehnice, economice şi statistico-matematice a modului în care pot fi puse în echilibru calitatea intrinsecă (cu aspectul ei fiabilistic), performanţele produsului şi costul acestuia. Se pune tot mai mult accentul pe activitatea de proiectare şi de investigare amănunţită a condiţiilor de mediu şi utilizare în care produsul considerat va fi necesar să-şi îndeplinească misiunea pentru care a fost creat. În acelaşi timp, trebuie să se aibă în vedere variabilitatea incorporată atât în procesul de producţie, cât şi în procesul de utilizare, fapt care conduce la variabilitatea caracteristicilor calitative intrinseci, precum şi a celor legate de performanţele produsului. În această abordare, apar următorii factori care intervin în definirea cantitativă a fiabilităţii: - factorul probabilistic generat de natura aleatoare (întâmplătoare) a comportării produsului în exploatare, la care se adaugă "încărcarea genetică aleatoare" a produsului, moştenită în decursul procesului de proiectare şi respectiv de producţie; - timpul-factor de raportare a îndeplinirii misiunii; - misiunea efectivă, definită prin specificaţii tipice de performanţe; - condiţiile de exploatare (de mediu) pentru care produsul a fost în mod expres destinat să-şi îndeplinească misiunea prescrisă. Valoarea fiabilităţii depinde de condiţiile de exploatare, de uzura instalaţiei, mărimea intervalului de timp pentru care se calculează, de complexitatea produsului, a sistemului. Pentru un produs complex, fiabilitatea rezultă din produsul fiabilităţilor fiecărui component. Fiabilitatea diferă în funcţie de condiţiile procesului tehnologic (mediu corosiv, agresiv etc.), de complexitatea instalaţiei, probleme sociale. Pentru asigurarea fiabilităţii pe ansamblul unei instalaţii se apelează la existenţa unor piese, subansamble, utilaje de schimb similare, sau chiar la linii tehnologice similare, montate în paralel cu cele în funcţiune (instalaţii de rezervă). Creşterea fiabilităţii atrage creşterea investiţiei, deci şi a amortizării ei, dar şi scăderea cheltuielilor de întreţinere a instalaţiei (fig.1.3.). Cheltuielile totale, rezultate ca sumă a cheltuielilor cu amortizărilor şi cu reparaţiile/întreţinerile înregistrează un minim corespunzător unei anumite fiabilităţi. Este posibil ca la valoarea minimă a cheltuielilor să se obţină o fiabilitate scăzută. Pentru creşterea fiabilităţii este necesară creşterea cheltuielilor totale, în special pe seama cheltuielilor de amortizare. În practică, se ţine seama şi de cheltuielile înregistrate de beneficiar prin 16

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

nefuncţionarea utilajului (sistemului), astfel încât se acceptă o zonă optimă de fiabilitate şi nu un punct. 1.3.3.2. Mentenabilitatea Mentenabilitatea este definită ca aptitudinea unui dispozitiv de a fi menţinut, sau restabilit în sfera de a-şi îndeplini funcţia specificată, atunci când mentenanţa se efectuează în condiţii date cu procedee şi remedii prescrise. Mentenanţa este formată din ansamblul tuturor acţiunilor tehnice şi organizatorice care le sunt asociate, efectuate în scopul menţinerii sau restabilirii unui dispozitiv în starea de a-şi îndeplini funcţiile prevăzute.

3 4

2

Fig.1.3. Variaţia costurilor în funcţie de fiabilitate: 1

1-cheltuieli de producţie; 2-cheltuieli de întreţinere; 3-cheltuieli totale; 4-interval de optim fiabilitate-cheltuieli.

Mentenanţa poate avea: - caracter preventiv, atunci când se efectuează la intervale de timp prestabilite, având scopul reducerii probabilităţii defectării (riscului) sau degradării produsului; - caracter corectiv, când este efectuată după apariţia unei defectări, având scopul restabilirii capacităţii de funcţionare. Caracterul preventiv al mentenanţei se realizează prin reparaţii efectuate la termenele planificate şi pentru preîntâmpinarea avariilor, sau a funcţionării defectuase a utilajelor. Reparaţiile cu caracter preventiv sunt: curente, mijlocii, capitale şi accidentale. Reparaţiile curente (RC) includ activităţi de curăţire, reglaj, repararea şi înlocuirea unor componente cu uzură fizică accelerată, sau supuse la solicitări puternice. Acestea se mai numesc uneori şi revizii tehnice. Reparaţiile mijlocii (RM) sau intermediare au ca obiectiv înlocuirea componentelor cu uzură normală, într-un volum şi o amploare ce depăşesc reparaţiile curente. Reparaţiile capitale (RK) cuprind revizuirea completă a utilajelor, demontarea completă a tuturor părţilor, verificarea tuturor punctelor ce pot genera căderi, înlocuiri 17

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

masive a pieselor care s-au uzat, ori şi-au epuizat "resursa" de funcţionare. Reparaţiile accidentale (RA) au menirea să refacă capacitatea de funcţionare în urma unei avarii sau căderi. Funcţia de mentenabilitate a unui produs în intervalul de timp (0, t) se exprimă prin relaţia: G(t) = P (T < t)

(1.22)

în care; T - variabila aleatoare - "timp de restabilire" a unui produs în caz de defectare; G(t) - probabilitatea ca produsul să fie restabilit în intervalul de timp (0, t). Intervalul dintre două reparaţii capitale consecutive, exprimat în ore poartă numele de ciclu total de funcţionare. Ansamblul acţiunilor de refacere a capacităţii de funcţionare a sistemelor sunt reunite în conceptul de reînnoire. 1.3.3.3. Disponibilitatea Disponibilitatea este aptitudinea unui dispozitiv - sub aspectele combinate de fiabilitate, mentenabilitate şi de organizare a acţiunilor de mentenanţă - de a-şi îndeplini funcţia specificată, la un moment dat, sau într-un interval de timp dat. Sintetic, disponibilitatea poate fi exprimată prin indicatorul coeficient de disponibilitate, Kd:

Kd =

1 n ¦ ni = 1

1 n ¦ ti ni = 1 1 n + ti ¦ ti′ ni = 1

(1.23)

unde: ti - intervalele de timp de funcţionare fără defecţiuni; n - numărul intervalelor ti, respectiv ti'; ti' - intervalele de timp de restabilire. 1.3.3.4. Modernizarea şi înlocuirea utilajelor Modernizarea utilajelor este acţiunea de intervenţie asupra aparatului de producţie, în scopul adaptării acestuia la cele mai noi cerinţe ale progresului tehnico-ştiinţific. Scopul acestor acţiuni vizează în principal atenuarea efectului uzurii morale a instalaţiilor (comparativ cu mentenanţa care vizează uzura fizică) şi se îndreaptă către: - aplicarea unor măsuri pentru creşterea randamentului utilajelor, prin perfecţionări constructive, adăugarea unor SDV-uri (scule, dispozitive, verificatoare) îmbunătăţite, ce au menirea reducerii timpilor auxiliari ai procesului de producţie, mecanizarea şi automatizarea unor operaţii; - modernizarea în vederea reducerii consumurilor specifice de materiale, energie şi utilităţi prin perfecţionarea operaţiilor de debitare a materialelor, reducerea pierderilor de energie, valorificarea căldurilor reziduale etc.; - modernizarea în vederea îmbunătăţirii calităţii produselor prin lucrări ce urmăresc sporirea preciziei de prelucrare, îmbunătăţirea finisajului etc.; - îmbunătăţirea condiţiilor de exploatare şi ridicarea nivelului de protecţie a 18

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

muncii prin efectuarea unor transformări, introducerea robotizării, cibernetizării etc. Fiecare dintre măsurile propuse sunt analizate prin compararea cheltuielilor necesitate de modernizare cu cele ale avantajelor obţinute, sau a cheltuielilor de achiziţionare a unor utilaje, sau de echipamente noi. 1.3.3.5. Standardizarea Standardele sunt prescripţii tehnice elaborate de specialiştii din sfera activităţii productive, de producători, de consumatori şi de un organism calificat, sau recunoscut. Standardizarea are următoarele scopuri: - specificarea caracteristicilor produsului din punct de vedere calitativ, pentru identificarea lui, respectarea şi creşterea calităţii; - tipizarea şi unificarea caracteristicilor dimensionale, pentru a se putea asigura interschimbabilitatea pieselor şi a subansamblelor. Standardizarea se caracterizează prin acte normative denumite standarde. Standardele cuprind reglementări privind: - materii prime, materiale, combustibil şi energie, produse industriale şi agricole; - subansamble şi piese de uz general ale maşinilor, utilajelor şi instalaţiilor; - lucrări de construcţii; - prescripţii şi reguli pentru proiectare, metodologie, terminologie, clasificări, prescripţii generale pentru controlul calităţii produselor; - protecţia vieţii, a bunurilor, a mediului. Standardele au caracter de obligativitate la nivelul economiei naţionale, sau sunt de recomandare, deci nerespectarea lor poate atrage unele consecinţe nefavorabile. Standardele obligatorii se referă la sănătate, protecţia mediului, produse tipizate. Standardizarea este un proces dinamic, standardele fiind revizuite în timp, în conformitate cu modificarea şi perfecţionarea procesului tehnologic şi cu creşterea exigenţei consumatorilor. Întrucât în activitatea economică se întâlnesc o varietate de standarde, clasificarea acestora va avea în vedere mai multe criterii. a) În funcţie de conţinut, se deosebesc următoarele tipuri: - standarde generale, care au ca obiect tehnologii, unităţi de măsură, simboluri, metode statistico-matematice pentru controlul procesului, a calităţii etc.; - standarde complete de produs, care cuprind specificarea calităţii, modul de verificare al calităţii, marcarea etc.; - standarde parţiale, care se referă numai la unele aspecte ale obţinerii unui produs (materie primă, dimensiuni etc.). b) După elaborare: - standarde internaţionale elaborate de ISO (Organizaţia Internaţională de Standardizare) şi standarde EN, elaborate de Uniunea Europeană; - standarde naţionale, elaborate de institute de standardizare existente în fiecare ţară. De exemplu, în România sunt aplicate standarde româneşti SR (se păstrează încă şi standarde cu denumirea mai veche STAS), elaborate de Institutul Român de Standardizare, în SUA standarde ASTM, în Germania DIN, în Marea Britanie BS etc.; 19

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

standarde sau norme de calitate elaborate de organizaţii profesionale internaţionale, cum sunt :Uniunea Internaţională a Căilor Ferate, Uniunea Internaţională pentru Electrotehnică, armata (standarde NATO, sau MIL în SUA), regulamente ale registrului consumatorilor (Lloyd, Registrul Naţional Român), ş.a.; - standarde ale unor firme ce s-au impus pe piaţa internaţională, cum sunt: FORD, DAEWOOD, RENAULT, VOLVO ş.a. pentru autoturisme, BAC, MIG, MIRAGE pentru industria aeronautică, AECL pentru construcţia de centrale nuclearo-electrice din Canada etc. În vederea ţinerii evidenţei standardelor şi a orientării în numeroasele domenii la care se referă s-a adoptat clasificarea alfa-numerică, urmată de clasificarea zecimală. Astfel, standardele au indicativul format din literele SR, numărul de ordine al SR-ului, anul aprobării (ultimile două cifre) indicele de clasificare alfanumerică. Clasificarea alfanumerică împarte problemele de standardizare pe sectoare notate cu câte o literă (A,B,C,...); sectoarele sunt împărţite în zece grupe notate cu o cifră de la 0 la 9; grupele se împart în zece subgrupe notate de la 0 la 9. De exemplu, SR ISO 9000-95, a fost aprobat în anul 1995, în conformitate cu standardele generale din seria ISO 9000, ce cuprind recomandări privitoare la managementul calităţii şi cerinţele pentru asigurarea acestuia. Sau, SR EN 45012-93, este standardul aprobat în 1993 după normele Uniunii Europene, care indică criteriile generale pentru organismele ce efectuează certificarea sistemelor calităţii. Standardele româneşti au fost clasificate prin STAS 10000-91 (Principiile şi metodologia standardizării. Adoptarea standardelor internaţionale în standardele româneşti) după cum urmează: - standarde identice cu cele internaţionale, notate SR ISO şi SR EN. Echivalenţa se stabileşte la conţinut, forma de prezentare şi traducere într-o limbă de circulaţie internaţională; - standarde echivalente la conţinut cu cele internaţionale (nu şi la prezentare, traducere), notate SR EQV; - standarde neechivalente, notate cu NEQ. Standardele ISO de produs sunt mult mai numeroase decât cele româneşti, dovedind atenţia sporită acordată calităţii pe pieţele ţărilor dezvoltate economic. Alinierea standardelor româneşti la cele internaţionale trebuie realizată nu numai scriptic, ci trebuie susţinută de tehnologii moderne care să asigure obţinerea unor produse de calitate, de aparate de înaltă precizie care să indice valoarea proprietăţilor solicitate produselor şi calificarea corespunzătoare a personalului productiv şi de laborator. Câteva exemple: standardele ISO din grupa 9000 au caracter general, cuprind recomandări privind managementul calităţii şi cerinţele pentru asigurarea acestuia; standardele ISO din grupa 14000 sunt orientate pe protecţia mediului etc. Pe lângă standarde se mai utilizează şi norme de calitate, ce stabilesc nivelul unor indici de calitate solicitaţi de beneficiari. Au valabilitate numai între parteneri (producător - beneficiar). Pe lângă acestea se mai utilizează în întreprinderi şi caiete de sarcini, ce stabilesc la fiecare loc de muncă valorile pentru indicii de calitate, condiţiile de prelucrare a materiilor prime sau a semifabricatelor, normele de timp, asigurarea 20

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

protecţiei muncii etc. 1.3.3.6. Asigurarea şi controlul calităţii materialelor Asigurarea şi controlul calităţii produselor se poate realiza în mod corespunzător şi prin controlul statistic al procesului tehnologic. Desfăşurarea normală a procesului tehnologic poate fi perturbată de următoarele categorii de factori: - sistematici (defecţiuni, intrări necorespunzătoare - materii prime, utilităţi, manevre neadecvate etc.); - întâmplători (neidentificaţi, sau a căror influenţă nu este economic să fie înlăturată; ţin de natura mediului ambiant, de uzura utilajului etc.). Dacă nu se manifestă influenţe ale unor factori perturbatori sistematici procesul se consideră ca fiind sub control din punct de vedere statistic, respectiv abaterile care se manifestă în calitatea produselor sunt în limitele impuse de legea distribuţiei normale. Apariţia unor factori perturbatori sistematici produce variaţia calităţii produselor peste aceste limite. Practic se înregistrează pe fişe variaţia calităţii produselor (alegându-se reprezentarea cea mai adecvată, eventual prin câteva operaţii simple: mediere, însumare etc.). Fişele având marcate limitele de calitate între care se consideră că procesul se desfăşoară normal arată şi momentul în care este necesară intervenţia pentru prevenirea fabricării produselor de calitate necorespunzătoare. Controlul calităţii produselor se referă la analiza atât a intrărilor (materii prime, auxiliare etc.), cât şi a ieşirilor (produse). Deoarece operaţia de control costă dar nu produce valoare este necesar să se facă la un cost cât mai scăzut, minimizându-se în acelaşi timp riscul de a introduce, sau a scoate din procesul de fabricaţie materiale necorespunzătoare. Prin aplicarea metodelor de analiză statistică se poate deduce cantitatea minimă de materiale sau numărul minim de unităţi de produs care trebuie verificate - (probe) astfel încât să se poată conchide asupra întregii cantităţi de material sau produs (populaţia). Teoretic sunt necesare minim 100 de probe, dar pentru analizele curente se folosesc de obicei 2-3 probe de acelaşi tip. Pentru loturile de produse noi, sau destinate unor pieţe cu condiţii severe de calitate se testează un număr apropiat de cel dedus teoretic. 1.3.4. Indicatorul de mecanizare Indicatorul (gradul) de mecanizare reprezintă raportul procentual dintre cantitatea de lucrări executate mecanic şi cantitatea de lucrări executate în ansamblu. Astfel, indicatorul de mecanizare este dat de relaţia: V m ⋅ 100 , I mec = Vt

(%)

(1.24)

unde: Vm - volumul lucrărilor realizate în mod mecanizat; Vt - volumul total al lucrărilor. Acest indicator este mult utilizat în: exploatări miniere, în transport, depozitare, în construcţii, în domeniul prelucrărilor mecanice a materialelor etc. O valoare ridicată a acestui indicator are consecinţe pozitive asupra productivităţii muncii, a condiţiilor de muncă, a calităţii produselor, a consumurilor de materiale, a conducerii optime a proceselor. Similar se pot calcula indicatori de automatizare, 21

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

cibernetizare şi respectiv robotizare. Dacă suma indicatorilor de mecanizare, automatizare, cibernetizare şi robotizare este mică, rezultă că procesul decurge în procent mare manual. În consecinţă este necesară forţă mare de muncă, sunt probleme sociale, calitatea produselor poate scădea, sunt necesare cheltuieli pentru protecţia muncii etc.

1.4. Bilanţul de materiale Analiza unui proces tehnologic sau studiul de optimizare al unei instalaţii sau a unui proces tehnologic se poate realiza prin simularea procesului respectiv, prin bilanţurile de masă (de materiale), din care rezultă indicatorii tehnico-economici ai procesului respectiv pe fluxuri, pe componente, pe stadii, în timp. Analiza procesului tehnologic prin simularea procesului, pe calculator, cu ajutorul bilanţurilor de materiale impune construcţia unui model de sistem, respectiv a unui model matematic care să satisfacă toate restricţiile. Modelul matematic descrie blocurile componente ale procesului, la care nu se elimină variabilele şi ţine cont de toate intrările şi ieşirile de materiale. Bilanţul de materiale (de masă) este forma cantitativă în care se exprimă transformarea materialelor într-un proces tehnologic, sau expresia matematică a acestor transformări şi se bazează pe legea conservării materiei, conform căreia masa tuturor materialelor care intră în fabricaţie trebuie să fie egală cu masa tuturor produselor rezultate din proces. ¦Mi + ¦Me = ¦M j + ¦Mr

(1.25)

în care: Mi - masa materialelor introduse în proces; Me - masa materialelor existente în instalaţie; Mj - masa materialelor ieşite din proces; Mr - masa materialelor rămase în instalaţie. Cantităţile de materiale care intră în alcătuirea bilanţului de materiale se exprimă în unităţi de masă, unităţi de masă/timp, sau în procente de masă. Pentru calculul bilanţului de materiale este necesar să se precizeze: partea de instalaţie la care se referă, compoziţia materiilor prime şi a produselor finite, durata pentru care se întocmeşte (oră, an) în cazul proceselor continue, sau durata unei şarje, în cazul proceselor discontinue, precum şi natura procesului. Bilanţul de materiale poate fi: - bilanţ total, sau general, care se referă la întregul proces tehnologic, cuprinzând toate materialele intrate şi ieşite; - bilanţ parţial, care se întocmeşte pentru: • o parte din instalaţie, sau un aparat, incluzând toate materialele care intervin; • un singur material din întreaga instalaţie; • o parte din instalaţie, sau o parte dintr-un aparat şi un singur material. Exprimarea matematică a bilanţului de materiale se diferenţiază în funcţie de 22

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

regimul de lucru al instalaţiei (regim staţionar, regim nestaţionar, regim nestaţionar cu reacţie chimică). a) Regimul staţionar, caracterizat prin funcţionarea continuă şi invarianţa în timp a parametrilor (presiune, temperatură, concentraţie, viteză, debit, direcţie de curgere). Ecuaţiile de bilanţ total şi parţial pentru componentul k sunt: -

bilanţ total;

¦m

i

¦m

=

i

-

¦ m .C

bilanţ parţial

(1.26)

j

j

i

= ¦ m j . C Aj

Ai

i

(1.27)

j

unde: mi - masa materialelor intrate; mj - masa materialelor ieşite; CAi - concentraţia componentului A în materialele intrate (exprimată în fracţie de masă); CAj - concentraţia componentului A în materialele ieşite. b) Regimul nestaţionar, caracterizat prin producerea de acumulări de materiale (sau energie) şi funcţionare discontinuă. Ecuaţiile de bilanţ sunt: -

bilanţ total:

¦m

i

¦m

=

i

-

bilanţ parţial:

¦m

j

+

j

j

⋅ C Ai =

i

dM dt

¦m

j

(1.28)

. C Aj + C Aj ⋅

j

dM dC Aj + M⋅ dt dt

(1.29)

unde M este masa materialelor acumulate până la timpul t. c) Regimul nestaţionar cu reacţie chimică: -

bilanţul parţial:

¦ m .C i

Ai

i

+

dC A = dt

¦m j

j

. C Aj +

dM A dt

(1.30)

unde: dCA/dt - viteza reacţiei de formare a componentului A; dMA/dt - viteza de acumulare a componentului A. Ecuaţia de bilanţ total este de forma ecuaţiei pentru regimul nestaţionar, deoarece la însumarea tuturor componenţilor, considerând semnul plus pentru formare şi semnul minus pentru consum, suma derivatelor care indică vitezele de reacţie este nulă. În mod curent, în calcule se utilizează următoarea ecuaţie: ¦ m i = ¦ m j + ¦ m pierderi

(1.31)

Forma de prezentare grafică a bilanţurilor de materiale este diferită, în funcţie de structura instalaţiilor şi de scopul urmărit: tabele, combinaţie de tabele şi schemă de faze sau operaţii, schemă de faze sau operaţii pe care se trec cantităţile de materiale ce intră şi ies din instalaţie, diagramă Sankey etc. Prezentarea grafică permite urmărirea fluxului de materiale şi a bilanţului într-o formă uşor controlabilă, precum şi punerea în evidenţă a eventualelor pierderi pe parcursul procesului. 23

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

În tabelul 1.1. se prezintă forma tabelară a bilanţului de materiale. La întocmirea bilanţurilor de materiale, pierderile sistematice se determină prin calcule, iar pierderile accidentale, pe baza datelor statistice, cu recomandarea să nu se treacă la rubrica "pierderi de fabricaţie" diferenţele de cantităţi care nu pot fi regăsite prin calcule; aceste aspecte ar reflecta o greşeală de calculaţie, sau o conducere necorespunzătoare a procesului. În cazul în care apar din bilanţ pierderi mari, înseamnă că instalaţia funcţionează în condiţii necorespunzătoare, tehnologia nu este pusă la punct, pregătirea personalului nu este corespunzătoare. Bilanţul de materiale serveşte la urmărirea circulaţiei materialelor într-o instalaţie, la stabilirea consumurilor specifice, la evidenţierea acumulărilor, la dimensionarea utilajelor şi stabilirea capacităţilor de producţie pentru instalaţiile ce se proiectează. Pentru exploatarea unor instalaţii noi, bilanţul de materiale permite descoperirea pierderilor de materiale, a strangulărilor în producţie, cunoaşterea compoziţiilor şi a cantităţilor de produse secundare şi de impurităţi, precum şi alegerea optimă a posibilităţilor de minimizare a acestora, astfel încât procesul să decurgă la parametrii optimi. Tabelul 1.1. Bilanţ de materiale tabelar. MATERIALE INTRATE

kg

Materia primă Material auxiliar

M1 M2

Total

M1+M2

%

100

MATERIALE IEŞITE

kg

Produs finit Produs secundar Pierderi

M3 M4 M5

Total

M3+M4+M5

%

100

Bilanţul de materiale intră în alcătuirea modelului matematic al procesului tehnologic analizat, în vederea alegerii tipului de utilaj, a schemei tehnologice optime, calculul regimului optim de lucru, determinarea stabilităţii în funcţionare a utilajelor. Unele modele matematice ale procesului servesc ca bază pentru automatizarea complexă a acestuia. 1.5. Bilanţul energetic Bilanţul energetic pune în evidenţă energiile care intervin într-o instalaţie, sau întrun proces tehnologic, deoarece orice transformare a materiilor prime într-un produs finit se desfăşoară cu un aport de energie. Bilanţul energetic este o aplicaţie a legii conservării energiei, conform căreia cantitatea de energie introdusă într-un sistem trebuie să fie egală cu cantitatea de energie obţinută în urma efectuării procesului respectiv (scoasă din sistem). Ecuaţia de bilanţ energetic este: 24

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

¦ Ei + ¦ E a = ¦ E r + ¦ Ee + E p

(1.32)

unde: ¦ E i - suma energiilor care intră în sistem; ¦ E a - suma energiilor care se aflau în sistem în momentul iniţial; ¦ E r - suma energiilor rămase în sistem în momentul final al duratei pentru care se stabileşte bilanţul; ¦ E e - suma energiilor ieşite din sistem; Ep - energia pierdută în exterior. În bilanţul energetic pot interveni următoarele forme de energie: - energia potenţială: Epot = m.g.z; -

1 2

energia cinetică: E c = m ⋅ v 2 ;

- energia internă: U = m.u; - lucrul exterior: Le = m.p.v; - energia mecanică: W; - căldura introdusă din exterior: Q; - alte energii: electrică, magnetică, luminoasă etc. S-au utilizat următoarele notaţii: m - masa; g - acceleraţia gravitaţională; z - înălţimea, sau distanţa pe plan orizontal; v - viteza; u - energia internă a unităţii de masă; p - presiunea; v - volumul pe unitatea de masă. Pentru multe procese tehnologice bilanţul energetic se poate întocmi numai ca bilanţ termic: ¦(m ⋅ ∆h) i + ¦(m ⋅ ∆h) a + Q = ¦(m ⋅ ∆h) r + ¦(m ⋅ ∆h) e

(1.33)

unde: ∆h - variaţia de entalpie pe unitatea de masă, egală cu diferenţa dintre entalpia materialului (h) şi entalpia materialului la temperatura de referinţă (298 K): ∆h = h - ht

(1.34)

Entalpia este funcţia termodinamică ce însumează energia internă şi lucrul exterior necesar pentru ocuparea de către sistem a volumului său propriu, la presiunea de lucru. Se notează cu h, dacă se exprimă în unităţi de energie pe unitatea de masă, sau cu H, când se exprimă în unităţi de energie pe kmol. Deci, expresia entalpiei este: H = U + p ·V

(1.35)

Ca şi energia internă, U, entalpia unui sistem nu poate fi măsurată direct, ceea ce se poate măsura fiind numai diferenţa între două stări, deci variaţia de entalpie, ∆H. Variaţia de entalpie ∆H se calculează din căldura specifică a materialului (c) şi diferenţa de temperatură, dată de relaţia: c = α + β ⋅ t + γ ⋅ t2

(1.36)

în care α, β, γ sunt coeficienţi care depind de natura substanţei. Prin urmare: 25

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

t2

∆H =

t2

³ c.dt = ³ ( α + β . t + γ . t t1

2

) dt

(1.37)

t1

Pentru reacţiile chimice, efectul termic al reacţiei este egal cu variaţia entalpiei sistemului, respectiv cu diferenţa dintre entalpia produşilor de reacţie şi entalpia reactanţilor: ∆H = ¦ν p . H p - ¦ν r . H r

(1.38)

în care: vp şi vr sunt coeficienţii stoechiometrici ai reacţiei chimice. După efectul termic, reacţiile chimice pot fi exoterme, endoterme şi fără efect termic. Reacţiile exoterme sunt reacţiile în care entalpia reactanţilor este mai mare decât entalpia produşilor de reacţie, deci variaţia de entalpie este mai mică decât zero: ∆H < 0, când ¦ν r . H r > ¦ν p . H p

(1.39)

Reacţiile care au loc în procesul de combustie sunt exoterme. Multe procese chimice sunt exoterme şi în acest caz este necesară scoaterea unei cantităţi de energie termică din sistem (răcirea sistemului), prin utilizarea unor schimbătoare de căldură răcitoare şi utilizarea eficientă a căldurii produselor de reacţie. Reacţiile endoterme sunt reacţiile în care entalpia reactanţilor este mai mică decât entalpia produşilor de reacţie şi deci, variaţia de entalpie este mai mare decât zero: ∆H > 0,

când ¦ν r . H r > ¦ν p . H p

(1.40)

În cazul proceselor endoterme, reacţia se poate produce doar dacă se dă sistemului o anumită cantitate de energie. De exemplu, obţinerea cimentului se realizează numai prin topirea la aproximativ 1400°C a amestecului de var, argilă şi alte adausuri. La temperatura ambiantă, materiile prime nu se combină. Procesele chimice fără efect termic nu sunt influenţate de creşterea, sau scăderea temperaturii, ci de alţi factori, cum ar fi presiunea, lumina etc. Bilanţul energetic se întocmeşte pentru o durată determinată (oră, zi, an, durata prelucrării unei şarje). Din ecuaţia de bilanţ se stabilesc pierderile în exterior, se dimensionează utilajele, se urmăreşte consumul de energie. Se pot întocmi: - bilanţul total energetic pentru întreaga instalaţie; - bilanţuri parţiale pentru un aparat, sau o porţiune de aparat. La nivelul întreprinderilor se stabileşte bilanţul energetic real. Bilanţul normat rezultă din cel real, reducând pierderile prin măsuri tehnico-organizatorice. În situaţia în care pierderile se elimină, sau se reduc la minim, rezultă bilanţul optim.

26

CAPITOLUL I – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

Rezumat Tehnologia se ocupă cu studiul operaţiilor şi proceselor tehnologice prin care materiile prime sunt transformate în produse. Procesele tehnologice reprezintă totalitatea operaţiilor concomitente sau ordonate în timp pentru obţinerea unui produs prin sinteză, prelucrare sau asamblare. Procesele tehnologice industriale fiind foarte diverse se clasifică după mai multe criterii. Procesele tehnologice se caracterizează prin factori, sau variabile,ce intervin la intrarea şi ieşirea din proces, sau pe parcurs (intermediari). Pentru aprecierea proceselor tehnologice se utilizează indicatori tehnici, economici, tehnico-economici, sociali, de mediu ş.a. Principalii indicatori tehnicoeconomici sunt: -de consum (ex. consumuri specifice, randamente); - de utilizare intensivă (producţia specifică, gradul de utilizare a capacităţii de producţie) şi extensivă (indicii de activitate şi respectiv de inactivitate); - de calitate (standarde, norme,caiete de sarcini); - de mecanizare/automatizare. În procese se calculează bilanţuri de materiale şi de energie, ca expresii ale legilor conservării masei/energiei. Cuvinte cheie proces tehnologic flux tehnologic operaţie fază de fabricaţie variabile consumuri specifice randamente producţie specifică grad de utilizare a capacitaţii de producţie fiabilitate standardizare grad de mecanizare/automatizare bilanţuri Bibliografie suplimentară 1. Socolescu A., Angelescu A.,”Bazele tehnologiei industriale”, Ed.ASE, Bucureşti, 2001; 2. Ciobotaru V., Angelescu A., Vişan S., „Progres tehnic,calitate,standardizare”, Ed.ASE, Bucureşti, 2001; 3. Băloiu L.M., Frăsineanu I., „Gestiunea inovaţiei”, Ed. Economică, Bucureşti, 2001; 4. Olaru M., „Managementul calităţii”, Ed. Economică, Bucureşti, 1995; 5. Fleser T., „Mentenanţa utilajelor tehnologice”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998. 27

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Întrebări recapitulative 1. Ce reprezintă procesul tehnologic? 2. Care este diferenţa dintre faza de fabricaţie şi operaţia tehnologică? 3. Ce sunt procesele tehnologice continue? 4. Cum se clasifică procesele tehnologice după nivelul dezvoltării tehnologice? 5. Care sunt diferenţele dintre variabilele comandabile şi cele necomandabile? 6. Ce sunt consumurile specifice? 7. Cum se defineşte randamentul total al unui proces tehnologic? 8. Ce reprezintă fiabilitatea unui produs? 9. Cum se clasifică standardele după modul de elaborare? 10. Cum se clasifică bilanţurile de materiale? 11. De ce se utilizează bilanţurile energetice în activitatea economică?

28

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

CAPITOLUL

II

AUTOMATIZAREA, CIBERNETIZAREA ù,52%27,=$5($

PROCESELOR TEHNOLOGICE CUPRINS 2.1. Clasificarea sistemelor automate 3URSULHW

LOHVLVWHPHORUDXWRPDWH

6LVWHPHFRQYHQ LRQDOHGHDXWRPDWL]DUH6LVWHPHGHUHJODUHDXWRPDW 65$

2.6LVWHPHFXVWUXFWXU HYROXDW &RQGXFHUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFHFXFDOFXODWRDUHGH proces (cibernetizarea) 2.5. Optimizarea proceselor tehnologice $XWRPDWL]DUHDIOH[LELO úLURER LLLQGXVWULDOL

Realizarea unor valori optime ale indicatorilor tehnico-economici în industrie, GHSLQGHvQPDUHP VXU GHH[DFWLWDWHDFXFDUHVHUHVSHFW UHJLPXOWHKQRORJLFSUHVFULV /D SHUWXUED LL DOH SDUDPHWULORU GH OXFUX OD LHúLUHD DFHVWRUD GLQ OLPLWHOH DGPLVH VFDGH SURGXF LD VSHFLILF  úL FDOLWDWHD SURGXVHORU 'H DFHHD HVWH QHFHVDU  VHVL]DUHD OD WLPS D DEDWHULORU GH OD SDUDPHWULL GH OXFUX úL DQXODUHD UDSLG  D HIHFWHORU vQ FDGUXO DFHOHLDúL ID]H D SURFHVXOXL WHKQRORJLF vQ YHGHUHD SUHvQWkPSLQ ULL GHUHJO ULL DOWRU ID]H DOH

procesului. Mediul toxic sau exploziv, lucrul lD WHPSHUDWXUL OLPLW

 VDX vQ FRQGL LL GH

UDGLD LL SXWHUQLFH OLPLWHD]  SRVLELOLWDWHD FRQWUROXOXL úL UHJO ULL PDQXDOH D SURFHVXOXL WHKQRORJLFIDSWFDUHLPSXQHFRQGXFHUHDGHODGLVWDQ

DDFHVWXLD

Automatizarea s-a impus în conducerea proceselor continue, a liniilor de asamblare complexe, în pilotarea vehiculelor moderne (avioane, vapoare, nave VSD LDOH  FRQGXFHUHD FHQWUDOHORU HOHFWULFH vQ VSHFLDO FHOH QXFOHDUR-electrice), în PHGLFLQ  HWF H[WLQ]kQGX-VH DVW ]L vQ WRDWH GRPHQLLOH WUDQVSRUWXUL VHUYLFLL aJULFXOWXU FDVQLFDJUHPHQWúD  Prin automatizare VH vQ HOHJH HFKLSDUHD XQHL LQVWDOD LL FX XQ GLVSR]LWLY DXWRPDWL]DUH V  DVLJXUH UHDOL]DUHD XQHL RSHUD LL VDX D XQXL SURFHV vQ DQXPLWH FRQGL LL GDWH RSWLPH  VXE FRQWUROXO SHUVRQDOXOXL RSHUDWRU GDU I U  LQWHUYHQ LD QHPLMORFLW  D DFHVWXLD ,QVWDOD LD DXWRPDWL]DW  vPSUHXQ  FX GLVSR]LWLYXO GH DXWRPDWL]DUH IRUPHD] 

sistemul automat de conducere a procesului. 6LVWHPHOHGHFRQGXFHUHDXWRPDW UHDOL]HD] 

29

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

UHJODUHD IUHFYHQ

SDUDPHWULORU

IXQF LRQDOL

WHPSHUDWXU 

SUHVLXQH

, debit, nivel,

 WXUD LH WHQVLXQH HWF  FX PHQ LQHUHD ORU vQ OLPLWHOH LPSXVH

optime; -

XUP ULUHD P ULPLORU UH]XOWDWH OD LHúLUHD GLQ SURFHV úL UHDOL]DUHD VFKLPE ULL ORUvQIXQF LHGHPRGLILFDUHDRELHFWLYHORU

-

LQYDULDQ D P ULPLORU UH]XOWDWH OD LHúLUHD GLQ SURFHV ID

 GH DF LXQHD

SHUWXUED LLORU

- optimizarea regimului de lucru. Efectele tehnico-HFRQRPLFH RE LQXWH SULQ DXWRPDWL]DUHD SURFHVHORU WHKQRORJLFH VXQWXUP WRDUHOH ƒ

FUHúWHUHDUDQGDPHQWXOXLXWLODMHORUDLQVWDOD LLORUGDWRULW UHGXFHULLWLPSXO

ui

GH SRUQLUH úL DWLQJHUHD UHJLPXOXL RSWLP GH IXQF LRQDUH SUHFXP úL D UHVSHFW ULLDFHVWXLUHJLPDUHGXFHULLWLPSXOXLGHVWD LRQDUHGDWRULW RSULULORU

ƒ

accidentale; scoaterea omului din medii agresive chimic, radioactiv, termic, fonic, de la vQ O LPLDGkQFimi mari etc.

ƒ

UHGXFHUHD FRQVXPXULORU VSHFLILFH GH PDWHULDOH úL GH HQHUJLH GDWRULW  UHVSHFW ULL ULJXURDVH D SDUDPHWULORU GH OXFUX úL H[SORDW ULL LQVWDOD LHL vQ

regim optim; ƒ

vPEXQ W

ƒ

FUHúWHUHD

LUHDFDOLW GXUDWHL

LLSURGXVHORUUHGXFHUHDQXP UXOXLGHUHEXWXUL GH

IXQF LRQDUH

D

XWLODMHORU

SULQ

vQGHS UWDUHD

VXSUDVROLFLW ULORUDúRFXULORUvQH[SORDWDUHHOLPLQkQGX]XUDSUHPDWXU  ƒ

UHGXFHUHD HIHFWHORU SROXDQWH DVXSUD PHGLXOXL DPELDQW GDWRULW  vQFDGU ULL vQ OLPLWHOHSUHVFULVHGHIXQF LRQDUHFRQWUROXODVXSUDVXEVWDQ HORUHOLPLQDWHGLQ VLVWHP EORFDUHD DXWRPDW  D LQVWDOD LHL vQ FD]XO GH HOLPLQDUH D XQRU QR[H

avertizarea în cazul de avarie etc. ÌQSODQVRFLDOLQWURGXFHUHDDXWRPDWL] ULLFLEHUQHWL] ULLúLURERWL] ULL DFRQGXVOD XUP WRDUHOHDVSHFWH ¾

modificarea caraFWHUXOXL PXQFLL SULQ HOLPLQDUHD VW

ULL GH HIRUW RERVLWRU GH

UXWLQ GHREVHUYDUHPHPRUDUH ¾

FUHúWHUHD

VHFXULW

LL

PXQFLL

SULQ

HOLPLQDUHD

SHULFROXOXL

SURGXFHULL

exploziilor, incendiilor etc.; ¾

vPEXQ W GLVWDQ

¾

LUHD FRQGL LLORU GH PXQF  SULQ SODVDUHD RSHUDWRUXOXL X

ID

man la

GHVXUVHOHGH]JRPRWYLEUD LLWHPSHUDWXULvQDOWHQR[HHWF

UHGXFHUHD QXP UXOXL GH RSHUDWRUL XPDQL DQJDMD L vQ FRQGXFHUHD úL FRQWUROXO SURFHVHORUGHSURGXF LH

2.1. Clasificarea sistemelor automate 6LVWHPHOHDXWRPDWHVHFODVLILF GXS XUP WRDUHOHFULWHULL ,'XS IHOXODF LXQLLDXWRPDWXOXLDVXSUDLQVWDOD LHL

-

VLVWHPHDXWRPDWHFXFRPDQG

FRQWLQX

vQFDUHDF LXQHDDXWRPDWXOXLDVXSUD

LQVWDOD LHLQXVHvQWUHUXSHSHWRDW GXUDWDSURFHVXOXLGHFRPDQG 

30

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

-

VLVWHPH DXWRPDWH FX FRPDQG

 GLVFRQWLQX

, la care comanda se transmite la

LQWHUYDOHGHWLPSFDUHVHUHSHW GXS DQXPLWHOHJL ,,ÌQIXQF LHGHVFRSXOXUP ULW ƒ

VLVWHPH FX FRPDQG 

- program - DXWRPDW

 SHQWUX UHDOL]DUHD XQRU RSHUD LL

VDX FLFOXUL GH OXFUX SH ED]D XQRU LQIRUPD LL SURJUDPD

te, transmise dintr-un

dispozitiv tehnic; ƒ

VLVWHPH FX UHJODUH DXWRPDW  SHQWUX PHQ LQHUHD XQXL DQXPLW UHJLP GH OXFUX

-SDUDPHWULLWHKQRORJLFLWHPSHUDWXU la nivel prestabilit;

SUHVLXQHGHELWYLWH] GHWUHFHUHHWF 

ƒ

VLVWHPHGHVHPQDOL]DUHDXWRPDW SHED]DXQXLFRGFRQYHQ LRQDO

ƒ

VLVWHPHGHDYHUWL]DUHDXWRPDW SHQWUXLQGLFDUHDDSDUL LHLXQRUQRLFRQGL LLvQ

procesul tehnologic; ƒ

VLVWHPH GH SURWHF LH DXWRPDW  SHQWUX SUHYHQLUHD GHS úLULL OLPLWHORU GH OXFUX

admisibile; ƒ

VLVWHPH GH EORFDUH DXWRPDW  SHQWUX vPSLHGLFDUHD HIHFWX ULL XQRU RSHUD LL LQFRUHFWHQHGRULWHDYDULLHYDFX ULGHSURGXVHQRFLYHHWF

,,,'LQSXQFWGHYHGHUHDOFRPSOH[LW

-

LLVWUXFWXULLVLVWHPXOXLDXWRPDWVHGLVWLQJ

VLVWHPHFRQYHQ LRQDOHGHDXWRPDWL]DUH VLVWHPHFRPSOH[HFXVWUXFWXU HYROXDW 

6LVWHPHOH

FRQYHQ LRQDOH

GH

DXWRPDWL]DUH

sunt realizate cu regulatoare

FRQYHQ LRQDOHúLVHXWLOL]HD] SHQWUX ƒ

PHQ LQHUHDFRQVWDQW D XQRUSDUDPHWUL WHKQRORJLFLFkQGVH QXPHVF VLVWHPH GHUHJODUHDXWRPDW FXUHIHULQ

ƒ

IL[ 

PRGLILFDUHD DXWRPDW  D XQXL SDUDPHWUX WHKQRORJLF GXS  XQ SURJUDP SUHVWDELOLW VDX vQ IXQF LH GH DOW SDUDPHWUX WHKQRORJLF FkQG VH QXPHVF VLVWHPHGHXUP ULUHDXWRPDW FXP ULPHGHUHIHULQ

6LVWHPHOH FX VWUXFWXU DXWRPDW  vQ FRQFRUGDQ

 HYROXDW

PRELO 

 UHDOL]HD]  IXQF LXQL FRPSOH[H GH FRQGXFHUH

 FX DQXPL L LQGLFDWRUL GH SHUIRUPDQ

 SULQ XWLOL]DUHD

calculatoarelor analogice sau numerice. Comenzile elaborate de sistemul automat FRPSOH[GHWHUPLQ PHQ LQHUHDLQGLFDWRULORUGHSHUIRUPDQ

 ODYDORULH[WUHPHPLQLPH

VDX PD[LPH  vQ FRQGL LD DF LXQLL SHUWXUED LLORU 'H DFHHD vQ DFHVW WLS GH VLVWHPH VH GLIHUHQ LD] VLVWHPHH[WUHPDOHDGDSWLYHúLVLVWHPHRSWLPDOH 3URSULHW

LOHVLVWHPHORUDXWRPDWH

3HUIRUPDQ HOH VLVWHPHORU DXWRPDWH UH]XOW  GLQ SURSULHW

LOH ORU VHQVLELOLWDWH

rapiditate, sWDELOLWDWHúLSUHFL]LHLQGLIHUHQWGHFLUFXLW Sensibilitatea UHSUH]LQW  LQWHUYDOXO PLQLP GH WLPS vQ FDUH WUHEXLH V  YDULH]H P ULPHDFDUHVHUHJOHD] xi, xe SHQWUXFDVLVWHPXODXWRPDWV VHGHFODQúH]H Rapiditatea VH UHIHU  OD FDSDFLWDWHD VLVWHPHORU DXWRPDWH GH D U VSXQGH FkW PDL UDSLGODDF LXQHDSHUWXUED LLORU

Stabilitatea HVWH FDUDFWHUL]DW  SULQ DPRUWL]DUHD UDSLG intrare (xi FkQGDXORFYDULD LLEUXúWHDOHDFHVWHLD

 D RVFLOD LLORU P ULPLL GH

3HUIRUPDQ HOHVLVWHPHORUDXWRPDWHGHILQHVFSUHFL]LDDFHVWRUDúLVHSRWDSUHFLDSH

31

TEHNOLOGII INDUSTRIALE ED]D DQDOL]HL U VSXQVXOXL LQGLFLDO 3HQWUX H[HPSOLILFDUH VH DQDOL]HD]  FRPSRUWDUHD

sistemelor automate la o SHUWXUED LH GH WLS WUHDSW  SHUWXUED LD FHD PDL GLILFLO  FDUH SRDWH V  DSDU  vQWU-XQ VLVWHP RELúQXLW  'DF  VLVWHPXO U VSXnde convenabil la o SHUWXUED LH WUHSWDW  vQ PRG FHUW VH YD FRPSRUWD PDL ELQH OD SHUWXUED LL PDL PLFL 5 VSXQVXO VLVWHPXOXL DXWRPDW OD SHUWXUED LL GH WLS WUHDSW  vQ IXQF LH GH WLPS SRDUW 

numele de U VSXQVLQGLFLDO (fig. 2.1.). Factorul de amortizare a oscLOD LLORUfHVWHGDWGHXUP f=1-

WRDUHDUHOD LH

3

(2.1)

1 3HUIRUPDQ HOH SH FDUH WUHEXLH V  OH vQGHSOLQHDVF  VLVWHPHOH DXWRPDWH VH SRW H[SULPDvQIHOXOXUP WRU ¾

to ≤ to impus GHFL DWLQJHUHD SHQWUX SULPD GDW

 D QRLL YDORUL LPSXVH WUHEXLH V  VH

IDF FkWPDLUDSLG

¾ ¾

tr ≤ tr impus, unde trLPSXVHVWHRYDORDUHVWDELO LPSXV FkWPDLPLF  σ1 ≤ σimpus FRQGL LH FH DSDUH vQWUXFkW QX WRDWH VLVWHPHOH SURFHVHOH  VXSRUW



GHS úLUHDOLPLWHORULPSXVHSULQWHKQRORJLDUHVSHFWLY  ¾

εst ≤ εst impus DFHDVW

 SHUIRUPDQ

 LQGLF  SUHFL]LD GH UHJODUH GH HD GHSLQGH vQ

PDUHP VXU FDOLWDWHDSURGXVXOXLIDEULFDWvQLQVWDOD LDDXWRPDWL]DW 

)LJ5 VSXQVXOVLVWHPXOXLDXWRPDWODXQVHPQDOWUHDSW 

to -WLPSXOGHvQFHSXWDOSHUWXUED LHL t1 - durataGHODDSDUL LDSHUWXUED LHLSkQ ODOLQLúWLUHDSURFHVXOXLGXUDWDUHJLPXOXL tranzitoriu); tc -WLPSXOGHFUHúWHUHGHODLQWUDUHDU VSXQVXOXLVLVWHPXOXLvQEDQGD-SkQ  ODLHúLUHDGLQDFHDVW EDQG 

σ1 - suprareglajul, respectiv amplitudinea primei osFLOD LLDUHJLPXOXLWUDQ]LWRULX εst -HURDUHDvQUHJLPVWD LRQDUGLIHUHQ DGLQWUHYDORDUHDSUHVFULV ODLQWUDUH LGHDO úLYDORDUHDUHDO DP ULPLLGHLHúLUHvQUHJLPVWD LRQDU

5HJLPXO WUDQ]LWRULX VH FRQVLGHU  vQFKHLDW vQ PRPHQWXO vQ FDUH DEDWHULOH P ULPLL

32

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH UHJODWH ID

 GH YDORDUHD VWD LRQDU  VH vQFDGUHD]  úL U PkQ vQ OLPLWD

+2% din valoarea

VWD LRQDU 

f ≥ f impus -IDFWRUXOGHDPRUWL]DUHFHWLQGHF WUH Un regim supra-DPRUWL]DW HVWH QHFRUHVSXQ] WRU GHRDUHFH GXUDWD UHJLPXOXL WUDQ]LWRULX HVWHIRDUWHPDUHúLSULQXUPDUHLQWUDUHDvQUHJLPVWD LRQDUV -ar face foarte lent. 2.3.

6LVWHPHFRQYHQ LRQDOHGHDXWRPDWL]DUH

6LVWHPHGHUHJODUHDXWRPDW FRQYHQ LRQDOH

6LVWHPHOH

65$

GH

DXWRPDWL]DUH

65$ 

standardizat, prin schema-EORF ILJ  vQ FDUH VH LQGLF

VH

UHSUH]LQW 

 HOHPHQWHOH FR

VLPEROLF

mponente,

OHJ WXULOH GLQWUHDFHVWHHOHPHQWHP ULPLOHFDUH VHWUDQVPLWSULQDFHVWHOHJ WXULVHQVXO GHWUDQVPLWHUHDODFHVWRUP ULPL6FKHPD EORFQXVHUHIHU ODFDUDFWHULVWLFLOHIL]LFHDOH

-

XQXLVLVWHPVSHFLILFFLQXPDLODUHOD LLOHIXQF LRQDOHGLQWUHGLIHULWHOHS U LDOHDFHVWXLD ÌQSULQFLSLXvQSURFHVXOGHUHJODUHDXWRPDW VHSOHDF GHODXQVHPQDOGHLQWUDUH FDUHHVWHRP ULPHGHFRPDQG 

qi LQGHSHQGHQW

GHSURFHVúLUHSUH]LQW XQSDUDPHWUX

DODFHVWXLDGHH[HPSOXGHELWWHPSHUDWXU SUHVLXQHYLWH] GHWUHFHUHDúFKLHUHHWF  FRPSR]L LHS+HWF ÌQWUXFkW VHPQDOHOH WUDQVPLVH GH P ULPHD GH LQWUDUH DX vQ PDMRULWDWHD FD]XULORU R HQHUJLH FX PXOW PDL PLF  GHFkW FHD QHFHVDU  DF LRQ ULL HOHPHQWHORU GH H[HFX LH P ULPHDGHLQWUDUHHVWHDPSOLILFDW SULQ

intermediul unui dispozitiv de amplificare sau

de conversie Ae, Aj. ez

N ez

i

a

D D

R

c

Ae

c’

ep

m

E

P

e

RA

r Ai

r’

e

M

Fig. 2.2. 6FKHPDEORFDXQXLVLVWHPGHUHJODUHDXWRPDW

65

A).

P - procesul reglat; M - traductor; RA - regulator automat: D - HOHPHQW GH FRPSDUD LH R - element de reglare; E - RUJDQ GH H[HFX LH 1 - EORF ILFWLY GH LQWURGXFHUH D SHUWXUED LHL (parte din proces); e -P ULPHGHLHúLUH-SDUDPHWUXFDUHVHUHJOHD] Hp -FRPSRQHQWDP ULPLL GH LHúLUH GDWRULW  SURFHVXOXL Hz - FRPSRQHQWD P ULPLL GH LHúLUH GDWRULW  SHUWXUED LHL ] r - P ULPHD GH LHúLUH D WUDGXFWRUXOXL UHDF LD  L - P ULPHD GH LQWUDUH D FLUFXLWXOXL UHIHULQ D  a - P ULPHD DEDWHULL D = i - U  VDX P ULPH GH DF LRQDUH F - P ULPHD GH FRPDQG  GDW  GH regulator; m - P ULPHDGHH[HFX LH$e, Aj - amplificatoare.

În schema-EORF D VLVWHPXOXL GH UHJODUH DXWRPDW SHQWUX FDUH VH UHDOL]HD]  UHJODUHD DXWRPDW  HVWH P

 65$  P ULPHD GLQ SURFHV

ULPHD GH LHúLUH

e GHQXPLW

 úL

33

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

parametru reglat. Prin reglarHD DXWRPDW  VH XUP UHúWH RE LQHUHD XQHL DQXPLWH YDORUL pentru parametrul reglat e FDUH SRDWH IL LQIOXHQ DW vQ WLPSXO GHVI úXU ULL SURFHVXOXL GH XQHOHSHUWXUED LLFXPDUILGHELWFRQFHQWUD LHWHPSHUDWXU SUHVLXQHS+- ez.

0 ULPHDGHSHUWXUED LHLQWHUYLQHvQFLUFXLWXOGHUHJODUHDXWRPDW SULQEORFXO1úL

DF LRQHD]  SULQ P ULPHD

ez DVXSUD P

ULPLL GH LHúLUH

ep din proces, astfel încât, prin

DSOLFDUH OHJLL VXSUDSXQHULL FDX]HORU úL HIHFWHORU P ULPHD GH LHúLUH GLQ FLUFXLW GHYLQH

e = ep + ez În cazul în FDUH HIHFWXO SHUWXUED LHL QX SRDWH IL QHJOLMDW P ULPHD GH LHúLUH GLQ proces eLQWU vQWUDGXFWRUXOMVLWXDWSHOLQLDGHUHDF LHDFLUFXLWXOXLGHUHJODUHGLQFDUH LHVH FD P ULPH GH UHDF LH r ÌQ HOHPHQWXO GH FRPSDUD LH D, din cadrul regulatorului (C), sLWXDW SH OLQLD GLUHFW  D FLUFXLWXOXL LQWU  P ULPHD GH LQWUDUH i úL P ULPHD GH UHDF LHrDPEHOHDXDFHHDúLQDWXU IL]LF úLVHIDFHGLIHUHQ DL– r = a. a = 0, atunci i = r; i = HúLQXVHSURGXFHUHJODUHD 'DF  a ≠ 0 atunci i ≠ r, i ≠ e se prRGXFHUHJODUHDDXWRPDW  0 ULPHD GH DF LRQDUH a LQWU  vQ GLVSR]LWLYXO GH UHJODUH 5  GLQ FDUH LHVH FD P ULPH GH FRPDQG  c DFHDVWD HVWH R IXQF LH SUHVWDELOLW  GH P ULPHD a, respectiv de GHULYDWHOH úL LQWHJUDOHOH DFHVWHLD vQ UDSRUW FX WLPSXO vQ IXQF LH GH tipul dispozitivului de reglare. 0 ULPHD GH FRPDQG  c LQWU  vQ HOHPHQWXO GH H[HFX LH URELQHW FX PHPEUDQ  úL UHVRUW SHQWUX PRGLILFDUHD GHELWXOXL GH H[HPSOX URELQHW FX PHPEUDQ  - resort pentru SR]L LRQDUH úL PRGLILFDUHD SUHVLXQLL HWF  úL ILQDOL]HD]  DF Lunea regulatorului automat. (OHPHQWXOGHH[HFX LH(H[HUFLW RDF LXQHGLUHFW DVXSUDSURFHVXOXLDVWIHOvQFkWV VH DVLJXUHDWLQJHUHDYDORULLSUHVFULVHSHQWUXP ULPHDGHLHúLUH

e. În HOHPHQWXOGHH[HFX LHVHGHRVHEHVFGRX S U LGLVWLQFWH - o parte de aF LRQDUH VHUYRPRWRU E1 FDUH SULPHúWH OD LQWUDUH P ULPHD GH FRPDQG  cúLSURGXFHODLHúLUHRP ULPHLQWHUPHGLDU  xGHRELFHLGHQDWXU  PHFDQLF  RSDUWHGHUHJODUHGHQXPLW 

organ de reglare, E2FDUHWUDQVIRUP P ULPHDx SULPLW GHODVHUYRPRWRUvQP ULPHGHH[HFX LHm. Servomotoarele pot fi dispozitive pneumatice, electrice sau hidraulice, iar organele de reglare sunt mecanice sau electrice. -

)LJ6FKHPDEORFDHOHPHQWXOXLGHH[HFX LH

În concluzie,

UHJODUHD DXWRPDW

 VH HIHFWXHD]  vQ FLUFXLW vQFKLV QXPLW EXFO  GH

UHJODUH DXWRPDW  9DORDUHD P ULPLL GH FRPDQG  HVWH HODERUDW  SH ED]D GHWHUPLQ ULL P ULPLL GH LHúLUH D RELHFWLYXOXL FRQGXV ID &RPDQGD

IXUQL]DW 

GH

GLVSR]LWLYXO

GH

 GH YDORDUHD LPSXV  DFHVWHL P ULPL

DXWRPDWL]DUH

tehnologice - obiectivul condus, prin elemenWXO

HVWH

WUDQVPLV 

LQVWDOD LHL

GH H[HFX LH DO VLVWHPXOXL FDUH

34

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH DF LRQHD]  vQ YHGHUHD VDWLVIDFHULL RELHFWLYHORU UHJO ULL DXWRPDWH ,QIRUPD LD GHVSUH HYROX LD LHúLULL VLVWHPXOXL HVWH SUHOXDW  SULQ OHJ WXUD LQYHUV  GH UHDF LH FX DMXWRUXO WUDGXFWRUXOXL úLDGLVSR]LWLYXOXLGHFRQYHUVLH FRQYHUWRUFDUHDVLJXU FRPSDWLELOLWDWHD

-

P ULPLLGHLHúLUHFXP ULPHDGHLQWUDUHSUHVFULV 

Circuitul de reglare HVWH DOF

WXLW GLQ WRWDOLWDWHD GLVSR]LWLYHORU HOHPHQWHORU GH

DXWRPDWL]DUHúLDLQVWDOD LHLVDXDSURFHVXOXLFHVHVXSXQHUHJODMXOXLúLVHFRP

pune din:

-

FDOHD GLUHFW

 vQ FDUH VXQW VLWXDWH UHJXODWRUXO HOHPHQWXO GH H[HFX LH úL

HOHPHQWXODXWRPDWL]DWFDRELHFWLYDOUHJO ULL

-

FDOHD LQYHUV

 FDOHD GH UHDF LH  vQ FDUH HVWH VLWXDW HOHPHQWXO GH P VXU 

WUDGXFWRUXO  úL HOHPHQWXO GH FRQYHUVLH D P ULPLL P

surate în semnal, comparabil cu cel din elementul de comparare (convertorul).

3ULQ UHJODUH DXWRPDW

 VLVWHPXO GHYLQH LQVHQVLELO OD SHUWXUED LL GHRDUHFH

HIHFWXO DFHVWRUD DVXSUD LHúLULL HVWH FRQWURODW SULQ vQFKLGHUHD EXFOHL GH UHJODUH úL FRPSHQVDW GH F WUH GLVSR]LWLYXO GH DXWRPDWL]DUH FDUH RIHU  R P ULPH GH FRPDQG  SH

baza unei legi prestabilite. $SDUDWHúLHFKLSDPHQWH 3HQWUX UHDOL]DUHD VLVWHPHORU GH UHJODUH DXWRPDW  VH XWLOL]HD]  DSDUDWH úL

echipamente de o mare diversitate, ca: traductoare, regulatoare automate, elemente de H[HFX LHGLVSR]LWLYHGHVHPQDOL]DUHFRPDQG úLLQWHUEORFDUHHWF

(OHPHQWHSHQWUXP VXUDUHDSDUDPHWULORU7UDGXFWRDUH ÌQ FDGUXO LQVWDOD LLORU GH DXWRPDWL]DUH P VRDUHXQSDUDPHWUXWHKQRORJLFúLV ILWUDQVPLV ODGLVWDQ

traductorul HVWH XQ HOHPHQW FDSDELO V  -l transforme într-RDOW P ULPHIL]LF DSW GHD

FDLQIRUPD LHDVXSUDP VXU WRULLVXEIRUP GHVHPQDO

7UDGXFWRUXOILLQGXQDSDUDWGHP VXU WUHEXLHV FRUHVSXQG GLQSXQFWGHYHGHUH

metrologic, respectiv s

 DLE  XQHOH FDUDFWHULVWLFL IXQF LRQDOH FD JDP  úLVDX GRPHQLX

GH P VXUDUH SUHFL]LH VHQVLELOLWDWH KLVWHUH]LV UHSURGXFWLELOLWDWH OLPLWH GH IXQF LRQDUH

în mediul ambiant, termostabilitate, fiabilitate etc. Clasificarea traductoarelor VH UHDOL]HD] importante:



GXS 

XUP WRDUHOH

FULWHULL

PDL

,'XS QDWXUDVHPQDOXOXLLQIRUPD LRQDOHPLVGHDGDSWRU

,,

traductoare cu semnal pneumatic unificat în gama 20-100 kPa sau traductoare pneumatice; traductoare cu semnal electric, unificat sau neunificat, de curent continuu, în diverse game (420 mA; 10- P$ úD  FXQRVFXWH VXE GHQXPLUHD GH traductoare electronice. ÌQ

IXQF LH

GH

HOHPHQWHOH

VHQVLELOH

UHVSHFWLY

GHWHFWRDUHOH

XWLOL]DWH

vQ

FRQVWUXF LDDSDUDWHORUGHP VXUDW

-

traductoare cu detectoare mecanice: elemente elastice, plutitoare, elemente GHGHSODVDUHOLQLDU VDXURWDWLY 

-

traductoare cu detectoare electrice sau electronice: electrozi termoelectrozi, rezistive, capacitive, fotocelule, piezoelectrice etc.;

-

WUDGXFWRDUHFXGHWHFWRDUHGHUDGLD LL

35

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

III. Clasificarea

GXS  SDUDPHWUXO P VXUDW WUDGXFWRDUH GH SUHVLXQH WHPSHUDWXU 

GHELWQLYHOS+FRQFHQWUD LHDQDOL] FKLPLF GHFRPSR]L LHHWF

Elementul comun - adaptorul Adaptorul este un element comun pentru seria de traductoare a unui sistem unificat al aparatelor GH DXWRPDWL]DUH úL SRDWH IL pneumatic (semnal mecanic → deplasare → semnal pneumatic), electronic - deplasare curent (semnal mecanic → deplasare → semnal electric → tensiune, curent), electronic - tensiune curent (semnal electric → tensiune → electric tensiune sau curent). Adaptoarele pneumatice UHDOL]HD]  QXPDL FRQYHUVLD VHPQDOHORU PHFDQLFH GHSODV UL GDWHGHHOHPHQWHOHVHQVLELOHvQVHPQDOSQHXPDWLFXQLILFDW

Adaptoarele electronice DFRSHU  vQWUHDJD JDP  GH VHPQDOH FDUH VXUYLQ GH OD elementele sensibile transformându-le în semnale unificate de curent continuu în diverse game: 2-10 mA; 4-20 mA. Elemente sensibile pentru traductoare a. Elementele sensibile pentru traductoarele de presiune. În calitate de elemente elastice pentru traductoarele de presiune, se folosesc: EXUGXIXUL PHPEUDQH WXEXO %RXUGRQ IXQF LRQDUH D F URU IXQF LRQDUH VH ED]HD]  SH

convertirea unei presiuni (de obicei peste 1 atm) într-R GHSODVDUH OLQLDU -

 DFHDVWD HVWH

XOWHULRU WUDQVIRUPDW  vQWU R P ULPH HOHFWULF  'HSODVDUHD UHDOL]DW  VXE DF LXQHD SUHVLXQLLHVWHSUDFWLFSURSRU LRQDO FXSUHVLXQHDDSOLFDW DGLF VHVDWLVIDFHUHOD LD

d=K·P

(2.2)

K - FRQVWDQW  GH SURSRU LRQDOLWDWH GHSHQGHQW dulul de elasticitate al materialului utilizat pentru elementul elastic; P -SUHVLXQHDDSOLFDW HOHPHQWXOXLHODVWLF

în care: d - GHSODVDUHD UH]XOWDW



 GH

GLPHQVLXQLOHJHRPHWULFHGHFRQVWUXF LHúLGHPR

Materialele din care se construiesc elementele elastice (elementele sensibile cele PDLVROLFLWDWHGLQSXQFWGHYHGHUHDOFRQGL LLORUGHIXQF LRQDUHFDPHGLLDJUHVLYH WHPSHUDWXULULGLFDWHVDXVF ]XWHHWF VXQWDOLDMHOHGHFXSUX

-fosfor, cupru-beriliu, alama

VDXR HOXULOHúLR HOXULOHLQR[LGDELOHGHWLSKDVWHOR\ 6XE DF LXQHD SUHVLXQLL EXUGXIXO VH DOXQJHúWH ÌQ FD]XO PHPEUDQHL GDF  DVXSUD XQHLIH HDDFHVWHLDVHH[HUFLW RSUHVLXQHS1SHFHDODOW ID

H[HUFLWDW DVXSUDPHPEUDQHLHVWHGDW GHUHOD LD

F = (p2 - p1)·A

RSUHVLXQHS2DWXQFLIRU D

(2.3)

în care: p1, p2 - presiuni (Pa); A - VXSUDID D PHPEUDQHL P2). Deplasarea membranei HVVWHSURSRU LRQDO FXGLIHUHQ DGHSUHVLXQH

36

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

Presiunea

Presiunea p1

p2

Presiunea

a

b

Fig. 2.4. Elemente sensibile pentru traductoare de presiune. a - element sensibil cu burduf; b -HOHPHQWVHQVLELOFXPHPEUDQ  2 FDWHJRULH LPSRUWDQW  GH WUDGXFWRDUH GH SUHVLXQH FX HOHPHQW VHQVLELO HODVWLF R IRUPHD]  WUDGXFWRDUHOH VXE GHQXPLUHD GH

presostate sau manometre cu contacte GDF  DX úL XQ LQGLFDWRU /D DFHVWH DSDUDWe, locul adaptorului deplasare → semnal analogic continuu (electric sau pneumatic) este luat de un dispozitiv cu contacte electrice UHJODELOHvQOLPLWHOHGRPHQLXOXLGHP VXUDUHDF LRQDWGHHOHPHQWXOVHQVLELO $FHVWH DSDUDWH DX R ODUJ  XWLOL]DUH vQ LQVWDOD LLOH GH VXSUDYHJKHUH ILLQG IRORVLWH SHQWUX VHPQDOL]DUHD GHS úLULL XQRU OLPLWH SUHVWDELOLWH VDX vQ LQVWDOD LLOH GH FRPHQ]L úL LQWHUEORF ULDXWRPDWHDOHXWLODMHORUWHKQRORJLFH

Traductoarele electronice de presiune au elementele sensibile formate din sesizoare piezorezistive integrate într-o punte Wheastone. Elementele sesizoare L GH ERU  DX SURSULHWDWHD F  VXQW

SLH]RUH]LVWLYH FULVWDOH GH VLOLFLX GRSDWH FX LPSXULW

IRDUWH VHQVLELOH OD YDULD LL DOH SUHVLXQLL YDULLQGX úL FRQGXFWDQ D SURSRU LRQDO FX

-

presiuQHDDSOLFDW



'RPHQLLOH GH P VXUDUH DOH DFHVWRU WUDGXFWRDUH HOHFWURQLFH VXQW FRPSDUDELOH FX FHOH DOH WUDGXFWRDUHORU FX HOHPHQW VHQVLELO HODVWLF vQ VFKLPE SHUIRUPDQ HOH VXQW QHW

superioare prin precizie, histerezis, sensibilitate. b. Elemente sensibileSHQWUXWUDGXFWRDUHGHWHPSHUDWXU (OHPHQWHOH VHQVLELOH vQWkOQLWH FXUHQW vQ WUDGXFWRDUHOH VDX LQVWDOD LLOH GH P VXUDUH D WHPSHUDWXULL VXQW UH]HUYRDUHOH EXOE  WHUPRPHWULFH WHUPRFXSOHOH WHUPRUH]LVWHQ HOH úLSLURPHWUHOHGHUDGLD LH

Rezervoarele (bulb) termometriceIXQF LRQHD]

vQSULQFLSLXSHED]DOHJLORUIL]LFH

GH GLODWDUH YROXPHWULF  úL FUHúWHUH D SUHVLXQLL IOXLGHORU GH XPSOHUH OLFKLGH JD]H VDX YDSRUL VDWXUD L DL XQRU VXEVWDQ H YRODWLOH  FX WHPSHUDWXUD 6XE LQIOXHQ D WHPSHUDWXULL YDULD LDYROXPXOXLGHOLFKLGVDXYDULD LLOHYROXPXOXLúLSUHVLXQLLJD]XOXLVDXDYDSRULORU VDWXUD L VH WUDQVPLW SULQ LQWHUPHGLXO XQXL WXE FDSLODU OD HOHPHQWXO VHQVLELO DO XQXL

37

TEHNOLOGII INDUSTRIALE WUDGXFWRUGHSUHVLXQHFDUHWUDQVIRUP DFHVWHYDULD LLvQWU

poate fiFRQYHUWLW

-o deplasare GDF

UHLP ULPH

vQVHPQDOHHFKLYDOHQWHFXP ULPHDWHPSHUDWXULLFRQIRUPUHOD LHL

T = f(δ) Termocuplele

(2.4) DX OD ED]D SULQFLSLXOXL ORU GH IXQF LRQDUH DSDUL LD XQHL IRU H

WHUPRHOHFWURPRWRDUH(DWXQFLFkQGGRX PHWDOHGHQDWXU GLIHULW VXQWSXVH úLMRQF LXQLOHORUVXGXULOH VHJ VHVFODWHPSHUDWXULGLIHULWH71úL72

în contact ) (fig.2.5).

