EDUCATIE TEHNOLOGICA
TEHNOLOGII TRADITIONALE BAZATE PE FOLOSIREA ENERGIEI MECANICE PRODUSE DE OAMENI SI ANIMALE
Din cele mai vechi timpuri, omul a creat o serie de dispozitive simple, menite sa-i usureze traiul. Multe dintre aceste dispozitive se folosesc si astazi, chiar in forme arhaice, altele au fost mult perfectionate, devenind instalatii complexe. Din multitudinea acestor instalatii amintim: prese, pive, teascuri, foale, rasnite etc. Acestea au fost construite intr-o mare varietate, in functie de specificul tehnicii populare din fiecare zona geografica. Presele sunt instalatii folosite la zdrobirea semintelor si a fructelor prin presare. Zdrobirea se face intr-un vas (de diferite forme) cu ajutorul unei roti care poate fi actionata de om sau de animale, al unui sul sau a doi cilindri. Pivele sunt dispozitive care se utilizau pentru indesarea si spalarea tesaturilor groase, folosind un mai de lemn pentru baterea materialului. De asemenea, pivele s-au folosit si pentru zdrobirea semintelor prin batere (folosind un pisalog). Pisalogul poate fi actionat cu mana, cu piciorul, prin intermediul unei parghii sau al unui scripete. Teascurile sunt instalatii (construite din lemn) folosite pentru stoarcerea semintelor si a fructelor. Orice teasc este format dintr-un vas de lemn cu forme diverse – circulara, dreptunghiulara, trapezoidala – in care se pun fructele sau semintele si o masa de presare cu forma profilata dupa cea a vasului. Actionarea mesei de presare se poate face in diverse moduri, dupa cum arata si numele teascurilor. Foalele sunt instalatii pentru suflat aer (in potcovarii). Au ca piesa de baza un burduf (de regula din piele) care se umfla si se strange, pompand astfel aerul. Ele pot fi actionate direct de om sau prin intermediul unui sistem de parghii. Rasnitele manuale s-au folosit din cele mai vechi timpuri pentru rasnitul cerealelor. Sunt alcatuite din doua pietre circulare, una fixa si alta mobila, rotita cu ajutorul unei manivele. Semintele se pun printr-o scobitura practicata in roata mobila. Podurile plutitoare pe cablu mai sunt utilizate si astazi – in tinuturile mai putin avansate economic – pentru traversarea raurilor cu maluri joase si nu prea repezi (mai ales in zonele de ses). Podul se deplaseaza in lungul unui cablu care uneste cele doua maluri. Deplasarea se face fie prin impingere cu o prajina, fie prin tragerea de pe mal, fie cu ajutorul unui scripete.
TEHNOLOGII TRADITIONALE BAZATE PE UTILIZAREA ALTOR SURSE DE ENERGIE PRIMARA
1. Tehnologii traditionale care folosesc energia mecanica a apelor curgatoare Una dintre primele surse de energie folosite de om a fost apa. Prima roata de apa s-a folosit in Persia pentru irigat, apoi in China si in India. Pe teritoriul tarii noastre s-au folosit mori hidraulice inca din secolul al XI-lea. Ele utilizau energia cinetica a raurilor cu debite mari sau a caderilor de apa. Instalatiile hidraulice au fost construite in doua variante: cu roata hidraulica verticala si cu roata hidraulica orizontala (facaie, ciutura sau titirez, in limbaj popular). Toate instalatiile se construiau din lemn de esenta tare (stejar, de exemplu). Roata hidraulica verticala este formata dintr-un ax orizontal, cu o circumferinta (obada) pe care se monteaza paletele. Apa poate interactiona cu paletele din partea superioara a rotii – atunci cand curge pe un jgheab inclinat – sau cu cele din partea inferioara a rotii, in cazul raurilor suficient de repezi si de adanci. Paletele rotii verticale pot fi drepte sau scobite. Atunci cand paletele drepte se monteaza direct pe un ax gros ele se numesc zbaturi. Principiul de functionare a rotii hidraulice consta in transformarea miscarii de translatie a apei in miscare de rotatie a rotii si axului ei; o parte din energia mecanica a apei se transforma astfel in energie mecanica de rotatie, care, la randul ei, este folosita pentru punerea in miscare a unei instalatii de irigat sau pentru a actiona alte dispozitive – mori de macinat, pive, steampuri. Rotile hidraulice folosite la irigat. Acestea erau roti verticale care aveau pe circumferinta lor, pe langa paletele plate, niste cuve sau galeti, care se umpleau in partea inferioara a traiectoriei lor circulare (la contactul cu raul) si se goleau intr-un jgheab la trecerea prin partea superioara a cursei lor. Morile de macinat cu roata verticala. De la axul rotii hidraulice, prin intermediul unor roti dintate din lemn miscarea se transmite la axul pietrei mobile a rasnite. Desigur ca – fata de rasnita manuala – omul a mai imbunatatit instalatia punand un cos pentru turnat cereale etc. Pe raurile mari (Siret, Dunare) s-au folosit mult timp mori de macinat plutitoare, care reuneau pe o platforma doua mori, pentru cresterea productivitatii. Exista documente care atesta exportul de mori plutitoare din Tara Romaneasca in Imperiul Otoman. Morile de macinat cu roata orizontala. Roata cu facaie este de dimensiuni mici; ea lucreaza orizontal, jetul de apa venind pe un jgheab inclinat. Axul rotii antreneaza roata mobila de macinat. Aceste mori sunt cunoscute inca de pe vremea dacilor, fiind raspandite in zona Tismana-Jiu-Hunedoara. Avand un randament mic, o moara avea mai multe astfel de instalatii puse in rand. Roata cu facaie sta la baza constructiei turbinei Pelton. Pivele hidraulice functioneaza asemanator celor manuale, numai ca forta necesara este obtinuta de la roata hidraulica. Se observa ca pe axul rotii hidraulice sunt incastrate niste opritoare (numite masele), care in cursul miscarii de rotatie ridica pisalogul (ciocanul) si apoi ii dau drumul in piua. Pivele hidraulice erau utilizate foarte mult la baterea postavului in curent de apa (calda sau rece). Steampurile aurifere erau instalatii folosite la macinarea minereului aurifer intr-un jgheab prin care curgea un suvoi de apa. Macinarea se facea cu niste ciocane care erau ridicate cu ajutorul maselelor montate pe axul rotii (la fel ca la pive) si apoi cadeau liber si striveau minereul. Darstele hidraulice au fost intrebuintate in sudul Transilvaniei, sudul Moldovei, nordul Munteniei si in arealul Muntilor Apuseni pentru intins si scamosat tesaturile din lana (postav). Materialul se invartea pe un ax si era udat cu apa calda. Cand ajungea la jumatate din grosime, se trecea prin fata unei scanduri cu cuie care agata tesatura si o scamosa, astfel ca aceasta – in sectiune – devenea mai poroasa si mai aspectuoasa. Valtorile se mai intalnesc si astazi in gospodariile taranesti de la munte. Sunt instalatii foarte simple, folosite pentru spalatul tesaturilor groase (lana). In ceea ce priveste structura, ele au un cos din scanduri de lemn sau impletit din nuiele, de forma tronconica, cu baza mare in sus. In cos se pune materialul de spalat. Pe un jgheab, in partea superioara, se aduce apa. Functionarea se bazeaza pe formarea vartejului intr-un curs de apa atunci cand suvoiul intalneste un obstacol (materialul). 2. Tehnologii traditionale care folosesc energia mecanica a vantului Energia eoliana este energia mecanica a maselor de aer aflate in miscare in atmosfera. Vantul este, de fapt, o consecinta a iluminarii atmosferei de catre Soare. Se stie ca lumina Soarelui nu cade uniform asupra diferitelor regiuni ale Pamantului, facand ca unele parti ale atmosferei sa fie incalzite mai mult decat altele. Deoarece aerul cald este mai usor decat aerul rece si are tendinta sa se ridice, masele de aer se deplaseaza in functie de aceste grade diferite de incalzire. Aproximativ 2% din energia luminii solare, care cade pe suprafata Pamantului, se regaseste in energia cinetica a vanturilor. La randul sau, aceasta energie se pierde atat prin frecare cu suprafata Pamantului, cat si prin insasi deplasarea maselor de aer. Corabiile cu panze. Ideea folosirii energiei vantului se pierde in preistoriei, cand au fost construite primele nave cu vele. Egiptenii au construit si folosit nave cu panze cu cel putin 4000 de ani in urma. Spre sfarsitul secolului al XV-lea, Spania si Portugalia au fost cele mai mari puteri ale lumii in ceea ce priveste flota maritima comerciala si militara. Navele erau prevazute cu carma pentru schimbarea directiei de deplasare, iar panzele se orientau dupa directia vantului. Morile de vant. Pe uscat, folosirea vantului a fost mult mai limitata decat pe apa. Morile de vant isi au originea in Persia, unde serveau la irigat si la macinatul cerealelor, raspandindu-se apoi in Egipt si China. In Europa, se intalnesc in jurul anului 1150, fiind folosite la macinat, la baterea postavului, la actionarea foalelor de suflat din potcovarii si din puturile de mine, la taierea lemnului. Olandezii le-au intrebuintat pe scara larga la drenari si la secari de mlastini. Aceste mori se intalnesc in zone cu vanturi permanente. Principiul de functionare a unei astfel de mori consta in transformarea miscarii orizontale a maselor de aer in miscare de rotatie cu ajutorul unei elice mari cu palete (aripi) din lemn si panza, montate pe un ax. Captatoarele energiei eoliene sunt cele 4, 6 sau 12 aripi, care se rotesc dupa principiul moristii. Reglarea lor dupa viteza vantului se face intinzand mai mult sau mai putin panza pe suprafata aripilor. Strangand panza complet, vantul trece printre barele scheletului de lemn fara sa determine invartirea elicei. Dupa modul in care este construita, moara de vant exista in doua variante: moara olandeza si moara cu casa mobila. Moara olandeza are casa fixa si doar partea superioara a morii (“caciula”) cu ansamblul paletelor se orienteaza dupa vant; moara cu casa mobila este amplasata pe o sanie mobila, care este rotita – pentru orientarea paletelor pe directia vantului – cu ajutorul animalelor. Este interesant de remarcat ca, pentru o lunga perioada de timp, morile au suferit prea putine transformari din punctul de vedere al constructiei. Mai tarziu, popoarele nordice (norvegienii) au construit mori de vant cu axul vertical si palete captatoare de o forma speciala. Astazi – urmare a crizei energetice mondiale – energia vantului este transformata in energie electrica cu ajutorul generatoarelor eoliene. PRODUCEREA ENERGIEI ELECTRICE FOLOSIND DIVERSE SURSE DE ENERGIE PRIMARA
Producerea energiei electrice folosind surse de energie primara Electricitatea este o forma de energie universala (poate fi transformata in orice forma de energie si invers), care a fost descoperita la sfarsitul secolului al XVIII-lea. Energia electrica: poate fi obtinuta din surse conventionale si neconventionale, furnizoare de energie mecanica, energie chimica, energie termica; este utilizata de consumatori diversi: pentru iluminat, pentru instalatii industriale (care functioneaza pe baza de motoare electrice), in transporturi, in industria metalurgica, in chimie etc.; nu poate fi inmagazinata (se consuma simultan cu producerea sa). Obtinerea energiei electrice, atat din sursele conventionale, cat si din cele neconventionale, se face in instalatii complexe numite centrale electrice. Dupa sursa de energie primara folosita pentru obtinerea electricitatii, aceste centrale sunt clasificate asa cum este reprezentat in schema de mai jos. In zilele noastre se cauta permanent noi surse de energie, deci clasificarea facuta este perfectibila. Centralele electrice cele mai raspandite in lume sunt centralele termoelectrice cu combustibili fosili, centralele hidroelectrice si centralele nucleare, acestea avand si cea mai mare pondere in producerea energiei electrice. Centralele hidroelectrice (CHE). Principiul de functionare Resursele energetice ale cursurilor de apa au fost utilizate inca din Antichitate in scopul producerii de energie mecanica pentru mori, irigatii, etc. La inceputul secolului al-XX-lea a fost initiata amenajarea in ritm sustinut a potentialului hidrografic pentru producerea de energie electrica. Centralele hidroelectrice exploateaza debitele raurilor mari sau caderile foarte mari de apa pe raurile repezi. Principiul lor de functionare consta in transformarea energiei potentiale a apei captate in lacuri de acumulare in energie mecanica. Din lacul de acumulare, prin conducta fortata, apa cade pe paletele unei turbine hidraulice, rotindu-i axul. Acesta antreneaza generatorul electric, care transforma energia mecanica in energie electrica. Transformatorul are rolul de a ridica tensiunea la valori de sute si mii de KV, deoarece , pentru a transporta energia la consumatori, la distante mari, pe liniile de inalta tensiune, diametrul conductorilor liniei trebuie sa fie cat mai mic (diametrul conductorului este invers proportional cu valoarea tensiunii). Centrale termoelectrice (CTE). Principiul de functionare Spre sfarsitul secolului al XIX-lea, ideile lui Carnot si termodinamica elaborata pe baza acestora au dus la crearea turbinelor cu abur, de importanta majora pentru producerea energiei electrice. Cazanul in care se produce aburul este format dintr-o retea de tevi prin care circula apa speciala, preparata chimic. In focarul cazanului se arde un amestec combustibil format din praf de carbune (pacura sau gaz metan) si aer incalzit. In procesul arderii se dezvolta gaze arse cu temperaturi foarte ridicate care circuland printre tevile cazanului, vaporizeaza apa. Aburul obtinut are o temperatura de 300 – 400 °C si o presiune de 100 – 120 atmosfere. Intrand in turbina, se destinde pana la o presiune mica, producand lucrul mecanic si punand in miscare rotorul turbinei. Pe axul turbinei este montat un generator electric, care transforma energia mecanica in energie electrica, o trimite la transformator, apoi in reteaua de distributie. Aburul rezultat de al turbina este directionat catre o instalatie numita condensator, unde este racit si condenseaza . Condensatorul, provenit din abur, se reintroduce in instalatia de alimentare a cazanului. In procesul arderii combustibilului se obtine o cenusa care se depoziteaza in locuri speciale. Gazele arse care au cedat caldura se vor elimina prin cos. Centralele pe combustibili fosili au pondere mare in tarile bogate in astfel de resurse (SUA, Anglia, Germania, Rusia, China). De regula, centralele pe carbune se amplaseaza langa sursa de combustibil. In Romania, ponderea cea mai mare in producerea energiei electrice o au centralele pe carbune, pacura si gaz metan (combustibili fosili). Centralele nucleare (CNE). Principiul de functionare Centrala nuclearoelectrica este un ansamblu de instalatii si constructii reunite in scopul producerii energiei electrice pe baza folosirii energiei nucleare. Obtinerea energiei nucleare se bazeaza pe reactia de fisiune (descompunere) nucleara in lant. Instalatia care asigura conditiile de obtinere si mentinere a reactiei in lant, este reactorul nuclear. In principiu, reactorul se compune dintr-o parte centrala numita zona activa, in care are loc reactia de fisiune si se dezvolta caldura de reactie. Zona activa contine: combustibilul nuclear alcatuit din izotopi fisionabili (U235, Pu 239) si materiale fertile (U238, U232); moderatorul (apa grea), care are rolul de a incetini viteza neutronilor rapizi, astfel ca reactia sa fie controlabila; barele de control capteaza neutronii realizati din reactia de fisiune; agentul de racire, care preia caldura dezvoltata in zona activa si o cedeaza apei in schimbatorul de caldura; In schimbatorul de caldura, apa se vaporizeaza si devine agentul producator de lucru mecanic in turbina. Lucrul mecanic este transformat de generator in energie electrica. Combustibilul, moderatorul si agentul de racire formeaza asa numita filiera a reactorului termic care determina caracteristicile specifice CNE. In Romania, a intrat in functiune pe 2 decembrie 1996, centrala nucleara de la Cernavoda , care functioneaza cu apa grea ca moderator (fabricata la Uzina de apa grea de la Turnu Severin ) si foloseste uraniu imbogatit. Centrala de la Cernavoda se bazeaza pe sistemul canadian CANDU si are o putere instalata de 706 MW (megawati) in prezent. Avantajele si dezavantajele centralelor nuclearoelectrice Energia electrica produsa in CNE este mai ieftina decat cea produsa in centralele termoelectric, poluarea atmosferei este mai redusa (in cazul asigurarii securitatii), dar constructia unei centrale nucleare presupune investitii mari si tehnologii pretentioase. Securitatea centralelor nuclearoelectrice In regim de functionare normala, cantitatile de substante radioactive eliberate de centrala nucleara sunt nesemnificative. Pericolul specific, pentru populatie si mediul ambiant, consta in eliberarea necontrolata de substante radioactive. Sistemele tehnice de securitate sunt destinate sa limiteze distrugerile zonei active a reactorului. Centrale eoliene Centralele eoliene folosesc energia maselor de aer in miscare; aceasta forma de energie este cunoscuta si folosita inca din antichitate. Centralele eoliene au puteri mici (zeci sau sute de KW) si sunt construite in tari cu conditii de circulatie permanenta a curentilor de aer, in zonele izolate de sistemul energetic. Astfel de centrale se intalnesc in: Italia, Franta, Germania, Danemarca, SUA, etc. Centralele solare Din punct de vedere tehnic sunt experimentate in prezent doua sisteme de conversie a energiei solare: sistemul termodinamic transforma energia solara in caldura, utilizand-o intr-o centrala electrica clasica. Centrala solara se amplaseaza in zone geografice cu insoleere (radiatie solara puternica pe durata mare a zilei) importanta. O centrala solara se compune din: captatori solari, campuri de oglinzi, instalatii de incalzire si supraincalzire. sistemul fotovoltaic transforma energia solara in curent continuu. Conversia fotovoltaica cu ajutorul fotocelulelor pe baza de siliciu a fost pusa la punct in jurul anilor 1960 – 1970. Procedeul este utilizat la producerea energiei electrice necesare functionarii motoarelor rachetelor spatiale si a aparatelor cu care sunt dotati satelitii ce se rotesc in jurul Pamantului. Randamentul acestor centrale este slab (10 – 15 %). Instalatiile electrice si mediul inconjurator Cresterea consumului de energie primara are drept consecinta cresterea poluarii mediului ambiant (aer, apa, sol). Sursele de producere a energiei electrice sunt prevazute cu mijloace de limitare a poluarii mediului inconjurator. In Romania , functioneaza Programul de monitorizare a factorilor de mediu, care cuprinde aproximativ 600 de analize (aer, apa, sol, depuneri, probe alimentare), tara noastra fiind parte la Conventia internationala privind protectia mediului impotriva oricarui fel de poluare.
