Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL (XXIII)

Eficienta Energetica

de Ion Potarniche

Eficienţa energetică - caracteristică principală a produselor dezvoltate de ICPE ACTEL (XXIII)

În episodul trecut s-au prezentat câteva din soluţiile de conversie a energiei electrice în energie mecanică, utilizând convertoare de medie sau joasă tensiune, în tandem cu motoare de medie tensiune, evidenţiindu-se avantajele şi dezavantajele fiecărei variante, prin prisma randamentului de conversie şi a costurilor specifice. A rezultat, din studiul prezentat, că soluţia cea mai eficientă din punct de vedere energetic rămâne utilizarea tandemului sursă - convertor de joasă tensiune - motor de joasă tensiune până la puteri de circa 1MW, respectiv sursă – convertor de medie tensiune - motor de medie tensiune pentru puteri superioare valorii de 1 MW.

 

1. Introducere

În acest episod vom aduce în faţa cititorilor acestei preţioase reviste o altă preocupare a specialiştilor ICPE ACTEL, diferită faţă de preocupările enumerate până în prezent şi anume: protecţia anticorozivă catodică activă.

Pierderile provocate anual de coroziunea metalelor în instalaţii de diverse categorii se ridică la valori foarte mari, ele referindu-se nu numai la înlocuirea materialelor deteriorate, ci şi la pierderile datorate contaminării altor produse, întreruperii producţiei, scăderii randamentelor etc.

Pagubele generate de acest fenomen sunt cuantificate în pierderi la nivel global de aproximativ un sfert din producţia mondială de oţel obişnuit.

Aceste neajunsuri au determinat apariţia diverselor metode de protejare a suprafeţelor metalice care, mai mult sau mai puţin, au condus la reducerea coroziunii, îmbunătăţind performanţele în prezenţa agenţilor corozivi şi, implicit, reducând cheltuielile legate de efectele acestui proces electrochimic.

 

 2. Metode de protecţie anticorozivă

Metodele de protecţie împotriva coroziunii s-au dezvoltat istoric de foarte multă vreme, culminând azi cu metode moderne, cu efecte determinante în raport cu eficienţa tehnico-economică a rezultatelor obţinute. Dintre aceste metode pot fi enumerate:

Metode pasive:

  • vopsire;
  • acoperiri electrochimice (galvanizare);
  • pulverizare prin cufundarea metalului ce urmează a fi protejat într-un metal topit (ex. Zn);
  • acoperiri prin procese chimice (oxidări, fosfatări etc);
  • acoperiri cu straturi de substanţe organice (lăcuiri, cauciucări etc.);
  • metode combinate.

Metode catodice

 

Metodele pasive sunt paleative de scurtă durată, ale căror costuri ridicate au impus căutări de metode noi, competitive, ieftine, moderne.

Principiul protecţiei catodice a fost aplicat pentru prima dată în Anglia, începând cu anul 1824, când blocuri de Zn sau Fe au fost utilizate pentru conservarea învelişului de Cu al vaselor de război construite din lemn.

Datorită câmpului electric produs între cele două metale diferite, care, împreună cu apa de mare formează o pilă electrică, apare un curent cu sensul de circulaţie  către Cu, devenit catod. Metalul considerat anod (Zn sau Fe) se consumă (este sacrificat), dar catodul se menţine necorodat.

Această metodă se mai numeşte catodică şi constă în realizarea unei pile electrice între materialul ce urmează a fi protejat (oţelul, fierul) şi materialul ce urmează a fi sacrificat (altul decât cel ce urmează a fi protejat: Cu, Al, fontă etc) în mediul coroziv (apă).

Metoda este superioară metodelor pasive, dar are şi dezavantajul unei perioade de viaţă limitate a anozilor de sacrificiu, cu toate implicaţiile legate de cheltuielile de înlocuire şi de consumul acestora.

Dezavantajele protecţiei catodice amintite au constituit punctul de plecare pentru cercetări spectaculoase în ultimii ani ai secolului XX. Astfel, a apărut protecţia catodică activă pe care o vom dezvolta în continuare, o metodă ce impune un întreg arsenal de detalii, toate convergând spre eficienţa energetică maximă.

 

 3. Principiul protecţiei catodice

Pentru a înţelege principiul protecţiei catodice şi a dezvolta protecţia catodică activă, vom iniţializa noţiunile de bază pornind de la fenomenul de coroziune.

 

3.1. Coroziunea -  fenomen chimic

Materialul cel mai important în construcţiile industriale supuse coroziunii (conducte, porturi, vapoare etc) este Fe. Acesta se corodează sub acţiunea apei formând rugina, care este un oxid de fier hidratat (Fe2O3·3H2O).

Procesul de coroziune a oţelului (Fe) în apă este controlat de reacţia de reducere a oxigenului.

4Fe + 2O2 + 4H2O → 4Fe(OH)2  1)

În mediul aerat, acest hidroxid feros se oxidează trecând în hidroxid feric, un produs instabil care se descompune şi formează oxidul de fier hidratat (rugina roşie).

4Fe(OH)2 + O2 +2H2O → 4Fe(OH)3      2)

4Fe(OH)3 → 2Fe2O3· 6H2O        3)

 

3.2. Coroziunea - fenomen electrochimic

În realitate, reacţiile 1), 2), 3) au în subsidiar două fenomene care nu pot fi explicate decât electrochimic, prin migraţia de electroni între metalul supus corodării (Fe) şi agentul coroziv  (H2O).

