MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka. Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU

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

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

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

Höyrykattilat Lämmönsiirtimet, Tuomo Pimiä

SAVUKAASUN TILAVUUSVIRRAN JATKUVATOIMINEN MÄÄRITTÄMINEN

TEHTÄVÄ 1 *palautettava tehtävä (DL: 3.5. klo. 10:00 mennessä!) TEHTÄVÄ 2

Höyrykattilat Kattilatyypit, vesihöyrypiirin ratkaisut, Tuomo Pimiä

Ilman suhteellinen kosteus saadaan, kun ilmassa olevan vesihöyryn osapaine jaetaan samaa lämpötilaa vastaavalla kylläisen vesihöyryn paineella:

Kuivauksen fysiikkaa. Hannu Sarkkinen

Lukion kemia 3, Reaktiot ja energia. Leena Piiroinen Luento

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Poltto- ja kattilatekniikan perusteet

Osio 1. Laskutehtävät

Työpaketti TP2.1. polton ja termisen kaasutuksen demonstraatiot Kimmo Puolamäki, Jyväskylän ammattikorkeakoulu

KOE 3, A-OSIO Agroteknologia Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma

SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 4

Pellettikoe. Kosteuden vaikutus savukaasuihin Koetestaukset, Energon Jussi Kuusela

KYMENLAAKSON AMMATTIKORKEAKOULU Energiatekniikan koulutusohjelma / Automaatio- ja prosessitekniikka

Energiatehokkuuden analysointi

Kertausluennot: Mahdollisuus pisteiden korotukseen ja rästisuorituksiin Keskiviikko klo 8-10

Energia-alan keskeisiä termejä. 1. Energiatase (energy balance)

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

Työssä määritetään luokkahuoneen huoneilman vesihöyryn osapaine, osatiheys, huoneessa olevan vesihöyryn massa, absoluuttinen kosteus ja kastepiste.

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3 Ekso- ja endotermiset reaktiot sekä entalpian muutos

Leijukerroskattilan kuormitustason vaikutus hyötysuhteeseen

1. Laske ideaalikaasun tilavuuden lämpötilakerroin (1/V)(dV/dT) p ja isoterminen kokoonpuristuvuus (1/V)(dV/dp) T.

Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Ohjeita opetukseen ja odotettavissa olevat tulokset

Mitä on huomioitava kaasupäästöjen virtausmittauksissa

GT GT 1200 GTU GTU 1200

Erilaisia entalpian muutoksia

Jätteen rinnakkaispolton vuosiraportti

Molaariset ominaislämpökapasiteetit

m h = Q l h 8380 J = J kg 1 0, kg Muodostuneen höyryn osuus alkuperäisestä vesimäärästä on m h m 0,200 kg = 0,

Y.Muilu. Puukaasutekniikka energiantuotannossa

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Hevosenlannan mahdollisuudet ja haasteet poltossa ja pyrolyysissä

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

Erilaisia entalpian muutoksia

Pellettien pienpolton haasteet TUOTEPÄÄLLIKKÖ HEIKKI ORAVAINEN VTT EXPERT SERVICES OY

Exercise 1. (session: )

Teddy 7. harjoituksen malliratkaisu syksy 2011

Hevosenlannan mahdollisuudet ja haasteet poltossa ja pyrolyysissä

Luku 15 KEMIALLISET REAKTIOT

Teollisuuden energiatekniikka Peruskaavat ja käsitteet. Versio 2011

Lämmityksen lämpökerroin: Jäähdytin ja lämmitin ovat itse asiassa sama laite, mutta niiden hyötytuote on eri, jäähdytyksessä QL ja lämmityksessä QH

Voimalaitos prosessit. Kaukolämpölaitokset 1, Tuomo Pimiä

Kurkistus soodakattilan liekkeihin

Lahti Energia. Kokemuksia termisestä kaasutuksesta Matti Kivelä Puh

sinkinkadonkestävä VV Sekoitusventtiili DN 15 mallin rakenne, toiminta, asennus, huolto ja varaosat kuten syöttösekoitusventtiili (sivut ).

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Muita lämpökoneita. matalammasta lämpötilasta korkeampaan. Jäähdytyksen tehokerroin: Lämmityksen lämpökerroin:

Puupelletit. Biopolttoainepelletin määritelmä (CEN/TS 14588, termi 4.18)

Liite 1A UUDET PÄÄSTÖRAJA-ARVOT

Bensiiniä voidaan pitää hiilivetynä C8H18, jonka tiheys (NTP) on 0,703 g/ml ja palamislämpö H = kj/mol

KLAPI-ILTA PUUVILLASSA

RATKAISUT: 12. Lämpöenergia ja lämpöopin pääsäännöt

Puun pienpolton p hiukkaspäästöt

Ainemäärien suhteista laskujen kautta aineiden määriin

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Keski Pohjanmaan energiaosuuskuntien

HEVOSENLANNAN PIENPOLTTOHANKKEEN TULOKSIA. Erikoistutkija Tuula Pellikka

Aineen olomuodot ja olomuodon muutokset

CHEM-A1110 Virtaukset ja reaktorit. Laskuharjoitus 9/2016. Energiataseet

Tekniikan valintakokeen laskutehtävät (osio 3): Vastaa kukin tehtävä erilliselle vastauspaperille vastaukselle varattuun kohtaan

Työ 3: Veden höyrystymislämmön määritys

TEKNIIKKA. Dieselmoottorit jaetaan kahteen ryhmään: - Apukammiomoottoreihin - Suoraruiskutusmoottoreihin

Päästövaikutukset energiantuotannossa

Kai Kärenlampi HÖYRYKATTILOIDEN LÄMPÖTEKNINEN SUUNNITTELU

Biohiilen tuotanto ja käyttö, edellytykset ja mahdollisuudet Suomessa

MAATALOUSKONEIDEN TUTKIMUSLAITOS

Mikrokalorimetri - uusi materiaalien palamisominaisuuksien tutkimuslaite hankittu VTT:lle

Jaana Karevuo YLÄPALOKAMINAN LÄMPÖTEKNINEN TARKASTELU

REAKTIOT JA ENERGIA, KE3. Kaasut

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

SISÄLTÖ TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO SYMBOLILUETTELO 1 JOHDANTO... 5

c) Tasapainota seuraava happamassa liuoksessa tapahtuva hapetus-pelkistysreaktio:

Sorptiorottorin ja ei-kosteutta siirtävän kondensoivan roottorin vertailu ilmanvaihdon jäähdytyksessä

b) Laske prosentteina, paljonko sydämen keskimääräinen teho muuttuu suhteessa tilanteeseen ennen saunomista. Käytä laskussa SI-yksiköitä.

Agroteknologian pääsykokeessa saa olla mukana kaavakokoelma, joka löytyy netistä.

Öljyalan Palvelukeskus Oy Laskelma lämmityksen päästöistä. Loppuraportti 60K Q D

KIINTEÄN POLTTOAINEIDEN KATTILOIDEN PÄÄSTÖMITTAUKSIA

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

OMAKOTITALOKOHTAISEN MIKRO-CHP-LAITOKSEN HÖYRYKATTILA

Kuva 1. Nykyaikainen pommikalorimetri.

TERMODYNAMIIKAN KURSSIN FYS 2 KURS- SIKOKEEN RATKAISUT

PHYS-C6360 Johdatus ydinenergiatekniikkaan (5op), kevät 2016

1 Johdanto Yhteistuotantovoimalaitokseen liittyviä määritelmiä Keravan biovoimalaitos Tehtävänanto... 5 Kirjallisuutta...

1 Johdanto Yhteistuotantovoimalaitokseen liittyviä määritelmiä Keravan biovoimalaitos Tehtävänanto... 5 Kirjallisuutta...

Reaktiosarjat

LEIJUKERROSKATTILA K3:N MINIMIKUORMA

Ilmiö 7-9 Kemia OPS 2016

Energiansäästö viljankuivauksessa

ENERGIATUTKIMUSKESKUS

ORIMATTILAN LÄMPÖ OY. Hevosenlanta -ympäristöuhka vai hukattu mahdollisuus? -seminaari Toimitusjohtaja Reijo Hutri

Lämpökeskuskokonaisuus

Voimalaitos prosessit. Kaukolämpölaitokset 1, Tuomo Pimiä

Luento 2: Lämpökemiaa, osa 1 Keskiviikko klo Termodynamiikan käsitteitä

= 1 kg J kg 1 1 kg 8, J mol 1 K 1 373,15 K kg mol 1 1 kg Pa

Kosteusmittausten haasteet

Transkriptio:

MIKKELIN AMMATTIKORKEAKOULU Tekniikka ja liikenne / Sähkövoimatekniikka T8415SJ Energiatekniikka Hannu Sarvelainen HÖYRYKATTILAN SUUNNITTELU HARJOITUSTYÖOHJE

SISÄLLYS SYMBOLILUETTELO 3 1 JOHDANTO 4 2 TYÖOHJE 4 2.1 Lähtötiedot 4 2.2 Polttoaineen koostumus ja lämpöarvo 5 2.3 Palamistaulukko 5 2.4 Kattilan ainevirrat 7 2.5 Vesihöyrypiirin suunnittelu 8 2.6 Savukaasun lämpötilojen tarkastelu 9 3 TYÖN RAKENNE JA ARVOSTELU 11 LÄHTEET 12 LIITTEET Liite 1. Palamistaulukko

3 SYMBOLILUETTELO c p h H u m q m r T w ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] entalpia [kj/kg] lämpöarvo [MJ/kg] massa [kg] massavirta [kg/s] ominaishöyrystymislämpö [MJ/kg] lämpötila [ C] [K] virtausnopeus [m/s] λ ilmakerroin [-] teho [kw]

4 1 JOHDANTO Energiatekniikka-opintojakson harjoitustyössä suunnitellaan höyrykattila käytettävän polttoaineen ja vaadittavien höyryn arvojen mukaisesti. Kattilassa käytettävän polttoaineen palamisominaisuuksien mukaan määritetään tarvittava polttoaineen määrä, tarvittava palamisilmamäärä ja muodostuva savukaasujen määrä. Kattilan lämmönsiirtimien mitoitusta tarkastellaan ainoastaan virtaavien aineiden lämpötilojen perusteella. Harjoitustyön tavoitteena on oppia ymmärtämään, millä tavalla polttoaineen palamisesta saatava lämpöenergia voidaan käyttää höyryn tuotantoon ja millaisia laitteita sekä laiteratkaisuja tarvitaan. Harjoitustyö palautetaan PDF-muodossa Moodlen kautta viimeistään 30.10.2015. 2 TYÖOHJE 2.1 Lähtötiedot Alla olevassa taulukossa on esitetty ryhmäkohtaiset alkuarvot. Taulukko 1. Alkuarvot. RYHMÄ TURPEEN OSUUS TUOREHÖYRYN TUOREHÖYRYN TUOREHÖYRYN POLTTOAINEESSA LÄMPÖTILA PAINE MASSAVIRTA [%] [ C] [bar] [kg/s] 1 20 480 80 40 2 25 500 100 40 3 30 520 120 40 4 35 540 80 60 5 40 480 100 60 6 45 500 120 60 7 50 520 80 80 8 55 540 100 80 9 60 480 120 100 10 65 500 80 100

5 2.2 Polttoaineen koostumus ja lämpöarvo Kattilassa käytetään polttoaineena hakkeen ja turpeen seosta. Turpeen massaosuus polttoaineseoksessa saadaan taulukosta 1. Hakkeen kosteus on 50 % ja turpeen kosteus on 40 %. Taulukko 2. Polttoaineiden kuiva-ainekoostumus (%) C H S O N tuhka hake 50,4 6,2 0,0 42,5 0,5 0,4 turve 55,0 5,5 0,2 32,6 1,7 5,0 Polttoaineseokselle määritetään kuiva-ainekoostumus sekä kosteus taulukon 1 ja 2 mukaisista arvoista. Kuivan polttoaineen lämpöarvo lasketaan alkuainekoostumuksen mukaan yhtälöstä 1. Kostean polttoaineen lämpöarvo määritetään kuivan polttoaineen lämpöarvosta (yhtälö 2). (1) (2) joissa H u lämpöarvo [MJ/kg] m r 25 C komponentin massa yhdessä kilossa polttoainetta [kg] veden ominaishöyrystymislämpö (2,443 MJ/kg) 2.3 Palamistaulukko Polttoainetta poltetaan teoreettista ilmamäärää suuremmalla ilmamäärällä, jotta epätäydellistä palamista ei muodostuisi. Palamisilmakerroin on 1,3. Ilmakerroin tarkoittaa todellisen ilmamäärän suhdetta teoreettiseen ilmamäärään. Palamisilman oletetaan olevan täysin kuivaa, jolloin ilman mukana ei tule vettä savukaasuihin. Polttoaineen palamista voidaan havainnollistaa siten, että polttoaineesta ja ilmasta muodostuu savukaasua ja tuhkaa. Yli-ilmamäärän osuus siirtyy savukaasujen joukkoon. (kuva 1)

6 Kuva 1. Palaminen Polttoainekilon palamisessa tarvittava ilmamäärä sekä muodostuvien savukaasujen määrä ja koostumus määritetään liitteessä 1 olevan palamistaulukon avulla. Polttoaineessa olevat palavat komponentit reagoivat hapen kanssa seuraavien reaktioyhtälöiden mukaisesti. hiili: C + O 2 CO 2 vety: H 2 + ½O 2 H 2 O rikki: S + O 2 SO 2 Oletetaan, että typen oksidien ja hiilimonoksidin muodostuminen on pientä.

7 2.4 Kattilan ainevirrat Kattilan hyötyteho määritetään kiertoaineen massavirran ja entalpianmuutoksen avulla. Kattilan hyötysuhde on 88 % ja syöttöveden lämpötila on 200 C. Polttoaineen, palamisilman sekä savukaasun massavirrat määritetään polttoainetehon, polttoaineen lämpöarvon sekä palamistaulukosta saatujen arvojen mukaan. (3) (4) joissa q m h H u teho [kw] massavirta [kg/s] entalpia [kj/kg] lämpöarvo [kj/kg] Kuva 2. Kattilan ainevirrat

8 2.5 Vesihöyrypiirin suunnittelu Kattilan vesihöyrypiiri suunnitellaan alla olevan kuvan mukaisesti. Kuva 3. Kattilan vesihöyrypiiri Syöttövesi virtaa veden esilämmittimen (1) kautta höyrylieriöön (2). Höyrylieriön alaosassa on kylläistä vettä, mutta veden esilämmittimessä vesi lämmitetään jonkin verran kylläistä lämpötilaa matalammaksi. Tällä estetään veden kiehuminen esilämmittimessä. Höyrystin (3) lämmittää syöttöveden kylläiseksi höyryksi. Kylläinen höyry tulistetaan tulistimessa tuorehöyryksi (4). Seuraavat asiat yksinkertaistetaan vesihöyrypiirin suunnittelussa: - vesi lämpenee esilämmittimessä 15 C alle kylläisen lämpötilan - ulospuhallusta ja ruiskutusta ei huomioida (veden/höyryn massavirta on vakio) - tulistinvaiheita tarkastellaan yhtenä kokonaisuutena - putkistoissa ei ole painehäviöitä (veden/höyryn paine on vakio) Lämmönsiirtimissä siirtyvä teho määritetään veden/höyryn massavirran ja entalpianmuutoksen kautta.

9 2.6 Savukaasun lämpötilojen tarkastelu Kattilan savukaasupuolen suunnittelu aloitetaan laskemalla polttoaineen adiabaattinen palamislämpötila. Adiabaattisella palamislämpötilalla tarkoitetaan polttoaineen palamista siten, että lämpöä ei siirry ympäristöön. Tällöin kaikki polttoaineen sisältämä kemiallinen energia siirtyy savukaasujen lämmitykseen. (5) jossa T ad adiabaattinen palamislämpötila [ C] H u c pi T i q mi q mpa c psk q msk polttoaineen lämpöarvo [kj/kg] ilman ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] palamisilman lämpötila [ C] palamisilman todellinen massavirta [kg/s] polttoaineen massavirta [kg/s] savukaasun ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] savukaasun todellinen massavirta [kg/s] Ilman ja savukaasun ominaislämpökapasiteetit oletetaan vakioiksi, ilmalle 1,0 kj/kg C ja savukaasulle 1,25 kj/kg C. Palamisilman lämpötila on 300 C. Kattilan höyrystinosassa siirtyvän tehon sekä adiabaattisen palamislämpötilan mukaan määritetään savukaasun lämpötila tulipesässä. Savukaasu poistuu myös tässä samassa lämpötilassa tulipesästä. (6) jossa q m c p T teho [kw] massavirta [kg/s] ominaislämpökapasiteetti [kj/kg C] lämpötila [ C] Savukaasun lämpötila muiden lämmönsiirtimien jälkeen määritetään samalla periaatteella eli kuinka paljon savukaasujen on jäähdyttävä, jotta tarvittava teho siirtyisi.

10 Kattilassa käytetään lisäksi palamisilman esilämmitystä. Palamisilman lämpötilaksi valitaan 300 C, koska tämä on sopiva palamisilman lämpötila kiinteille polttoaineille. Kuva 4. Kattilan savukaasupuolen lämpötilojen määritys

11 3 TYÖN RAKENNE JA ARVOSTELU Harjoitustyö on kirjoitettava johdonmukaiseksi kokonaisuudeksi tekstinkäsittelyohjelmalla. Oletetut asiat ja valitut lukuarvot on perusteltava. Laskuissa on oltava numeroarvojen sijoitukset näkyvissä. Lopussa on oltava tulosten tarkasteluosio, jossa esitetään saadut tulokset ja pohditaan ovatko tulokset järkeviä. Arvostelun painotus muodostuu seuraavista asioista. - raportin ulkoasu 20 % - laskentatulokset 70 % - tulosten tarkastelu 10 % Lisäksi oma-aloitteinen työskentely on suotavaa. Laskettujen tulosten perusteella voi esimerkiksi hahmotella kattilaa jollakin piirto-ohjelmalla (esim. AutoCAD) tai verrata palamisilmantarvetta ja savukaasujen määrää kirjallisuuslähteisiin. Hyvin tehdyistä lisäselvityksistä voi saada lisäpisteitä harjoitustyöhön.

12 LÄHTEET Huhtinen, M. & al. 1994. Höyrykattilatekniikka. 6. painos. Helsinki: Edita. ISBN 951-37-3360-2.

LIITE 1 Kemiallisiin reaktioihin perustuva polttoaineen palaminen ilmakerroin POLTTOAINE SAVUKAASUT polttoaineen kosteus % m-% m [g] M [g/mol] n [mol] O2-tarve [mol] CO2 [mol] H2O [mol] SO2 [mol] O2 [mol] N2 [mol] kosteaa polttoainetta g C 12,01 H2 2,02 kuiva polttoaine S 32,06 C % O2 32,00 H % N2 28,02 S % tuhka O % H2O 18,02 N % yhteensä tuhka % typpeä ilmasta [mol] = 79/21 * hapen määrä [mol] ylimäärähappi [mol] = (ilmakerroin - 1) * hapen määrä [mol] ylimäärätyppi [mol] = (ilmakerroin - 1) * typpeä ilmasta [mol] yhteensä [mol] moolimassa [g/mol] 44,01 18,02 64,06 32,00 28,02 moolitilavuus [m3n/kmol] 22,26 22,40 21,89 22,39 22,40 PALAMISILMA PÄÄSTÖT ilman tilavuus [m3n] CO2 H2O SO2 O2 N2 yhteensä ilman massa [g] savukaasujen tilavuus [m3n] savukaasun massa [g] pitoisuus, kuiva sk [til-%] pitoisuus, kostea sk [til-%]