T2

Fig. 2.5. Termocuplu.

A B

A, B - metale diferite; T1, T2 - temperaturile punctelor rece, respectiv cald; V - milivoltmetru.

T1 7HQVLXQHDHOHFWURPRWRDUH8HVWHSURSRU LRQDO FXGLIHUHQ DGHWHPSHUDWXU GLQWUH SXQFWXOFDOGúLSXQFWXOUHFHDOMRQF LXQLLWHUPRFXSOXOXL

U = α(T2 - T1)

(2.5)

unde: α - FRQVWDQW  9. T1 - temperatura punctului rece, K; T2 - temperatura punctului cald, K; U - tensiunea electromotoare (V). 'LIHUHQ D GH SRWHQ LDO FDUH FUHHD]  WHQVLXQHD HOHFWURPRWRDUH VH RE LQH GDWRULW 

electronilor. care în punctul cald al metalului au o energie mai mare decât în punctul UHFH DO MRQF LXQLL 7HUPRFXSOHOH FRQYHUWHVF WHPSHUDWXUD vQWU-R P ULPH HOHFWULF  8  FDUHSRDWHILWUDQVPLV ODGLVWDQ

Tabelul 2.1. Materiale pentru realizarea termocuplelor. Materiale pentru termocuple Domeniul de utilizare ( o C) 3ODWLQ -3ODWLQ FX5KRGLX 0…1600 Fier - Constantan (55-60% Cu, 45-40% Ni) 190…760 Cupru - Constantan 200…371 7HUPRFXSOHOH VXQW PRQWDWH vQ WXEXUL GH SURWHF LH PHWDOLFH SHQWUX WHPSHUDWXUL

între 425-1250°C sau ceramice, pentru temperaturi cuprinse între 1050-1650°C. (IHFWXOGHSURSDJDUHDOF OGXULLSULQWXEXOGHSURWHF LHSRDWHSURGXFHvQWkU]LHULGHSkQ  OD  VHF vQ U VSXQVXO WHUPRFXSOXOXL OD R YDULD LH UDSLG  GH WHPSHUDWXU  7HQVLXQLOH

electromotoaUH JHQHUDWH GH WHUPRFXSOXUL VXQW GH RUGLQXO PLOLYRO LORU SkQ

 OD VXWH

38

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

de mV. 7HUPRUH]LVWHQ HOH

VH

ED]HD] 

SH

PRGLILFDUHD

UH]LVWHQ HL

HOHFWULFH

D

XQXL

FRQGXFWRUFXWHPSHUDWXUDFRQIRUPUHOD LHL

Rt = Ro(1+βt)

(2.6)

în care: Rt - UH]LVWHQ D OD WHPSeratura t °C; Ro - UH]LVWHQ D OD WHPSHUDWXUD GH  °C; β - FRHILFLHQWGHYDULD LHDUH]LVWHQ HLFXWHPSHUDWXUDt - temperatura. 0DWHULDOHOH vQWUHEXLQ DWH SHQWUX WHUPRUH]LVWHQ H WUHEXLH V  DLE  XQ FRHILFLHQW GH YDULD LHDUH]LVWHQ HLFXWHPSHUDWXUD PDUHV ILHVWDELOHúLV SUH]LQWHRYDULD LHOLQLDU  DUH]LVWHQ HLFXWHPSHUDWXUD 7HUPRUH]LVWHQ HOH VH UHDOL]HD]  VXE IRUPD XQRU ERELQH GLQ SODWLQ  VDX QLFKHO SH

un suport izolator, introdus într-XQ WXE GH SURWHF LH GLQ R HO VSHFLDO VDX PDWHULDO ceramic. DomeniXOGHP VXUDUHDODFHVWRUDHVWHFXSULQVvQWUH-ƒ&úLƒ& Termistorii sunt discuri, sfere sau bare din materiale semiconductoare cu GLDPHWUXOGHFk LYDPPSkQ ODFPúLJURVLPHDGHFk LYDFP)XQF LRQDUHDDFHVWRUDVH ED]HD]  SH YDULD LD OLQLDU  D UH]LVWHQ HL PDWHULDOHORU VHPLFRQGXFWRDUH vQ UDSRUW FX WHPSHUDWXUD UHVSHFWLY OD vQF O]LUHD VHPLFRQGXFWRULORU vQ FDUH HOHFWURQLL DX R PRELOLWDWH UHGXV  FUHúWH QLYHOXO HQHUJHWLF DO HOHFWURQLORU FUHúWH PRELOLWDWHD DFHVWRUD

astfel încât materialele izolatoare devin conductoare. "Pastilele" semiconductoare sunt LQWURGXVH vQ vQYHOLúXUL GH SURWHF LH GLQ WHIORQ VDX DOWH PDWHULDOH WLPSXO GH U VSXQV OD YDULD LDWHPSHUDWXULLDUHYDORULGHSkQ ODVHFXQGH

c. Elemente sensibile pentru traductoare de debit DebitXO GH PDWHULDOH HVWH P ULPHD FDUH VH XUP UHúWH D IL UHJODW

 vQ PDMRULWDWHD

VLVWHPHORU GH FRQGXFHUH DXWRPDW  VSHFLILFH SHQWUX FLUFXOD LD vQ LQVWDOD LL WHKQRORJLFH (OHPHQWHOH SULPDUH FHOH PDL XWLOL]DWH GH P VXUDUH D GHELWHORU VXQW GLDIUDJPHOH

debitmetre rotametrice, tuburi (Venturi, Pitôt-3UDQGWO HWF  SHQWUX P

VXUDUHD SUHVLXQLL

GLIHUHQ LDOHúD

Diafragmele

IXQF LRQHD]  SH SULQFLSLXO P VXU ULL SUHVLXQLL GLIHUHQ LDOH SULQ

LQWURGXFHUHDvQFXUHQWXOIOXLGXOXLDXQHLVWUDQJXO ULUHVSHFWLYGLDIUDJPH'HELWXO

, prin

VWUDQJXODUHD SURGXV  HVWH SURSRU LRQDO FX GLIHUHQ D GH SUHVLXQH vQDLQWH úL GXS 

strangulare. 'LDIUDJPHOH DX R FRQVWUXF LH VLPSO  FRVW UHGXV VH SRW LQVWDOD úL vQORFXL XúRU IDSWFDUHDGHWHUPLQDWXWLOL]DUHDSHVFDU ODUJ DDFHVWRUHOHPHQWHSULPDUHGHP VXUDUH 3UHFL]LDGHP VXUDUHvQFD]XOXWLOL] ULLGLDIUDJPHLHVWHLQIOXHQ DW GHYDULD LLOHGH GHQVLWDWHúLYLVFR]LWDWHDOLFKLGXOXLFDUHODUkQGXOORUGHSLQGGHWHPSHUDWXU 

Debitmetre rotametrice 0HWRGD SH FDUH VH ED]HD]  IXQF LRQDUHD DFHVWRU deELWPHWUHSUHVXSXQHUHDOL]DUHDXQHLVXSUDIH HYDULDELOHSURSRU LRQDOHFXGHELWXOúLFX R F GHUH GH SUHVLXQH UHODWLY FRQVWDQW  &HO PDL XWLOL]DW HVWH rotametrul cu plutitor  úL tub conic ILJ  3OXWLWRUXO 3 VW  vQWU-R SR]L LH GH HFKLOLEUX vQWUH JUHXWDWHD VD úL IRU HOHFDUHvOvPSLQJvQVXV$FHVWHIRU HSURYLQGLQPLúFDUHDSHFDUHRH[HUFLW IOXLGXO vQ PLúFDUH DVXSUD SOXWLWRUXOXL ÌPSLQJHUHD HVWH SURSRU LRQDO  FX GLIHUHQ D GH SUHVLXQH vQDLQWH úL GXS  SOXWLWRU ÌQ IHOXO DFHVWD SR]L LD SOXWLWRUXOXL FDUDFWHUL]HD]  GHELWXO

39

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

fluidului.

Fig. 2.6. Rotametru cu plutitor.

5RWDPHWUXO FXSULQGH úL GLVSR]LWLYHOH SQHXPDWLFH VDX HOHFWURQLFH FDUH SURGXF

semnalul necesar celorlalte elemente din sistemul de reglare. /D DOHJHUHD HOHPHQWHORU GH P VXUDUH D GHELWXOXL WUHEXLH V  VH DLE  vQ YHGHUH XUP WRDUHOH D

specte: natura fluidului (lichid, gaz, vapori), puritatea lui (curat sau cu

VXVSHQVLL  úL SULQFLSDOHOH FRQVWDQWH IL]LFH OD SUHVLXQHD úL WHPSHUDWXUD GH OXFUX GHQVLWDWH VDX JUHXWDWH VSHFLILF  YLVFR]LWDWH FRQGXFWLYLWDWH DJUHVLYLWDWH HWF  FkW úL FRQGL LLOH GH SURFHV OLPLWH GH YDULD LH D GHELWXOXL SUHVLXQLL SLHUGHUH GH SUHVLXQH VLJXUDQ

vQIXQF LRQDUHHWF 

(OHPHQWHGHUHJODUHDXWRPDW

5HJXODWRDUHDXWRPDWH

/RFXO FHQWUDO vQ DQVDPEOXO XQXL VLVWHP GH UHJODUH DXWRPDW  65$  vO RFXS 

regulatorXO DXWRPDW 5 VDX 5$  FD HOHPHQW DMXVWDELO FDUH DVLJXU

 R IXQF LRQDUH

JOREDO FXSHUIRUPDQ HGRULWHDVLVWHPXOXL 5ROXO UHJXODWRUXOXL DXWRPDW HVWH GH D HODERUD P ULPHD GH FRPDQG 

c, pe baza

XQRU LQIRUPD LL FXOHVH DWkW GH OD SURFHVXO FRQGXV FkW úL GLQ H[WHULRU úL GH D SUHOXFUD DFHVWHLQIRUPD LLvQFRQIRUPLWDWHFXRDQXPLW OHJHFXDQXPLWHLQVWUXF LXQLIL[DWHSULQ vQV úLFRQVWUXF LDUHJXODWRUXOXL 6LVWHPHOH FRQYHQ LRQDOH DXWRPDWH VXQW UHDOL]DWH FX UHJXODWRDUH FRQYHQ LRQDOHDO F

URU DOJRULWP

 GH FDOFXO DO

comenzii este de tip P, I, PI, PD, PID, vQ IXQF LH GH cúLGHP ULPHDGHDF LRQDUH a.

GHSHQGHQ DP ULPLLGHFRPDQG  5HJXODWRUSURSRU LRQDO3

'HSHQGHQ D GLQWUH P ULPHD GH FRPDQG 

c úL P

ULPHD GH DF LRQDUH

a este de

forma: c = KR·a

(2.7)

unde: KR = coeficientul de amplificare al regulatorului, sau factorul de SURSRU LRQDOLWDWH

Regulator integral (I) ÌQ DFHVW FD] GHSHQGHQ D P ULPLL GH FRPDQG  GH FHD GH DF LRQDUH HVWH GDW  GH UHOD LD

40

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

c=

1 Ti

∫ adt

(2.8)

unde: Ti = timp iQWHJUDOFRQVWDQW

FXGLPHQVLXQLOHXQXLWLPS

$FHVW WLS GH UHJXODWRU VH XWLOL]HD]  UDU úL VH UHDOL]HD]  vQ VSHFLDO FX GLVSR]LWLYH

hidraulice. 5HJXODWRUSURSRU LRQDOLQWHJUDO3, ÌQ DFHVW FD] P ULPHD

c HVWH VXPD D GRX

 S U L SULPD SDUWH

KR·a, SURSRU LRQDO



FXP ULPHDGHDF LRQDUHSDUWHD3 LDUDGRXDSDUWHSURSRU LRQDO FXLQWHJUDODP ULPLL GHDF LRQDUHvQLQWHUYDOXOGHWLPSGDWSDUWHD, 

  1 c = K R  a + ∫ adt    Ti  

(2.9)

5HJXODWRUSURSRU LRQDOGHULYDWLY3' 

da   c = K R  a + Td  dt  

unde: Td

(2.10)

FRQVWDQW GHQXPLW WLPSGHULYDWLYFXGLPHQVLXQLOHXQXLWLPS

5HJXODWRUSURSRU LRQDOLQWHJUDOGHULYDWLY3,'

 1 da  c = K R  a + ∫ adt + Td  Ti dt  

(2.11)

5HJXODWRUXO 3,' GXFH OD RE LQHUHD XQRU UHJO UL DXWRPDWH FX FHOH PDL EXQH SHUIRUPDQ H &ULWHULLOH GH DOHJHUH DOH UHJXODWRDUHORU VH ED]HD]  SH FRQVLGHUHQWH SUDFWLFH

Astfel, s-D VWDELOLW F

 vQ UDSRUW FX P ULPHD UHJODW  FHD PDL IUHFYHQW  XWLOL]DUH D

UHJXODWRDUHORUDXWRPDWHFRQWLQXH HVWHvQ LQGXVWULDFKLPLF úLVHJUXSHD] vQ IXQF LHGH P ULPHDUHJODW FDvQWDEHOXO 7DEHOXO8WLOL]DUHDUHJXODWRDUHORUFRQWLQXHvQIXQF LHGHP ULPHDUHJODW  0 ULPHDUHJODW

Nivel Debit Presiune 7HPSHUDWXU

Tipul regulatorului continuu P, PI PI PI, PID PID, PI

Din punct de vedere constructiv, regulatoarele sunt foarte variate: - regulatoare pneumaticevQFDUHP ULPLOHaúLcVXQWSQHXPDWLFHP

ULPHD

a

SRDWHILúLRGHSODVDUH 

41

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

regulatoare hidraulice vQ FDUH P ULPHD c HVWH GH QDWXU  KLGUDXOLF  LDU P ULPHDa este de obicei o deplasare; - regulatoare electroniceHOHFWULFH vQFDUHP ULPLOHVXQWGHQDWXU HOHFWULF  Regulatoarele electronice VH ED]HD]  SH IRORVLUHD XQRU HOHPHQWH GHQXPLWH -

DPSOLILFDWRDUHRSHUD LRQDOHDF URUIXQF LRQDUHHVWHFDUDFWHUL]DW GHUHOD LD

Ue = - KA·Ui

(2.12)

unde: Ue - WHQVLXQHD GH LHúLUH Ui - tensiunea de intrare; KA - coeficientul de amplificare, care are valori de 103-1096HPQXOQHJDWLYDUDW F WHQVLXQHDGHLHúLUHUe este de semn opus tensiunii de intrare Ui). 6H IRORVHVF úL regulatoare mixte electrono-pneumatice sau electrono-hidraulice, vQ FDUH LQWHUYLQ úL HOHPHQWH HOHFWURQLFH úL HOHPHQWH SQHXPDWLFH KLGUDXOLFH  FXSODWH

prin intermediul unor convertoare. Regulatoarele automate electroniceSUH]LQW  RVHULHGHDYDQWDMH ID  GH FHOHODOWH respectiv: pot ILUHDOL]DWHvQFRQVWUXF LLPLQLDWXUL]DWHVHPQDOHOHHOHFWURQLFHVHWUDQVPLW FXYLWH]HIRDUWHPDULLDUFXSODUHDFXFDOFXODWRDUHOHHOHFWURQLFHVHIDFHIRDUWHXúRU ÌQ IXQF LH GH DOWH FRQVLGHUHQWH UHJXODWRDUHOH DXWRPDWH 5$  VH FODVLILF  GXS  FXPXUPHD] 

- 5$XQLILFDWHúLVSHFLDOL]DWH - 5$OLQLDUHúLQHOLQLDUH - 5$FRQWLQXHúLGLVFUHWH - 5$SHQWUXSURFHVHUDSLGHúLSHQWUXSURFHVHOHQWH Regulatoarele unificateIXQF LRQHD] FXVHPQDOHXQLILFDWHUHVSHFWLYODLQWUDUHDúL LHúLUHD VXEDQVDPEOHORU úL EORFXULORU FRPSRQHQWH VXQW SUHY ]XWH P ULPL GH DFHHDúL QDWXU IL]LF úLFXDFHHDúLJDP GHYDULD LH

Unificarea semnalelorDVLJXU XUP WRDUHOHDYDQWDMH - subansamble interschimbabileFXFDUHSRDWHILUHDOL]DW RPDUHYDULHWDWHGH scheme de automatizare; - uniformitatea panourilorúLVLPSOLILFDUHDH[SORDW ULL - caracter de universalitate GDWRULW  IOH[LELOLW LL vQ FRQHFWDUHD subansamblelor, regulatoarele unificate pot fi utilizate pentru reglarea GLIHULWHORUP ULPLGLQFDGUXOXQHLGLYHUVLW

În praFWLF



vQ

RULFH

LQVWDOD LH

LGHLQVWDOD LLWHKQRORJLFH

WHKQRORJLF 

DX

ORF

vQWkU]LHUL

LQHUHQWH

vQ

WUDQVPLWHUHD VHPQDOHORU GH OD LQWUDUHD VDX LHúLUHD LQVWDOD LHL vQWUXFkW HVWH QHFHVDU XQ WLPSDQXPLWSHQWUXSURSDJDUHDVSUHLHúLUHDHIHFWHORUYDULD LHLVHPQDOXOXLGHODLQWUDUH

Valorile timpilor de propagare a semnalului definesc procesele tehnologice ca procese: UDSLGHúLOHQWH. Procesele rapide VXQW FDUDFWHUL]DWH GH FRQVWDQWH GH WLPS DOH F URU YDORUL QX GHS úHVF  VHFXQGH FD GH H[HPSOX FHOH FDUH VH GHVI úRDU  vQ PDúLQLOH úL DF LRQ Uile HOHFWULFHPRWRDUHFXFXUHQWFRQWLQXXúLDOWHUQDWLYJHQHUDWRDUHVLQFURQHHWF ÌQFD]XO SURFHVHORUUDSLGHVHUHJOHD] DXWRPDWWHQVLXQLFXUHQ LWXUD LLHWF

Procesele tehnologice lente sunt caracterizate de constante de timp de peste 10 VHFXQGH úL pot ajunge la zeci de minute. Procesele lente sunt cele în care au loc WUDQVIRUP UL GH PDV  úL GH F OGXU  SURFHVHOH GLQ FD]DQXO GH DEXU GLQ LQVWDOD LLOH

42

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH FKLPLFH HWF  ÌQ FD]XO DFHVWRU SURFHVH DUH ORF UHJODUHD DXWRPDW  D WHPSHUDWXULL

presiunii, niveleloUGHELWHFRQFHQWUD LLS+HWF ÌQSUDFWLF EORFXULOHGHUHJODUHDXWRPDW 5$ LQFOXGúLHOHPHQWXOGHFRPSDUD LH ' ILJ FDUHVHUHDOL]HD] FXDMXWRUXOXQRUVFKHPHFXUH]LVWHQ H /HJ WXULOH vQWUH HOHPHQWHOH FRPSRQHQWH DOH EORFXOXL GH UHJODUH DXWRPDW  VH UHDOL]HD] SULQFRQGXFWRDUHHOHFWULFH &RQGXFHUHD úL VXSUDYHJKHUHD SURFHVHORU WHKQRORJLFH SULQ XWLOL]DUHD VLVWHPHORU DXWRPDWH65$ VHUHDOL]HD] vQVSD LLVSHFLDODPHQDMDWHV

OLVDXFDPHUHGHFRPDQG

climatizate (cu temperatura de 20 + 5°C). InstDODWHSHSDQRXULvQFDPHUDGHFRPDQG

, 

UHJXODWRDUHOH DXWRPDWH HOHFWURQLFH VXQW VXSUDYHJKHDWH GH F WUH RSHUDWRUXO GH VHUYLFLX $FHVWDFRQWUROHD] PRGXOvQFDUHIXQF LRQHD] 65$úLLQVWDOD LDWHKQRORJLF úLvQDFHVW VFRS SH SODFD IURQWDO  D 5$( VXQW SUHY ]XWH DSDUDWH LQGLFDWRDUH FDUH GH UHJXO  P VRDU YDORULOHP ULPLLUHJODWH

eúLDDEDWHULL aP

ULPHDGHDF LRQDUH

a).

3HQWUXFDRSHUDWRUXOV SRDW  PRGLILFDDQXPLWHFRQGL LL GH IXQF LRQDUHEORFXULOH 5$ VXQW SUHY ]XWH FX EXWRDQH úL FRPXWDWRDUH 3ULQ LQWHUP

ediul acestora, operatorul poate stabili valorile necesare pentru constantele de timp care intervin în legea de reglare (KR, Ti, Td  SRDWH HIHFWXD WUHFHUHD GH OD IXQF LRQDUHD DXWRPDW  OD IXQF LRQDUHD

FXFRPDQG PDQXDO DLQVWDOD LHLWHKQRORJLFHHWF

ElemeQWHOH SULQ FDUH VH UHDOL]HD]  OHJ WXUD vQ DPEHOH VHQVXUL vQWUH 5$ úL operator se numesc HOHPHQWHGHLQWHUID FXRSHUDWRUXO (fiind intercalate între operator úLEORFXO RA). 6LVWHPHFXVWUXFWXU

HYROXDW

&RQGXFHUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFHFX

calculatoare de proces (cibernetizarea) &RQGXFHUHD FX FDOFXODWRDUH D SURFHVHORU WHKQRORJLFH UHSUH]LQW  R WHKQLF  GH XWLOL]DUHDFDOFXODWRDUHORUQXPHULFHSHQWUXFRQGXFHUHDXQHLS U LVDXvQWRWDOLWDWHDXQXL SURFHV WHKQRORJLF vQ VFRSXO UHDOL] ULL úL PHQ LQHULL XQRU SHUIRUPDQ H WHKQLFH úL

economice. Calculatoarele pentru conducerea proceselor tehnologice sau calculatoarele de SURFHVVHMXVWLILF HFRQRPLFvQFD]XOXUP WRDUHORUVLWXD LL

-

SHQWUX SHUWXUE UL SXWHUQLFH úL IUHFYHQWH DOH UHJLPXOXL GH IXQF LRQDUH D

instDOD LHL -

SHUWXUE ULFXFRQVHFLQ HHFRQRPLFHVHYHUH SHQWUX PRGLILFDUHD VLPXOWDQ  D PDL PXOWRU SDUDPHWULL vQWU

-un proces

tehnologic; pentru prelucrarea unui volum mare de date; vQ FD]XUL GH H[WLQGHUL DOH LQVWDOD LLORU SHQWUX SURGXF LL VXSOLPHQWDUH PRGX

l

GH RSHUDUH vQ WHKQRORJLD S U LL QRL SRDWH IL VLPXODW SH XQ FDOFXODWRU SHQWUX FXQRDúWHUHDPDLEXQ DSURFHVHORUHWF

Introducerea calculatorului pentru conducerea proceselor tehnologice nu se MXVWLILF  vQWRWGHDXQD GDWRULW  LQYHVWL LHL PDUL VXSOLPHQWDUH, necesare pentru costul FDOFXODWRUXOXL úL D LQVWDOD LLORU DIHUHQWH ,QYHVWL LLOH WUHEXLH DPRUWL]DWH vQ WLPS GH

2-7 DQLSHQWUXFDVLVWHPXOGHFDOFXOV

ILHFRQVLGHUDWHILFLHQW

43

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Un sistem de conducere cu calculator a proceselor tehnologice cuprinde un întreg ansamblu de echipamente, programe pentru calculator, proceduri de operare, operatori XPDQLFDUHUHDOL]HD] vPSUHXQ FRQGXFHUHDSURFHVXOXLWHKQRORJLF GDWvQFRQIRUPLWDWH FXFHULQ HOHGHSHUIRUPDQ

LPSXVH

Aportul calculatorului ca element al sistemului FRPSOH[ DSURFHVXOXLWHKQRORJLFHVWHOHJDWGHFDOLW

GH

FRQGXFHUH

HYROXDW 

LOHDFHVWXLDvQFHHDFHSULYHúWH

SUHOXDUHDúLSUHOXFUDUHDXQRUYROXPH PDUL GHLQIRUPD LLSUHFL]LD PDUHGHSUHOXFUDUHD

datelor, capacitatea de a executa calcule de mare complexitate, viteza mare de SUHOXFUDUH D GDWHORU LQIRUPD LLORU GLQ SURFHV SUHFXP úL GH LQWHUYHQ LH DVXSUD

procesului tehnologic condus. În general, calculatoarele de proces VXQW FDOFXODWRDUH XQLYHUVDOH SUHY XQLW

]XWH FX

L VSHFLILFH FDUH OH SHUPLW V  LQWHUDF LRQH]H GLUHFW FX SURFHVXO WHKQRORJLF FRQGXV

numite LQWHUID

GHSURFHV

.

)XQF LLOHLQWHUIH HLGHSURFHVVXQWXUP WRDUHOH

-

PHPRUDUHD LQIRUPD LHL HPLVH VDX WUDQVPLVH GH VDX GH F WUH SHULIHULFHOH GH

-

FRQWUROXOúLFRPDQGDVHFYHQ LDO DVFKLPEXULORUFX

proces; perifericele;

DGDSWDUHDVHPQDOHORUQLYHOIRUPDWQDWXU HWF

,QWHUID D GH SURFHV FD VWUXFWXU  HVWH DOF WXLW  GLQ GLVSR]LWLYH IXQF LRQDOH

distincte: amplificatoare, multiplexoare, demultiplexoare, decodoare, blocuri de FRPDQG FRQYHUWRDUHDQDORJQXPHULFúLQXPHULFDQDORJLF 

Calculatorul numeric

HVWH XQ HFKLSDPHQW HOHFWURQLF FDUH SUHOXFUHD]  LQIRUPD LD

SULPLW  FRGLILFDW  vQ YDORUL QXPHULFH GLVFUHWH vQ VLVWHPXO ELQDU  2SHUD LLOH GH FDOFXO

propriu-]LVH VH H[HFXW

 vQ EORFXO DULWPHWLF úL ORJLF GLQ XQLWDWHD FHQWUDO  8&  ÌQ

PHPRULD LQWHUQ  VXQW UH LQX L RSHUDQ]L GDWHOH VXSOLPHQWDUH DGUHVHOH OD FDUH VH J VHVF RSHUDQ]LL LQVWUXF LXQLOH QHFHVDUH HIHFWX ULL RSHUD LLORU 8QLWDWHD GH FRPDQG  H[HFXW 

transferuri de date de la, sau la dispozitivele care fac lHJ

WXUD FDOFXODWRUXOXL FX

H[WHULRUXOGHODPHPRULDLQWHUQ ODEORFXODULWPHWLFVDXvQLQWHULRUXOEORFXOXLDULWPHWLF úLORJLF

Echipamentele periferice au rolul de a introduce sau de a scoate date din FDOFXODWRUúLVXQWIRUPDWHGLQ

-

consola operatorului, cDUHDVLJXU

LQWHUID DRP

-proces condus, comunicarea

FRPSOHW  UDSLG  úL VLJXU  LQIRUPDUHD SHUVRQDOXOXL GH H[SORDWDUH DVXSUD

procesului condus, introducerea programelor, a datelor, modificarea unor GDWH VDX D XQRU LQVWUXF LXQL &RQVROD SHUPLWH DWkW LQIRUPDrea operatorului DVXSUDVW ULLSURFHVXOXLSULQDILúDUHDLQIRUPD LLORUFkWúLLQWHUYHQ LDDFHVWXLD SULQFRPHQ]LFRUHVSXQ] WRDUHDVXSUDSURFHVXOXLUHVSHFWLY  FRQ LQH SURJUDPH GH XWLOL]DUH úL VWRFKHD]  P ULPLOH

-

PHPRULD H[WHUQ

-

prestabilite; imprimanta, pentrX WLS

ULUHD UH]XOWDWHORU SUHOXFU ULL LQIRUPD LLORU GH F WUH

FDOFXODWRUFRQIRUPLQVWUXF LXQLORU

-

EORFXOGHDILúDUHPQHPRQLF

SHUPLWHDILúDUHDRSWLF SHWXEFDWRGLFGLVSOD\ 

D XQRU UH]XOWDWH SUHFXP úL D VFKHPHORU WHKQRORJLFH FX GDWH DFWXDOL]DWH

permanent privind stadiul real al procesului. &RQGXFHUHD SURFHVHORU WHKQRORJLFH FX FDOFXODWRU GH SURFHV VH UHDOL]HD]  vQ

44

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

"off-OLQH úL RQ-OLQH IXQF LH GH PRGXO GH FRQHFWDUH D calculatorului cu procesul respectiv condus. În cazul FRQILJXUD Lei "off-line", calculatorul este utilizat în calitate de FRQILJXUD LL GH VLVWHP

FRQVXOWDQW &DOFXODWRUXO QX HVWH FRQHFWDW vQ PRG IL]LF FX SURFHVXO FRQGXV /HJ WXUD vQWUH FDOFXODWRU úL SURFHV VH IDFH vQ DPEHOH VHQVXUL SULQ RSHUDWRU XPDQ FDUH UHFHS LRQHD]  LQIRUPD LLOH úL OH L

ntroduce în calculator ca date de intrare. Calculatorul

SUHOXFUHD]  GDWHOH FRQIRUP XQRU DOJRULWPL LQWURGXúL vQ SUHDODELO vQ PHPRULH úL HODERUHD]  YDORULOH GH RSWLPL]DUH UHVSHFWLYH FDUH VXQW SUHOXFUDWH GH F WUH RSHUDWRUXO XPDQúLLQWURGXVHGHF WUHDFHVWDPDQXDOvQLQVWDOD LDWHKQRORJLF $FHDVW VLWXD LHVH vQWkOQHúWHGRDUvQFD]XOvQFDUHFRQGL LLOHSURFHVXOXLVHPRGLILF UHODWLYOHQW

-line"

&RQILJXUD LD GH VLVWHP RQ

LPSOLF  FRQH[LXQHD ELGLUHF LRQDO  SURFHV

-

FDOFXODWRU &DOFXODWRUXO SULPHúWH GDWH GLUHFW GH OD SURFHV I U  LQWHUYHQ LD RSHUDWRUXOXL

uman. Calculatorul în regim "on-OLQH IXQF LRQHD]

 vQ UHJLP GH FRQGXFHUH GLUHFW  D

SURFHVXOXL OXkQG GHFL]LL SH ED]D GDWHORU RE LQXWH vQ PRG QHPLMORFLW GH OD SXQFWHOH GH P VXU úLFRQWURO6HSRWUHDOL]DGRX YDU

iante în acest caz:

-

FRQILJXUD LD FX PRGLILFDUH SULQ FDOFXODWRU D P ULPLORU GH UHIHULQ

EXFOHGHUHJODUHFRQYHQ LRQDOH

FRQILJXUD LLFXFRQGXFHUHQXPHULF GLUHFW 

 DOH XQRU

- DDC (Direct Digital Control).

3ULPD YDULDQW  FX PRGLILFDUH SULQ FDOFXODWRU D P ULPLORU GH UHIHULQ

 DOH XQRU

EXFOH GH UHJODUH FRQYHQ LRQDOH VH DSOLF  vQ VLWXD LL vQ FDUH VH ODV  SH VHDPD UHJXODWRDUHORU ORFDOH PHQ LQHUHD FRQVWDQW  D YDORULORU XQRU SDUDPHWUL DL SURFHVXOXL FRQGXV &DOFXODWRUXO VWDELOHúWH P ULPLOH GH UHIHULQ

 DIHUHQWH EXF

lelor de reglare care

LQFOXGúLUHJXODWRDUHFRQYHQ LRQDOH$FHVWVLVWHPRIHU XQJUDGPDLPDUHGHILDELOLWDWH ODGHIHFWDUHDFDOFXODWRUXOXLúLvQGHRVHELDLQWHUIH HLSURFHV

-calculator-SURFHVH[LVWHQ D

EXFOHORU GH UHJODUH ORFDO  DVLJXU  FRQGL LL UH]RQDELOH GH GHS úLUH D VLWXD LHL FULWLFH

create de defect. Calculatorul în regim "on-OLQH LQGLIHUHQW GH FRQILJXUD LH YHULILF

 úL HIHFWXO

FRPHQ]LORU LQWHUYHQ LLORU VDOH vQWUXFkW SULPHúWH LQIRUPD LL DVXSUD P ULPLORU GH LHúLUH GLQSURFHVúLSRDWHGHFLFRQWURODGDF VDUFLQDSHQWUXFDUHDIRVWSURJUDPDWHVWHVDXQX vQGHSOLQLW ODSDUDPHWULRSWLPL

&RQGXFHUHDQXPHULF

GLUHFW

DSURFHVHORUWHKQRORJLFH

Direct Digital Control (DDC) &DOFXODWRUXO SULPHúWH GLUHFW GH OD SURFHVXO FX FDUH HVWH FRQHFWDW LQIRUPD

ii

DVXSUD YDORULORU P ULPLORU GH LQWUDUH FkW úL D FHORU GH LHúLUH &DOFXODWRUXO QXPHULF SUHOXFUHD]  GDWHOH úL GLULMHD]  SURFHVXO SULQ PRGLILFDUHD YDORULORU P ULPLORU GH H[HFX LH 

m  7RWRGDW  FDOFXODWRUXO XUP UHúWH FXQRDúWHUHD SHUIHFW  D HIHFWHORU intervHQ LLORU VDOH úL DF LRQHD]  DVWIHO vQFkW DFHVWHD V  GXF  OD UHDOL]DUHD SURJUDPXOXL SURSXVÌQWUXFkWFDOFXODWRUXODF LRQHD] GLUHFWDVXSUDSURFHVXOXLWHKQRORJLFHOSUHLDvQ PRGFRPSOHWVDUFLQLOHUHJXODWRDUHORUFRQYHQ LRQDOHVSHFLILFH65$ 'LQFRQVLGHUHQW

e

GH ILDELOLWDWH UHJXODWRDUHOH FRQYHQ LRQDOH SRW IL XWLOL]DWH FD HOHPHQWH GH UH]HUY  vQ HYHQWXDOLWDWHD GHIHFW ULL FDOFXODWRDUHORU VDX D LQWHUIH HL GH SURFHV ÌQ SULQFLSLX UHJXODWRUXOFDHOHPHQWIL]LFHVWHvQORFXLWFXPRGXOH VRIWZDUHLDUIXQF LLOHVD

le sunt 45

TEHNOLOGII INDUSTRIALE H[HFXWDWH SULQ UXODUHD XQRU DQXPLWH SURJUDPH VDX VXESURJUDPH FDUH UHSUH]LQW 

codificarea algoritmului de conducere. 7HKQLFLOH PRGHUQH GH FRQGXFHUH QXPHULF  GLUHFW  D SURFHVHORU WHKQRORJLFH VXQW  vQ FDGUXO F URUD

cunoscute sub denumirea de: tehnici de conducere adaptLY FRQGXFHUHDRSWLPDO UHSUH]LQW XQFD]SDUWLFXODU

ÌQ VLVWHPXO GH FRQGXFHUH DGDSWLY  SULQ LQWHUPHGLXO XQXL SURFHV GH LGHQWLILFDUH XWLOL]kQGYDULDELOHOHGHLQWUDUHGHLHúLUHúLGHVWDUHDOHSURFHVXOXLFRQGXVVHGHWHUPLQ 

modelul actual al procesului respectiv. Blocul de decizie, pe baza unei strategii SUHGHWHUPLQDWH VWDELOHúWH PRGXO vQ FDUH HVWH QHFHVDU  PRGLILFDUHD SDUDPHWULORU

regulatorului în scopul satisfacerii criteriului de adaptare a procesului prestabilit. D.D.C., sistemele de reglare - FRQGXFHUH QXPHULF  GLUHFW  D SURFHVHORU WHKQRORJLFH VXQW VLVWHPH FRPSOH[H H[DFWH úL SUHFLVH ÌQ ILJ HVWH SUH]HQWDW  VFKHPD GH SULQFLSLX D UHJO ULL

-conducerii numerice directe a unui proces tehnologic

(P) cu 3 bucle de reglare. c1 c2

E2 c3

MA

e1

E1

MA

E3

P

e2 e3

M1 M2 M3

r3

MA

r2

Demultiplexor

Multiplexor

CNA

CAN c’

,PSULPDQW

r1

r’

CN Calculator numeric

Consol RSHUDWRUGH proces

Memorie H[WHUQ

,PSULPDQW

)LJ6FKHPDGHSULQFLSLXDUHJO ULLQXPHULFHGLUHFWHDXQXLSURFHVWHKQRORJLF3 

M1, M2, M3 - traductoare; E1, E2, E3 -HOHPHQWHGHH[HFX LH0$- memorii analogice; CNA convertor analogic numeric; e1, e2, e3 - m ULPLGHLHúLUHGLQSURFHVU1, r2, r3 -P ULPLGHUHDF LH VXEIRUP GHVHPQDODQDORJLFU -P ULPHGHUHDF LHVXEIRUP QXPHULF F -P ULPHGH FRPDQG VXEIRUP QXPHULF F1, c2, c3 -P ULPLGHFRPDQG VXEIRUP GHVHPQDODQDORJLF m1, m2, m3 -P ULPLGHH[HFX LH

46

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

6SUHGHRVHELUHGHXQVLVWHPGHUHJODUHFRQYHQ LRQDO65$ FDUHDUHXQUHJXODWRU SURSULX ILHF UHL EXFOH GH UHJODUH vQWU XQ VLVWHP GH UHJODUH QXPHULF  GLUHFW  ''& 

-

H[LVW  XQ DQVDPEOX GH FDOFXO FXSULQ]kQG FDOFXODWRUXO QXPHULF &1  FR

mun tuturor

EXFOHORU GH UHJODUH GLQ VLVWHP úL FDUH VXSOLQHúWH UROXO GHWHFWRDUHORU GH HURDUH úL D UHJXODWRDUHORUGLQVLVWHPXOFRQYHQ LRQDO 0XOWLSOH[RUXOGHPXOWLSOH[RUXO&$1&1$SULQLQWHUPHGLXOF URUDFDOFXODWRUXO

numeric este cuplat la procesul tehnologic constituie LQWHUID DGHSURFHV. 0 ULPLOHGHLHúLUHGLQSURFHVSDUDPHWULLUHJOD L e1, e2, e3,…,en sunt transformate prin intermediul traductoarelor M1, M2, M3,…, Mn în semnale analogice r1, r2, r3,…, rn. Multiplexorul (selector de intrare S.I.) esteXQGLVSR]LWLYFDUHDVLJXU FRQHFWDUHD VHPQDOXOXL GRULW GLQ SURFHV OD LQWU ULOH FDOFXODWRUXOXL SULQ LQWHUPHGLXO FRQYHUWRUXOXL

analog numeric (CAN). CAN - FRQYHUWRUXO DQDORJ QXPHULF HVWH XQ FLUFXLW HOHFWURQLF FDUH DVLJXU  transformarea unui semnal analogic aplicat la intrare într-o succesiune de numere ELQDUHFRUHVSXQ] WRDUHYDORULLDPSOLWXGLQLLVHPQDOXOXL 9LWH]D GH FRPXWDUH D PXOWLSOH[RUXOXL YDULD]  vQWUH FkWHYD VXWH GH LQWU ULVHFXQG  PXOWLSOH[RDUH FX UHOHH  úL FkWHYD PLLVHFXQG  PXOWLSOH[RDUH FX FRPXWD LH VWDWLF  ([LVWHQ DPXOWLSOH[RUXOXLSHUPLWHXWLOL]DUHDXQXLVLQJXU&$1FDUHWUHEXLHV DVLJXUHR YLWH] ULGLFDW GHOXFUXvQDFRUGFXYLWH]DPD[LP SRVLELO DPXOWLSOH[RUXOXL 3UHOXFUDUHD P ULPLORU SULQ ODQ XO PXOWLSOH[RU &$1 VH HIHFWXHD]  FLFOLF $FHDVW 

-

UHJXODULWDWH vQ FLWLUHD P ULPLORU GLQ SURFHV HVWH LPSXV  GH QHFHVLWDWHD DVLJXU ULL XQXL IOX[FRQWLQXXGHGDWHSHQWUXUH]ROYDUHDHFXD LLORUGHUHJODUHvQFDOFXODWRUXOQXPHULF ÌQ FDOFXODWRU VH IDFH FDOFXOXO P ULPLL GH DF LRQDUH FRPDQG 

c’ VXE IRUP

a SUHFXP úL D P

ULPL

i de

 QXPHULF  &RQYHUWRUXO QXPHULF DQDORJLF &1$  FDUH HVWH XQ

FLUFXLWHOHFWURQLFWUDQVIRUP QXP UXODSOLFDWODLQWUDUH

c’) într-un semnal analogic (c)

FXDPSOLWXGLQHDFRUHVSXQ] WRDUHQXP UXOXLUHVSHFWLY

Prin intermediul demultiplH[RUXOXL FDUH FXSOHD] c HOHPHQWHORUGHH[HFX LHGLQVLVWHPE).

 SH UkQG HOHPHQWHOH GH H[HFX LH

OD FDOFXODWRU P ULPHD GH FRPDQG    VXE IRUP  GH VHPQDO DQDORJLF HVWH WUDQVPLV  ÌQWUH

GHPXOWLSOH[RU

úL

HOHPHQWHOH

GH

H[HFX LH

VXQW

LQWHUFDODWH

PHPRULLOH

analoJLFH 0$  GHVWLQDWH PHPRU ULL YDORULL P ULPLL GH FRPDQG  c vQWUH GRX  WHVW UL succesive. 0 ULPHD GH FRPDQG  c HVWH WUDQVIRUPDW  GH F WUH HOHPHQWHOH GH H[HFX LH (  vQ P ULPLOH FRUHVSXQ] WRDUH GH H[HFX LH m1, m2,…,m n FDUH VH DSOLF  SURFHVXOXL tehnologic (P  vQ VFRSXO GH D LQIOXHQ D GHVI úXUDUHD DFHVWXLD FRPSHQVkQG HIHFWXO SHUWXUED LLORU 3HQWUX UHJODUHD QXPHULF  GLUHFW  D SURFHVHORU WHKQRORJLFH VH SRW XWLOL]D PLQLFDOFXODWRDUHFDUHSRWVXSOLQLSkQ ODEXFOHGHUHJODUHFRQYHQ LRQDO $FHVWHD

nu necesit

FOLPDWL]DUHDVLVWHPXOXL vQ FDUHOXFUHD]  VHFDUDFWHUL]HD] SULQIOH[LELOLWDWH

vQ XWLOL]DUH ILDELOLWDWH úL FRVW UHGXV GHWHUPLQDW vQ VSHFLDO GH FRVWXO GLVSR]LWLYXOXL GH PHPRULHRSHUDWLY  ÌQ VLVWHPHOH GH UHJODUH QXPHULF  GLUHFW  D SURFHVHORU WHKQRORJLFH FDOFXODWRDUHOH

GH

SURFHV

FDUH

vQ

DQXPLWH

VLWXD LL

SRW

IL

se folosesc

PLFURFDOFXODWRDUH

47

TEHNOLOGII INDUSTRIALE 3DUWLFXODUL]DUHD FDOFXODWRDUHORU XQLYHUVDOH SHQWUX SURFHVXO FRQGXV VH UHDOL]HD]  QXPDL SULQDWDúDUHDXQHLLQWHUIH HGHSURFHVúLSULQSURJUDPHOHSHFDUHOHH[HFXW  8WLOL]DUHD

FDOFXODWRDUHORU

vQ

FRQGXFHUHD

SURFHVHORU

WHKQRORJLFH

SUH]LQW 

XUP WRDUHOHDYDQWDMH

-

YL]XDOL]DUHD vQ SDUDOHO D XQXL QXP U PDUH GH LQIRUPD LL H[DFWH GHVSUH SDUDPHWULL SURFHVXOXL WHKQRORJLF VXE IRUP  QXPHULF  SULQ LQWHUPHGLXO

perifericelor de afLúDUH -

GHWHFWDUHD UDSLG  D GHIHF LXQLORU DSDUDWHORU GH P VXU  úL FRQWURO FDUH IXUQL]HD] GDWHGLQSURFHVXOUHJODW

-

HOLPLQDUHD OXFU ULORU GH UXWLQ  GLQ DFWLYLWDWHD RSHUD LLORU WHKQRORJLFH vQ VFRSXO FRPSOHW ULL UHJLVWUHORU GH RSHUDUH úL vQWRFPLUHD ELODQ XULO

or de

PDWHULDOHúLHQHUJLHSULQLPSULPDQW 

-

RSWLPL]DUHD FRUHODW  vQ WLPS UHDO D WXWXURU SURFHVHORU WHKQRORJLFH GLQ LQVWDOD LDFRQGXV VDXUHJODW DXWRPDW 

ÌQILJVHSUH]LQW FkWHYDSULQFLSLLGHUHJODUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

5HJODUHDQXPHULF ƒ

GLUHFW

DSURFHVHORUWHKQRORJLFHDUHXUP WRDUHOHDYDQWDMH

flexibilitate - modificarea programului unui regulator numeric cu PLFURSURFHVRUSHUPLWH UHDOL]DUHDXQHL PDULYDULHW

- R OHJH GH UHJODUH QXPHULF

LGHDOJRULWPLGHUHJODUH

 FRQVWLWXLQG GH IDSW XQ DO

goritm, respectiv o

VXFFHVLXQH ILQLW  GH RSHUD LL HOHPHQWDUH FDUH DVLJXU  RE LQHUHD UH]XOWDWXOXL SHQWUXFDOFXOHOHLPSOLFDWHGHOHJHDGHUHJODUHDGRSWDW  ƒ

PHPRUDUHILGHO

DYDORULORUXQRUP ULPLSHLQWHUYDOHGHWLPSPLFLVDXPDUL

din legea de reglare adoptaW ƒ



IXQF LRQDUH FX PXOWLSOH[DUH XQ VLQJXU HFKLSDPHQW DVLJXU  DXWRPDWL]DUHD PDL PXOWRU LQVWDOD LL WHKQRORJLFH úL LQWHUYLQH VXFFHVLY SHQWUX XQ LQWHUYDO GH WLPSIL[DWvQFRPSRQHQ DEXFOHLGHUHJODUHDILHF UHLLQVWDOD LL

ƒ

reducerea costului echipamentelor numerice SULQ UDSRUWDUH OD QXP UXO GH bucle, devenind astfel competitiv cu costul regulatoarelor electronice FRQWLQXHFDUHvQPRGREOLJDWRULXWUHEXLHLQVWDODWHvQILHFDUHEXFO 

$YDQWDMHOH PHQ LRQDWH H[SOLF  WHQGLQ D DFWXDO  GH XWLOL]DUH D UHJXODWRDUHORU

numerice cu microprocesoare în conducerea proceselor tehnologice. 2.5. Optimizarea proceselor tehnologice 3HQWUX WHKQRORJLD PRGHUQ  RSWLPL]DUHD DUH XQ URO GHRVHELW GH LPSRUWDQW vQ IXQGDPHQWDUHD GHFL]LLORU DWkW vQ SULQFLSDOHOH HWDSH GH FRQFHS LH D QRLOR SUHFXP DQDOL]D IH]DELOLW

r tehnologii,

LL FHUFHWDUHD GH ODERUDWRU FHUFHWDUHD GH SLORW SURLHFWDUHD

FkWúLvQGHFXUVXOIXQF LRQ ULLLQVWDOD LLORUH[LVWHQWHUHVSHFWLYvQFRQGXFHUHDDFHVWRUD 0DMRULWDWHDSURFHVHORUWHKQRORJLFHPRGHUQHVHFDUDFWHUL]HD] SULQXUP WRDUHOH

-

GHVI úXUDUHDFXYLWH]HPDUL QXP UvQVHPQDWGHID]H WHPSHUDWXULúLSUHVLXQLULGLFDWH FRPSRUWDUHQHLGHDO  QXP UPDUHGHFRQVWLWXHQ LSHQWUXIOX[XULOHGHPDWHULDOHSUHOXFUDWH JUDG GH FRPSOH[LWDWH ULGLFDW GDWRUDW QXP UXOXL PDUH GH SDUDP

etri de care 48

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH GHSLQGHSURFHVXOúLLQWHUGHSHQGHQ HLQHOLQLDUHGLQWUHDFHúWLD 5H]ROYDUHDXQHLSUREOHPHGHRSWLPL]DUHLPSOLF XUP WRDUHOHHWDSH

-

elaborarea modelului matematic al procesului; FRQVWUXLUHDIXQF LHLRELHFWLY F XWDUHDRSWLPXOXL

2.5.1. Elaborarea modelului matematic al procesului 0RGHOXO PDWHPDWLF DO SURFHVXOXL UHSUH]LQW  XQ VLVWHP GH UHOD LL FH H[SULP  LQWHUGHSHQGHQ HOHvQWUHFHOHQYDULDELOH

xiDOHSURFHVXOXL,QWHUGHSHQGHQ HOHVHH[SULP  printr-XQVLVWHPGHHFXD LLúLVDXLQHFXD LLUHOD LLDnalitice, tabele, diagrame, subrutine de calcul etc. hj(x1, x2, …, xi, …, xn) = 0, unde j = 1, 2,...,n gj(x1, x2, …, xi, …, xn) = 0, unde g = p+1, p+2, …, n Modelele pot fi logice, matematice sau procedurale. Metodele de modelare sunt procedee de realizare a unui sistem aflat într-un DQXPLWJUDGGHVLPLOLWXGLQHFXSURFHVXOPRGHODWDVXSUDF UXLDVHH[HFXW RSHUD LLVDX WUDQVIRUP UL vQ XUPD F URUD UH]XOW  LQIRUPD LL QRL SULYLQG SURFHVXO 0HWRGHOH GH

modelare curente sunt: - metodele matematice, care folosesc procedee analitice, statistice sau ale ORJLFLL PDWHPDWLFH SHQWUX DIODUHD XQRU HFXD LL FDUH GHVFULX FRPSRUWDUHD VLVWHPXOXLFkQGVHPRGLILF YDULDELOHOHVDXSDUDPHWULL

-

metodele ciberneticeFDUHUHDOL]HD] PRGHOHGHFRPSRUWDUHúLIXQF LRQDOLWDWH generale DOH VLVWHPXOXL SOHFkQG GH OD HOHPHQWHOH FRQVWLWXWLYH úL GH OD FRQH[LXQLOH SH FDUH VH ED]HD]  IXQF LRQDUHD (OH SHUPLW VWDELOLUHD FDX]HORU FRQH[LXQLORUúLDOHJLORUFDUHJXYHUQHD] VLVWHPHOHGHSURGXF LHúLSURFHVHOH

care au loc în cadrul lor, pe baza fluxXOXL GH LQIRUPD LL FDUH FLUFXO sistem.

 vQ

6LVWHPHOHDOJHEULFHúLDULWPHWLFHFDUHIRUPHD] PRGHOXOPDWHPDWLFDOXQXLSURFHV WHKQRORJLFUHSUH]LQW UHOD LLvQWUH

-

YDULDELOHOH GHSHQGHQWH GH SHUIRUPDQ

ale procesului (xep) (capacitatea

LQVWDOD LHL SURGXF LD VSHFLILF  UDQGDPHQWH FDOLWDWHD SURGXVHORU FRVWXUL

-

beneficii); variabilele independente necomandabile (xp  FRPSR]L LD PDWHULHL SULPH

WHPSHUDWXUD

DSHL

GH

U FLUH

FDUDFWHULVWLFLOH

PHGLXOXL

DPELDQW

VWDUHD

XWLODMXOXLFRQMXQFWXUDHFRQRPLF 

-

variabilele independente comandabile (xi  UDSRUWXO vQWUH UHDFWDQ L UHJLPXO

-

variabilele independente intermediare (xei) (activitatea, structura sistemelor

WHUPLFDOXWLODMHORUGHELWHOHGHPDWHULLSULPHúLDX[LOLDUH 

FDWDOLWLFHODXQWLPSWF GHUHDGHSUHVLXQHSHLQVWDOD LHHWF 

Modelul cibernetico-matematic VLQWHWL]HD]

 SDUDPHWULL IXQF LHL WHKQRORJLFH úL

IXQF LHL GH GLULMDUH úL UHJODUH D SURFHVXOXL 3HQWUX FRQGXFHUHD SURFHVHORU WHKQRORJLFH FRPSOH[H VH XWLOL]HD]  PRGHOH VWDELOLWH SH FDOH VWDWLVWLF  vQ FDGUXO F URUD VH IUXFWLILF  LQIRUPD LLOHGDWHGHIHQRPHQHIL]LFHFKLPLFHúLHFRQRPLFH

Pentru activitatea de proiectare a proceselor tehnologice, modelele analitice sunt KRW UkWRDUH 'LPHQVLXQLOH IL]LFH FRQILJXUD LD XQLW

LORU GH SURFHV PDWHULDOHOH GH

49

TEHNOLOGII INDUSTRIALE FRQVWUXF LH HWF GHYLQ YDULDELOH LDU FRPSR]L LD úL FDQWLWDWHD PDWHULLORU SULPH úL

produselor sunt parametri stabili. 3HQWUX

FRQGXFHUHD

SURFHVXOXL

GLPHQVLXQLOH

IL]LFH

DOH

LQVWDOD LHL

SDUDPHWULLVWDELOLLDUFRPSR]L LDúLFDQWLWDWHDPDWHULLORUSULPHúLDSUR

LQWU 

FD

duselor rezultate,

ca variabile. 3HQWUX HODERUDUHD PRGHOXOXL PDWHPDWLF HVWH QHFHVDU  FXQRDúWHUHD WHPHLQLF  D SURFHVXOXL VXE DVSHFW WHKQLF úL HFRQRPLF GHOLPLWDUHD S U LL GLQ SURFHV SHQWUX FDUH VH GRUHúWHVFULHUHDPRGHOXOXLPDWHPDWLFúLSUHFL]DUHDYDULDELOH

lor.

2E LQHUHD GH GDWH GHVSUH XQ SURFHV WHKQRORJLF FXSULQGH XUP WRDUHOH HWDSH SURLHFWDUHD FXOHJHULL GH GDWH YHULILFDUHD úL SXQHUHD OD SXQFW D DSDUDWXULL GH P VXU  úL FRQWURO FXOHJHUHD GDWHORU úL YHULILFDUHD FXOHJHULL GH GDWH 6H SRW IRORVL DWkW GDWH GLQ PHUVXO FXUHQW DO SURFHVXOXL WHKQRORJLF SULQ FRQVXOWDUHD úL DQDOL]DUHD SURWRFRDOHORU vQWRFPLWHGHF WUHRSHUDWRULPHWRGHSDVLYH FkWúLGDWHFXOHVHVSHFLDOFDGHH[HPSOX GXS RSODQLILFDUHIDFWRULDO PHWRGHDFWLYH 

Modelele permit studiul proceselor tehnologice cu ajutorul calculatoarelor HOHFWURQLFH FDUH IXUQL]HD]  LQIRUPD LL DVXSUD U VSXQVXOXL VLVWHPXOXL OD PRGLILFDUHD YDORULORU SDUDPHWULORU V L vQ QXPHURDVH YDULDQWH 8WLOL]DUHD FDOFXODWRDUHORU D I FXW SRVLELO  vQ PXOWH FD]XUL WUHFHUHD GH OD ID]D GH ODERUDWRU GLUHFW OD ID]D LQGXVWULDO  HOLPLQkQG ID]HOH LQWHUPHGLDUH OHJDWH GH XWLOL]DUHD SLOR LORU ÌQ ID]D GH SURLHFWDUH XWLOL]DUHD FDOFXODWRUXOXL D SHUPLV VFXUWDUHD WLPSXOXL GH SURLHFWDUH P ULUHD SUHFL]LHL vQ GHWHUPLQDUHD VROX LLORU VWDELOLUHD VROX LHL RSWLPH SURLHFWDUHD XQRU SURFHVH FRPSOH[H DHURQDXWLF WHKQLFDVSD LDO HWF 8UP WRDUHD HWDS  vQ UH]ROYDUHD XQHL SUREOHPH GH RSWLPL]DUH HVWH FRQVWUXLUHD IXQF LHLRELHFWLY

50

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH Variabile independente

PROCES

Variabile dependente

Calculator

MODEL &RUHF LH

feedback


   obiectiv

( a) Variabile dependente

Variabile independente

PROCES TIMER MODEL

Calculul FRHILFLHQ LORU

de regresie

Memorie de incremente

CALCULATOR

( b) Compensarea abaterilor identificate la

( c)

LHúLUH

PROCES 

  !" # 

Compensarea abaterilor identificate la intrare

( d)

PROCES 

      

Fig. 2.8. Principii de reglare a proceselor tehnologice. (a) - schema de regODUHDXWRDGDSWLY E -VFKHPDGHUHJODUHLQFUHPHQWDO (c) -SULQFLSLXOUHJO ULLFXUHDF LHG -SULQFLSLXOUHJO ULLSUHGLFWLYH

SHED] XQXLPRGHOVWDWLVWLF

51

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

&RQVWUXLUHDIXQF LHLRELHFWLY &RQVWUXLUHD IXQF LHL RELHFWLY vQVHDPQ  UHSUH]HQWDUHD XQXL FULWHULX GH RSWLPL]DUH VXE R IRUP  GH RELFHL DQDOLWLF  GH IXQF LH LPSOLFLW  VDX H[SOLFLW  GH YDULDELOHOH

xi ale

procesului: f = f(x1, x2, …, xi, …, xn) )XQF LD

f

(2.13)

HVWH GH QDWXU  HFRQRPLF  úL WUHEXLH V  UHIOHFWH FkW PDL FRUHFW úL PDL

FRPSOHW HILFLHQ D HFRQRPLF  D GHVI úXU ULL SURFHVXOXL )XQF LD RELHFWLY QX GHSLQGH IRDUWH SXWHUQLF GH YDULDELOHOH SURFHVXOXL vQ ]RQD vQYHFLQDW  RSWLPXOXL (D SRDWH IL VLPSOLILFDW  SULQ HOLPLQDUHD WXWXURU WHUPHQLORU FRQVWDQ L GLQ VXPH úL SULQ vPS U LUHD WHUPHQLORU U PDúL FX XQLL GLQ IDFWRULL FRQVWDQ L 'H DVHPHQHD VH PDL SRW QHJOLMD WHUPHQLLDF URUFRQWULEX LHODVWDELOLUHDRSWLPXOXLHVWHPLQRU VDXQHJOLMDELO  (ILFLHQ D SURFHVXOXL VH SUHFL]HD]  GH FHOH PDL PXOWH RUL SULQWU

-un sistem de

LQGLFDWRUL ÌQ DFHVW FD] VH DOHJH LQGLFDWRUXO FHO PDL FRPSOHW VH VWDELOHúWH VROX LD RSWLP úLDSRLVHYHULILF GDF DFHDVW VROX LHVDWLVIDFHúLFHLODO LLQGLFDWRUL ,QGLFDWRULL HFRQRPLFL FHL PDL GHV XWLOL]D L GUHSW FULWHULL GH RSWLPL]DUH VXQW

invHVWL LDúLEHQHILFLXO/DDFHúWLDVHDGDXJ &

FULWHULLOHWHKQLFH

XWDUHDRSWLPXOXL

x1o, x2o, …, xio, …, xno ale variabilelor xiFDUHFRQGXFODFHD PDLEXQ YDORDUH f SHQWUX IXQF LDRELHFWLY fúLFDre V VDWLVIDF VLVWHPXOGHUHVWULF LLGDWGHKj = úLJj ≤ 0. 3UREOHPD VH UH]XP  OD DIODUHD XQXL VHW GH YDORUL

o

0HWRGHOH VXQW GLYHUVH vQ IXQF LH GH FRPSOH[LWDWHD SURFHVXOXL 6H SRW XWLOL]D PHWRGH DQDOLWLFH FODVLFH PHWRGH GLUHFWH GH H[HPSOX PHWRGD H[SORU ULL H[KDXVWLYH

metoda de eliminare, corespondente, geometrice etc.), metode bazate pe forme FDQRQLFHSURJUDPDUHDOLQLDU S WUDWLF JHRPHWULF GLQDPLF HWF  $XWRPDWL]DUHDIOH[LELO

úLURER LLLQGXVWULDOL

$XWRPDWL]DUHD IOH[LELO  D DS UXW SULQ UHXQLUHD LQWHOLJHQ HL FDOFXODWRUXOXL

electronic cu manipulatoarele mecanice. 6LVWHPHOH GH DXWRPDWL]DUH IOH[LELO  LQFOXG PDúLQLOH XQHOWH FX FRPDQG  QXPHULF  YH]LFDS3UHOXFU ULSULQDúFKLHUH úLURER LLLQGXVWULDOL&XYkQWXOURERWDIRVWLQWURGXV SHQWUXSULPDGDW GHF WUHVFULLWRUXOFHK.DUHO&DSH

k, în 1921.

