Vaneri- ja kertopuutehtaiden kuivatuskoneiden lämmöntalteenottojen järjestelmäselvitys

Vanerin tai kertopuun valmistusprosessissaviilun kuivaukseen käytetään suurin osa koko valmistusprosessin primäärienergiasta. Viilunkuivauskoneessa viilun sisältämä vesi siirretään tyypillisesti prosessihöyryllä lämmitettyyn viilunkuivaajan kiertoilmaan höyrystämällä ja poistetaanviilunkuivaajasta poistoilman mukana. Viilunkuivaajan poistoilma on lämmintä jaerittäin suuren kosteuspitoisuutensa takia sisältää runsaasti energiaa. Tyypillisellä viilunkuivaajalla poistoilmaan sitoutunut lämpöteho vaihtelee prosessiolosuhteista riippuen välillä 2,7-5,7 MW. Diplomityössä tutkittiin viilunkuivaajan poistoilman sisältämän lämmön talteenottoa laitteistolla, johon kuuluu lämmöntalteenottopesuri, jossa poistoilmalla lämmitetään tuotantolaitoksen tukkipuun hautomon kiertovettä sekä ilma-ilma-lämmönsiirrin, jolla lämmitetään pesurista poistuvan ilman jäännöslämmöllä ulkoilmaa tehdassalin tuloilmakäyttöön. Työn tavoitteena oli kehittää lämmöntalteenottojärjestelmän suunnittelua, mitoitusta ja ajotapoja. Työssä analysoitiin teoreettisesti pesuria ja ilmalämmönsiirrintä, kehitettiin lämmöntalteenottopesurin simulointimenetelmä ja mitattiin toiminnassa olevia talteenottolaitteistoja. Tutkimuksessa todettiin lämmöntalteenottohyötysuhteen vaihtelevan lämmityskaudella välillä 50-70 %. Lämmöntalteenottolaitteiston pesurin veteen saatava teho riippuu ensisijaisesti viilunkuivaajan poistoilman lämpösisällöstä, joka on enimmäkseen kosteusriippuvainen ja ilmanvaihtoilmaan saatava teho ulkolämpö-tilan määräämästä tehontarpeesta. Pesurin vesijärjestelmän vaikutusmekanismit pesurin suorituskykyyn tunnistettiin ja niiden pohjalta annetaan suositukset mitoitukseen ja ajotapaan. Lämmöntalteenottolaitteiston lämpötehon tasapainottamiseen pesurin ja ilma-ilma-lämmönsiirtimen välillä mitoituksen avulla esitellään työkalut.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Leijukerroslämmönsiirtimen leijutusjärjestelyjen säätö ja optimointi

Energiantuotantoa koskeva jatkuvasti tiukentuva lainsäädäntö ja yleinen tarve polttaa yhä vaativampia polttoaineita asettaa leijukerroskattiloille suuria haasteita. Eräs käyttökelpoinen työkalu tulevaisuuden haasteisiin vastaamisessa on säädettävä leijukerroslämmönsiirrin. Tiheässä leijukerroksessa toimiva lämmönsiirrin on vähemmän alttiina korroosiolle kuin savukaasukanavistossa sijaitsevat rakenteet. Rakenne tuo tarpeellista säädettävyyttä koko kattilalle, mikäli lämmönsiirtimen antamaa tehoa voidaan säätää tehokkaasti. Erityisen hyvä tilanne saavutetaan, jos lämmönsiirrin kykenee käyttämään hyväkseen tulipesän sisäistä kiintoainekiertoa. Tässä työssä tutkitaan kiertoleijukattilaan sijoitettavan leijukerroslämmönsiirtimen säädön toteuttamista leijutusjärjestelyjen avulla. Teoreettinen tarkastelu keskittyy leijukerroslämmönsiirtimen toimintaolosuhteisiin ja kiintoainevirtauksen säätömahdollisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa etsitään käytännössä toimivaa säätöperiaatetta tutkimuksen kohteena olevalle leijukerroslämmönsiirrinrakenteelle.

