Cozma, Lucian Ștefan, Golea, Daniela Georgiana, Țenu, Cosmin Vasile (2025), O posibilă soluție pentru criza energetică: aplicațiile actuale ale operei de inventică aparținând lui Traian Vuia, Cunoașterea Științifică, 4:4, 52-90, https://www.cunoasterea.ro/o-posibila-solutie-pentru-criza-energetica-traian-vuia/

 

A possible solution to the energy crisis: current applications of Traian Vuia’s invention

Abstract

The last decades have brought a change in global policy towards the energy sector, especially because of the pollution it produces. In this context, the attention of politicians and, secondarily, of scientists has increasingly turned to the so-called green energy, seeking to drastically reduce or eliminate combustion processes in the energy sector. Thus, in general, there has been no more investment in power plant technology and mining operations in which coal was extracted and industrially processed have been greatly reduced. This in itself has led to the generation of an energy crisis, especially in the situation where sources that are more recently considered ecological and renewable (solar, wind, hydraulic, biomass, etc.) are far from being capable of covering the energy needs of the contemporary world. Even less could such renewable resources satisfy the energy needs of the coming decades, especially since an accelerated increase in energy consumption is expected. As things stand, a major global energy crisis is looming and there do not seem to be any technological solutions to overcome such a crisis. In our opinion, the modernization of thermal power plants and nuclear power could be the long-term solution. This paper deals with the idea of creating thermal power plants with a power of at least 50 MW by using renovated variants of the VUIA boiler/steam generator. The issue of using the Vuia boiler at an industrial level was also raised in the 1950s, with encouraging results, but the fact that this steam boiler presented some inconveniences discouraged those who were managing the national energy system at that time, and the Vuia project was abandoned and forgotten. By identifying new technological solutions, the known disadvantages of the VUIA boiler could be eliminated and its introduction into industrial applications related to energy. In this way, much more efficient thermal power plants would be obtained, while also showing great savings in fuel consumption and having a completely ecological operation. This could be an important solution for the energy sector today and especially in the future.

Keywords: Vuia boiler, energy crisis, green energy

Rezumat

Ultimele decenii au adus o schimbare a politicii globale față de sectorul energetic, mai ales din cauza poluării pe care acesta o produce. În acest context atenția politicienilor și în plan secundar a oamenilor de știință s-a îndreptat tot mai mult către așa-numita energie verde, căutându-se reducerea drastică până la eliminarea proceselor de combustie din domeniul energetic. Astfel, în general nu s-a mai investit în tehnologia termocentralelor și s-au restrâns foarte mult exploatările miniere în care se extrăgeau și prelucrau industrial cărbunii. Aceasta a condus în sine la generarea unei crize energetice, mai ales în situația în care sursele care mai nou sunt considerate ecologice și regenerabile (solar, eolian, hidraulic, biomasă etc.) nu au nici pe departe capabilitatea de a acoperi necesarul energetic al lumii contemporane. Cu atât mai puțin astfel de resurse regenerabile ar putea satisface necesarul de energie al următoarelor decenii, mai ales că se preconizează o creștere accelerată a consumului energetic. Așa stând lucrurile, se prefigurează o mare criză energetică globală și nu par să existe soluții tehnologice pentru depășirea unei astfel de crize. În opinia noastră, retehnologizarea termocentralelor și respectiv a energeticii nucleare ar putea constitui soluția pe termen lung. Lucrarea de față tratează ideea realizării unor termocentrale cu puterea de cel puțin 50 MW prin utilizarea unor variante retehnologizate ale cazanului/generatorului de aburi VUIA. Problema utilizării la nivel industrial a cazanului Vuia s-a mai pus și în anii´50, cu rezultate încurajatoare, dar faptul că acest cazan de aburi prezenta unele inconveniente i-a descurajat pe cei care gestionau în acea epocă problema sistemului energetic național, iar proiectul Vuia a fost abandonat și uitat. Prin identificarea unor noi soluții tehnologice s-ar putea face eliminarea dezavantajelor știute ale cazanului VUIA și introducerea acestuia în aplicații industriale care privesc energetica. În acest fel s-ar obține termocentrale de randament mult mai bun, totodată prezentând economie mare în consumul de combustibili și având o funcționare complet ecologică. Aceasta ar putea fi o importantă soluție pentru energetică în prezent și mai ales în viitor.

Cuvinte cheie: cazan Vuia, criza energetică, energia verde

 

CUNOAȘTEREA ȘTIINȚIFICĂ, Volumul 4, Numărul 4, Decembrie 2025, pp. 52-90
ISSN 2821 – 8086, ISSN – L 2821 – 8086
URL: https://www.cunoasterea.ro/o-posibila-solutie-pentru-criza-energetica-traian-vuia/
© 2025 Lucian Ștefan COZMA, Daniela Georgiana GOLEA, Cosmin Vasile ȚENU. Responsabilitatea conținutului, interpretărilor și opiniilor exprimate revine exclusiv autorilor.

 

O posibilă soluție pentru criza energetică: aplicațiile actuale ale operei de inventică aparținând lui Traian Vuia

Lucian Ștefan COZMA[1], Daniela Georgiana GOLEA[2], Cosmin Vasile ȚENU[3]
lucian.stefan@yahoo.fr

[1] Fizician, doctor în Științe Militare, Universitatea București, Facultatea de Fizică (Măgurele și Hyperion-București), Academia Militară București (Universitatea Națională de Apărare „Carol I”)

[2] Economist, Doctor în Securitate Cibernetică, Academia de Studii Economice din București, Universitatea Anghel Kanciov din Ruse

[3] Inginer mecanic, specialist în Securitate și Apărare, Universitatea Politehnică București, Academia Militară (Universitatea Națională de Apărare și Colegiul Național de Apărare) din București

 

Criza energetică globală, indiferent dacă aceasta este deja manifestă sau doar se preconizează că va apare într-un viitor previzibil, a condus la acutizarea conflictelor legate de accesul marilor puteri la resursele energetice fosile, dar și la ridicarea unor mari semne de întrebare prinvind orientarea dezvoltării tehnologice pentru următoarele decenii.

Introducere

Încă din perioada interbelică, au fost dezvoltate generatoare de abur cu circulație forțată, iar modelul generatorului Vuia (circa 1923) a fost unul dintre acestea. În ultimele decenii, centralele termoelectrice au primit din ce în ce mai puțină atenție, politica UE și politica globală în general fiind aceea de a evita sursele de energie primară bazate pe ardere, deoarece acestea erau considerate scumpe, mari consumatoare de resurse fosile și, mai ales, poluante, agresive față de ecosistem. Aceasta fiind direcția politică a secolului XXI, nimeni nu a căutat să îmbunătățească tehnologia de ardere și obținere a energiei electrice prin convertirea energiei de ardere.

Toată lumea s-a orientat către așa-numita „energie verde” constând din convertoare solare, eoliene și hidraulice. În mult mai mică măsură a fost și este avută în vedere bioenergia și energia termică naturală (din cadrul bazinelor vulcanice și a izvoarelor termale). Energia de la nivelul factorilor de mediu atmosferici^[1], nici măcar energia electrică naturală^[2] nu este la ora actuală captată și convertită în energie utilă. Deși este cunoscută de multă vreme existența acestor surse naturale de energie, la nivel guvernamental nu a fost deloc luată în calcul până în momentul de față utilizarea lor, existând doar unele preocupări în acest sens la nivel individual (din partea unor oameni de știință și cercetători) dar acelea rar întâlnite.

Totodată, deocamdată nu și-a pus nimeni problema captării și conversiei energiei bazinelor de hidrogen sulfurat (cele mai mari sunt în adâncul Mării Negre) și aurorelor (jeturi de particule de energie înaltă injectate în atmosfera terestră prin interacțiunea dintre magnetosfera terestră și radiația solară/cosmică) deși aceste fenomene atmosferice au energii foarte mari. De asemenea, până în momentul de față omenirea nu a fost în măsură să pună la punct un sistem fezabil de captare și conversie (eventual și stocare) a energiei fenomenelor orajoase, cum ar fi descărcările electrice (fulgere, trăznete etc.) din atmosferă, intensificările mari ale vântului, valurile maritime, căderile de precipitații etc. De asemenea, nu avem până la ora actuală nicio idee despre felul în care ar putea fi captată și convertită energia uriașă a unor fenomene terestre naturale, cum este cazul seismelor și valurilor seismice, erupțiilor vulcanice etc. Prin urmare, am putea afirma că marile fenomene naturale terestre care constituie surse uriașe de energie, ne sunt încă inabordabile…

Din păcate, conversia solară (fotovoltaică) are încă o eficiență foarte scăzută, necesită suprafețe mari și investiții în infrastructură, funcționarea sa este dependentă de variația condițiilor meteorologice și nu poate funcționa noaptea, ceea ce implică necesitatea unor bănci masive de acumulatoare.

Conversia energiei eoliene necesită investiții uriașe în infrastructură și poate funcționa doar în anumite regiuni care au caracteristica de a avea curenți de aer permanenți și constanți de o anumită viteză, condiții care nu sunt ușor de îndeplinit în realitate.

Cât despre conversia hidraulică, aceasta necesită investiții gigantice în infrastructură și provoacă daune mari ecosistemului, deoarece construcția de baraje și rezervoare mari s-a dovedit a fi dăunătoare ecosistemelor râurilor și pâraielor mari, iar în cazul râurilor de munte, aceste daune ar fi și mai importante.

1. Necesitatea unor noi soluții tehnologice

Toate aceste aspecte fac din „energia verde” o problemă dificil de rezolvat. Mai grav, evoluția umanității indică faptul că dezvoltarea tehnologică implică o creștere aproape exponențială a necesarului de energie (electrică), iar dezvoltarea (dacă va exista…) a surselor de „energie verde” va fi mult prea lentă pentru a acoperi nevoile energetice ale umanității în următoarele decenii…

În aceste condiții cele mai importante resurse energetice rămâne teoretic: combustia și energia nucleară. Însă astfel de soluții energetice nu pot fi reținute decât dacă am putea aduce practic o serie de modificări tehnologice (în clipa de față, nu în perspectivă !) de așa natură încât să fie obținute caracteristicile descrise în continuare.

1. A. În cazul energiei (termice) de combustie:

-să eliminăm ori să reducem covârșitor utilizarea carburanților fosili neregenerabili, introducând în locul acestora carburanți regenerabili; cum geosistemul este acoperit și de materie vie (biosistemul) aceasta formând adevărate circuite naturale sistemice (biocenoze^[3]) prin care diverse tipuri de vietăți sunt în conexiune și interdependență, această pătură vie a Terrei poate oferi permanent cantități gigantice de carburanți solizi, lichizi sau gazoși, iar dacă activitatea de colectare și prelucrare a acestora se face în concordanță cu variația ciclică a biotopului^[4] atunci oamenii nu vor deranja biocenoza și ecosistemul, astfel încât resurselor combustibile fosile li se va permite să se regenereze (de regulă, la nivel sezonier); în ceea ce privește resursele fosile greu regenerabile (petrolul, gazele naturale) va trebui să restrângem foarte mult întrebuințarea lor, astfel încât bazinele actuale de extracție să ne ofere resurse suficiente chiar și pentru un viitor foarte îndepărtat; ținând cont de faptul că evoluția tehnologică este rapidă, probabil că în mai puțin de un secol omenirea va putea exploata resursele naturale ale Sistemului Solar, prin urmare va trebui ca în momentul de față să luăm măsuri care să conducă la reducerea masivă a consumurilor de carburanți fosili, cel puțin până în momentul în care ne vor deveni accesibile resursele naturale ale celorlalte corpuri cerești (decât Pământul) din acest Sistem Solar:

-să evităm întrebuințarea atmosferei în cadrul proceselor de combustie, în acest sens proiectând de preferință rețete de amestecuri combustibile care să conțină deopotrivă carburantul și comburantul, permițând așadar combustia anaerobă; indiferent ce fel de carburant vom utiliza în cadrul combustiei, este de preferat ca acest proces să nu consume nici măcar în mică măsură oxigenul atmosferic; rețetele de combustibili care conțin deopotrivă carburant și comburant sunt de preferat, mai ales dacă acestea se referă la acele substanțe și compuși care pot fi stocate în bune condiții, nefiind explozibile sau lesne inflamabile, instabile fizic sau chimic etc.; din această perspectivă deja avem mai multe rețete posibile și dacă vom continua pe această direcție de cercetare, într-o perioadă de timp medie către scurtă s-ar putea pune la punct o listă de asemenea combustibili; cel mai bine este ca elementele din componența acestor rețete de combustibili să poată fi stocate separat și această stocare să nu reclame măsuri deosebite de securitate sau cheltuieli mari; este de evitat utilizarea acelor substanțe care suferă transformări la contact cu aerul (oxigenul sau umiditatea) sau cu lumina ori alți factori de mediu normali; de asemenea, vom prefera evitarea amestecurilor hipergolice sau formate din componente prea volatile sau toxice, corozive etc.:

-să reducem masiv (până aproape de eliminare) reziduurile de combustie care ar putea polua atmosfera, apa și scoarța terestră sau care ar putea modifica în mod prejudiciabil factorii de mediu din cadrul oricărui biotop; în acest fel vom avea un combustibil ecologic și mai ales, regenerabil, fabricat în concordanță cu evoluția ciclică a biotopurilor; o astfel de cerință este la ora actuală imposibil de evitat și de aceea activitatea noastră de cercetare s-a îndreptat cu precădere asupra proiectării de amestecuri care să producă (prin combustie) noxe cât mai puține iar acestea să poată fi colectate și de preferință, să poată fi prelucrate (fizic, chimic) în scopul anihilării nocivității și chiar și în sensul obținerii unei noi cantități de material care să poată fi utilizat în cadrul proceselor de combustie;

-să creștem potențialul caloric al amestecurilor ecologice în raport cu valorile pe care le prezintă la ora actuală amestecurile de combustie bazate pe carburanți fosili neregenerabili și poluanți (țiței, gaze naturale, cărbune etc.); este cunoscut faptul că problema energetică nu este condiționată doar de aspectele de natură fizico-chimică, dar și de acelea de natură economică; dacă am adopta un combustibil fosil regenerabil care este greu de obținut, scump și nu oferă performanțe calorice suficiente, atunci nu am putea realmente soluționa problema energetică; prin urmare, activitatea noastră de cercetare s-a îndreptat cu predilecție către acele amestecuri caracterizate prin puteri calorifice mari.

1. B. În cazul energiei nucleare:

–evitarea declanșării reacției de fisiune; în viziunea noastră adevărata energie nucleară pentru nivelul actual al dezvoltării tehnologice este numai aceea care permite obținerea de căldură fără a implica riscul de topire a reactorului sau de explozie; în anumite condiții, amestecuri de materiale radioactive sau/și izotopi pot produce căldură suficientă (pentru transformarea apei în vapori) în condiții de masă subcritică și deci, fără riscul declanșării reacției de fisiune; aceasta din urmă este deocamdată (la nivelul tehnologic actual) prea periculoasă și nu suntem realmente capabili să convertim energia de fisiune în alte forme de energie la un randament convenabil;

–controlul cât mai bun asupra reacției; așa cum s-a putut vedea după cel de-al Doilea Război Mondial, asigurarea unui control bun asupra reactoarelor de fisiune nucleară constituie un aspect foarte dificil, cu multe probleme tehnologice, majoritatea nesoluționate într-un mod convenabil sau definitiv; această stare de lucruri a provocat foarte multe incidente și accidente printre care și o catastrofă în aprilie 1986, la Cernobâl; este de preferat ca viitoarea energie nucleară să evite declanșarea reacției de fisiune și să utilizeze în schimb anumite amestecuri de elemente radioactive și izotopi radioactivi care emit cantități mari de căldură și radiații, dar fără să formeze masa critică sau celelalte condiții de pornire a reacției de fisiune;

–evitarea producerii de deșeuri care nu pot fi gestionate; așa cum se știe, în momentul de față centralele atomoelectrice produc mari cantități de deșeuri radioactive, cea mai mare parte din acestea neputând fi anihilate și ridicând mari probleme economice, administrative și ecologice; pentru evitarea unor astfel de situații nu avem decât să întrebuințăm amestecuri de izotopi radioactivi cu perioade scurte de înjumătățire și a căror activare (pentru a deveni radioactivi) poate fi controlată de către utilizator; în fabricarea acestor amestecuri de izotopi vom putea întrebuința și actualele deșeuri radioactive, dându-le astfel o întrebuințare în cadrul economiei și evitând stocarea lor și punerea în pericol a ecosistemelor;

–reducerea masivă a complexității sistemului; noile centrale nucleare trebuie să fie mici, organizate după scheme structurale și funcționale cât mai simplificate, cu personal relativ redus și fără a implica probleme grave de securitate pentru personal și pentru mediu;

–posibilitatea de (de)comisionarea rapidă și caracterul abordabil al tehnologiilor întrebuințate; avem în vedere ca noile centrale nucleare (cu radioizotopi cu scurt timp de înjumătățire) să poată fi construite cât mai simplu și instalate în diverse locuri, fără ca acolo să existe fundații sau elemente speciale de infrastructură; de asemenea, la nevoie aceste centrale nucleare trebuie să poată fi rapid și simplu scoase din funcțiune, decomisionate, demontate și duse în alte locuri sau stocate sub formă de piese componente pentru alte centrale similare;

–caracterul simplu și ieftin al procesului din reactor; trebuie să putem prevede exact ceea ce se va petrece în noile reactoare nucleare și anume, reacții din care să rezulte radiații și căldură, dar fără posibilitatea ca astfel de reacții să aibă evoluții dintre cele mai surprinzătoare și incontrolabile; de aceea noi preferăm să lucrăm cu amestecuri de izotopi cu perioadă scurtă de înjumătățire și pe care să îi putem activa în mod controlabil, din acel moment știind cât acume vor produce energie și pentru cât timp;

–posibilitatea ca procesul natural (din reactor) să se desfășoare în mare parte singur; în reactor are loc emisia de radiații și de căldură, iar instalația pe care o proiectăm în sensul de a forma camera reactorului trebuie să fie de așa natură încât circulația fluidelor reci și calzi antrenate de către fluxul de căldură să aibă loc într-un circuit autoîntreținut și care poate fi ușor supravegheat și automatizat;

–reducerea masivă a riscurilor; prin automatizare și stabilirea unui circuit oportun al fluidelor de răcire, a unei scheme convenabile a schimbătorului de căldură, să fie reduse cât mai mult riscurile de supraîncălzire a reactorului și de contaminare a mediului.

Deocamdată, în lucrarea de față nu ne vom ocupa decât de soluțiile tehnologice pe care le avem în vedere pentru punctul (A) din cadrul acestui paragraf.

2. Generatorul Vuia, trecut și perspective

În această situație îngrijorătoare la nivel mondial al sistemului energetic, activitatea de cercetare-dezvoltare trebuie să se îndrepte către găsirea rapidă a unor soluții care în mare să corespundă criteriilor enunțate pa punctul precedent. Autorii au studiat problema energetică actuală și, în acest sens, propun următoarele soluții tehnologice care ar preveni și rezolva o posibilă criză energetică:

-menținerea energiei de ardere ca principală sursă de energie primară din care, prin conversie, aceasta poate fi transformată în alte forme (secundare sau terțiare) de energie;

Fig. 1 Schema instalației generatorului de abur cu tiraj forțat. În stânga este reprezentată sursa/pompa de apă, caseta cu linie punctată reprezintă generatorul de flux forțat, iar Q este sursa de căldură.

 

-adoptarea de noi soluții tehnologice prin care dimensiunile și componența centralelor termoelectrice suferă îmbunătățiri semnificative, în sensul simplificării schemelor structurale și reducerii semnificative a dimensiunilor și volumului ocupat;

-adoptarea de noi soluții tehnologice prin care cantitatea necesară de combustibili fosili neregenerabili este redusă considerabil și aceștia sunt înlocuiți în moduri simple cu o serie de combustibili naturali care sunt cel puțin parțial regenerabili;

-adoptarea de noi soluții tehnologice prin care procesele de ardere devin anaerobe și nu mai produc gaze poluante, nici măcar în mică măsură;

-trecerea la utilizarea masivă a unor agenți de lucru foarte ieftini și regenerabili, cum ar fi apa, pentru majoritatea țărilor europene;

-eliminarea din schema sistemului energetic a componentelor care conțin multe piese mobile sau care necesită tehnologii complexe de fabricație, întreținere și piese de schimb costisitoare sau necesitatea unor materii prime și materiale rare și scumpe;

-utilizarea tehnologiei „tubului termic” în diverse moduri pentru transferul de căldură și frig în cadrul unor circuite foarte eficiente.

Astfel, autorii au selectat generatorul cu circulație forțată ca un bun model de mașină termică pentru a începe dezvoltarea unei noi tehnologii pentru centralele termoelectrice.

Astfel, autorii au selectat generatorul de abur de tip Vuia ca punct de plecare pentru dezvoltarea de noi soluții tehnologice. Generatorul Vuia a fost inventat și dezvoltat în urmă cu mai bine de 100 de ani, dar nu a fost niciodată utilizat industrial, deși au fost efectuate mai multe teste (cu rezultate bune) pentru utilizarea sa ca sursă de energie pentru aeronave grele, pentru trenuri (locomotive) și ca sursă de energie în centralele termoelectrice.

Fig. 2 Instalația clasică Vuia (circa 1947) cu aplicații în energetică: A. Generatorul Vuia. B. Carburatorul. C. Pompa de apă. D. Suflanta. E. Motorul electric. F. Transformator pentru bujie (prelucrare și adaptare după un desen întocmit de Ion Iacovachi și Ion Cojocaru, Traian Vuia. Viața și opera, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988, p. 296).

 

O astfel de utilizare a generatorului Vuia nu a fost niciodată realizată, și aceasta din anumite motive care pot fi explicate în prezent:

-proiectul generatorului Vuia pentru motoare de aviație a ajuns în Franța în 1939, când a izbucnit al Doilea Război Mondial; acest eveniment a împiedicat dezvoltarea aeronavei respective de către uzina franceză Breguet Aviation^[5], iar după război atenția tuturor era deja concentrată asupra motoarelor cu reacție și a motoarelor rachetă; -deși locomotive și camioane sau tractoare acționate de generatorul Vuia au fost construite experimental (atât în ​​perioada interbelică, cât și în cea postbelică) și acestea au dat rezultate bune, atenția investitorilor majori din acea vreme a fost atrasă de marii consumatori de resurse petroliere, precum motoarele cu ardere internă și motoarele diesel, care au ajuns să domine piețele europene și mondiale; producătorii sovietici/ruși de motoare au produs și modele cu consum foarte mare, industria sovietică/rusă nefiind interesată de scăderea consumului (de unde și a cererii!) de combustibili fosili; abia în timpul crizei OPEC (1973) a existat un anumit interes global pentru motoarele termice caracterizate prin consumuri foarte reduse, dar acest interes nu a durat mai mult de 2 ani;

-în România, generatorul Vuia nu a fost selectat pentru aplicații industriale la scară largă, în principal pentru că personalul din centralele termoelectrice nu era deloc familiarizat cu această nouă tehnologie și, în plus, generatorul Vuia prezenta o serie de dezavantaje pe care nimeni nu a avut răbdarea să le studieze și să găsească soluții pentru a le înlătura;

-faptul că generatorul Vuia (modelele construite, care erau în general mici) nu funcționa cu un debit mare a făcut ca mulți să prefere achiziționarea de cazane de abur din străinătate, deoarece acestea veneau complet echipate și puteau fi alese în funcție de puterea necesară a fi instalată în cadrul aplicației industriale respective; nimeni nu a încercat să construiască vreun model de generator Vuia mai mare; dacă inițiativa actuală a autorilor va reuși, ar fi prima dată în istorie când s-ar construi astfel de agregate;

Fig. 3 Funcționarea unui cazan cu circulație forțată. Este ilustrat un tambur separator (TS) care separă aburul de suprapresiune (steam) de apa fierbinte, aceasta din urmă fiind recirculată. PA este pompa de alimentare, iar PC este pompa de (re)circulare. În desen se poate observa cum 90% din apa circulată este trimisă în jos ca apă fierbinte, iar 10% din apă este trimisă în sus ca abur de înaltă presiune (steam).

 

-în anii 1950, când s-a pus problema introducerii cazanului Vuia în industria românească, testele au dovedit necesitatea unei automatizări de înaltă calitate, o condiție care la acea vreme era destul de greu de îndeplinit, ceea ce făcea ca acest generator de abur să fie indezirabil în cele mai multe din cazuri;

Fig. 4 La începutul anilor 1960, în România, o mică echipă de cercetători a încercat să utilizeze generatorul Vuia pentru încălzire centralizată (calorifere și apă caldă) în instalații industriale sau civile. Rezultatul a fost un generator (testat cu succes) de abur și apă foarte fierbinte care funcționa la un debit total de 10 tone/oră, din care 1 tonă de abur suprapresiune și 9 tone de apă caldă. Desenul de mai sus a fost realizat de inginerii N. Antonescu, C. Haiduc și L. Costea în Revue d’electrotechnique et d’énergetique, volumul V, nr. 2/1960: 1. generatorul Vuia; 2. omogenizatorul; 3. coșul de fum cu producție mică de noxe (arderea gazului metan în aer); 4. tamburul separator (prin partea de sus a căruia ieșeau aburii de suprapresiune/steams); 5. regulator de presiune; 6. supapă de siguranță; 7. indicator de nivel; 8. supapă de golire și purjă; 9. pompă de alimentare cu apă/water; 10. pompă de circulație; 11. suflantă (alimentarea cu aer a cazanului); 12. reglajul arzătorului (debitului de gaz metan).

 

-depunerile pe care arderea le producea pe suprafața internă a pieselor în contact cu gazele de ardere au făcut ca acest model de generator să fie în cele din urmă îndepărtat din proiectele de dezvoltare industrială ale României socialiste.

Cazanul Vuia a fost încă de la început (în jurul anului 1923) un model tipic de cazan cu circulație forțată și putea fi utilizat cu succes pentru producerea de abur saturat de 1-100 bar și chiar pentru producerea de apă fierbinte pentru încălzire industrială sau locuință. Suprafața sa de încălzire era realizată din serpentine conectate în serie și coaxial cu un tub central de focar. Corpul metalic al cazanului era realizat din tablă de oțel rezistentă la căldură, avea o formă cilindrică și era închis în mod corespunzător cu un capac la fiecare capăt. Canalele de gaz aveau o secțiune inelară și erau conturate de o serie de deflectoare cilindrice (coaxiale cu camera de focar) realizate din tablă metalică antitermică. Acestea erau fixate printr-o serie de îmbinări detașabile sau uneori chiar direct prin sudură la capace. O bujie era montată în centrul capacului pentru a aprinde combustibilul la aprindere.

Fig. 5 Desen prelucrat și adaptat după o ilustrație publicată în revista Știință și Tehnică nr. 5 din 1962. Se poate vedea cum în cazanul Vuia (A) sunt injectate combustibilul lichid (liquid fuel) sau gazos/solid (gaseous/solid fuel) și aerul de la suflanta (air blower) fiind apoi ejectate gazele arse (flue gas). Apa era introdusă în cazan cu pompa (C). Prin conducta (D) era trimis aburul către tamburul separator (B) prevăzut cu regulator de nivel (electric level regulator) și o valvă automată (automatic valve). Prin acest tambur se făcea alimentarea cu apă (water supply) a instalației, această apă asigurând și purjarea (purge). Aburul de înaltă presiune era preluat de conducta de sus și trimis la utilizatori prin distribuitorul (E).

 

Centrala Vuia avea următoarele avantaje evidente:

– randament ridicat, peste 95%;

– avea o construcție în general simplă;

– era o instalație compactă, deci avea o amprentă redusă; nu era nevoie de mult spațiu pentru un astfel de agregat;

– era un dispozitiv ieftin;

– verificarea și înlocuirea componentelor defecte erau foarte simple și ieftine;

– instalarea se făcea rapid;

– avea o inerție termică foarte scăzută;

-intrarea în regim se făcea rapid;

– productivitate ridicată (peste 30 kg abur/m² oră)

Cu toate acestea, centrala Vuia avea și o serie de dezavantaje:

– necesita combustibil de foarte bună calitate, deoarece avea tendința de a forma depuneri pe focar și pe suprafața internă a deflectoarelor, iar combustibilul de calitate slabă ar fi dus la încărcarea rapidă a centralei cu reziduuri și dese întreruperi pentru curățare;

– pentru o funcționare corectă necesita o automatizare de bună calitate;

– avea un debit de abur relativ scăzut.

Un alt dezavantaj major al centralei termice Vuia era acela că necesita alimentarea arzătorului cu aer comprimat, iar evacuarea gazelor de ardere se făcea în atmosferă, cu rezultatele obișnuite de poluare a aerului. În versiunea reproiectată propusă acum de autorii lucrării de față, toate aceste dezavantaje au fost complet eliminate.

Vechile modele de cazane Vuia prezentau destul de multe neajunsuri, mai ales când venea vorba de instalații mari pentru aplicații industriale. Vom continua să dăm un exemplu clasic de realizare a generatorului Vuia la începutul anilor ’60 pentru a putea face ulterior o comparație cu modelul propus de autori în momentul de față. După cum se poate observa în fig. 5, instalația termică industrială de tip Vuia era alcătuită din generatorul Vuia (A), un tambur separator (B) și o serie de unități auxiliare.

Fig. 6 O comparație sugestivă între generatorul de abur și apă caldă Sulzer (stânga) cu o capacitate de 100 tone/oră, și zece cazane Vuia, fiecare cu o capacitate de 10 tone/oră. În prezent (2025) am selectat cazanul de tip Vuia deoarece este mult mai ușor de construit decât orice model clasic de cazan și are dimensiuni și masă mult mai mici, nenecesitând investiții în infrastructură (fundație, construcții speciale etc.). În ceea ce privește dezavantajele specifice cazanului Coandă, autorii au în vedere eliminarea acestora și în același timp, adaptarea acestui motor termic la tehnologiile specifice secolului XXI^[6]. Potrivit lui Andrei Mețianu (1957) locomotiva tip Sentinel-Cammel (centru) folosind generatorul Vuia ca sursă de alimentare. Acest generator (tip „Vuia-275A” dreapta) avea o lungime de 1,5 metri și un diametru de 0,5 metri^[7]. Cu toate că acest experiment a dat bune rezultate el nu a fost urmat de proiecte industriale sau de aplicații prin care să se dea cazanului Vuia vreun rol util în industria Republicii Populare România.

 

Astfel, din tamburul (B) apa era împinsă de pompa (C) în serpentinele generatorului de abur (A) și apoi returnată în tamburul separator (B) printr-o conductă de legătură (D). Pompa avea un debit de 10000 litri/oră și apa era încălzită până la temperatura de saturație, aproape de vaporizare, dar abia după ce ajungea în vârful tamburului separator o porțiune din apă (1000 litri/oră) se separa de restul apei și, transformată în abur sub suprapresiune, curgea printr-o conductă de abur (E) către consumatori. Restul apei (încălzită aproape până la vaporizare) curgea pe fundul tamburului separator de unde era preluată din nou de pompă și ciclul începea din nou. Cuptorul din generatorul Vuia avea o sarcină termică de 200 000 000-400 000 000 kcal/m² oră, mult mai mare decât sarcina termică a cuptoarelor din alte tipuri de cazane, din acea epocă. La cazanul Vuia, sistemul de circulație era unul în contracurent al circuitului apă-abur și gaze fierbinți (apa era circulată în serpentine din exterior spre interior, în timp ce gazele fierbinți circulau din camera de ardere interioară spre exterior) iar vitezele mari de circulație la care transmiterea căldurii devenea foarte avantajoasă, au condus la o valoare ridicată a coeficientului total de transmitere a căldurii, care a fost de 80-120 kcal/m² oră grad Celsius în zonele periferice și 250-420 kcal/m² oră grad Celsius în centru, comparativ cu 20 și respectiv 50 kcal/m² oră grad Celsius în cazanele obișnuite din acea epocă.

 

Diametrul (mm)	Înălțimea (mm)	Volumul (m3)	Focarul Diametrul x înălțimea (mm)	Debitul de aburi (kg/h)
275	550	0,030	50 x 500	210
340	700	0,063	65 x 650	420
420	900	0,124	80 x 800	840
480	1115	0,2	100 x 1000	1680
560	1365	0,36	125 x 1250	3360

Fig. 7 Dimensiunile generatorului Vuia (după Mețianu) realizat în mai multe variante. După cum se poate observa, un generator Vuia cu dimensiuni totale de 1365 x 560 mm avea capacitatea de a furniza 3,36 tone de abur/oră. O turbină cu abur de 50 MW necesită între 180 și 270 de tone metrice/oră de abur. Acest calcul se bazează pe eficiențele și condițiile tipice de funcționare ale turbinelor cu abur, unde o turbină de 50 MW ar putea consuma aproximativ 4 până la 6 kg de abur per kilowatt-oră (kWh) de energie electrică generată. Modelul mic de generator Vuia prezentat mai sus ar putea alimenta o turbină capabilă să producă aproximativ 1 MW.

 

Prin urmare, volumul total și greutatea instalației Vuia reprezentau doar 1/5 din valorile cazanelor clasice. Datorită volumului mic de apă, inerția termică a fost una foarte redusă, iar punerea în funcțiune se făcea rapid, deoarece în maximum 10-12 minute centrala Vuia atingea presiunea nominală, în timp ce centralele clasice puteau face acest lucru la doar 1,5-2 ore de la aprindere. În acest caz, nu mai era necesară menținerea centralei în funcțiune în timpul pauzelor de lucru din activitățile industriale.

 

Numele navei care a utilizat un astfel de cazan	Tipul cazanului de aburi	Masa (tone)	Debitul de aburi (tone/oră)	Raportul masă cazan/debit aburi
Rajputana	Scottish	900	104	7,8
Statendam	Babcock and Wilcox	744	92,5	8,7
Viceroy of India	Yarrow	500	82	6,1
–	Vuia	60	100	0,6

Fig. 8 Comparație între performanțele generatoarelor de aburi din epocă (începutul anilor´50, cazane utilizate în propulsia navală) și generatorul Vuia, după Mețianu. După cum se poate observa din tabelul de mai sus, pentru aplicații industriale, un generator Vuia cu o masă totală de 60 de tone ar putea produce 100 de tone de abur/oră. În prezent, îmbunătățirile aduse ar deschide posibilitatea reducerii masei și dimensiunilor generatorului Vuia și a creșterii debitului total de abur produs pe oră. Cu un debit de doar 100 de tone/oră (precum modelul din tabel) generatorul Vuia ar putea acționa o turbină cu o putere efectivă de 33 MW. Aceasta era performanța specifică tehnicii din 1957, acum s-ar putea obține rezultate mult mai bune^[8], poate chiar duble. Potrivit studiului realizat în 1969 de către ing. Nicolae Moraru, am avea o creștere de 2,5 ori a performanțelor cazanelor clasice.

 

În plus, au existat și alte avantaje care nu au fost lipsite de importanță:

-costurile de instalare au fost mult mai mici;

-instalarea nu a necesitat amenajări speciale;

-nu a necesitat fundații armate sau o structură specială;

-nu a necesitat coș de fum pentru tiraj mare;

-instalația Vuia a fost compactă și a putut fi livrată complet asamblată cu toate accesoriile și instalațiile sale de protecție și automatizare;

-punerea în funcțiune în zonele industriale s-a făcut rapid, presupunând doar conectarea centralei la instalațiile de apă/electricitate și alimentare cu combustibil, și evident cuplarea generatorului de abur la conducta de abur a consumatorilor industriali.

Important este că funcționarea unei astfel de centrale Vuia se făcea în deplină siguranță, fiind neexplozivă și ușor de oprit în cazul unei defecțiuni de orice fel:

-dacă centrala ar fi rămas fără apă, presiunea sau temperatura ar fi depășit limitele admise, iar senzorii ar fi reacționat imediat, ordonând oprirea arzătorului;

-dacă oricare dintre unitățile auxiliare s-ar fi oprit, sistemul de protecție ar fi intervenit imediat pentru stingerea focarului, concomitent cu o conectare a sistemului de avertizare vizuală și acustică pentru personalul de supraveghere.

Fig. 9 Un generator Vuia de 150.000 kcal/h (stânga) și un generator Vuia de 300.000 kcal/h (centru). Un generator Vuia (care produce abur la 120 kgf/cm2) utilizat ca sursă de alimentare pentru un motor de 40 CP (dreapta) de acum aproape 70 de ani, după Mețianu. În prezent (2025) putem îmbunătăți semnificativ acești parametri începând de la utilizarea unui alt amestec de combustie decât cel proiectat de Vuia.

 

            A existat și o variantă în care separarea apei calde de abur nu s-a făcut și, prin urmare, debitul orar a fost de 10 tone/oră. Comparație între generatorul Vuia și generatorul industrial Sulzer: generatorul Sulzer este foarte mare, în timp ce generatorul Vuia este mult mai mic și mult mai economic pentru aceeași putere. Generatorul Sulzer avea o capacitate de 100 de tone/oră, similară cu 10 generatoare Vuia mici, care erau mult mai economice și ușor de construit și de utilizat. Imaginea (fig. 6) prezintă interiorul unui generator Sulzer și a unui număr de zece generatoare Vuia desenate la scară alături de silueta unui bărbat de înălțime normală. Un generator Vuia de putere considerabilă avea o înălțime mai mică decât înălțimea normală a unui bărbat adult. Chiar și în cazul unui cazan industrial de peste 50 MW vom avea în general dimensiuni mult mai reduse decât în cazul cazanelor de aburi existente la ora actuală în lume: de pildă, un cazan actual^[9] de max. 8 MW (25 tone/oră) are lungimea de 8,5 m și diametrul de 4,5 metri; un cazan de aburi de producție chinezească având debitul de lucru de 20 tone aburi/oră (puterea echivalentă de 7 MW în cel mai fericit caz) are dimensiunile 10325×3450×3700 mm (lungime×lățime×înălțime) consumând 5010 kg/h combustibil și producând aburi de numai 200 °Celsius (față de 450 °Celsius în cazul cazanului Vuia); un cazan cu cărbune lucrând la debitul de 8 tone aburi/oră are dimensiunile minimale (fără auxiliare și carenaje) de 11157×5332×3862 mm.

Desigur, cazanul Vuia a prezentat o serie de dezavantaje (pe care le-am menționat) dar acestea nu trebuiau să îi descurajeze pe ingineri și pe cercetători, căci ar fi existat soluții pentru eliminarea dezavantajelor, dacă s-ar fi insistat în dorința de utilizare industrială a acestui tip de cazan cu circulație forțată. Autorii lucrării de față au identificat deja aceste soluții și insistă asupra reintroducerii cazanului Vuia în planurile actuale de dezvoltare industrială, mai ales în ceea ce privește sistemul energetic național… Cel mai dezagreabil la cazanul Vuia era faptul că rareori în România ajungea să se folosească un amestec combustibil realmente de bună calitate, ceea ce făcea ca focarul și pereții interiori ai șicanelor să se ancraseze neașteptat de repede, fapt care impunea oprirea instalației și demontarea cazanului pentru a fi curățat. Această operație era prea deseori necesară, iar uneorim în cazul în care nu se putea face atât de des, componentele ancrasate erau degradate și distruse din cauza depunerilor de zgură la temperaturi înalte și în mod repetat. Autorii au căutat să elimine acest mare inconvenient apelând la un amestec comgustibil care nu provoacă niciun fel de depuneri și care are în permanență o temperatură mare de combustie și (datorită reacțiile de ardere multiple, prin combinări și recombinări succesive) un anumit comportament al flăcării.

Fig. 10 Regimul de schimb de căldură între apă și gazele de ardere și formarea aburului în suprapresiune pentru metoda de scurgere în contracurent (stânga). Structura generatorului de abur Vuia (dreapta).

 

Un aspect interesant îl constituie dimensiunile relativ mici ale cazanului de aburi Vuia, ceea ce îl face deosebit de atractiv pentru aplicațiile din tehnica aerospațială, mai ales dacă este adaptat pentru întrebuințarea unui amestec combustibil care permite connustia anaerobă. De remarcat faptul că un cazan Vuia de lungime 1365 mm și diamentrul 560 mm dezvoltă o putere care depășește 1 MW, ceea ce înseamnă capacitatea de a genera puteri mari la bordul unor vehicule aerospațiale. În cazul aplicațiilor din energetică, pentru ca o investiție să fie în termeni economici interesantă sau profitabilă, este necesar ca puterea să fie cel puțin de 50 MW, ceea ce înseamnă un debit de aburi de suprapresiune de aproximativ 150 tone/oră. În anul 1957, un generator de aburi Vuia proiectat pentru debitul de 100 tone/oră avea o masă totală (cu toate agregatele și instalațiile auxiliare) estimată de 60 tone. Putem estima că în condițiile tehnologiilor de la ora actuală masa va fi mai redusă cu cel puțin 40% grație noilor materiale (materiale plastice-armate și compozite) iar prin aplicarea noilor rețete de combustibil va crește performanța fără a crește și greutatea instalației.

 3. Retehnologizarea cazanului Vuia

În prezent, în cazul generatoarelor care echipează marele termocentrale urbane, transformarea energiei (termice) a aburului (debitat de cazan) mai întâi în energie cinetică (transformare secundară) a turbinei și ulterior în energie electrică (transformare terțiară) furnizată de alternatorul acționat de turbină, implică o serie de pierderi care apar fie la nivelul turbinei, fie în interiorul alternatorului, fie la nivelul instalațiilor auxiliare. În ceea ce privește turbinele utilizate în prezent, trebuie să remarcăm mai întâi că o turbină cu abur capabilă să funcționeze la 50 MW are dimensiunile aproximative de 7 x 7 x 3 metri, dar astfel de valori sunt pur orientative căci pot varia foarte multe funcție de mai mulți factori.

Dimensiunile unei turbine cu abur de 50 MW pot varia în funcție de tipul de turbină și de geometria specifică, dar ar putea avea în general o lungime între 7 și 14 m, o lățime între 3,5 și 7 m și o înălțime între 3 și 5 m. În prezent, există mai multe tipuri de turbine cunoscute care au eficiențe diferite:

Turbină de aburi cu condensare (centrală de randament mare)

Consum de abur: 3 – 5 tone aburi/oră per MW; retehnologizat cazanul Vuia poate ajunge la un consum de 1-2 tone aburi/oră pentru 1 MW dacă folosește modele atipice de turbină

Eficiență: 30 – 40%

Condiții: Abur de înaltă presiune (de exemplu, 100 bar, 540°C)

Turbină de aburi cu contrapresiune (CHP^[10] sau abur de proces)

Consum de abur: 5 – 8 tone/oră aburi per MW

Eficiență: Mai mică deoarece o parte din energie rămâne în aburul de evacuare

Utilizată acolo unde este nevoie de abur de proces (de exemplu, aplicații industriale)

Aplicată la centrale mai vechi, de radnament mai scăzut

Consum de abur: 7 – 10 tone aburi/oră per MW

Eficiență: Sub 30%

Parametrii mai reduși ai aburului și tehnologia mai veche duc la un consum mai mare.

Pentru turbinele cu abur de 50-60 MW, cea mai bună ofertă actuală este cea făcută de producătorii din Asia, care, la prețul total de aproape 1 milion USD oferă instalații complete, adică turbina, unitățile auxiliare și alternatorul care transformă în final energia cinetică în energie electrică. O turbină de acest tip are dimensiunile de 7451 × 7090 × 3260 mm. Așa cum se va arăta în continuare, noi vom încerca să propunem utilizarea unor modele de turbine mult mai eficace, așa cum se preconizează a fi turbina Coandă (fig. 12). Pe de altă parte mai avem în vedere și posibila întrebuințare în loc de turbină a unor motoare care sunt proiectate speciale pentru a funcționa cu aburi, așa cum este cazul motoarelor de tip Keller sau Dotto.

Pentru a utiliza la nivel industrial generatorul Vuia în secolul XXI, noi aducem următoarele propuneri tehnologice aplicabile în cadrul proiectului unei centrale termoelectrice cu o putere cuprinsă între 50 și 70 MW:

– aplicarea metodei de combustie termoionică^[11] și trecerea la ardere anaerobă, excluzând astfel din schemă auxiliarele care erau destinate injectării aerului în cuptor;

– eliminarea completă a dezavantajului depunerii produselor de ardere pe suprafața internă a cuptorului și a deflectoarelor, prin utilizarea a 80% apă în amestecul combustibil;

– evitarea gazelor de eșapament în atmosferă, dar recircularea acestora (și colectarea/recuperarea căldurii gazelor) și filtrarea, astfel încât doar apa să fie evacuată în atmosferă și aceasta să poată fi recuperată și recirculată;

– recuperarea reziduurilor de calciu din filtrul situat la evacuare, care pot fi utilizate pentru fabricarea unei noi cantități de combustibil; va fi prima dată în istorie când o nouă cantitate de combustibil poate fi fabricată parțial din gazele de eșapament;

-utilizarea unui carburator centrifugal acționat electric (la pornire) și apoi acționat de turbina cu abur, în care procesul de precombustie se realizează înainte de injectarea în camera de ardere (cuptor);

Fig. 11 O posibilă aplicație a conductei de căldură în cadrul centralei termice: pentru a avea un circuit de apă de înaltă eficiență, este necesară condensarea (răcirea) și recircularea acesteia la o eficiență foarte bună a schimbătorului de căldură. Pentru aceasta, am imaginat deja noi dispozitive auxiliare care să înlocuiască vechile schimbătoare de căldură, care sunt prea mari, voluminoase și grele. În acest sens, propunem să folosim schema conductei de căldură pentru a realiza transferul de căldură la o eficiență foarte bună. Cu ajutorul unei părți din energia cinetică a turbinei, vom acționa un mic compresor de aer care va trimite aer comprimat către instalația de răcire. Acesta va utiliza debitul mic de aer comprimat pentru a răci camerele în care este evacuat aburul după ce părăsește turbina. Frigider vortex regenerativ alimentat cu aer comprimat la un debit de 115 kg/h și o presiune de 3-5 bar, cu o temperatură a aerului de 20 de grade Celsius. Aerul era introdus prin racordul R și intra în schimbătorul de căldură, trecând printr-un uscător cu silicagel D, după care intra în tubul vortex TV. Astfel, în timp ce fluxul cald era aspirat de ejectorul E, fluxul rece, la o temperatură de -60 de grade Celsius, intra în camera de refrigerare CF, în care se puteau răci obiecte solide sau fluide. Apoi, prin spațiul inelar SI situat între cilindri, era direcționat spre SC, unde se încălzea odată cu răcirea aerului comprimat, fiind aspirat de E. Aerul era evacuat din acest ejector controlat de dispozitivul A. Un astfel de frigider putea funcționa cu aer comprimat la 7 bar, asigurând o scădere de temperatură de până la -55 grade Celsius; cu aer umed la 7 bar se atingea -40 de grade Celsius, iar la o presiune de 5 bar se atingea -26 de grade Celsius.

 

-utilizarea combustibilului fosil în proporție de doar 10% din amestecul combustibil și posibilitatea utilizării drept combustibil a unui amestec (pulbere) de frunze și crengi uscate, care sunt perfect compatibile cu noul tip de generator Vuia; reziduurile agricole și forestiere vor putea fi astfel utilizate pentru producerea de energie electrică, iar aceste reziduuri se încadrează în categoria celor regenerabile, deoarece se restaurează natural, cu o ciclicitate sezonieră;

-utilizarea turbinei Coandă ca turbină cu abur, care are un randament mult mai mare și ne va permite obținerea unui raport de cel puțin 1 sau max. 2 tone/MW;

-utilizarea unor noi scheme de motoare cu abur (tip Keller, Dotto, Minto etc.) și motoare electrice (tip Cozma) cu randamente mult mai mari decât orice model clasic; -utilizarea schemei de conducte termice pentru transfer termic de înaltă eficiență.

În loc de turbine ar mai putea fi utilizate motoare speciale cu aburi. Un model destul de mare de motor experimental și demonstrativ a fost creat (de compania privată Florida Power and Light Co) în 1972 și numit KROV (Keller Roto-Oscillating Vane Machine). Motorul Keller era alcătuit dintr-un stator în care o placă echipată cu role și un rotor cu palete erau montate excentric, iar întregul dispozitiv era închis cu un capac. Funcționarea acestui motor cu o organizare simplă a fost descrisă astfel: aburul intra prin cavitățile formate între stator, rotor și role, iar în timpul rotației produse de acțiunea aburului, cavitățile menționate anterior creșteau în volum. După expansiunea totală a aburului, acesta era evacuat din dispozitiv. Variația volumului cavităților dintre stator, rotor și role era cauzată practic de excentricitatea dintre rotor și placa cu role.

Cuplul motorului apărea din cauza diferențelor de presiune formate între cavitățile dintre stator, rotor și role. Vom vedea dacă putem reproduce modelul acestui motor la scară industrială, astfel încât să poată fi alimentat cu abur de la un generator Vuia de mare putere. Dacă este așa, și dacă motorul KROV se dovedește a fi capabil să funcționeze la randamentul mare pretins în anii ´70, atunci am putea înlocui sistemul turbină-alternator cu un sistem nou, format dintr-un astfel de motor cu aburi și alternatorul care este terminalul.

Fig. 12 Turbină de depresiune Coandă: agentul de lucru (abur, gaze de eșapament etc.) circulă prin arborele turbinei, iar evacuarea acestui fluid sub presiune se face prin fante dispuse de-a lungul porțiunii în care palele sunt încastrate în arborele turbinei; apare efectul Coandă, jeturile lipind de suprafața palelor și creând zone de depresiune. O astfel de turbină are un randament foarte ridicat (mult mai mare decât orice model clasic de turbină), este simplă din punct de vedere constructiv, robustă, dar trebuie să funcționeze carenată, dispusă într-o cutie etanșă. Agentul de lucru (aburul, în cazul nostru) este colectat periferic și recirculat/evacuat în afara turbinei, iar arborele acesteia acționează alte unități. Turbină de depresiune Coandă prezentată de colonelul de aviație Florin Zăgănescu în articolul „Turbină cu palete depresive” (articol în revista Știință și Tehnică nr. 5/1966). Referindu-ne la ilustrația din partea de jos a figurii, funcționarea turbinei cu pale depresiune poate fi rezumată astfel: fluidul de lucru intră în partea interioară (2) a corpului rotorului (3) prin canalul de admisie (1) și traversează dispozitivul director (4), apoi iese prin extradosul palelor (6), mai precis prin fantele longitudinale periferice din coroana duzei (5) sub formă de jet plat. Datorită efectului Coandă, jeturile deviază de la direcția lor inițială și conturează extradosul palelor în întregime, apărând astfel zone puternic deprimate. Diferențele de presiune astfel produse pe cele două fețe ale palei determină apariția unor forțe a căror rezultantă proiectată pe direcția tangențială provoacă mișcarea rotorului; jeturile de fluid (agent de lucru) care părăsesc palele rotorului trec în dispozitivul fix de îndreptare (8) și de acolo în colector (9) și ulterior în conducta de evacuare. Arborele turbinei (10) poate fi cuplat la unitățile pe care trebuie să le antreneze.

 

În revista Știința și tehnică din 1971 era prezentată o mașină cu aburi inventată și construită de Wallace L. Minto (1921-1983). Minto a fost un fizician nuclear american care a lucrat la Proiectul Manhattan. El a inventat un motor cu ciclu Rankine, nepoluant, vânzând licența acestui motor unei companii japoneze în 1972. Este demn de remarcat faptul că Minto a înlocuit apa cu un anumit tip de freon, și anume Fluor 113, numit și triclortrifluorooctan, care fierbe la 48 de grade Celsius, ceea ce asigură pornirea motorului la doar 10 secunde de la aprindere. Motorul era cel puțin interesant și este păcat că s-a așternut uitarea peste el.

Fig. 13 Un model interesant de motor cu aburi, inventat cu mult timp în urmă (brevetul US 3883277 cu titlul Dispozitiv cu palete rotative și etanșări îmbunătățite, acordat la 13.05.1975; dar și GB1301214 cu titlul Sistem de acționare principală și CA985957 cu titlul Dispozitiv cu palete rotative) de Leonard J. Keller, este considerat de noi în cadrul proiectului de creare a unei centrale termoelectrice de cel puțin 50 MW. La acea vreme, invenția lui Keller a stârnit vâlvă, articole interesante fiind publicate în revistele Popular Science din iunie 1973, la pagina 90 și ulterior Popular Science din aprilie 1974, la pagina 83. Desenul de mai sus reprezintă o adaptare făcută de noi după desenul original din brevet.

 

Un alt model de motor foarte interesant a fost și cel inventat de Gianni Dotto încă din 1968 (a se vedea brevetele US 3301233, CA 793047 și GB 1067889 intitulate Motor de tip rotativ) despre care se afirma că ar fi putut funcționa la un randament foarte ridicat. Testele ne vor lămuri asupra acestor aspecte controversate… În principiu, un motor cu aburi nu ar avea cum să dispună de un randament mai mare decât al unei turbine cu aburi, mai ales că în general organizarea unei turbine este mult mai simplă, cu o structură concepută de așa natură încât să reducă pe cât posibil pierderile de energie (cinetică, termică) și să asigure convertirea în condiții cât mai bune a energiei dintr-o formă în alta. În ciuda acestor observații generale, s-ar putea ca inventatori precum Leonard J. Keller sau Gianni Dotto să fi conceput agregate care deși nu sunt considerate turbine, ci motoare, ar putea avea un radnament de conversie mai bun decât cel prezentat de turbinele de aburi clasice. Mai mult, motoarele de tip Keller și Dotto ar putea fi avantajoase și sub aspectul compactizării agregatului și reducerii amprentei la sol. Așa cum am menționat mai înainte, turbina Coandă rămâne și ea o posibilă soluție.

În cele ce urmează vom prezenta în câteva desene însoțite de explicații detaliate, felul în care ar urma să funcționeze noile centrale electrotermice în varianta retehnologizată potrivit ideilor și soluțiile propuse de autori. Avem în vedere mai ales aplicația industrială de 50 MW. În momentul de față puterea totală a unei termocentrale din România este de câteva sute de MW, de pildă, CET București Sud dezvoltă puterea electrică de 586,25 MW și energia termică de 1737 Gcal. O centrală cu puterea de 50-60 MW este de 10 ori mai mică în regimul de putere decât CET Sud dar ocupă un spațiu mult mai mic și este mult mai ieftină din toate punctele de vedere: construcție, exploatare, mentenanță, reparații, consum, personal etc.

Fig. 14 Prezintă schema bloc a sistemului prevăzut de autori, menit să aplice metoda și să utilizeze noile rețete de combustibil.

 

Referitor la fig.14, aceasta ilustrează schema bloc a mașinii termice de forță care, potrivit autorilor este realizată pentru a aplica metoda și sistemul propuse în vedere retehnologizării termocentralelor. Metoda  constă în utilizarea apei (din cadrul rezervorului de apă notat în desen Rez.H₂O) drept transportator (pe timpul operațiilor de alimentare a reactorului) pentru celelalte componente ale amestecului combustibil, dar și reactiv pentru obținerea carburantului și oxidantului în cadrul procesului de ardere; totodată, această apă este utilizată și ca agent de lucru al instalației de alimentare compusă dintr-un motor electric de antrenare (notat ME), un compresor (notat C), injectoarele de carburant (notat Inj.CARB) și aditivi (notat Inj.ADT, conținând elemente ori substanțe chimice din cele care reacționează energic cu apa formând produși de reacție ce sunt la rândul lor carburanți sau comburanți), robineții de reglaj (3) a debitului de alimentare și injectorul (notat Inj); totodată, metoda constă în aplicarea unui proces de precombustie prin utilizarea aceeași cantități de apă în cadrul unui carburator de concepție specială (notat Reactor) în care se face disocierea chimică a apei în vederea obținerii carburantului (de pildă, acetilena) și comburantului (de pildă, oxigenul gazos) ce urmează a fi injectați în arzător; metoda se mai referă și la organizarea combustiei ca proces etapizat, în care inițial amestecul combustibil este injectat în peliculă fină pe un ecran catalizator încins la incandescență (acesta putând fi rotativ sau fix), iar ulterior, după arderea catalitică amestecul este introdus în camera de ardere (de preferință, organizată sub forma unor șicane inelare pentru a avea suprafață relativ mare; sau având volum și suprafață redusă, dacă trebuiesc acționate pistoane, cum este cazul motorului de combustie internă); potrivit metodei, gazele arse sunt preluate de un ajutaj Laval care asigură creșterea vitezei lor la ieșire, iar de acolo intră într-un separator centrifugal (neilustrat) pentru colectarea și recuperarea produselor de ardere bazate pe calciu, acestea fiind regenerabile (utilizate pentru fabricarea unei alte cantități de combustibil). Potrivit metodei, gazele arse pot finalmente fi utilizate pentru a antrena în circuit închis turbina (notată T) care întreține funcționarea instalației. Sistemul este compus din: sursa de energie electrică (1) în regim de curent continuu, alimentând motorul electric (2) care poate fi, de preferință, realizat potrivit schemei prezentate în lucrarea de brevet RO132367A2 din 29.07.2016 (referitor la „Metodă şi  sistem  privind  realizarea  unor maşini de forţă bazate pe conversia energiei magnetice” aparținând autorului Cozma Lucian Ștefan), acest motor antrenând rotorul compresorului (5) care la rândul lui, prin intermediul valvei (3) primește apa de la rezervorul (4), apă pe care o antrenează sub presiune prin conducta axială (6) care antrenează turbina radială (7) realizată de preferință potrivit schemei turbinei aerodepresive Coandă (potrivit brevetului US2920448 din 12.01.1960 cu titlul „Apparatus for imparting rapid speed to a mass of fluid” aparținând lui Henri Coandă și brevetului RO42186/1963 cu titlul „Turbina radială cu palete depresive” aparținând lui Constantin Teodorescu Țintea) dar nu în mod obligatoriu acest model de turbină. Toate aceste componente urmează a fi proiectate potrivit dimensiunilor reactorului și camerei de ardere (focarului) pentru un anumit debit. Atunci când este vorba de instalații de mari dimensiuni, care trebuie să lucreze la debite mari, între elementele (2) și (5) poate fi interpusă o cameră de combustie de mici dimensiuni, care utilizează un amestec de cărbună și apă (cu aer drept comburant), dar este puțin probabil să fie nevoie de așa-ceva, căci injectoarele (9), (10) și reactorul (14) sunt de regulă dispozitive de dimensiuni mici și care nu lucrează cu debite mari. Prin urmare, pentru acționarea (rotirea) dispozitivelor (9), (10) și (14) nu este necesar un lucru mecanic de valoare mare, căci debitele uzuale sunt cuprinse între câteva grame/s și câteva zeci de grame/s  (de pildă, un motor actual de combustie internă destinat autoturismelor, consumă în medie cca 0,0018 litri/secundă de benzină sau motorină, iar un motor YANMAR de tip 12AYM-WGTL, destinat navelor maritime și dezvoltând 1822 CP sau 1340 kW, consumă doar 0,0917 litri/secundă) fapt care face ca injectoarele și respectiv, reactorul de precombustie/carburație să fie dispozitive de mici dimensiuni și de masă redusă; în aceste condiții, apa antrenată de un compresor centrifugal și injectată sub presiune în cadrul unei turbine (radiale depresive de tip Coandă sau Teodorescu-Țintea sau turbină de orice alt tip) este în măsură să asigure lucrul mecanic necesar antrenării componentelor (9), (10) și (14). Admițând că sistemul prezentat aici ar fi utilizat în cadrul unei termocentrale la care debitele de lucru sunt mari sau foarte mari, se poate utiliza un dispozitiv suplimentar pentru mărirea forței dezvoltate de turbina (7) și anume, apa din rezervorul (4) este antrenată de compresorul centrifugal (5) și o parte din aceasta este trimisă prin conducta (6) în care este amestecată cu pulbere fină de cărbune (dispozitivul de carburație și rezervorul de cărbune nu sunt ilustrate) către camera de ardere (23); prin combustia amestecului apă/cărbune (în prezența aerului) sunt obținute gazele arse care antrenează turbina (7), la ieșirea din turbină aceste gaze fiind amestecate cu restul cantității de apă antrenată de compresorul (5) și trimise împreună prin conducta (11) către injectorul (12) și prin intermediul acestuia, în reactorul (14). Dacă facem abstracție de posibilitatea utilizării camerei de ardere (23), apa din rezervorul (4) antrenată de compresorul electric (5) care are rol de pompă, trece prin conducta axială (6) către turbina (7) și este evacuată din turbină prin conducta (11). Turbina (7) antrenează în mișcare de rotație injectorul de carburant (9) alimentat gravitațional  de la rezervorul de carburant (21) și injectorul de aditivi (10) alimentat gravitațional de rezervorul de aditivi (22), ambele injectoare fiind prevăzute cu lagărele de alunecare (8). Sub acțiunea forței centrifuge carburantul (solid, lichid, gazos sau mixt) și aditivii (pulbere) sunt trimiși separat către injectorul (12) prin intermediul valvelor (8) prin care se poate regla debitul. Injectorul (12) formează jeturile separate de aditivi și apă (13) care sunt injectate în reactorul/carburator (14), în vreme ce carburantul din injectorul (9) este trimis direct către arzător printr-un dispozitiv de temporizare conținut în injectorul (12) astfel încât injecția la arzător să fie sincronizată.