5RER LL LQGXVWULDOL SRW IL GHILQL L FD ILLQG PDúLQL DXWRPDWH XúRU SURJUDPDELOH FDUH SRW HIHFWXD OXFU UL VLPSOH UHSHWLWLYH úL FDUH SRVHG  FDSDFLWDWHD GH SHUFHSHUH úL LQWHUSUHWDUHDVHPQDOHORUGLQPHGLXOH[WHULRUSUHFXPúLGHDGDSWDUHODPHGL

u în timpul

procesului de lucru. Robotica HVWH XQ DQVDPEOX GH WHKQLFL FDUH VH RFXS

 FX UHDOL]DUHD úL XWLOL]DUHD

URER LORU 5RERWLFD DUH XQ FDUDFWHU LQWHUGLVFLSOLQDUH GHRDUHFH DSHOHD]  OD FXQRúWLQ H GLQDXWRPDWLF LQIRUPDWLF PDWHPDWLF PHFDQLF LQWHOLJHQ DDUWLILFLDO HWF 5RER LL LQGXVWULDOL vQORFXLHVF RSHUDWRUXO XPDQ vQ DSOLFD LL FX JUDG vQDOW GH

repetabilitate, solicitând eforturi fizice deosebite, în mediu toxic etc. 52

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH 'LQWUH RSHUD LLOH HIHFWXDWH GH URER LL LQGXVWULDOL DPLQWLP VXGXU  YRSVLUH

alimeQWDUHDXWRPDW

DXWLODMHORUWHKQRORJLFHDVDPEODUHHWF

$F LXQHD GH URERWL]DUH LQGXVWULDO  LPSOLF  GXS  FD] VXEVWLWXLUHD XQRU DWULEXWH VSHFLILFH PHFDQL] ULL SULQ HIHFWXDUHD GH F WUH URER L D XQXL OXFUX PHFDQLF XWLO  LDU SULQUHDOL]DUHDGHRSHUD LLXPDQRLGHúLH[HFXWDUHDXQRUIXQF LLGHFRPDQG SUHOXDWHGH OD RSHUDWRUXO XPDQ SULQ XWLOL]DUHD XQRU VLVWHPH LQIRUPD LRQDOH  S WUXQGH LPSOLFLW vQ VIHUDGHFXSULQGHUHDDXWRPDWL] ULLúLFLEHUQHWL] ULL &ODVLILFDUHD URER LORU LQGXVWULDOL VH IDFH GXS  QXPHURDVH FU

iterii, unele fiind de

QDWXU 

FRQVWUXFWLY 

DOWHOH

GH

QDWXU 

IXQF LRQDO 

FDSDFLWDWHD

GH

SHUFHSHUH

úL

LQWHUSUHWDUH D VHPQDOHORU GLQ H[WHULRU SUHFXP úL GH DGDSWDUH OD PHGLX vQ WLPSXO

procesului de lucru. a)'XS HYROX LDvQWLPSVHGHRVHEHVF - 5RER L GLQ JHQHUD LD ]HUR UHSUH]HQWD L GH PDQLSXODWRDUH VLPSOH PkLQL PHFDQLFH  FDUH SRW H[HFXWD R VXFFHVLXQH GH RSHUD LL IL[H SUHGHWHUPLQDWH 5RER LL GLQ JHQHUD LD ]HUR QX VXQW LQFOXúL vQ FDWHJRULD URER LORU SURSULX

-

]LúL

-

5RER L GLQ SULPD JHQHUD LH VXQW URER L SURJUDPDELOL FRPDQG  FX FRPDQG 

vQ EXFO  GHVFKLV  ID

 GH PHGLXO GH OXFUX QX SULPHVF VHPQDOH GH UHDF LH

GH OD VHQ]RUL H[WHUQL  VXQW XWLOL]D L vQ DSOLFD LL VLPSOH RSHUD LL GH YRSVLUH VXGXU  WXUQDUH PDQLSXO UL JURVLHUH HWF 8QHRUL SRW IL SUHY ]X L FX

senzori

VLPSOL FH OH SHUPLW V  OXFUH]H vQ EXFO  vQFKLV  FX XQ JUDG GH DGDSWDUH UHGXV úL SRW IL XWLOL]D L vQ RSHUD LL VLPSOH GH DVDPEODUH SLHVHOH PDQLSXODWH

de robot trebuie orientate în prealabil într-RSR]L LHFRQYHQDELO -



5RER L GLQ JHQHUD LD D GRXD DS UX L GXS    VXQW URER L SUHY ]X L FX VHQ]RUL WDFWLOL GH IRU

 FDPHUH GH OXDW YHGHUL HWF $FHúWLD IXUQL]HD] 

LQIRUPD LL SULYLQG VWDUHD PHGLXOXL vQFRQMXU WRU UHDOL]kQG SH DFHDVW  ED]  R DQXPLW  DXWRQRPLH GH RULHQWDUH vQ PHGLXO vQ FDUH OXFUHD]  3

iesele

PDQLSXODWH QX

PDL

WUHEXLH

RULHQWDWH vQ

SUHDODELO GHRDUHFH PLúFDUHD

RUJDQHORUGHOXFUXDOHURERWXOXLVHUHDOL]HD] vQIXQF LHGHVLWXD LDUHDO GDW  RE LQkQGX VHRDGDSWDELOLWDWHULGLFDW 

-

-

5RER LL GLQ JHQHUD LD D WUHLD URER LL LQWHOLJHQ L  VXQW GRWD L FX VHQ]RUL FRPSOHFúL úL XWLOL]HD]  HOHPHQWH GH LQWHOLJHQ

 DUWLILFLDO  6H GHWDúHD]  GH

JHQHUD LLOH DQWHULRDUH SULQWU XQ JUDG vQDOW GH GHFL]LH úL SODQLILFDUH UHDOL]kQG

-

SURFHVH ORJLFH FRPSOH[H vQ YHGHUHD XQHL UDSLGH DGDSW UL OD R GLYHUVLWDWH GH

activLW

LúLHYHQWXDOSHQWUXDXWRLQVWUXLUH

b)'XS FDUDFWHUXORSHUD LLORUH[HFXWDWH - 5RER LGHSURGXF LH5,3FDUHSDUWLFLS GLUHFWvQSURFHVHOHGHSURGXF LH - 5RER L GH ULGLFDW úL WUDQVSRUWDW 5,57 XWLOL]D L SHQWUX DOLPHQWDUHD XWLODMHORU VDXDPDúLQLORUXQHOWHVDXODWUDQVSRUWXOúLGHSR]LWDUHDPDWHULDOHORU

- 5RER LXQLYHUVDOL5,8FDUHDXRODUJ GHVWLQD LH c) 'XS PHWRGDGHLQVWUXLUHDGRSWDW GHVWDQGDUGHOHMDSRQH]H  - Clasa întâia - manipulatori6XQWVWUXFWXULPHFDQLFHDF LRQDWHGHRSHUDWRUXO uman; - Clasa a doua - URER L VHFYHQ LDOL SUHY ]X L FX VLVWHPH GH FRPDQG  HOHFWURPHFDQLFH

VHFYHQ LDOH

$F LRQHD] 

FRQIRUP

XQXL

SURJUDP

GDW

3URJUDPXOORUHVWHPRGLILFDELOODFHLYDULDELOL VDXQXODFHLILFúL 

53

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-back), instrui L

UHSHWLWRUL SOD\

GH RSHUDWRU SULQ

-

Clasa a treia - URER L

-

Clasa a patra - URER L FX FRPDQG

-

Clasa a cincea - roER L LQWHOLJHQ L vúL VWDELOHVF FRPSRUWDUHD FX DMXWRUXO

RSHUDUHGLUHFW 5RERWXOPHPRUHD] SURFHGXUDGHOXFUXúLRUHSHW FRQWLQXX  QXPHULF

 FDUH DX SURJUDPXO VHFYHQ H

GHSR]L LLúLFRQGL LLFRGLILFDWHELQDU PHPRUDWSHEDQG SHUIRUDW  FDSDFLW

LLVHQ]RULDOHúLGHUHFXQRDúWHUH

6WDQGDUGHOHHXURSHQHúLDPHULFDQHQXLQFOXGPDQLSXODWRULLvQFDWHJRULDURER LORU

d) 'XS

 QXP UXO JUDGHORU GH OLEHUWDWH GHSODV UL URWD LL  DOH VWUXFWXULL P

ecanice

VHGHRVHEHVFURER LFXVDXJUDGHGHOLEHUWDWH

e)'XS

WLSXOVLVWHPXOXLGHDF LRQDUHURER LFXDF LRQDUHHOHFWULF KLGUDXOLF VDX

SQHXPDWLF 

)XQF LLOHúLVWUXFWXUDURERWXOXLLQGXVWULDO

Un robot industrial are, în general, paWUX

IXQF LL PDL PXOW VDX PDL SX LQ

GH]YROWDWHúLvPSOHWLWHvQWUHHOHúLDQXPH

-

IXQF LD GH DF LXQH DVXSUD PHGLXOXL vQFRQMXU WRU SULQ LQWHUPHGLXO XQRU RUJDQH IL]LFH GH UHJXO  PHFDQLFH GHQXPLWH HIHFWRUL FXP DU IL HIHFWRUL GH

apucare, manipulare, de ridicDUHGHVXGXU -

HWF

IXQF LD GH SHUFHS LH vQ VFRSXO FXOHJHULL GH LQIRUPD LL DVXSUD PHGLXOXL vQFRQMXU WRU SULQ LQWHUPHGLXO XQRU VHQ]RUL VDX WUDGXFWRUL GH WHPSHUDWXU  GH IRUP  GH JUHXWDWH GH SUHVLXQH GH YROXP HWF  SUHFXP úL SUHOXFUDUHD HOHFWURQLF DDFHVWRULQIRUPD LLvQYHGHUHDLGHQWLILF ULLFODVLILF ULLHWF

-

-

IXQF LD

GH

FDUH

FRPXQLFDUH

robot ↔ operator XPDQ robotului;

VDX

FX

DVLJXU 

DO L

VFKLPEXO

URER L

LQFOXVLY

GH

LQIRUPD LL

SHQWUX

LQVWUXLUHD

IXQF LDGHGHFL]LHFDUHDVLJXU vQSULQFLSDORUJDQL]DUHDLQWHUDF LXQLLSULPHORU WUHLIXQF LL

3HQWUX UHDOL]DUHD DFHVWRU IXQF LL XQ URERW LQGXVWULDO DUH XUP WRDUHD VWUXFWXU  VLVWHPXO GH DF LRQDUH PHFDQLF FLQHPDWLF  VHQ]RULDO GH FRPDQG  úL SURJUDPDUH

(fig.2.9). 6LVWHPGHFRPDQG 

Sistem de

úLSURJUDPDUH

DF LRQDUH

Sistem cinematic

Sistem senzorial

)LJ6WUXFWXUDWHKQLF DXQXLURERW

Sistemul mecanic al robotului asigur

 SRVLELOLWDWHD FD DFHVWD V  H[HFXWH

GLYHUVLWDWHD PLúF ULORU QHFHVDUH SHQWUX D VH DF LRQD DVXSUD PHGLXOXL vQFRQMXU WRU SH ED]D FRPHQ]LORU SULPLWH GH OD VLVWHPXO GH FRPDQG  &LQHPDWLFD VLVWHPXOXL PHFDQLF DVLJXU SHUIRUPDQ HOHGLFWDWHGHGRPHQLLOHGHDSOLFD LLYLWH] SUHFL]LHHWF 6WUXFWXUDPHFDQLF

 DUH XQ FDUDFWHU DQWURSRPRUI ILLQG DOF WXLW  GLQWU

-un corp fix

54

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH SLHGHVWDO SHFDUHVHLPSODQWHD] EUD XOEUD HOH  RUJDQXO GHH[HFX LHSURSULX

-zis. În anumite cazuri, piedestalul poate fi mobil, fiind dotat FX UR L úHQLOH VDX SLFLRDUH "mecanice". 6LVWHPXO GH DF LRQDUH XWLOL]HD]  PRWRDUH HOHFWULFH KLGUDXOLFH VDX SQHXPDWLFH FDUHRIHU SRVLELOLWDWHDúLSXWHUHDQHFHVDU URERWXOXLGHDHIHFWXDPLúF ULPHFDQLFH 6LVWHPHOH GH DF LRQDUH WUHEXLH V  DVLJXUDUH XQ UDSRUW SXWHUH GH LHúLUHPDV  FkW PDLULGLFDWÌQDFHODúLWLPSHVWHQHFHVDUFDDFFHOHUD LDúLGHFHOHUD LDPLúF ULLV ILHFkW PDL UDSLG  3UDFWLF VH DFFHSW  LGHHD XQXL FRPSURPLV vQWUH YLWH]D GH U VSXQV RE LQXW  úLHILFLHQ DVLVWHPXOXLGHDF LRQDUHFDUHGHSLQGHODUkQGXOHLGHGLPHQVLXQLOHúLPDVD

robotului. Sistemul senzorial DO URER LORU SRDWH IL GHILQLW vQ VHQV ODUJ FD UHSUH]HQWkQG XQ DQVDPEOX GH HOHPHQWH VSHFLDOL]DWH SHQWUX WUDQVSXQHUHD SURSULHW LORU IL]LFR-chimice DOHGLIHULWHORURELHFWHvQLQIRUPD LLXWLOHH[HFXW ULLDQXPLWRURSHUD LXQL 3URSULHW

LOH IL]LFH DOH RELHFWHORU SRW IL GH QDWXU  HOHFWULF  PDJQHWLF  RSWLF 

PHFDQLF HWF ÌQ JHQHUDO SHUFHS LD VH UHDOL]HD]  vQ GRL SDúL FRQYHUVLD VDX WUDQVSXQHUHD SURSULHW

LORU IL]LFH vQWU

-un semnal de obiFHL HOHFWULF úL SDVXO XUP

VHPQDOXOXLUHVSHFWLYvQYHGHUHDRE LQHULLLQIRUPD LHLXWLOH

WRU SUHOXFUDUHD

$YDQWDMXO SULQFLSDO DO HFKLS ULL URER LORU FX VHQ]RUL UH]XOW  GLQ SRVLELOLWDWHD IRORVLULL vQ WLPS UHDO D LQIRUPD LHL VHQ]RULDOH vQ YHGHUHD H[HFXW ULL XQRU PLúF UL GLIHULWH vQ PHGLL QHFXQRVFXWH VDX SDU LDO FXQRVFXWH DSULRULF 'LQ DFHDVW  FDX]  DSDUH QHFHVDU  HFKLSDUHD FX VHQ]RUL D VWUXFWXULORU PHFDQLFH ,QIRUPD LD VHQ]RULDO  VH UHIHU  OD SURSULHW

LOH IL]LFR FKLPLFH DOH PHGLXOXL GH OXFUX SUHFXP úL OD LQWHUDF LXQHD

-

VWUXFWXULLPHFDQLFHFXPHGLXOvQFRQMXU WRU 6HQ]RULL PDL XWLOL]D L OD HFKLSDUHD VWUXFWXULORU PHFDQLFH VXQW VHQ]RUL GH IRU GHQVLWDWHWHUPLFLGHFXORDUHGHWUDQVSDUHQ



RSWLF HWF

,QIRUPD LD VHQ]RULDO  HVWH IRORVLW  vQ VLVWHPXO GH FRPDQG  S

entru localizarea

PRGHOXOXLPHGLXOXLGHOXFUXHWFÌQJHQHUDOLQIRUPD LDGHSR]L LHYLWH] DFFHOHUD LHD FRUSXULORU FRPSRQHQWH DOH VWUXFWXULL PHFDQLFH QX HVWH FRQVLGHUDW  FD LQIRUPD LH VHQ]RULDO  (D HVWH VWUkQV OHJDW  GH VWUXFWXULOH GH FRPDQG  DOH SR]L LHL úL YLWH]HL ILHF UXLJUDGGHOLEHUWDWH,QIRUPD LDGHVSUHPHGLXOGHOXFUXúLRELHFWHOHGLQPHGLXHVWH FRQVLGHUDW FDLQIRUPD LHVHQ]RULDO  6LVWHPXO GH FRPDQG

úL SURJUDPDUH DUH UROXO GH D JHQHUD úL GH D WUDQVPLWH

FRPHQ]LF WUHVLVWHPXOPHFDQLFDOURERWXOXLSULQLQWHUPHGLXOVLVWHPXOXLGHDF LRQDUH  SHQWUX

FD

DFHVWD

V 

HIHFWXH]H

PLúF ULOH

GRULWH

FX

SHUIRUPDQ H

EXQH

YLWH] 

precizie etc.). ÌQ

SUH]HQW

VLVWHPHOH

GH

FRPDQG 

VXQW

HFKLSDWH

FX

PLQLFDOFXODWRDUH

PLFURFDOFXODWRDUHVLVWHPHPXOWLSURFHVRUúLSU

ogramele aferente acestora. Sistemul de comunicare cu operatorul uman are rolul de a asigura o comunicare

FkW PDL FRPRG  úL HILFLHQW  vQWUH URERW úL RSHUDWRUXO XPDQ vQ VFRSXO GH D WUDQVPLWH URERWXOXL GRULQ HOH RSHUDWRUXOXL GH H[HPSOX FH RSHUD LL V  ILH H[HFXWDWH GH URERW úL FXP V  OH H[HFXWH  LDU URERWXO V  FRPXQLFH RSHUDWRUXOXL DQXPLWH LQIRUPD LL VSHFLDOH SHQWUX FD DFHVWD V  GHFLG  5RER LL LQGXVWULDOL GLQ JHQHUD LD D  D SRW GLVSXQH úL GH

sistem de comunicare cu operatorul uman prin viu grai, robotul pXWkQG vQ HOHJH FRPHQ]LOHFHvLVXQWWUDQVPLVHSHFDOHYRFDO 

2ULFH URERW LQGXVWULDO FXSULQGH vQ VWUXFWXUD VD VXE R IRUP  VDX DOWD WRDWH FHOH

55

TEHNOLOGII INDUSTRIALE FLQFL VLVWHPH FRPSRQHQWH PDL VXV DPLQWLWH D F URU FRPSOH[LWDWH úL SHUIRUPDQ H VXQW

GLIHULWHvQIXQF LHGHWLSX

l de robot industrial utilizat.

$SOLFD LLDOHURER LORULQGXVWULDOL 6H GLVWLQJ GRX  FDWHJRULL GH DSOLFD LL DOH URER LORU LQGXVWULDOL 2 SULP  FDWHJRULH

GH DSOLFD LL VH UHIHU  OD VLWXD LLOH vQ FDUH XWLOL]DUHD HVWH DSURDSH VLQJXUD DOWHUQDWLY 

posibLO

GHH[HPSOXRSHUDUHDvQUHJLXQLvQGHS UWDWHVDXXQGHRPXOQXSRDWHS WUXQGH

I U  ULVFXUL FHUFHW UL VSD LDOH H[SORU UL PDULQH GH PDUH DGkQFLPH  RSHUDUHD vQ PHGLL GH OXFUX RVWLOH SHQWUX V Q WDWHD RPXOXL XQHOH VHFWRDUH GLQ LQGXVWULD PHWDOXUJLF 

chimLF

PLQLHU QXFOHDU HWF vQPHGLFLQ 

2 D GRXD FDWHJRULH GH DSOLFD LL DOH URER LORU VH UHIHU  OD DFHOHD vQ FDUH XWLOL]DUHD

URER LORU UHSUH]LQW  R VROX LH WHKQLF  GH RUJDQL]DUH úL DXWRPDWL]DUH D SURFHVXOXL WHKQRORJLF'LQDFHDVW FDWHJRULHIDFSDUWHXWLOL]DUHDURER LORULQGXVWULDOLvQRSHUD LLGH

VXGDUHIRUMDUHWXUQDUHYRSVLUHDVDPEODUHDXWRPDWL]DUHDGHSR]LW ULLVRUW ULLHWF

(ILFLHQ DHFRQRPLF

DURERWL]

ULLSURFHVHORULQGXVWULDOH

,QWURGXFHUHD URER LORU vQ SURFHVHOH GH SURGXF LH QX QXPDL F  ULGLF  FX DQXPLWH

SURFHQWH HILFDFLWDWHD HFRQRPLF  D DXWRPDWL] ULL GDU LPSOHPHQWDUHD ORU VFKLPE  UDGLFDOvQV úLFRQFHS LDGHVWUXFWXUDUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

5RER LL FX JUDG ULGLFDW GH IOH[LELOLWDWH vQ PLúF UL FRQIHU  SURFHVHORU WHKQRORJLFH

posibLOLWDWHD GH DGDSWDUH UDSLG

 úL HILFLHQW  VXE UDSRUW HFRQRPLF OD UHDOL]DUHD GH

RSHUD LL QRL vQ VXFFHVLXQL GLIHULWH &D HIHFW VH RE LQH R UHGXFHUH FRQVLGHUDELO  D

FKHOWXLHOLORU úL WHUPHQHORU GH SUHJ WLUH D IDEULFD LHL GH SURGXVH FX FDUDFWHU GH VHULH

PLF  VDX XQLFDWH $VWIHO VH GHVFKLGH FDOHD RUJDQL] ULL WHKQRORJLFH IOH[LELOH vQ FDUH GHYLQH

SUHSRQGHUHQW 

specializarea-produs

vQ

RSR]L LH

FX

specializarea-proces

FXQRVFXW  vQ IDEULFLOH FRQYHQ LRQDOH 2 DVWIHO GH RUJDQL]DUH SUHVXSXQH UHDOL]DUHD vQ

cadrul uneiDFHOHLDúLOLQLLGHIDEULFD LHDXQRURSHUD LLGLIHULWHFDSUHOXFU

DVDPEO UL WUDWDPHQWH GH VXSUDID

ULPHFDQLFH

 FRQWURO GH FDOLWDWH HWF $VHPHQHD LQVWDOD LL

URERWL]DWH FX IXQF LRQDUH DXWRPDW  VXQW FXQRVFXWH VXE GHQXPLUHD GH

celule flexibile de fabriFD LHúLHOHFRQVWLWXLHSXQFWXOGHSOHFDUHvQRUJDQL]DUHDODXQQLYHOPDLvQDOWD

VLVWHPHORUIOH[LELOHGHIDEULFD LHúLDIDEULFLLFRPSOHWDXWRPDWL]DWH

ÌQ HWDSD DFWXDO  FRVWXULOH URER LORU LQGXVWULDOL VXQW ULGLFDWH FHHD FH LPSXQH FD

orice implemenWDUH D DFHVWRUD vQ SURFHVXO GH SURGXF LH V  ILH IXQGDPHQWDW  GLQ SXQFW de vedere economic. Pentru a stabili, într-XQ FD] FRQFUHW GDF  HVWH VDX QX RSRUWXQ  LQWURGXFHUHD VDX PRGHUQL]DUHD DXWRPDWL] ULL VH SRDWH SURFHGD OD XQ FDOFXO FRPSDUDWLY vQWUH VROX LD

pURSXV



úL

VLWXD LD

H[LVWHQW 

OXkQGX VH

-

vQ

FRQVLGHUDUH

ED]D

GH

FRPSDUD LH

FRUHVSXQ] WRDUH FD]XOXL GH DQDOL]DW 6H QRWHD]  FX LQGLFHOH  VROX LD H[LVWHQW  úL FX LQGLFHOH  VROX LD FH VH HODERUHD]  &DOFXOXO FRPSDUDWLY VH IDFH SH ED]D D GRL

indicatori: iQGLFDWRUXO disponibilitate (Kd).

GH

FUHúWHUH

D

SHUIRUPDQ HORU

(Kp 

úL

indicatorul de

,QGLFDWRUXO GH FUHúWHUH D SHUIRUPDQ HORU 

HIHFWXDUHD

RSHUD LLORU

UDSRUWXO

QXP UXOXL

Kp) depinde de raportul preciziilor în

ORFXULORU

GH

PXQF 

VHUYLWH

UDSRUWXO

56

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH QXP UXOXLRSHUD LLORUWHKQRORJLFHH[HFXWDWHHWF

Indicatorul de disponibilitate (Kd VHFDOFXOHD] Kd =

în care: To

FXUHOD LD

To To + Tb

 GXUDWD PHGLH GH EXQ  IXQF LRQDUH

vQWUH LQHUH

(2.14) Tb

 GXUDWD OXFU ULORU GH UHSDUD LH úL

6HFRQVLGHU F DF LXQHDGHDXWRPDWL]DUHHVWHRSRUWXQ GDF .p

> úL.d2 > Kd1.

(ILFLHQ DHFRQRPLF UH]XOWDW SULQLQWURGXFHUHDDXWRPDWL] ULLVHSRDWHGHWHUPLQD GHH[HPSOXSULQFDOFXODUHDWHUPHQXOXLGHUHFXSHUDUHDLQYHVWL LHL

Tr):

Tr=

I t 2 - I t1 P1 - P 2

(2.15)

în care: It  FKHOWXLHOL GH LQYHVWL LL WRWDOH QHFHVDUH SHQWUX LQWURGXFHUHD DXWRPDWL] ULL P = FRVWXOXQLWDUDOSURGXF LHL ,QYHVWL LD úL UHVSHFWLY DF LXQHD GH DXWRPDWL]DUH vQWU-un caz concret este FRQVLGHUDW  UD LRQDO  GDF  WHUPHQXO GH UHFXSHUDUH QX GHS úHúWH  DQL úL ELQHvQ HOHV GDF VSRUXOGHSURGXF LHRE LQXWHVWHFRUHODWFXFHULQ HOHSLH HL

57

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

)LJ5RER LLQGX

striali.

7HQGLQ HOH GH SHUIHF LRQDUH D URER LORU LQGXVWULDOL VH UHIHU  OD XUP WRDUHOH

aspecte: -

P ULUHDJUDGHORUGHOLEHUDWHvQPLúFDUH VWUXFWXU FRQVWUXFWLY FRPSDFW 

vite]

PDLPDUH

VFKLPEDUHDIDFLO DSURJUDPXOXLGHOXFUX YHGHUHDUWLILFLDO  FUHúWHUHDFDSDFLW

LLGHPHPRUDUHGHOXDUHDGHFL]LLORUHWF

58

CAPITOLUL II –$XWRPDWL]DUHDFLEHUQHWL]DUHDúLURERWL]DUHDSURFHVHORUWHKQRORJLFH

Rezumat 3ULQ DXWRPDWL]DUH VH vQ HOHJH HFKLSDUHD XQHL LQVWDOD LL FX XQ GLVSR]LWLY FDUH V 

asigure realizarea unei RSHUD LL VDX D vQWUHJXOXL SURFHV I

U  LQWHUYHQ LD QHPLMORFLW  D

SHUVRQDOXOXL RSHUDWRU,QVWDOD LD vPSUHXQ  FX GLVSR]LWLYXO GH DXWRPDWL]DUH IRUPHD]  VLVWHPXO DXWRPDW 'XS  FRPSOH[LWDWHD VWUXFWXULL VLVWHPHOH DXWRPDWH VH FODVLILF  vQ VLVWHPH

FRQYHQ LRQDOH

ú

i respectiv complexe (evoluate,

QHFRQYHQ LRQDOH

) de

automatizare. 6LVWHPHOH GH UHJODUH DXWRPDW  65$ VXQW VLVWHPH FRQYHQ LRQDOH FDUH IXQF LRQHD] 

în circuit închis, prin compararea valorii existente în proces pentru un factor, cu o YDORDUHSUHVWDELOLW 'DF H[LVW GLIHUHQ HVLVWHPXODF LRQHD] SHQWUXDQXODUHDORU 6LVWHPHOH HYROXDWH XWLOL]HD]  FDOFXODWRDUH vQ VLVWHP RII VDX RQ

-line. Conducerea

QXPHULF  GLUHFW  D SURFHVHORU WHKQRORJLFH ''& XWLOL]HD]  FDOFXODWRUXO QXPHULF FRPXQ

tuturor buclelor de reglaUH

GLQ VLVWHP FDUH vQORFXLHúWH GHWHFWRDUHOH GH HURDUH úL

UHJXODWRDUHOHGLQVLVWHPHOHFRQYHQ LRQDOH 5RER LL LQGXVWULDOL VXQW GHILQL L FD PDúLQL DXWRPDWH XúRU SURJUDPDELOH FDUH SRW HIHFWXDOXFU ULVLPSOHUHSHWLWLYHúLFDUHSRVHG FDSDFLWDWHDGHSHUFHSHUHúLLQWHUSUHWDUHD VHPQDOHORUGLQPHGLXOH[WHULRUSUHFXPúLGHDGDSWDUHODPHGLX $SUHFLHUHD RSRUWXQLW

LL LQWURGXFHULL DXWRPDWL] ULL XWLOL]HD]  FDOFXOH GH HILFLHQ



HFRQRPLF  LQGLFDWRUL FXP VXQW LQGLFDWRUXO GH FUHúWHUHD SHUIRUPDQ HORU úL LQGLFDWRU

ul

de disponibilitate. Cuvinte cheie automatizare sistem automat VLVWHPGHUHJODUHDXWRPDW

traductor regulator automat FRQGXFHUHDQXPHULF GLUHFW  LQWHUID

GHSURFHV

URER LLQGXVWULDOL DXWRPDWL]DUHIOH[LELO

indicator de disponibilitate Bibliografie VXSOLPHQWDU 1.

5 GRL &úD Ä&LUFXLWH úL HFKLSDPHQWH HOHFWURQLFH LQGXVWULDOH´ (G7HKQLF  %XFXUHúWL

2. 3.

'U JXO QHVFX0Ä(OHFWURQLFDIXQF LRQDO ´(G7HKQLF %XFXUHúWL & WXQHDQX 9úD Ä7HKQRORJLH HOHFWURQLF ´ (G 'LGDFWLF  úL 3HGDJRJLF 

59

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

BuFXUHúWL 4. )LOLS)*KúDÄ,QIRUPDWLFDLQGXVWULDO ´(G7HKQLF %XFXUHúWL 5. Pilgrim A.,”Build Your Own Pentium III”, McGraw-Hill, New York, 2000.

ÌQWUHE ULUHFDSLWXODWLYH

1. &HVHvQ HOHJHSULQVLVWHPDXWRPDW" 2. &kQGVHXWLOL]HD] VLVWHPHOHFRQYHQ LRQDOHGHDXWRPDWL]DUH" 3. Care sunt elementele componenet ale unui SRA? 4. Ce sunt traductoarele? 5. &XP VH FODVLILF  UHJXODWRDUHOH DXWRPDWH GXS  DOJRULWPXO GH FDOFXO DO comenzii? 6. &DUHVXQWYDULDQWHOHGHIXQF LRQDUHDFDOFXODWRUXOXLvQUHJLPRQ-line? 7. Care suntFRPSRQHQWHOHLQWHUIH HLGHSURFHV" 8. &XPVHGHILQHVFURER LLLQGXVWULDOL" 9. &XPVHFODVLILF URER LLLQGXVWULDOLGXS HYROX LDvQWLPS" 10. 'LQFHVLVWHPHHVWHDOF WXLWXQURERWLQGXVWULDO" 11. &H LQGLFDWRUL VH XWLOL]HD]  SHQWUX DSUHFLHUHD RSRUWXQLW LL LQWURGXFHULL DXWRPDWL] ULL"

60

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

CAPITOLUL III PROCESE TEHNOLOGICE DIN INDUSTRIA EXTRACTIVĂ Cuprins 3.1. Resurse de materii prime şi de energii primare 3.2. Rezervă de zăcământ - rezervă geologică 3.3. Prospectarea şi explorarea zăcămintelor de substanţe minerale utile 3.4. Exploatarea zăcămintelor de substanţe minerale utile 3.5. Consideraţii tehnico-economice 3.6. Prepararea substanţelor minerale utile 3.7. Consideraţii tehnico-economice referitoare la procesele de preparare 3.1. Resurse de materii prime şi de energii primare Industria extractivă - minieră şi petrolieră se ocupă cu descoperirea, dimensionarea şi evaluarea rezervelor de materii prime şi a resurselor energetice sub aspect cantitativ şi calitativ, precum şi cu extracţia şi prepararea acestora. Astfel, prin lucrări de prospectare, explorare, exploatare-extracţie şi preparare se asigură consumatorilor industriali şi a celor casnici, sau din alte domenii: cărbuni, ţiţei, gaze naturale, minereuri feroase şi neferoase, minereuri radioactive, minerale (sare, caolin, dolomită, sulf, argile, grafit, azbest etc.), pământuri rare etc. Industria extractivă minieră şi petrolieră asigură consumatorilor (sectorul energetic, industria siderurgică, industria chimică organică şi anorganică, industria materialelor de construcţii) materii prime de bază şi combustibili pe perioade îndelungate, în cantităţi şi de calitate corespunzătoare. Acestui sector îi sunt specifice următoarele particularităţi: 1) Amplasamentul întreprinderilor de extracţie minieră şi petroliferă este determinat de zăcământ, aspect care creează implicaţii economice în sensul cheltuielilor necesare pentru amenajarea căilor de acces, pentru amplasarea uzinelor de preparare a minereurilor extrase şi pentru asigurarea unui transport intens către consumatori (cantităţi de ordinul milioanelor de tone anual), precum şi implicaţii sociale care privesc forţa de muncă. 2) Zăcămintele care fac obiectul exploatării miniere şi petrolifere au un volum de rezerve definit, cu anumite caracteristici calitative (diferite de la zăcământ la zăcământ) şi, de aceea, metodele de exploatare - extracţie şi 61

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

procedeele de preparare trebuie să ţină cont de specificul fiecărui zăcământ în parte. În principiu, un zăcământ intră în exploatare atunci când totalul costurilor de exploatare şi a celor de preparare este inferior valorii economice a zăcământului. 3) Rezervele zăcământului sunt epuizabile, fapt ce delimitează în timp durata exploatării, în funcţie de volumul de rezerve pe care-l are şi de capacitatea de producţie a unităţii respective. 4) Pe măsura intensificării exploatării unui zăcământ, creşte adâncimea de exploatare şi de cele mai multe ori scade calitatea rezervelor, fapt ce conduce la o creştere a cheltuielilor de exploatare. 5) Industria extractivă necesită un volum foarte mare de investiţii care pot fi continue pe toată perioada de exploatare, cum este cazul exploatărilor miniere în subteran. 6) Între exploatarea zăcămintelor de substanţe minerale utile şi prepararea acestora există o strânsă interdependenţă, care se reflectă în procesele de extragere a metalelor, sau a substanţei minerale utile cu maxim de randament şi la costuri scăzute. Zăcămintele actuale de materii prime prezintă: - caracter epuizabil, într-un număr mai mare, sau mai redus de ani. Astfel, zăcămintele de ţiţei şi de gaze naturale sunt prognozate pentru câteva zeci de ani, cele de, cele de minereuri neferoase pentru aproximativ 100 de ani, cărbunii pentru 100-150 de ani, etc.; - conţinut tot mai redus de substanţe minerale utile, deci o calitate tot mai scăzută. Se exploatează astăzi zăcăminte cu 15-20% fier, faţă de 40% Fe în 1945, 12% Al (faţă de 15%), 1-4% Pb (faţă de 3-4%), 1-4% Zn (faţă de 3-4%), 0,2% Cu (faţă de 0,8%), 2-3 g/t Au (faţă de 5 g/t), uraniu 0,02%, etc. Limitele de concentraţii au putut să fie scăzute datorită progreselor înregistrate la procedeele de preparare, care au făcut posibile obţinerea unor concentrate comerciale; - existenţa în acelaşi zăcământ a mai multor asociaţii de substanţe minerale utile, deci un caracter complex. Se exploatează astăzi de exemplu, minereuri complexe neferoase, cu 0,2% Cu, 1-4% Zn, 1-4 Pb, Fe, urme de aur şi argint. Procedeele de preparare permit separarea sterilului existent în cantităţi foarte mari şi obţinerea unor concentrate individuale. S-au perfecţionat de asemenea şi tehnologiile de valorificare a acestor zăcăminte, în special în cazul celor cu elemente rare; - condiţii de zăcământ tot mai dificile, care îngreunează extracţia lor. Se exploatează astăzi ţiţei şi de la 7.000 m adâncime în România, sau la 10.000 m în alte ţări, de pe zone continentale sau de pe platformele continentale ale mărilor şi oceanelor, cărbuni şi minereuri de la mii de metri adâncime (chiar de la 4.500 m), sau din zone montane, la peste 1.000 m altitudine, din zone mai puţin populate, greu accesibile, etc. Zonele polare sunt încă protejate de extracţii, prin tratatul internaţional încheiat în 1959 pentru 50 de ani, cu toate că au fost identificate zăcăminte de cărbuni şi 62

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

minereuri. În viitor probabil că se vor exploata şi zăcămintele metalifere de origine vulcani existente pe fundul oceanelor. Zăcăminte de substanţe minerale utile Rezerve de materii prime şi energii primare Substanţele minerale utile sunt acele minerale ce se extrag din scoarţa pământului în scopul utilizării lor în anumite domenii. Mineralele sunt corpuri omogene, în majoritate solide, cristaline sau amorfe, care alcătuiesc scoarţa pământului. Sub aspect mineralogic, mineralele se grupează în următoarele categorii mai importante: - elemente: metale şi nemetale care se găsesc în stare nativă, de exemplu: Au, Ag, S, grafit etc.; - sulfuri metalice: galenă (PbS), blendă (ZnS), pirită (FeS2); - oxizi: hematită (Fe2O3), limonită (2Fe2O3.3H2O); bauxită (Al2O3.xH2O.SiO2); silice (SiO2) etc.; - săruri haloide: sarea gemă (NaCl); silvină (KCl) etc.; - săruri oxidice: calcar (CaCO3); siderită (FeCO3) etc.; - compuşi organici - substanţe minerale organice în care ponderea principală o are carbonul: ţiţei, metan, gaze de sondă, cărbuni. Mineralele se găsesc în natură sub formă de asociaţii, ce poartă numele de roci şi minereuri. Ele pot fi dispersate sau acumulate în anumite zone geografice, la suprafaţă, sau la adâncime, formând zăcăminte. În funcţie de forma şi profunzimea la care se află, zăcămintele de substanţe minerale utile pot fi: - masiv, zăcământ ale cărui dimensiuni spaţiale (lungime, lăţime şi înălţime) au valori mari. Sunt specifice pentru: sarea gemă (clorura de sodiu), minereuri feroase, ţiţei şi uneori pentru cărbune; - strat - specific zăcămintelor de cărbuni, ţiţei şi în general rocilor sedimentare. Lungimea şi lăţimea au valori mari, iar înălţimea este redusă. Straturile pot: paralele, orizontale, verticale, înclinate, cutate, întrerupte, datorită mişcărilor tectonice la care au fost supuse în timp; - filon - zăcământ format prin depunerea minereurilor utile în fisuri sau falii geografice, cu lungime apreciabilă, dar cu lăţime şi înălţime foarte redusă. Sub această formă se găsesc minereuri de metale neferoase ca aurul, argintul, platina; minereuri de cupru, plumb şi zinc; unele minereuri nemetalifere ca de exemplu feldspaţii; - alte aglomerări, cu forme geometrice neregulate, cum sunt pepitele de aur, nodulii de mangan de pe fundul Oceanului Atlantic, etc. Sub aspect volumetric, zăcămintele pot fi: foarte mari, cu rezerve de peste 30 mil. tone; mari: 10-30 mil. tone; mijlocii: 3-10 mil. tone; mici: 0,6-3 mil. tone; foarte mici: 0,1-0,6 mil. tone şi speciale: < 0,1 mil. tone. Conţinutul minim de substanţă utilă dintr-un zăcământ care face ca exploatarea 63

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

zăcământului respectiv să fie economică depinde de natura substanţei minerale utile, de posibilităţile tehnice de a realiza procesul tehnologic de exploatare, de necesităţile şi de conjunctura economică etc. Astfel, limita minimă de concentraţie care permite angajarea exploatării rentabile a unor zăcăminte utile sunt: Cu 0,2%; Zn 1%; Pb 1%; Ni 1,3%; Al 12%; Fe 15%. Exploatabilitatea unui zăcământ este calitatea zăcământului de a putea fi exploatat în condiţii tehnice şi economice avantajoase şi este determinată de ansamblul proprietăţilor zăcământului, de substanţele minerale prezente şi de condiţiile de ordin general şi special care determină organizarea exploatării. Exploatabilitatea este determinată de condiţii: - geologice: natura substanţei minerale utile, conţinutul său în zăcământ; condiţii de zăcământ (adâncime, grosime, rezerve industriale, prezenţa apelor freatice, a gazelor etc.); - tehnice miniere: nivelul tehnicii de exploatare, productivitatea metodelor de exploatare; posibilitatea deschiderii zăcământului şi a pregătirii lui etc.; - de tehnica securităţii muncii: securitatea construcţiilor, prevenirea apariţiei gazelor toxice, a prezenţei apei, prevenirea incendiilor, a bolilor profesionale etc.; - economice: desfacerea produselor (minerale, minereuri, roci), aprovizionarea cu materiale pentru exploatare; valoarea investiţiilor comparativ cu costul substanţelor minerale utile etc.; - generale: forţă de muncă, căi de comunicaţie, mijloace de transport eficiente (de capacitate mare şi rapide); - protecţia mediului, deci exploatarea să nu producă perturbaţii ecologice majore. Minereul se compune din minerale metalifere ale metalelor extractibile, în minerale sterile, reprezentând ganga (sau sterilul) şi din elemente ale rocilor înconjurătoare. Rocile sunt asociaţii de minerale care pot fi folosite ca atare (granitul, marmura, etc.) în special ca materiale de construcţie, sau cu un anumit conţinut de substanţă minerală utilă nemetaliferă, din care se extrage substanţa minerală respectivă: sarea gemă, calcar, gips etc. În funcţie de modul de formare, rocile sunt de trei feluri: - roci magmatice (eruptive) provenite din solidificarea magmei, reprezentând 90% din scoarţa pământului. Pot fi granitice, bazaltice, porfiritice şi utilizate în industria materialelor de construcţii şi în construcţii; - roci sedimentare, formate din depozite de substanţe cristaline sau amorfe rezultate în urma unor procese de degradare a scoarţei terestre sub acţiunea factorilor externi În funcţie de modul de formare a depozitelor, aceste roci pot fi: roci detritice (nisip, pietriş, gresii, argile etc.), roci de precipitare chimică (calcar, gips, sare etc.) şi roci biogene caustobiolitice (care ard) şi acaustobiolitice (care nu ard): calcare coraligene, pământ de diatomee etc.). Combustibilii fosili (cărbunii, ţiţeiul şi gazele naturale) sunt roci de sedimentare caustobiolitice; - roci metamorfice care s-au format în urma transformărilor rocilor eruptive şi 64

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

de sedimentare sub acţiunea unor factori termodinamici. Se utilizează ca materiale de construcţii. 3.2. Rezervă de zăcământ - rezervă geologică Rezerva geologică reprezintă cantitatea de substanţe minerale utile industrializabile conţinută într-un zăcământ. Această rezervă se calculează cantitativ, separat pentru fiecare substanţă şi pentru fiecare corp metalizat, fără a lua în considerare viitoarele pierderi de exploatare, diluări, îmbogăţiri, blocări de producţie etc. Din punct de vedere al posibilităţilor de valorificare şi al condiţiilor tehnicominiere de exploatare se deosebesc următoarele categorii de rezerve: a. Rezerve de bilanţ - rezerve geologice care pot fi exploatate şi valorificate din punct de vedere economic, ţinând seama de cantitatea de rezerve şi de calitatea acestora, precum şi de condiţiile de zăcământ; b. Rezerve în afară de bilanţ - rezerve care nu pot fi valorificate economic, din cauza unor rezerve reduse cantitativ, a conţinuturilor mici în componenţi utili, a procedeelor complicate şi neeconomice de preparare şi prelucrare, precum şi a condiţiilor grele de exploatare la nivelul tehnicii actuale; c. Rezerve de prognoză Rezervele din grupul de bilanţ şi "în afară de bilanţ" se clasifică, după gradul de cunoaştere, în categoriile A1, A2, C1, C2. Rezerve A - rezerve sigure (A1 - pregătită, A2 - explorată) sunt rezerve în care se cunoaşte exact cantitatea, calitatea şi comportarea substanţelor minerale utile la diverse prelucrări industriale. Rezerve B - rezerve bine cunoscute din punct de vedere cantitativ, însă mai puţin studiate din punct de vedere tehnologic; rezervele B se mai numesc şi rezerve vizibile sau aparente. Rezerve C - rezerve posibile - sunt puţin cunoscute atât cantitativ, cât şi calitativ. Comportarea lor tehnologică se apreciază prin comparaţia cu a altor zăcăminte similare care sunt bine cunoscute. Asemănător, în cazul zăcămintelor de substanţe fluide, cantitatea de petrol şi gaze acumulată se numeşte rezervă geologică. Categoriile de rezerve de hidrocarburi sunt prezentate în fig. 3.1. Raportul dintre rezerva de bilanţ şi rezerva geologică poartă numele de factor final de recuperare a rezervelor. Estimarea rezervelor şi a factorului final de recuperare a hidrocarburilor fluide se poate realiza prin utilizarea calculatoarelor, pe baza unor modele matematice complexe.

65

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

REZERVA GEOLOGICĂ

REZERVE DESCOPERITE

REZERVE NEDESCOPERITE

Rezerve nedovedite

Rezerve nerecuperabile Rezerve nerecuperabile Rezerve posibile

Rezerve probabile

Rezerve sigure (dovedite)

Potenţial nedescoperit de recuperare

Producţia realizată

Fig. 3.1. Categoriile de rezerve de hidrocarburi din cadrul rezervelor geologice.

3.3. Prospectarea şi explorarea zăcămintelor de substanţe minerale utile În vederea extragerii substanţelor minerale utile din zăcământ sunt necesare lucrări preliminarii de prospectare şi explorare. Prospectarea cuprinde ansamblul lucrărilor geologice şi tehnico-geologice efectuate în vederea descoperirii şi localizării zăcămintelor de substanţe minerale utile şi a aprecierii importanţei lor economice Prospectarea se realizează prin metode geologice, geofizice, geochimice al căror rezultate se corelează. Prospectarea geologică determină structura rocilor, respectiv compoziţia petrografică a regiunii cercetate prin studiul direct al rocilor prelevate din deschideri naturale sau artificiale. O metodă de prospectare geochimică cu totul specială este prospectarea biogeochimică, ce studiază proprietăţile plantelor de a reacţiona sensibil la excesul, sau la insuficienţa anumitor elemente în soluri, roci sau ape. De exemplu: vioreaua este 66

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

sensibilă la solul bogat în zinc; astragalul la seleniu şi uraniu; mesteacănul la cărbune etc. Prospectarea geofizică se bazează pe metode care constau în măsurarea în diferite puncte ale regiunii cercetate a unor proprietăţi fizice şi a anomaliilor acestora provocate de prezenţa substanţelor minerale utile. După natura mărimii fizice măsurate există următoarele metode de prospectare geofizică: - gravimetrică măsoară acceleraţia gravitaţională; abaterile acesteia de la valoarea de 9,81 m/s2 indică existenţa unui zăcământ, cum ar fi cel de petrol; - magnetometrică măsoară variaţia câmpului magnetic terestru în diferite puncte ale regiunii cercetate. Se aplică la prospectarea minereurilor de fier, cu proprietăţi magnetice; - electrometrică măsoară proprietăţile electrice ale rocilor (potenţialul electric al rocilor, intensitatea câmpul electric, etc.) şi interpretează anomaliile constatate în distribuţia acestor proprietăţi, datorită unor mase de roci diferite; - radiometrică măsoară radioactivitatea naturală sau provocată. Unele depozite de substanţe minerale utile, precum şi unele roci se diferenţiază în funcţie de intensitatea şi natura radioactivităţii lor naturale, datorită în special conţinutului în uraniu, thoriu şi potasiu, elemente ale căror izotopi şi descendenţi radioactivi emit spontan radiaţii; - cu radiaţii din domeniul infraroşu, sau cu ultrasunete. Explorarea zăcămintelor de substanţe minerale utile constă într-un complex de lucrări şi cercetări care au drept scop precizarea formei, întinderii, grosimii, deci a hărţii spaţiale a zăcământului, a conţinutului în elemente utile, a rezervelor de zăcământ, în vederea elaborării proiectelor pentru exploatare. Explorarea este un proces care începe de la descoperirea zăcământului, în urma lucrărilor de prospectare şi se continuă până la completa lui punere în exploatare. În funcţie de natura lucrărilor de explorare, aceasta se realizează prin procedee miniere (puţuri, galerii, şanţuri), prin foraje (sondaje închise) sau prin lucrări de explorare mixte (miniere şi foraje) în vederea luării de probe. Alegerea tipului de lucrări de explorare depinde de următorii factori: - particularităţile zăcământului: formă tectonică şi dimensiuni; - felul şi geneza substanţelor minerale utile; - modul de răspândire şi de transformare secundară a mineralelor utile în zăcământ; - natura rocilor înconjurătoare; - poziţia geografică a zăcământului şi condiţiile economice în care se desfăşoară lucrările de exploatare. În funcţie de precizia care se cere lucrărilor de explorare se deosebesc: 1. Explorare preliminară care dă indicaţii aproximative asupra calităţii minereurilor şi extinderii zăcământului, în vederea justificării cheltuielilor necesare studierii zăcămintelor în amănunt. Explorarea preliminară constă în identificarea existenţei zăcământului şi în determinarea caracteristicilor lui generale, în vederea 67

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

estimării rezervelor posibile (C). Prin astfel de lucrări de explorare, o parte din rezervele posibile sunt ridicate la categoria rezervelor vizibile (B). 2. Explorarea de detaliu sau de conturare, care are drept scop obţinerea tuturor datelor tehnice şi economice asupra zăcămintelor, respectiv cunoaşterea cât mai exactă a rezervelor, aprecierea metodei de exploatare ce trebuie aplicată, procedeele tehnologice corespunzătoare, în vederea valorificării zăcământului şi stabilirii investiţiilor necesare. Explorarea de detaliu constă în conturarea exactă a zăcământului şi în determinarea amănunţită a conţinutului de substanţă minerală utilă, ceea ce permite evaluarea rezervelor din categoriile B (vizibile) şi A2 (rezervă sigură explorată) faţă de cele din C. 3. Explorarea de exploatare (în extindere) se execută în timpul exploatării pentru definitivarea studiului unui zăcământ, pentru studierea şi descoperirea unor zăcăminte noi împrejurul minei, sau pentru cercetarea orizonturilor adânci ale zăcământului (tectonică, porţiuni eventual deplasate, conţinut în substanţă minerală utilă, eventual gradul de sărăcire), orizonturi necercetate în timpul cercetării de detaliu şi descoperirea unor noi rezerve. Se efectuează deci simultan cu valorificarea zăcământului. 3.4. Exploatarea zăcămintelor de substanţe minerale utile După terminarea lucrărilor de prospectare şi explorare se poate trece la procesul de extracţie sau exploatare a substanţelor minerale utile din zăcământ. În funcţie de natura zăcământului, lucrările de extracţie a substanţei minerale utile solide (minereuri feroase şi neferoase, cărbuni, roci industriale) sunt diferite de cele pentru extracţia substanţelor minerale utile fluide (ţiţei, gaze de sondă, gaze naturale). În vederea începerii lucrărilor de exploatare propriu-zise însă sunt necesare lucrări pregătitoare la suprafaţă: amenajări de drumuri, linii de forţă, clădiri, instalaţii industriale anexă etc. Operaţiile miniere care se efectuează la exploatarea unui zăcământ de substanţe minerale utile solide, într-o anumită ordine şi succesiune în timp şi spaţiu sunt: - extragerea dintr-un zăcământ a unei substanţe minerale utile sau a unei roci prin tăiere, detaşare cu jeturi de apă, rupere sau dizolvare. Spaţiul în care se execută aceste operaţii poartă denumirea de abataj. Operaţia se execută cu unelte acţionate manual, cu utilaje mecanizate (combina de extracţie, excavatorul rotativ), cu explozivi, cu apă, etc.; - încărcarea şi transportul materialelor dislocate din zăcământ; - armarea sau susţinerea locurilor de muncă şi a lucrărilor subterane prin operaţii de consolidare, cu grinzi şi stâlpi de lemn, sau metalici, zidărie, beton, scuturi metalice; - dirijarea presiunii rocilor din "coperiş" prin lucrări de rambleiere (umplere) cu material steril din mină, sau din exterior, sau prin surpare dirijată; - aerisirea, pentru evacuarea unor gaze periculoase (gazul metan din minele de cărbuni numit gaz grizu, dioxidul de sulf din zăcămintele neferoase, etc.) şi pentru reducerea temperaturii, iluminare şi evacuarea apelor din subteran. 68

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

La zăcămintele de substanţe minerale fluide, exploatarea cuprinde operaţiile prin care se dirijează şi se controlează curgerea fluidelor în strat, urmată de extracţia acestora din zăcământul respectiv. Dirijarea curgerii fluidelor se realizează prin stabilirea corespunzătoare a regimului tehnologic al sondelor de extracţie şi de injecţie, amplasarea corespunzătoare a sondelor, alegerea corespunzătoare a fluidelor injectate (noroi de foraj, apă). Controlul curgerii fluidelor se efectuează prin măsurarea presiunii şi temperaturii de la talpa sondei, analiza comportării sondelor individuale şi în bloc, urmărirea deplasării contactului apă-ţiţei, gaze-ţiţei, apă-gaze în strat. Variaţia în timp a factorilor care caracterizează exploatarea (în special debitul de ţiţei, de gaze şi de apă, producţia cumulativă de fluide, raportul gaze-ţiţei, presiunea de zăcământ, saturaţia stratului cu fluide etc.) constituie evoluţia exploatării zăcământului respectiv. Această evoluţie este reprezentată pe diagrame, în care factorii amintiţi variază în timp sau uneori în funcţie de rezerva iniţială de ţiţei sau gaze a zăcământului şi serveşte la stabilirea regimului optim de lucru. 3.4.1. Exploatarea zăcămintelor de substanţe minerale utile solide Exploatarea zăcămintelor de substanţe minerale solide, numită şi exploatarea minieră, constă dintr-un complex de lucrări şi operaţii miniere executate la suprafaţă şi în subteran în scopul extragerii substanţelor minerale utile. În funcţie de poziţia zăcământului, exploatarea minieră se poate realiza "la zi" - în cariere, sau "în subteran", în mină sau ocne. 3.4.1.1. Exploatarea "la zi" Exploatarea în cariere sau la zi (fig.3.2) se realizează când zăcământul se găseşte în imediata apropiere a suprafeţei solului: cărbuni, roci industriale, minereuri feroase şi neferoase. În acest caz se îndepărtează stratul de steril de deasupra (coperişul, operaţia numindu-se decopertare) şi primul strat de rocă utilă, care în general este alterată (operaţie denumită cămăşuiala carierei), după care se amenajează fronturile de lucru (abatajul) în terase şi se trece la extracţia propriu-zisă a substanţelor minerale utile sub cerul liber. Pentru desprinderea rocilor se utilizează utilaje de mare capacitate: excavatoare, screpere, metode de explozie dirijată. Exploatarea "la zi" prezintă următoarele avantaje faţă de exploatarea "în mină": exploatarea se poate începe pe fronturi mari de lucru, cu cheltuieli relativ mici; se utilizează utilaje de extracţie şi transport de capacităţi mari şi cu producţie specifică ridicată; nu necesită investiţii pentru lucrări de amenajare (galerii, puţuri, lucrări de asanare, aeraj etc.); există o mai mare securitate a muncii, întrucât lipseşte pericolul de surpare, emanare de gaze nocive, inundaţie etc.

Fig. 3.2. Schema unei exploatări la zi.

69

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Exploatarea în cariere devine neeconomică dacă stratul care acoperă zăcământul este prea mare (sute de metri), decopertarea fiind în acest caz scumpă pentru suprafeţe mari. Munca în cariere este sezonieră, fiind întreruptă în sezonul rece, sau din cauza unor precipitaţii abundente. Alt dezavantaj este legat de perturbaţiile ecologice majore din zonă, datorită suprafeţelor mari afectate, a eroziunii solului, a alunecărilor posibile de teren, etc. 3.4.1.2. Exploatarea în subteran sau "în mină" a substanţelor minerale utile solide Exploatarea în subteran se face când zăcământul se află în subsol, la diferite adâncimi şi este specifică pentru majoritatea cărbunilor, minerale feroase, neferoase şi roci industriale. În acest caz este necesar să se execute lucrări de deschidere, sau de pătrundere până la zăcământ, prin săparea de galerii de coastă (când terenul permite acest lucru), sau prin puţuri verticale. Din puţul vertical se construiesc pe orizontală galerii. Totalitatea galeriilor dintr-un plan formează un orizont. etc. Zăcământul este împărţit pe zone, numite panouri de exploatare, când se creează numărul de fronturi de lucru necesare. După terminarea exploatării zăcământului, în cazul în care există pericol de surpare datorită presiunii rocilor înconjurătoare, excavaţiile se umplu cu steril sau "rambleu", sau, în unele cazuri se provoacă surparea dirijată (controlată). Mina este prevăzută cu următoarele categorii de construcţii: a. la suprafaţă - turnurile puţurilor de extracţie şi aeraj, instalaţii de ventilare, pompe pentru evacuarea apelor subterane, compresoare pentru aer comprimat, mijloace de transport, instalaţii pentru prepararea-concentrarea substanţelor minerale utile extrase din subsol; b. în subteran - galerii, construite în scopul accesului la zăcământ al minerilor, utilajului, a aerisirii minei, a transportului materialului săpat, puţuri oarbe, suitori, rostogoluri, abatajul etc. (fig. 3.3)

Fig.3.3. Schema lucrărilor miniere pentru extracţia cărbunilor: 1-puţ principal; 2-puţ înclinat; 3-galerie de coastă; 4-galerie transversală; 5-puţ orb; 6-plan înclinat; 7-rostogol; 8-orizont; 9-turlă de extracţie; 10-extracţie "la zi"; 11-zăcământ; 12-front de lucru.

70

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

Legătura cu exteriorul a zăcământului se realizează prin puţuri (elipsoidale, circulare, dreptunghiulare) sau prin galerii de coastă (tunele care pătrund într-o coastă de deal până la zăcământ). Exploatarea se realizează pe mai multe etape, în următorul mod: Accesul în mină se face dintr-un puţ vertical principal, din care se deschid galeriile la diferite etaje; din acestea se formează fronturile de lucru - abatajele. În afară de puţul principal, trebuie să existe fie o galerie de coastă, fie un puţ secundar, de aeraj. În puţul principal circulă un ascensor special "colivie", care transportă la suprafaţă muncitorii şi minereul abatat. Fiecare orizont este alcătuit din galerii transversale din care pleacă galerii direcţionale şi suitorile (care unesc două orizonturi). Rolul galeriilor transversale şi direcţionale este de a permite un acces optim la zăcământ; rolul "suitorilor" este de a permite transferul minereului excavat spre un orizont inferior, de unde poate fi preluat în vagoneţi şi trimis la suprafaţă. Abatajul este construit din frontul de lucru - partea din care se detaşează substanţa minerală (minereu, rocă). Minereul sau roca poate fi tăiat cu ciocane pneumatice, dar mai ales mecanic cu haveze, combine, combine-roboţi, după care este transportat la suprafaţă prin puţurile principale sau galeriile de coastă. La suprafaţă, minereurile şi rocile sunt supuse unor operaţii de preparare, în vederea comercializării. Din consideraţii economice instalaţiile de preparare se amplasează lângă locul de extracţie. Modernizarea şi automatizarea tehnologiilor de extracţie se realizează prin: - extragerea substanţelor minerale utile din straturi cu utilaje comandate de la distanţă; - automatizarea completă a transportului în subteran; controlarea debitului şi a transportului, prin intermediul calculatoarelor; - automatizarea completă a susţinerii galeriilor şi abatajelor în subteran; - automatizarea instalaţiilor de preparare; - controlul automat, de la distanţă a puţurilor de extracţie; - introducerea fluxului de transport hidraulic în cazul cărbunilor (cărbunele granulat - amestecat cu apă este pompat la suprafaţă către instalaţia de preparare, prin conducte metalice); Prin aplicarea tehnologiilor noi de extracţie se obţine mărirea coeficienţilor de recuperare a rezervelor. În cazul extracţiei "la zi" în cariere, se preconizează refacerea terenurilor deteriorate şi aducerea lor în forma iniţială, în scopul protejării mediului înconjurător. Mecanizarea lucrărilor de săpare a galeriilor în strat a condus la realizarea unor combine-robot prin utilizarea cărora producţia orară creşte simţitor, înaintarea se dublează, se reduc consumurile de materiale şi energie, se lucrează în condiţii de maximă securitate.

71

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

3.4.2. Exploatarea zăcămintelor de hidrocarburi 3.4.2.1. Exploatarea zăcămintelor de ţiţei Ţiţeiul este una dintre rocile caustobiolitice, lichide, alcătuite dintr-un amestec de hidrocarburi parafinice, naftenice, aromatice şi gaze dizolvate (C1-C4). Conţinutul în hidrocarburi şi raportul dintre acestea diferă în funcţie de zăcământ şi uneori chiar în cadrul aceluiaşi zăcământ pe înălţime. Ţiţeiul mai conţine compuşi cu sulf (0,2%), cu azot (0,2%), mai puţin însă cele din România. Ţiţeiul se găseşte în roca iniţială în care s-a format, alcătuind zăcăminte primare, sau, în cazuri mai dese, în rocile vecine poroase (dolomitice, calcaroase, gresie etc.) în care a migrat sub presiunea gazelor sau a propriei sale greutăţi, alcătuind zăcăminte secundare. Migrând spre zonele de minimă rezistenţă, ţiţeiul şi gazele se adună în stratele poroase ale anticlinalelor, iar apele (sărate) de zăcământ, în sinclinale (fig. 3.4).

Fig. 3.4. Acumulări de petrol şi gaze în straturi cutate: a - boltite; b - ecranate.

Distribuţia pe verticală a zăcămintelor de petrol şi gaze este controlată de temperatură şi presiune. Potrivit unor calcule teoretice parţial verificate în activitatea practică, acumulările de hidrocarburi lichide ar fi limitate, în funcţie de gradienţii de temperatură şi presiune, între 4.000 şi 8.000 m, iar al celor gazoase între 7.000 şi 16.000 m. Determinat de epuizarea resurselor localizate în formaţiuni geologice cu adâncimi mici şi medii, forajul profund a început să se practice în cel puţin 43 ţări, din care în unele ţări (SUA, Rusia, România, Italia, Austria, Germania, Franţa) s-au depăşit 6.000 m, ajungând şi la 10.000 m. Proprietăţile fizice ale ţiţeiului românesc (densitate, viscozitate, temperatură de fierbere, temperatură de congelare) variază în funcţie de raportul dintre clasele de constituenţi. Ţiţeiul românesc are densitatea cuprinsă între 0,71 şi 0,925 g/cm3 şi se clasifică astfel: - ţiţei uşor, bogat în hidrocarburi parafinoase d < 0,85; - ţiţei mijlociu, bogat în hidrocarburi semiparafinoase, cu densitate cuprinsă între 0,85 şi 0,88; - ţiţei greu, asfaltos, cu densitate 0,88-0,925. Viscozitatea creşte odată cu creşterea conţinutului în hidrocarburi cu masă moleculară mare. Viscozitatea influenţează procesul de curgere a fluidelor prin conducte: cu cât este mai ridicată, cu atât debitul este mai redus, consumul de energie necesar pompării este mai ridicat. 72

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

Exploatarea zăcămintelor de ţiţei începe după finalizarea lucrărilor de prospectare şi explorare, în urma cărora se indică rentabilitatea deschiderii exploatării respective şi după efectuarea lucrărilor specifice de pătrundere în zăcământ. Pătrunderea în zăcământ se realizează printr-un complex de lucrări denumit foraj. Forajul cuprinde operaţiunile tehnice pentru realizarea puţului de sondă şi constă în următoarele lucrări: - forajul propriu-zis - săparea puţului de sondă de la suprafaţă până la zăcământ, prin dislocarea rocilor străbătute cu ajutorul unor sape speciale şi îndepărtarea rocilor sfărâmate ("detritus") în tot timpul operaţiilor de săpare cu ajutorul noroiului de foraj; - carotajul (mecanic, electric sau radioactiv) efectuat în scopul obţinerii indicaţiilor cu privire la natura stratelor străbătute; - tubarea găurii de sondă - operaţie de consolidare a găurii de sondă prin susţinerea pereţilor cu burlane metalice (tuburi pierdute, telescopice etc.); - cimentarea sondelor care se realizează prin pomparea unei suspensii de ciment în spaţiul dintre coloana de burlane metalice şi pereţii sondei; se realizează în scopul izolării straturilor de apă care ar dilua ţiţeiul, prevenirii migraţiei fluidelor (ţiţei, gaze) de la un strat la altul, a erupţiilor de gaze în spatele coloanei de burlane etc.; - perforarea coloanelor (tuburilor) în vederea luării probelor din zăcământ; - lucrări de instrumentaţie: introducerea sau scoaterea garniturilor de foraj (prăjini, sape etc.), scoaterea şi înlocuirea sapelor în cazul uzurii acestora etc. Se utilizează următoarele metode de foraj: - foraj rotativ clasic (Rotary) acţionat de la suprafaţă; - foraj rotativ modern: turbobur - cu turbină acţionată de noroiul de foraj; electrobur - cu motor electric suspendat cu cabluri de oţel şi care acţionează sapa la talpa sondei. Forajul rotativ clasic, cu masă Rotary (fig.3.5) este tehnica cea mai cunoscută şi aplicată, cu toate că are viteza de înaintare de numai 4 m/h. Se execută prin rotirea şi apăsarea sapei, aflată în capătul garniturii de prăjini, la talpa sondei. Mişcarea de rotaţie este dată de la suprafaţă de către un disc metalic (masa rotativă), prevăzut cu o coroană dinţată, care primeşte mişcarea de rotaţie printr-o roată dinţată cuplată la un motor. Mişcarea de rotaţie se transmite sapei prin intermediul coloanei de prăjini. În masa rotativă este practicată o deschidere centrală pătrată, în care este prinsă prima prăjină pătrată, de care sunt prinse apoi prin înfiletare restul de prăjini cu secţiune cilindrică (cu o lungime de 6-8 m) pe măsură ce se avansează în zăcământ. Sapele efectuează dezagregarea mecanică a rocilor întâlnite, în vederea realizării găurii de sondă. În funcţie de modul de lucru al elementelor tăioase ale sapei, se deosebesc diferite tipuri de sape care lucrează prin tăiere, aşchiere, despicare şi sfărâmare. Cele mai utilizate sunt sapele coadă de peşte şi sapele cu role. Rocile sfărâmate sunt aduse la suprafaţă cu ajutorul fluidului de foraj (noroiul de sondă) trimis la talpa sondei de către pompe, prin intermediul coloanei de prăjini, din care se elimină prin orificiile sapei. 73

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Noroiul de foraj este un amestec de apă cu suspensii şi coloizi de marnă, la care se adaugă, pentru mărirea densităţii, baritină, hematită etc., având o densitate de 1,12-1,30 g/cm3. Noroiul de foraj are următoarele funcţii: evacuarea detritusului, răcirea sapei, colmatarea pereţilor sondei (căptuşirea lor), prevenirea erupţiilor libere prin contrabalansarea presiunii de zăcământ. Forajul cu turbină (turboforajul) reprezintă circa 35% din forajul total aplicat în ţară. Sapa este acţionată de o turbină hidraulică, pusă în mişcare chiar de curentul noroiului de sondă, ce se pompează prin coloana de prăjini, cu ajutorul pompelor de la suprafaţă. Turbina are o viteză de rotaţie de 600-700 rot/min la un debit al noroiului de 22-40 l/sec şi o putere efectivă de 55-180 CP. Viteza de înaintare este de 8 m/h. Prezintă următoarele avantaje: - coloana de prăjini stă nemişcată, turbina acţionează direct asupra sapei, ceea ce reduce energia necesară forajului; - efortul în prăjini micşorându-se, se pot utiliza prăjini cu pereţii mai subţiri decât în cazul clasic, deci mai ieftine şi se reduce pericolul de accidente; - prăjinile nerotindu-se, sonda rezultată este mai dreaptă şi ca urmare sunt facilitate tubarea şi cimentarea ulterioară; - viteza de foraj este de 1,5-2 ori mai mare şi nu depinde de adâncimea de foraj; - munca este mult uşurată prin lipsa zgomotului şi trepidaţiilor întrucât instalaţia de la suprafaţă nu mai este solicitată. La turboforaj este deosebit de importantă curăţirea fluidului de foraj recirculat, de particule tari şi abrazive care uzează turbina. Deşi se utilizează site vibratoare pentru

Fig.3.5. Forajul rotativ (Rotary): 1-turlă; 2-masă rotativă; 3-prăjină pătrată; 4-prăjini cilindrice; 5-sapă; 6-burlane; 7-pompă pentru noroiul de foraj; 8-cap hidraulic pentru trimiterea noroiului de foraj în galeria de prăjini; 9-sită vibrantă pentru separarea detritusului de noroiul de foraj.

74

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

îndepărtarea detritusului, durata de funcţionare a unei turbine nu depăşeşte 300 ore, după care trebuie înlocuită. 3.4.2.2. Metode de extracţie a ţiţeiului Mecanismul prin care ţiţeiul este extras din zăcământ şi care foloseşte presiunea existentă, naturală sau impusă artificial, se numeşte mecanism de recuperare sau regim de exploatare a zăcământului de ţiţei. Pentru a putea trece la exploatarea zăcământului de ţiţei se perforează mai întâi dopul de ciment de la talpa sondei, prin operaţia de puşcare, sau prin frezare cu ajutorul sapei cu role, apoi se scoate garnitura de foraj şi se introduce în loc o coloană de ţevi cu diametrul mai mic decât al burlanelor, dar cu pereţii mai groşi, numită coloană de extracţie sau tubing. În tot timpul acestei operaţii, gaura de sondă este plină cu noroi de foraj a cărui greutate contrabalansează presiunea interioară a zăcământului, pentru a împiedica o erupţie necontrolată. Prin exploatarea primară a unui zăcământ de ţiţei se înţelege exploatarea care are loc folosind energia naturală existentă în zăcământ, şi anume: destinderea elastică a rocii şi fluidelor, expansiunea gazelor ieşite din soluţie, împingerea naturală a apei, destinderea gazelor din zona cupolei de gaze şi efectul gravitaţional. Are loc fenomenul de erupţie naturală a ţiţeiului, datorită presiunii mari a gazelor din zăcământ, de 300-400 at. Factorul de recuperare FFR a ţiţeiului reprezintă cantitatea de ţiţei extrasă, exprimată în procente din întreaga cantitate ce se află în zăcământ la descoperirea acestuia. Dacă zăcământul este exploatat numai prin utilizarea energiei sale, adică prin metode primare (gaze dizolvate, împingere naturală de apă sau gaze), factorul de recuperare ia valori de 20-30%. La zăcăminte cu condiţii dificile de exploatare şi care conţin ţiţeiuri foarte vâscoase, factorul final de recuperare nu depăşeşte 10-15%. Îmbunătăţirea exploatării zăcămintelor de ţiţei se referă la mărirea factorului final de recuperare şi la scurtarea duratei de exploatare a acestora. Pentru a permite ajungerea la suprafaţă a ţiţeiului datorită presiunii de zăcământ a gazelor se înlocuieşte cu apă, treptat, noroiul de foraj din coloana de extracţie. Dacă prin înlocuirea noroiului de sondă cu apă sau chiar cu ţiţei sonda nu porneşte, se aplică erupţia artificială. Erupţia artificială (ridicarea artificială la suprafaţă a fluidelor ce vin din stratul productiv) urmăreşte menţinerea unei presiuni adecvate la talpa sondei, astfel încât aceasta să producă debitul dorit. Uneori sonda poate produce acest debit datorită propriei energii cu care intră fluidele din strat în gaura de sondă. Chiar după scurgerea unei perioade de timp, sonda produce fără să fie ajutată din exterior cu energie. Debitul va fi din ce în ce mai mic, pe măsură ce presiunea de zăcământ scade şi la un moment dat, sonda va înceta să mai producă. Atât în timpul scăderii presiunii de zăcământ, cât şi după ce sonda încetează să mai producă, aplicarea unei metode artificiale de ridicare a fluidelor de la talpa sondei poate face ca aceasta să producă debitul dorit - constant. Erupţia artificială a fluidelor se pate realiza pe două căi: - prin pompaj; 75

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

- prin gaz lift, cu ajutorul gazelor comprimate. Extracţia prin pompaj se realizează cu ajutorul unei pompe speciale, cu piston introdusă în tubing, prevăzută cu un ventil care se deschide la coborârea pistonului şi se închide la urcarea lui. Ţiţeiul pătrunde mai întâi în corpul pompei, după care este împins spre exterior.

Fig.3.6. Instalaţie de erupţie artificială: a) tip semiînchis; b) tip închis.

Metoda de extracţie a fluidelor din stratul productiv prin utilizarea gazelor comprimate poartă denumirea de erupţie artificială (gaz-lift) şi poate fi de două feluri: continuă sau discontinuă (intermitentă). Erupţia artificială continuă se realizează prin utilizarea unui debit de gaze sub presiune, care este injectat în spaţiul prin care ţiţeiul se ridică la suprafaţă. Gazele introduse reduc densitatea ţiţeiului de deasupra punctului de injecţie, ajutându-l să urce spre suprafaţă. Modificând cantitatea de gaze injectate, sau adâncimea punctului de injecţie, se poate obţine presiunea diferenţiată strat-sondă, care să asigure producerea debitului dorit (fig.3.6). Erupţia artificială continuă se aplică în general sondelor cu capacitate de producţie mare şi presiuni relativ mari la talpa sondei. Pentru curgerea fluidelor prin spaţiul inelar coloană-ţevi s-a ajuns la debite de 600-1.600 m3/zi, mergând până la 3.000-4.000m3/zi, în funcţie de capacitatea stratului de producţie de ţiţei. Erupţia artificială este o metodă foarte flexibilă, comparativ cu pompajul, deoarece se poate adapta extragerii unor debite foarte variate, fără a necesita schimbarea echipamentului din gaura de sondă şi are o durată mare de funcţionare fără intervenţii. Se recomandă ca o metodă de extracţie după încetarea erupţiei naturale, în cazul sondelor de peste 3.000 m. Erupţia artificială intermitentă constă în ridicarea lichidului sub forma unui dop de către gazele injectate sub el. Această metodă de extracţie se aplică în ultimă fază de exploatare a unui zăcământ, când presiunea de strat devine foarte mică. Stratul nu ar 76

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

putea suporta asupra sa o coloană de lichid, fie chiar foarte gazeificată. Deci, această metodă este indicată pentru sondele cu presiune scăzută la talpa sondei, indicii de productivitate fiind diferenţiaţi, în funcţie de calitatea zăcământului. Sondele în erupţie artificială intermitentă pot produce debite de 1-70 m3/zi, în funcţie de capacitatea stratului respectiv. Instalaţiile moderne cu erupţie artificială intermitentă, la care acumularea şi ridicarea lichidului se fac simultan pot produce chiar 100-150 m3/zi, de la o adâncime de 3.000 m. Extracţia secundară a ţiţeiului are drept scop recuperarea ţiţeiului rămas în zăcământ după aplicarea metodelor de extracţie primară şi se realizează prin următoarele metode: - refacerea presiunii de zăcământ prin injectarea de gaze de sondă, aer sau apă, printr-un procedeu ce foloseşte fie o gaură de sondă veche, fie se sapă una nouă prin care să se injecteze fluidul respectiv; - aprinderea controlată a stratului, care arde parţial şi formarea de gaze, ce împing restul de ţiţei la suprafaţă; - dizolvarea rocii poroase în care a migrat ţiţeiul; - extragerea ţiţeiului din rocile poroase folosind diferite soluţii etc. Se mai recuperează încă 20% din ţiţeiul din zăcământ. Se ajunge astfel la un FFR final, în condiţii economice, de aproximativ 50%. Dacă extracţia devine neeconomică, se recuperează tubingurile şi burlanele şi se cimentează sonda. Sondele se pot redeschide după un timp, în care s-au perfecţionat tehnologiile de extracţie secundară, sau s-a schimbat presiunea de zăcământ. 3.4.2.3. Extracţia gazelor naturale Gazele naturale (la noi în ţară, cu un conţinut de gaz metan de 99%) se găsesc în zăcăminte independente, sub formă de domuri acumulate în strate de nisip, între strate de argilă sau marne impermeabile, la adâncimi ce depăşesc 2.000 m, zăcămintele sunt înconjurate de apă sărată. Un zăcământ prezintă importanţă industrială când capacitatea de înmagazinare a rocii magazin (porozitatea), saturaţia iniţială în gaze şi presiunea de zăcământ permit gazelor să curgă spre gaura de sondă. Pentru deschiderea zăcământului se fac lucrări de foraj prin metode similare cu cele de deschiderea zăcămintelor de ţiţei. După terminarea lucrărilor de foraj şi extracţia galeriilor de prăjini, găurile de sondă sunt tubate cu o coloană de exploatare care menţine intacţi pereţii găurii de sondă până în dreptul stratului productiv. Extracţia are loc prin sifonare, cu ajutorul unei coloane tubulare montată în interiorul coloanei de exploatare. O sondă productivă este prevăzută cu o instalaţie de suprafaţă compusă din următoarele elemente: - capul de erupţie, format dintr-un sistem de ventile care permit trecerea gazului din coloana de exploatare pe conducta directă; - schimbător de căldură pentru încălzirea gazului la temperatura convenabilă transportului; 77

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

duză de reglare a debitului; separator pentru reţinerea impurităţilor; contor şi manometru pentru controlul debitului şi presiunii în condiţiile de exploatare. Sondele sunt racordate la conducte colectoare, pe categorii de presiuni apropiate. În funcţie de presiunea lor, zăcămintele de gaze naturale se împart în: zăcăminte de presiune înaltă (200 at), medie (20-200 at) şi joasă (4-20 at). Gazele din zăcămintele de presiune înaltă se transportă economic pe conducte magistrale sub presiune, la distanţe de sute de kilometri, care se termină la fiecare centru de consum cu câte o staţie de reglare a presiunii şi de măsurare a cantităţilor de gaze livrate întreprinderilor distribuitoare. Gazele de presiune medie sau joasă se utilizează în imediata apropiere a sursei în calitate de combustibil, sau materie primă la o întreprindere chimică. 3.4.3. Exploatarea zăcămintelor de sare gemă (NaCl) Sarea gemă, sau clorura de sodiu se poate extrage prin două metode: - pe care uscată în mine (ocne), sub formă de bulgări, bucăţi etc.; - pe cale umedă, sub formă de saramură, cu ajutorul sondelor. Exploatarea zăcămintelor de sare cu ajutorul sondelor constă în introducerea în interiorul masivului de sare a apei sub presiune şi aducerea saramurii formate în subteran, la suprafaţă. Metodele de dizolvare dirijată se pot executa în trepte mari (SUA, Rusia) sau în trepte mici (România), ambele metode folosind trei coloane de exploatare: pentru apă, pentru saramură şi pentru fluidul izolant (de obicei produs petrolier) (fig. 3.7).

Fig. 3.7. Sondă cu dizolvare dirijată a sării geme din zăcământ.

78

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

În exploatarea cu trepte mari acţionează viteza de dizolvare orizontală, succesivă, de la axul sondei către periferie pentru fiecare treaptă; în exploatarea în trepte mici acţionează mai mult viteza de dizolvare verticală şi camera de dizolvare este aproximativ în formă de cilindru, terminat la partea superioară cu o boltă retezată sau ascuţită, în funcţie de viteza de dizolvare.Principiul conducător al acestei metode este posibilitatea de dirijare a procesului de dizolvare, prin menţinerea unui strat izolator, la tavanul camerei de dizolvare ca urmare, dizolvarea în cameră se face în sens radial, iar atunci când se atinge raza dorită se ridică coloana de apă mai sus împreună cu nivelul fluidului izolator, care urmează să acopere treptat tavanul nou creat (fig.3.7). Pentru realizarea acestui tip de extracţie este necesară săparea prin lucrări de foraj a unor găuri de sondă de 10-50 cm diametru, care se tubează pe anumite porţiuni pentru susţinerea pereţilor şi închiderea apelor. În găurile de sondă se introduc cele trei tuburi concentrice. Exploatarea începe de la baza zăcământului şi se continuă în sus, prin ridicarea treptată a coloanei de apă şi a tubului exterior prin care se debitează produsul petrolier izolator. Procedeul de extracţie a clorurii de sodiu sub formă de saramură prezintă următoarele avantaje faţă de procedeul în subteran: - lucrările pregătitoare exploatării sunt de scurtă durată, mai ieftine, uşor de realizat cu investiţii mici; - procesul de exploatare este perfect dirijat; - instalaţie este simplă şi uşor de manevrat; - producţia de saramură concentrată este continuă; - procedeul este foarte economic, cu consum de materiale, energie şi manoperă foarte redus. Productivitatea muncii creşte de 10 ori, iar costul scade la 25% faţă de procedeul pe cale uscată (în ocne). Se aplică pentru zăcăminte de dimensiuni mai reduse şi la solicitări de saramură din partea unui consumator industrial. Dezavantajul major al metodei îl constituie probabilitatea mărită de surpare a terenurilor rămase după exploatare. 3.5. Consideraţii tehnico-economice Activitatea geologică reprezintă, de fapt, o activitate de investiţii, iar aprecierea rezultatelor acestei investiţii se face prin eficienţa economică atinsă, controlată prin "legea celor trei E" a lui Oscar Lange: Eficienţă economică - Efort de investiţii - Efect economic. Se apreciază că în categoria de resurse intră rezervele care cuprind depozitele minerale susceptibile de a fi exploatate economic în prezent, precum şi masele minerale care ar putea fi exploatate economic în perspectivă (resurse potenţiale). Resursele potenţiale pot deveni în viitor rezerve în condiţiile perfecţionării procedeelor tehnologice de extracţie şi preparare şi a mijloacelor de transport. Rezultă că rezervele au un caracter dinamic, atât ca rezultat al unor noi descoperiri de resurse, cât şi ca urmare a perfecţionării procedeelor tehnologice care pot determina valorificarea rentabilă a unor zăcăminte sărace, sau care au condiţii grele de exploatare. Paralel cu aceasta, au crescut atât costurile prospecţiunilor necesare pentru descoperirea unor noi zăcăminte, cât şi investiţiile suplimentare cerute de 79

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

tehnologiile perfecţionate pentru punerea lor în valoare. Majorarea investiţiilor se datorează în principal, următorilor factori: scăderii conţinutului de metal al minereului, complexităţii acestuia, amplasării zăcământului în zone greu accesibile, cheltuielilor ridicate cu echipamentele necesare protecţiei mediului. În asemenea împrejurări se impune ca la evaluarea rezervelor să se ia în considerare o serie de factori, dintre care menţionăm: caracteristicile mineralogice ale zăcământului (adâncimea, conţinutul în util etc.), volumul investiţiilor şi nivelul costurilor substanţelor minerale utile, orientările de politică economică ale ţărilor producătoare şi consumatoare etc. În aprecierea posibilităţilor de exploatare a resurselor de materii prime, o importanţă mare o are şi factorul ecologic. De exemplu, cheltuielile pentru protecţia mediului înconjurător în ramura metalelor neferoase reprezintă 8-15% din costurile de producţie. 3.6. Prepararea substanţelor minerale utile Prepararea substanţelor minerale utile cuprinde un complex de operaţii mecanice şi termice (tabelul 3.1) la care sunt supuse substanţele minerale utile în vederea îmbunătăţirii calităţii lor, respectiv a adaptării lor la condiţiile optime cerute de procesele industriale la care participă (în industria chimică, metalurgică, construcţii, materialelor refractare şi ceramice, termoenergetică) sau pentru consumatorii casnici. Sunt supuse operaţiei de preparare minereurile feroase şi neferoase, cărbunii, substanţele minerale nemetalifere (sarea, grafitul, caolinul, fluorina, barita, azbestul etc.) şi majoritatea rocilor industriale. În cazul minereurilor metalifere (oxizi, carbonaţi, sulfuri) prepararea urmăreşte obţinerea de concentrate, care sunt supuse ulterior tratamentului metalurgic, în vederea extragerii metalelor ca atare, sau sub formă de aliaje. În cazul preparării cărbunilor se urmăreşte: desecarea de apa de zăcământ sau de cea căpătată în timpul extracţiei sau al preparării; reducerea conţinutului de cenuşă sau de substanţe dăunătoare (sulf) şi, prin aceasta, mărirea puterii calorifice; sortarea cărbunilor pe clase granulometrice cerute de diferite utilizări, producerea de brichete din cărbunele mărunt, separarea unui anumit component petrografic, sau reducerea conţinutului acestuia. În cazul preparării ţiţeiului se îndepărtează gazele (ce conţin fracţiile C1, C2, C3, C4), gazolina (fracţia lichidă ce conţine hidrocarburi cu 5 şi 6 atomi de carbon şi care se antrenează cu gazele), particulele fine (suspensiile solide) şi apa, în separatorul aflat chiar la gura sondei. Apa conţinută în ţiţei sub formă de emulsii stabile se îndepărtează prin procedee de desemulsionare (fig.3.8). Prepararea se efectuează deoarece nisipul poate produce scântei la transport, prin frecare de pereţii metalici ai conductelor sau ai tancurilor petroliere, ce provoacă aprinderea ţiţeiului. Sărurile conţinute în apă sunt corozive pentru instalaţie. În cazul substanţelor minerale utile solide se deosebesc următoarele tipuri de operaţii de preparare: 80

CAPITOLUL III – Procese tehnologice din industria extractivă

-

operaţii privind modificarea mărimii particulelor, respectiv a dimensiunilor granulometrice (mărunţirea, clasare); operaţii privind modificarea (îmbogăţirea) conţinutului lor în substanţă utilă - concentrarea (magnetică, electrostatică, prin zeţaj, prin flotaţie etc.). Gazolină (C5-6) Gaze C1-6

Ţiţei brut

Decantare Apă mineralizată + nisip

Separare gazolină

Gaze C1-2 Gaze C1-4

Lichefiere

Gaze lichefiate (C3-4)

Demineralizare

Decantare

Dezemulsionare

Ţiţei rafinărie

Apă

Fig. 3.8. Schema de preparare a ţiţeiului pentru rafinărie.

În cazul minereurilor metalifere, întrucât la elaborarea primară se urmăreşte extragerea metalului (Me) din minereu, acesta este supus unor operaţii de preparareconcentrare, în urma cărora rezultă un concentrat bogat în metal (metale) şi sterilul. Pentru aceasta, minereul brut este spart în bucăţi de anumite dimensiuni prin concasare (în concasoare), după care este clasat pe anumite dimensiuni granulometrice prin trecere peste site sau ciururi (clasare, ciuruire). Minereurile de compoziţii diferite (extrase din aceeaşi mină sau din mine diferite se amestecă în anumite proporţii, pentru a obţine un amestec omogen din punct de vedere calitativ (omogenizare). Întrucât minereul omogenizat calitativ nu prezintă aceleaşi dimensiuni granulometrice este supus unei măcinări în mori speciale. Produsul măcinat este sortat după operaţia de măcinare şi apoi supus unor operaţii de concentrare, prin care se măreşte concentraţia relativă a utilului prin îndepărtarea forţată a sterilului, inclusiv a apei.

81

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Tabelul 3.1.

Prepararea substanţelor minerale utile.

reducerea dimensiunii I. Modificarea structurii granulometrice (substanţe minerale utile - s.m.u.)

mecanică (sfărâmare)

concasare granulare măcinare

termică (decrepitaţia) volumetrică separarea amestecurilor în clase de dimensiuni sortare-clasare gravitaţională (simptotică) diferite centrifugală mărirea dimensiunii prin mecanică (brichetare, peletizare) unirea granulelor fine termică (aglomerarea minereurilor, aglutinarea cărbunilor) uscată mecanică la solide

II. Modificarea conţinutului în substanţe utile (concentrare)

la lichide

umedă

manuală electrostatică magnetică gravimetrică desecare - îngroşare centrifugare, filtrare medii dense zeţaj flotaţie

uscare calcinare, prăjire (s.m.u. metalifere) termică aglomerare semicocsificare, cocsificare (cărbuni) îndepărtarea particulelor solide (sedimentarea) îndepărtarea gazelor stabilizare ţiţei (degazare) decantare îndepărtarea apei chimică dezemulsionare electrică 82

CAPITOLUL III – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

Concentrarea se poate realiza prin următoarele procedee: - spălarea în curent de apă, pentru îndepărtarea argilei, nisipului şi a părţilor pământoase; - zeţarea - spălarea sub acţiunea pulsatorie alternativă a apei, pentru separarea sterilului de util, în funcţie de densitatea acestora. Operaţia se execută în celule de zeţaj (fig. 3.9); - separare în medii dense, adică concentrarea într-un mediu lichid în care particulele cu densitate mai mică se ridică la suprafaţa băii, iar cele cu densitate mai mare decât a mediului dens lichid cad la partea inferioară a recipientului; - flotaţia - operaţia care permite valorificarea economică a minereurilor neferoase sărace, complexe, a celor de sulf, a prafului de cărbune, etc. (fig. 3.10). Constă în separarea componentelor prin modificarea afinităţii acestora faţă de apă (hidrofilei) cu ajutorul unor substanţe tensioactive. Prin introducerea minereului fin măcinat într-un mediu apos în care se adaugă substanţe active de suprafaţă (care modifică tensiunea superficială), utilul devine hidrofob şi va pluti (flota) la suprafaţa apei, iar sterilul devine hidrofil şi se va separa la partea inferioară a celulei de flotaţie. În celulă se mai adaugă spumanţi (care stabilizează bulele de aer ce aderă la suprafaţa utilului, uşurând procesul), modificatori (cu rolul de a imprima numite proprietăţi fizico-chimice amestecului). În funcţie de procedeul adoptat, există flotaţia de spumă, de peliculă sau de ulei. În cazul în care prin flotaţie se urmăreşte concentrarea într-un singur produs a tuturor minereurilor utile prezente în minereu (cazul cărbunilor, minereurilor monometalice şi unele polimetalice) flotaţia se numeşte integrală sau colectivă. În cazul în care se urmăreşte obţinerea unui produs în care se concentrează numai o anumită specie mineralogică, flotaţia se numeşte selectivă. Dacă prin flotaţie selectivă se urmăreşte obţinerea separată, în concentrate diferite a minereurilor utile din minereu, flotaţia este diferenţială: - separarea magnetică constă în acţionarea în câmp magnetic asupra părţii magnetizabile a minereului, pentru separarea de sterilul nemagnetizabil. Se aplică minereurile conţinând oxizi de fier. Pentru minereurile cu carbonaţi de fier se efectuează înaintea separării magnetice o ardere, pentru descompunerea carbonaţilor la oxizi. Concentratul de minereu se poate supune unor operaţii termice de concentrare calcinare (prăjire) în cuptoare specializate unde, sub acţiunea căldurii se evaporă apa, materiile volatile şi se produc reacţii chimice care conduc la compuşi ce se pot prelucra mai uşor şi mai economic, în vederea elaborării metalului (sau a aliajelor). După mărunţire şi clasare, o parte din minereu rămâne sub formă de granule mici sau praf; recuperarea minereului aflat în această stare se realizează prin aglomerare. Aglomerarea se poate realiza prin următoarele procedee: - sinterizare - aglomerare termică cu sau fără liant, la care se produce o topire superficială a granulelor, ce se unesc între ele, rezultând granule de dimensiuni mai mari; - peletizare - aglomerare în forme sferice obţinute din minereu-praf, combustibil şi fondanţi; 83

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

- brichetare - presare cu sau fără liant în forme; - nodulizare - aglomerare la cald în cuptoare rotative. Concentratele se comercializează, sterilul solid se depune în halde, iar apele reziduale, conţinând substanţe toxice şi praf de minereu sau de cărbune se depozitează în iazuri de decantare. Prin perfecţionarea tehnologiilor, sterilul depozitat, care mai conţine cantităţi reduse de minerale utile se poate recircula, pentru extragerea acestora. Eficienţa economică este mare, deoarece sterilul prelucrat intervine numai cu cheltuieli de transport de la haldă la instalaţie şi nu cu cheltuieli de extracţie şi transport de la mină la instalaţia de preparare.

Fig. 3.9. Principiul concentrării prin zeţaj:

Fig. 3.10. Secţiune verticală printr-o celulă de flotaţie:

1-corpul maşinii; 2-perete despărţitor; 3-piston; 4bielă; 5-excentric; 6-sită fixă.

1-tub aeraţie; 2-ax rotor; 3-corpul celulei; 4-rotor.

84

CAPITOLUL III – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

3.7. Consideraţii tehnico-economice referitoare la procesele de preparare Prin intermediul operaţiilor de preparare şi în special cu ajutorul metodelor de concentrare se pot aduce mineralele în stadiul de prelucrare economică, din zăcăminte în care substanţele utile se găsesc sub limita concentraţiei admise pentru prelucrarea directă în siderurgie, sau se îmbogăţesc în substanţă minerală utilă, astfel încât prelucrarea ulterioară să se realizeze cu consumuri energetice minime şi cu eficienţă sporită. Prin amplasarea uzinei de preparare în apropierea locului de extracţie se reduc substanţial cheltuielile de transport extern, spaţiile de depozitare şi transportul intern, cât şi unele pierderi de substanţe utile. Analiza amplasamentului staţiilor de preparare se face în urma unui studiu tehnico-economic în care se iau în considerare spaţiile de depozitare a utilului şi sterilului (halde), cât şi posibilităţile de aprovizionare cu apă, cu energie, necesare proceselor de preparare. Necesarul de apă Întrucât în operaţiile de preparare se utilizează cantităţi apreciabile de apă (3-25 m3 apă/tona material prelucrat) se impune recuperarea unei părţi din apă şi recircularea ei. Doar 50-80% din apa utilizată se poate recupera şi în unele cazuri este necesar să se prevadă rezervoare sau bazine pentru asigurarea cantităţii de apă necesară în perioada de secetă. Suprafeţele necesare în procesul de preparare. În funcţie de tipul operaţiei de preparare, suprafeţele afectate instalaţiilor sunt dispuse după cum urmează: - 2-10 m2/t instalaţii de mărunţire; - 1-8 m2/t instalaţii de concentrare prin flotaţie; - 5-20 m2/t instalaţii de concentrare gravitaţională; - 1-5 m2/t instalaţii de decantare a sterilului. Consumul de energie. În funcţie de tipul de operaţie de preparare consumul este diferenţiat, ponderea cea mai mare fiind în instalaţiile de mărunţire (unde se consumă 50-70% din totalul energiei); circa 25-30% se utilizează pentru procesul de concentrare propriu-zis (flotaţie) şi restul pentru operaţii anexe. Deci, în cazul procesului care solicită o granulaţie foarte fină consumul de energie este de circa 11-30 kWh/t. Consumul de energie însumează energia necesară pentru acţionarea diferitelor utilaje, dar şi pentru încălzirea utilajelor în perioadele reci, pentru confortul personalului şi pentru a nu îngheţa apa din instalaţii. În acest scop, se consumă circa 30-50 kcal/m3·h. Costul operaţiilor de preparare-concentrare reflectă consumurile diferenţiate de energie. Peste 50% din cheltuielile de preparare sunt efectuate în staţiile de mărunţire. Costurile scad însă la aceste instalaţii odată cu creşterea capacităţii de prelucrare. Ponderea cheltuielilor de preparare în cadrul cheltuielilor totale de valorificare a zăcămintelor de substanţe minerale utile rezultă din analiza unor date statistice. Astfel, repartiţia medie a tuturor cheltuielilor este aproximativ următoarea: -

cheltuieli de cercetare geologică, studii şi proiectări: 10%; cheltuieli de exploatare: 40%; cheltuieli de preparare: 30%; 85

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

cheltuieli generale: Total

20%; 100%

Aprecierea funcţionării instalaţiilor de concentrare a minereurilor se realizează prin intermediul următorilor indicatori: Extracţia cantitativă, v, determinată de raportul dintre cantitatea de concentrat obţinută (C) şi cantitatea de minereu tratată (A): v=

C ⋅ 100 , A

%

(3.1)

Coeficientul de concentrare, i, raportul dintre conţinutul de substanţă utilă din concentrat (c) şi substanţa utilă din minereu (a): i=

c a

(3.2)

Extracţia în substanţă utilă, m, este dată de produsul dintre extracţia cantitativă (v) şi coeficientul de concentrare (i): m = v⋅i =

C⋅c ⋅ 100 , % A⋅a

(3.3)

Randamentul instalaţiei de preparare se calculează cu relaţia: η=

m−v ⋅100 , % 100 − α

(3.4)

unde: α - reprezintă raportul procentual dintre conţinutul de substanţă utilă din minereu (a) şi constanta stoechiometrică (k) a mineralului respectiv: α=

M Me a ⋅100 ⋅ 100 ; k = k M MeX

(3.5)

în care, MMe = masa atomică a metalului Me; MMeX = masa moleculară a combinaţiei MeX. Relaţiile de interdependenţă dintre aceşti indicatori tehnico-economici servesc la stabilirea condiţiilor optime de funcţionare a utilajelor, astfel încât extracţia să se desfăşoare cu randamente maxime. Rezumat Industria extractivă se ocupă cu descoperirea, dimensionarea şi evaluarea cantitativă şi calitativă a rezervelor de materii prime şi a resurselor energetice, precum şi cu extracşia şi prepararea zăcamintelor extrase. Exploatabilitatea unui zăcământ este 86

CAPITOLUL III – Procese tehnologice - caracteristici tehnice şi economice

determinată de condiţii geologice, economice, tehnica minieră, securitatea muncii, condiţii generale, protecţia mediului. Descoperirea, localizarea zăcamintelor de substanţe minerale utile şi aprecierea importanţei lor economice se realizează prin lucrări de prospectare. Se utilizează metode geologice, geochimice şi geofizice, al căror rezultate se corelează. Urmează lucrările de explorare, prin care se determină harta spaţială a zăcământului, conţinutul în elemente utile, rezerva de zăcământ. Se execută explorare preliminară, de detaliu şi de exploatare. Exploatarea, sau extracţia zăcămintelor se realizează cu tehnologii şi tehnici diferite, în funcţie de natura, condiţiile de zăcământ. Se prezintă principiile exploatărilor zăcămintelor solide, a petrolului şi gazelor naturale. Zăcămintele extrase se prepară, în vederea comercializării lor.Prepararea cuprinde un complex de operaţii pentru îmbunătăţirea calităţii chimice, sau fizice a zăcămintelor. Aprecierea tehnico-economică a procesului de preparare are în vedere amplasarea staţiei de preparare, consumurile de apă, energie, randamentele, extracţiile ş.a.alţi indicatori. Cuvinte cheie zăcământ substanţă minerală utilă mineral minereu rocă rezervă de zăcământ prospectare explorare exploatare foraj factor de recuperare preparare extracţie cantitativă Bibliografie suplimentară 1. Socolescu A., Angelescu A., „Bazele tehnologiei industriale”, Ed.ASE, Bucureşti, 2001; 2. Călin C., Botez L.,”Tehnologie şi inovare”, Ed.ASE, Bucureşti, 2000; 3. Creţu S., Vişan, S., „Bazele tehnologiei industriale”, Ed.ASE, Bucureşti, 1997; 4. Pumnea C. ş.a.”Tehnologie industrială”, vol.1, Ed.Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1992. Întrebări recapitulative 1. Care sunt caracteristicile zăcămintelor actuale ? 2. Ce reprezintă substanţele minerale utile? 87

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Ce se înţelege prin exploatabilitatea unui zăcământ? Care sunt metodele de prospectare? Care sunt diferenţele dintre explorare şi exploatare? Prin ce metode tehnologice se extrage ţiţeiul? Cum se prepară ţiţeiul brut? Cum se prepară minereurile şi cărbunii? Ce este extracţia cantitativă?

88

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

CAPITOLUL IV PROCESE TEHNOLOGICE DE VALORIFICARE A RESURSELOR ENERGETICE CUPRINS 4.1. Surse de energie 4.2. Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice prin utilizarea combustibililor convenţionali 4.3. Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice prin utilizarea combustibililor nucleari 4.4. Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice prin utilizarea energiei hidraulice 4.5. Tehnologii neconvenţionale de obţinere a energiei termice şi electrice 4.6. Conducerea centralelor electrice cu calculator de proces 4.7. Indicatori tehnico-economici utilizaţi în aprecierea eficienţei funcţionării centralelor electrice 4.8. Politici energetice 4.1. Surse de energie Energia exprimă capacitatea unui sistem fizic de a efectua lucru mecanic atunci când suferă o transformare dintr-o stare în alta. În natură, energia se află acumulată în surse de energie. Unele forme de energie se găsesc în natură în cantităţi insuficiente (exemplu energie magnetică, cinetică, energia termică etc.), sau inaccesibile (energia electrică din fulgere). Energiile se pot obţine în cantităţile dorite prin transformări energetice, pornind de obicei de la sursele naturale de energie. Sursele de energie de care dispune omenirea sunt: 1. Surse primare (naturale) de energie: epuizabile şi inepuizabile; 2. Surse secundare (transformate) de energie; 3. Alternative energetice. Sursele primare epuizabile se refac într-un timp geologic îndelungat, ce nu poate fi luat în considerare din punct de vedere tehnic şi economic. În această categorie sunt incluşi cărbunii, ţiţeiul, gazele naturale şi combustibilii nucleari. Cărbunii sunt roci sedimentare caustobiolitice, rezultate din fosilizarea prin încarbonizare a substanţelor vegetale. Se găsesc aglomeraţi în scoarţa pmântului sub formă de zăcăminte, la adâncimi variabile, de la suprafaţă, la sute sau chiar la peste o mie de metri adâncime. Zăcămintele pot fi sub formă de masive, sau de straturi, iar durata de exploatare se extimează la peste 100 de ani. 89

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

După gradul de încarbonizare se deosebesc: - cărbuni superiori: antracitul şi huilele; - cărbuni inferiori; cărbunele brun, lignitul, turba şi şistul bituminos. Principalele caracteristici tehnologice după care se apreciază cărbunii sunt: conţinutul de carbon, cenuşă, umiditatea, materiile volatile şi puterea calorică. Umiditatea (W) reprezintă conţinutul exprimat în procente de apă din cărbune. Materiile volatile (V, %) conţin substanţe gazoase şi lichide existente în cărbune şi care se degajă la încălzirea acestuia la 850°C, în absenţa aerului. Cenuşa (A, %) este formată din oxizi metalici (de fier, aluminiu, etc.) şi de dioxid de siliciu , care rămân după arderea cărbunilor. După îndepărtarea materiilor volatile şi a umidităţii din cărbune se obţine cocsul (K, %). Dacă din cocs se îndepărtează şi conţinutul de cenuşă se obţine cărbunele fix (Cf, %). Aşadar: K = 100 - (W + V), % Cf = 100 - (W + V + A) = K - A, %

(4.1) (4.2)

Puterea calorică reprezintă cantitatea de căldură degajată prin arderea unui kilogram de combustibil. Se consideră combustibil convenţional, un combustibil teoretic cu puterea calorică de 7000 kcal/kg, respectiv de 7000 kcal/kg · 4,186 kJ/kcal ≅ 30000 kJ/kg. Orice cantitate de cărbune (A) de o anumită putere calorică (P) poate fi convertită în tone de cărbune convenţional (t.c.c.) cu ajutorul relaţiei: t.c.c. = A.P / 7000 (4.3) Cărbunii cu grad mare de încarbonizare şi o putere calorică de peste 7000 kcal/kg sunt consideraţi superiori, iar ceilalţi sunt consideraţi inferiori. Compoziţia cărbunilor determină puterea lorcalorică. Astfel, un conţinut mare de apă, materii volatile şi de cenuşă reduc conţinutul de cărbune fix, scăzând puterea calorică. În plus, un conţinut mare de materii volatile măreşte lungimea flăcării. Cenuşa în cantitate mare îngreunează arderea, scăzând randamentul, înfundând grătarele, etc. Principalele caracteristici ale cărbunilor şi utilizările lor sunt prezentate în tabelul 4.1. Conţinutul de carbon s-a calculat faţă de cărbunele uscat. Tabelul 4.1. Caracteristicile cărbunilor şi domeniile de utilizare Cărbune C, % W, % Pc, kcal/kg Utilizări Antracit 89,5-96,5 2 7800-8350 chimie, metalurgie Huile 76-90 2-7 7000-9000 semicocs, cocs Cărbune brun 67-79 5600-7500 energetică Lignit 65-75 30-50 2600-4100 energetică Turbă 40-60 60-70 2000-5000 energetică Şist 600-700 energetică bituminos

90

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

Şistul bituminos poate avea şi 70% cenuşă, ceea ce explică puterea calorică foarte redusă. Cărbunii inferiori sunt utlizaţi în SUA şi Africa de Sud şi pentru obţinerea benzinelor sintetice. Ţiţeiul este o rocă caustobiolitică, care se găseşte în scoarţa pământului la adâncimi variabile, fie aglomerat între straturi impermeabile (roci rezervor), fie impregnat în roci poroase. Se extrage numai din roci rezervor, de la adâncimi de peste 3.000 m. Rezervele de petrol sunt estimate la câteva zeci de ani. Se valorifică astfel: -

prin prelucrare în rafinărie, în care se obţin: carburanţi (benzine şi motorine), lampant, păcură, uleiuri mineral şi smoală; - prin prelucrarea fracţiilor de ţiţei în petrochimie, pentru obţinerea de produse de mare tonaj (mase plastice, cauciucuri sintetice, fibre sintetice, detergenţi, solvenţi, negru de fum etc.), de tonaj mediu, sau de mic tonaj. Produsele de rafinărie se obţin în cantităţi mult mai mari faţă de produsele petrochimice, dar se comercializează la preţuri mai mici. Păcura se utilizează şi în energetică, la ardere, având puterea calorică de peste 8000 kcal/kg, arzând cu randament mare şi nelăsând cenuşă. Gazele naturale pot avea diferite conţinuturi, dar importante sunt cele de gaz metan. În România, zăcămintele de gaz metan sunt de mare puritate, conţinând 99% CH4, 1% gaze inerte, fiind deci lipsite de sulf. Valorificarea gazului metan are loc în: - energetică, deoarece are puterea calorică mare 8560 kcal/m3, randament mare de ardere, fără cenuşă ; - în industria chimică, pentru obţinerea unei game foarte diverse de produse. Schema principalelor produse obţinute din gaz metan este prezentată în figura 4.1.

91

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Fig. 4.1. Principalele produse obţinute prin valorificarea chimică a gazului metan. Combustibilii nucleari sunt consideraţi astăzi minereurile de uraniu şi de thoriu. Aceştia se utilizează în centralele nuclearo-electrice pentru obţinerea energiei electrice, pe baza fenomenului de fisiune nucleară. Conversia energiei nucleare la energie electrică este mai avantajoasă decât conversia energiei chimice (fig.4.2), dar marea problemă o constituie depozitarea pe termen nelimitat, în deplină siguranţă a deşeurilor radioactive. 500 grame cărbune

1,5 kWh

500 grame petrol

2,0 kWh

500 grame uraniu

82 kWh

Fig. 4.2. Conversia energiei chimice şi a celei nucleare la energie electrică.

92

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

Sursele primare neepuizabile sunt constituite din apă, energia solară, eoliană, geotermală, mareelor şi biomasa. Sunt considerate inepuizabile, deoarece se găsesc în cantităţi foarte mari, sau se regenerează continuu. Apa se găseşte în natură la suprafaţa pământului, în subteran (ape freatice) şi în nori. Resursele de apă ale Terrei sunt de 1,37 miliarde km3, din care 97,2% sunt ape localizate în mări şi oceane şi 2,7% în apele subterane şi de siprafaţă. Apele de suprafaţă reprezintă doar 0,002%. Din apele dulci, doar 1,44% sunt lichide, restul fiind blocată în ghaţari. Disponibilul de apă este de numai 4% din resursele de apă dulce, ceea ce reprezintă 1:700.000 parte din oceanul planetar. Aşadar, resursele de apă sunt limitate şi răspândite neuniform pe glob, suferind permanent acţiuni poluante. Apa se utilizează astfel: - ca apă potabilă, pentru oameni şi animale; - în agricultură pentru creşterea plantelor; - în industrie , ca materie primă, agent de răcire, de spălare, pentru transport, pentru obţinerea aburului, pentru acţionarea unor utilaje (turbine, mori, etc.); - pentru transport. Energia solară ajunsă ca flux luminos reprezintă doar 0,04% din radiaţia solară îndreptată spre pământ. Se utilizează pentru evaporarea apei, uscarea unor produse, încălzire, fotosinteză. Pentru obţinerea de apă caldă, se folosesc panouri cu suprafaţa înnegrită, peste care trece o serpentină străbătută de apă, sau oglinzi parabolice, prin focarul cărora trece conducta de apă. Cu ajutorul semiconductorilor, energia solară poate fi convertită la energie electrică, folosind efectele fotovoltaic sau termoionic. De exemplu, cu semiconductori de tip Si/Si impur, GaAs/ AlGaAs, sau Cd/S, prin iradierea joncţiunii create se obţine tensiune electrică. Aplicaţiile se regăsesc în telecomunicaţii, module solare, semnalizări rutiere, etc. Proiecte de extindere a energiei solare vizează continentul african, în care energia solară are o intensitate deosebită, pe suprafeţe mari. Energia eoliană poate fi convertită la energie mecanică, sau electrică, prin utilizarea unor motoare eoliene. O centrală construită în Spania are două rotoare cu diametrul de 40 m fiecare, fixate pe un catarg de 45 m înălţime, generând curent electric cu puterea de 3 MW. Instalaţiile de puteri mai mici sunt utilizate în zone izolate, cu viteza relativ constantă a vântului. Energia valurilor sau a mareelor poate fi convertită în energie electrică, folosind instalaţii tip turbină, tip coloană oscilantă, sau panouri oscilante. Pentru valuri de 20 m înălţime s-au obţinut randamente de 13% şi puteri de 75 W. Problemele ridicate se referă la fiabilitatea instalaţiilor, consumul mare de materiale, randamentele scăzute de conversie, utilizarea doar în unele zone pe glob. Energia geotermală este constituită din energia acumulată în roci, sau din apele termale. Apele termale se utilizează eficient pentru obţinerea de curent electric doar dacă au temperatura de peste 60°C. Utilizarea căldurii acumulate în roci, prin introducerea de ţevi străbătute de apă, pentru transformarea acesteia în abur, în zonele 93

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

cu magmatism de mică adâncime trebuie să evite producerea de modificări ecologice majore (erupţii vulcanice, cutremure). Biomasa este reprezentată atât de masa vegetală, cât şi de deşeurile fermentabile, rezultate din consumul casnic, agricultură, industria alimentară. De exemplu, din trestie de zahăr se extrage zahărul, care apoi prin fermentaţie alcoolică produce alcoolul etilic, ce poate fi utilizat drept carburant în motoare adaptate. Dejecţiile din zootehnie pot fi fermentate anaerob, la temperatură de 38°C, pentru obţinerea de biogaz (un amestec de gaze conţinând 50-70% CH4, H2, NH3, vapori de apă). Biogazul se poate utiliza la ardere şi totodată se reduce volumul dejecţiilor. Cu excepţia apei, celelalte surse inepuizabile de energie se utilizează în proporţie de aproximativ 5% pe glob, datorită unor particularităţi zonale (intensitate energie solară, vânt, existenţa de ape termale, etc.), costurilor mari de invenstiţii şi costului mare al kW-ului produs. Ele se mai numesc şi surse neconvenţionale de energie. Se preconizează să crească ponderea lor la 15% pe glob, până în anul 2010, pentru a diminua efectele poluante ale utilizării combustibililor chimici şi nucleari. Surse secundare de energie Energia utilă care se foloseşte în procesele industriale sub diferitele ei forme: termică, mecanică, electrică, chimică rezultă în urma unor transformări energetice succesive, prin lanţuri de transformări, începând de la energia primară (denumită sursă de energie) (fig.4.3.). Alternative energetice Alternativa energetică pentru cazul epuizării combustibililor o reprezintă hidrogenul Acesta se găseşte în hidrocarburi şi în apă. Ideea este de descompunere a apei în componente, hidrogen şi oxigen şi de ardere apoi a hidrogenului, cu producere de energie electrică şi refacere a apei. 2 H 2 O → 2 H2 + O 2 2 H2 + O2 → 2 H2O + curent electric

(4.4) (4.5)

Principiul denumit al „pilelor de combustie” s-a aplicat la navele spaţiale şi în prezent se introduce şi în alte domenii (de exemplu centrala aeroportului din Munchen funcţionează cu hidrogen). În procesele tehnologice, cea mai utilizată formă de energie este energia electrică, ce poate fi convertită în funcţie de necesitate în: energie termică, mecanică, magnetică, luminoasă etc. Energia electrică se realizează la scară industrială în instalaţii denumite centrale electrice, cu ajutorul turbogeneratoarelor (agregate în care turbina acţionează rotorul generatorului electric, inducînd în statorul acestuia curent electric).

94

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

Combustibili fosili

Combustibili nucleari

Căderi de apă

Cazane cu aburi

Reactoare nucleare

Turbine hidraulice

CA

Turbine cu gaz

Energie solară Captatoare solare

Energie termică

Energie mecanică

Generatoare electrice

Efect fotovoltaic (celule solare)

Energie electrică

Fig. 4.3. Lanţuri de transformări energetice. CA = camere de ardere, cuptoare industriale.

După natura energiei utilizate pentru acţionarea rotoarelor generatoarelor electrice deosebim următoarele tipuri de centrale: termocentrale, atomocentrale sau centrale electrice nucleare, hidrocentrale, centrale eoliene, helioelectrice etc.

4.2. Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice prin utilizarea combustibililor convenţionali Combustibilii fosili (solizi, lichizi sau gazoşi) sunt materiale de natură organică sau derivate ale acestora, care prin combustie degajă o anumită cantitate de căldură caracteristică (entalpia de ardere ∆H). Pentru o combustie completă trebuie să se folosească un exces de aer, calculat pentru fiecare tip de combustibil: excesul mare de aer duce la răcirea flăcării şi la pierderi mari de căldură în gazele arse. Printr-un aport de oxigen suplimentar, temperatura rezultată prin combustie creşte substanţial. Prin preîncălzirea aerului necesar combustiei se pot obţine temperaturi ridicate şi implicit o economie de combustibil, sporind eficienţa procesului. Combustibilii fluizi se transportă uşor prin conducte, prezintă uşurinţă în reglarea şi în controlul procesului de combustie, de obicei automatizat, nu lasă reziduu (cenuşă) în instalaţiile de ardere, au putere calorică mare. Întrucât majoritatea combustibililor fluizi sunt formaţi din hidrocarburi, materii prime importante pentru industria chimică, epuizabile într-un număr mai mic de ani decît cărbunii, există tendinţa valorificării superioare a acestora şi substituirea lor la ardere cu alte surse energetice. Combustibilii solizi (cărbunii, în special) prezintă dezavantajul că au un conţinut relativ mare de balast (apă, materii volatile şi cenuşă), ceea ce măreşte mult costul cantităţii de căldură produsă. Arderea lor este dificil de controlat şi de automatizat; evacuarea cenuşii din focare şi depozitarea acesteia ridică probleme dificile din punct de vedere tehnic şi economic. Totuşi, cărbunii inferiori îşi menţin o pondere ridicată în 95

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

balanţa energetică, datorită rezervelor mari de zăcăminte, înlocuind combustibilii lichizi şi gazoşi. Energia termică obţinută prin utilizarea combustibililor fosili, sau nucleari serveşte la realizarea unor procese tehnologice sau la producerea aburului în generatoarele de abur.

4.2.1.Generatoare de abur Generatorul de abur este un utilaj care transformă apa în abur de presiunea şi temperatura necesară, cu ajutorul căldurii produse prin arderea combustibililor clasici, sau din reacţii nucleare. Clasificarea generatoarelor de abur se poate face din mai multe puncte de vedere, ca de exemplu: -

după scop: încălzire, obţinere de abur tehnologic, energetic sau combinat; după sursa de căldură: cu combustibil fosil, nuclear, electrice, solare etc.; după presiune: de joasă presiune (0,7-6 atm), de medie presiune (6-50 atm), de înaltă presiune (60-220 atm) şi de presiune supracritică; - după circulaţia apei: cu circulaţie naturală sau forţată; - după volumul de apă: cu volum mare sau mic. Elementele constructive ale unui generator de abur sunt: focarul (în cazul utilizării combustibililor fosili), fierbătorul (vaporizatorul sau cazanul), supraîncălzitorul de abur, economizorul (preîncălzitorul de apă) şi preîncălzitorul de aer. Focarul. Sub aspect constructiv diferă în funcţie de proprietăţile fizice şi energetice ale combustibilului utilizat, cât şi de specificul instalaţiilor complexe în care este integrat. Focarul este dotat cu grătare pentru combustibilii solizi, cu injectoare pentru combustibilii lichizi şi cu arzătoare pentru combustibilii gazoşi. Instalaţiile de ardere a combustibililor sunt prevăzute cu dispozitive de introducere a aerului (normal sau îmbogăţit în oxigen), la temperatura ambiantă, sau preîncălzit. Suflantele de aer trebuie astfel dimensionate încât să asigure un exces de oxigen faţă de cel stoechiometric şi să asigure totodată presiunea necesară pentru tiraj în instalaţie. Când se utilizează lignit pulverizat, sau şist bituminos se prevăd suplimentar, injectoare de păcură pentru pornirea şi menţinerea stabilităţii arderii. Acestea sunt plasate în focar la mai multe nivele. Prin pornirea sau scoaterea din funcţiune a acestor injectoare se reglează şi temperatura de supraîncălzire a aburului. Vaporizatorul (fierbătorul sau cazanul) este agregatul în care se produce vaporizarea apei, datorită schimbului de căldură dintre gazele fierbinţi şi apa supusă încălzirii. Schimbul de căldură se realizează în condiţii optime, cu cât conductivitatea termică a pereţilor este mai ridicată, ceea ce se realizează utilizând apă dedurizată, sau demineralizată. Sub aspect constructiv, generatoarele de abur se diferenţiază în: 96

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

-

generatoare cu cazane ignitubulare, la care prin ţevi circulă gazele de ardere, ţevile având o dispoziţie longitudinală şi sunt imersate în apa care se vaporizează (cazanul de tip Cornwall). Aceste cazane au un domeniu limitat de utilizare, deoarece funcţionează cu cantităţi mari de apă în raport cu suprafaţa încălzită, se încălzesc greu (au inerţie mare) şi lucrează la o presiune relativ joasă, de maxim 8 atm; - generatoare cu cazane acvatubulare, alcătuite dintr-un sistem fascicular de ţevi fierbătoare, aşezate vertical, prin care circulă apa care preia căldura de la gazele de ardere, care circulă în exterior. Gazele fierbinţi rezultate în focar în urma arderii combustibilului cedează cea mai mare parte din căldura lor în zona ţevilor fierbătoare şi a supraîncălzitorului. Pe măsură ce se formează, vaporii de apă se acumulează în colectoare cilindrice (domuri), de unde sunt trimişi în supraîncălzitor. Generatoarele acvatubulare au cea mai largă răspândire, atât în industria energetică, cât şi în alte industrii unde se utilizează aburi, deoarece lucrează cu randament superior celor ignitubulare. Prezintă suprafaţă mai mare de încălzire şi deci capacitate mai mare de a produce vapori. Lucrează la presiuni mai mari, de 25-40 atm, ajungând şi la 100 atm, presiune care se atinge în timp relativ scurt. Prezintă siguranţă în exploatare şi livrează vapori supraîncălziţi. Dezavantajul constă în înlocuirea periodică a unor părţi din ţevile fierbătoare, datorită depunerilor de săruri pe pereţii interiori. Supraîncălzitorul este constituit dintr-un sistem de serpentine legate în paralel la unul sau mai mulţi colectori de intrare şi ieşire a aburului. Se plasează în partea superioară a focarului, în zona de temperatură de 800-900°C, ajungând la o presiune de 140-240 atm, necesară pentru acţionarea turbinelor în termocentrale. Pentru realizarea unei economii de căldură, reducerea consumului specific de combustibil şi exploatarea cât mai raţională şi economică a instalaţiei, generatoarele sunt izolate la exterior cu materiale termoizolante. În acelaşi scop, sunt prevăzute cu dispozitive schimbătoare de căldură, care recuperează căldura gazelor înainte de a fi evacuate prin coş, denumite preîncălzitoare pentru apă (economizoare) şi pentru aer. Generatorul de abur cu circulaţie naturală (fig.4.4). În acest agregat, apa străbate economizorul 2, ajunge în colectorul 6, de unde coboară prin ţevi în economizorul 3, unde continuă să se preîncălzească, până în tamburul 1. Din tambur, apa coboară prin ţevi în zona focarului. Emulsia apă-abur din ţevile din focar (ţevi ecran) se strânge în colectorul superior 6, iar aburul saturat se supraîncălzeşte în supraîncălzitorul 7. Condensul “calmează” aburul în prima treaptă de supraîncălzire. Aerul necesar arderii conbustibilului este preîncălzit în schimbătoarele de căldură 4 şi 5. Generatorul de abur cu circulaţie forţată (Benson). În generatoarele cu circulaţie forţată lipseşte tamburul de apă, ţevile fierbătoare fiind sudate câte două pe ambele părţi ale unei platbande din oţel, formând pereţi membrană. Agregatul devine mai suplu, mai uşor, pericolul de explozie e diminuat, dar necesită apă total demineralizată, pentru a nu se depune săruri pe pereţii membranei, cât şi o reglare elastică şi exactă a temperaturii (fig. 4.5). Apa trece prin economizorul 3, coboară în 97

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

vaporizatorul 8, urcă în vaporizatorul rezidual 5, unde aburul se şi supraîncălzeşte puţin. Aburul parcurge apoi supraîncălzitorul principal 6, după care este livrat la consumator. Generatorul este în formă de turn, cu coşul de gaze amplasat deasupra. Este

Fig. 4.4. Generatorul de abur cu circulaţie naturală. 1-tambur; 2, 3-economizor treapta I şi II; 4,5-preîncălzitor de aer treapta I şi II; 6-schimbător de căldură (colector); 7-supraîncălzitor.

executat din pereţi membrană, izolaţi termic de învelişul metalic exterior. Combustibilul utilizat este praful de lignit sau un amestec de lignit cu şist bituminos. Aceste generatoare se impun din ce în ce mai mult în special la debite unitare mari şi parametrii ridicaţi ai aburului. (de exemplu, 20-1.745 t abur/h, presiune abur de 40-340 atm, temperatura de supraîncălzire de până la 650°C). Randamentul termic al generatorului de abur reprezintă procentul din cantitatea de căldură transmisă de la combustibilul ars, prin intermediul gazelor fierbinţi la apă:

Fig.4.5. Schema unui generator de abur Benson.

Fig. 4.6. Perete membrană.

1-pompă; 2-dispozitiv de laminare; 3-economizor; 4-suprafaţă de încălzire suplimentară; 5-vaporizator rezidual; 6-supraîncălzitor; 7-arzător; 8-vaporizator; 9-aparat pentru măsurarea diferenţei de temperatură.

1-ţevi; 2-izolaţie termică; 3-tablă; 4-ancore.

98

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

η=

Qe ⋅ 100 , % Qc

(4.6)

unde: Qe - căldura efectivă; Qc - căldura consumată. Randamentul termic este mai mare la generatoarele cu circulaţie forţată, unde poate atinge valoarea de 95%. La alegerea variantei de generator de abur se are în vedere şi consumul de combustibil, care depinde de producţia de abur, randamentul termic şi modul de exploatare. Prin utilizarea sistemelor de preîncălzire se obţin următoarele avantaje: - reducerea consumului specific de combustibil; - intrarea mai rapidă în regimul de lucru; - evitarea contracţiilor şi a dilatării ţevilor fierbătoare, deci mărirea duratei de funcţionare, prin preîncălzirea apei; - creşterea randamentului termic, economic. Schimbătoare de căldură. Pentru realizarea transferului de căldură de la un fluid cu nivel termic ridicat (aer cald, gaze de combustie, abur, apă caldă, uleiuri minerale calde etc.) la un fluid cu nivel termic scăzut (apă rece, aer rece, amestecuri refrigerente etc.) se utilizează utilaje numite schimbătoare de căldură. În funcţie de operaţia pe care o efectuează, schimbătoarele de căldură se numesc: răcitoare, condensatoare, preîncălzitoare, evaporatoare, boilere, fierbătoare etc. În cazul în care servesc la recuperarea căldurii reziduale, sau la menţinerea temperaturii optime într-un utilaj se numesc recuperatoare sau regeneratoare de căldură. Eficacitatea transferului termic depinde de suprafaţa de transfer (mărime, natura materialului), natura fluidelor, diferenţa de temperatură ∆t şi direcţia de deplasare a celor două fluide (în echicurent, în contracurent, în curent încrucişat, sau mixt). Fluxul termic Q este dat de relaţia: Q = K·A·∆t (4.7) unde: K = coeficientul total de transfer termic, J/m2·grad·h; A = suprafaţa de transfer termic, m2; ∆t = diferenţa medie de temperatură: ∆t =

∆t' − ∆t" ∆t' ln ∆t"

(4.8)

∆t’ şi ∆t” au semnificaţiile prezentate în figura 4.7.

99

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Fig.4.7. Circulaţia fluidelor şi variaţia temperaturii în lungul unui schimbător de căldură.

Cele mai utilizate schimbătoare de căldură sunt schimbătoarele de căldură tubulare (fig.4.8.), cu circulaţie în contracurent, în care se realizează un transfer termic eficient. Acest tip de utilaj poate fi utilizat şi în calitate de reactor catalitic, în care caz în spaţiul tubular se aşează catalizatorul.

a

Fig.4.8. Schimbător de căldură tubular (în contracurent). 1-manta; 2-placă tubulară; 3-ţevi şi spaţiu tubular; 4-capace; 5-flanşă de prindere a capacului.

Montarea ţevilor în plăcile tubulare:

b

a) după hexagoane regulate; b) după cercuri concentrice.

Pentru schimbul termic realizat sub 500°C se utilizează schimbătoare de căldură din oţel carbon, până la 900°C, din oţeluri aliate, iar în cazul purtătorilor de căldură cu temperaturi suprinse între 900°C şi 1.400°C se construiesc recuperatoare de căldură din materiale refractare (şamotă etc.).

100

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

4.2.2.

Centrale termoelectrice

Energia chimică a combustibililor fosili este transformată în energie termică a gazelor arse, prin procesul de combustie, care se desfăşoară în focarul generatorului de abur, sau într-o cameră de ardere; aceasta este preluată de agentul de transfer termic (apă sau gaze) utilizat în centrala termoelectrică. Astfel, energia termică a gazelor arse este transmisă apei dedurizate (demineralizate), care se transformă în abur, ce acţionează turbinele de abur, sau este transmisă unor gaze (CO2, N2, He, aer), în cazul termocentralelor cu turbine cu gaze (conform lanţului de transformări energetice prezentat în fig.4.3). Centralele termoelectrice folosesc ca sursă de energie primară: cărbunele, gazele naturale sau păcura. Ele cuprind utilajele şi agregatele necesare etapelor de transformare a diferitelor forme de energie. În funcţie de agentul motor care produce transformarea energiei termice în energie mecanică, centralele termoelectrice sunt: -

termocentrale cu turbine cu abur, când agentul motor îl reprezintă aburul supraîncălzit; termocentrale cu turbine cu gaze, când agentul motor îl reprezintă gazele cu presiune ridicată; centrale termoelectrice cu ciclu mixt: abur-gaz, când transformarea energiei termice în energie mecanică se realizează atât prin utilizarea aburului supraîncălzit, cât şi a gazelor la presiune.

4.2.2.1. Centrale termoelectrice cu turbine cu abur În funcţie de modul în care se valorifică energia potenţială a aburului ce intră în turbine se disting următoarele tipuri de termocentrale: cu condensaţie, cu termoficare (contrapresiune), cu prize de abur. Centrale termoelectrice cu condensaţie În centralele termoelectrice cu condensaţie (fig. 4.9), energia potenţială a aburului cu t = 560°C şi p = 140-240 atm este transformată în lucru mecanic de către o turbină, în care aburul se destinde total până la presiunea de 1-1,2 atm (abur mort), după care este evacuat într-un condensator. Condensul se recirculă în generatorul de abur, după ce pierderile de apă au fost completate cu apă dedurizată. Energia aburului este utilizată integral pentru obţinerea energiei electrice. Termocentralele cu condensaţie funcţionează cu un randament de cca. 16-35%. Lanţul transformărilor energetice este următorul: Echimică → Etermică → Eabur → Emecanică → Eelectrică Primele două transformări energetice au loc în generatorul de abur, următoarea transformare are loc în turbină şi ultima în generatorul electric. 101

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Bilanţul energetic se calculează cu relaţia: Ei = Eu + Ep (4.9) în care: Ei - energia introdusă în sistem; Eu - energia utilă; Ep - energia pierdută/disipată. În cazul centralelor termoelectrice cu condensaţie se notează cu: Q - cantitatea de căldură dată de către combustibil; L - lucrul mecanic util executat de aburul introdus în turbină; Qo - cantitatea de căldură pierdută în condensator; q - pierderi diverse de căldură (cu gazele de ardere, prin radiaţie etc.). Bilanţul energetic cu aceste notaţii devine: Q = L + (Qo + q) (4.10) Randamentul energetic: η=

Eu ⋅ 100, % Ei

η=

(4.11) sau:

Q − (Q o + q) Q +q L ⋅ 100 = ⋅ 100 = 1 − o ⋅ 100 (4.12) Q Q Q

Centrale termoelectrice cu contrapresiune, sau cu termoficare

Fig.4.9. Schema de principiu a centralei termoelectrice cu condensaţie: 1-cazan de abur; 2-supraîncălzitor; 3-turbină de abur; 4-generator electric; 5-condensator; 6-turn de răcire; 7-pompă; 8-rezervor apă; 9-staţie dedurizare apă. ( 1 şi 2 alcătuiesc generatorul de abur)

În termocentrale cu termoficare (fig.4.10) aburul iese parţial destins din turbina cu contrapresiune, la o presiune suficient de ridicată (6 atm) pentru a putea fi utilizat în unele procese tehnologice, sau la încălzirea clădirilor (industriale sau edilitare). În procesul de termoficare, aburul se condensează, după care este colectat şi recirculat în cazanul de abur. Randamentul acestor centrale este mai ridicat, ajungând 60-65%.

102

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

Bilanţul energetic: Q = L1 + Q1 + q (4.13) în care: Q1 - căldura utilizată pentru termoficare. Randamentul energetic: η =

q L1 + Q1 Q− q ⋅ 100 = ⋅ 100 = 1 − ⋅ 100 Q Q Q

Fig. 4.10. Schema de principiu a centralei termoelectrice cu termoficare.

(4.14)

Fig. 4.11. Schema de principiu a centralei termoelectrice cu prize.

Centrale termoelectrice cu prize de abur În aceste termocentrale (fig.4.11) o parte din abur este utilizat pentru obţinerea energiei electrice şi iese din turbină ca abur mort (1-1,2 atm), iar altă parte din abur iese din turbină la presiunea de 6 atm, parţial destins şi este utilizat la termoficare. Punctele din care se preia aburul tehnologic se numesc “puncte de priză”, iar dispozitivele prin intermediul cărora se ia aburul se numesc prize de abur. Bilanţul energetic: Q = L2 + Q2 + (Q’o + q) Randamentul energetic: η =

(4.15)

Q +q L2 + Q2 ⋅ 100 = 1 − o ⋅ 100 , Q Q

Q 'o < Q o

(4.16)

4.2.2.2. Instalaţii cu turbine cu gaze Turbinele cu gaze reprezintă un tip de motor termic mai recent introdus în sectorul energetic, dar şi în alte domenii industriale în care este necesară producerea de 103

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

energie mecanică, electrică din energia dezvoltată prin combustie, sau în diferite procese tehnologice ca energie reziduală. Comparativ cu instalaţiile cu turbine cu abur, instalaţiile cu turbine cu gaze prezintă următoarele avantaje: -

lipsa generatorului de abur şi a instalaţiilor anexe care măresc investiţiile şi costul suprafeţelor ocupate; - lipsa instalaţiilor de condensare şi a instalaţiilor anexe; - debit de apă foarte redus şi posibilitatea utilizării apei de răcire cu temperatură ridicată; - dimensiuni de gabarit reduse la puteri unitare egale; - posibilitate de pornire rapidă, chiar la puteri unitare mari (15 minute faţă de 7-8 ore la termocentralele cu abur); - posibilitatea realizării unor instalaţii mobile cât şi a unor grupuri compacte cu puteri mici şi foarte mici în scopuri speciale; - domeniu de utilizare deosebit de extins. În prezent, tipurile de turbine cu gaze au ajuns să aibă caracteristici comparabile cu a celor mai moderne instalaţii cu turbine cu abur, care se găsesc după o îndelungată perioadă de funcţionare. Alegerea unui anumit tip de turbină se face în urma unei analize termodinamice, care urmăreşte să stabilească, prin calcule preliminarii pentru fiecare variantă în parte, valorile optime ale randamentului, debitului specific de gaze şi consumul de combustibil. Compararea variantelor din punct de vedere tehnico-economic: cost, greutate, condiţii generale de exploatare, factor de amortizare, serveşte în primă aproximaţie, la stabilirea investiţiilor şi a cheltuielilor de exploatare. După alegerea tipului de turbină şi stabilirea parametrilor termodinamici determinanţi (tipul şi parametrii ciclului de funcţionare, temperatura maximă în zona paletelor primei trepte, raportul de compresie, factorul de recuperare, pierderi hidraulice etc.), se dispune de elementele necesare pentru proiectarea diferitelor părţi constructive ale instalaţiei (turbină, compresor, cameră de ardere, schimbătoare de căldură), precum şi pentru optimizări. În fig. 4.12 se prezintă o instalaţie de producere a energiei electrice cu turbină cu gaze (aer, heliu). Agentul termic, după trecerea prin compresor © şi recuperatorul de căldură (1), se încălzeşte mai întâi în schimbătorul de căldură (2) şi cu temperatura de 660-700°C şi 27 at intră în turbină (T). După destindere, căldura reziduală este utilizată în schimbătorul de căldură recuperator (1), agentul termic se răceşte apoi la 140°C şi se recirculă în sistem. Compresorul şi generatorul sunt alimentate de către turbină, când aceasta intră în regim. Puterea unitară a instalaţiei este de 200 MW. În stadiul actual, randamentele instalaţiilor cu turbine cu gaze cu putere unitară de 10-20 MW şi care funcţionează la temperaturi maxime de 650-700°C au ajuns să egaleze şi chiar să depăşească randamentele instalaţiilor cu turbine cu aburi cu puteri de 100 MW.

104

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

Prin introducerea unor cicluri cu evoluţii noi (destindere izotermă în turbină), randamentele totale ale acestor tipuri de instalaţii producătoare de energie ar putea ajunge la valori de 45-65%, la temperaturi maxime ale gazelor de 600-1.000°C.

Fig.4.12. Schema centralei electrice cu turbină de gaze, cu circuit închis. 1-schimbător de căldură; 2-preîncălzitor pentru gaze; 3-răcitor cu gaz de reciclu; CA-cameră de ardere; T-turbină de gaze; M-motor; C-compresor.

În instalaţiile cu turbine cu gaze se poate utiliza orice fel de combustibil şi chiar gaze cu putere calorică redusă (gaze produse prin gazeificare subterană a cărbunilor, gaz de furnal, gaze de generator etc.), care prezintă dificultăţi la utilizare în focarele cazanelor generatoare de abur. Consumul de apă în acest tip de instalaţii este de numai 25-35% din consumul instalaţiilor cu turbine cu abur, în afară de faptul că în cazul turbinelor cu abur apa trebuie să fie tratată în vederea îndepărtării durităţii. Din această cauză, instalaţiile cu turbine de gaze sunt indicate în locuri lipsite de apă, sau ca instalaţii de vârf şi de avarie. În general, la puteri de peste 100 MW turbinele cu abur sunt de preferat; la puteri de 50 MW turbinele cu gaze pot da rezultate bune, la puteri sub 25 MW randamentul instalaţiilor cu turbine cu gaze depăşeşte net pe cel al instalaţiilor cu turbine cu abur. Domeniul de utilizare al instalaţiilor cu turbine cu gaze este deosebit de extins, cuprinzând domeniile de utilizare ale tuturor celorlalte tipuri de motoare termice: -

-

Industria energetică, în centrale termoelectrice cu termoficare, centrale mobile (6.200 kW, pe 2 vagoane), centrale atomoelectrice (10-60 MW). În circuitul turbinelor cu gaze se pot utiliza, în calitate de agenţi termici: aerul, azotul, CO2, He etc. Cele mai mari avantaje le prezintă He, care utilizat în circuit închis la P = 70-90 at permite realizarea unei puteri unitare de 100 MW la dimensiuni şi greutăţi reduse ale instalaţiei. În industria metalurgică la alimentarea cu aer a furnalelor, când consumul specific de combustibil se reduce la jumătate din consumul normal (din instalaţiile cu suflante acţionate cu turbine cu abur); În industria chimică şi petrochimică: la fabrica de HNO3, la fabricile de NaOH, în instalaţiile de cracare termică sau catalitică, la fabricarea 105

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

olefinelor, pentru acţionarea turbocompresoarelor şi agregatelor frigorifice etc.; - În industria petrolieră, pentru menţinerea presiunii de zăcământ (se introduc în zăcământul de ţiţei gaze naturale sau de sondă la presiunea corespunzătoare acestuia); - În transporturile aeriene, unde turbinele cu gaze au un rol predominant, la motoarele navale, locomotivele de mare putere, automobile etc. Necesitatea creşterii randamentului de transformare a energiei combustibililor fosili a condus nu numai la la dezvoltarea procesului cu abur, dar şi la utilizarea instalaţiilor cu ciclu mixt abur-gaz (ICAG), la care creşte randamentul energetic faţă de centralele cu abur cu 4-5%. 4.3. Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice prin utilizarea combustibililor nucleari În energetica nucleară se utilizează energia termică degajată în procesul de fisiune a nucleelor grele de combustibili nucleari, care pot fi materiale fisionabile 233 239 naturale ( 235 92 U ),sau materiale fisionabile artificiale ( 92 U , 94 Pu ). Izotopul se găseşte în proporţie de 0,7% în minereul de uraniu, restul de 99,3% fiind 238 92 U , care nu fisionează uşor. Izotopul 238 92 U poate fi transformat, în reactorii reproducători cu neutroni rapizi, în 239 232 233 94 Pu , care fisionează; în mod similar, 90Th este transformat în 92 U . 235 239 Izotopii 233 92 U , 92 U şi 94 Pu sunt substanţe fisile (fisionează), iar substanţe fertile, materii prime pentru producerea materialului fisil.

238 92

U şi

232 90

Th -

Reacţiile de fisiune nucleară se produc prin bombardarea nucleelor izotopilor fisionabili cu neutroni, când fiecare nucleu se rupe în două fragmente inegale, cu punerea în libertate a unei cantităţi uriaşe de energie termică şi cu eliberarea a 2-5 neutroni. Astfel, la bombardarea izotopului 235 92 U cu neutroni termici se formează izotopul 236 92 U instabil, după reacţia: 235 92

U + o1n →

236 92

U

235 92

236 92

U → A + B + x o1n

(4.17) Izotopul 235 92 U suferă o fisiune nucleară de tipul: U + o1n →

( x = 2 ÷ 5)

(4.18)

care poate decurge, spre exemplu, astfel: 235 92

U + o1n → 235 92

92 36

114 56

Kr +

U + o1n →

91 38

Ba + 3 o1n 140 54

(4.19) sau:

Xe + 3 o1n

(4.20) Elementele formate sunt izotopi instabili, datorită numărului mare de neutroni pe care îl conţin în nucleu şi de aceea sunt puternic radioactive. Ele se transformă prin dezintegrări radioactive (emisie de radiaţii: α, β, γ) în izotopi stabili. Radiaţiile α sunt nuclee de heliu, β sunt electroni în mişcare, iar γ sunt radiaţii ondulatorii, de natură Sr +

106

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

electromagnetică. Printre produşii de fisiune au fost identificate circa 34 de elemente (molibden, staniu, cesiu, stronţiu, iod, tecteţiu, xenon, kripton etc.). Neutronii rezultaţi în reacţia de fisiune nucleară pot fi captaţi de nuclee de 235 92 U , provocând fisiunea lor. Reacţia se continuă astfel de la sine, se multiplică, conducând la o reacţie în lanţ, ce se desfăşoară cu viteze foarte mari. Probabilitatea ca neutronii rezultaţi dintr-o reacţie de fisiune să întâlnească alte nuclee creşte odată cu creşterea numărului de nuclee de combustibil nuclear din jurul punctului unde a avut loc reacţia. Pentru a micşora pierderile de neutroni prin ieşirea neutronilor rapizi din reactor, aceştia sunt frânaţi prin ciocniri elastice cu nucleele atomilor de elemente uşoare (moderatori) când cedează o parte din energia lor cinetică. Frânarea (termalizarea) are loc prin reducerea vitezei neutronilor rapizi prin ciocniri elastice, până la nivelul energiei termice (≅ 0,025 eV). În calitate de moderator se utilizează hidrogenul sau deuteriul, sub formă de apă obişnuită sau apă grea, carbonul sub formă de grafit, beriliul (Be) ca metal sau oxid şi chiar unele substanţe organice bogate în hidrogen. Acestea pot fi intercalate printre materialele fisionabile în mod omogen sau în mod eterogen. Prin procesul de moderare neutronii rapizi sunt transformaţi în neutroni termici sau lenţi. Dacă reacţia în lanţ se autoamplifică corespunde unui regim supercritic; scăzând numărul de reacţii de fisiune, reacţia în lanţ încetează, regimul devenind subcritic. Dacă reacţia în lanţ este în regim staţionar atunci regimul este denumit critic. Pentru a menţine reacţia de fisiune a 235 92 U în lanţ neîntrerupt prin neutroni termici, urmează ca din cei 2,5 neutroni rezultaţi la o fisiune pierderile de neutroni să nu depăşească 1,5 neutroni. 233 239 241 Cantitatea minimă de material fisionabil: 235 92 U , 92 U , 94 Pu , 94 Pu , necesar ca să menţină şi să întreţină în reactor reacţia de fisiune în lanţ se numeşte “masă critică”.

Masa critică (masa de combustibil nuclear suficientă pentru a menţine regimul critic într-un reactor) este o valoare caracteristică pentru fiecare material fisionabil. De exemplu, masa critică pentru 235 92 U în stare metalică este de 22,8 kg, iar pentru 239 94 Pu metalic, de numai 5,6 kg. Pentru a menţine un reactor în funcţiune, acesta trebuie înzestrat cu o cantitate mai mare de combustibil nuclear decît masa critică, deoarece concentraţia materialului fisionabil scade prin procesul de fisiune, respectiv prin ardere. La pornirea reactorului, de asemenea, este necesar un mic exces de reactivitate. Reactorul, are astfel mai mult combustibil nuclear şi de aceea se impune crearea unor posibilităţi de reglare. În acest scop se utilizează materiale cu secţiune mare de absorbţie a neutronilor termici (de exemplu: oţel cu bor, cadmiu sau hafmiu) sub formă de bare de control şi supercontrol - bare de reglare. Acestea, după necesitate sunt imersate, mai mult sau mai puţin, în interiorul masei active a reactorului. 107

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

4.3.1. Reactoare nucleare Energia nucleară este valorificată în scopuri tehnologice şi energetice prin conducerea reacţiilor de fisiune, în reactoare nucleari.

Fig.4.13. Schema de principiu a unui reactor nuclear cu neutroni termici. 1-bare de combustibil nuclear; 2-bare de reglare a procesului de fisiune nucleară; 3-dispozitiv de acţionare a barelor de reglare; 4-moderator (de ex.,apă grea); 5,6-protecţie biologică.

4.3.1.1. Reactoare nucleare cu neutroni termici Reactoarele în care fisiunea 235 92 U este produsă cu neutroni lenţi (termici) se numesc reactoare cu neutroni termici, sau de generaţia I. În principiu, un reactor nuclear cu neutroni termici (fig. 4.13) este alcătuit din: • zona activă, în care se petrece reacţia nucleară de fisiune, constituită din combustibilul nuclear (sub formă de bare, plăci, ţevi sau suspensie); • barele de reglare, care au rolul de a controla desfăşurarea reacţiei de fisiune (respectiv pornirea, intensificarea, încetinirea, oprirea) prin utilizarea unor substanţe puternic absorbante de neutroni liberi: aliaje ce conţin bor, hafmiu sau cadmiu. La scoaterea barelor de reglare din zona activă, reacţia de fisiune porneşte fiind cu atât mai intensă, cu cât adâncimea de pătrundere a barelor în miezul reactorului este mai mică; • moderatorul are rolul de a reduce viteza neutronilor “rapizi”, astfel încât aceştia să poată avea o suficientă energie, încât să ciocnească o cantitate corespunzătoare de nuclee grele. În calitate de moderatori, se utilizează apa, apa grea, grafitul, berilul, oxidul de beriliu ş.a. În sistem eterogen - combustibilul nuclear se află sub formă de bare înconjurate de moderator (reactorii eterogeni sunt cel mai frecvent utilizaţi), iar în sistem omogen, combustibilul nuclear şi 108

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

moderatorul formează un amestec: soluţie sau suspensie de combustibil în moderator; • sistemul de răcire. Căldura produsă în zona activă a reactorului nuclear este preluată şi transferată prin intermediul unui agent de transfer termic (apa, apa grea, gaze: CO2, heliu, metale topite: Na, sau substanţe organice termostabile ca difenilul), care circulă în zona activă prin ţevi; • protecţia biologică alcătuită din pereţi groşi de beton şi alte materiale de protecţie în vederea diminuării sau stopării complete a procesului de difuzie a radiaţiilor radioactive către mediul exterior zonei active. Caracteristicile principalelor tipuri de reactori cu neutroni termici sunt prezentate în tabelul 4.1.; denumirea prescurtată provine din limba engleză: G.C.R. (Gaz Cooled Reactors), PWR (Pressurised Watter Reactors), sau BWR (Boiling Watter Reactors) şi PHWR (Pressurised Heavy Watter Reactors). Tabelul 4.1. Caracteristicile unor reactoare nucleare. Agent de transfer termic Tip de reactor Combustibil Moderator nuclear nuclear pres. (atm) temp. (°C) tip GCR

uraniu

PWR

uraniu 3,5% apă îmbogăţit presiune

BWR

uraniu 2,5% apă îmbogăţit

PHWR

uraniu

grafit

CO2 He

30 90

sub apă sub 145 presiune apă şi abur 70

apă grea apă grea sub sub 100 presiune presiune

400 500 320 285 300

Asigurarea combustibilului nuclear solicită eforturi de cercetare-dezvoltare, în vederea punerii la punct a unor procese industriale de mare fineţe şi complexitate, pentru toate fazele ciclului: extragerea din mină, concentrarea minereului, respectiv obţinerea pastei galbene U3O8; conversia oxidului de uraniu U3O8 în hexafluorură de uraniu UF6; îmbogăţirea în izotopul 235 92 U , reconversia hexafluorurii de uraniu în bioxid de uraniu UO2; fabricarea elementelor combustibile. Pentru 1 kg de uraniu îmbogăţit la 3% 235 92 U sunt necesare 5,5 kg de uraniu natural sub formă de hexafluorură de uraniu UF6 şi aproximativ 4,3 kg de unităţi de lucru de separare (SEU) - unitate convenţională de măsurare a cantităţii de muncă vie necesară prelucrării uraniului, exprimată în kg. Pentru reducerea consumului energetic de îmbogăţire a uraniului se utilizează laseri, consumându-se de 1000 ori mai puţină energie în comparaţie cu metoda difuziei gazoase.

109

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

După un anumit timp de funcţionare, reactorul este oprit, barele de uraniu se scot şi se supun unei prelucrări chimice prin care izotopii radioactivi sunt separaţi de uraniul nefisionat, care se reutilizează. Separarea şi purificarea izotopilor formaţi în reactor prezintă dificultăţi considerabile, din cauza puternicei lor radioactivităţi. Reactoarele cu neutroni termici asigură un grad mic de utilizare a uraniului natural. 4.3.1.2. Reactoarele reproducătoare FBR Reactoariele reproducătoare de generaţia a II-a funcţionează cu neutroni rapizi, fără moderatori Eficienţa reactoarelor reproducătoare sau convertoare constă în producerea 239 energiei concomitent cu obţinerea unui combustibil nuclear artificial ( 235 92 U , 94 Pu ) cu un consum de combustibil foarte redus. Reactoariele reproducătoare au o zonă activă în care se găseşte o cantitate mică de 239 235 94 Pu sau 92 U necesară funcţionării reactorului, în sensul producerii de neutroni rapizi. 232 În jurul acesteia se găseşte substanţa fertilă, uraniul natural 238 92 U sau thoriu 90Th care 233 prin reacţii de transmutare (eliminare β) se transformă în 239 94 Pu , respectiv, în 92 U , comform reacţiilor: -β -β 239 Np 93 23 min . 2,3 zile -β - β 233 232 1 233 233 Th + 0 n → 90 Th Pa U 90 91 92 238 92

U+

1 0

n →

239 92

U

239 94

Pu

(4.21) (4.22)

Întrucât procesul decurge în prezenţa neutronilor rapizi, reactoarele 239 reproducătoare funcţionează fără moderator. Se obţin astfel izotopii 233 92 U şi 94 Pu , materiale fisionabile cu un factor de conversie de 1,2-1,5. 239 Prin transformarea 238 92 U , reactorul cu neutroni rapizi produce o cantitate de 94 Pu , mai mare decât cantitatea de 239 94 Pu consumată pentru producerea neutronilor rapizi. Timpul de dublare a cantităţii de Pu este de 10-15 ani. Atunci când se va realiza un timp de dublare a cantităţii de combustibil nuclear egal cu timpul de dublare al producţiei de energie electrică în CNE - teoretic, nu va mai fi necesar să se extragă nici un kg de minereu de uraniu, toată cantitatea de combustibil necesar funcţionării CNE fiind livrată de reactorul reproducător.

Reactorul cu neutroni rapizi LMFBR (Liquid Metal Fast Breeder Reactor) utilizează drept agent de transfer termic sodiu lichid, care nu absoarbe şi nici nu reduce viteza neutronilor rapizi. Căldura preluată de Na în procesul de fisiune este transferată într-un schimbător de căldură, apei care se transformă în abur. Aburul energetic rezultat în reactoariele cu neutroni lenţi sau în reactoarele cu neutroni rapizi este utilizat în scopul producerii energiei electrice în centrale atomoelectrice. 110

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

4.3.1.3. Perspective în obţinerea energiei termice prin utilizarea reacţiilor de fuziune nucleară Cantităţi mari de energie termică se degajă şi în procesul de fuziune nucleară, când, prin unirea nucleelor foarte uşoare în nuclee grele, se transformă 0,4-0,7% din masă în energie. Deuteriul sau tritiul, izotopii grei ai hidrogenului, se găsesc din abundenţă în “oceanul mondial” (în proporţie de 1/5.000), ceea ce reprezintă de circa 500 ori mai mult faţă de energia conţinută în toţi combustibilii fosili ai planetei. Dintr-un litru de apă obişnuită se poate extrage echivalentul energetic a 3.000 l de benzină. Spre deosebire de fisiunea nucleară, fuziunea se poate obţine dintr-o cantitate infimă de materie: un mare reactor pe bază de fuziune va conţine doar aproximativ 2 grame de combustibil într-un ciclu de reacţie, iar reziduurile sale vor fi de 1.000 ori mai puţine decât în reactoarele nucleare clasice. Reacţiile de fuziune nucleară: 2 1 2 1

H + 31 H → 42 He + 01 n 2 1

3 2

1 0

H + H → He + n

(4.23) (4.24)

pot avea loc doar în condiţiile în care nucleele sunt apropiate foarte mult, astfel încât forţa de respingere electrostatică să poată fi învinsă şi să intervină forţele nucleare. Metoda cea mai eficientă pentru obţinerea unor reacţii de fuziune este “încălzirea” nucleelor prin realizarea unor temperaturi cât mai înalte, respectiv 108109 K. La asemenea temperaturi, gazul cu deuteriu sau deuteriu-tritiu devine plasmă stare a materiei neutră din exterior, formată din electroni liberi, nuclee şi din atomi neutri. Pentru a obţine o densitate cât mai mare de nuclee este necesară îngrădirea întrun volum cât mai mic a acestora (confinarea) pentru un timp îndelungat. Valoarea caracteristică care interesează pentru producerea procesului de fuziune nucleară este produsul dintre numărul de nuclee (n) şi timpul de confinare (µ). La o temperatură de 8x108 K valoarea (n·µ) va trebui să fie pentru sistemul deuteriu-tritiu mai mare de 1016 cm-3·s. Realizarea acestor două condiţii se face prin două metode: - confinarea magnetică la care încălzirea plasmei se realizează cu ajutorul curenţilor ce circulă în interiorul acesteia, iar confinarea este asigurată de câmpul magnetic în care se află; - confinarea inerţială, în care căldura se realizează prin focalizarea pe o minusculă sferă de deuteriu solid a unui fascicul laser sau de electroni relativişti, astfel încât încălzirea nucleelor să aibă loc într-un timp foarte scurt în care inerţia împiedică expansiunea plasmei. La noi în ţară, cercetările se desfăşoară pe instalaţii de plasme focalizate, care datorită densităţilor şi temperaturilor deosebit de mari prezintă interes deosebit pentru studiul unor parametri esenţiali ai plasmelor termonucleare: densitate, temperatură, timp de confinare. 111

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Fuziunea nucleară ar prezenta avantajul, faţă de producerea energiei termice prin fisiune, unei mai uşoare accesibilităţi la materia primă - hidrogenul, practic inepuizabilă, cât şi din punctul de vedere al lipsei de nocivitate a deşeurilor. Investiţiile foarte mari pentru realizarea instalaţiilor şi utilizarea lor pentru un timp foarte redus, de ordinul secundelor, nu au permis aplicarea industrială a principiului fuziunii nucleare în producerea energiei termice şi electrice.

4.3.2. Centrale nuclearoelectrice (atomoelectrice) CNE Centralele nucleare sunt instalaţii complexe care utilizează energia termică produsă în reactoare nucleare pentru producerea energiei electrice, conform următorului lanţ de transformări energetice: Energie nucleară

Energie termică

Energie mecanică

Energie electrică

CNE se pot clasifica în funcţie de tipul de combustibil utilizat, de tipul de moderatori şi de agenţii termici care preiau căldura ce se degajă în urma reacţiei de fisiune nucleară în zona activă a reactorului. În funcţie de agenţii termici utilizaţi, CNE sunt dotate fie cu turbine cu abur, fie cu turbine cu gaze. În funcţie de gradul de protejare biologică, CNE pot funcţiona cu un singur circuit, cu două circuite sau cu trei circuite. CNE cu un singur circuit (fig. 4.14) prezintă avantaje tehnologice şi economice, funcţionează cu randamente ridicate, dar aburul (sau gazele) care preia căldura din zona activă a reactorului prezintă un grad avansat de radioactivitate şi deci pericol de iradiere. Centralele cu două şi trei circuite funcţionează cu randamente globale mai mici, însă prezintă siguranţă mai mare în funcţionare şi pericol redus de poluare a sistemului ecologic. Notând cu I investiţia, η randamentul şi P protecţia oamenilor, cu indicii 1,2,3 numărul de circuite ale unei CNE se pot scrie relaţiile: I1 < I2 < I3 ; η1 > η2 > η3 ; P1 > P2 > P3 unde η1 = 50 %, η2 = 30 %, η3 = 18-20 %.

(4.25)

Fig. 4.14. Centrala nucleară cu reactor cu neutroni termici. A-sala reactorului; B-sala turbinelor; C-sala schimbătoarelor de căldură. 1-reactor nuclear; 2-turbină cu abur; 3-generator curent electric; 4-condensator; 5-pompă de 112 recirculaţie; 6-schimbător de căldură.

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

4.3.2.1. CNE cu două circuite CNE cu două circuite funcţionează cu un reactor nuclear eterogen, unde combustibilul nuclear este dispus sub formă de bare, care alternează cu barele de reglare şi moderatorul - apa grea, care circulă prin conducte de presiune. În calitate de combustibil nuclear se utilizează bare de 235 92 U , iar ca agent de transfer termic se foloseşte chiar moderatorul - apa grea, sau dioxid de carbon sub presiune (pentru primul circuit). În unele variante apa grea circulă prin conducte de mare presiune în care este dispus combustibilul nuclear 235 92 U ; prin aceasta se realizează paralel cu termalizarea neutronilor şi un transfer termic eficient. În cel de al doilea circuit, se utilizează în calitate de agent de transfer termic apă sau apă grea. Prima CNE din România funcţionează cu reactor PHWR tip CANDU care utilizează combustibil uraniu natural sub formă de pastile ceramicate, iar ca agent de transfer termic cât şi ca moderator apa grea (apa deuterată). Denumirea de CANDU este prescurtarea cuvintelor CANADIAN-DEUTERIUM-URANIUM. În principiu, rectorul PHWR-Candu-6 (fig.4.15) este construit din: vasul de oţel calandria traversat de ţevi prin care circulă sub presiune agentul de transfer termic (apa grea), ţevi de Zircaloy (aliaj pe bază de zirconiu) care conţin combustibilul nuclear (pastile de oxid de uraniu natural), circuitul principal al căldurii primare, respectiv circuitul agentului de transfer termic cu pompele de recirculare a acestora şi vasul de presurizare (p = 100 atm), circuitul moderatorului cu pompa de recirculare şi generatoarele de abur. Conducte de abur

Generatoare de abur (4 buc.) Presurizator Pompe circuit primar (4 buc.)

Agent transfer termic (apă grea) Condensat (apă obisnuită) Agent de răcire (apă grea)

Combustibil Pompă moderator

Schimbător căldură moderator

Moderator (apă grea)

113 Fig. 4.15. Reactorul CANDU (schemă simplificată).

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

În calandria există cca. 380 canale care conţin tuburile de zircaloy cu pastilele de oxid de uraniu natural. Aceste tuburi sunt “spălate” permanent de agentul de transfer termic (apa grea) sub presiune, care preia energia termică dezvoltată în procesul de fisiune nucleară şi o transmite apei în generatorul de abur. Mult răcită, apa grea este adusă în calandria cu ajutorul pompelor şi circuitul se reia. Apa grea este şi moderatorul, ce menţine procesul de fisiune în limitele de securitate nucleară. În generatoarele de abur se obţine abur energetic (sub presiune) care se destinde la nivelul turbinei, realizându-se astfel transformarea energiei termice în energie mecanică şi apoi, cu ajutorul generatorului electric, în energie electrică (fig.4.15). Calandria este echipată cu dispozitivele necesare reglării supravegherii procesului de fisiune nucleară. Un element inedit îl constitue maşinile de încărcat şi descărcat combustibil nuclear, operaţie ce se realizează în mod automat, în tot timpul funcţionării reactorului, fără oprirea acestuia. Maşinile sunt comandate de către un sistem de calculatoare de proces şi lucrează în contra timp: în timp ce una încarcă combustibil nuclear, cealaltă primeşte şi extrage pachetele de ţevi cu combustibil

Fig. 4.16. Tehnologia de preparare a combustibilului nuclear.

epuizat (deşeuri radioactive). Ţevile extrase se depun într-un bazin cu apă, în care se răcesc şi încep să se dezactiveze. Stocarea poate avea loc şi 30 de ani, până la închiderea reactorului şi îngroparea acestuia în beton. Un alt mare avantaj al reactorului PHWR-Candu-6 îl constituie utilizarea oxidului de uraniu natural, faţă de alte tipuri de reactoare care necesită uraniu îmbogăţit. Tehnologia de fabricare a combustibilului nuclear constă în presarea pulberii de oxid de uraniu în dispozitive, care îi dau formă de pastilă cilindrică, care este apoi sinterizată, obţinându-se pastila de bază (fig.4.16). Pastilele se introduc în ţevile de Zircaloy; o ţeavă conţinând 29 pastile formează un “element”; 37 elemente formează un fascicul şi cîte 12 fascicule se introduc în fiecare canal din calandria. Reactorul PHWR-Candu este prevăzut cu o instalaţie de automatizare, care se diferenţiază de concepţia de automatizare a CNE cu reactori PWR sau BWR. Caracteristica esenţială a instalaţiei de automatizare este utilizarea pe scară extinsă a 114

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

calculatorului de proces pentru conducerea reactorului şi a blocului nuclear. Blocul nuclear este prevăzut cu un sistem de calculatoare de proces care are următoarele funcţiuni: a. de reglare numerică directă: reglarea puterii reactorului, reglarea temperaturii moderatorului, reglarea presiunii în generatorul de abur etc.; b. funcţiuni informaţionale: afişarea valorii momentane a tuturor parametrilor tehnologici, semnalizarea situaţiilor anormale a parametrilor, înregistrarea prin protocoale orare a mărimilor importante etc.; c. funcţiuni ocazionale: pornirea automată a turbinei, controlul funcţionării maşinilor de încărcat-descărcat combustibil nuclear etc. La căderea unuia din calculatorele în lucru, acesta este înlocuit automat de calculatorul aflat în rezervă. La defectarea ambelor calculatoare, sistemele de automatizare opresc funcţionarea reactorului, prin coborîrea barelor de reglare şi control şi răcirea cu apă aflată în rezervoare, sub presiune de azot. 4.3.2.2. CNE cu trei circuite (FBR) Centrala nuclearoelectrică cu trei circuite (fig. 4.17) funcţionează cu un reactor cu 235 neutroni rapizi, care are zona activă formată din 239 94 Pu sau 92 U , înconjurată de zona 232 recuperatoare formată din 238 92 U sau 92Th care joacă rol de reflector şi care, preluând neutronii rapizi, se transformă în combustibili nucleari artificiali.

Fig. 4.17. Centrală nucleară cu reactor cu neutroni rapizi. A-sala reactorului nuclear; C-schimbătoare de căldură. 1-reactor; 2-turbină de abur; 3-generator electric; 4-răcitor; 5-pompe; 6-schimbătoare de căldură.

Datorită lipsei moderatorului, miezul reactorului are un volum mic şi se obţine o densitate mare de energie termică pe unitatea de volum. Agentul de transfer termic folosit în primul circuite este sodiul metalic, sau un aliaj eutectic sodiu-potasiu; în circuitul al doilea pot fi gaze (CO2, He), sau apă grea.. În ultimul circuit, agentul de transfer termic este apa, care se transformă în vapori ce acţionează asupra turbinei cuplată cu generatorul electric. Datorită transferurilor multiple, randamentul global este mai mic decât în cazul unui circuit direct, dar se evită poluarea sistemului prin iradiere. Datorită consumului de combustibil deosebit de scăzut sistemul este eficient în competiţie cu cel de generaţia (I), cu neutroni lenţi. 115

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

4.3.2.3. Competitivitatea centralelor nucleare Comparaţiile între o centrală convenţională şi alta nucleară, aproximativ de aceeaşi putere, conduc la următoarele concluzii: -

-

Centralele nucleare sunt aproape de două ori mai scumpe decât cele clasice, dar odată cu mărirea capacităţii centralelor nucleare la puterea de peste 500 MW, investiţia specifică este mai mică decât la cele clasice; Unele centrale nucleare funcţionează sub capacitatea maximă, din motive de securitate. Factorul de capacitate satisfăcător este de 60%. Când valoarea este de 40%, se înregistrează acelaşi cost pentru electricitate ca în centralele electrice care folosesc cărbune, petrol sau gaze naturale, ceea ce ilustrează eficienţa centralelor nucleare. CNE Cernavodă are o putere instalată de 700 MW şi lucrează la aproximativ 90% din capacitate. Este o centrală de putere medie, pe glob funcţionând centrale şi de 1.500 MW. Marile probleme ale centralelor nuclearoelectrice le constituie siguranţa în funcţionare şi depozitarea permanentă a deşeurilor radioactive. Siguranţa în funcţionare este asigurată prin sistemele constructive ale reactorului, sudarea la ambele capete a ţevilor cu combustibil nuclear, sistemele de răcire, anvelopa, automatizarea complexă a procesului, delimitarea unei zone de 1 km în jurul reactorului ca zonă de excludere, în care sunt interzise alte activităţi nelagte de centrală ş.a. Aerul din interiorul clădirii în care este amplasat reactorul (anvelopa) este spălat înainte de evacuare. Apele reziduale din anvelopă se depozitează în bazine, sau în subteran, la mare adâncime. Ţevile cu deşeuri radioactive se răcesc în bazine cu apă, după care se depun în containere de titan, împreună cu argilă. Containerele se depozitează în formaţiuni de sare sau de granit, prin îngropare, adăugând argilă în exteriorul fiecărui container.

4.4. Procese tehnologice de obţinere a energiei electrice energiei hidraulice

prin utilizarea

Energia hidraulică a cursurilor de apă, singura formă de energie primară inepuizabilă utilizată în prezent pe scară largă în scopul obţinerii energiei electrice va avea şi în viitoarele decenii o contribuţie importantă la acoperirea necesarului de energie electrică pe plan mondial. Valorificarea energiei hidraulice în scopuri energetice se realizează în hidrocentrale.

116

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

4.4.1. Centrale hidroelectrice Hidrocentralele sunt instalaţii complexe în care energia căderilor de apă, naturale sau artificiale este transformată cu ajutorul turbinelor hidraulice în energie electrică, conform următorului lanţ energetic: Energie hidraulică

Energie mecanică

Energie electrică

Energia hidraulică depinde de debitul de apă al cursurilor, variabil în timp, de înălţimea căderii de apă, specifică fiecărei amenajări şi de condiţiile geologice şi climatologice. În funcţie de variaţiile debitului în decursul unui an se stabilesc pentru fiecare curs de apă, debitele caracteristice: debitul maxim Vmax; debitul minim Vmin; debitul mediu Vmed. Debitul instalat în centralele hidroelectrice Vi este întotdeauna superior debitului mediu. Raportul: K = Vi

Vmed

se numeşte coeficient de suprainstalare şi depinde de rolul

care i se atribuie centralei hidroelectrice în sistemul energetic. Puterea suprainstalată în CHE este oricând la dispoziţie pentru intervenţie, înlocuind astfel o putere echivalentă din sistemul energetic naţional. Centralele hidroelectrice cu lac de acumulare sunt prevăzute cu coeficienţi importanţi de suprainstalare, de exemplu: CHE Bicaz: K = 4; CHE Argeş: K = 5; CHE Porţile de Fier: K = 10. Dacă CHE ar avea o putere instalată mai mică şi ar funcţiona ca centrală de bază, partea superioară a curbei de sarcină ar fi preluată de centralele termoelectrice, care vor funcţiona în regim neeconomic, din cauza variaţiei sarcinii şi a unor opriri şi porniri repetate. Energia hidraulică teoretică (E) este dată de relaţia: E = m · g · HT = 9,81 · ρ · W · HT , J (4.26) sau E = W · HT/367, kWh unde: m - masa de apă; g - acceleraţia gravitaţională (9,81 m/s2); ρ - densitatea apei (1.000 kg/m3); W - volumul de apă scurs în perioada de timp examinată (m3); HT - căderea totală amenajată (m). Energia hidraulică reală ţine seama de randamentul global al hidrocentralei ηG: 117

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

E =

W a . HT ⋅ η G , kWh 367

(4.27)

unde: ηG = ε · ηt · ηg · ηh şi ε’ = Wu/Wa ; ηh = Hn/HT, (4.28) iar, Wa-volumul de apă natural; ε-coeficientul de utilizare al debitului; Wu-volumul de apă utilizat; ηt-randamentul turbinei hidraulice; ηG-randamentul generatorului; ηh-randamentul hidraulic; Hn -căderea netă de apă. Limitele uzuale de variaţie ale acestor randamente sunt: ε = 0,90-0,98; ηh = 0,94-0,96; ηt = 0,88-0,92; ηg = 0,96-0,98; ηG = 0,70-0,85. Cursurile de apă se amenajează pentru a avea un debit constant şi o cădere cât mai mare. Lungimea sectorului amenajat pentru realizarea unei anumite căderi de apă depinde de tipul uzinei hidraulice. În funcţie de modul de realizare a diferenţei de nivel dintre amonte şi aval se deosebesc: a. hidrocentrale cu baraj - pe firul apei; b. hidrocentrale cu derivaţia cursului natural al apei; c. hidrocentrale cu baraj şi derivaţie (mixte). Pentru realizarea unei hidrocentrale se fac următoarele construcţii şi amenajări hidroenergetice: • barajul are scopul de a crea o acumulare de apă, sau o cădere de apă, sau ambele scopuri, prin închiderea văii unui curs de râu. Barajele pot fi joase şi cu lungime mare (cele fluviale), sau înalte, mai scurte, situate în văi înguste (de exemplu: barajul de la Bicaz are H = 127 m, fiind unul din cele mai înalte din Europa); • lacul de acumulare constituie o rezervă “tampon” de apă, care compensează variaţiile de debit are râului. Lacul de acumulare permite ca apa care se scurge din amonte într-un interval de timp (24 ore) să fie reţinută şi trimisă spre turbinele hidraulice într-un interval de timp mai scurt, realizându-se astfel, în mod artificial, o mărire a debitului râului. De exemplu, lacul de acumulare de la Bicaz are o capacitate de 1,2 miliarde m3 apă; • canalul de aducţiune asigură circulaţia apei între captare şi castelul de echilibru, cu o pierdere minimă de nivel. Poate fi sub formă de canale deschise, de conducte din beton sau metalice, sau de tunele cu diamtrul de 8-12 m. Viteza de circulaţie a apei în canalul de aducţiune este limitată, din motive de pierdere de sarcină, sub 2 m/s; • castelul de echilibru este un rezervor înalt, situat la capătul canalului de aducţiune, care face legătura între acesta şi conducta forţată; serveşte la limitarea suprapresiunilor în conducta forţată şi la evitarea propagării acestora în canalul de aducţiune; asigură debitul necesar în primele momente ale pornirii turbinelor, sau ale sporirii sarcinii acestora, funcţionând ca rezervor de compensare; • conducta forţată uneşte castelul de echilibru cu sala turbinelor. Având panta mare, apa îşi măreşte presiunea până la intrarea în turbine; 118

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

• canalul de fugă este conducta prin care se evacuează apa din turbinele hidraulice, în cursul natural al râului. Tipurile principale de turbine hidraulice sunt prezentate în tabelul 4.2. Tabelul 4.2. Tipuri de turbine hidraulice. Turbin Caderea a apă, m

de Putere, MW

Diametru rotor, m

Randament, η, %

Pelton > 600

> 300

5,50

92

Francis 40-600

> 700

10

> 95

Kaplan < 40

> 180

10

94

Bulb

50

7,50

< 15

a. Hidrocentralele cu baraj - pe firul apei Hidrocentralele cu baraj (fig.4.18) sunt amenajări hidroenergetice care se construiesc în cazul râurilor cu debite mari şi pantă, sau cădere mică. Căderea de apă este dată în acest caz, de baraj, centrala fiind situată la piciorul acestuia. În cazul marilor fluvii, căderea este în general mică, iar centrala se amplasează în acelaşi front cu barajul, în interiorul lui (A), la una din extremităţile barajului (B), sau divizată în două (în cazul CHE construită de două ţări riverane ale aceluiaşi fluviu, ca de exemplu, la Porţile de Fier) (C), fig. 4.18b. Hidrocentralele fluviale se utilizează ca centrale de bază (vezi acoperirea curbei de sarcină), iar centralele cu baraj şi lac de acumulare funcţionează ca centrale de vârf.

119

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

a

Fig.4.18. a. Schema unei hidrocentrale cu baraj. 1-lac de acumulare; 2-cursul râului (fluviului); 3-baraj; 4-conductă forţată; 5-conductă de fugă.

b

b. Hidrocentrala de la Porţile de Fier.

b. Hidrocentrale instalate în derivaţie cu cursul natural al râului La acest gen de amenajare, apele râului sunt deviate pe un traseu care are o pantă mai mică decât panta naturală a râului. Practic acest tip de centrale se realizează prin ridicarea nivelului în aval. • CHE instalată în derivaţie, cu ridicarea nivelului în amonte. Înălţimea de cădere H este realizată cu ajutorul barajului şi a canalului de derivaţie. Influenţa variaţiei de nivel în lacul de acumulare se reduce în acest caz, faţă de centralele situate pe firul apei (fig.4.19).

Fig.4.19. Schema unei hidrocentrale de derivaţie, cu ridicarea nivelului în amonte. 1-lac de acumulare; 2-curs vechi; 3-baraj; 4-conductă forţată; 5-conductă de evacuare (de fugă); 6-canal de aducţiune; 7-castel de apă.

120

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

• CHE cu coborârea nivelului în aval. În acest caz, apa din lacul de acumulare este dirijată printr-o conductă forţată direct spre turbinele hidraulice amplasate în subteran. În continuare, un tunel de fugă cu pantă redusă readuce apa la suprafaţă. (fig.4.20).

Fig.4.20. Hidrocentrală cu coborârea nivelului în aval. 1-lac de acumulare; 2-albia veche; 3-baraj; 4-conductă forţată; 5-canal de fugă; 8-puţ pentru cabluri; 9-staţie electrică.

Înălţimea de cădere (H) este realizată din înălţimea acumulării plus adâncimea coborârii apei. Sistemul de amenajare hidroenergetică se desfăşoară în principal subteran şi necesită un volum mare de excavaţii. Sistemul este condiţionat de existenţa unor formaţii geologice stabile şi tari, care să permită excavaţia, eventual fără a betona stânca. Stânca aparentă din tunele este, în acest caz, polizată pentru ca rugozităţile suprafeţei şi pierderile de presiune la scurgere să fie cât mai reduse. 4.4.2. Consideraţii tehnico-economice cu privire la producerea energiei electrice în hidrocentrale Comparativ cu centralele termoelectrice şi cele nuclearo-electrice, centralele hidroelectrice oferă următoarele avantaje tehnico-economice: folosirea unor surse inepuizabile de energie, fiabilitate ridicată, siguranţă în exploatare, durabilitate mare în timp, lucrări de reparaţii reduse şi întreţinere relativ uşoară, intrarea rapidă în regim de exploatare, sisteme nepoluante cu gaze, cenuşă, deşeuri radioactive. Totuşi, probleme de poluare apar, datorită volumul mare de apă din lac, apă ce afectează calitatea solurilor din zonele învecinate (prin apariţia de bălţi şi sărăturare solurilor), şi prin presiunile mari create în straturi, generatoare de cutremure. În cazul CHE este posibilă obţinerea energiei electrice imediat ce apa pătrunde în turbinele hidraulice, în timp ce la CTE este necesar un timp de 6-8 ore până când se obţine aburul la parametrii solicitaţi. Datorită acestui fapt, CHE pe firul apei sunt folosite ca “centrale de vârf” în perioade în care cererea de energie electrică în sistemul electroenergetic naţional este maximă. 121

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Hidrocentralele pe firul apei “fluviale” funcţionează ca centrale de “bază”, producând energie electrică cu cost mai redus. Realizarea sistemelor de CHE comportă fonduri mari de investiţii, care însă pot fi recuperate pe durate mari de timp. Odată amortizate investiţiile mari, producerea energiei electrice devine economică. În aval de centrala de putere mare se pot construi pe acelaşi curs de apă o serie de microhidrocentrale, pentru valorificarea debitului relativ constant de apă. Pe râuri cu debite mai reduse de apă se pot construi hidrocentrale reversibile. Acestea au două baraje pe acelaşi fir de apă, deci două lacuri de acumulare. Pentru producerea de energie electrică se utilizează apa din primul lac, care se colectează în lacul al doilea (plasat în aval). După căteva ore de funcţionare ca producător de energie, apa din lacul al doilea se pompează în primul lac, din amonte, consumând energie electrică. Aceste centrale se utilizează în perioada de cerere mare de energie electrică (de vârf). 4.5. Tehnologii neconvenţionale de obţinere a energiei termice şi electrice 4.5.1.

Tehnologii de valorificare a energiei solare

Soarele emite în spaţiul cosmic o cantitate enormă de energie, egală cu 22,252 x 1027 J/min. Radiaţia solară medie care atinge Pământul, este de 4 x 1033 erg/s, valoare cunoscută sub denumirea de constantă solară. Numai o parte redusă din energia solară emisă atinge Pământul, datorită unghiului redus al traiectoriei razelor solare faţă de acesta (1,0 x 1012 GWh). Totuşi trei zile de radiaţie solară sunt echivalente cu producţia de energie dată de 1,75 mil. reactoare nucleare de 1.000 MW putere, sau de cca. 20.000 ori consumul actual de energie pe plan mondial. Radiaţia solară este diferită, în funcţie de poziţia geografică, cele mai mari valori anuale (circa 800 kJ/cm2 ·an) înregistrându-se în zona deşerturilor, unde nebulozitatea este foarte scăzută. În România, valoarea radiaţiei totale anuale este de cca 400 kJ/cm2 ·an. Utilizarea energiei solare oferă o serie de avantaje, ca resursă inepuizabilă, nepoluată şi disponibilă practic pe suprafeţe foarte întinse ale globului terestru. Cu toate acestea, extinderea valorificării energiei solare întâmpină unele dificultăţi, datorită nebulozităţii intermitente (schimbarea anotimpului şi alternanţa zi/noapte), oscilaţii în intensitatea acestei surse, dificultăţi în captare şi stocarea energiei solare. Energia solară este difuză şi nepermanentă, ceea ce impune captarea acestei forme de energie pe suprafeţe mari, concentrarea energiei captate asupra unor focare, realizarea unor mijloace eficiente de stocare a acestei energii, eventual utilizarea combinată cu o centrală termică convenţională sau cu o hidrocentrală. În regiunile cu densităţi solare şi iluminare constantă, unde absorbţia energiei calorice poate ajunge până la 40%, energia solară disponibilă la sol poate fi utilizată economic pentru producerea energiei electrice, climatizarea locuinţelor, încălzirea apei 122

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

Fig. 4.21. Captatoare solare plane.

Fig. 4.22. Captator cu concentrator cilindroparabolic.

menajere, desalinizarea apei de mare sau salmastre, pentru obţinerea hidrogenului, a amoniacului sau pentru realizarea unor procese metalurgice. Valorificarea energiei solare se poate realiza prin transformarea acesteia fie în energie termică (de joasă temperatură, sau de temperatură înaltă) fie direct în energie electrică prin fenomenul fotovoltaic. Captarea energiei radiante solare se realizează cu captatoare solare, sau convertoare heliotermice, care funcţionează cu sau fără concentrarea radiaţiei solare. Captatoarele fără concentrarea radiaţiei solare utilizează atât radiaţia solară directă, cât şi radiaţia difuză, aria suprafeţei de absorbţie este identică cu aria suprafeţei ce interceptează radiaţiile solare, nu necesită orientarea precisă spre soare, au o construcţie simplă şi se întreţin relativ uşor. În funcţie de forma suprafeţei absorbante, pot fi plane (fig.4.21), cilindrice (fig.4.22), semicilindrice. Domeniul de utilizare al acestor captatoare solare este cel al temperaturilor joase, de circa 100°C (peste temperatura ambiantă) şi se utilizează la instalaţiile de climatizare şi încălzire a clădirilor, încălzirea apei menajere, instalaţii de uscare, de distilare a apei etc. Captatoare cu concentrarea radiaţiei (focalizarea radiaţiei solare), fixe şi mobile. În funcţie de principiul de funcţionare şi construcţia concentratorului se pot obţine valori pentru densitatea fluxului de radiaţie pe suprafeţele absorbante ale receptorului de la 1,5-2,5 kW/m2 până la valori foarte mari, de ordinul 10.000 kW/m2. 123

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Cu creşterea densităţii fluxului de radiaţie creşte şi temperatura la care este preluată căldura utilă (1.970-3.000°C). Pentru obţinerea energiei termice la parametrii ridicaţi, razele solare sunt concentrate pe arii reduse (punctiform), prin utilizarea oglinzilor parabolice (heliostate) în calitate de concentrator. Acestea se construiesc din sticlă optică polizată, pe care se depune un strat de aluminiu sau argint prin depunere epitaxială în cuptoare de vid. Suprafaţa aluminată sau argintată este protejată cu un film de silicon, sau de material plastic transparent. Parametrii care determină mărimea intensităţii razelor focalizate sunt: deschiderea oglinzii (D), distanţa focală (f) şi raportul n = D/f - raport de concentrare. La un raport n = 2-3 în dispozitive de recepţie tip furnal se pot obţine temperaturi de 2.000-3.000°C (SUA, Franţa, Japonia etc.). Concentratorul poate fi orientat după soare cu taimer, sau cu un servosistem. Sistemele cu focalizare punctiformă (şi chiar liniară) se aplică în instalaţii modulare, care se pot amplasa după necesităţi într-un complex industrial. Sistemul de focalizare punctiformă este adecvat pentru generare de electricitate în localităţi izolate, sau în cele cu reţele electrice de putere redusă.

Fig. 4.23. Concentrator cu câmp de heliostate şi receptor turn.

Într-un sistem turn solar ca receptor central, razele solare sunt focalizate printrun număr mare de heliostate (seturi de oglinzi), formând o suprafaţă mare reflectantă. Energia solară reflectată de heliostate este focalizată pe turnul solar de recepţie, care se află la o înălţime de 260 m, în mijlocul câmpului de oglinzi. O instalaţie cu turn solar cu un câmp heliostat de 1,3 km2 furnizează 10 MW, la 500-1000 dolari/kW şi se poate utiliza ca sursă energetică de vârf (SUA, în deşertul californian-Barstow). Turnul solar ca receptor central este considerat optim pentru instalaţii energetice centrale (fig. 4.23). Oglinzile parabolice cu un receptor central, cu mecanism de urmărire a soarelui cu dublă axă, au o eficienţă de conversie de circa 80%, faţă de 50% la focalizarea liniară şi de 30% la colectoarele plane. Instalaţii cu turnuri solare se utilizează la obţinerea amoniacului, a hidrogenului prin electroliza apei, la obţinerea gazului de sinteză etc. Gazul de sinteză obţinut în 124

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

astfel de instalaţii de exemplu se poate transporta la distanţă, pe conducte, într-o instalaţie de sinteză la metan. Reacţia este exotermă şi se consideră că astfel poate fi cedată căldura solară “stocată”. Căldura emanată se poate stoca şi într-o soluţie eutectică de clorură de sodiu, de potasiu sau de magneziu.

4.5.1.1. Conversia directă a energiei solare în electricitate Conversia energiei solare direct în electricitate se bazează pe efectul fotovoltaic, ca o consecinţă a absorbţiei radiaţiei solare (fotonilor) la joncţiunea p-n de semiconductor. Când fotonii cu o energie mai mare decât cea a zonei libere (Egap) din semiconductor cad pe joncţiunea p-n, se creează o pereche electron-gol şi astfel, prin joncţiune, se va scurge un flux constant de curent electric. Celulele solare realizate din plăcuţe de material semiconductor în care s-a creat joncţiunea p-n generează circa 0,5 V şi se leagă în serii paralele, prin contacte metalice, după voltajul cerut formând panourile solare. Pentru a fi protejate şi a evita oxidarea contactelor, panourile solare se acoperă cu un strat transparent de sticlă borosilicatică, sau polimer epoxidic. Un panou solar este garantat pentru 10 ani de funcţionare, la o eficienţă de cca 14-25%. În celula solară de siliciu monocristalin, numai 14% din energia spectrului solar se converteşte în electricitate. De aceea, în ultimul timp s-au construit celule solare şi din alte materiale semiconductoare, ca de exemplu sulfură de cadmiu/sulfură de cupru, arseniură de galiu, semiconductori organici, semiconductori amorfi, joncţiuni semiconductoare cu lichid etc. Celulele solare pe bază de arseniură de galiu (GaAs) funcţionează la temperaturi mai ridicate decât cele considerate clasice (pe bază de siliciu monocristalin) şi cu randamente de cca 23%. Astfel, este posibil să se concentreze radiaţia solară de 1.000 ori mai mult, fără a se consuma o cantitate prea mare de GaAs. Conversia energiei solare în energie electrică este încă scumpă: preţul mediu al unui kW instalat astfel trebuie să fie redus de 50 ori pentru a deveni competitiv. Reducerea acestor costuri implică măsuri tehnologice şi economice, ca: reducerea costului materialului semiconductor; creşterea randamentului conversiei fotovoltaice a energiei solare; realizarea de sisteme mixte fotovoltaice şi termodinamice pentru recuperarea sub formă de căldură a energiei solare neconvertite în energie electrică etc. În prezent şi în România funcţionează instalaţii de preparare a apei calde cu panouri solare şi o centrală solaro-electrică pilot-experimentală, realizată cu panouri solare de putere unitară de 30 kW (mică), cu ciclu termodinamic de joasă temperatură.

4.5.1.2. Conversia energiei solare în alte forme de energie La conversia directă a energiei solare în electricitate în afară de efectul fotovoltaic ca variante utilizate sunt şi: efectul fotoemisiv, efectul fotogalvanic, efectul fotomagnetic. 125

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Energia termică obţinută prin utilizarea energiei solare poate fi transformată în energie electrică (direct sau indirect) prin procedee fizice de conversie ca: termoelectricitatea, efectul termoionic, efectul magnetohidrodinamic (MHD), efectul electrodinamic şi feroelectricitatea.

4.5.2. Hidrogenul ca purtător de energie După semnalarea crizei energetice în anul 1973, atenţia s-a îndreptat asupra hidrogenului, care poate înlocui gazul metan şi benzina, fiind un combustibil şi un carburant de viitor. Cercetările sunt axate pe obţinerea hidrogenului prin descompunerea apei în elemente, fără un consum de hidrocarburi sau de cărbune. În prezent, hidrogenul se obţine: prin reformarea catalitică (cu aburi) a gazului metan; prin arderea parţială sau oxidarea parţială a hidrocarburilor; prin gazeificarea cărbunilor; prin electroliza apei. Hidrogenul rezultă şi ca produs secundar, economic recuperabil în rafinării, la reformarea catalitică a benzinelor, în producţia de acetilenă din metan şi la electroliza clorurii de sodiu. Pe plan mondial hidrogenul se obţine: cca 77% din hidrocarburi, 18% pe bază de cărbune, 4% prin electroliza apei, 1% din alte resurse. În prezent, consumul mondial de hidrogen tinde să depăşească 400·109 m3/an. O cantitate de peste 55% din producţia de H2 se consumă la sinteza amoniacului, peste 30% la prelucrarea ţiţeiului. La prelucrarea 1 m3 de ţiţei se consumă 100 m3 H2, iar la şisturile bituminoase peste 200 m3/m3 ulei de şist. Hidrogenul este un foarte bun purtător de energie, cu o putere calorică de 34.000 kcal/kg, iar din punct de vedere ecologic este foarte curat, întrucât prin ardere rezultă apă. Condiţionat de realizarea unor procedee economice pentru generarea şi manipularea hidrogenului, se prevede ca până în anul 2020 circa 10% din consumul energetic mondial să fie acoperit prin hidrogen, atingând progresiv până în anul 2050 un consum mondial de 30%. În prima perioadă se prevede ca hidrogenul să se obţină mai ales prin reformarea catalitică a metanului şi în mod progresiv, prin utilizarea căldurii reactoarelor nucleare de temperatură înaltă (HTR, HTGCR). Un reactor nuclear de temperatură înaltă de 3.000 MW energie termică, prin procedee termochimice ciclice poate genera cca. 500.000 t/an H2. În SUA se contează pe posibilitatea de a utiliza în vederea producerii de hidrogen, reactoarele nucleare regeneratoare (FBR) cu răcire cu sodiu (la 900 K). Descompunerea termică directă a apei într-o singură etapă este nepractică, întrucât necesită temperaturi de peste 3.000 K. Temperaturile extrem de ridicate sunt necesare pentru atingerea echilibrului de disociere a apei în H2 şi O2, iar gradul de disociere creşte la scăderea presiunii de echilibru. În cazul descompunerii apei în procese termochimice ciclice pe etape (3-5), temperatura maximă se situează între 900 şi 1.760 K, în funcţie de numărul etapelor. Procedeele (ciclurile) termochimice sunt procese catalitice realizate în prezenţa unor substanţe, care în etapele procesului îşi modifică alternativ valenţa (clorură de 126

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

vanadiu, clorură de fier, clorură de cupru, oxid de fier, oxid de cesiu, iodură de arsen, cadmiu, oxid de crom etc.). Ciclurile termochimice pentru generarea hidrogenului prezintă perspectivă prin utilizarea energiei termice furnizată de reactoarele nucleare, de turnurile sau cuptoarele solare, dar prezintă şi desavantaje importante. Astfel, în aceste procese trebuie menţinute fără pierderi cantităţi foare mari de elemente chimice, aproape de 200 ori greutatea hidrogenului generat, unele dintre acestea poluează mediul înconjurător (Cs, I, Br, Cl, Hg). Unele cicluri termochimice se realizează în medii extrem de corosive şi se impune utilizarea unor reactoare din materiale speciale, scumpe ca: tantal, Hastelloy-C, inconel sau ceramică antiacidă. Pe plan mondial (SUA, Franţa, Germania etc.) s-au identificat peste 2.500 procese ciclice din care s-au selectat 365 de alternative cu eficienţă termică globală de 44-71,8%. 4.5.2.1. Producţia de hidrogen prin energie solară Energia solară şi apa sunt două surse inepuizabile de energie, care combinate ar putea genera H2, prin disocierea apei, în cantităţi nelimitate. Dar pe cât de simplă este această variantă energetică, pe atât de greu se poate realiza practic. Descompunerea apei prin utilizarea energiei razelor solare incidente la sol (fotoliză) este imposibilă, întrucât spectrul solar cuprinde lungimi de undă de peste 250 nm, iar pentru descompunerea apei sunt utile radiaţii cu lungimi de undă sub 190 nm. De aceea, lumina naturală a soarelui poate descompune apa numai indirect, cu ajutorul fotocatalizatorilor care absorb fotonii din razele solare. Fotocatalizatorii utilizaţi pot fi semiconductorii anorganici, biocoloranţii, combinaţii complexe ale metalelor tranziţionale (Cr, Cu, Nb, Ru, Mo, Rh, Ag, Pt, Au etc.). Energia termică necesară pentru descompunerea apei se poate realiza în cuptoare solare. În sistemul turn solar - ca receptor central, razele solare sunt focalizate printr-un număr mare de heliostate - seturi de oglinzi parabolice care formează o suprafaţă mare reflectantă. Energia solară reflectată de heliostate este focalizată pe turnul solar de recepţie care se află în mijlocul câmpului de oglinzi (la o înălţime de 260 m). Energia termică preluată de agentul de transfer termic din turnul solar este transmisă (sub formă de abur supraîncălzit) la un sistem turbogenerator şi la electrolizor. Astfel se poate obţine şi energie electrică, energie termică şi se generează hidrogen. Pentru ca hidrogenul să devină un purtător de energie competitiv, trebuie soluţionate economic problemele legate de obţinerea, stocarea şi utilizarea acestuia în calitate de combustibil şi carburant. Stocarea economică a hidrogenului se poate realiza în stare lichidă (criogenică la - 253°C): în stare gazoasă la 100 atm, în zăcăminte de metan epuizate sau în caverne impermeabile din zăcămintele de sare, precum şi sub formă solidă de hidruri metalice. 127

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Hidrurile pentru stocarea hidrogenului sunt compuşi intermetalici care au un component (A) care formează hidrura şi un component (B) de stabilizare a acesteia. Hidrogenul poate fi eliberat din hidrură prin încălzire şi reducerea presiunii. Aliajele sunt de tipul AB, AB2, AB5 cu temperatură de hidrurare de 120°C şi A2B cu temperatură de hidrurare de cca 300°C. Componentul A la tipul AB şi AB2 este titanul (30-46%), la tipul AB5 sunt pământurile rare (lantan, scandiu, ytriu), iar pentru A2B magneziul. În calitate de component (B) se utilizează: fier, nichel, mangan etc. Astfel, de exemplu, un adaos de 50% fier la titan modifică temperatura de formare a hidrurii de la 500°C la 0°C. Hidrogenul stocat sub formă solidă (de hidrură) prezintă o mai mare siguranţă în utilizarea lui drept carburant la motoarele cu ardere internă

4.5.3.

Bioconversia. Biomasa

În general, energia solară se valorifică prin bioconversie. Pe această cale, din plante se pot obţine în afară de alimente, celuloză şi alcool. Prin fermentarea anaerobă se pot obţine 0,5 m3 de gaze/kg substanţă organică, cu un conţinut de 50-70% CH4, la valoare calorică de cca. 5300 kcal/m3, sau cca 2.600 kcal/kg de plantă. Producţia de plante diferă după condiţiile ecologice şi după specia de plantă, de la 1,25 kg/m2 an până la 6 kg/m2 an (de ex., la trestia de zahăr). Luând ca bază o incidenţă de energie solară de 1.500 kWh/m2, eficienţa globală a bioconversiei este de cca 0,25%. La trestia de zahăr eficienţa globală este de 3,4%. Datorită eficienţei reduse de conversie (1-3%), bioconversia luată în considerare ca o sursă de energie primară impune în acest scop cultivarea plantelor pe suprafeţe mari de terenuri fertile, în detrimentul culturilor cerealiere. Rămâne însă ca o sursă reală de energie utilizarea reziduurilor vegetale în acest scop, cât şi a reziduurilor urbane; aceasta presupunând însă şi colectarea lor organizată (pe sorturi). Ca surse de biomasă la fermentarea anaerobă se pot utiliza: reziduurile animale; reziduurile menajere; reziduurile lemnoase forestiere (scurtături, rumeguş etc.); reziduurile agrovegetale; materiale ligno-celulozice (plopi, brazi, pini etc.); culturile cu conţinut de amidon (porumb, trestia de zahăr, sfecla de zahăr); plantele acvatice (alge, stuf, buruieni acvatice). Bioconversia biomasei are loc prin reacţii enzimatice şi prin transformări biochimice, ca: fermentarea aerobă şi anaerobă, când se obţine biogaz şi bioproteine pentru furaje; hidroliza chimică sau enzimatică la alcool sau la alte produse organice. Procesele se desfăşoară în prezenţa unor microorganisme, ca: bacterii (eubacterium, actinomicete); ciuperci (arhimicete, ascomicete, basidiomicete şi drojdii); alge monocelulare (clorela, navicula) şi alge multicelulare. Preferenţial, enzimele se găsesc în masa celulară, astfel că după o concentrare prealabilă, separarea acestora se realizează prin procedee de: măcinare umedă (pentru eliberarea enzimelor din masa celulară); precipitare şi separare prin centrifugare a acizilor nucleici; separarea în mod similar a proteinelor; separarea enzimelor din masa 128

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

apoasă prin cromatografie; concentrarea enzimelor izolate prin ultrafiltrare urmată de uscarea acestora. La bioconversia paielor de grâu şi a gunoiului de grajd prin fermentare anaerobă, randamentul de fermentare depinde de tipul de ciuperci utilizate şi poate varia între 20% şi 60%. La o instalaţie cu o capacitate de 450 t/zi paie uscate, poate rezulta o producţie brută de cca 60.000 m3/zi biogaz (50% CH4 şi 50% CO2), investiţia totală fiind de circa 12 milioane de dolari. Pentru a se obţine o producţie simultană de biogaz şi de proteine sintetice unicelulare pentru furaje s-au elaborat sisteme combinate de fermentare a gunoiului de grajd (cu fermentare anaerobă) cu reziduuri ligno-celulozice (fermentare aerobă după pretratare chimică). Biochimia şi biotehnologia modernă se caracterizează prin metode de selectare, separare şi purificare a microorganismelor şi optimizarea acestora prin mutaţii speciale pentru anumite reacţii biochimice. În anul 2000, valoarea produselor obţinute la nivel mondial prin sinteze biotehnologice industriale este de cca 64,8 mild. dolari, din care 25,2% produse energetice; 20% produse alimentare; 16,3% produse chimice; 17% produse farmaceutice ş.a. Prin aceste procedee se vor valorifica diferite reziduuri şi se va diminua poluarea mediului ambiant. 4.6. Conducerea centralelor electrice cu calculatoare de proces Calculatoarele electronice au aplicaţii în centralele electrice pentru îmbunătăţirea prelucrării informaţiilor şi a conducerii automate. Modul de folosire a calculatoarelor poate fi în circuit închis şi în circuit deschis. Operaţiile pe care le poate efectua un calculator într-o centrală electrică sunt următoarele: În cazul întrebuinţării în circuit deschis: a) 1. 2. 3. 4.

Supravegheri: evidenţa cantităţii şi calităţii surselor de energie şi a agenţilor de transfer termic; supravegherea valorilor limită, cu sesizarea depăşirii acestora; verificarea îndeplinirii comenzilor date de la tabloul de comandă; întocmirea protocolului de exploatare.

b) Prelucrarea informaţiilor şi acumularea lor: 5. acumulări de date şi calculul valorii medii pe perioade de timp; 6. calcule de randament şi de gestiune, cu evidenţierea cauzelor şi mărimii abaterilor consumurilor de la valorile prescrise; 7. urmărirea diferenţelor de temperatură şi a vitezei lor de variaţie, în punctele critice şi compararea cu valorile limită; 8. analiza avariilor prin programe separate de urmărire, cu detalierea mărimilor ieşite din limite; 129

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

c) Optimizări: 9. îndeplinirea rolului de ghid operator - adică urmărirea elementelor de la punctul 5 şi afişarea succesiunii de operaţiuni şi manevre admisibile în fiecare moment, inclusiv indicarea limitelor de încărcare şi descărcare; 10. optimizarea mărimilor de consum la regulatoarele unui bloc energetic, indicând operatorului valorile ce urmează a fi introduse; 11. optimizarea repartiţiei sarcinii şi a regimului de lucru pentru ansamblul unităţilor dintr-o centrală electrică, sau a unui lanţ de mai multe centrale (hidrocentrale). Rezultatele calculului de optimizare sunt afişate, sau puse la dispoziţia operatorului. În cazul întrebuinţării în circuit închis: 12. conducerea automată a unei părţi sau grupe de instalaţii, sau a unor secvenţe de operaţiuni; 13. conducerea optimală a întregului bloc energetic. În funcţie de situaţia momentană, calculatorul execută şi calculele pentru optimizarea parametrilor, acţionând permanent asupra caracteristicilor regulatoarelor şi a mărimilor de consum, care într-o automatizare clasică au valori constante sau ajustabile manual pentru perioada de timp. La CET Craiova, un calculator pentru un bloc energetic de 315 MW supraveghează mărimile măsurate, prelucrează informaţiile, efectuează calcule de indicatori şi acumulează datele necesare unei analize a avariilor. La CET Luduş - un singur calculator, introdus pentru urmărirea a două blocuri energetice de 100 MW şi 200 MW, urmăreşte mărimile de bază ale blocurilor şi efectuează calcule de randament şi de defalcare a pierderilor, pe care le transmite la camerele de comandă ale blocurilor şi la dispecerul termic pentru luarea deciziilor optime de exploatare. Funcţionarea calculatoarelor în centralele termoelectrice a avut ca efect reducerea consumului specific şi limitarea numărului de avarii la cazanul de abur, datorită supravegherii în limite mai strânse a temperaturilor.

4.7. Indicatori tehnico-economici utilizaţi în aprecierea eficienţei economice a funcţionării centralelor electrice În intervalul de 24 ore apar solicitări variabile de energie electrică: unele reprezentând maxime - solicitări de vârf, iar altele reprezentând solicitări minime, aspecte ce ridică probleme de coordonare a consumului în funcţie de necesităţi, dar şi în funcţie de posibilităţile de producere a energiei electrice în centrale electrice. Toate centralele electrice sunt conectate la sistemul energetic naţional prin intermediul unui dispecer central, care indică cuplarea sau decuplarea în funcţie de necesităţile de consum ale agregatelor, liniilor sau chiar ale centralelor electrice, astfel 130

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

încât să fie completate în mod judicios solicitările de vârf sau să se suplinească unele insuficienţe generate de avarii locale ale liniilor sau ale generatoarelor de energie. În funcţionarea centralelor electrice apar următorii indicatori tehnico-economici, prin intermediul cărora se poate aprecia eficienţa economică a funcţionării acestora. 1. Curba de putere (curba de sarcină sau de încărcare) este curba care arată variaţia puterii centralei electrice într-o anumită perioadă de timp (zi, an) (fig.4.24). Această curbă se construieşte prin puncte ridicate la valori de putere medie. Puterea medie a centralei Pmed este dată de raportul dintre energia totală Wt debitată într-o anumită perioadă de timp (zi, an) şi perioada respectivă (în ore):

Pmed =

Wt , t

Pmed =

Wan , kW 8760

kW ; Pmed =

Wzi , kW ; 24

Fig.4.24. Construirea curbei de sarcină zilnică prin puncte, considerate valori de putere medie.

(4.29)

Energia produsă zilnic sau anual de către o centrală electrică poate fi determinată prin planimetrarea ariilor înscrise sub curbele de sarcină (fig.4.24). Astfel, energia produsă zilnic se va determina prin relaţia: 24

W = ³ Pprod ⋅ dt , kWh

(4.30)

0

În aceeaşi manieră, la nivelul sistemului energetic naţional se construiesc curbe de sarcină anuale. 2. Factorul de simultaneitate (s) Maximele de putere solicitate unei centrale electrice (aşa cum rezultă din curba de sarcină) sunt determinate de cererile simultane de energie de către diverşi consumatori. Suprapunerea în timp a maximelor de consum se exprimă prin factorul de simultaneitate (s):

131

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

s=

¦ P'

Pmax

(4.31)

≤1

max.consumatori

în care:

Pmax - puterea de vârf a uzinei într-o anumită perioadă de timp; Σ P’max - puterile maxime ale diferiţilor consumatori în aceeaşi perioadă. Valorile optime ale factorului de simultaneitate sunt cuprinse între limitele următoare: 0,25-0,6; valorile mici reflectă o utilizare raţională a energiei. 3. Indicele de aplatizare (a) indică gradul de aplatizare a curbei de putere (sarcină) şi este dat de relaţia: a=

Pmed ≤1 Pmax

(4.32)

în care: Pmed - putere medie a uzinei într-o anumită perioadă de timp; Pmax - putere de vârf în aceeasşi perioadă de timp. Valorile optime pentru factorul de aplatizare, a = 0,2-0,8, indică o exploatare raţională a centralei electrice. 4. Coeficientul de utilizare a puterii maxime produse în cursul unui an de către o centrală electrică caracterizează uniformitatea încărcării centralei în timpul de funcţionare şi respectiv, forma curbei de sarcină. Se notează Kvf şi este dat de relaţia: K vf =

Pmed an Wan = 8760 ⋅ Pp max Pp max

(4.33)

5. Coeficientul de utilizare a puterii instalate al unei centrale electrice este dat de raportul dintre cantitatea reală de energie electrică produsă anual Wan şi puterea instalată Pi: Ku =

Pmed an Wan = 8760 ⋅ Pl Pl

(4.34)

Acest coeficient reflectă, de asemenea, eficienţa utilizării unei centrale, în condiţii optime de exploatare. 6. Investiţia specifică pe energia echivalentă de vârf, semivârf şi bază de 1 kWh: Acoperirea curbei de sarcină pe zone (vârf, semivârf şi bază) necesită din partea centralelor electrice anumite caracteristici tehnice şi economice, ceea ce a dus la specializarea lor. i Ev =

INV ; E Ev

i Es =

INV INV (4.35) ; i Eb = E Eb E Es

7. Costul energiei electrice echivalente: 132

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

c Ev =

C ; E Ev

c Es =

C C ; c Eb = E Eb E Es

(4.36)

Acest indicator specific ilustrează costurile diferite ale energiei electrice furnizate pentru acoperirea zonelor de pe curba de sarcină. Costul este mai ridicat pentru zona de vârf şi mai scăzut pentru zona de bază. Acoperirea necesarului de energie electrică prin exploatarea raţională a centralelor electrice Necesarul de energie electrică se furnizează în funcţie de necesităţile ce apar din curbele de sarcină pe anumite perioade de timp (fig.4.25). Astfel: -

CHE fluviale (de exemplu, Porţile de Fier), CET mari şi medii şi CNE sunt utilizate pentru acoperirea necesarului de bază şi se mai numesc şi centrale de bază; CTE şi CHE de puteri medii şi mici completează necesarul de energie în zonele de semivârf; CHE - cu baraj şi lac de acumulare (Bicaz, de exemplu), CHE cu pompaj, CTE cu turbine cu gaze şi centralele magnetohidrodinamice pot acoperi vârfurile de consum .

-

P kW

CHE, CTEG, CHEP CMHD,

Zona de vârf Zona de semivârf

CTE, CHE mici şi medii

CTE mari şi medii CHE mari CNE 0

6

12

Zona de bază

18

24 h

Fig.4.25. Acoperirea necesarului de energie electrică prin exploatarea raţională a diferitelor tipuri de centrale electrice: nuclearo-electrice (CNE); hidrocentrale (CHE); termocentrale (CTE); termocentrale pe gaz (CTEG); magnitohidrodinamice (CMHD); centrale electrice cu pompaj (CHEP).

În cazul în care apare un consum mare de energie mai intră în funcţiune centralele hidroelectrice reversibile (cu pompaj), ce funcţionează cu randamente de 66%, sau în unele ţări centralele magnetohidrodinamice MHD.

133

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

4.8. Politici energetice Opţiunea fiecărei ţări pentru modalităţile de producere a energiei electrice a fost influenţată de resursele energetice şi de politica proprie de protecţie a mediului. Franţa a optat pentru obţinerea energiei electrice în proporţie de aproximativ 73% din surse nucleare, Germania a optat pentru centrale termoelectrice 66,5% din totalul producţieide energie electrică, datorită rezervelor de cărbuni, Norvegia a optat pentru centrale hidroelectrice în proporţie de 99,64%, datorită politicii ecologice ce s-a pronunţat ferm contra centralelor nuclearoelectrice, Islanda şi Noua Zeelandă valorifică în proporţie de 4,74% şi respectiv 6,52% resursele geotermale etc. Germania se pronunţă astăzi pentru oprirea producţiei pe bază de centrale nuclearoelectrice. Tabelul 4.3 prezintă opţiunile cătorva ţări şi ale României pentru obţinerea energiei electrice din diverse surse. România, cu toate că este ţara cu cea mai mare producţie de petrol şi de gaze naturale din regiunea Mării Negre, mai importă resurse energetice şi chiar electricitate. Resursele energetice interne reprezintă o proporţie semnificativă din necesarul energetic al ţării: 43% din petrolul prelucrat, 82% din consumul de gaze naturale, 77% din consumul de antracit şi lignit şi 99% din consumul de electricitate. Producţia de energie electrică se va realiza şi în viitor, în proporţia cea mai mare, tot în termocentrale. Reabilitarea unor grupuri electrogene în termo- şi hidrocentrale va creşte eficienţa economică şi va prelungi durata de exploatare a unor unităţi. Până în 2005 se va da în exploatare şi unitatea numărul 2 a centralei nuclearoelectrice de la Cernavodă, cu o putere de 700 MW. Consumul de energie electrică se repartizează în proporţie de aproximativ 59% pentru industrie, 4% pentru agricultură, 4,9% pentru transporturi şi telecomunicaţii şi 15% pentru consumul casnic (tabelul 4.4). Aceste proporţii se vor menţine şi în următorii 20 de ani. Consumul casnic a crescut în România de aproape trei ori faţă de valoarea 5-6% din 1989, dar este mai mic faţă de consumurile din alte ţări dezvoltate (de exemplu în SUA, consumul populaţiei reprezintă aproximativ 30% din consumul total). Tabelul 4.3. Ponderea surselor de energie în producţia de energie electrică (%) în anul 1992. Surse Nucleară Hidro Geotermală Termică regenerabile Elveţia 39,81 57,81 2,37 Franţa 72,77 15,59 0,13 11,51 Germania 29,54 3,93 0,01 66,52 Islanda 95,15 4,74 0,11 Japonia 24,46 10,14 0,20 65,20 Norvegia 99,64 0,36 România* 10 9,9 79,1 Europa 31,70 19,59 0,15 0,07 48,49 134

CAPITOLUL IV – Procese tehnologice de valorificare a resurselor energetice

America Nord

de

19,70

15,07

0,44

0,09

64,69

• Datele pentru România sunt pentru anul 1999. La valorile prezentate se adaugă, pentru închiderea bilanţului la 100%, 1% energie electrică importată. Tabelul 4.4. Repartizarea consumului de energie electrică în România. Consum de energie electrică Industrie Construcţii Transporturi şi telecomunicaţii Agricultură şi silvicultură Servicii Consum casnic

2000 TWh, % 26,5-58,8 0,7-1,6

2010 TWh, % 35,5-57,2 1,6-2,6

2020 TWh, % 44,3-56 2,6-3,3

2,2-4.9

3,2-5,2

4,3-5,4

1,8-4

2,8-4,5

3,8-4,8

7-15,6 6,8-15,1

9,5-15,3 9,4-5,2

11,6-14,7 12,4-15,7

Rezumat Sursele de energie de care dispune omenirea în prezent sunt: - naturale sau primare (epuizabile şi inepuizabile); - transformate sau secundare; - alternative. Se caracterizează fiecare tip de resursă energetică. Energia electrică este forma cea mai utilizată de energie. Se obţine în cantităţile cele mai mari în centralele convenţionale: termo-. atomo- şi hidrocentrale. Centralele neconvenţionale au încă o pondere redusă în producţia mondială de energie electrică. Centralele convenţionale sunt prezentate prin lanţul corespunzător de transformari energetice, schema de funcţionare, aprecieri tehnico-economice. Funcţionarea centralelor electrice se urmăreşte pe curba de putere (de sarcină), şi prin indicatori: indicele de aplatisare, factorul de simultaneitate ş.a. Cuvinte cheie surse de energie epuizabile putere calorică surse primare neepuizabile surse secundare de energie centrale termoelectrice combustibili nucleari centrale nuclearoelectrice centrale hidroelectrice curba de putere factor de simultaneitate 135

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

indice de aplatisare 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Bibliografie suplimentară Socolescu A., Angelescu A., „Bazele tehnologiei industriale”, Ed.ASE, Bucureşti, 2001; Ionescu Tr.G., Pop G., „Ingineria sistemelor de distribuţie a energiei electrice”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998; Leca A., „Principii de management energetic”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1996; Mărginean D.D., „Energetica lumii vii”,EDIMPEX-Speranţa, Bucureşti,1992, *** Revista de energetică nucleară; *** „Energetica şi protecţia mediului înconjurător”, INID, Bucureşti, 1992. Întrebări recapitulative 1. Cum se clasifică sursele de energie? 2. Ce sunt sursele de energie epuizabile? Exemple. 3. Ce sunt sursele de energie inepuizabile? Exemple. 4. Cum funcţionează o centrală termoelectrică cu condensaţie? 5. Cum se calculează randamentul unei centrale termoelectrice cu termoficare? 6. Cum funcţionează o centrală atomoelectrică cu două circuite? 7. Cum funcţionează o centrală hidroelectrică? 8. Ce reprezintă curba de putere (de sarcină)? 9. Cum se calculează factorul de simultaneitate? 10. Cum intră în funcţiune centralele electrice (acoperirea curbei de putere)?

136

CAPITOLUL V – Materiale speciale

CAPITOLUL V MATERIALE SPECIALE CUPRINS 5.1. Tehnologii de fabricare a semiconductorilor 5.2. Tehnologii de fabricare a circuitelor integrate 5.3. Tehnologii de realizare a memoriilor 5.4. Materiale compozite

5.1. Tehnologii de fabricare a semiconductorilor 5.1.1. Clasificarea materialelor semiconductoare Semiconductorii sunt materiale a caror conductivitate electrica -4 -8 -1 -1 (10 ÷10 ? m ) este cuprinsa între cea a dielectricilor si cea a conductorilor, fiind dependenta de sensul curentului, de temperatura, de iluminare, de tensiune, de structura, de presiune, de câmpul magnetic etc. În miscarea lor într-un câmp electric, purtatorii de sarcini electrice se ciocnesc de moleculele, atomii sau ionii care formeaza mediul în care se face deplasarea. Rezistenta mediului la trecerea curentului electric depinde de natura materialului, temperatura, umiditate, iluminare etc. În functie de marimea acestei rezistente, materialele se clasifica: - izolatori, care practic nu contin nici un fel de purtatori de sarcina; - conductori, cu un numar mare de purtatori de sarcina mobili;

137

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

semiconductori, materiale cu conductibilitatea cuprinsa între aceea a izolatorilor si a conductorilor.

legatura incompleta (gol)

electron liber

a

b

Fig.5.2 Materiale semiconductoare extrinseci: a - tip "n"; b - tip "p".

Mecanismul conductiei si natura purtatorilor de sarcina difera cu natura materialului si cu starea de agregare. Pentru solide, conductia se explica prin existenta unor benzi de energie (fig. 5.1), în care se grupeaza nivelele pe care se afla electronii. Benzile complet ocupate cu perechi de electroni sunt numite benzi de valenta, iar cele neocupate, sau ocupate incomplet sunt benzi de conductie. Între benzile energe tice se poate gasi o zona interzisa, de latime variabila. În acest caz, trecerea unui electron din banda de valenta în cea de conductie se poate face numai cu un aport exterior de energie. Izolatorii au latimea benzii de energie interzisa foarte mare, > 3-10 eV, semiconductorii au o banda de energie interzisa mai îngusta (< 3 eV), iar la conductori aceasta lipseste. Conductia în semiconductori se explica prin existenta unor purtatori de sarcina negativa (electroni) si a unor purtatori de sarcina pozitiva (goluri) (fig.5.2). Clasificarea materialelor semiconductoare are la baza urmatoarele criterii: 1. Mecanismul conductiei. În functie de acest criteriu, se deosebesc: - semiconductori intrinseci, la care proprietatile conductive se datoresc perechilor electron-gol formate numai datorita energiei termice a componentilor cristalului. Este cazul materialelor semiconductoare aflate într-o stare de înalta puritate, ca siliciu si germaniu. - semiconductori extrinseci, materiale la care s-a marit conductivitatea prin adaus (dopaj) de alte elemente. Elementele dopante se adauga în raport de o parte, la 109 ÷ 10 10 parti material semiconductor. Dupa natura elementului dopant se formeaza materiale semiconductoare de tip: ? n - la o dopare cu impuritati donoare de electroni, ca fosfor, arsen, stibiu (elemente din grupa a V-a a sistemului periodic); ? p - când materialul semiconductor este dopat cu impuritati acceptoare de electroni, ca bor, aluminiu, galiu, indiu (elemente din grupa a III-a sistemului periodic).

138

CAPITOLUL V – Materiale speciale

2. Natura fortelor de legatura dintre atomii cristalului Dupa acest criteriu, materialele semiconductoare se clasifica în: - Materiale cu atomii legati prin legaturi covalente (cele mai utilizate la fabricarea dispozitivelor semiconductoare). Cristalele sunt rigide, dure, de ex: germaniul, siliciul, staniul cenusiu, carbura de siliciu (carborundul). Tot din aceasta clasa fac parte si semiconductoarele intermetalice (aliaje binare ale unor elemente din grupele III si V), ca: GaAs, InSb, InP etc. - Materiale din grupa a VI-a a sistemului periodic: sulful, seleniul, telurul. Legatura dintre atomi este mai slaba decât la cele precedente. Se utilizeaza la fabricarea celulelor redresoare si a fotoelementelor. II VI II - Materiale de tip A B (unde A = element din grupa a II-a a sistemului VI periodic si B = element din grupa a VI-a). Exemple: sulfurile, selenurile si telururile de zinc, cadmiu, mercur si plumb. - Oxizi: Cu2 O, VO2 , ZnO, TiO2 , NiO3 , utilizati singuri sau în amestec pentru fabricarea termistoarelor. Utilizarea în electronica a materialelor semiconductoare este conditionata de o serie de factori: tehnologia obtinerii lor, temperatura de topire, reactivitatea chimica în stare topita, stabilitatea chimica a suprafetei, cost. Cea mai larga întrebuintare o au, în prezent, germaniul si siliciul.

5.1.2. Tehnologia obtinerii germaniului Germaniul se gaseste în scoarta pamântului, sub forma de minereuri de germaniu, care contin 6-8% Ge, sau în minereuri de zinc si în unele tipuri de carbuni. Minereurile cu continut relativ mare în germaniu sunt: argiroditul (4Ag 2S·GeS2), germanitul (Cu 6FeGeS), renierita (sulfura complexa de cupru, fier, arsen si germaniu). Deoarece aceste minereuri sunt putin raspândite, extractia principala a germaniului se face din subprodusele rezultate din metalurgia zi ncului si din subprodusele volatile de la combustia carbunelui. Fazele procesului tehnologic sunt urmatoarele (fig. 5.3): a) Extragerea bioxidului de germaniu brut. Materia prima se încalzeste în mediu oxidant, pentru oxidarea germaniului la bioxid, GeO2 , compus foarte stabil. Se obtine oxidul brut cu un continut de 10 - 20% Ge. b) Purificarea chimica a bioxidului brut de germaniu, care cuprinde etapele: - Clorurarea bioxidului la tetraclorura de germaniu: GeO 2 + 4HCl ? GeCl 4 + 2H2 O

(5.1)

Reactia are loc la o temperatura superioara punctului de fierbere al GeCl 4, când se evapora numai GeCl4 si triclorura de arsen, care se capteaza într-un recipient racit la -10°C. - Purificarea GeCl 4 brute, prin rectificare si extractie cu solventi. - Hidroliza GeCl4 cu apa deionizata:

139

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

GeCl4 + 4H2O ? 4HCl + Ge(OH) 4 -

Descompunerea hidroxidului de germaniu la oxid pur: Ge(OH)4 ? GeO 2 + 2H2O

Materie prima Extragere GeO2 Purificare chimica

GeO2 H2

(5.2)

Reducere GeO2 Germaniu (Ge) Purificare Ge Obtinere monocristal de Ge

Fig. 5.3 Fazele procesului tehnologic de obtinere a germaniului.

(5.3)

GeO 2 pur se filtreaza, apoi se usuca (110°C) si se calcineaza la 300-350°C, în cuptor electric. Dupa calcinare, se macina într-o moara cu tub de portelan. c) Reducerea GeO2 la germaniu se realizeaza cu hidrogen în cuptoare tubulare la o temperatura mai mica de 700 °C, pentru a se evita sublimare GeO: GeO2 + H2 ? GeO2 + H2 ?

GeO + H2 O Ge + H 2O

(5.4) (5.5)

Apoi, se ridica temperatura la 1.000-1.050°C pentru a topi pulberea de germaniu rezultata. Scoaterea lingoului din cuptor se face lent, în 20-30 minute, pentru obtinerea unei suprafete regulate (germaniul se dilata la solidificare) si pentru cresterea puritatii (se realizeaza segregarea impuritatilor la partea inferioara a lingoului). Deseurile de la prelucrarea mecanica (taiere, slefuire etc.) se clorureaza la 150-200°C: Ge + 2Cl 2 ? GeCl4

(5.6)

GeCl 4 este introdusa în circuit pentru purificare.

5.1.3. Topirea zonara - proces de purificare fizica Principiul metodei de purificare fizica consta în faptul ca la semiconductorul aflat în stare lichida, care se solidifica lent, concentratia impuritatilor în faza solida este diferita de cea în faza lichida. Unele impuritati scad punctul de topire al aliajului, altele îl ridica. Topirea zonara se poate aplica în mai multe variante: 1) Cristalizare directa, când semiconductorul lichid este supus cristalizarii; dupa solidificare se îndeparteaza capetele cu concentratia mare în impuritati, care merg la purificarea chimica, iar operatia se repeta. 2) Topire zonara simpla, care consta în topirea unei zone a lingoului si deplasarea lenta a acestei zone de-a lungul lingoului; se creeaza astfel un front de topire si unul de solidificare, care vor duce la redistribuirea impuritatilor. Gradul de

140

CAPITOLUL V – Materiale speciale

puritate poate fi marit daca se lucreaza pe o bara foarte lunga, sau daca se realizeaza o zona topita cât mai aproape de lungimea barei, sau prin repetarea procesului. 3) Topire zonara multipla care se realizeaza prin crearea mai multor zone topite, distantate între ele, care se deplaseaza lent. Acest procedeu prezinta urmatoarele avantaje: nu trebuie separate fractiunile impure pentru repetarea procesului; productivitatea este marita, de oarece cristalizarile succesive pot începe imediat ce s-au terminat cele precedente; se reduce contaminarea topiturii cu impuritati adiacente, deoarece numai o mica parte a materialului se gaseste în stare topita. Pentru purificare sunt necesare 10-11 cicluri. În vederea purificarii germaniului prin topire zonara, lingourile de germaniu se depun în nacele de grafit de înalta puritate, sau de cuart si se introduc în tuburi de cuart bine etansate. Operatia se executa sub atmosfera de hidrogen, azot, argon, sau heliu. Tubul de cuart se încalzeste cu curenti de înalta frecventa ce strabat bobine plasate în exteriorul tubului de cuart, pentru a se produce mai multe zone de topire, la o distanta de 5-6 cm. Deplasarea zonelor se realizeaza fie prin deplasarea bobinelor, fie prin deplasarea nacelei. Rezulta un lingou care are rezistivitatea de 50 ? ·cm pentru aproximativ 75% din lungime, apoi între 5-50 ? ·cm pentru 15-20% din lungime, iar pe ultima portiune sub 1 ? ·cm. Prima portiune constituie germaniu pur, a doua se repurifica prin topire zonara, iar a treia se trimite la purificare chimica.

5.1.4. Tehnologia de obtinere a monocristalelor de germaniu Dispozitivele semiconductoare solicita materiale semiconductoare monocristaline, deoarece orice defect în reteaua cristalina modifica proprietatile semiconductoare si scad performantele dispozitivului. Monocristalele de germaniu se obtin prin doua tehnologii: 1) Topirea zonara în pozitie orizontala (fig. 5.4). La marginea nacelei se aseaza un germene monocristalin. Se topeste o zona îngusta de material, procesul care se deplaseaza în directia germaniului monocristalin, pâna ce acesta e umezit în întregime, apoi zona topita se deplaseaza în sens invers. În acest timp, monocristalul creste. Procesul se conduce astfel încât vi teza de crestere a monocristalului sa fie lenta, iar interfata cristal topitura sa fie cât mai plana. 2

Fig. 5.4. Principiul obtinerii unei bare monocristaline prin topire zonara în pozitie orizontala: 1–bara policristalina; 2-zona topita; 3-germene monocristalin de germaniu; 4-bobina strabatuta de un curent de înalta frecventa.

3

4

1

2) Tragerea din topitura (fig. 5.5). În topitura de germaniu se introduce un

141

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

germene cristalin prins de o tija, într-o mandrina. Când germenele începe sa se topeasca, se ridica treptat si se roteste, antrenând topitura, care începe sa cristalizeze. Diametrul monocristalului este în strânsa legatura cu temperatura si viteza de tragere. Se obtin monocristale sub forma de bare de dimensiuni mari, de compozitie omogena si o puritate corespunzatoare, deoarece nu vin în contact cu peretii creuzetului.

H2

1

2 3 4 5

6

Fig. 5.5. Schita instalatiei de tragere din creuzet a monocristalului de germaniu: 1-clopot de sticla; 2-mandrina port germene; 3-monocristal tras; 4-creuzet de grafit; 5-bobina de încalzire; 6-germaniu topit; 7-termocuplu.

7 H2

Dioxid de siliciu, SiO 2

Reducere carbotermica

Siliciu, 98%

Purificare chimica

5.1.5. Tehnologia obtinerii siliciului Spre deosebire de germaniu, siliciul este foarte raspândit în scoarta pamântului (27%), sub forma de dioxid de siliciu, sau de silicati. Procesul tehnologic cuprinde urmatoarele faze (fig. 5.6.): A. Reducerea carbotermica SiO2 se realizeaza cu cocs, în cuptoare electrice (Siemens) conform reactiei:

Purificare zonara

SiO 2 + 2C = Si + 2CO Obtinere monocristal de Si

Siliciu monocristal ? s = 3000 ? ·cm? Fig. 5.6. Fluxul tehnologic pentru obtinerea siliciului monocristalin.

(5.7)

B. Purificarea chimica a siliciului. Siliciul de puritate 98 % nu poate fi purificat decât prin procedee chimice. Se pot utiliza doua directii: a) clorurarea siliciului, care se realizeaza prin trecerea clorului peste siliciul tehnic încalzit la 500 °C:

142

CAPITOLUL V – Materiale speciale

Si + 2Cl 2 = SiCl 4

(5.8)

Tetraclorura de siliciu obtinuta este apoi distilata pentru separarea de calciu, magneziu, cupru, bor care se recupereaza. b) hidrogenarea siliciului la silani: nSi + (n+1)H2 = Si nH2n+2 (n = 1-6)

(5.9)

Silanii fiind produse gazoase pot fi purificati mult mai usor decât halogenurile, care sunt produse lichide sau solide. Din compusii rezultati mai sus, siliciul se obtine prin reducere cu hidrogen (metoda avantajoasa, datorita consumului relativ mic de energie, iar HCl se separa usor de siliciu): SiCl 4 + 2H2 ? Si + 4HCl

(5.10)

si descompunere termica, la 500-900 °C: SiH4 ? Si + 2 H2

(5.11)

Reactia se conduce folosind ca suport de depunere a siliciului, cuart, tantal (fir, folie sau tub), wolfram etc., o bara de siliciu foarte pur, sau un germene monocristalin. Încalzirea suportului se face cu curent de înalta frecventa. Se obtine siliciu de foarte mare puritate, apropiata de rezistivitatea intrinseca. C.

Purificarea siliciului prin topire zonara

H2 4

3

2 1 H2

Fig. 5.7. Instalatia de purificare zonara fara creuzet a siliciului: 1-tub de cuart; 2-bobina cuptor cu inductie; 3-bara de siliciu; 4-mandrina de prindere.

Purificarea zonara se realizeaza fara creuzet, întrucât siliciul reactioneaza cu grafitul sau cuartul din care se confectioneaza creuzetul. Topirea zonara se realizeaza pe o zona egala cu diametrul barei, utilizând o bobina parcursa de curent de înalta frecventa, (fig. 5.7.). 4) Obtinerea monocristalului de siliciu Obtinerea siliciului monocristalin ridica aceleasi probleme ca topirea zonara: temperatura ridicata si pericolul impurificarii siliciului.

143

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Procedeele utilizate sunt: - Topirea zonara fara creuzet, asemanatoare topirii zonare, dar la capatul lingoului policristalin se aseaza un germene monocristalin de siliciu. Zona topita se deplaseaza de la germene catre materialul semiconductor. Rezistivitatea finala a siliciului atinge 3.000 ? .cm. - Tragerea monocristalului din topitura. Se topeste siliciul în creuzet de cuart. -3 Viteza de tragere este foarte mica (10 cm/s). Puritatea cristalelor este mai mica, de 200-300 ? ·cm, dar suficienta pentru confectionarea unor dispozitive semiconductoare.

5.1.6. Impurificarea controlata a materialelor semiconductoare (doparea) Impurificarea se realizeaza în scopul obtinerii unei anumite conductibilitati, respectiv a jonctiunilor pn, npn etc. Concentratia impuritatilor în semiconductor poate fi: - uniforma - materialul semiconductor se topeste împreuna cu elementul de dopare [P (fosfor), B (bor)] si apoi se obtine monocristalul prin tragere din topitura; - variabila - impurificarea se realizeaza prin difuzia la suprafata semiconductorului topit, prin aliere la suprafata a semiconductorului cu impuritatea, sau prin implantare ionica. 1) Impurificare controlata prin difuzia elementului dopant (fig.5.8). 1 Fig. 5.8. Instalatia pentru difuzia în tub deschis, cu gaz purtator: 1-tub de cuart; 2-impuritati de dopare; 3-plachete de siliciu. H2

2

3

Elementele dopante bor sau fosfor (în functie de natura jonctiunii ce urmeaza sa se realizeze), din combinatiile BBr 3 , respectiv PCl 5 , sunt antrenate cu hidrogen în spatiul 3. Acestea difuzeaza pe suprafata plachetelor (3), preparate în prealabil prin deschidere de ferestre, depunându-se în ferestrele respective. 2) Depunerea epitaxiala a siliciului pe siliciu si impurificarea stratului epitaxial (fig. 5.9.) Epitaxia este procedeul prin care se creeaza pe semiconductorul suport al unui strat de semiconductor monocristalin, strat care pastreaza orientarea cristalina a semiconductorului initial, dar prezinta o conductibilitate diferita de cea a suportului. Siliciul se depune epitaxial pe siliciu, în care în prealabil au fost create ferestre pentru realizarea jonctiunilor, prin reducerea triclorsilanului, sau a tetraclorurii de siliciu cu hidrogen. Se obtin straturi cu o rezistivitate de 10 ? ·cm.

144

CAPITOLUL V – Materiale speciale

Triclorsilanul este antrenat de hidrogen în recipientul de depune re, unde are loc reducerea la siliciu, care se depune epitaxial pe un suport de siliciu monocristalin (930-1400 °C). Din flacoanele 3 si 4 se antreneaza cu hidrogen SiHCl 3 cu impuritati (bromura de bor sau pentaclorura de fosfor), care ajungând la recipientul 5 se reduc si se depun în stratul epitaxial, formând jonctiunea corespunzatoare ( pn). H2

H2

1

6

2

SiHCl SiHCl33

3

SiHCl3 + BBr3

4

SiHCl3 + PCl3

5

pompa

Fig. 5.9. Instalatia pentru cresterea epitaxiala a siliciului cu posibilitatea de dopare a stratului epitaxial: 1-dispozitiv de purificare a hidrogenului; 2, 3, 4-flacoane cu triclor silan si impuritati; 5-recipientul de depunere; 6-debitmetre.

3) Impurificare prin implantare ionica Aceasta tehnologie se bazeaza pe bombardarea plachetei de material semiconductor cu ioni de impuritati: (B+3, Al +3 , P+5 , As +5), în prealabil accelerati cu o energie de 40-300 keV. Energia le permite ionilor sa patrunda direct în materialul semiconductor, în cantitate controlata. Se realizeaza structuri mai mici, viteza de comutare este mai mare. Se înlatura dezavantajul tehnologiei MOS standard - difuzia laterala sub contururile deschiderilor practicate în oxid.

5.2. Tehnologii de fabricare a circuitelor integrate Dezvoltarea electronicii a condus la realizarea de echipamente tot mai complexe, care folosesc un numar mare de componente. Cresterea numarului de componente ale unui echipament electronic a ridicat probleme la implantarea acestora, iar numarul mare de conexiuni scadea fiabilitatea aparaturii. Aceste probleme au fost rezolvate prin utilizarea circuitelor complexe integrate care au marit si performantele tehnice si economice ale echipamentelor electronice. Scazând numarul de conexiuni în dispozitivul asamblat cu circuite integrate, factorul de fiabilitate creste, depasind 0,01% pentru 1000 ore de functionare. Un circuit integrat este un circuit electronic complet, realizat pe o bucata mica de material semiconductor (cip). Cipul se încapsuleaza în capsule si se utilizeaza ca o singura componenta. Circuitele integrate se clasifica în functie de gradul de complexitate: - CI pe scara mica (SSI - Small Scale Integration) cu pâna la 100 componente/cip;

145

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

CI pe scara medie (MSI-Medium Scale Integration) cu 100-3.000 componente/cip; - CI pe scara mare (LSI - Large Scale Integration), cu 3.000-100.000 componente/cip; - CI pe scara foarte mare (VLSI - Very Large Scale Integration), cu pâna la 100.000-1.000.000 componente/cip; - CI pe scara ultra mare (ULSI - Ultra Large Scale Integration), cu peste 1.000.000 componente pe cip. Cresterea complexitatii circuitelor integrate a dus atât la scaderea rapida a costurilor sistemelor clasice de prelucrare a informatiei, cât si la sporirea performantelor acestor sisteme, ajungându-se la un înalt grad de prelucrare simultana (paralela) a informatiei. Dimensiunile elementelor din care se constitue circuitele electronice s-au redus considerabil, odata cu cresterea densitatii pe unitatea de suprafata a integratului. Astfel, 2 în curând se vor comercializa componente cu circa 42 de milioane tranzistori/cm (de ex., procesoarele Intel-Pentium IV: tabelul 5.1). În tehnologia circuitelor integrate, care realizeaza în acelasi timp toate componentele de circuit, se disting doua directii principale : - tehnologia bipolara, cu componentele realizate în masa unui semiconductor, utilizând jonctiunile semiconductoare pn; - tehnologia MOS - cu componentele realizate la suprafata unui semiconductor, având la baza structuri metal - oxid - semiconductor. Primul procedeu realizeaza dispozitive cu performantele cele mai ridicate, dar al doilea este mai simplu si permite integrarea unui numar mare de componente. Ambele tehnologii utilizeaza ca material semiconductor siliciul, tehnologia standard. Pentru dispozitivele care utilizeaza curent de înalta frecventa (de exemplu, 1 GHz) se utilizeaza arseniura de galiu (GaAs) si tehnologia Si-Ge (patent IBM). Tehnologiile de realizare a circuitelor integrate pe placuta de siliciu utilizeaza fotolitografia, procedeu care consta într-o serie de procese fizico-chimice pentru formarea la suprafata plachetei de siliciu a unui strat protector, cu o configuratie corespunzatoare circuitului integrat. În acest scop, placheta de siliciu se oxideaza, apoi se acopera cu un material polimeric numit fotorezist. Acest material este solubil în solutii de acizi, sau baze, dar devine insolubil când este expus la lumina ultravioleta. Se aseaza apoi peste placheta o foaie de mascare, care contine suprafete opace si transparente, numita fotomasca (masca). Pastila se supune apoi iradierii la lumina ultravioleta. Acolo unde lumina trece prin suprafetele transparente ale mastii, fotorezistul devine insolubil, iar sub regiunile opace, fotorezistul ramâne solubil si poate fi îndepartat prin dizolvare. Dupa dizolvare, stratul de oxid ramâne descoperit. Introducând placheta într-o solutie de HF, oxidul de siliciu neacoperit este dizolvat, lasând expus siliciul. Fotorezistul insolubil se îndeparteaza printr-un proces de dizolvare special, pentru a obtine placheta de siliciu oxidat, cu ferestre. Prin aceste ferestre se realizeaza în faza urmatoare, difuzia impuritatilor în stratul de siliciu, prin dopare dirijata. Fotorezistoarele sunt compusi cu o stabilitate foarte mare la actiunea acizilor si bazelor, deoarece în procesele de corodare chimica, sau de depunere electrolitica,

146

CAPITOLUL V – Materiale speciale

stratul protector de fotorezist se afla în contact cu agentii chimici foarte corozivi (HF, HNO3 , H2 SO4, NaOH, KOH). Fotorezistoarele se confectioneaza din mase plastice de polimerizare, cu adaos de alte materiale, pentru marirea rezistentei la coroziune chimica. Foarte rezistente sunt fotorezistoarele confectionate pe baza de cauciuc, cu care se poate realiza o corodare chimica a siliciului pâna la adâncimi de 100 microni. Fotorezistoarele se clasifica în pozitive si negative. Daca în urma expunerii la lumina, solubilitatea fotorezistului creste, fotorezistul este pozitiv. În caz contrar, fotorezistul este negativ. Fotorezistoarele pozitive sunt sensibile la actiunea solutiilor bazice, dar nu dau fenomenul de aureolare ca în cazul celor negative (prezinta o rezolutie mai buna). Alegerea unui anumit tip de fotorezist depinde de scopul procesului fotolitografic. Fotomasca (fotosablonul) este o placa de sticla, sau alt material, (polimetacrilat de metil) pe suprafata careia sunt imprimate desene cu elementele circuitelor integrate. Fotomastile pot fi de doua tipuri: pozitive si negative. La fotomastile pozitive, elementele circuitelor integrate sunt din materiale opace la radiatia activa, pe un fond transparent; La fotomastile negative, circuitele sunt transparente, pe un fond opac la radiatia activa. Fotomastile trebuie sa satisfaca, în principal, urmatoarele cerinte: - putere de rezolutie mare (în prezent se folosesc fotosabloane cu elemente a caror dimensiuni sunt sub 0,1 microni); - numar mare de imagini pe suprafata de lucru (se pot realiza 10-10.000 de elemente identice pe suprafata fotosablonului); - planeitate buna a fetei de lucru a fotomastii (abaterea nu trebuie sa fie mai mare de 0,5 microni); - stabilitate mare în timp a desenului si a dimensiunilor lui; - precizie mare, de fractiuni de micron, în pozitionarea succesiva a setului de fotomasti, necesar pentru realizarea dispozitivelor cu mai multe straturi. Înainte de realizarea fotomastilor, se calculeaza elementele active, pasive si conexiunile care fac parte din circuitul integrat. Dupa aceasta, machetele fotomastilor sunt desenate la o scara mai mare decât originalul. Desenele originale, marite de 100-1000 ori sunt trasate cu un coordinograf pe sticla acoperita cu un lac netransparent. Desenele sunt apoi fotografiate (cu micsorarea dimensiunilor) si multiplicate, pe placi fotografice. Practic, imaginea micsorata este transpusa pe placi de sticla, sau metacrilat de metil, cu straturi de emulsie fotosensibila, sau cromate. Aceste placi, prelucrate prin developare, sau coroziune chimica, vor deveni fotomastile (fotosabloanele).

Fig. 5.10. Obtinerea imaginii multiplicate. 1-originalul; 2-placa cu aperturi; 3-placa din sticla organica cu lentile sferice (pentru micsorarea desenului); 4-emulsia fotosensibila; 5placa fotografica; 6-imaginea multiplicata a fotomastii.

147

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

5.2.1. Fazele procesului tehnologic de fabricare a unui circuit integrat monolitic Pe o placheta de siliciu, taiata dintr-un lingou de Si monocristalin, se realizeaza simultan sute de circuite integrate identice, dupa care placheta se taie în cipuri identice. Fazele procesului tehnologic sunt urmatoarele: - prepararea placii de siliciu (fig. 5.11); - prepararea fotomastilor (fig. 5.12); - realizarea componentelor si interconexiunilor (fig. 5.14). Purificarea siliciului

Determinarea topologiei circuitului

?

?

Tragerea Si monocristalin

Desenarea pe Rubilith

?

?

Taiere monocristal de Si

Fotografierea desenelor si micsorarea acestora

?

?

Polisare placheta

Repetarea mastii pe o suprafata egala cu a plachetei taiate

? Placheta Si

? Masca

(diametru = 5-10 cm, grosime = 0,1 mm) Realizarea componentelor si a interconexiunilor prin tehnologia standard cuprinde Fig. 5.11. Prepararea plachetei de material semiconductor.

Fig. 5.12. Prepararea fotomastii

urmatoarele operatii (fig. 5.13.): 1. oxidare Si la SiO2 în cuptor la 1100 °C; 2. acoperirea cu fotorezist prin centrifugare; 3. fotomascare (M1 ); 4. iradiere cu radiatii UV; 5. developare; 6. gravare (deschidere de ferestre în stratul de SiO2 ); 7. îndepartarea fotorezistului de pe suprafata SiO 2; [Operatiile 1-7 constituie procesul fotolitografic de deschidere de ferestre în stratul de oxid de siliciu] 8. difuzie (As) pentru realizarea jonctiunii pn; 9. epitaxie;

148

CAPITOLUL V – Materiale speciale

10. oxidare - fotomascare, iradiere pentru contacte (aluminiu); 11. taiere si verificare; 12. separarea cipurilor; 13. montarea (încapsularea) cipurilor. Operatiile: oxidare Si la SiO 2, acoperire cu fotorezist, fotomascare (M2 , M3 ) iradiere UV, developare, gravare, dopare, epitaxie, se repeta în functie de gradul de complexitate al viitorului dispozitiv electronic.

149

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Siliciu

Masca

? ?

? ?

Oxidarea suprafetei la dioxid de siliciu (SiO 2). Depunerea prin centrifugare, a unui strat fotosensibil care se întareste la 90°C.

Mascare (M1). Iradiere cu lumina ultravioleta (u.v.).

Developare

? ?

Deschidere de ferestre în stratul de SiO 2 prin atac chimic (HF) Îndepartarea stratului de fotorezist (cu tricloretilena)

Difuzia de arsen pentru realizarea unui strat intern de siliciu impurificat

? ?

Îndepartarea oxidului Depunerea unui strat epitaxial de Si tip n

Oxidare si deschidere de ferestre pentru zonele de izolare

? ?

Difuzia p+ pentru realizarea zonelor de izolare Reoxidare si deschidere de ferestre

? ?

Difuzia p pentru baza Reoxidare si deschidere de ferestre

? ?

Difuzia de arsen pentru contactul colector (n +) Reoxidare

? ?

Deschidere de ferestre pentru depunerea conexiunilor Depunerea unui strat uniform de aluminiu

? ?

Delimitarea conexiunilor Depunerea unui al 2-lea nivel de interconexiuni (daca este nevoie)

Fig. 5.13. Etapele tehnologiei bipolare pentru realizarea unui tranzistor pnp pe o placheta de siliciu.

150

CAPITOLUL V – Materiale speciale

Placheta de siliciu pe care s-au realizat circuitele integrate se zgârie cu diamant, apoi se sparge în cipuri individuale, prin alunecarea unui rulou de cauciuc. În final cipul este montat în rama capsulei si conectat la pinii (terminalele) capsulei printr-un fir de aur (fig. 5.14.)

Fig. 5.14. Capsule standard pentru circuite integrate.

În tehnologia bipolara se realizeaza tranzistori npn sau pnp. Tranzistorii npn au suprafata dopata cu fosfor, care joaca un dublu rol: - atrage impuritatile metalice (cupru, fier, aluminiu), marind durata de viata a purtatorilor mobili de sarcina în siliciu; - stabilizeaza ionii alcalini (Na+, K+, sau Li +) în silice, pasivând în acest fel jonctiunile. Tranzistoarele npn pe siliciu sunt teoretic mai rapide, deoarece mobilitatea electronilor este mai mare de aproape trei ori decât la cele de tip pnp.

5.2.2. Tehnologia MOS Tehnologia MOS presupune formarea unui strat de oxid pe seconductorul (siliciu) de înalta puritate. Principalele etape ale procesului tehnologic de fabricare a unui tranzistor prin tehnologia MOS sunt prezentate în fig. 5.15. Tehnologia MOS, în comparatie cu tehnologia bipolara, este mult mai simpla. Aceasta tehnologie necesita (pentru exemplul dat) patru fotogravari si o operatie de difuzie, putin profunda. Practic, se obtine un dispozitiv bidimensional, care nu necesita separare între componente. Prin folosirea tranzistorilor MOS în combinatie cu tranzistorii bipolari (BI) se obtin structuri "hibride" MOS-BI, largindu-se astfel domeniul de utilizare al circuitelor integrate. Prin tehnologia CMOS se obtin circuite integrate de foarte mare densitate a componentelor, cele mai reprezentative fiind procesoarele calculatoarelor. Principalele caracteristici ale procesoarelor INTEL sunt prezentate în tabelul 5.1. Din tabelul 5.1 se remarca pe lânga cresterea vitezei de lucru (s-a anuntat deja fabricarea procesorului de 1500MHz) si a numarului de tranzistori pe cip, o reducere importanta a tensiunii de alimentare. Acest din urma fapt este determinat, în primul rând, de valorile tot mai mari de putere consumata de catre procesoarele cu tranzistori tot mai multi si frecventele de lucru tot mai mari. Practic, asemenea cipuri necesita curenti tot mai mari, ceea ce se traduce prin sporirea caldurii generate în timpul functionarii,

151

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

caldura care reprezinta unul din principalii dusmani ai tranzistorilor (de altfel, a tuturor dispozitivelor semiconductoare). Astfel, prin reducerea tensiunii de alimentare se ajunge atât la micsorarea puterii consumate (se diminueaza caldura degajata), cât si la eliminarea riscului de strapungere a legaturilor dintre tranzitoare. Pentru a valorifica suprafata cipului, în sensul plasarii a cât mai multi tranzistori, traseele conductoare sunt din ce în ce mai fine, ajungând sa fie de câteva ori mai subtiri în comparatie cu firul de par uman. Pentru viitor, procesoarele vor continua sa-si reduca dimensiunile si sa creasca ca viteza, respectând cel putin asa numita lege a lui Moore (Gordon Moore, fost director la Intel Corporation la începutul anilor '90), conform careia procesoarele îsi dubleaza performantele la fiecare 18 luni. Oxidarea suprafetei la dioxid de siliciu (SiO 2)

Siliciu

Masca 1 Deschidere de ferestre

? ?

Difuzia de bor în stratul de la suprafata Reoxidare Masca 2

? ?

Deschidere de ferestre Depunerea unui strat subtire de oxid de înalta puritate Masca 3 Deschidere de ferestre pentru contacte

Depunerea unui strat subtire de aluminiu pentru contacte Masca 4

Delimitarea conexiunilor

Fig. 5.15. Etapele de fabricare ale unui tranzistor prin tehnologia MOS pe o placheta de siliciu (S - sursa; D - dren; G - grila).

5.2.3. Consideratii tehnico-economice În comparatie cu circuitele constituite din componente plantate pe placa imprimata, circuitele integrate prezinta numeroase avantaje, cum ar fi: - performante superioare; - siguranta mare în functionare; - diminuarea (pâna la un anumit prag) costurilor, odata cu sporirea

152

CAPITOLUL V – Materiale speciale

complexitatii func tionale; volum si greutate mult mai reduse; posibilitati nelimitate de realizare a geometriei de prelucrare a suprafetei cipului. Pe lânga aceste avantaje care au impus circuitele integrate pe piata mondiala, nu trebuie neglijate si unele dezavantaje: - tehnice (nu se pot realiza inductante etc.); - tehnologice - realizarea tranzistoarelor pnp este destul de complicata, iar performantele sunt mai reduse; -

Tabelul 5.1. Date importante privind procesoarele INTEL. Procesor 4004 8008 8080 8086 8088 80286 80386 SX 80386 DX 80486 DX Pentium Pentium Pro Pentium II Celeron Pent. Xeon Pentium III Pentium IV

Viteza ceasului, MHz 0,108 0,108 2 5-10 8 6-12 16-33 16-40 25-100 60 75 233 150-200 233-450 266-450 400-850 400-800 1,4-1,5 GHz

Tensiunea de alim, V 5 5 5 5 5 5 5 5 5 5 3,3 3,3 2,9 1,8 1,8 1,8 1,8 ?

Latimea busului, bits 4 8 8 16 8 16 16 32 32 32 32 32 64 64 64 64 64 400

Numar de tranzistori 2.300 3.500 6.000 29.000 29.000 134.000 275.000 275.000 1,2 mil 3,1 mil 3,3 mil 4,0 mil 5,5 mil 7,5 mil 7,5 mil 7,5 mil 10-12 mil 42 mil

Data lansarii pe piata 1971 1972 1974 1978 06/1979 02/1982 10/1985 1988 04/1989 03/1993 04/1994 01/1995 09/1995 05/1997 04/1998 04/1998 04/1999 nov, 2000

Costul unui circuit integrat este proportional cu suprafata cipului sau. Totusi, costul total al CI este mai mic decât costul total al ansamblului cu componente discrete echivalente. Când complexitatea unui circuit integrat creste, este nevoie de un cip cu dimensiuni sporite. Totusi, pe masura ce suprafata cipului creste, randamentul unor cipuri scade, rezultând o crestere a costului per poarta (fig. 5.16).

153

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Fig. 5.16 Corelatia cost total-numar de porti.

5.3. Tehnologii de realizare a memoriilor 5.3.1. Generalitati despre memorii Din punct de vedere a tehnologiilor de realizare si a modului de lucru, memoriile pot fi mecanice, pneumatice, hidraulice, magnetice, optice, biologice si electronice. În domeniul calculatoarelor se folosesc cu predilectie memoriile electronice (sunt cele mai rapide la aceasta data), iar pentru aplicatiile în car e viteza este mai putin importanta se utilizeaza memoriile magnetice (benzi, discuri floppy, hard discuri, RAM feroelectric) si optice (CD-rom-ul, CD-ul inscriptibil) (tabelul 5.2). Memoria electronica (semiconductoare) mai este considerata memorie interna, iar celelalte constituie memoria externa. Tabelul 5.2. Prezentare comparativa a principalelor tipuri de memorii folosite la calculatoare. Tipul memoriei

Avantaje

Dezavantaje

RAM/ROM

Accesare rapida Viteza de transfer mare

Scumpe

Discul flexibil (floppy disk)

Portabil Foarte ieftin

Capacitate limitata Fiabilitate redusa Accesare lenta Viteza de transfer mica

Hard disk-ul Banda magnetica CD-rom

Capacitate mare Viteza de transfer moderata Capacitate mare Portabila Capacitate mare Portabil

Timp de acces moderat Timp de acces foarte mare Viteza de acces mica Viteza de transfer moderata

5.3.2. Memoria electronica (semiconductoare) În tabelul 5.3 se prezinta câteva caracteristici ale celor mai importante tipuri de memorii electronice.

154

CAPITOLUL V – Materiale speciale

Tabelul 5.3. Principalele caracteristici ale celor mai importante tipuri de memorii electronice. Tipul memoriei Flip-flop (bistabil) Registru

SRAM

DRAM

ROM

PROM EPROM OTPROM EEPROM

FLASH ROM NOVRAM

Proprietati Registru pentru 1 bit. Reprezinta în mod obisnuit elementul constructiv de baza al circuitelor digitale Un set de bistabile care stocheaza un byte sau un cuvânt. Este folosit în cipurile complexe, cum ar fi procesoarele. Retea de bistabile care pot fi adresate. Folosit pentru stocarea temporara a informatiei si pentru memoria cache. O retea de celule de stocare care pot fi adresate. Folosit ca mediu de baza în stocarea informatiei la un calculator. O retea de celule plasate într-un circuit definitiv pentru a executa anumite comenzi. Programarea se face în momentul realizarii cipului. O retea de "sigurante" care pot fi adresate. Programarea se face de catre utilizator, o singura data. Este un ROM care se poate programa si sterge. Stergerea se face prin expunerea la radiatii UV. Este un ROM programabil o singura data. În principiu, este un EPROM, dar fara fereastra. Este un ROM care se poate programa si sterge electric. Are un numar limitat de cicluri programare/stergere. Este un ROM care se poate programa si sterge la nivel de sector. Are un numar limitat de cicluri programare/stergere. Este un RAM static sau un hibrid SRAM/EEPROM alimentat la o baterie.

Citire/ scriere

Volatila

Viteza

Cost/ bit

Da

Da

Ultra rapid

F. mare

Da

Da

Ultra rapid

F. mare

Da

Da

Foarte rapid

Mare

Da

Da

Rapid

Mediu

Nu

Nu

Foarte rapid

Mic

O singura scriere

Nu

Foarte rapid

Mare

Nu

Moderata

Mediu

Nu

Moderata

Mediu

Da

Nu

Mica

Mare

Da

Nu

Moderata

Mediu

Da

Nu

Moderata

Mare

Scrieri multiple O singura scriere

Flip-flop-ul este un circuit bistabil care se gaseste fie în starea 0, fie în 1. Datorita, în principal, simplitatii sale, flip-flop-ul este foarte rapid. Acesta este elementul de baza din componenta circuitelor integrate si a celor digitale. Astfel, flipflop-ul poate fi considerat celula elementara de memorie. Deoarece în absenta alimentarii îsi pierde starea, flip-flop-ul este considerat o memorie volatila. Registrul este un set de circuite bistabile legate în paralel. În mod obisnuit un registru lucreaza pe 8, 16, 32, 64 bits. Daca se foloseste tehnologia dinamica un registru poate fi constituit din celule de stocare în loc de flip-flop-uri. Registrele sunt volatile si foarte rapide, întocmai ca flip-flop-ul. SRAM - Static Random Acces Memory. Practic, un SRAM este alcatuit dintr-o retea de flip-flop-uri care pot fi adresate. Este o memorie volatila, precum flip-flop-ul, care reprezinta celula sa de baza. Deoarece este o memorie simpla si foarte rapida, aceasta se întâlneste atât pe cipul- procesor, cât si în afara sa, acolo unde volumul de memorie necesar este mic. O alta aplicatie a SRAM-ului este memoria CACHE, în

155

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

primul rând datorita vitezei mari de lucru. SRAM-ul se produce într-o gama mare de viteze de lucru, de la câteva nanosecunde (ns) pâna la 200 ns pentru aplicatii lente. Din punct de vedere tehnologic, SRAM-ul se realizeaza atât prin tehnologia bipolara, cât si cea MOS. Circa 95% din SRAM sunt fabricate cu tehnologia CMOS, obtinându-se densitatile cele mai mari de componente si consumul cel mai mic de energie electrica. Memoriile cache sunt realizate prin tehnologia BiCMOS, iar cele mai rapide SRAM-uri pot fi obtinute cu tehnologia ECL (Emitter Coupled Logic). Folosirea acestora din urma este limitata datorita consumului ridicat de putere. Un tip special de SRAM îl constituie memoria CAM (Content Addressable Memory) folosita, îndeosebi, în router-ele de retea. DRAM - Dynamic Random Access Memory. Termenul "dynamic" arata faptul ca informatia nu este memorata într-un flip-flop, ci într-o celula de stocare. Însusirea neplacuta a acestei celule de stocare o reprezinta pierderile de informatie în timp. Din aceasta cauza, la anumite intervale de timp ("refresh time" = 4-64 milisecunde), informatia trebuie citita si rescrisa. Avantajul celulei de stocare consta în aceea ca este formata doar dintr-un condensator si un tranzistor, pe când un flip-flop are 6 tranzistori. La acest avantaj se adauga cel al dispunerii etajate a tranzistorilor si condensatorilor ("trench technology"), ceea ce face ca spatiul ocupat pe cip sa fie redus. Din aceasta cauza, cheltuielile pe bit la tehnologia DRAM sunt mai mici decât cele de la tehnologia SRAM. La memoriile de dimensiuni mai mari, costurile tehnologice mai mici compenseaza dezavantajul circuitelor suplimentare de refresh. Astfel, memoria de lucru a celor mai multe calculatoare consta din memorie DRAM. Din punct de vedere a vitezei de adresare si a comunicarii cu procesorul, DRAM este mult mai lent decât SRAM. Astfel, s-au facut eforturi de proiectare si tehnologice în vederea apropierii performantelor DRAM de cele ale SRAM. În acest sens, în timp, au aparut numeroase tipuri de DRAM, cum ar fi: Fast Page Mode DRAM (la majoritatea producatorilor, ultimele cifre ale codului circuitului integrat sunt "00"); Nibble Mode DRAM (ultimele cifre ale codului circuitului integrat sunt "01"); Static Column DRAM (ultimele cifre ale codului circuitului integrat sunt "02"); Extended Data Out (EDO) DRAM; Pseudo-static RAM (PSRAM) (memorie DRAM care are incorporat circuit automat de refresh); SDRAM (Synchronous Dynamic RAM): viteza de transfer a informatiei ajunge la 133MHz ("burst mode"), fata de doar 30MHz pentru tipurile anterioare de DRAM asincron; RAMBUS - acesta este numele unei companii care a pus la punct standardul rambus. Modulele realizate în conformitate cu acest standard se numesc RIMM. Astazi cipurile de memorie RAM nu mai sunt lipite direct pe placa de baza, ci sunt dispuse (prin metoda montajului de suprafata) pe o placa cu circuit imprimat ("modul de memorie") care poate fi introdusa într-un soclu ("memory bank"). În timp au existat câteva tipuri de placi/module de memorie RAM, dar în ultimii ani s-au impus urmatoarele (fig. 5.17):

156

CAPITOLUL V – Materiale speciale -

SIMM (Single in-line Memory Module) cu 30 de pini (aprox. 9x2 cm) si 72 de pini (aprox. 11x2,5 cm); (aprox. 11x2,5 cm); DIMM (Dual în-line Memory Module) cu 168 de pini (apr ox. 14x2,5 cm) si capacitate de 8-128 MB; SODIMM (Small Outline Dual in-line Memory Module) cu 144 pini si dimensiunea de (5x2,5 cm) având capacitatea de 16-256 MB; RIMM (Rambus în-line Memory Module) - este comparabil cu DIMM-ul din punct de vedere a dimensiunilor si a configuratiei pinurilor, dar foloseste un "bus" de memorie special ("Rambus Chanel") care atinge o viteza foarte mare de transfer a informatiei (800/1600 MHz).

ROM - Read Only Memory. La acest tip de memorie fiecare celula este programata pe

SIMM

DIMM

SODIMM

RIMM

SORIMM

Fig. 5.17. Principalele module de memorie RAM folosite în ultimele configuratii de calculatoare.

pozitia 0 sau 1 direct din fabricatie, prin prezenta sau absenta unui conductor de aluminiu. Se folosesc pentru: VGA bios, echipamentele de automatizare etc.