Aineominaisuuksien mallinnustarkkuuden vaikutukset lämmönsiirtimien lämpöteknisessä simuloinnissa

Työssä on käsitelty fluidien aineominaisuuksien vaikutuksia paperikoneiden kuivatusosissa käytettävien lämmönsiirtimien lämpöteknisessä simuloinnissa. Pääkohteena selvitettiin kostean ilman ja veden fysikaalisien aineominaisuuksien mallinnustarkkuuden vaikutuksia lämpövirtaan lauhduttamattomissa ja lauhduttavissa tapauksissa. Asiaa tutkittiin tekemällä herkkyysanalyysi työssä kehitetyille termodynaamisille malleille. Perinteisen herkkyysanalyysin lisäksi herkkyyksiä tutkittiin myös Bayesiläisellä tilastoanalyysillä. Työssä käsiteltiin myös aineominaisuuksien käyttäytymistä ja mallintamista lämmönsiirtimissä. Kirjallisuudesta etsittiin aineominaisuusmallit, joilla kostean ilman ja veden fysikaalisia aineominaisuuksia voidaan kuvata riittävän tarkasti. Työssä havaittiin, että yksittäisistä aineominaisuuksista selkeästi suurimmat vaikutukset on ominaisentalpioiden mallinnuksen epätarkkuuksilla. Myös kaikkien aineominaisuuksien epätarkkuuksilla havaittiin olevan huomattavan suuret yhteisvaikutukset lämpövirran laskentatarkkuuteen. Viiden prosentin epätarkkuus kaikkien aineominaisuuksien mallinnuksessa johtaa 3 - 7 %:n epätarkkuuteen lämpövirran laskennassa. Näin ollen kaikkien aineominaisuuksien mallintamiseen tulee kiinnittää huomiota.

Voimalaitoskattilan pyörivän regeneratiivisen ilman esilämmittimen suorituskyky ja mitoitus

Diplomityön tarkoituksena oli kehittää laskentaohjelma pyörivälle regeneratiiviselle lämmönsiirtimelle. Työ tehtiin Foster Wheeler Energia Oy:n Varkauden toimipisteessä. Työn ensimmäisessä osuudessa tutkittiin kirjallisuuden avulla regeneraattoreihin liittyvää teoriaa. Tämä osuus sisältää regeneratiivisen lämmönsiirron perusteita, regeneraattoreiden luokittelua, sektorijakoja, vuotoja, lämpöpintojen geometriaa ja likaantumista. Soveltavassa osassa tehtiin laskentaohjelma, jonka avulla voidaan laskea pyörivän regeneraattorin mitoitus- ja suorituskykylaskuja. Lisäksi ohjelman avulla voidaan laskea regeneraattorin lämpötilaprofiili.

Turbulenttisen putkivirtauksen numeerinen mallinnus.

Numeerisella mallinnuksella on tavoitteena täydentää ja korvata kokeellista tutkimusta. Tässä tutkimuksessa on mallinnettu CFX 4.1- ja CFX 4.2-ohjelmien avulla lämmönsiirtoa putken sisäpinnalla. Virtausaineena putkessa on käytetty vettä ja vesi-monopropyleeniglykoliliuosta. Tarkasteltujen virtaustapausten Reynoldsin luku vaihtelee 200 - 30000. Kun glykolipitoisuus on suuri ja liuoksen lämpötila on pieni virtaus on laminaarista ja tällöin lämmönsiirtymiskerroin on pieni. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Työssä on selvitetty edellytyksiä mallintaa hydraulisesti sileässä putkessa tapahtuvaa virtausta. Reynoldsin luvun ollessa alle 2300 mallinnuksessa on käytetty laminaarimallia. Reynoldsin luvuilla 2300-30000, turbulenttisella alueella, on käytetty pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-mallia. Malli vaatii toimiakseen tiheän laskentaverkon putken seinämän läheisyydessä. Tarkastellulla alueella virtauksen ja lämmönsiirron mallinnuksen tulokset ovat vastaavat kuin teorian perusteella lasketut ja kokeellisista mittauksista saatavat tulokset. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Tässä työssä on numeerisin menetelmin (pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-malli ja k-ɛ-malli) suoritettu laskentaa yhdellä turbulaattorilankarakenteella. Laskennan vertailuaineistona on käytetty aikaisemmasta kokeellisesta tutkimuksesta saatua mittausdataa. Kokeellisessa tutkimuksessa turbulaattorirakenteena on käytetty putken seinämällä kiertyvää turbulaattorilankaa. Todellinen kolmiulotteinen geometria osoittautui vaikeaksi mallintaa. Toimivaa mallia ei ollut mahdollista toteuttaa aikataulun puitteissa ja mallin laskentakapasiteetin tarve kasvoi liian suureksi. Lankarakenne yksinkertaistettiin tasavälein toistuvaksi riparakenteeksi, joka on helpompi mallintaa aksisymmetriaa käyttäen kaksiulotteisena. Mallin tuloksista painehäviö asettuu kirjallisuudesta saatavan vertailuaineiston kanssa samalle tasolle, mutta lämmönsiirtymiskerroin on vertailuaineistoa huomattavasti suurempi.

Biopolttoaineilla toimiva Stirling-voimalaitos

Stirling-moottori on ns. kuumailma moottori, joka toimii kaasun lämpötilaeron avulla. Kuumailma moottorin erityispiirteitä on laitteen ulkopuolella tapahtuva palaminen, josta lämpö johdetaan moottorille. Yleensä polttoaineena on käytetty vähän likaavaa polttoainetta esim. maakaasua mutta fossiilisten polttoaineiden kallistumisen ja niistä aiheutuvien päästöjen vuoksi niiden korvaaminen biopolttoaineella on tullut ajankohtaiseksi aiheeksi. Biopolttoaineiden likaavuuden takia niillä ei kuitenkaan voida lämmittää Stirling-moottoria suoraan vaan tarvitaan ylimääräinen lämmönsiirrin. Tämä diplomityö suoritettiin Lappeenrannan teknilliselle yliopistolle ja sen tarkoituksena oli tutkia juuri tähän laitteistoon suunnitellun, Stirling-moottorin ja polttokammion välisen lämmönsiirtimen suoritusarvoja ja likaantumista. Lisäksi työssä tutkittiin lämmönsiirtimeltä Stirling-moottorille menevien ilmaputkien lämpöhäviöitä. Työssä tultiin siihen tulokseen, että tämän tyyppinen lämmönsiirrin on suoritusarvoiltaan keskiverto kaasu-kaasu lämmönsiirrintä parempi ja ei likaannu erityisen nopeasti. Lämpöhäviöt olivat toisaalta merkittävämmässä asemassa kuin likaantuminen. Suurista lämpötiloista johtuva eristeiden lämmöneristyskyvyn heikkeneminen tai lämmönsiirtimen vuoto aiheutti merkittäviä lämpöhäviöitä.

Modern recovery boiler design criteria

Engineering and pricing of large recovery boiler were studied in this work. Engineering was carried out with Anita 4.2 which is an engineering program of Andritz. Key initial values were chosen with previous studies. Primary target of this work was to find out the consequences that furnace dimensions and furnace screen vertical part has to boiler pricing. Boilers that were engineered had different rate of furnace width and depth and different heat transfer plate count. Boiler balances were invariable. Boilers with different vertical screen construction were also calculated. First variation was boiler with vertical screen up to furnace roof. Other variation was to connect vertical screen to Pre-boiler generating bank inlet tubes. Total prices were calculated to engineered boilers. Pricing was sort out to heat transfers, high pressure pipes, steel structures, auxiliary equipments and civil/structural costs. This study did not notice parts of the boiler which costs do not vary with the construction of the boiler. Heat transfers had the largest share of costs. Boiler building had the most significant differences between the boilers. Furnace screen had also significant role especially to costs of the boiler building.

Vesistöjen hyödyntäminen rakennusten lämmityksessä ja jäähdytyksessä

Suomen kokonaisenergiankulutuksesta noin viidesosa kuluu rakennusten lämmitykseen. Ilmastosopimuksien ja tiukentuvien päästömääräyksien vuoksi rakennusten lämmitys- jajäähdytysenergian tuotantoa täytyisi saada energiatehokkaammaksi. Energian kulutuksen vähentäminen onnistuu muun muassa lisäämällä rakennusten omaenergian tuottoa, jota on esimerkiksi lämpöpumpuilla tapahtuva rakennusten lämmitys. Samalla päästöjen määrä pienenee. Rakennusten energiatehokkuusluvun määritys tulee muuttumaan energiamuotojen kertoimiin pohjautuvaksi kokonaisenergiatarkasteluksi. Tämä ohjaa rakennusten energiantuotantoa kaukolämmitykseen ja erilaisiin lämpöpumppuratkaisuihin perustuvaksi. Diplomityössä tutkitaan tapoja, joilla pystytään hyödyntämään vesistöjä rakennusten lämmitykseen ja jäähdytyksen ja saamaan samalla energiankulutusta ja päästöjä pienemmiksi. Lisäksi työssä selvitetään vesistöistä saatavan energian määrää ja käyttökohteita.

Tuotantosuunnan muutos ja tuottavuuden kehittäminen lämmönsiirrintuotannossa

Perinteisen haihdutinkonepajan tuotantosuunnan muutos lämmönsiirtimiin tuo mukanaan muutospaineita koko tilaus-toimitusketjulle. Tämän tutkimuksen tarkoituksena on selvittää tuotantosuunnan muutoksesta aiheutuvat vaatimukset ja luoda suunnitelma vastaamaan vaatimuksiin sekä samalla tuottavuuden kehittämiseen. Tutkimusmetodiikkana käytettiin haastattelu- ja havainnointitutkimusta sekä asiantuntijasuunnittelua. Haastattelu- ja havainnointitutkimuksessa tehtiin nykytila-analyysi ja kartoitettiin kehityskohteet tavoitteiden saavuttamiseksi. Keskeisimpiä osa-alueita tavoitteiden saavuttamiseksi ovat uuden valmistusjärjestelmän suunnittelu, toimenpiteet suunnittelua; tuotantoa; tuotannonsuunnittelua varten, uuden tiimityöskentelymallin luominen ja tuotannon johtamiseen vaadittavat muutokset. Näitä osaalueita käsiteltiin neljässä eri työryhmässä, joiden tuloksien perusteella tehtiin johtopäätökset ja lopulta toteutuskelpoinen suunnitelma. Lisäksi hankkeen kannattavuutta käsiteltiin investointilaskelmilla.

Laskentasovelluksen kehittäminen modulaariselle vesiputkikattilalle

Modulaarisella vesiputkikattilalla tarkoitetaan täysin konepajalla valmistettavissa olevaa kattilaa, joka voidaan kuljettaa yhtenä tai muutamana suurena moduulina työmaalle. Tässä diplomityössä käsiteltiin modulaarisen vesiputkikattilan laskentasovelluksen ke-hittämistä KPA Unicon Oy:lle. Työn tavoitteena oli tarkastella modulaarisen vesiputkikattilan lämpöteknistä mitoitusta ja suunnittelua sekä kehittää laskentasovellus, jonka avulla voidaan arvioida kattilan mittoja ja painoa. Laskentasovellus laadittiin Microsoftin Excel-alustalle, josta se on myöhemmin mahdollista siirtää muille ohjelma-alustoille. Laskentasovelluksessa hyödynnetään lämmönsiirron ja virtaustekniikan laskentayhtälöitä sekä -menetelmiä. Sovellukseen valitut laskentayhtälöt sekä -menetelmät ovat yleisesti hyväksyttyjä ja käytännössä testattuja. Diplomityön tuloksena valmistui laskentasovellus, joka kykenee modulaarisen vesiputkikattilan lämpötekniseen mitoittamiseen. Sovelluksen avulla voidaan mitoittaa kattilan tulipesä, tulistimet, höyrystinpinnat sekä ekonomaiseri. Laskentasovellusta on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa sekä mahdollisesti kattiloiden esisuunnittelussa. Laskentasovelluksen laatimista varten ei ollut mahdollista hyödyntää toiminnassa olevien kattiloiden prosessitietoja, koska ensimmäiset tämän tyyppiset kattilat ovat asenteilla. Sen sijaan sovelluksen antamia laskentatuloksia verrattiin toisen mitoitusohjelman antamiin tuloksiin, joiden perusteella laskentasovelluksen voidaan olettaa antavan oikeita tuloksia.

Epäsuoralla lämmöntuonnilla varustetut mikroturbiinit

Epäsuorassa lämmöntuonnissa biomassan poltto ja mikroturbiinin kiertoprosessi on erotettu toisistaan lämmönsiirtimen avulla. Tämän avulla mikroturbiiniprosessissa voidaan hyö-dyntää myös likaavia savukaasuja tuottavia polttoaineita kuten biomassaa. Prosessissa hyö-tysuhde ei nouse niin korkealle kuin kaasumaista polttoainetta käytettäessä lähinnä turbiinin alemmasta sisääntulolämpötilasta johtuen. Lämmönsiirtimen suunnittelu on erittäin tärkeässä asemassa prosessin sähköntuottohyötysuhdetta ajatellen. Mitä suurempi osa bio-massan savukaasujen lämpöenergiasta saadaan hyödynnettyä sitä suurempi on hyötysuhde. Kaupallisessa tarjonnassa on vielä hieman ongelmia juuri näistä syistä. Lämmönsiirrin ei välttämättä kestä korkeita lämpötiloja. Suuremmilla lämpötiloilla (yli 800 °C) joudutaan käyttämään seostettuja teräslaatuja tai jopa keraamisia ratkaisuja. Hyötysuhteeltaan ja in-vestointikustannuksiltaan epäsuoralla lämmöntuonnilla varustettu mikroturbiini on etuase-massa muihin teknologioihin nähden, kunhan lämmönsiirtimen materiaaliongelma ja opti-maalinen biomassan poltto ratkaistaan.