Fig. 15 prezintă schema instalației de ardere destinată centralelor termoelectrice alimentate cu cărbune, potrivit invenției, în care arzătorul este alimentat cu aer comprimat/apă (antrenate de o tubosuflantă electrică/compresor electric) și un amestec combustibil format din cărbune pulbere și aditivi speciali (un amestec de elemente ori substanțe chimice/compuși care puse în contact cu apa reacționează energic cu aceasta eliberând H₂ și O₂ din apă înainte de a se face injectarea în focarul cazanului).

 

De asemenea, reactorul/carburator (14) poate fi conceput ca element rotativ, antrenat tot de către turbina (7) forța centrifugă fiind utilizată atât pentru îmbunătățirea amestecului cât și pentru o mai bună realizare a injecției la arzător, fără a mai fi nevoie de dispozitive suplimentare, gen pompă de injecție. De altfel, reacția de disociere chimică a apei în contact cu aditivii (elemente ori substanțe chimice care reacționează energic cu apa și o disociază înainte de injecția în focar) și catalizatorul (de pildă, carbonul activ) are loc cu degajare de căldură, fapt care conduce și la creșterea presiunii, aspect ce îmbunătățește lucrul sistemului, căci vom avea energia necesară pentru realizarea injecției la focarul (16) a amestecului (15) format în reactorul/carburator (14) și compus din substanțe sau/și elemente chimice cu rol de carburant și oxidant plus un exces format din apă. Amestecul (16) împreună cu carburantul clasic (solid, lichid, gazos sau mixt) provenit din injectorul (9) sunt trimise sincronizat în focarul (16) în vederea arderii catalitice. Acest focar (16) poate fi conceput ca element rotativ (centrifugat) dar obligatoriu atunci când se află în regim, este incandescent și menținut astfel pe tot timpul funcționării sistemului. Din focarul care asigură arderea catalitică pe un panou incandescent, produșii de reacție (17) trec către volumul camerei de ardere (18) propriu zise (notată CA), unde se produc reacțiile de recombinare și finalizare a combustiei. Camera de ardere poate fi configurată potrivit scopului urmărit de proiectant: motor de combustie internă (caz în care camera de ardere ar fi cilindrul în care acționează pistonul); generator de aburi; mașină termică de forță destinată altor scopuri etc. În desen, am prevăzut la capătul camerei de ardere un ejector supersonic de tip Laval, astfel încât energia potențială a gazelor arse să se transforme în energie cinetică. Gazele arse ejectate cu viteze foarte mari vor putea fi trimise într-un separator centrifugal (neprezentat în desen) destinat separării produselor de reacții cu masă moleculară mare și a colectării acestora în vederea utilizării lor ca materie primă pentru fabricarea unei noi cantități de combustibil. De asemenea, energia cinetică a gazelor arse poate fi utlizată în circuit închis, pentru întreținerea funcționării sistemului, prin antrenarea turbinei (7).

Fig. 16 prezintă cu titlu de exemplu un modelul de generator de aburi (respectiv, cazanul Vuia, cu ardere catalitică) ce poate fi adaptat pentru aplicarea metodei și sistemului de la fig. 14, potrivit autorilor.

 

Referitor la fig. 15, avem ilustrată o altă modalitate de aplicare a maşinii de forță la care se referă autorii, în speță, în cazul cazanelor destinate termocentralelor, la care debitele de combustibil sunt mari sau foarte mari. În acest caz, sistemul potrivit invenției, conţine o electroturbosuflantă sau compresor electric centrifugal (1), un bunker (2) în care este stocat cărbunele fin pulverizat (carburantul principal); un alt bunker (3) ce conține aditivi (pulberi) amestecaţi la proporţiile nominale, o centrifugă (4) de amestec primar al aditivilor și carburantului, toți aceștia fiind în stare solidă, aceasta fiind prevăzută cu paletele (5) de omogenizare. Suplimentar ar mai fi în sistem, potrivit invenției, și centrifuga (6) de amestec pentru injecție, în care se poate introduce și aer pentru transportul amestecului de pulberi, această centrifugă fiind dotată cu paletele (7) de omogenizare a amestecului final. Înaintea injectării în arzător conducta (8) introduce aer cald încărcat cu umiditate (un amestec de aer și apă fin divizată) în focarul cazanului (9). Amestecul format din carburant (cărbune pulbere), aditivi pulbere (elemente ori substanțe/compuși chimici care reacționează cu apa disociind-o), aer și umiditate (H₂O) este injectat pe ecranul catalizatorului (10) format dintr-o suprafață înclinată (eventual, suprafață curbă sau inelară, ori cilindrică, așa cum are cazanul de tip Vuia) această suprafață fiind menținută aproape de incandescență și prevăzută cu orificii de comunicație cu restul volumului camerei de ardere. Prin aplicarea acestei metode în cadrul termocentralelor se estimează o ridicare a puterii termoenergetice de la 1200 kcal/kg la circa 3000 kcal/kg dar cu o mare economie de cărbune, reducându-se necesarul de cărbune la cca 80 to/h în loc de 200 to/h pentru un cazan ce produce 400 to/h aburi, corespunzând puterii utile a termocentralei cuprins între 80 și 133 MW (știind că raportul debit/putere al actualelor turbine de aburi este cuprins între 3 și 5 tone aburi/h pentru 1 MW) iar dacă vom utiliza turbine de mare randament (cum ar fi turbina Coandă) cel mai probabil puterea utilă va depăși cu mult valoarea de 133 MW.

Referitor la fig.16, este prezentat modelul general al unui generator de aburi realizat potrivit metodei și sistemului propuse de această invenție (conform schemei de la fig.14), fiind dat aici ca exemplu un cazan Vuia cu ardere catalitică, dar invenția nu se limitează la acest model. În exemplul ilustrat, focarul (1) cazanului este alimentat cu un amestec (carburatorul/reactor nu este ilustrat) format din combustibilul clasic (solid, lichid sau gazos) în proporție de 10% denumit catalizator, încă 10% aditivi (substanșe care reacționează cu apa disociind-o; și Carbon activ) și restul apă în proporție de 80%, apa fiind un monopropelant, deoarece conține carburantul (H₂) și comburantul (O₂); aditivii și catalizatorul realizează disocierea chimică a apei astfel încât în focar ajung să fie injectați separat Hidrogenul și Oxigenul, fiecare din aceștia captați în molecula câte unuia din produșii de reacție, reprezentând carburant și oxidant. Alimentarea cu apă (2) nu se face direct în focarul (1) ci aceasta trece printr-un reactor/carburator centrifugal (neilustrat) de genul aceluia prezentat în fig.14 (pct.14 din figura 14). Alimentarea cu apă (3) pentru producția de aburi de mare presiune și temperatură ridicată se face la presiunea de 1 ata și temperatura camerei (15ºC) iar prin ajutajul (4) se face evacuarea aburului la temperatură și presiune mare. Înainte de a ajunge la evacuarea (4) aburul parcurge a patra șicană (8) în care apa avea temperatura de numai 18ºC, pentru ca în a treia șicană (9) temperatura să crească la 55ºC, în a doua șicană (10) temperatura să devină 140ºC iar la evacuare (4) în prima șicană (11) aburul să aibă cca 450ºC. Eșapamentul (5) permite ieșirea gazelor arse (dintre care cea mai mare parte reformează molecula de apă) aceste gaze având și în exemplul dat aici, aproximativ variația temperaturii de la cazanul Vuia original, și anume, 1800 ºC în focar; apoi 950 ºC în prima șicană, 460 ºC în a doua șicană, 235 ºC în șicana a treia și 110 ºC în ultima șicană, aceasta fiind și temperatura maximă la evacuare. Într-o variantă de realizare a generatorului de aburi se poate păstra aprinderea clasică, prin bujia (6), dar există și posibilitatea utilizării unui amestec hipergolic la pornirea cazanului. În cazul utilizării bujiei, avem o zonă de formare a descărcării electrice la aprindere (7) în dreptul regiunii de comunicație între focar și șicane. În cazul metodei și sistemului potrivit invenției  focarul (12) va permite arderea anaerobă, amestecul combustibil conținând carburant și comburant.

Fig. 17 prezintă schema unui grup electrogen de 750 kW cu un raport putere/masă mare, în care sunt introduse rețetele de combustibil, metoda și sistemul potrivit autorilor, acestea constituind mașina de forță principală din cadrul grupului electrogen. Un astfel de grup electrogen este compact (de mici dimensiuni și volum redus) putând fi îmbarcat de vehiculele aerospațiale de ultimă generație. Poate de asemenea să constituie sursă de putere pentru o gospodărie de dimensiuni mari, de pildă o fermă sau un ranch.

 

Referitor la fig. 17, aceasta ilustrează schematic o posibilă aplicație concretă a invenției în domeniul energeticii de putere. Sunt prezentate elementele componente ale unui posibil Grup electrogen industrial de 750 kW la care componenta principală este formată dintr-un cazan de aburi de tip Vuia modificat și adaptat potrivit metodei și sistemului prevăzute de această invenție. Menționăm că, fig. 17 cuprinde referiri sau trimiteri la invențiile altor persoane sau la sisteme și dispozitive care deja există, dar nu în sensul că actuala invenție ar fi compusă din invențiile altora, ci în sensul că, dacă ar fi pusă în ansamblu cu respectivele invenții ori sisteme tehnice deja existente, s-ar putea realiza aplicații practice de un randament și la performanțe mult superioare altor sisteme similare, existente sau propuse de alți autori. Altminteri, metoda și sistemul la care se referă invenția de față (a se vedea schema de la fig.14) constituie un ansamblu de sine stătător, o entitate. Un astfel de grup electrogen ar conține generatorul de aburi (1A) ce ar avea dimensiunile de 0,75 m diametru, lungimea de 1,2 metri, puterea cca 1200 CP, 895 kW, masa 30 kg. În cadrul cazanului (1A) alimentarea cu apă (1) se face la presiunea de 1 ata și temperatura camerei (15ºC) din rezervorul principal de apă (20) iar focarul (6) cazanului este alimentat cu un carburant clasic oarecare (solid, lichid, gazos sau mixt) prin injectorul (2) de la rezervorul de carburant clasic (21). Totodată, focarul (6) este alimentat cu un amestec combustibil neconvențional (potrivit invenției) format din apă în proporție de 80%, apa fiind un monopropelant, deoarece conține carburantul (H₂) și comburantul (O₂); apa nu intră direct în focar ci trece prin carburatorul/reactor (23) centrifugal (potrivit modului de funcționare din schema ilustrată la fig.14) în care sunt introduși și aditivii și catalizatorul (în total, 10% din amestecul combustibil) proveniți din rezervorul (22). În reactor se formează produși de reacție (din contactul apei cu aditivii) care sunt combustibili, iar reziduurile de combustie pot fi oprite în filtrele reactorului sau injectate mai departe în focarul (6) prin intermediul injectorului (3). Într-o variantă de realizare se poate păstra aprinderea clasică, prin bujie (4) dar există și posibilitatea utilizării unui amestec hipergolic la pornirea sistemului. În cadrul generatorului de aburi eșapamentul (5) permite ieșirea gazelor arse (dintre care cea mai mare parte reformează molecula de apă, având un conținut ecologic) aceste gaze având aproximativ  variația temperaturii de la cazanul Vuia original, și anume, 1800 ºC în focar; apoi 950 ºC în prima șicană, 460 ºC în a doua șicană, 235 ºC în șicana a treia și 110 ºC în ultima șicană, aceasta fiind și temperatura la evacuare. În schema de grup electrogen ilustrată, gazele arse sunt recuperate în cadrul unui circuit special cuprinzând ejectorul turbionar (14) cu diametrul 0,35 m, lungimea 0,3 m, masa cca 5 kg, cu rolul de separare centrifugală și colectare a produselor de ardere grele, pe bază de calciu, în vederea recuperării și regenerării acestora. Din ejectorul turbionar (14)  gazele eșapate trec înăuntrul unei turbine (15), de pildă, o turbină Tesla cu diametrul 0,3 m, lungime 0,4 m, masa cca 5 kg, echipată cu reductorul (18); de acolo, gazele sunt evacuate prin ajutajul (16). Focarul de ardere anaerobă (6) primește amestecul combustibil conținând carburant (clasic și acetilenă) și comburant (oxigenul din disocierea chimică a apei) iar aburul este ejectat printr-o conductă (7) după ce în a patra șicană apa avea temperatura de 18ºC, în a treia 55ºC, în a doua 140ºC iar la evacuare (în prima șicană) aburul atinge 450ºC. Din conducta (7) aburul trece în racordul axial (8) al turbinei Coandă (9) cu un diametru de 0,4 m, lungime 0,5 m, masa cca 10 kg, prin ejectorul (10) realizându-se evacuarea radială a aburului și refularea acestuia către schimbătorul de căldură (17) cu diametrul 0,4 m, lungime 0,9 m, masa cca 10 kg, prin care este circulată ca agent de răcire apa ce urmează a fi injectată în sistem (fie în circuitul de aburi, fie la arzător) fiind utilizată în acest sens și energia dată de căldura pe care o preia apa de răcire. Totodată, turbina (15) antrenează un mic alternator (19) de cca 2 kW, ce alimentează electropompa instalației de alimentare (neilustrată) și alte dispozitive auxiliare (neilustrate) din cadrul instalației. Gazele eșapate (16) din motorul termic trec printr-un filtru (neilustrat) și din ele se poate recupera APĂ, aceasta putând fi refulată în rezervorul de alimentare (20) și trimisă iar în racordul (1) și la reactorul (23) așa cum se petrece cu aburii recuperați din turbina (9) și din schimbătorul de căldură (17). Turbina (9) antrenată de aburii proveniți de la racordul (7) antrenează alternatorul (11) de 750 kW, cu diametrul de 0,3 m, lungime 0,45 m, masa cca 100 kg; pentru comparație, un alternator realizat de Honeywell Aerospace pentru aeronave are puterea utilă de 1 MW și diametrul 0,3556 m, lungimea de 0,6096 m și masa de 126,5 kg, prin urmare, dimensiunile și masa estimate de prezenta lucrare sunt întru totul realiste. Așadar, cu ajutorul metodei și sistemului prevăzute de această invenție se poate realiza un grup electrogen de cca 1 MW putere, pornind de la o mașină termică de forță care funcționează cu amestecul de combustibil potrivit invenției: 80% apă, 10% un carburant clasic oarecare (solid, lichid, gazos sau mixt) și 10% aditivi (substanțe care reacționează cu apa). În explicațiile date la fig.17 am indicat în dreptul fiecărei componente dimensiunile estimate și masa. Se poate vedea că, exceptând componentele (20), (21) și (22) care constituie rezervoarele cu agenți de lucru (apă, aditivi, carburant etc.) ansamblul grupului electrogen cântărește cca 170 kg și este foarte compact, ocupând volum și dimensiuni reduse. Fără a lua în calcul rezervoarele de combustibil, grupul electrogen potrivit invenției de față combinată cu alte invenții și sisteme existente, ar conduce la obținerea unui raport putere/greutate de cca 6 kW/kg. Dacă scopul dorit prin realizarea unui astfel de grup electrogen ar fi transformarea energiei electrice în energie cinetică, ar putea fi utilizat, de preferință, dispozitivul (12) reprezentând o mașină de forță potrivit lucrării de brevet RO132367 din 30.01.2018 aparținând aceluiași autor (Cozma Lucian Ștefan) ca și invenția de față și referitoare la un motor electric îmbunătățit, denumit de invenție „convertor magneto-mecanic”; are cca 100 kg miez magnetic și capacitatea de a lucra la 7 CP/kg, putând dezvolta 700 CP (522 kW). Acest motor cu putere estimată 522 kW, prin intermediul cablului de alimentare (13) ar primi curent electric de la alternatorul (11) cu putere utilă de cel puțin 750 kW. În cazul în care s-ar utiliza și motorul (12) masa totală estimată (fără rezervoarele cu agent de lucru) ar fi de cca 260 kg, cu puterea debitată de cel puțin 750 kW, deci, am avea un raport de putere/greutate cu valoarea de 2,9 kW/kg.

Concluzii

Termocentralele actuale ca de altfel și procesele de combustie pe care acestea le aplică pot suferi mai multe procese de retehnologizare și îmbunătățire, de așa natură încât combustia să se mențină ca importantă metodă de realizare a energiei termice și electrice într-un viitor nedeterminat. Din această perspectivă, tehnologia cazanului Coandă se dovedește a fi foarte interesantă și atractivă, meritând în continuare a i se acorda o atenție aparte în cadrul acțiunii de cercetare-dezvoltare desfășurate în domeniul energetic.

Bibliografie

1. ALDEA M., IORDACHE N., NEGULESCU L., Îndrumător pentru fochiștii de la cazanele de abur și apă fierbinte, Editura Tehnică, București, 1978.
2. ALTGAUZEN A.P., ȘEVȚOV M.S., SMELEANSKI M.I. (coordonatori) și colectiv 61 autori, Instalații electrotermice industriale, Editura Tehnică, București, 1975.
3. ANTONESCU Nicolae, CALUIANU Vasile, Cazane și aparate termice, Editura Tehnică, București, 1975.
4. ANTONESCU Nicolae, POPA Bazil, CAPRA I., FODOR T., GÎRBEA D., PANOIU N., Veresz Z., Arzătoare, Editura Tehnică, București, 1982.
5. ANTONESCU Nicolae, GRECOV D., IORDACHE I., Arderea combustibililor gazoși. Flăcările difuziv turbulente, Editura Academiei Republicii Socialiste România, București, 1969.
6. ANTONESCU Nicolae, Procese și instalații de ardere. Arderea omogenă. Pentru uzul studenților, Litografia Institutului de Construcții București, București, 1982.
7. APAHIDEAN Beniamin, MRENEȘ Mircea, Teoria proceselor de ardere, Editura UT Press, Cluj-Napoca, 1997.
8. BADEA I.A., ILIESCU-GROZĂVEȘTI V., NEGRESCU I., STANISLAVIEVICI L., PĂNOIU N., DOROGAN N., Îndreptarul termoenergeticianului din întreprinderile industriale, Editura Tehnică, București, 1963. BĂNCUȚĂ Iulian, CIMPOCA Gheorghe Valerică, Fizica și tehnologia materialelor termoelectrice, Editura Bibliotheca, Târgoviște, 2007.
9. BĂNCUȚĂ Iulian, CIMPOCA Gheorghe Valerică, Generatoare termoelectrice. Aplicații, Editura Bibliotheca, Târgoviște, 2007. BĂRAN Nicolae, Mașini termice rotative. Mașini de lucru. Mașini de forță, Editura Matrix Rom, București, 2001.
10. BĂRĂSCU Ion, VOICU Victor, CASIAN Eugen, Realizări recente în combaterea poluării atmosferei în industrie, Editura Tehnică, București, 1977.
11. BĂȚAGĂ N., POPA B., HOFFMAN V., NICOLESCU T., ȘOVA V., Termotehnică și mașini termice, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1964.
12. BERBECE Viorel, IORDACHE Ion, OPREA Ion, NEGREANU Gabriel Paul, GEORGESCU Manuela Elena, Turbine cu abur și gaze. Probleme, Editura Tehnică, București, 2000.
13. BERBENTE Corneliu, PIMSNER Victor, STANCIU Victor, LUCA Valentin, NEGULESCU Dimitrie, DOBRIN Victor, TĂTĂRANU Cristian, Procese în mașini termice cu palete. Aplicații și probleme, Editura Tehnică, București, 1986.
14. BERTHOLD Grunwald, ȘTEFĂNESCU Dan, Transmisia căldurii și dinamica gazelor, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1965.
15. BIBLIOTECA STANDARDIZĂRII, Combustibili solizi. Colecție STAS, Editura Tehnică, București, 1978.
16. BILEGAN Iosif Constantin, Tubul termic. O nouă tehnologie în transferul căldurii, Editura Tehnică, București, 1982.
17. BORHA Viorica Maria, SEGAL Brad, Alcoolul etilic carburant, Editura Tehnică, București, 1988.
18. BROLA Gabriel, Generateurs de vapeur a tres haute pression, Editura Dunod, Paris, 1941.
19. CARABOGDAN I., PĂNOIU N., GRECOV D., UNGUREANU C., SINGER G., Instalații de ardere, Editura Tehnică, București, 1968.
20. CAZACU Constantin, ȘIMAN Horia, NANU Vasile, VASILESCU Marian, Modernizarea cazanelor de abur industriale și de încălzire centrală, Editura Tehnică, București, 1980.
21. CÂRDU Mircea, TITUS Grecu, NICOLAU Ioan, Turbine cu abur, Editura Tehnică, București, 1976.
22. COATS Callum, Vrăjitorul apei. Extraordinarele invenții ale lui Viktor Schauberger, Editura Excalibur, București, 2009.
23. COJOCARU Ion, IACOVACHI Ion, Traian Vuia. Viața și opera, Editura Științifică și Enciclopedică, București, 1988.
24. CRĂCIUN Corneliu, FIRICĂ Andreea, Mecanica fluidelor și mașini hidraulice. Lucrări de laborator, Institutul Politehnic, București, 1990.
25. CREȚA Gavril, Turbine cu abur și cu gaze, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1981.
26. DRUGĂ L., SAMOILĂ C., STAN L., Cuptoare și instalații de încălzire, Editura Didactică și Pedagogică, București, 1983.
27. GOLDFARB E.M., KRAVTOV A.F., RADCENKO I.I., ROZENGART I.I., SEMIKIN I.D., TAIȚ N.I., Calculul cuptoarelor de încălzire, Editura Tehnică, București, 1960.
28. GRIGORIU Ionel, TOMA Petre, Procese de răcire în industrie, Editura Tehnică, București, 1970.
29. GUREEV A.A., SABLINA Z.A., Aditivi pentru combustibili de motoare, Editura Tehnică, București, 1962.
30. IORDACHE N., ȘTEFAN I. , VASILESCU M., Cartea personalului de exploatare a cazanelor industriale de abur și apă fierbinte, Oficiul de informare documentară pentru aprovizionarea tehnico-materială și controlul gospodăririi fondurilor fixe, București, 1984.
31. ISBĂȘOIU Eugen Constantin, POP Mihai, LECA Aureliu, PRISECARU Ilie, NEAGA Constantin, ZIDARU Gheorghe, MUȘATESCU Virgil, Îndrumar. Tabele, nomograme și formule termotehnice, Editura Tehnică, București, 1987.
32. IUȘIN S.I. (autor), STEPANOV I.A. (coordonator) și autorii JILȚOV V.R., ZELENOV A.F., KOKIN A.G., KOLOSOV V.A., KOROBIȚIN M.D., MALEAVINSKI A.M., NEFEDOV I.D., PAVLOV A.V., STEPANOV I.A., SUVOROV V.G., Motoare cu ardere internă. Construcția și funcționarea lor, Editura Tehnică, București, 1958.
33. JIRIȚCHI G.S., Turbine cu gaze pentru aviație, Editura Tehnică, București, 1952.
34. KASSIAN Vasile, POPA Bazil, Teoria și calculul injectoarelor mecanice cu cameră de turbionare, Editura Academiei Republicii Socialiste România, București, 1971.
35. LIPOVAN George, Traian Vuia, un pionier al aviației moderne, Editura Facla, Timișoara, 1972.
36. LIPOVAN George, Traian Vuia. Inventator și realizator al zborului mecanic, Editura Tehnică, București, 1956.
37. MANEA Dumitru, Pompa de căldură, Editura Tehnică, București, 1981.
38. MEȚIANU Andrei, Generatorul de abur cu ardere catalitică Traian Vuia, Editura Tehnică, București, 1957.
39. MINISTERUL INDUSTRIEI METALURGICE, Cazane și rețele de abur. Manual pentru școli medii tehnice, Editura Tehnică, București, 1953.
40. PETRESCU Valeria, PETRESCU Stoian, Principiile termodinamicii și mașinile termice. Mișcarea termică în Univers și pe Pământ, Editura Tehnică, București, 1981.
41. PETRESCU Valeria, PETRESCU Stoian, Principiile termodinamicii. Evoluție, fundamentări, aplicații, Editura Tehnică, București, 1983.
42. PIMSNER Victor, Mașini cu palete. Procese și caracteristici, Editura Tehnică, București, 1988.
43. PIMSNER Victor, VASILESCU A., RĂDULESCU G., Energetica turbomotoarelor cu ardere internă, Editura Academiei Republicii Populare Române, București, 1964.
44. PLĂVIȚU Constantin N., Fizica fenomenelor termice, Editura Victor, București, 2008.
45. PLĂVIȚU Constantin N., Fizica statistică, Editura Victor, București, 2004.
46. PRIMENCO A.E., Turbine cu gaze și utilizarea lor în aviație, Editura Tehnică, București, 1953.
47. RADCENCO Vsevolod, Generatoare turbionare de frig și căldură, Editura Tehnică, București, 1990.
48. TOESCU Crișan, Traian Vuia, Editura Tineretului, București, 1961.
49. VLĂDEA Ioan, Instalații și utilaje termice, Editura Tehnică, București, 1966.
50. VUIA Traian, Realizarea zborului mecanic. Mărturii, Editura Tehnică, București, 1955.
51. VUKALOVICI M.P., Proprietățile termodinamice ale apei și ale aburului. Tabele și diagrame, Editura Tehnică, București, 1967.