157

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

PROM - Programmable ROM. Se fabrica prin tehnologia bipolara (capacitate limitata), iar programarea de catre utilizator înseamna "arderea" unor legaturi, prin folosirea unor curenti relativ mari. Astfel, programarea se poate face o singura data. De la sfârsitul anilor '80, acest tip de memorie este considerat depasit tehnic. EPROM - Erasable Programmable ROM. Descoperit din întâmplare de firma Intel, a fost în voga timp de aproape 20 de ani, pâna la mijlocul anilor '90. Practic, un EPROM este o retea de tranzistori MOSFET care au o poarta dubla. Poarta superioara este poarta de control care comuta MOSFET-ul pe starea ON sau OFF, la fel ca oricare alt tranzistor. Poarta inferioara este deconectata, numindu-se poarta oscilanta. Programarea dispozitivului consta în cresterea tensiunii de dren la o asemenea valoare încât tranzistorul actioneaza ca un mic accelerator de electroni. O parte dintre acestia ajung la a doua poarta încarcând-o negativ, sarcina care poate sa ramâna ca atare circa 100 de ani. Aceasta sarcina poate fi îndepartata prin expunerea cipului unei energii superioare celei care asigura blocarea portii din oxid. Practic, stergerea unui EPROM se poate face cu ajutorul radiatiei UV (lungimea de unda de 400-500 nm) care ajunge la cip printr-o fereastra de cuart care se gaseste în carcasa dispozitivului. De regula, un EPROM poate fi sters nu mai mult de 100 de ori (depinde de firma producatoare si tehnologia folosita), deoarece are loc deteriorarea în timp a portii de oxid. EEPROM - Electrically Erasable Programmable ROM. Cipul de memorie poate fi programat la fel ca un EPROM, dar stergerea se poate face electric. În functie de 4 6 tehnologia de fabricatie, pot rezista la 10 -10 cicluri de stergere/programare, iar un ciclu dureaza circa 10 ms (se folosesc fluxuri de electroni accelerati). FLASH ROM - este, practic, un EEPROM care poate fi sters la nivel de sector. din punct de vedere economic, acest tip de memorie tranzistorizata este avantajoasa, putând înlocui discurile floppy si hard-disk-urile de capacitate mica. Astfel, se fabrica cipuri la care un sector de memorie este de aceeasi marime cu un sector de disk. La majoritatea memoriilor flash-rom, circuitele de programare sunt mult mai complexe decât la memoria EPROM obisnuita sau cele EEPROM, putându-se programa în acelasi timp mai mult de un byte. În acest fel se mareste considerabil viteza de programare. Cât priveste durata de retinere a informatiei, aceasta este peste 20 de ani, depinzând în mare parte de producator. NOVRAM (Non-Volatile RAM), este un SRAM obisnuit care are incorporata o baterie de litiu. Durata de retinere a informatiei este de 5-10 ani. Memoria SRAM tip CMOS are avantajul de a consuma foarte putina energie când nu este accesata, iar pragul de tensiune pentru care memoria functioneaza este relativ mica, 1-2 V. Exista si memorie NOVRAM formata din SRAM si EEPROM, unde unei celule SRAM ii corespunde o celula EEPROM. La o anumita comanda, chipul este fortat sa copieze continutul celulei SRAM în celula EEPROM, în circa 10 ms. La o asemenea memorie, alimentarea trebuie astfel gândita încât sa existe energia necesara pentru timpul scurt al copierii interne a informatiei. În acest sens, se proiecteaza un circuit

158

CAPITOLUL V – Materiale speciale

special care avertizeaza memoria când tensiunea de alimentare coboara sub un prag critic. Avantajul acestei tehnologii consta în existenta unui numar nelimitat de cicluri citire/scriere cu viteza specifica memoriei SRAM, precum si faptul ca nu este volatila. Dezavantajul consta în aceea ca tehnologia este scumpa. 5.3.3. Dispozitive de memorare externa 5.3.3.1 Stocare magnetica: hard disk; floppy disk Un hard disk reprezentativ are unul sau mai multe discuri (caz în care ele sunt montate într-un pachet de discuri). Dimensiunea fizica a unei unitati este data de diametrul discurilor, respectiv: 5,25 inch (practic, 130 mm sau 5,12 inch); 3,5 inch (practic, 95 mm sau 3,74 inch); 2,5 inch; 1,8 inch; 1,3 inch. Exista si unitati mai mari care au discuri de 8 inch, 14 inch etc. Primele discuri au fost fabricate dintr-un aliaj de aluminiu, acesta fiind dur si usor. Dorinta producatorilor de a obtine densitati de înregistrare tot mai mari si unitati din ce în ce mai mici a dus la utilizarea discurilor fabricate dintr-un amestec de sticla si ceramica. MemCor produs de firma "Dow Corning" este un compus din sticla cu insertii de ceramica care o face mai putin casanta. Discurile din sticla se deosebesc de cele din aluminiu prin urmatoarele: - sunt mai rezistente (rigide) (sunt permise grosimi de cel putin doua ori mai mici); - sunt mult mai stabile din punct de vedere termic (nu se dilata/contracta la schimbarea temperaturii). Suportul magnetic pe care are loc stocarea informatiei Indiferent de materialul din care sunt fabricate, discurile sunt toate acoperite cu un strat subtire de substanta cu proprietati magnetice, numita suport magnetic, pe care se înregistreaza informatiile. Cele mai raspândite tipuri de suport magnetic sunt: - suport magnetic pe baza de oxizi; - suport de tip film subtire. Suportul magnetic pe baza de oxizi este fabricat din mai multi compusi, oxidul de fier fiind componenta activa. Acestia se depun uniform, prin centrifugare, pe toata suprafata discului, cu o grosime de 0,76 microni. Posibilitatile oferite de straturile magnetice pe baza de oxizi nu mai fac fata cerintelor crescute ale unitatilor de mare capacitate. Suportul magnetic cu film subtire este mult mai subtire, mai dur si mult mai performant decât cel pe baza de oxizi. Un asemenea suport a permis aparitia unei noi generatii de unitati de disc la care înaltimea de plutire a capetelor de scriere/citire este mult mai mica, facând posibila astfel si cresterea densitatii de înregistrare. Initial acest suport a fost folosit numai în unitatile de mare capacitate sau de foarte buna calitate, dar astazi, practic, toate unitatile de disc folosesc suport de înregistrare cu film subtire. Filmul subtire poate fi obtinut prin acoperire electrolica (plated) sau prin metalizare (sputtered). Filmul magnetic subtire, obtinut prin acoperiri electrolitice succesive a discului cu

159

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

un aliaj de cobalt, are o grosime de aproximativ 0,076 microni. Filmul magnetic subtire, obtinut prin metalizare, se realizeaza în urmatoarele etape: - aplicarea unui strat de nichel-fosfor pe discurile de aluminiu; - aplicarea materialului magnetic, constituit dintr-un aliaj pe baza de cobalt, printr-un procedeu de metalizare continua în vid (pe disc sunt depuse straturi magnetice cu o grosime de 0,025-0,05 microni); - aplicarea în vid a unui strat protector de carbon foarte dur de 0,025 microni. Suprafata acestor filme este foarte neteda, permitând capului de citire/scriere sa "pluteasca" mult mai jos (cca. 0,076 microni) decât este posibil în cazul straturilor de oxizi. Capul de scriere/citire fiind mai aproape de discul magnetic, densitatea tranzitiilor de flux magnetic poate fi marita obtinându-se capacitati de memorare mai mari. În plus, intensitatea crescuta a câmpului magnetic existent la o citire de la o distanta mai mica, face posibile amplitudini mai mari ale semnalului citit, necesare unui factor semnalzgomot mai ridi cat. Procedeele de acoperire electrolitica si de metalizare conduc la aplicarea pe discuri a unor filme deosebit de subtiri si foarte dure, fiind practic incasabile. Suprafata de disc obtinuta prin metalizare este de cea mai buna calitate, fiind totodata cea mai dura si mai subtire dintre cele care pot fi obtinute în scopuri comerciale. Capetele de scriere/citire au evoluat o data cu tehnologia de fabricare a unitatilor de hard disc. În unitatile de hard disc au fost folosite patru tipuri de capete: din ferita, cu întrefier metalizat (MIG), cu film subtire (thin-film TF), magneto-rezistive (MR). Capetele cu film subtire sunt fabricate prin tehnica fotolitografica utilizata si în tehnologia circuitelor integrate, astfel încât pe o singura pastila circulara se pot construi câteva mii de capete. Produsul este de dimensiuni foarte mici si de înalta calitate. Capetele cu film subtire au un întrefier extrem de îngust si bine conturat obtinut prin aplicarea unui material din aluminiu dur care închide complet întrefierul, protejându-l mai bine împotriva contactelor cu stratul magnetic de pe discuri. Miezul capului este o combinatie de aliaje de fier si nichel, de patru ori mai puternica din punct de vedere magnetic decât miezul de ferita. Capetele cu film subtire produc impulsuri magnetice foarte "ascutite" si foarte bine definite, care permit densitati de scriere foarte mari. Neavând o bobina conventionala, sunt mai putin sensibile la variatiile de impedanta pe care, în general, le au bobinele. Au o înaltime mica de "plutire" (0,05 microni), care le permite culegerea unui semnal mai puternic de citire; raportul semnal-zgomot creste ducând la o mai mare acuratete la citire. Sunt folosite în majoritatea unitatilor de mare capacitate, înlocuind capetele de tip MIG. Capetele magneto-rezistive (MR) reprezinta la ora actuala modelul cel mai perfectionat. Cele mai multe unitati de 3,5 inch, care au capacitati de peste 1 Goctet, folosesc în mod curent capete MR. Cum densitatile pe suprafata continua sa creasca, capul MR va fi preferat în final pentru toate tipurile de unitati, înlocuind modelele MIG si TF. Întrucât principiul magneto-rezistiv se poate folosi numai pentru citirea informatiei de pe disc, capetele MR sunt de fapt doua într-unul singur. La scriere este folosit un cap standard cu film subtire inductiv, iar la citire unul magneto-rezistiv.

160

CAPITOLUL V – Materiale speciale

5.4. Materiale compozite Materialele compozite sunt alcatuite din doua sau mai multe componente, ce formeaza faze distincte si care prezinta efecte sinergetice, sau proprietati di ferite de ale fiecarui component în parte. Materiale compozite se gasesc si în natura (diverse roci solide). Oamenii le-au utilizat din cele mai vechi timpuri, sub forma amestecului de argila si stuf (chirpici - cca. 5000 ani î.Ch.), placaje de lemn (cca. 1500 ani î.Ch.). Dupa 1900 s-au descoperit compozite polimerice. La începutul celui de al doilea razboi mondial (1940) s-au utilizat pentru prima data materiale compozite la fabricarea fuselajului unui avion de lupta Spitfire. Aceste materiale cu proprietati programabile superioare materialelor traditionale au patruns în domeniile tehnicii de vârf, cum ar fi: tehnologii aerospatiale, microelectronica, tehnica nucleara, telecomunicatii, tehnica medicala a implanturilor, industria de automobile, de nave marine, industria chimica, a mobilei, în constructii, la protectia antiseismica a cladirilor, birotica, în industria materialelor sportive si a produselor de uz casnic. Materialele compozite sunt realizate din doi sau mai multi componenti care formeaza faze distincte, fiecare componenta pastrându-si caracteristicile individuale si a caror combinare conduce la obtinerea unor efecte sinergetice, care se concretizeaza prin performante ridicate, ceea ce permite largirea domeniului de utilizare a acestora. Materialele compozite pot include toate tipurile de materiale constituite din doua sau mai multe componente. Componentii trebuie sa aiba structuri compatibile, care sa asigure o legatura interfaciala rezistenta. Difuziile termice trebuie corelate pentru ca la încalzire, sau la racire sa nu se produca fisurarea, craparea, spargerea nici unuia dintre componenti, sau a legaturilor dintre ei. Ansamblu compozit trebuie sa prezinte si stabilitate chimica în timpul prelucrarii si al functionarii. Avantajele acestor noi materiale pot fi enuntate astfel: - sunt mai usoare, datorita densitatilor reduse; - prezinta rapoarte rezistenta/densitate si rigiditate/densitate mult mai mari decât la materiale clasice (metale, fibre de sticla etc.); - au rezistenta mare la oboseala, la coroziunea factorilor de mediu sau ai altor agenti corozivi; - tehnologiile de formare a pieselor din aceste materiale sunt relativ simple ca numar de operatii si au consumuri reduse de energie; - prezinta performante deosebite; - raportul performante/cost este foarte ridicat; - se pot proiecta materiale cu proprietati prestabilite. Compozitele înlocuiesc unele materiale, în special pe cele metalice (care necesita consumuri mari energetice si resurse epuizabile), sau se impun datorita proprietatilor lor. Realizarea de materiale compozite s-a impus pe baza a numeroase considerente tehnice si economice, între care amintim: necesitatea realizarii unor materiale cu proprietati deosebite, imposibil de atins cu materialele traditionale, necesitatea cresterii

161

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

sigurantei si a fiabilitatii în exploatare a diferitelor constructii si instalatii, necesitatea reducerii consumurilor de materiale deficitare, scumpe sau pretioase, posibilitatea reducerii consumurilor de manopera si a reducerii duratei de fabricatie. Orice material compozit este alcatuit din doua structuri spatiale fundamentale: matricea (mediul solid continuu); - faza dispersa (umplutura, armatura, materialul de ranforsare, sau rigidizare). Matricea constituie componentul de legatura (liantul), suportul pentru faza dispersa, este stabilizator la buclarea fibrelor, transfera efortul mecanic la armatura. Armatura reprezinta componenta principala de preluare a sarcinii, reduce costul, îmbunatateste caracteristicile electrice, mecanice, termice etc. Daca armatura are rolul de a durifica compozitul, se denumeste agent de ranforsare, iar daca adaugarea se face doar pentru cresterea volumului produselor si scaderea costului acestora, se denumeste umplutura. Matricea si armatura au de obicei proprietati opuse. Astfel, dintr-o matrice moale si o armatura dura, sau dintr-o matrice dura si o armatura moale se poate obtine un compozit de 10-20 ori mai rezistent. Geometria armaturii poate fi de : - pulberi si particule cu forme diferite (microsfere, fulgi, cilindrice sau neregulate) si de dimensiuni diferite (de la pulbere de ordinul micronilor, la particule de câtiva mm), de natura anorganica (oxid de aluminiu, oxid de zirconiu, carbura de siliciu sau de titan, nitruri de siliciu sau de aluminiu etc.) sau organica; - fire sau fibre continue, discontinue si "whiskers" (filamente monocristaline cu diametrul cuprins între 1-10 µm, cu proprietati puternic anizotrope) din materiale polimerice (fibre aramidice - poliamide aromatice, poliamidice khevlar etc.), metalice (din oteluri inoxidabile, titan, aluminiu, wolfram, molibden etc.), fibre de sticla, fibre carbon, de bor, carbura de siliciu, azbest, bazalt sau fibre ceramice; - formatiuni bidimensionale (placi, lamele, folii, foite, solzi). Distributia armaturii în matrice poate fi diferita. Astfel, particulele pot fi repartizate neuniform sau uniform, în siruri liniare, aglomerari pe anumite plane paralele. Fibrele lungi se distribuie aliniate axial si paralel pe lungimea produsului, iar fibrele scurte se dispun în acelasi mod, sau încrucisate în plane paralele distantate, sau în volumul matricei. Pot fi si compozite combinate, ca de exemplu: particule + fibre; particule + placi stratificate, fibre + placi stratificate, particule + fibre + placi. Exista si compozite placate, obtinute prin adaugarea la o placa masiva, pe ambele fete, a câte unei placi subtiri de armatura. Proprietatile compozitelor depind de: - natura matricei si a umpluturii; - raportul matrice/armatura; - dimensiunile si geometria armaturii; - compatibilitatea matricei cu armatura; - sensibilitatea materialelor componente la factorii de mediu (umiditate, temperatura, oxigen si ozon). Pentru realizarea materialelor compozite performante, se folosesc fibre cu rezistente specifice mari (rezistenta/greutate specifica) si module specifice înalte

162

CAPITOLUL V – Materiale speciale

(modul de elasticitate/greutate specifica) cum sunt fibrele de bor, fibrele de sticla, fibrele de carbon (cu rezistenta înalta, cu modul înalt sau cu modul ultra-înalt) si fibrele aramidice de tip khevlar. Pentru elemente structurale utilizate în conditii de solicitari mecanice si termice înalte se folosesc fibre carbon si fibre ceramice, precum si SiC, Al2 O3 , SiO2 etc. 5.4.1.Clasificarea materialelor compozite Diversitatea foarte mare a materialelor compozite necesita apelarea la mai multe criterii de clasificare a lor. Se disting astfel urmatoarele posibilitati de clasificare: 1) Dupa natura matricei: - compozite organice (polimerice) MCP; - compozite cu matrice metalica MCM; - compozite ceramice MCC. 2) Dupa natura armaturii: - armate cu particule; - armate cu fibre lungi; - armate cu fibre scurte; - stratificate tip sandwich. 3) Dupa duritate: - compozite compacte (cristaline sau amorfe); - compozite necompacte (amestec de pulberi, suspensii). 4) Dupa structura: - compozite omogene; - compozite heterogene. 5.4.2. Materiale compozite polimerice MCP Aceasta categorie de materiale compozite s-a impus în tehnica la începutul secolului al XX-lea, odata cu dezvoltarea chimiei maselor polimerice sintetice. Armarea cu un material natural sau sintetic, organic sau anorganic s-a realizat la început pentru reducerea pretului produselor polimerice, dar mai apoi pentru obtinerea de materiale cu proprietati noi si programate anterior. Materialele compozite polimere actuale se pot clasifica la rândul lor în urmatoarele categorii: 1. Compozite macroscopice, care includ urmatoarele tipuri: - materiale polimere expandate, cu pori închisi sau deschisi; - materiale stratificate (placaj, stratificat cu textile sau alte materiale); - placari si lacuiri; - îmbinari adezive. 2. Sisteme poroase impregnate, de tipul: - beton impregnat cu latex, sau cu solutie de monomer; - ceramica impregnata , sau tratata cu monomer ce se polimerizeaza apoi in situ; - lemn impregnat, sau tratat cu monomeri ce se polimerizeaza (sau policondenseaza) in situ. 3. Polimeri armati cu:

163

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

- fibre (lungi sau scurte, orientate sau dispuse aleator, tesaturi, împletituri de fibre, fibre combinate); - lamele; - pulberi (elastomeri, materiale termoplaste, materiale termoreactive, toate în sisteme înalt sarjate). 4. Materiale compozite cu doi polimeri (doua unitati monomerice): - sisteme monofazice; - amestecuri de polimeri: compatibili si necompatibili (amorfi mecanochimic, în latex, în solutie; cristalini: dicomponente, difazice); - amestecuri de polimeri legati: copolimeri (cristalin-amorfi, polibloc, gradient-bloc), copolimeri legati (polimeri grefati, retele interpenetrante polimere concomitent RIP, RIP în latex, semi RIP); - grefare superficiala. 5. Materiale compozite hibride: - ranforsarea matricei cu doua tipuri de fibre distincte. Materialele compozite polimerice sunt solide, cu structura eterogena, obtinute prin asocierea, într-o ordine dirijata, a unor componenti, dintre care cel de baza este de natura polimerica. Posibilitatea de a folosi, în cadrul unor combinatii foarte variate, materii prime foarte diverse se concretizeaza în obtinerea unei game largi de compozite polimerice. Materialele compozite polimerice armate MCPA detin ponderea cantitativa (peste 80 %). Aceasta se explica prin prisma proprietatilor specifice remarcabile, net superioare materialelor traditionale si mat erialelor compozite cu matrice metalica si ceramica: greutate specifica redusa, rezistenta superioara la agenti chimici, proprietati mecanice superioare (rezistenta specifica si modul specific înalte), proprietati termice si electrice îmbunatatite comparat iv cu a materialelor plastice, proprietati dirijat diferentiate. Impunerea materialelor compozite polimerice în domeniile de vârf ale tehnicii, dar si în alte domenii industriale: în constructii, sectorul bunurilor de larg consum etc., se datoreaza si caracteristicilor tehnologice ale acestora: prelucrabilitate usoara, cu posibilitatea obtinerii de piese finite printr-o singura operatie, sau prin operatii nu deosebit de dificile, operatii în multe cazuri posibil de mecanizat si automatizat, ceea ce determina situarea costurilor la niveluri relativ scazute, competitive. În tabelul 5.4 se prezinta materialele compozite polimerice ce înlocuiesc materialele traditionale.

Tabelul 5.4. Tipuri de materiale compozite polimerice, armaturi si materiale înlocuite. Polimer

Armatura

Poliamide, poliesteri, rasini epoxidice

Fibre de sticla, umpluturi minerale.

Poliamida, poliesteri, polibutiltereftalat

Fibre de sticla, de azbest, de carbon, aramidice, whiskers

Material traditional înlocuit Metale Metale usoare

164

CAPITOLUL V – Materiale speciale Polipropilena, polietilena, poliesteri, policarbonat

Talc, faina de lemn, fibre de sticla.

Otel, tabla

Polipropilena, poliuretan, termoplaste celulare

Fibre si microsfere de sticla, umpluturi minerale

Lemn de diferite esente

Poliesteri, rasini epoxi, fenoplaste

Caolin, creta, fibre de sticla, de azbest

Ceramica

Componentele de baza ale compozitelor polimerice sunt, în general, diferiti polimeri: poliamide, polipropilena, polietilena, policarbonati, rasini epoxidice, rasini fenolice, poliuretani, polietilentereftalat, acrilonitrilbutadienstiren, polifenilenoxid etc. Preturilor materialelor compozite pot depasi preturile metalelor de 6-12 ori, dupa cum reiese din tabelul 5.5. Dar alte proprietati ale lor (densitatea mai mica, rezistenta mecanica si la agenti climatici etc.) le impun tot mai mult pe piata (tabelul 5.6). Tabelul 5.5. Raportul preturilor unitare pentru unele metale si materiale compozite. Tip de material

Raportul preturilor unitare

Otel

1

Aluminiu

2

Compozit polimeric armat cu fibre de sticla

6

Compozit armat cu fibre de carbon

12

Tabelul 5.6. Proprietatile si preturile unor materiale compozite polimerice armate. Densitate, g/cm3

Rezistenta la tractiune, MPa

Temperatura max. de lucru, °C

Pret, $/kg

2,49

3450 - 4590

425

1 -4

Carbon

1,7 - 1,8

2410 - 4830

? 1650

35 - 1000

Minerala

2,68

830

760

0,7 - 1,2

Fiberfrax

2,6

1030

1150

2

Tipul fibrei Sticla

Competitivitatea compozitelor cu matrici polimerice este determinata si de consumurile relativ reduse de energie în procesul de obtinere a matricei polimerice (tabel 5.7.) si a compozitului polimeric, de costurile tehnologiilor moderne de formare mai reduse si de costul de fabricare pe unitatea de structura. Aceste avantaje sunt un parametru economic important care conduc la reducerea costurilor directe de confectionare a unor repere, elemente de structura, sau elemente de constructie. Tehnologiile de fabricatie foarte diverse ale acestor materiale implica utilaje si procese pentru: obtinerea matricei polimerice, pregatirea componentelor de armare,

165

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

impregnarea sau tratarea fibrelor, taierea fibrelor, realizarea armaturii (sub forma de retea, tesatura, împletitura etc.), realizarea compozitelor propriu-zise prin injectie, extrudare, presare - matritare, alte procedee. În principiu, pentru fiecare tip de material compozit polimeric si pentru fiecare reper, este necesara o tehnologie distincta, cu operatii si utilaje, sau dispozitive si scule specifice. Tabelul 5.7. Consumuri energetice comparative. Denumirea materialului

Consum energetic, kWh/kg

Material compozit polimeric

23

Otel

82

Aluminiu

158

Titan

200

Componentele de baza ale materialelor compozite polimerice sunt: 1. Matricea, care poate fi realizata din urmatoarele materiale: - o rasina termoplastica: poliesteri nesaturati, rasini vini l-esterice, rasini epoxidice clasice sau modificate, rasini fenolice si rasini speciale rezistente la temperaturi mari, ca poliamidele; - polimeri termoplastici, ca: poliesteri liniari, poliamide, polietilena, polipropilena, policarbonati si polimeri rezistenti la temperaturi mari; - blende polimerice reactive realizate prin amestecarea unui polimer termoreactiv cu un elastomer sau termoplast, sau prin amestecarea polimerilor termoreactivi. 2. Materialul de armare, care la compozitele polimerice moderne sunt în special fibre de sticla, fibre de carbon si fibre aramidice si într-o masura mai mica fibre polietilenice sau fibre celulozice. Recent, s-a început ranforsarea cu fibre ceramice, în special a rasinilor epoxidice modificate, a siliconilor si a altor polimeri cu rezistenta termica mare. Datorita costului mult mai mare comparativ cu celelalte tipuri de fibre, cele de bor, desi au performante mecanice superioare la solicitari de întindere, comprimare, lovire si o rezistenta mare la oboseala, nu sunt folosite decât în acele domenii si au aplicatii care sa justifice utilizarea economica a acestora, cum ar fi: constructii aeronautice si aerospatiale si tehnica militara. Caracteristicile mecanice ale MCPA depind nu numai de proprietatile componentelor, dar si de taria legaturii interfaciale fibra - matrice. Pentru îmbunatatirea adeziunii interfaciale, fibrele de sticla si fibrele carbon cu aderenta mica la matrici polimerice sunt supuse unor tratamente speciale termice, chimice si de finisare cu pelicule de polimeri pe liculogeni. Compozitele stratificate tip sandwich sunt alcatuite dintr-un miez tip fagure, sau compact, placat pe cele doua fete superioara si inferioara cu un strat subtire de alt material. Ca materiale pentru miez se folosesc mase plastice armate cu fibre de sticla, hârtie fibroasa tip aramid tratata cu o rasina fenolica, materiale sub forma de spume (polistiren, izocianat), sau aliaje de aluminiu. Pentru fetele panourilor se utilizeaza aliaje

166

CAPITOLUL V – Materiale speciale

pe baza de aluminiu, oteluri, grafit, mase plastice armate cu fibre de sticla, lemn si gips. Aliajele din materiale plastice reprezinta un domeniu nou, acestea rezultând din amestecul de polimer - polimer, inclusiv polimeri grefati, polimeri - metal si polimer ceramica. Aliajele din materiale plastice sunt preferate în multe cazuri aliajelor metalice, datorita proprietatilor mecanice superioare în procesele de frecare, nemaifiind necesara lubrifierea. 5.4.3. Materiale compozite cu matrice metalica, MCM Materialele compozite cu matrice metalica ("metal matrix composites") prezinta rezistenta mecanica mare, la temperaturi mari, pâna la aproximativ 1.500 K. Aceste materiale sunt constituite dintr-o matrice metalica (metale sau aliaje metalice) si componente de insertie (armare) metalice, fibra carbon sau ceramice, ultimele sub forma de fire sau fibre (lungi, scurte sau whiskers) si în unele cazuri în forma de benzi, solzi sau pulbere. Materialele compozite metalice se pot prezenta astfel: - materiale placate (stratificate de tip "sandwich"); - aliaje ranforsate cu dispersii de oxizi, realizate prin metalurgia pulberilor metalice (materiale antifrictiune, electrotehnice, de scule etc.); - materiale metalice pseudo-compozite, de tip eutectic solidificat dirijat (prin solidificare controlata, cu orientarea dirijata sub forma filamentara a unor compusi intermediari durificati, proprii aliajului metalic); - materiale compozite cu matrice metalica armate cu fire si fibre. Materialele compozite metalice se prezinta sub diferite forme: semifabricate (placi, table, sârme, profile); piese de configuratii prestabilite (piese finite); ansambluri cu functionalitate precizata (de exemplu, radiatoare), catalizatori. În calitate de componente ale MCM, se utilizeaza: - matricea metalica din metale sau aliajele acestora (aluminiu, magneziu, cupru, titan, plumb, nichel, cobalt, fier, zinc, superaliaje etc.); - componentele de armare (sârme metalice sau benzi) din oteluri inoxidabile, wolfram, beriliu, titan, fibre de bor (depuse pe filamente de wolfram, acoperite cu SiC sau BC); fibre carbon (lungi sau scurte); fibre ceramice oxidice sau neoxidice, cum sunt fibrele lungi de Al 2O 3, SiC, de cuart, sau fibrele scurte si whiskers din SiC, carbura de bor, diamante industriale etc., particule (pulberi sau solzi) din materiale ceramice sau metalice. Diversitat ea de materiale compozite metalice cunoscute sau posibil de realizat este determinata de numarul de combinatii posibile matrice - elemente de armare, de natura acestora, cât si de modul de distributie si fractia volumica a constituentilor. Metodele si tehnologiile de fabricatie ale MCM sunt foarte diverse, implicând conditii speciale, dificile ale operatiilor, determinate de prelucrari la temperaturi ridicate si depinzând de natura materialelor metalice (metale sau aliaje greu fuzibile, sau cu o mare reactivitate fata de diferite gaze, sau de atmosfera). Metodele principale utilizate, în raport cu starea matricei sunt metode în faza solida, în faza lichida, de depunere chimica etc. Metodele în faza solida de obtinere a MCM sunt: presarea la cald, laminarea la cald, sinterizarea (presarea pulberilor la cald, cu topire superficiala), tragerea la cald.

167

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Metodele în faza lichida pentru obtinerea MCM sunt: infiltrarea sub presiune sau în vid, turnarea cu forjare, turnarea în matrita, omogenizarea în starea lichida. Acoperirile compozite se realizeaza pe diferiti suporti. Pentru o mai buna aderenta a compozitului la substrat se poate depune pe acesta un strat metalic pur, pesta care se depune apoi stratul de compozit. Ca procedee de obtinere se pot enumera: depunerea chimica prin evaporare, depunerea electrochimica, pulverizarea în plasma, pulverizarea în vid, codepunerea matricei si armaturii. Se obtin straturi rezistente la uzura si abraziune, cu proprietati de autolubrifiere, cu duritate ridicata, se finiseaza supr afetele, se obtin straturi active pentru catalizatori. In tabelul 5.8 se prezinta câteva materiale compozite cu matrice metalica, proprietatile si preturile lor. Tabelul 5.8. Proprietatile si preturile unor materiale compozite cu matrice metalica. Diametru, ? m

Rezistenta tractiune, MPa

Temp. max. de lucru, °C

Pret, $/kg

100-105

3450

540

550

7

2.410-4.830

1650

40-3.000

Carbura de siliciu filament

140

4.140

930

2.000

Alumina

20

1380

? 1650

500

Tipul fibrei Bor Grafit

5.4.4. Materiale compozite ceramice. Materialele compozite ceramice sunt alcatuite dintr-o matrice ceramica (de oxizi, carburi, nitruri, boruri, siliciuri, oxicarburi etc.) ranforsate cu fibre ceramice, sau cu fibre de carbon, lungi sau scurte. Deoarece matricea însasi este foarte dura, dar fragila, fibrele de armare au rolul tocmai de a diminua fragilitatea acesteia. Legarea fibrei de matrice se realizeaza prin frecare de alunecare, pentru a asigura o anumita libertate de miscare fibrelor. La multe compozite de acest tip, matricea si fibr a sunt din acelasi material. Materialele compozite ceramice se caracterizeaza prin rezistenta mecanica relativ mare si stabilitate la temperaturi înalte. În ceea ce priveste comportarea termomecanica pâna la 1.200°C, sau chiar la temperaturi mai mari, oboseala la clivaj termic, fluajul sub sarcina, inertia chimica, materialele compozite ceramice sunt superioare tuturor celorlalte materiale. Fragilitatea mare a matricei ceramice, tenacitatea insuficienta în raport cu otelurile refractare pentru aplicatiile în structuri care functioneaza la temperaturi mari constituie însa un dezavantaj al acestor materiale. În calitate de matrice, se folosesc: compusi oxidici (Al 2 O3 , SiO2 , Al2 O3 cu adaos de TiO 2 sau de Zr 2O3 ) si compusi neoxidici (SiC, Si3 N4 , BAl etc.) Pentru ranforsarea matricei, se folosesc fibre de carbon si mai ales fibre ceramice continue, discontinue si recent, whiskers ceramic. Metodele principale de fabricatie a materialelor compozite ceramice sunt:

168

CAPITOLUL V – Materiale speciale

-

formarea plastica din pulberi fine si un lichid purtator, prin turnare într-un model si apoi arderea la temperatura ridicata; presarea la rece si sinterizarea (din pulberi fine si un liant, prin compactarea la rece, la presiune mare si apoi arderea la temperaturi ridicate); sinterizarea în stare vitroasa ca în cazul anterior, cu includerea unei faze sticloase care micsoreaza viscozitatea, în functie de temperatura; presarea la cald (pentru pulberi fine, cu aplicarea simultana a presiunii si temperaturii); depunerea din faza de vapori.

5.4.5. Domenii de utilizare a materialelor compozite Caracteristicile deosebite ale compozitelor polimerice au condus la patrunderea rapida a acestora în diferite domenii ale tehnicii de vârf: aviatie (elemente de structura a aeronavelor), tehnica aerospatiala, electrotehnica, microelectronica si optoelectronica, în microbiologie si biomedicina, industria de automobile si alte mijloace de transport, constructii navale, utilaje petroliere si rezistente la coroziune si alti agenti chimici, constructii, telecomunicatii, tehnica nucleara. În industria constructiilor aerospatiale, de exemplu, 70% din sectorul termic al navetei spatiale Columbia a fost realizat cu placute de rasini epoxidice armate cu fibra de sticla, iar la naveta Discovery, 87 % din masa totala a fost realizata din compozite. In constructia aeronavei Airbus A 320 prin utilizarea materialelor plastice armate cu fibra de carbon la constructia sectiunii centrale a fuselajului s-a redus masa acestuia cu 33 % si a timpului de fabricatie cu 20 %. S-a redus totodata si consumul de combustibil. Antena satelitului Intersat IV este realizata integral din rasini epoxidice armate cu fibre de carbon. Extinderea cercetarilor stiintifice si tehnologice în domeniul fibrelor sintetice de ranforsare, metalice sau ceramice si a rasinilor sintetice rezerva o mare perspectiva utilizarii materialelor compozite de aceasta natura. Fibrele carbon sunt larg utilizate în tehnologiile spatiale, cu o tendinta de generalizare de a fi folosite pentru organele de masini intens solicitate (rezistent a la rupere a unei bare cu sectiunea de 1 cm2 , din fire carbon, este de circa 14,5 ori mai mare decât a otelului). Rezistenta la temperaturi înalte, de 3.000°C, a determinat utilizarea acestora ca materiale pentru realizarea motoarelor de turboreactoare si rachete. Fibrele de bor si de bor - aluminiu, ca fibra matrice, au proprietati chimice si mecanice superioare fata de celelalte fibre de ranforsare, dar, fiind mai scumpe, sunt utilizate doar în industria aerospatiala si aeronautica. Biocompatibilitatea materialelor plastice face ca aliajele plastice si polimerii grefati sa intervina în tehnica medicala, creându-se astfel o revolutie în domeniul biomaterialelor. Prin realizarea tesuturilor artificiale, a pielei artificiale utilizata în cazul arsurilor grave, a organelor produse din aliaje polimerice si compozite, aceste materiale pot seconda sau înlocui complet tesuturile si organele corpului omenesc. Valvele cardiace si arterele artificiale, plamâni artificiali, ligamente, membre artificiale, implantarile de natura osoasa au intrat curent în practica medicala. Industria de autoturisme utilizeaza în mod curent, de multi ani, caroserii, angrenaje fara lubrifiere din materiale compozite. Industria electronica utilizeaza aceste materiale pentru confectionarea senzorilor de mare putere. Sportul de performanta sau de

169

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

agrement apeleaza tot mai mult la materiale compozite, pentru densitatea redusa, rezistenta buna si foarte buna la diverse solicitari. Rezumat Sunt prezentate tehnologii de fabricare a materialelor semiconductoare, utilizarea lor pentru obtinerea circuitelor integrate si materialele compozite, cu multiplele lor aplicatii. Din categoria semiconductorilor se studiaza tehnologiile de obtinere a germaniului si respectiv a siliciului de înalta puritate si monocristale. Monocristalele sunt utilizate la fabricarea circuitelor integrate – circuite electronice complete , realizate pe bucati foarte mici de materiale semiconductoare. Se prezinta fazele proceselor de fabricare a circuitelor integrate prin tehnologiile bipolara si MOS. Materialele compozite sunt alcatuite din doua, sau mai multe componente, ce formeaza faze distincte si care prezinta efecte sinergetice, sau proprietati diferite de ale fiecarui component în parte. Sunt prezentate cele trei categorii de compozite: polimerice, metalice si ceramice, cu proprietati, tehnologii de fabricare si domenii de utilizare. Cuvinte cheie semiconductori intrinseci semiconductori extrinseci topire zonara dopare epitaxie implantare ionica materiale compozite matrice armatura materiale compozite polimerice materiale compozite cu matrice metalica materiale compozite ceramice

Bibliografie suplimentara 1. Cretu S., Visan, S., „Bazele tehnologiei industriale”, Ed.ASE, Bucuresti, 1997; 2. Ponoran I.,Angelescu A.,Visan S.,”Tehnologie si dezvoltare tehnologica”, Ed.Fundatiei „România de Mâine”, Bucuresti, 1998; 3. Popescu N.,s.a., „Stiinta materialelor pentru ingineria mecanica. Materiale comerciale metalice, nemetalice si compozite”, Ed.Fair Partners, Bucuresti, 2000; 4. Radoi C.s.a.,”Circuite si echipamente electronice industriale”, Ed.Tehnica, Bucuresti, 1986; 5. Tomescu M.,Iovu H., „Lucrari practice de materiale compozite pentru aviatie”, Ed.Universitatii Politehnica , Bucuresti, 1997.

170

CAPITOLUL V – Materiale speciale

Întrebari recapitulative 1. Cum se clasifica materialele semiconductoare ? 2. Care sunt fazele procesului de obtinere a germaniului monocristalin ? 3. Ce se întelege prin topire zonara ? 4. Care este fluxul tehnologic de obtinere a siliciului monocristalin? 5. Ce metode se aplica pentru impurificarea controlata a materialelor semiconductoare ? 6. Ce sunt materialele compozite ? 7. Ceavantaje prezinta materialele compozite, în comparatie cu materialele clasice ? 8. Care sunt cele doua structuri spatiale fundamentale ce se regasesc într-un compozit ? 9. Prin ce tehnologii se obtin compozitele polimerice ? 10. Ce componente intra în compozitia materialelor compozite metalice ? 11. În ce domenii se utilizeaza materialele compozite ?

171

CAPITOLUL VII – Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

CAPITOLUL

VI

PRELUCRAREA MATERIALELOR PRIN TEHNOLOGII NECONVENŢIONALE CUPRINS 6.1. Aprecieri generale 6.2. Prelucrarea dimensională prin electroeroziune 6.3. Prelucrarea prin eroziune electrochimică 6.4. Prelucrare ultra-abrazivă (cu ultrasunete) 6.5. Prelucrarea dimensională cu radiaţii 6.6. Eficienţa economică a procedeelor neconvenţionale de prelucrare a materialelor Materialele naturale (lemn, roci, fibre) şi cele obţinute din procese tehnologice industriale (fibre sintetice şi artificiale, cauciuc, mase plastice, metale şi aliaje etc.) se comercializează după prelucrarea lor prin diferite procedee fizice, chimice, electrochimice, biologice etc. în vederea finisării, sau a transformării în piese şi subansamble. Prelucrarea metalelor în vederea obţinerii de piese finite se realizează prin procedee de deformare plastică (laminare, forjare, trefilare, extrudare), procedee de aşchiere (strunjire, rabotare, frezare, găurire, alezare etc.), prin procedee moderne, neconvenţionale de prelucrare (eroziune chimică, electroeroziune, prelucrare cu plasmă, cu laser). Unele procedee sunt aplicabile şi la alte categorii de materiale. Astfel, aşchierea se aplică şi la lemn, mase plastice, cauciuc; matriţarea, extrudarea se aplică şi la mase plastice şi cauciuc; prelucrările neconvenţionale se aplică şi la materiale ceramice ş.a. 6.1. Aprecieri generale Prelucrarea materialelor prin procedee speciale, bazate pe alte principii decât procedeele clasice a fost denumită prelucrare neconvenţională, sau specială. Prelucrările neconvenţionale sunt definite ca fiind acele procedee care îndeplinesc cel puţin una dintre condiţiile: - sunt eficiente pentru prelucrarea unor materiale cu proprietăţi deosebite (de exemplu cu duritate mare, sau casante etc.); - permit obţinerea cu mare precizie a unor suprafeţe speciale ca formă, 172

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

dimensiuni, rugozitate (cu microasperităţi); - se aplică în medii speciale, ionizate sau nu, la presiuni mari sau vid. Cele mai multe procedee se bazează pe îndepărtarea de microaşchii din semifabricat, de dimensiunile a zecimi până la miimi de mm, ca urmare a fenomenelor de eroziune. Se utilizează un agent eroziv, care poate fi un sistem fizico-chimic complex, capabil să cedeze energie direct suprafeţei de prelucrat, sau mediului de lucru. Energia transferată poate fi electrică, electrochimică, electromagnetică, chimică, termică, sau mecanică şi contribuie la distrugerea integrităţii materialului de prelucrat, până se ajunge la dimensiunile şi calitatea dorită a suprafeţelor piesei. Alte procedee neconvenţionale se aplică la găurirea, filetarea, tăierea, sau sudarea unor piese. Aşadar, prelucrările neconvenţionale pot fi clasificate astfel: 1. Prelucrări cu microaşchii: a. Prelucrări prin electroeroziune: • prin scântei; • prin impulsuri; • prin contact. b. Prelucrări electrochimice: • spaţiale; • de finisare. c. Prelucrări prin abraziune: • aşchiere cu micropulberi; • cu ultrasunete; • cu jet abraziv. d. Prelucrări combinate: • anodomecanice; • electroabrazive; • ultra-abrazive; • electrojet. 2. Găurirea cu fascicol de electroni acceleraţi 3. Filetarea cu plasmă 4. Tăierea: • cu laser • cu fascicol de electroni acceleraţi • cu plasmă 5. Sudarea: • cu laser • cu fascicol de electroni acceleraţi Domeniile de aplicare ale procedeelor de prelucrări neconvenţionale sunt prezentate sintetic în tabelul 6.1. Aplicarea procedeelor neconvenţionale de prelucrare a materialelor este justificată de următoarele avantaje tehnice şi economice: 173

CAPITOLUL VII – Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

-

utilizarea în domenii în care tehnologiile clasice (aşchierea, deformarea plastică) nu se pot aplica. De exemplu la prelucrarea unor materiale cu geometrie deosebită, cavităţi profilate complex, înfundate sau străpunse, microgăuri, profile, decupare, debitare, sudură, microsudură, suduri speciale, gravare, filetare, rectificare, honuire, debavurare pe materiale cu proprietăţi speciale, pentru dimensiuni la care se cere precizie deosebită etc.; - tehnologiile sunt complet automatizate, deci calitatea produselor este asigurată din proiectare; - productivitatea este ridicată; - sunt eficiente din punct de vedere tehnico-economic la producţii de serie mare. Aceste tehnologii moderne necesită însă instalaţii complexe, medii de lucru deosebite (presiuni mari, sau vid, sau medii speciale de ionizare). De exemplu, necesită instalaţii anexe generatoare de laser, plasmă, fascicol de electroni etc. pe lângă instalaţia de prelucrare propriu-zisă. Costul prelucrării este mai mare decât la prelucrările prin procedee convenţionale şi poate fi redus prin creşterea numărului de piese de acelaşi tip prelucrate. Tabelul 6.1. Domenii de aplicare ale procedeelor de prelucrări neconvenţionale.

Sudura

Debitare

Decupare

Profile

Cavitati profilate complexe Cavitati complexe infundate

Gauri si fante

Microgauri D < 1,5

L/D < 20

L/D < 20

Orificii curbe

Fante

De precizie

Normale

De precizie

Normale

Complexe Capuri de revolutie Larga

Adinca

Profile complexe

Microsuduri

Suduri speciale

Rectificare

Honuire

Filetare

Gravare

Debavurare

Caracteristicile prelucrării

D < 0,125

Electroeroziune Electrochimie Ultrasunete Plasma Laser Fascicul de electroni şi ioni

Alte prelucrări

D < 0,025

Procedeul de prelucrare

Tipul prelucrării

4

2

1

1

2

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

1

4

4

1

4

1

1

4

4

4

2

1

1

3

1

2

1

2

1

1

1

2

2

1

4

4

1

1

4

1

1

4

4

1

1

4

4

1

1

1

1

1

2

2

4

4

4

1

1

2

2

4

1

4

4 1

4 1

2 2

2 2

4 3

4 4

3 2

4 4

4 4

4 4

4 4

4 4

4 4

3 1

1 3

1 3

4 1

1 1

4 4

4 4

4 4

4 2

4 4

1

1

2

2

3

4

1

4

4

4

4

4

4

4

4

4

1

1

4

4

4

2

4

1 = foarte bun; 2 = bun; 3 = neindicat; 4 = neaplicabil

174

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

6.2. Prelucrarea dimensională prin electroeroziune Prelucrarea prin electroeroziune se aplică materialelor metalice cu duritate mare, pentru obţinerea unor suprafeţe de o formă ce nu se poate realiza uşor şi cu precizie prin procedeele de aşchiere. Metalul prelucrat este supus eroziunii cu ajutorul descărcărilor electrice realizate între metal şi un electrod-sculă din cupru, într-un mediu dielectric (de exemplu petrol lampant). În timpul prelucrării, descărcările electrice erodează şi electrodul sculă, care îşi schimbă dimensiunile (se "uzează") în timp. Suprafeţele prelucrate prin electroeroziune sunt interioare, sau exterioare, poligonale, stelate, tăieturi complicate, orificii curbe etc. Prelucrarea se poate realiza prin două tehnici: - prin scântei formate între electrodul sculă şi piesa de prelucrat; - prin contactul dintre electrod şi piesă. La prelucrarea prin scântei productivitatea este maximă şi precizia prelucrării mică, iar la prelucrarea prin contact, rugozitatea suprafeţei este minimă şi productivitatea mică. Procesul este controlat prin următorii factori: productivitatea dislocării de metal, precizia prelucrării şi calitatea suprafeţelor. Productivitatea dislocării de metal ∆ V, în mm3 /min, este dată de relaţia: ∆ V = K·E·f

(6.1)

în care: K - coeficient, E - energia unei scântei, [J]; f - frecvenţa descărcărilor, [kHz]. C ⋅ U2 E= 2

(6.2)

unde: C - capacitatea circuitului de descărcare, [F]; U - tensiunea circuitului de descărcare, [V]. Precizia prelucrării depinde de: tehnologia de prelucrare, precizia maşinii, materialul electrodului şi precizia de execuţie a acestuia, precizia avansului, lichidul de lucru (calitate, modul de alimentare). Calitatea suprafeţei depinde de factorii electrici, compoziţia materialului şi a electrodului. Pentru obţinerea unei rugozităţi mici este necesară reducerea debitului de material erodat în unitatea de timp. În tabelul 6.2 se prezintă câteva valori ale productivităţii dislocării de material în funcţie de compoziţia electrodului şi piesei.

175

CAPITOLUL VII – Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

Tabelul 6.2. Productivitatea dislocării de material utilizând electrozi confecţionaţi din metale diferite Materialul electrodului

Materialul semifabricatului

Productivitatea, ∆ V, mm3/min

Aliaje de titan Ferite Cupru Oţel Oţel Carburi metalice Oţel

40 - 50 15 - 20 5-7 16 - 25 20 - 50 50 - 60 150 - 180

Cupru

Alamă Cupru grafitat sinterizat 3

Mişcarea de avans

2

4

2

1

Mişcarea de avans

Fig. 6.1. Realizarea unor suprafeţe profilate prin electroeroziune: 1–piesa de prelucrat; 2-electrod; 3-placă; 4-ax.

Generarea suprafeţelor prelucrate se poate face prin copierea profilului electrodului, care este introdus treptat în piesă după o anumită direcţie, sau prin deplasarea electrodului faţă de piesă (fig.6.1). Procedeul se aplică în special pentru prelucrarea suprafeţelor interioare profilate. Se confecţionează un electrod-sculă de forma conjugată celei finale, cu dimensiuni cu 1-3 mm mai mici. Piesa de prelucrat este plasată într-un mediu dielectric. Piesa şi electrodul se conectează apoi la un generator de impulsuri. Descărcările electrice sub formă de arcuri, sau scântei au ca efect o încălzire bruscă a unei porţiuni de metal, până la temperatura de topire sau chiar de vaporizare, ducând la expulzarea de particule metalice şi formarea de mici cratere. Mediul dielectric are rolul de a concentra şi localiza descărcările electrice şi de a răci electrozii. Particulele metalice rezultate ca urmare a eroziunii trebuie îndepărtate, pentru a nu se aglomera în spaţiile dintre electrod şi piesa metalică şi a întrerupe procesul. Îndepărtarea lor se realizează prin circulaţia mediului dielectric, care este mai întâi separat de particulele metalice prin filtrare, apoi răcit şi recirculat. În figura 6.2 se prezintă principiul de funcţionare al unei instalaţii de prelucrare prin electroeroziune. 176

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

Fig. 6.2. Schema de principiu a unei maşini de prelucrare prin electroeroziune: 1–generator de impulsuri; 2-regulator de avans; 3-electrod; 4-piesa de prelucrat; 5-rezervor de dielctric; 6-filtru; 7-pompă; 8-sistem de răcire; 9-cuvă pentru mediu de lucru; 10-mediu de lucru (dielectric).

Pentru tăierea materialelor prin acest procedeu se utilizează un electrod filiform (o sârmă de cupru), înfăşurat la cele două capete pe câte o rolă. Prin una din role electrodul este conectat la sursa de curent. Între piesă şi sârmă au loc descărcări electrice în impulsuri, care conduc la realizarea unei tăieturi în piesă. Piesa este scufundată într-o cuvă umplută cu lichid dielectric şi execută o mişcare de avans, după necesităţile de prelucrare. Lichidul dielectric este separat de particulele metalice şi recirculat. Prelucrarea electroerozivă prin contact se bazează pe contactul electric realizat prin intermediul microasperităţilor suprafeţelor piesei şi electrodului. Cele două suprafeţe sunt electroconductoare şi se încălzesc la trecerea curentului electric. Prin mişcarea relativă dintre piesă şi electrod se produc arcuri electrice care dislocă fragmente metalice şi nu se produce supraîncălzirea electrodului. De aceea se poate utiliza în proces atât curentul continuu, cât şi cel alternativ. Metoda este deosebit de eficientă la prelucrările de degroşare (de îndepărtare a unei cantităţi de metal, suprafaţa finală nefiind de calitate avansată). Se pot înregistra productivităţi de dislocare de metal de 105 mm3/min, iar dacă se urmăreşte finisarea , de 50 mm3/min. Aplicaţiile procedeului se regăsesc la: - prelucrarea oţelurilor inoxidabile, refractare şi a celor ce nu se pot prelucra prin strunjirea mecanică; - ascuţirea sculelor aşchietoare; - netezirea suprafeţelor plane şi a celor profilate (exemplu palete de turbină). Se realizează totodată şi importante economii de materiale din care se confecţionează piesele (ştanţe, matriţe, cochile etc.) şi de materiale abrazive. 6.3. Prelucrarea prin eroziune electrochimică Prelucrarea electrochimică se bazează pe dizolvarea anodică a unui metal, aflat într-o soluţie conducătoare electric, la trecerea curentului electric. Semifabricatul se leagă la polul pozitiv al sursei de curent continuu, devenind anodul, iar electrodul-sculă se leagă la polul negativ, devenind catod. Între cei doi electrozi se află un strat subţire de electrolit. În timpul procesului de electroliză, de la suprafaţa semifabricatului se desprind particule metalice, realizându-se astfel lustruirea acestuia. Procedeul se aplică la prelucrarea materialelor foarte dure, sau cu proprietăţi 177

CAPITOLUL VII – Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

deosebite, cum sunt executarea matriţelor, lustruirea paletelor de turbină din oţel foarte dur, sau a ţevilor etc. Particulele metalice desprinse din piesă în timpul electrolizei se pot combina cu electrolitul, acoperind metalul şi pasivându-l. Pentru depasivare (activarea procesului) este necesară îndepărtarea continuă a stratului pasiv prin: - metode hidrodinamice, de introducere a electrolitului sub presiune în spaţiul dintre piesă şi electrodul-sculă; - metode abrazive, de introducere în soluţia de electroliză a unor particule ceramice abrazive. Procedeul se poate aplica şi la tăierea materialelor metalice dure, în care caz electrodul-sculă este un disc rotitor de cupru, sau de fontă. Electrolitul se introduce sub formă de jet, în spaţiul dintre electrod şi piesă. Piesa se deplasează controlat, într-o mişcare de avans. Pentru finisarea (în special pentru ascuţirea) unor materiale foarte dure, cum sunt plăcuţele din carburi de wolfram şi titan cu care sunt armate sculele aşchietoare se aplică prelucrarea electro-abrazivă. Procedeul se realizează cu un disc rotitor, din alamă diamantată, legat la polul negativ al sursei de curent continuu. Piesa conectată la polul pozitiv este adusă în contact cu discul rotitor. Între piesă şi disc se introduce electrolit cu particule abrazive (fig.6.3). 3

2 1

1

4

5 6 SURSA DE CURENT

7

Fig. 6.3. Schema de principiu a prelucrării electroabrazive: 1-piesa de prelucrat; 2-electrolit; 3-disc din alamă, diamantat; 4-arbore rotitor; 5-lagăr; 6-circuit electric; 7-cablu electric.

Procesul este influenţat de următorii factori: - intensitatea curentului şi durata de electroliză, conform legii lui Faraday: m = k·I·t

(6.3)

în care: m - masa de metal dizolvat, [g], k - echivalentul electrochimic al 178

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

metalului, [g/A·h], I - intensitatea curentului electric, [A] şi t - durata procesului de electroliză, [ore]; - densitatea de curent: intensitatea curentului/aria de acţiune, [A/dm2]; - natura metalului sau aliajului prelucrat; - natura electrolitului şi debitul acestuia în porţiunea electrod-piesă; - viteza periferică de lucru şi presiunea de contact, pentru operaţiile de tăiere (debitare). Se lucrează cu instalaţii conectate la tensiuni de 5-24 V, dar intensităţi mari de până la 50.000 A. 6.4. Prelucrarea ultra-abrazivă (cu ultrasunete) Ultrasunetele sunt vibraţii acustice cu frecvenţa mai mare decât frecvenţa sunetelor audibile, dar inferioară frecvenţei hipersunetelor, deci de 16 kHz-10.000 MHz. Aplicarea ultrasunetelor în diferite domenii beneficiază de proprietăţile acestora: lungimea de undă mică, dirijarea lor prin reflexie, în diferite direcţii, capacitatea de difracţie şi refracţie, obţinerea unor energii locale foarte ridicate, ce permit creşterea temperaturii mediului de lucru şi declanşarea unor reacţii chimice etc. Prelucrarea materialelor cu ultrasunete (ultra-abrazivă) utilizează vibrarea cu frecvenţa în domeniul ultrasunetelor al unor particule abrazive aflate în suspensie în apă distilată, aflate în interstiţiul dintre suprafaţa de prelucrat şi suprafaţa unei scule (fig. 6.4). Particulele abrazive primesc vibraţiile de la scula de prelucrare şi produc eroziunea piesei în zona de lucru. În piesă apare o cavitate de forma activă a sculei.

3 2 Fig. 6.4. Schema de principiu a prelucrării ultra-abrazive: 1–piesa de prelucrat; 2-suspensie abrazivă; 3-sculă (vibrată cu frecvenţă ultrasonoră).

1

Procedeul se aplică prelucrării metalelor dure, ceramicii, sticlei, realizând suprafeţe de foarte bună calitate (rugozitate foarte mică, toleranţe foarte reduse), înlocuind şlefuirea convenţională, care necesită o durată mare de prelucrare şi prezintă risc mare de spargere.

6.5. Prelucrarea dimensională cu radiaţii Radiaţiile corpusculare şi electromagnetice, la densităţi mari de energie, concentrate asupra suprafeţei de prelucrat, pe o suprafaţă redusă, generează la locul de contact temperaturi înalte, ce erodează piesa. În tehnică se utilizează variantele cu 179

CAPITOLUL VII – Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

fascicul de electroni, ioni şi de fotoni. 3

2

ale

O2 Ar, (CO2)

4

5 1

Fig. 6.5. Schema de principiu a tăierii cu fascicul laser: 1-piesa de prelucrat; 2-racord; 3-fascicul laser; 4-lentilă; 5-ajutaj.

a) Tăierea (sau sudarea) cu laser de mare putere Laserul este o sursă de lumină bazată pe amplificarea radiaţiei electromagnetice prin stimularea tranziţiei între două stări energetice unui sistem (atom, ion etc.) excitat, prin care se emite spontan lumină. Mediul activ poate fi gaz, lichid, sau solid. Sursele de excitare care furnizează energie mediului sunt: descărcările electrice, iluminarea, unele reacţii chimice exoterme, un flux de particule de mare energie. În tehnică se utilizează de multe ori laserul cu dioxid de carbon, pentru tăierea sau sudarea pieselor subţiri metalice din materiale refractare, ceramice, a textilelor în straturi groase. Pentru a mări eficienţa procesului se poate utiliza un jet de gaze protector (argon sau dioxid de carbon), sau în jet de oxigen (fig.6.5). Deoarece instalaţia este scumpă, procedeul se aplică numai la producţia de serie mare şi de masă, sau când nu există altă posibilitate de prelucrare.

b) Tăierea cu plasmă Plasma este un gaz, sau un amestec de gaze puternic ionizate, conţinând molecule, atomi, ioni şi electroni. În construcţia de maşini se utilizează plasma cu temperaturi de 6.000-30.000 K. Jetul de plasmă încălzeşte, topeşte şi chiar arde, obţinându-se îndepărtarea metalului sub formă de zgură din zona de lucru. Procedeul se utilizează la tăierea aliajelor metalice refractare, cu grosimi de 8-10 mm. Dacă se foloseşte arcul de plasmă, degajarea de căldură este mai mare şi se pot tăia metale de grosimi mai mari. Viteza de tăiere este de 250-1.250 mm/min, iar lăţimea zonei influenţată termic este foarte îngustă, deci nu sunt afectate proprietăţile metalului, tăietura este îngustă, cu margini netede, fără bavuri. c) Tăierea (sudarea) cu fascicul de electroni acceleraţi Fasciculul de electroni este concentrat pe suprafeţe ce tind spre zero ca mărime, provocând pulverizarea şi vaporizarea instantanee a unor volume extrem de mici de material, cu o precizie foarte mare. De aceea, acest procedeu este cel mai precis dintre toate procedeele de tăiere termică (fig.6.6). Procedeul necesită instalaţie corespunzătoare, foarte scumpă. Se lucrează în vid înaintat, iar conducerea procesului este computerizată pentru ca tăierea să se realizeze după un contur prestabilit. Se utilizează numai pentru tăierea, găurirea, sau sudarea 180

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

materialelor dure, sau refractare. 2

Fig. 6.6. Schema de principiu a tăierii (a) şi găuririi (b) cu fascicul de electroni acceleraţi: 1-piesa de prelucrat; 2-fascicul.

a

1

b

6.6. Eficienţa economică a procedeelor neconvenţionale de prelucrare a materialelor Procedeele neconvenţionale de prelucrare a materialelor necesită utilaje adecvate, cu anexe de producere a laserului, sau plasmei, fasciculului de electroni, sau electrozi cu forme conjugate celei finale etc. La un număr mic de piese de complexitate redusă, aşchierea este metoda cea mai ieftină. Pentru piesele cu profiluri complexe, sau care necesită scule aşchietoare cu secţiune mică sau profilate, devine eficientă electroeroziunea. Acest procedeu este economic şi util şi la producţii de serie mică, pentru operaţii de rectificat, tăiere după contur etc. Costul prelucrării unei piese scade în general, la prelucrarea unui număr mai mare de piese. La aşchiere, costul scade după care rămâne constant pe măsura creşterii numărului bucăţilor prelucrate. Celelalte procedee necesită costuri cu mult superioare aşchierii la producţii de serie mică, în ordinea: Electrochimice > Electroeroziune > Electroabrazive > Aşchiere Prin creşterea producţiei se ajunge la scăderi substanţiale ale costurilor unitare de prelucrare, iar ordinea devine: Aşchiere > Electroeroziune > Electrochimice > Electroabrazive Rezumat Prelucrarea materialelor prin procedee speciale, bazate pe alte principii decât procedeele clasice este denumită prelucrare neconvenţională, sau specială. Se aplică eficient pentru prelucrarea unor materiale cu proprietăţi deosebite, pentru obţinerea de produse cu geometrie sforme speciale, cu calitate deosebită a suprafeţelor, folosind medii de lucru speciale. Se exemplifică prelucrarea dimensională prin electroeroziune , prin eroziune electrochimică, cu ultrasunete şi radiaţii. Electroeroziunea prelucrează materiale dure cu ajutorul descărcărilor electrice realizate între material şi un electrod de cupru, întrun mediu dielectric. Prelucrarea electrochimică se bazează pe dizolvarea anodică a 181

CAPITOLUL VII – Procese tehnologice de prelucrare a materialelor

unui metal aflat într-o soluţie conducătoare electric, la trecerea curentului electric. Prelucrarea cu ultrasunete utilizează vibrarea unor particule abrazive aflate într-o suspensie apoasă, plasate între suprafaţa de prelucrat şi suprafaţa unei scule. Radiaţiile corpusculare şi electromagnetice pot ngenera la locul de contact temperaturi înalte, ce erodează piesa. Variantele tehnice folosesc fascicul de electroni, ioni şi fotoni. Cuvinte cheie prelucrare neconvenţională agent eroziv electroeroziune eroziune electrochimică prelucrarea electrochimică prelucrarea ultra-abrazivă laser plasmă fascicul de electroni

Bibliografie suplimentară 1. Amza Gh.ş.a., „Tehnologia materialelor”, Ed.Tehnică, Bucureşti, 1999; 2. Gladcov P., „Tehnologia prelucrării materialelor”, vol.2, Ed. Univ. Politehnica, Bucureşti, 1997; 3. Pumnea C.,ş.a., Tehnologie industrială”, vol.1 şi 2, Ed.Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1992. Întrebări recapitulative 1. Cum se definesc prelucrările neconvenţionale? 2. Ce avantaje tehnico-economice prezintă procedeele neconvenţionale, faţă de tehnologiile clasice de prelucrare? 3. Ce este prelucrarea electroerozivă? 4. Ce aplicaţii înregistrează prelucrarea electroerozivă? 5. Care sunt diferenţele dintre prelucrările electroerozive şi prin eroziune electrochimică? 6. Care este principiul de prelucrare cu ultrasunete? 7. Ce variante tehnice sunt prezentate în curs de prelucrare dimensională cu radiaţii? 8. Cum influenţează mărimea producţiei costurile prelucrărilor neconvenţionale?

182

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

CAPITOLUL

VII

POLUAREA INDUSTRIALĂ CUPRINS 7.1. Poluanţi şi poluare 7.2. Caracteristicile poluanţilor 7.3. Influenţa poluanţilor asupra organismelor vii 7.4. Activitatea industrială şi poluarea mediului 7.1. Poluanţi şi poluare Pentru a trăi în condiţii cât mai bune, omul a utilizat permanent resursele naturale: animale, plante, arbori, minereuri, cărbuni, sare, petrol, gaze, apă. Din utilizările acestor resurse naturale (primare) au rezultat şi produse neutilizabile, cum sunt: gaze, prafuri, produse lichide, solide, ce au fost permanent evacuate în natură. Unele dintre aceste produse au putut să se integreze în ciclurile naturale ale unor elemente, altele însă se tot acumulează, producând perturbaţii ecologice. Activităţile antropice au provocat schimbări topografice şi de climă, ce au avut puternice repercusiuni asupra mediului, unele pozitive (împăduririle, îndiguirile), dar altele negative (defrişările, asanările etc.). Fenomenul de apariţie a unor factori perturbatori ai mediului şi de producere a dezechilibrelor ecologice a fost denumit poluare (de la verbul latin polluo-ere = a murdări, a degrada). Poluant este socotit orice factor natural sau produs de om, care provoacă disconfort, sau are acţiune toxică asupra organismelor şi/sau degradează componentele abiotice ale mediului, producând dezechilibre ecologice. În prezent, poluarea este o problemă internaţională a omenirii, deoarece poluanţii au atins valori mari, perturbaţiile sunt puternice şi transfrontiere. Cauzele apariţiei poluării pot fi sintetizate astfel: - utilizarea haotică a rezervelor naturale; - acumulări în mediu de substanţe neutilizabile; 183

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

apariţia de substanţe noi, la care ritmul de consum şi reciclare de către organisme este mult inferior ritmului de apariţie; - creşterea demografică vertiginoasă, în special în ultimile două secole; - dezvoltarea intensă a industriei, transporturilor şi agriculturii; - apariţia centrelor urbane suprapopulate. Populaţia, organismul sau resursele care suferă acţiunea poluantă se denumesc ţinte, sau receptori. Cantitatea de agent poluant care ajunge la ţintă reprezintă expunerea. Din expunere rezultă un risc, deci apariţia cu o mare probabilitate a efectelor nedorite. Emisia maximă acceptabilă a unui poluant reprezintă cantitatea de poluant degajată în mediu, la care nu se produc modificări importante. Se exprimă prin nivelul (sau pragul) unui poluant, care este dat de concentraţia maximă peste care trebuie luate contramăsuri, cum sunt: închiderea surselor de poluare, reţinerea, distrugerea poluanţilor, evacuarea populaţiei etc. Nivelele sunt stabilite în standardele de produs şi în cele de calitate ale mediilor, stabilite la nivel naţional, sau în recomandări ale unor foruri internaţionale, cum sunt standardele internaţionale ISO 14000, stabilite de Organizaţia Internaţională de Standardizare, standardele Uniunii Europene EN şi normele stabilite de unele organizaţii profesionale internaţionale. Adaptarea omului şi a vieţuitoarelor la poluare se numeşte aclimatizare şi este limitată de capacitatea de autoapărare. Aşa se explică modificările genetice şi funcţionale, sau dispariţia speciilor. Poluarea afectează toate mediile: aerul, apa, solul, manifestându-se în diferite moduri (tipuri). Astfel: 1. După provenienţă, poluarea poate fi: naturală şi antropică. Poluarea naturală este biologică, fizică şi chimică. Poluare antropică este: industrială, din transporturi, agricultură, din activităţi menajere. 2. După natura poluanţilor se disting: • poluare fizică: termică, fonică (sonoră), radioactivă şi electromagnetică. • poluare chimică, produsă de: carbon şi derivaţii lui; compuşi de sulf, azot etc.; compuşi de metale grele; compuşi de fluor; materiale plastice; pesticide; materii organice fermentabile etc.; • poluare biologică, produsă prin: contaminarea mediilor inhalate şi ingerate; prin modificări ale biocenozelor şi invazii de specii animale şi vegetale (exemplu insecte nedorite, buruieni etc.); • poluare estetică: degradarea peisajelor datorită urbanizării, sistematizării eronat concepute, industriei etc. 3. După starea fizică a poluantului, există: poluare cu gaze şi pulberi în suspensie; poluare cu lichide; poluare cu substanţe solide. Diversitatea agenţilor poluanţi este foarte mare, după procesul din care rezultă (industrie, transport, agricultură, activităţi menajere, sau din natură), după numărul şi complexitatea substanţelor participante. Câteva exemple vin să susţină aceste afirmaţii. Astfel deşeurile solide din marile oraşe pot conţine: apă 30%, hârtie 55% (substanţă uscată), metale neferoase 1,5%, metale feroase 7,5% (total metale 9%), deşeuri alimentare 14%, textile 5%, lemnoase 4%, sticlă 9%, mase plastice 1%, diverse 3% 184

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

(total 100% substanţă uscată). Un oraş cu 1 milion de locuitori are nevoie de 625.000 t apă/zi şi peste 9.500 t combustibil/zi, din care se produc 950 t gaze reziduale şi 500.000 t ape reziduale. Apele menajere uzate pot prezenta următoarele caracteristici (în mg/dm3): substanţe solide în suspensie = 363; azot total = 69; azot amoniacal = 53; fosfat total = 47; grăsimi = 95; pH = 7-8. În atmosferă se întâlnesc diferite substanţe poluante, prezentate în tabelul 7.1. Tabelul 7.1. Agenţi poluanţi ai atmosferei Substanţa

Aer nepoluat

CO NO NO2 oxidanţi hidrocarburi SO2 fluoruri H2S Pb

10-15 0-0,5 0-0,1 0-0,15 0-2 0-0,12 0-0,04 0-0,005 0-10

Prag de poluare (ppm) 25 0,5 0,1 0,15 2 0,2 0,08 0,9 30 µg/m3

În marile oraşe, autoturismele constituie totuşi sursa principală de poluare a aerului. Poluanţii emişi în gazele de eşapament sunt: CO, NOx, SO2, hidrocarburi nearse, aldehide, oxizi de plumb în cazul arderii benzinei reformate cu plumb tetraetil. Substanţele rezultate din arderea unui kilogram de carburant (benzină, sau motorină) sunt prezentate în tabelul 7.2. Tabelul 7.2. Substanţele poluante rezultate prin arderea 1 kg de carburant. Poluant

Emisia din benzină (g)

Emisia din motorină (g)

CO NOx RH nearse SO2 aldehide

465 23 16 0,8 0,9

21 27 13 7,8 0,8

La acestea se mai adaugă cantităţi de fum la arderea motorinei, PbO din arderea benzinei etilate cu plumb. Motoarele cu scânteie emit: gaze de evacuare (65%); gaze din carter (20%); benzină evacuată din carburator (9%); benzină evacuată din rezervor (6%). Din arderea cărbunilor se elimină în aer cantităţi foarte mari de praf, cu conţinut de Al, Si, Mg, Na, S, K, Ca, Fe, Pb, As, Cu, Zn, elemente ce se regăsesc apoi şi în sol (tabelul 7.3). Dintr-o serie de procese industriale, sau din eroziunea solului, rezultă pulberi ce pot fi: a. de natură anorganică, conţinând compuşi metalici de Zn, Pb, Mn, Fe, Cu, 185

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

minerale (SiO2, azbest, silicaţi etc.), substanţe rezultate din procese de sinteză (ciment, sodă, sticlă, coloranţi anorganici etc.); b. de natură organică, care conţin: vegetale (lemn, in, bumbac, făină etc.), animale (lână, păr, os etc.), sintetice (coloranţi organici, pesticide etc.). După dimensiuni, pulberile se denumesc (conform lui Gibbs) ca: praf (φ >10 µm), nor (φ = 0,1-10 µm şi fum (φ < 0,1 µm). Pot avea diverse acţiuni fizice, chimice, biologice şi rază mare de acţiune. Rază foarte mare o au gazele. De exemplu, SO2 şi CO2 s-au regăsit şi la peste 1.000 km distanţă de locul de producere. Tabelul 7.3. Concentraţia de poluanţi în aer şi sol (la punctul de cădere) emişi de o centrală de 1.280 MW, dintr-o tonă de cărbune ars. Poluant

Praf în aer (mg/tona cărbune)

Concentraţie în sol (mg/m3)

Al Si Mg Na S K Ca Fe Pb As Cu Zn

241.000-373.000 155.000-409.000 15.300-116.700 2.869-9.565 1.999-22.870 1.043-24.133 1.655-15.821 4.677-87.568 77-2.975 19-488 19-1.674 48-1.124

308-476,60 198-523,12 12,56-149,12 3,66-12,12 2,56-29,22 1,34-30,84 2,12-20,22 5,98-111,90 0,10-3,80 0,02-0,62 0,02-2,14 0,06-1,44

Substanţele radioactive pot afecta de asemenea aerul, apa, solul, vieţuitoarele. Substanţele radioactive provin din: radiaţia cosmică ionizantă, radiaţia pământului (în special în minele de uraniu şi thoriu), din experienţe nucleare, centrale nuclearo-electrice, centre medicale, sau de cercetare. Contaminarea cu microorganisme (viruşi, microbi etc.) prin aer, sau din apă, de pe suprafaţa solului, poate provoca îmbolnăviri chiar în masă. Poluanţii emişi în mediu pot fi transportaţi pe următoarele căi: prin curenţii de aer, de apă, particule de sol, organisme vii, om, mijloacele de transport. Împrăştierea depinde de: - natura poluantului (solid, lichid, miscibil cu apă sau nemiscibil, gazos, degradabil, nedegradabil etc.); - existenţa mai multor poluanţi în zonă, ce pot interacţiona sau nu; - viteza factorului de transport (aer, apă, sol, organisme); - climă; - relief; - existenţa unor obstacole naturale în cale, sau create de om (baraje, clădiri etc.).

186

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

7.2. Caracteristicile poluanţilor Agenţii poluanţi se pot caracteriza prin: a) Limita de concentraţie, pentru care o substanţă poate prezenta un efect poluant. Se mai numeşte şi concentraţie maxim admisă. Limitele de concentraţii sunt diferite, în funcţie de natura poluantului, de natura producătorului şi de ţara de emisie. De exemplu, SO2 are limitele: 0,25 mg/m3 în aerul din România, 0,3 mg/m3 în Canada, 0,35 mg/m3 în Polonia, 0,365 mg/m3 în SUA, 0,50 mg/m3 în Elveţia. Limitele sunt prezentate în standarde şi au caracter obligatoriu, astfel încât depăşirea lor de către întreprinderile poluante atrage după sine plata unor penalităţi. Acetona are limita de concentraţie de 2 g/m3 în 24 ore, NOx: 0,1 mg/m3, compuşii cu fluor: 0,005 mg/m3, fenolul: 0,03 mg/m3, funinginea: 0,05 mg/m3, benzenul: 0,8 mg/m3. Concentraţiile maxime admise pot fi exprimate şi în alte unităţi: g/l, %, ppm, ppb, ppt, Cm (Curie), dB (decibeli). Unii poluanţi pot prezenta toxicitate pentru organisme, deci producerea de efecte acute, manifestate la timp scurt după contactul organism-agent poluant, sau de efecte cronice, manifestate pe o durată mare de timp, de la expunere. In afară de concentraţia maxim admisă, aceşti poluanţi se caracterizează prin: doză letală, concentraţie letală şi timp letal. Doza letală este dată de cantitatea maximă de substanţă ce poate omorî 50% din animalele experimentate, după 14 zile. Se notează cu DL50, şi se exprimă în mg/kg corp. Poate fi orală sau dermală, după modul în care se ajunge în contact cu poluantul. Concentraţia letală reprezintă concentraţia substanţei în soluţie apoasă ce provoacă moartea a 50% dintr-o populaţie acvatică, după o expunere de 24-96 ore. Se notează CL50/24-96 ore şi se exprimă în mg/l. Timpul letal este durata (în ore) în care toxicul de o concentraţie dată este letal pentru 50% dintr-o populaţie imersată. b) Gradul de persistenţă în mediu diferă de la poluant la poluant şi poate fi influenţat de condiţiile meteo (de exemplu starea de calm şi ceaţa împiedică dispersarea). Timpul de staţionare (sau de persistenţă) în mediu poate fi scurt (NH3 persistă 2 zile, SO2: 4 zile, NOx: 5 zile) sau lung, de câţiva ani. De exemplu: CO persistă 2- 3 ani în atmosferă, CO2: 4 ani, hidrocarburile RH: 16 ani, freonii: 100 ani, fierul aproximativ 100 ani, Al aproximativ 500 ani, masele plastice 250 ani, sticla 4-5000 ani etc. În acest timp, poluanţii se concentrează, se amestecă, interacţionează între ei şi cu mediul, atrăgând efecte deosebite asupra biocenozelor. c) Influenţele reciproce dintre poluanţi pot fi multiple şi analiza lor se efectuează la lansarea de noi produse, la amplasarea de noi unităţi economice, la stabilirea măsurilor de protecţie a mediului. Se pot observa următoarele efecte, în cazul prezenţei mai multor poluanţi într-o zonă: - efecte sinergetice, deci o amplificare a efectelor poluante, mai mare decât 187

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

-

simpla însumare a efectelor individuale ale poluanţilor (de exemplu, ploile acide, provenite din emisii de SOx sau NOx şi apă, produc la plante, vieţuitoare, om şi construcţii, efecte nocive mai puternice decât gazele uscate, sau apa, luate separat); efecte antagonice, respectiv anihilarea reciprocă a efectelor poluante între agenţii poluanţi (de exemplu, situaţia în care un agent economic elimină apă acidă, altul apă bazică în acelaşi râu); anergism, respectiv lipsa unor influenţe reciproce între acţiunile poluanţilor (în mediu există aruncate mase plastice, lemn, metale, care nu se influenţează); eutrofizare - intensificarea poluării secundare. În ape cu circuit ridicat de azot şi fosfor şi sub influenţa căldurii proliferează vegetaţia, producând scăderea conţinutului de O2 din apă, reducerea faunei. Iarna, plantele putrezesc, elimină gaze (H2S, CH4, CO2 etc.). În cazul apelor staţionare (bălţi, iazuri, lacuri), condiţiile de viaţă acvatică se diminuează până la zero.

7.3. Influenţa poluanţilor asupra organismelor vii Agenţii poluanţi acţionează diferenţiat asupra organismelor vii. Natura poluanţilor, prezenţa lor în amestec, concentraţia lor, influenţele lor reciproce şi durata de acţiune, constituie o primă grupă de influenţe. Condiţiile în care are loc poluarea, deci temperatura, umiditatea, relieful, viteza de deplasare a poluanţilor etc. produc asupra organismelor efecte diferenţiate. O a treia grupă de influenţe este legată de componentele biocenozei şi de caracteristicile lor ca: natura şi numărul speciilor, vârsta indivizilor, starea lor de sănătate, particularităţile lor, rezistenţa la factorii de mediu etc. Unii poluanţi nu sunt metabolizaţi într-un lanţ trofic şi nici eliminaţi din organism, deci se pot acumula în organismele consumatorilor, producând fenomenul de amplificare biologică. Poluantul poate ajunge la valori care produc îmbolnăviri sau chiar decese. Exemplele sunt numeroase, cum ar fi: seminţe cu metil-mercur (8 ppm)

→ animal ierbivor → corpul uman (40-50 ppm) (>280 ppm) (în muşchi)

Concentraţia de 280 ppm, provoacă moartea în 1-2 luni. La Agano, din apa cu 0,1 ppc mercur s-a înregistrat o concentrare de 40.000 ori în peşti, astfel: apă → fitoplancton → peşti (0,1 ppb Hg) (10 ppb) (40 ppm) În golful Minamoto (Japonia), s-a ajuns prin consumarea peştelui la o concentrare de 500.000 ori la om, iar legarea lui în organism de proteinele solubile, a provocat decesul a 41 persoane în 1956-1965. 188

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

Insecticidul DDT administrat pentru distrugerea ţânţarilor din lacul Clear (California) a ajuns în apă şi de aici s-a concentrat în plancton, peşti, lişiţe, astfel:

apă (0,015 mg/l)

→

plancton (5 ori)

→ peşti (1000 ori)

→

lişiţe (25.000 ori)

Diluarea biologică se produce în cazul în care poluantul se repartizează uniform într-o plantă. Aplicat la seminţe (ca în cazul Furadanului) timp de două luni, planta mică devine toxică pentru animalele care o consumă. Apoi, prin creşterea fitomasei, concentraţia în plantă scade sub limitele letale. In privinţa acţiunii poluanţilor asupra sănătăţii oamenilor, aceştia produc încărcarea corporală cu substanţe toxice, ce modifică aparatul respirator, glandular. Dacă acţiunea poluantă persistă apar tulburări ca: reflexe anormale, scăderea capacităţii de muncă, a bunei dispoziţii, somnul este afectat, se agravează starea de boală. Tulburările sunt mai puternice la persoane alergice, cu probleme nervoase sau digestive. Aceste tulburări se denumesc ca modificări de prag. Starea următoare o constituie îmbolnăvirile cronice (bronşită, emfizem, obstrucţie pulmonară) şi acute (boli virotice respiratorii, otite etc.). Poluanţii reduc funcţiile de producere a anticorpilor. La concentraţii mari de poluanţi şi în condiţii meteo speciale ce împiedică împrăştirea, se pot produce chiar intoxicaţii în masă. S-au întâlnit astfel de situaţii la Londra (1873 şi 1952), Glasgow (1904), Pittsburg (1913), Liege (1930) etc. Efectele asupra sănătăţii populaţiei pot fi: - directe (poluanţii influenţând nemijlocit starea de sănătate); - indirecte, prin intermediul condiţiilor de mediu afectate de poluanţi. La rândul lor, efectele directe pot apare imediat, sau după un timp mai îndelungat de contact cu poluantul. 1. Efectele imediate ale acţiunii poluanţilor se manifestă prin iritaţii oculare, ale aparatului respirator şi uneori prin creşterea mortalităţii, în caz de poluare excesivă, în timp scurt. De exemplu, crescând conţinutul de SO2 în aer peste 600 mg/m3, sau fumul peste 300 mg/m3, s-au înregistrat agravări de bronşită. Peste 1500 µg/m3 SO2 pe zi şi fum peste 2000 µg/m3 şi zi, a crescut mortalitatea cu 20%, situaţii create pe Valea Meusei în 1930, datorită SO2 şi fluorului, Donora (1948), Londra (1952). Detergenţii din ape reziduale provoacă moartea peştilor, prin spuma formată, care întrerupe contactul cu oxigenul dizolvat în apă la nivelul bronhiilor. Au acţiuni şi asupra vegetaţiei acvatice. 2. Efectele de lungă durată se produc prin contact cu poluanţii cu agresivitate medie, un timp îndelungat, ce favorizează acumulări în organism, producătoare de fenomene patologice. După efectele provocate, poluanţii se clasifică în: a) Poluanţi iritanţi pentru mucoasa oculară şi aparatul respirator. Aceştia produc bronşită cronică, emfizem pulmonar, astm bronşic, conjunctivite. Din această categorie fac parte: pulberile netoxice, SO2, NO2, O3, Cl2, NH3 etc. Numai 189

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

SO2 (peste 200 µg/m3) sau fumul (peste 150 µg/m3) favorizează dezvoltarea cancerului pulmonar, prin reducerea capacităţii de apărare a aparatului respirator. b) Poluanţi fibrozanţi ce produc modificări fibroase la aparatul respirator. De exemplu: SiO2, oxizi de fier, compuşi de Ca, Ba, ce apar în mediu industrial în special. c) Poluanţi axfisianţi ce împiedică oxigenarea ţesuturilor organice. Astfel acţionează CO, formând carboxihemoglobina stabilă. Peste 60% hemoglobină blocată se produce moartea. H2S produce mai întâi pierderea mirosului, apoi paralizia centrilor respiratorii şi decesul. d) Poluanţi sistemici ce pot provoca leziuni la organe, sau sisteme. Aşa acţionează: Pb, care se acumulează în ţesutul osos, afectează sistemul nervos, biosinteza hemoglobinei. Intoxicaţia apare peste 0,1-0,2 mg Pb/dm3, putând produce arieraţie mintală la copiii de 7-12 ani. Fluorul se acumulează în ţesutul osos, provocând leziuni osoase şi tulburări metabolice. Micşorează duritatea dinţilor la concentraţii de peste 1,5 mg F/dm3 de apă consumată. Peste 5 mg/dm3, apar anchiloze articulare, luxaţii, fracturi, curbarea oaselor lungi etc. Cadmiul, peste 5 µg/dm3 apă, produce tulburări ale rinichilor şi fracturi osoase (prin eliminare Ca). În 1970, în Japonia s-a semnalat maladia Itai-Itai datorită intoxicaţiei cu Cd. Mercurul, peste 10 µg/dm3 în apă, se acumulează în rinichi, creier, globule roşii, păr. Produce leziuni în sistemul osos, analizorul vizual, aparatul renal şi digestiv. Arsenul, peste 0,5 µg/dm3 în apă, provoacă afecţiuni ale pielii, cancer cutanat, tulburări digestive. Cianurile, peste 0,01 mg/dm3 apă, provoacă blocarea oxidării la nivel celular, deci axfisia internă, tulburări nervoase şi deces. Pesticidele acţionează asupra ficatului, sistemului nervos, glandelor endocrine sexuale, enzimelor etc. Au acţiuni cancerigene şi chiar cocancerigene asupra descendenţilor. Azotaţii ingeraţi din apa potabilă, cu conţinut mai mare de 40-60 mg/dm3 (limită stabilită de OMS) blochează hemoglobina, formând cum s-a mai arătat, methemoglobina. La o blocare a hemoglobinei de 10-25%, apare boala methemoglobunemia uşoară, la 25-40% apare starea medie de boală şi peste 50% blocaj, apare starea gravă, mortală. e) Poluanţii alergenici acţionează asupra căilor respiratorii, producând alergii. Pot fi de origine naturală (cum sunt polenul, unele insecte, fungi, praful), sau industrială (diferite produse chimice, farmaceutice, insecticide). Chiar deşeurile solide industriale depuse în halde pot fi transportate sub formă de vânt şi produc alergii în masă, cum s-a întâmplat la New Orleans, în 1958. f) Poluanţii cancerigeni. Hidrocarburile, în special cele policiclice aromate, ca benzopiren, benzoantracen, benzfluoranten etc., rezultate din procese de ardere se volatilizează şi se condensează apoi pe particule în suspensie, ce 190

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

pătrund cu aerul în aparatul respirator, producând cancer pulmonar. Asbestul, Cr, Be, Ni, Se provenite din industrie acţionează asupra plămânilor. Epoxizii, nitrozaminele α şi β naftilamina de la fabricile de coloranţi, produc cancer de vezică urinară. g) Poluanţi cu efecte mutagene şi teratogene. Compuşii organocloruraţi, fosforici, mercurici, fluorurile, NOx au astfel de efecte manifestate asupra urmaşilor, cu riscul apariţiei de malformaţii, sau întârzieri mintale. 2. Efectele indirecte manifestate de unii poluanţi se concretizează în: - alterarea florei/faunei, reducerea radiaţiei solare (diminuarea luminozităţii), favorizarea apariţiei ceţii; - degradarea construcţiilor, vopselelor, ţesăturilor etc.; - miros neplăcut, creând stare de disconfort olfactiv. 4. Efectele iradierii pot fi: somatice sau genetice. Efectele somatice se manifestă: - imediat, prin convulsii, lipsă de coordonare sau chiar deces; - cronic, sub formă de înnegrirea pielii, cataracte, sterilitate la bărbaţi; - întârziat, prin scăderea duratei de viaţă şi cancer epiteliar (la medicii radiologi), sau pulmonar (pentru minori). Efectele genetice apar datorită perturbării codului genetic la nivelul genelor, sau al cromozomilor (distrugere, alterare de funcţii, rearanjare de gene etc.). Se produc mutaţii la generaţia imediat următoare, sau la alte generaţii. 7.4. Activitatea industrială şi poluarea mediului Industria poluează absolut toate mediile (aer, apă, sol), provocând prejudicii sănătăţii oamenilor, vieţuitoarelor, agriculturii, transporturilor, construcţiilor, culturii şi chiar ei însăşi. S-au efectuat şi se efectuează numeroase studii referitoare la agenţii poluanţi emişi din diferite domenii industriale, la efectele imediate şi pe termen îndelungat ale poluării, la efectele măsurilor de diminuare a emisiilor poluante. Studiile se realizează la nivel naţional, dar şi prin cooperări internaţionale. Tabelul 7.4. prezintă câteva substanţe emise de ramurile industriale, la nivelul anului 1990, pe glob. Cantităţile emise în aer sunt considerabile, uneori de zeci de milioane de tone, ceea ce impune stricta reducere a lor pentru a asigura dezvoltarea durabilă a omenirii. In afara emisiilor prezentate în tabelul 7.4, fiecare domeniu industrial înregistrează şi alte forme de poluare. Industria poluează prin emisii în atmosferă, în efluenţi, prin depozitare de materiale nocive pe sol, în subsol, contaminări biologice, radioactive, riscuri atât în exploatare, cât şi prin posibilitatea producerii unor accidente. De exemplu, în 1976, în Italia s-a eliminat dioxină, substanţă foarte periculoasă, în urma unei explozii la o fabrică de produse chimice; în 1984, explozie foarte puternică datorită gazului metan în Mexic; eliminări de substanţe chimice în mediu în 1984, în India, la o fabrică 191

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

chimică; în 1995, la Kosice o explozie foarte puternică, datorită scăpărilor de gaz metan etc. Toate aceste evenimente au provocat în zonă serioase modificări, pe timp destul de mare. Tabelul 7.4. Emisii de agenţi poluanţi industriali (mil.tone). Domeniul industrial Energetică Extracţie ţiţei Prelucrare ţiţei petrochimie Extracţie cărbune Metalurgie: -feroasă -neferoasă Industrie chimică Construcţii de maşini Materiale construcţii Alte domenii

şi

Pulberi

SO2

CO

NOx

Hidrocarburi

23,9 0,1 0,4 4,1 14,9 7,0 1,4 2,8 28,7 16,7

52,8 0,1 2,0 3,7 9,7 16,5 1,2 1,0 2,6 10,4

4,0 0,2 8,2 10,4 41,7 3,6 3,0 6,8 11,2 11,5

70,1 0,1 0,5 2,0 13,7 1,9 1,1 3,2 7,4

62,1 31,1 4,0 0,3 1,3 1,2

a) Industria extractivă poluează mediul atât în faza de extracţie, cât şi în fazele de preparare, respectiv la mărunţire, clasare, concentrare, preparare termică ş.a. Pe durata extracţiilor în subteran sau la suprafaţă se elimină praf cu conţinut de silicaţi, cărbune etc., vegetaţia este distrusă pe mari suprafeţe, pot apărea surpări, alunecări de teren. La încheierea excavaţiilor se fac uneori rambleieri, iar la suprafaţă se recopertează în ordinea inversă decopertării, astfel încât stratul de sol să ajungă la deasupra (în cazul unei excavaţii de scurtă durată). Uneori se aduce sol din alte zone, deci cheltuielile vor fi mari pentru fertilizarea zonei. Din operaţiile de preparare rezultă halde de steril, ape poluate, praf. Haldele scot teren din circuitul agricol, îl contaminează cu metale grele, praf de cărbune, îi schimbă pH-ul, alcătuiesc elemente inestetice în decor. Ele constituie un pericol şi prin revărsarea lor peste terenuri, locuinţe, datorită infiltrării apelor de precipitaţii şi tendinţei de mărirea ariei bazei. Apele poluate deversate în cele naturale produc creşterea conţinutului în metale grele, praf de cărbune, diferite substanţe chimice anorganice şi organice şi trebuie tratate pentru reducerea agenţilor poluanţi sub limitele admise de lege. Prafurile se îndepărtează din hale prin ventilaţie, sunt eliminate în atmosferă, de unde poluează apa şi solul, sau sunt captate cu utilaje adecvate. b) Industria de extracţie şi prelucrare a ţiţeiului afectează mediul prin hidrocarburile gazoase şi lichide "pierdute" în timpul extracţiei, transportului şi depozitării ţiţeiului şi produselor petroliere. Din procesele de prelucrare în rafinării rezultă carburanţi, combustibil, lubrifianţi şi materii prime petrochimice. Toate produsele sunt inflamabile, au grade diferite de toxicitate, unele sunt explozive, sau cancerigene, deci necesită condiţii speciale, sigure la prelucrare, transport şi depozitare. De exemplu, rezervoarele de mare capacitate de benzină se răcesc vara cu apă, se înconjoară cu valuri de pământ, sau cu un zid de beton pentru a micşora împrăştierea în 192

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

caz de explozie, conducta de aducţiune pătrunde până la fundul rezervorului, pentru a nu se produce o încărcare electrostatică în timpul umplerii, prin frecarea dintre straturile de lichid etc. In petrochimie se utilizează produse petroliere inflamabile, uneori explozive, gaze la presiuni mari şi foarte mari (2.000 atm pentru polimerizarea etenei la polietilenă), deci riscurile sunt mari. Instalaţiile se construiesc din materiale rezistente la coroziune, au grosimea pereţilor proiectată să reziste la presiune, sunt automatizate şi uneori întreg procesul este condus de calculator. c) Industria energetică poluează termic, fonic, electromagnetic, chimic şi estetic mediul. Astăzi energia electrică se obţine din sursele convenţionale astfel: 40% prin arderea ţiţeiului, 27% din cărbuni, 23% din gaze naturale, 7% din procese nucleare şi 3% din apă. Procesele de combustie au aşadar o mare pondere, atât pentru obţinerea energiei electrice, cât şi a celei termice. Termocentralele elimină cenuşă, pulberi, gaze, aer cald şi abur. Cenuşa poate reprezenta 40-50% la lignit, cărbune brun, turbă, sau chiar peste 80% în cazul arderii şisturilor bituminoase. Din ardere rezultă gaze care conţin CO2, SO2, SO3 (1-3% din cantitatea de SO2), oxizi de azot, compuşi cu arsen, fluor. Energetica contribuie cu 57% la efectul de seră, deoarece emite 55% din totalul CO2, 15% din CH4, 6% din N2O, 7% din CFC. Deţine primul loc la emisiile de oxizi de sulf şi de azot şi locul al doilea, după materialele de construcţii, la emisiile de pulberi. Numai termocentralele emit 60% din SO2 total şi 30% din NOx total. Pulberile se regăsesc aruncate la 10-20 km distanţă, iar oxizii de sulf şi de carbon la peste 1.000 km, faţă de locul emisiei. Termocentralele emit cele mai mari cantităţi de dioxid de carbon pentru obţinerea unei unităţi de energie electrică, iar dintre acestea, emisiile cele mai mari le au cele pe cărbune. In tabelul 7.5 sunt prezentate emisiile unor poluanţi din diverşi combustibili. Tabelul 7.5. Poluanţi emişi din diferiţi combustibili la 0 °C, în mg/m3. Combustibil Cărbuni (lignit) Păcură: S < 4% < 3% < 1% Lampant Gaz metan

SO2

NOx

Pulberi

1.300-2.600 (13.300) 5.300 4.000 1.300 400 0,80

100-600 800 < 440 400-800 160 100-700

300-6.000 300 200 50-100 16 1,3-6,7

Numai o centrală de 2000 MW elimină anual 1,3 mil t cenuşă la sol şi în aer: 42.000 t CO2, 600 t SO2 şi 10 t praf de cenuşă. La acestea se adaugă şi aburul evacuat prin turnul de răcire, care modifică umiditatea şi temperatura atmosferică în zonă. Hidrocentralele modifică peisajul, ecosistemele, varietatea şi numărul de specii (reduc numărul peştilor), calitatea apei (prin concentrarea în săruri), apa nemaiputând fi utilizată pentru băut. Afectează agricultura prin infiltraţiile de apă, producând băltiri şi apoi, după evaporarea apei, sărăturarea solului. Alteori, prin asanarea zonelor mlăştinoase, sau izolarea luncilor de fluvii prin 193

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

îndiguiri s-a produs scăderea nivelului pânzei freatice, curgerea fluviilor mai rapidă şi creşterea puterii distructive a inundaţiilor. La hidrocentralele mari, lacurile de acumulare preiau volumul mare de apă în caz de viituri, evitând astfel producerea inundaţiilor. Construcţia unei hidrocentrale necesită eliberarea unei suprafeţe mari de teren, defrişări masive, deplasarea populaţiei spre alte zone. In zonă, datorită excesului de umiditate atmosferică se produc perturbaţii climatice: scăderea temperaturii medii, ceaţă. Lacul de acumulare crează presiuni mari în straturi, generatoare de cutremure. Barajele sunt bariere în calea migraţiei peştilor, cei mai afectaţi fiind somonii şi păstrăvii. De asemenea sunt bariere pentru circuitul natural al sedimentelor, acestea depunându-se în amonte de baraj, colmatând în timp lacul de acumulare. In lac creşte temperatura apei, deci pot dispărea unele specii de scoici, peşti. Dacă o specie dispare, întreg echilibrul ecologic este afectat, prin lanţul trofic. Scăderea producţiei piscicole este şi o consecinţă a creşterii concentraţiei în săruri a apei, iar în unele situaţii, a dispariţiei unor zone inundabile de-a lungul cursului apei, ca urmare a lucrărilor de asanare şi îndiguire. In aceste zone inundate, unele specii de peşti îşi depuneau icrele. Alt efect al construcţiilor hidrotehnice pe fluvii este posibilitatea scufundării (retragerii) unor delte, situaţie semnalată pe Nil şi Mississippi. Apa acumulată în lacuri şi legată prin canale de irigaţii a fost uneori cauza răspândirii unor boli, datorită dezvoltării unor paraziţi. Astfel, hidrocentrala de la Assuan, de pe Nil a favorizat dezvoltarea unor viermi paraziţi, care au migrat prin sistemul de irigaţii şi au pătruns în organismele vii, producând boala denumită "hematurie de Egipt", ce afectează aparatul urinar. Tot în Africa, hidrocentrala de la Kariba, prin apă a contribuit la dezvoltarea unei muşte, ce a produs daune agriculturii în zonele învecinate. Astăzi, pe glob există peste 3800 baraje mari şi alte numeroase stăvilare mai mici, dintre care peste jumătate sunt în China. Pentru reducerea impactului asupra mediului, hidrocentralele şi alte construcţii de hidroameliorare prezentând totuşi foarte multe avantaje, acestea trebuie: întreţinute permanent, supravegheată calitatea apei, refăcute ecosistemele prin repopulări cu specii de peşti, acolo unde este posibil refăcute sistemele de lunci inundabile şi să se administreze bazinele fluviale ca un ecosistem. Efectele se vor materializa în special prin scăderea frecvenţei inundaţiilor catastrofale, restaurare viaţii acvatice şi creşterea producţiei piscicole. Centralele nuclearo-electrice poluează mediul prin debitul mare de apă necesar în sistemul de răcire şi prin conţinutul în radionuclizi al gazelor, lichidelor şi materialelor solide evacuate. Apa caldă provenită din sistemul de răcire poate provoca poluarea termică în zona de evacuare, deci o înmulţire a algelor, dispariţia unor specii. Reintrodusă în circuit, apa va necesita un sistem mai eficient de îndepărtarea plantelor. La CNE Cernavodă s-a calculat debitul apei de răcire din circuitul secundar, astfel încât apa să se încălzească numai cu 3 grade, evitând poluarea termică în zonă. Deşeurile gazoase radioactive sunt alcătuite din aerul evacuat din incinta clădirii 194

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

reactorului şi din eventualele gaze pierdute din sistemul primar de răcire, la reactoarele răcite cu gaze (CO2, He). Deşeurile lichide radioactive conţin apa din circuitul primar şi ape reziduale. Deşeurile solide radioactive sunt alcătuite atât din întreaga instalaţie (reactor nuclear, pompe, rezervoare, schimbătoare de căldură, conducte etc.), dar şi din reziduurile procesului de fisiune nucleară, îmbrăcămintea de protecţie, hârtia utilizată etc. Toate aceste deşeuri se tratează înainte de evacuarea în mediu şi se depozitează în condiţii de strictă siguranţă, cu supraveghere permanentă. Centralele eoliene ocupă o mare suprafaţă de teren şi prin zgomotul turbinelor produc poluare fonică. Centralele solare blochează o suprafaţă mare de teren pentru captatoare, în special. Centralele geotermale aduc la suprafaţă H2S, NH3 (gaze neplăcute, iar la concentraţii mai mari chiar toxice), apă salinizată. Construcţia lor trebuie să nu producă în zonă tasări de teren, iar în cazul utilizării căldurii acumulate în roci, să nu producă erupţii vulcanice, sau cutremure. d) Industria siderurgică elimină pulberi metalice (oxizi de fier), cancerigene, precum şi pulberi nemetalice de SiO2, calcar, cărbune, cu alte efecte asupra aparatului respirator, ochilor, pielii. Uzinele cocsochimice elimină compuşi toxici cu fluor, arsen, hidrocarburi policiclice condensate, cu efecte cancerigene, fenoli caustici, gaze cu SO2, CO, H2S, cu efecte acide şi axfisiante. Emisiile în atmosferă (pulberi şi gaze)se regăsesc la distanţe de câţiva kilometri de combinatele siderurgice. In tabelul 7.6 sunt prezentate emisii de praf înregistrate în siderurgie şi în metalurgia neferoasă, procesul de obţinere a aluminiului înregistrând valorile cele mai mari. Tabelul 7.6. Emisii de pulberi în metalurgie. Produs Oţel Fontă Aluminiu Bronz şi alamă

Pulberi emise (kg/t produs) 10 8 450 12

e) Metalurgia neferoasă elimină o serie de produşi toxici, ca de exemplu: As, Cd, Cr, Pb, Hg, Ni, V, Mn, Ba, F, SO2 etc. Efectele negative ale acestor produşi asupra organismului uman sunt prezentate în tabelul 7.7. Dioxidul de sulf emis din procesul de fabricaţie al cuprului poate fi şi de 8 t SO2/tona Cu. Prin caracterul lui acid distruge clorofila, afectează construcţiile, căile respiratorii ale vieţuitoarelor ş.a. Pulberile astupă ostiolele plantelor, împiedicând respiraţia şi transpiraţia, deci însuşi procesul de fotosinteză. Aerosolii pot fi transportaţi la 5-10 km distanţă, iar cei 195

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

de metale neferoase se pot atrage electric, aglomerându-se şi depunându-se astfel în timp mai scurt.

Tabelul 7.7. Efectele provocate de poluanţi din metalurgia neferoasă asupra sănătăţii oamenilor Poluant Arsen Beriliu Cadmiu Crom Fluor Plumb Mercur Nichel Mangan Vanadiu

Efecte Dermatite ulceroase, anemie, cancer. Intoxicaţii la concentraţii foarte mici. Boli acute şi cronice ale căilor respiratorii; disfuncţii renale. Dermatite, cancer gastrointestinal. Efecte toxice ca la plumb. Efecte neurologice, îmbolnăviri ale ficatului, rinichilor, anemii. Tulburări de scurtă durată ale memoriei, efecte asupra dinţilor, părului. Cancerul căilor respiratorii. Tulburări de metabolism. Iritarea căilor respiratorii, schimbări în formula sângelui.

Praful poate produce îmbolnăviri profesionale. Asupra pieselor în mişcare, praful provoacă uzura lor accelerată, iar între contactele electrice are fie efect izolator, fie scurtcircuitează, producând în primul caz întreruperea alimentării cu curent electric, iar în al doilea caz, electrocutări, scoaterea din uz a unor aparate, maşini, topirea unor rezistenţe etc. f) Industria chimică emite o multitudine de substanţe, cu diferite toxicităţi pentru oameni şi mediu. Se elimină în atmosferă compuşi cu sulf, ca: dioxid şi trioxid de sulf din industria acidului sulfuric, mercaptani din rafinării şi petrochimie, hidrogen sulfurat, sulfură de carbon. Compuşii cu azot, ca oxizi şi amoniac se elimină din industria acidului azotic şi a fertilizanţilor cu azot. Din producţia de clorosodice se elimină clor, acid clorhidric în atmosferă, clorură de calciu în ape etc. Din diferite procese de sinteză se elimină compuşi cu fluor, clor, pesticide, produşi intermediari de sinteză, negru de fum. Din procesele de valorificare a ţiţeiului şi a gazului metan se elimină fenoli, alcooli, cetone, eteri, diferite hidrocarburi. Produsele reziduale se elimină ca atare în aer, apă, sau pe sol, se ambalează şi depozitează, sau se ard, fiecare variantă prezentând forme specifice de poluare a mediului. In tabelul 7.8 sunt prezentate efectele unor substanţe chimice organice asupra sănătăţii oamenilor.

196

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

Tabelul 7.8. Efecte produse asupra sănătăţii oamenilor de unii compuşi organici. Poluant Benzen Sulfură de carbon Dicloretan Formaldehida Tetracloretilena Negru de fum

Efecte Anemie, aberaţii cromozoidale. Tulburări neurologice, psihiatrice şi gastro-intestinale. Imbolnăvirea ficatului, rinichilor. Tulburări cardiace, efecte asupra sistemului nervos central. Aberaţii cromozoidale, iritarea ochilor, dermatite, infecţii respiratorii la copii. Cancer la rinichi, de piele, genital, disfuncţii hepatice, tulburări ale sistemului nervos central. Dermatite, cancer al pielii, iritaţii ale ochilor, tulburări ale sistemului respirator.

Efectele substanţelor chimice asupra mediului biotic şi abiotic sunt multiple. Ele acţionează prin aciditatea sau bazicitatea lor, prin hidroliza cu umiditatea atmosferică, producând ceaţă (oxizii de sulf, clorura de aluminiu), sau compuşi toxici (clorul, oxizii de sulf, azot), prin potenţialul inflamabil chiar la temperaturi relativ scăzute al unor compuşi (benzinele uşoare), prin potenţialul exploziv al altora (azotatul de amoniu), prin toxicitatea lor chiar la concentraţii extrem de scăzute în aer, sau apă (dioxina). Efectele sunt multiple, amplificate de cele mai multe ori de prezenţa în mediu a unui amestec de poluanţi. Se observă uscarea plantelor, deci scăderea producţiei agricole, uscarea pădurilor, coroziunea metalelor, degradarea materialelor de construcţii, îmbolnăviri ale oamenilor şi animalelor, uneori chiar decese. In industria chimică se lucrează la temperaturi şi presiuni ridicate uneori, deci pericolul unor accidente există permanent. Instalaţiile trebuie corect proiectate, realizate pentru a rezista condiţiilor de exploatare şi conduse de personal competent, dublat de sisteme corespunzătoare de automatizare. g) Industria materialelor de construcţii poluează mediul în special prin cantităţile mari de pulberi, ce pot ajunge şi la 200 g/m2·24 ore. Aceste pulberi afectează respiraţia plantelor şi modifică pH-ul mediului pe câţiva kilometri, diminuând masa vegetală, deci producţia de cereale, iarbă pentru fân, fructe. Anual se elimină mii de tone pe kilometru pătrat, deoarece procesele tehnologice au pierderi de 0,3-0,5% din producţie sub formă de praf. Prafurile conţin oxizi de calciu, de magneziu, de siliciu, azbest etc., producând îmbolnăviri profesionale (pneumoconioze); azbestul are proprietăţi cancerigene şi radioactive. h) Industria celulozei şi hârtiei utilizează compuşi cu sulf (sulfură de carbon, dioxid de sulf), iar din procesele tehnologice rezultă H2S, mercaptani, împreună cu produşii volatili utilizaţi în proces. Albirea celulozei se poate face şi cu clor, în care caz rezultă combinaţii organoclorurate deosebit de toxice, printre care şi dioxină. Din proces rezultă şi ape reziduale cu conţinut ridicat de reactivi şi fibre celulozice putrescibile, ce produc pe lângă disconfort şi iritaţii, îmbolnăviri ale ochilor, aparatului respirator etc. 197

TEHNOLOGII INDUSTRIALE

i) Industria alimentară poluează aerul, apa, solul cu resturile vegetale şi animale rezultate din procesele tehnologice, cu detergenţii utilizaţi la spălări, sau cu alte materiale şi produse reziduale. Freonii utilizaţi ca agenţi frigorifici, eliberaţi în atmosferă, contribuie la distrugerea stratului de ozon. Sursele industriale de poluare sunt diverse, complexe şi contribuie cu ponderea cea mai mare la poluarea globală a Terrei. Reducerea emisiilor de poluanţi industriali are efecte imediate, dar şi pe termen lung, prin reducerea efectului de seră, refacerea ozonului, diminuarea ploilor acide etc.

Rezumat Fenomenul de apariţie a unor factori perturbatori ai mediului înconjurător şi de producere a dezechilibrelor ecologice este denumit poluare. Polunt este socotit orice factor natural, sau produs de om, care provoacă disconfort, sau are acţiune toxică asupra organismelor şi/sau degradează componentele abiotice ale mediului, producând dezechilibre ecologice. Poluanţii se caracterizează prin limită de concentraţie, doză letală, concentraţie letală, timp letal, grad de persistenţă în mediu. Poluanţii prezintă influenţe diferite asupra mediului abiotic şi asupra organismelor vii. Efectele se manifestă imediat, sau pe termen lung. Activitatea industrială influenţează puternic mediul prin emisii gazoase, lichide, solide, efecte termice, radioactive, vibraţii etc. Sunt exemplificate efectele unor domenii industriale asupra mediului. Cuvinte cheie poluare poluant poluare antropică limita de concentraţie doza letală grad de persistenţă efecte sinergetice efecte antagonice anergism eutrofizare poluanţi sistemici efecte mutagene efecte teratogene efecte somatice

198

CAPITOLUL VII – Poluarea industrială

Bibliografie suplimentară 1. Vişan S., Angelescu A., Alpopi C., „Mediul înconjurător-poluare şi protecţie”, Ed.Economică, Bucureşti, 2000; 2. Angelescu A., Ponoran I., Ciobotaru V.,”Mediul ambiant şi dezvoltarea durabilă”, Ed.ASE, Bucureşti,1999; 3. *** „Dezvoltarea economică şi protecţia mediului înconjurător”, INID, Bucureşti, 1990; 4. ***”Environmental Science and Technology”, 1995 – 2000. Întrebări recapitulative 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Ce se înţelege prin poluare? Cum se defineşte limita de concentraţie? Ce influenţe reciproce pot prezenta poluanţii? Ce poluanţi prezintă efecte sistemice? Ce poluanţi prezintă efecte cancerigene? Care sunt efectele iradierii organismelor vii? Ce efecte poluante prezintă industria extractivă? 8. Ce efecte poluante prezintă industria energetică?

199

1. Studiu de caz PROIECT TEHNICO – ECONOMIC Valorificarea căldurii reziduale într-o întreprindere constructoare de maşini 1. Justificare Într-o întreprindere constructoare de maşini se prelucrează prin deformare plastică la cald, semifabricate metalice. Semifabricatele metalice se încălzesc înaintea procesului de deformare plastică, în cuptoare, venind în contact direct cu gaze rezultate din arderea gazului metan. Gazele părăsesc cuptorul cu temperatura de aproximativ 500oC. Dacă s-ar evacua în atmosferă, se încalcă legea de protecţie a mediului, deoarece pot produce poluare termică în zonă. Întreprinderea îşi propune utilizarea căldurii reziduale a gazelor de ardere pentru obţinerea de apă caldă. Se realizează astfel o economie de combustibil ce ar fi trebuit ars pentru încălzirea apei. Din economia de combustibil se poate amortiza costul cazanului de apă caldă. 2. Tema proiectului Să se proiecteze un cazan de apă caldă, care utilizează căldura reziduală a gezelor de ardere ieşite din cuptoarele de preîncălzire a semifabricatelor metalice. Cazanul este un schimbător de căldură, ce conţine o multitudine de ţevi prinse la fiecare capăt în căte o placă metalică perforată şi montate într-o manta. Prin ţevi va circula apa, iar printre ţevi vor circula gazele. În proiect se utilizează notaţiile următoare: - tia - temperatura apei reci (la intrare în cazan); - tfa - temperatura apei calde (la ieşirea din cazan); - tig - temperatura gazelor calde (la intrare în cazan); - tfg - temperatura gezelor răcite (la ieţirea din cazan). Apa este fluidul ce circulă prin ţevi, iar gazele sunt fluidul ce circulă printre ţevi Proiectul cuprinde următoarele etape de rezolvare: - Calculul bilanţului termic al cazanului; - Dimensionarea cazanului; - Calcul economic. Schiţa cazanului de producere a apei calde utilizând căldura gazelor reziduale este prezentată în figura de mai jos: 200

tfa tig A

Secţiune transversală A-A'

A'

ţevi tfg

tfg D

tia D

Schimbător de căldură multitubular în contracurent. 3. Date necesare proiectării Nr. crt. 1 1 2 3 4 5 6 7 8

Date proiectare 2 debit gaze temperatură intrare gaze temperatură ieşire gaze temperatură intrare apă temperatură ieşire apă căldură specifică gaze: coeficient total transfer termic diametru ţeavă

Sim- UM bol 3 4 Mg kg/ h o tig C

Caz 1

Caz 2 Caz 3 Caz 4

Caz 5 Caz 6

5 6000 520

6 7000 510

7 9000 540

8 10000 550

9 5000 560

10 11000 570

tfg

o

C

230

220

250

270

260

240

tia

0

C

30

32

34

36

38

42

tfa

0

C

89

93

92

94

88

91

c 200 c 600

kJ/(kg .grad)

1,35 1,55

1,30 1,42

1,31 1,47

1,32 1,52

1,25 1,37

1,27 1,43

K

kJ/(m2. grad.h)

120

118

119

117

123

124

d

m

0,05

0,04

0,05

0,05

0,04

0,005 201

9 10 11 12 13 14

lungime ţeavă randament recuperare preţ combustibil putere calorică randament ardere timp funcţionare

l

m

2,30

2,10

2,20

2,40

2,50

2, 10

ηa

%

80

75

90

77

83

87

P Pc

mii lei/t kJ/kg

ηa T

380

360

420

440

460

380

3050 0 70

3100 0 65

31500 85

3200 0 90

32500

%

3000 0 75

h/an

6200

6100

5700

5800

5900

6300

Căldura specifică a apei c kg/ m3.

apă

75

= 4,18 kJ/ kg.grad; densitatea apei ρapă = 103

4. Bilanţul termic al cazanului 4.1. Căldura specifică a gazelor la intrarea în cazan Se cunosc căldurile specifice ale gazelor la temperaturi de 2000 şi 0 600 C. Prin interpolare se calculează căldura specifică cig a gazelor la temperatura tig . 2000................... c200 tig........................cig = c200 + x 6000....................c600 600-200=400......c600 - c200 tig - 200...............cig - c200= x 4.2. Căldura specifică a gazelor la ieşirea din cazan Se calculeală în mod silimar cfg. 2000.....................c200 tfg..........................cfg = c200 + y 6000......................c600 600-200=400........c600-c200 tfg-200...................cfg - c200= y 4.3. Căldura cedată de gaze , kJ/h Qced = Mg (cig . tig - cfg . tfg) 4.4. Căldura preluată de apă Qprel = Qced . ηr , kJ/h 4.5. Cantitatea de apă care preia căldura Qprel = ma . capă . (tfa - tia) Se calculează ma , kg/h. 202

5. Dimensionarea cazanuluide apă caldă 5.1. Suprafaţa de transfer termic Qprel = K . A . ∆tmed unde A - suprafaţa de transfer termic, respectiv suprafaţa ţevilor prin care circulă apa; ∆tmed - temperatura medie logaritmică, calculată astfel: ∆tmed =

(tig - tfa) - (tfg - tia) ln[(tig - tfa)/ (tfg - tia)] Se calculează A, m2. 5.2. Lungimea totală a ţevilor de apă A = π. d . L Se calculează L, m. 5.3. Numărul de ţevi Schimbătoarele de căldură sunt utilaje standardizate. In tabelul cu date de proiectare se prezintă valoarea standardizată a lungimii unei ţevi . Deci, numărul de ţevi: Nt = L / l Se aproximează la valoare întreagă Nt. 5.4. Volumul ţevilor ,m3 Vt = π. d2 . L/ 4 5.5. Debitul de apă , m3/s Vapă = ma / (3600.ρapă) 5.6. Timpul în care apa preia căldura de la gaze t = Vt/ Vapă ,s 6. Calcul economic 6.1. Cantitatea de combustibil economisită într-o oră Qprel = mc . Pc .ηa unde: mc - masa de combustibil ce ar trebui ars pentru obţinerea de apă caldă, kg/h. 6.2. Combustibilul economisit într-un an , t/an Mc = mc . T . 10-3 6.3. Costul combustibilului economisit , lei/an C = Mc . P 6.4. Investiţia pentru cumpărarea cazanului de apă caldă Se propune următoarea formulă empirică pentru calculul investiţiei, cunoscînd căteva date constructive: I= 24.104 . Nt1,25 + 4.104 . ma0,9 + 4.108 , lei 6.5. Timpul de recuperare a investiţiei 203

Tr = I / C

, ani

2. Teme de cercetare ştiinţifică (referate) Tehnologia şi dezvoltarea durabilă Tehnologii moderne din diverse domenii industriale Produse noi şi caracterizarea lor Sisteme moderne de automatizare Procesoare şi microprocesoare Roboţi industriali Tehnologii moderne în realizarea construcţiilor civile şi industriale Tehnologii noi în transporturi Tehnologii actuale în comunicaţii Poluarea industrială Efectele poluanţilor asupra mediului înconjurător Tehnologii de prevenire a poluării /depoluare (ecotehnologii)

204

1. Teste de autoevaluare 1. Procesul tehnologic este definit ca: a) o operaţie pentru obţinerea unui produs; b) totalitatea operaţiilor concomitente sau ordonate în timp pentru obţinerea unui produs; c) succesiunea în timp a operaţiilor de realizarea unui produs. 2. Procesele tehnologice se clasifică după modul de desfaşurare în timp în: a) manuala, mecanizate, cibernetizate; b) fizice, chimice, biologice, combinate; c) discontinue, continue, ciclice şi combinate. 3. Variabilele independente comandabile sunt considerate : a) debitele de materiale, temperatura, presiunea, nivelul, viteza etc; b) debitele de materii prime, starea utilajelor, temperatura; c) forţa de muncă, temperatura, factori de mediu. 4. Consumurile specifice de materii prime se calculează raportând: a) cantitatea unei materii prime la unitatea de produs; b) suma cantităţile de materii prime la unitatea de produs; c) cantitatea unei materii prime la suma cantităţilor de materiale. 5. Schema bloc a unui sistem de reglare automată conţine: a) proces reglat, traductor, regulator automat, amplificatoare, element de execuţie, comparator, bloc fictiv de introducere a perturbaţiilor; b) proces reglat, calculator, element de execuţie, amplificatoare; c) traductor, regulator automat, amplificatoare, element de execuţie, comparator, bloc fictiv de introducere a perturbaţiilor. 6. Interfaţa de proces la DDC este alcatuită de : a) traductoare, multiplexor, demultiplexor; b) traductoare, elemente de execuţie, multiplexor, demultiplexor, CAN,CNA; c) multiplexor, demultiplexor, CAN,CNA. 7. Roboţii se clasifică dupa evoluţia în timp astfel: a) manipulatoare, din generaţia întâia, roboţi inteligenţi, din generaţia a doua; b) manipulatori, generaţiile I, II, inteligenţi; c) generaţia zero, întâia şi a doua. 8. Zăcămintele actuale de materii prime se caracterizează prin: a) caracter inepuizabil, concentraţii mici de substanţe minerale utile; b) caracter epuizabil, complex, concentraţii mici de substanţe minerale utile, condiţii de zăcământ deosebite; c) caracter complex, epuizabil, la suprafaţa pământului, sau la mică adâncime. 9. Etapele de punere în evidenţă şi valorificare a zăcămintelor de substanţe minerale utile sunt: a) prospectare, explorare, extracţie; b) prospectare, foraj, transport; c) prospectare, explorare, foraj, transport. 205

10. Sursele energetice primare epuizabile sunt: a) carbunii, gazele naturale, ţiţeiul; b) cărbunii, ţiţeiul, gazele naturale, combustibilii nucleari; c) biomasa, cărbunii, hidrogenul, ţiţeiul. 11. Centrala termoelectrică cu condensaţie are în circuitul primar: a) cazan de abur, supraîncălzitor, generator electric, pompă, turn de răcire; b) cazan de apă, turbină, generator electric, turn de răcire,pompă; c) cazan de apă, supraîncălzitor, turbină,condensator,rezervor de apă, pompă. 12. Controlul reacţiei nucleare de fisiune se realizează prin: a) masa critică de combustibil, moderator, bare de reglare, sistem de răcire; b) combustibil nuclear, bare de reglare, moderator; c) masa critică de combustibil nuclear, bare de reglare, protecţie biologică. 13. Construcţiile şi amenajările hidrotehnice sunt: a) baraj, canal de aducţiune, conducta forţată, canal de fugă; b) baraj, lac de acumulare, canal de aducţiune, castel de echilibru, conducta forţată, canalul de fugă; c) baraj,castel de echilibru,conducta forţată, turbina, generatorul electric. 14. Curba de putere arată: a) variaţia puterii centralei electrice în 24 de ore; b) variaţia tensiunii electrice în 24 de ore; c) variaţia energiei electrice într-o oră 15. În zona de vârf a consumului de energie electrică funcţionează: a) centrale hidro, -termo- şi nuclearo electrice; b) centrale hidro şi termoelectrice de puteri mici şi mijlocii; c) centrale termoelectrice cu gaze, hidroelectrice, magnetohidrodinamice 16. Semiconductorii se clasifică după mecanismul conducţiei în: a) intrinseci şi extrinseci; b) extrinseci şi dopaţi: c) intrinseci şi cu atomi legaţi prin legaturi covalente. 17. Fazele procesului tehnologic de fabricare a siliciului monocristalin sunt: a) reducerea carbotermică, purificarea chimică, obţinerea monocristalului; b) reducerea carbotermică, purificarea chimică, purificarea fizică, obţinerea monocristalului; c) oxidarea, purificarea chimică, purificarea fizică, obţinerea monocristalului; 18. Principiul purificării fizice prin topire zonară se bazează pe: a) punctele de topire diferite ale semiconductorului şi impurităţilor; b) structura cristalină diferită a semiconductorului şi impurităţilor; c) concentraţia diferită a impurităţilor în semiconductorul solid şi topit. 19. Monocristalele de germaniu, sau de siliciu se obţin prin: a) topire zonară pe orizontală şi epitaxie; b) topire zonară pe orizontală şi tragere din topitură; 206

c) tragere din topitură şi dopare. 20. Fotolitografia este un procedeu de : a) formare la suprafaţa plachetei de semiconductor a unui strat protector, cu configuraţia corespunzătoare circuitului integrat; b) iradiere şi dopare a suprafeţei plachetei de semiconductor; c) deschidere de ferestre pe placheta de semiconductor. 21. Deschiderea de ferestre în stratul de dioxid de siliciu se realizează prin: a) acoperire cu fotorezist, mascare, iradiere, developare; b) acoperire cu fotorezist, mascare, iradiere, dopare; c) acoperire cu fotorezist, mascare, difuzie, iradiere. 22. Materialele compozite se definesc: a) amestec din două sau mai multe componente,solubile unul în altul; b) soluţii solide din mai multe componente, cu proprietăţile egale cu suma proprietăţilor materiilor prime; c) amestec de faze distincte, din două sau mai multe componente,cu proprietăţi diferite de ale materiilor prime. 23. Proprietăţile compozitelor depind de : a) natura materiilor prime, compoziţie, formă, proprietăţi; b) natura componentelor, compoziţie, compatibilitatea, geometria şi proprietăţile lor; c) natura componentelor, forma şi dimensiunea lor, compatibilitate. 24. După natura matricei, compozitele pot fi: a) organice (polimerice), cu matrice metalică şi ceramică; b) tip sandwich, organice şi metalice; c) armate cu fibre, metalice şi ceramise. 25. Tehnologiile de fabricare a compozitelor organice sunt: a) obţinerea matricei, pregătirea armăturii, matriţare; b) obţinerea matricei, pregătirea armăturii, injecţie, extrudare, presarematriţare; c) obţinerea matricei, injecţie, extrudare, matriţare. 26. Prelucrările materialelor prin tehnologii neconvenţionale se aplică la: a) materiale cu proprietăţi deosebite, cu geometrie specială şi în medii neuzuale; b) materiale speciale, cu geometrie complicată; c) materiale fosrte dure, cu geometrie complicată, în soluţii. 27. Electroeroziunea se deosebeşte de eroziunea electrochimică prin: a) existenţa unui electrod sculă, mediu dielectric de lucru, prelucrări de suprafeţe interioare, exterioare, cu geometrie complicată, tăieturi ; b) soluţie conducătoare electric, prelucrări de suprafeţe, c) electrod sculă, mediu soluţie de electrolit, prelucrarea suprafeţelor, sau taieturi. 28. Prelucrarea materialelor cu radiaţii utilizează: a) laser de mare putere, soluţie de electrolit, plasmă; b) laser de mare putere, plasmă, fascicul de electroni acceleraţi; c) plasmă, fascicul de electroni, ultrasunete. 29. Poluant este socotit: 207

a) orice factor produs de om, care provoacă acţiune toxică; b) orice factor natural, sau antropic, care provoacă disconfort,acţiune toxică, sau dereglarea echilibrelor ecologice; c) orice factor natural, care provoacă dereglarea echilibrelor ecologice. 30.Poluarea poate fi de natură: a) fizică, biologică, radiaţii, termică; b) chimică, biologică, eutrofizare,.estetică; c) fizică, chimică, biologică, estetică. 31. Poluanţii aflaţi în prezenţă într-o zonă pot prezenta influenţe reciproce ca: d) sinergetice, antagonice, anergism, eutrofizare; e) sinergetice, persistenţă în mediu, anergism; f) doză letală, sinergism, anergism, eutrofizare. 2. Răspunsuri şi orientări bibliografice 1 : b; 6: b; 11: c; 16: a; 21: a; 26: a;

2: c; 3: a; 4: a; 5: c; 7: b; 8: a; 9: b; 10: c; 12: a; 13: b; 14: a; 15: c; 17: b; 18: c; 19: b; 20: a; 22: c; 23: b; 24: a; 25: b; 27: a; 28: b; 29: b; 30. c; 31 .a.

208

BIBLIOGRAFIE 1. Amza Gh., ş.a.,"Tehnologia materialelor", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1999. 2. Angelescu A., Ponoran I., Ciobotaru V., "Tehnologii industriale şi de construcţii", Ed. ASE, Bucureşti,1999. 3. Angelescu A., Socolescu A., M., "Bazele tehnologiei", Ed. ASE, Bucureşti, 2001. 4. Băloiu L.M., "Tehnologie şi inovare", Ed.ASE, Bucureşti, 1997. 5. Belcu M., "Tehnologie chimică generală", Ed. Univ. Politehnica Bucureşti, 1991. 6. Bociu E., "Petrolul, aşa cum a fost", Ed. S.N.P. PETROM S.A., 2000. 7. Brown L., "Probleme globale ale omenirii. Starea lumii", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1996-2000. 8. Călin C., Botez L., "Tehnologie şi inovare", Ed.ASE, Bucureşti, 2000. 9. Cătuneanu V.,ş.a., Tehnologie electronică", Ed.Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1995. 10. Creţu S., Vişan S., "Bazele tehnologiei industriale", Ed. ASE, Bucureşti, 1997. 11. Drăgulănescu M., "Electronica funcţională", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1991. 12. Filip F.Gh., ş.a., "Informatica industrială", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998. 13. Fleser T., Mentenanţa utilajelor tehnologice", Ed.tehnică, Bucureşti, 1998. 14. Ghiga C., "Tehnologii, utilaje şi instalaţii în construcţii", Ed.ASE, Bucureşti, 1993. 15. Gladcov P., "Tehnologia prelucrării materialelor", vol.2, Ed.Univ.Politehnica, Bucureşti, 1997. 16. Hubcă Gh.,ş.a., "Materiale compozite", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1999. 17. Ionescu R., Semeniuc D., "Roboţi industriali", OID, Bucureşti, 1966. 18. Ionescu Tr.G., Pop O., "Ingineria sistemelor de distribuţie a energiei electrice", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1998. 19. Leca A., "Principii de management energetic", Ed.Tehnică, Bucureşti, 1996. 20. Mandravel C.,ş.a., "Momente semnificative din istoria modernă a chimiei aplicate", Ed.Universităţii din Bucureşti, 1997. 21. Mărginean D.G., "Energetica lumii vii", EDIMPEX- Speranţa, Bucureşti, 1992. 22. Olaru M., "Managementul calităţii", Ed.Economică, Bucureşti, 1995. 23. Pilgrim A., Build Your Own Pentium III, McGraw-Hill, New York, 2000. 24. Ponoran I., Angelescu A., Vişan S., "Tehnologie şi dezvoltare tehnologică", Ed.Fundaţiei "România de mâine", Bucureşti, 1998. 25. Popescu B., Demetrescu I., "Chimie generală - profil tehnic", Ed. BREN, Bucureşti, 1999. 209

26. Popescu N., ş.a., "Ştiinţa materialelor pentru ingineria mecanică. Materiale comerciale metalice, nemetalice şi compozite"., Ed.Fair Partners, Bucureşti, 2000. 27. Pumnea C., ş.a. "Tehnologie industrială", vol.1 şi 2, Ed.Didactică şi Pedagogică, Bucureşti, 1992. 28. Rădoi C., ş.a., "Circuite şi echipamente electronice industriale"., Ed.Tehnică, Bucureşti, 1986. 29. Tomescu M., Iovu H., "Lucrări practice de materiale compozite pentru aviaţie", Ed.Universităţii Politehnica, Bucureşti, 1997. 30. Vişan S., Angelescu A., Alpopi, C., "Mediul înconjurător-poluare şi protecţie", Ed.Economică, Bucureşti, 2000. 31. www.techweb.com 32. www.sharkyextreme.com 33. www.howstuffworks.com 34. www.intel.com 35. www.quantum.com 36. http://www.ase.ro/ciedd/carti 37. *** , "Dezvoltarea economică şi protecţia mediului înconjurător", INID, Bucureşti, 1990. 38. *** , "Energetica şi protecţia mediului înconjurător", INID, Bucureşti, 1992. 39. *** , "Environmental Science and Technology", 1995-1999. 40. *** , "Legislaţia privind proprietatea intelectuală. Legea nr.64/1991". 41. *** , Revista de energetică nucleară, 1999-2001. 42. *** , Tribuna calităţii, 1998 - 2001. 43. *** , Tribuna economică, 1998-2001.

210