Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus

Transkriptio

1 Mamk / Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka / Sarvelainen 2015 T8415SJ ENERGIATEKNIIKKA Laskuharjoitus KATTILAN VESIHÖYRYPIIRIN SUUNNITTELU Höyrykattilan on tuotettava höyryä seuraavilla arvoilla. - lämpötila 520 C - paine 90 bar - massavirta 30 kg/s 1. Piirrä kuva kattilan vesi-höyrypiiristä luonnonkiertoperiaate kaksi tulistinvaihetta 2. Määritä kattilan lämmönsiirtimissä siirtyvät tehot. syöttöveden lämpötila 200 C syöttöveden ruiskutus tulistimien välissä (höyryn lämpötila laskee 30 C) lieriössä ulospuhallus 3 % lieriöön syötettävän veden määrästä veden esilämmitys 15 C alle kylläisen veden lämpötilan tulistimien yhteenlaskettu painehäviö 10 % tulevan höyryn paineesta 3. Määritä kattilan polttoaineen tarve kattilan hyötysuhde 90 % polttoaineena käytettävän kivihiilen lämpöarvo 25,9 MJ/kg

2 Ratkaisu tehtävään 1 Ratkaisu tehtävään 2 Lämmönsiirtimen teho voidaan laskea, kun tiedetään lämmönsiirtimen läpi virtaavan aineen massavirta sekä entalpianmuutos. Selvitetään aluksi lähtötiedoista saatavat arvot eri pisteissä. Veden paineella ei ole käytännössä merkitystä veden entalpiaan, joten veden entalpia saadaan höyrytaulukosta lämpötilan perusteella. Piste Massavirta [kg/s] Lämpötila [ C] Paine [bar] Entalpia [kj/kg]

3 Höyryn paine ennen tulistimia määritetään 10 % painehäviön mukaan. Pisteessä 9 olevan höyryn paine on 90 % paineesta ennen tulistimia (piste 5). Oletetaan, että kummassakin tulistimessa muodostuu yhtä suuri painehäviö (bar), jolloin tulistimien välissä olevan höyryn paine on 95 bar. Muita painehäviöitä ei ole ilmoitettu, joten pisteissä 1, 2, 3, 4 ja 7 on 100 bar paine, kuten pisteessä 5. Kaikkien pisteiden paineet ovat nyt tiedossa. - piste bar - piste bar - piste bar - piste bar - piste bar - piste 6 95 bar - piste bar - piste 8 95 bar - piste 9 90 bar Höyrykattilan lieriössä on kylläinen tila, koska lieriö sisältää vettä ja höyryä samassa lämpötilassa. Höyrytaulukosta voidaan määrittää lämpötila joka vastaa lieriön painetasoa (100 bar). Lämpötila on noin 310 C. Määritetään lämpötilat pisteissä 6 ja 8, siten että molemmat tulistimet lämmittävät höyryä saman verran asteina. Tulistuksessa höyry kulkee kolmen vaiheen läpi. - tulistin 1, höyry lämpenee lämpötilasta T 5 lämpötilaan T 6 - syöttöveden ruiskutus, höyry jäähtyy lämpötilasta T 6 lämpötilaan T 8 - tulistin 2, höyry lämpenee lämpötilasta T 8 lämpötilaan T 9

4 Höyryä jäähdytetään 30 C tulistimien välissä ja höyry lämpenee molemmissa tulistimissa saman verran, joten näistä tiedoista voidaan ratkaista lämpötilat pisteissä 6 ja 8. Kaikkien pisteiden lämpötilat ovat nyt tiedossa. - piste C - piste C - piste C (lieriön lämpötila 310 C 15 C) - piste C - piste C - piste C - piste C - piste C - piste C Lämpötilojen ja paineiden mukaan voidaan määrittää entalpiat. - piste kj/kg (200 C vesi) - piste kj/kg (200 C vesi) - piste kj/kg (295 C vesi) - piste kj/kg (310 C vesi) - piste kj/kg (310 C, 100 bar höyry) - piste kj/kg (430 C, 95 bar höyry) - piste kj/kg (200 C vesi) - piste kj/kg (400 C, 95 bar höyry) - piste kj/kg (520 C, 90 bar höyry)

5 Massavirtojen laskenta aloitetaan määrittämällä tarvittava ruiskutusveden massavirta. Muodostetaan massa- ja energiatase pisteiden 6, 7 ja 8 välille. Ratkaistaan näistä puuttuvat massavirrat (pisteet 6 ja 7). Pisteen 8 massavirta on sama kuin pisteen 9 massavirta.

6 Lieriöstä poistetaan 3 % syötetyn veden määrästä ulospuhalluksella, joten 97 % syötetystä vedestä menee tulistimille. Tästä voidaan ratkaista massavirrat pisteissä 3 ja 4. Massavirta pisteessä 5 on yhtä suuri kuin pisteessä 6. Massavirta pisteessä 2 on yhtä suuri kuin pisteessä 3. Pisteen 1 massavirta saadaan pisteiden 2 ja 7 perusteella. Kaikkien pisteiden tarvittavat arvot ovat nyt tiedossa. Piste Massavirta [kg/s] Lämpötila [ C] Paine [bar] Entalpia [kj/kg] 1 30, , , , , , , , ,

7 Kattilan lämmönsiirtimien tehot voidaan nyt ratkaista massavirran ja entalpianmuutoksen mukaan. Höyrystimen teho muodostuu kahdesta osasta. Suurin osa höyrystimen tehosta kuluu veden höyrystykseen, mutta lisäksi pieni osa tehosta kuluu ulospuhallusveden lämmitykseen (lämpötilaero pisteiden 3 ja 4 välillä). Veden esilämmitin (ekonomaiseri): Höyrystin: Tulistin 1: Tulistin 2:

8 Ratkaisu tehtävään 3 Kattilan hyötytehon tarve on edellisessä tehtävässä laskettujen lämmönsiirtimien tehontarpeiden summa. Kattilan tarvitsema polttoaineteho voidaan määrittää hyötysuhteen perusteella. Polttoaineen tarve saadaan polttoaineen lämpöarvon perusteella.