Brevete, articole, comunicări științifice

52. NIKOLA TESLA, brevetul US1061206 din 06.05.1913 cu titlul „Turbină”; US20020182054 din 05.12.2002 cu titlul „Tesla turbine” acordat lui Harold Entrican. Brevetele lui N. Tesla, GB 24001 din 06.07.1911 cu titlul „Metodă îmbunătățită de transmisie a energiei sau de a obține energie dintr-un fluid și aparate destinate utilizării acesteea”, CA 135174 din 22.08.1911 cu titlul „Îmbunătățiri în propulsia fluidică”, US1061142 din 06.05.1913 cu titlul „Fluid Propulsion”, US 1061206  din 06.05.1913 cu titlul „Turbină”, US 1329559 din 03.02.1920 cu titlul „Conducta valvulară”, GB 174544 din 01.04.1921 cu titlul „Îmbunătățiri în metodele și aparatele destinate produceri de energie prin intermediul turbinelor acționate de fluide elastice”, GB 186083 din 24.03.1921 cu titlul „Metodă îmbunătățită și aparat pentru transformarea economică a energiei aburilor prin intermediul turbinelor”, GB 186082 din 25.09.1922 cu titlul „Îmbunătățiri în construcția de turbine de abur și de gaz”, GB186799 din 12.10.1922 cu titlul „Proces și aparat destinat acționării componentelor translative din cadrul motoarelor rotative”.
53. HENRI COANDĂ, brevetul US2920448 din 12.01.1960 cu titlul „Apparatus for imparting rapid speed to a mass of fluid” și brevetul asociat RO42186/1963 cu titlul „Turbina radială cu palete depresive” aparținând lui Constantin Teodorescu Țintea.
54. TRAIAN VUIA, brevetele CA300258 (generator de aburi), CA346926 (generator de aburi), CH137309 (generator de aburi), CH165252 (generator de aburi), FR661254 (generator de aburi), FR740226 (generator de aburi), FR918590 (generator de aburi), GB304588 (generator de aburi), GB338402 (generator de aburi), GB394204 (generator de aburi), US1841230 (generator de aburi), FR395754 (motor cu aer cald), CA118376 (motor cu aer cald), US1169308 (motor cu aer cald).
55. Ikuko Akimoto, Kousuke Maeda, Nobuhiko Ozaki, Hydrogen Generation by Laser Irradiation of Carbon Powder in Water, în „The Journal pf Physical Chemistry”/19.08.2013, vol.117, nr.36, Wakayama, 2013, pp.18281-18285, https://doi.org/10.1021/jp4012558.
56. Daniel J.Maloney, James F.Spann, Evaporation, Agglomeration, and explosive boiling characteristics of coal-water fuels under intense heating conditions, comunicare științifică în cadrul „International Symposium on Combustion” vol.22, nr.1/1989, pp.1999-2008, Leeds, 1989.
57. A. Wenglarz, R. G. Fox, Physical Aspects of Deposition From Coal-Water Fuels Under Gas Turbine Conditions, în „Journal of Engineering for Gas Turbines and Power” nr.1(112)/1990, pp.9-14, New York, 1990.
58. Louis Wibberley, Doug Palfreyman, Peter Scaife, Efficient use of coal water fuels, Cooperative Research Centre for Coal in Sustainable Development, Pullenvale, 2008.
59. Agnieszka Kijo-Kleczkowska, Combustion of coal-water suspensions, în „Fuel” vol.90, nr.2/2011, pp.865-877.
60. O. Glușkov, P.A. Strijak, M.Y. Ciernețki, Organic coal-water fuel: Problems and advances, articol în „Thermal Engineering” nr.63, Moscova, 2016, pp.707-717.
61. Lucian Ștefan Cozma, Daniela Georgiana Golea; Cosmin Vasile Țenu, Amestec de combustibil ieftin și ecologic destinat arderii catalitice în cazanele termoenergetice și motoarele de ardere internă, o soluție pentru Europa, Cunoașterea Științifică3/2024, pp. 61-88.

Note

[1] Atmosfera densă, în speță troposfera, acționează ca o coloană de fluid care apasă pe suprafața terestră cu peste 10 tone-forță/m² ceea ce constituie o imensă energie potențială.

[2] Din punct de vedere electric, geosistemul este un imens condensator electric lucrând la o diferență de potențial variind între 250 și 500 kV între scoarță și ionosferă; de altfel, energie electrică nu există doar în atmosferă ci și în cadrul scoarței terestre.

[3] Termenul biocenoză (din greacă koinosis -a împărți) reprezintă un nivel supraindividual de organizare a materiei vii și descrie totalitatea organismelor vii, vegetale (fitocenoză) și animale (zoocenoză), care interacționează între ele și care conviețuiesc într-o biosferă (biotop), formând cu ea (el) un tot unitar și care se află într-un echilibru dinamic dependent de acel mediu. Ea se caracterizează printr-o anumită structură și funcționare dată de modelul circulației materiei, energiei și informației. Termenul de biocenoză a fost propus de Karl Möbius în 1877. Biocenoza reprezinta o grupare de plante și animale dintr-un mediu, plantele și animalele fiind adaptate la biotopul acelui mediu. Biocenoza și mediul ei de viață (biotopul) formează ecosistemul, în cadrul căruia ele sunt strâns corelate și intercondiționate dialectic, astfel că biocenoza poate fi definită ca populația biotopului, iar biotopul ca locul, sau mediul, ocupat de biocenoză.

[4]  Biotopul constituie un mediu de viață caracterizat prin omogenitatea factorilor de mediu și a formelor specifice de interacțiune a acestora, astfel încât să dezvolte un anumit tip specific de biocenoză. Întotdeauna, structura unui biotop determină configurația locală a ecosistemului. Biotopul este mediul în care sunt generați și acționează factorii de mediu, aceștia putând fi în principal cei biotici și respectiv, cei abiotici.

[5] A fost fondată în 1911 sub denumirea inițială de Société anonyme des ateliers d’aviation Louis Breguet, iar fondatorul a fost celebrul Louis Charles Breguet (1880-1955) pionier al aviației mondiale, alături de fratele său. A produs aeronave militare utilizate în timpul Primului Război Mondial, iar în perioada interbelică s-a dezvoltat în aviație de transport pe distanțe lungi. A avut o contribuție importantă la crearea avionului de vânătoare SEPECAT Jaguar. În 1971, compania Breguet Aviation a fuzionat cu compania Dassault și astfel s-a format Avions Marcel Dassault-Breguet Aviation, care ulterior a devenit Dassault Aviation. Breguet Aviation a jucat un rol important în fondarea SEPECAT (Société Européenne de Production de l’Avion d’École de Combat et d’Appui Tactique) împreună cu British Aircraft Corporation (BAC).

[6] Andrei Mețianu, Generatorul de abur cu ardere catalitică Traian Vuia, Editura Tehnică, București, 1957.

[7] Ibidem.

[8] Ibidem.

[9] A se vedea https://itimatkazan.com/images/urun/dosya/201619/23_5972084220.pdf

[10] CHP este acronimule de la Combined Heat and Power. Pe scurt, tehnologia se referă la producerea în mod concomitent în termocentrale (de regulă) a electricității și căldurii. În ultimii ani CHO este o tehnologie tot mai des aplicată pentru combustia biogazului (produs prin descompunerea anaerobă a deșeurilor organice) pentru a genera simultan electricitate și căldură. În general o astfel de metodă oferă un randament mai bun decât în cazul producției separate a energiei electrice și respectiv a celei termice, aceasta deoarece este întrebuințată și căldura reziduală rezultată inițial din procesul de producere a electricității.

[11] A se vedea https://www.cunoasterea.ro/revista/amestec-de-combustibil-ieftin-si-ecologic/.