Astfel, în procesul de coroziune chimică au loc:

  • ionizarea fierului, la anod:

4Fe → 4Fe2+ + 8e-            4)

  • reducerea oxigenului, la catod:

2O2 + 4H2O + 8e- → 8OH-                    5)

 

Electronii e- sunt eliberaţi de anod prin reacţia anodică 4) şi sunt absorbiţi de catod prin reacţia catodică 5).

Ambele reacţii sunt simultane, la suprafaţa metalului rezultând o dizolvare a atomilor de metal de suprafaţă (coroziune chimică), dar, în acelaşi timp, rezultând şi o polarizare a celor două elemente în contact: anod - catod (coroziune electrochimică).

Procesul de transfer de sarcină electrică la interfaţa metal – apă, prin intermediul electronilor, poartă numele de proces de electrod, iar diferenţa de potenţial dintre cele două elemente se numeşte potenţial de electrod , dat de relaţia:

 

 , unde:                                      6)

 

 

G: entalpia liberă a sistemului metal - apă;

z: numărul de electroni schimbaţi la interfaţa metal - apă,

F: constanta lui Faraday.

 

Noţiunea de potenţial de electrod a fost introdusă de W. Nernst, pornind de la teoria osmotică a pilelor electrice.

Tot ce am prezentat mai sus reliefează un lucru foarte important şi anume că fenomenul de coroziune chimică este un proces electrochimic cu mari implicaţii în introducerea protecţiei catodice între metodele de înlăturare a coroziunii metalelor.

 

3.3. Câmpul electric rezultat în urma procesului de coroziune electrochimică

Condiţiile locale fizico-chimice de natură neelectrică la interfaţa metal - mediu coroziv sunt, după cum am văzut, cauza apariţiei câmpurilor electrice imprimate.

În stare electrostatică, în interiorul unui conductor neaccelerat şi omogen din punct de vedere al structurii fizico-chimice (temperatură, concentraţie etc), intensitatea câmpului electric este nulă:

                          7)

Ecuaţia de mai sus constituie relaţia de echilibru electrostatic pentru conductoare omogene.

 În acord cu legea lui Ohm, la stabilirea stării electrostatice, densitatea curentului de conducţie este nulă. Pentru conductoare neomogene, la stabilirea stării de echilibru electrostatic, care presupune şi în acest caz anularea densităţii de curent, intensitatea câmpului electric este egală cu o mărime vectorială luată cu semn schimbat, numită intensitate a câmpului electric imprimat:

 

                    8)

O repartiţie de sarcini electrice, diferită de cea electrostatică, implică:

 

                9)

şi, în conformitate cu legea lui Ohm, determină o densitate de curent:

 

                    10)

O suprafaţă metalică introdusă în apa în care poate exista fluidul său ionic pozitiv are tendinţa de a dizolva în apă fluidul său ionic pozitiv cu o presiune care depinde numai de natura metalului,  numită presiune de disoluţie electrolitică pd.

 

Presupunând că soluţia conţine fluidul ionic al metalului, se exercită asupra acestuia o presiune osmotică po opusă pd.

Dacă pd > po, ionii pozitivi părăsesc metalul, care se încarcă negativ, soluţia se încarcă pozitiv. Se stabileşte astfel un câmp electric dirijat spre metal, care se opune continuării trecerii ionilor pozitivi în soluţie. Acest fenomen este cheia protecţiei catodice active şi anume crearea unui câmp electric exterior care se va opune trecerii metalului în soluţie.

Tensiunea electrică ce se va aplica între metal şi soluţie este:

 

       11),

 

unde :

R este constanta gazelor perfecte;

nv este valenţa metalului;

T este temperatura mediului;

F este constanta lui Faraday.

 

 4. Concluzii

Fenomenele chimice de la interfaţa metal - agent coroziv sunt, de fapt, fenomene electrochimice, deoarece migraţia ionilor, electronilor între cele două componente în contact produce un câmp electric imprimat de natură chimică.

Densităţile de curent locale sunt relativ mici şi neuniforme, dar, dată fiind suprafaţa mare de contact, intensităţile curenţilor imprimaţi sunt însemnate.

Rolul protecţiei catodice active este tocmai acela de a anula acest câmp prin producerea unui câmp electric exterior controlabil, care să compenseze câmpul electrochimic de coroziune, rezultatul final fiind, de fapt, reducerea cvasitotală a procesului de coroziune.

În numărul următor vom prezenta soluţia şi echipamentul pentru dezvoltarea acestui deziderat. (va urma) 


Ion Potârniche este dr. ing., Director General Icpe Actel



Ion Potarniche

Conf. dr. ing. Ion POTÂRNICHE, Director General al ICPE ACTEL din 1994, peste 38 de ani de activitate de cercetare aplicativă în cadrul ICPE

  • Autor al: 12 invenţii brevetate, 76 lucrări publicate în reviste de specialitate, 60 lucrări practice elaborate, 119 lucrări publicate în sesiuni de comunicări ştiinţifice, 5 cărţi publicate.
  • Experienţă în managementul proiectelor de cercetare naţională, coordonator al 19 contracte de cercetare aplicativă din cadrul PNCDI
  • Membru al: Consiliului Inovării - AMCSIT, CT 36-Electronica de Putere al Comitetului Electrotehnic Român, AGIR, Patronatelor din Energetică
  • Membru de onoare al CNR-CME
  • Vicepreşedinte al APREL
  • Vicepreşedinte al A.P. ENERGIA
  • Consultant ştiinţific al Federaţiei Patronale din Construcţii de Maşini
  • Activitate didactică la U.P.B. şi Universitatea Valahia
  • Membru al ASTR

Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord