Teknillinen Korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energia ja LVI tekniikan tutkinto ohjelma

Teknillinen Korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energia ja LVI tekniikan tutkinto ohjelma Induktiosulatusuunin jäähdytysveden lämmön talteenotto ja hyväksikäyttö Kandidaatintyö 25.4.2008 Minttu Hietamäki

Teknillinen Korkeakoulu Insinööritieteiden ja arkkitehtuurin tiedekunta Energia ja LVI tekniikan tutkinto ohjelma Kandidaatintyön tiivistelmä Tekijä: Minttu Hietamäki Työn nimi: Induktiosulatusuunin jäähdytysveden lämmön talteenotto ja hyväksikäyttö Päiväys: 25.4.2008 Sivumäärä: 24 Vastuuopettaja: Ohjaaja: Prof. Pekka Pirilä DI Ilkka Hippinen Induktio eli sähkösulatusuunit ovat yleisin uunityyppi Suomen valimoissa. Sulatusprosessissa kuluu runsaasti energiaa, josta noin viidennes siirtyy hukkalämpönä pois uunin jäähdytysveden mukana. Lämmön talteenottaminen jäähdytysvedestä on usein kannattavaa ja saattaa säästää huomattavia määriä energiaa valimossa. Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan induktiosulatusuunien jäähdytysvesijärjestelmiä sekä niiden lämmöntalteenoton mahdollisuuksia, ja lisäksi tutkitaan esimerkkitapauksena lämmöntalteenoton kannattavuutta kahdeksan tuhannen kilon panosta sulattavassa induktiosulatusuunissa. Talteenotettua lämpöä voidaan käyttää esimerkiksi valimon sisäilman ja käyttöveden lämmittämiseen sekä sulatettavan romun kuivaukseen ja esilämmitykseen. Sopiva käyttökohde valitaan valimon tarpeiden ja uunin ominaisuuksien mukaan. Osassa uuneja jäähdytysvedestä voidaan lämpöä ottaa talteen useampaankin kohteeseen, kun taas joissain uuneissa esimerkiksi jäähdytysveden pienen lämpötilaeron vuoksi talteenotto voi olla mahdotonta. Lämmön talteenottaminen on erityisen kannattavaa kylmän ilmaston maissa, joissa lämpötilaero jäähdytysveden ja ympäristön välillä on suuri. Suomessa suuret vuodenaikojen väliset vaihtelut asettavat haasteen järjestelmälle: Talvisin lämmityksen tarve on erittäin suurta, kun taas kesällä lämmityksen tarve on vähäistä, mutta jäähdytyspiiristä on silti saatava siirrettyä lämpöä pois. Lämmöntalteenotolla ei juuri koskaan voida korvata muuta laitteistoa jäähdytysjärjestelmässä. Käyttämällä hyödyksi talteenotettua lämpöä voidaan sen sijaan säästää valimon lämmityskustannuksissa käytön aikana, ja näin investoinnit maksavat itsensä ajan myötä takaisin. Avainsanat: Kieli: induktiosulatus, jäähdytys, lämmöntalteenotto Suomi

SISÄLLYSLUETTELO 1 JOHDANTO... 1 2 INDUKTIOSULATUSUUNIN YLEISET TOIMINTAPERIAATTEET... 3 2.1 Uunin perusrakenne ja toiminta... 3 2.2 Uunin energiankulutus... 5 2.3 Uunin jäähdytys... 6 2.3.1 Jäähdytyksen tarve... 6 2.3.2 Jäähdytysjärjestelmän perusrakenne... 7 2.3.3 Uunien häviöt jäähdytysveteen... 8 3 MAHDOLLISUUDET JÄÄHDYTYSKIERRON ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMISEKSI... 10 3.1 Lämmön talteenoton kannattavuudesta... 10 3.2 Valimohallin ilman lämmitys... 11 3.3 Valimon käyttöveden lämmitys... 13 3.4 Romun kuivaus ja esilämmitys... 14 3.5 Useiden uunien ja talteenottojen ratkaisut... 15 3.6 Esimerkkejä valimon ulkopuolisista käyttökohteista... 15 4 ESIMERKKITAPAUS: 8t RAUTASULATUSUUNI... 16 4.1 Uunin perusrakenne ja ympäristö... 16 4.2 Jäähdytyskierto ilman lämmöntalteenottoa... 17 4.3 Lämmön talteenotto jäähdytyskierrosta... 18 4.3.1 Valimon sisäilman lämmitys... 18 4.3.2 Käyttöveden lämmitys... 20 4.4 Lämmöntalteenoton kannattavuus... 21 5 JOHTOPÄÄTÖKSET... 22 6 LÄHTEET... 23

SYMBOLILUETTELO c p ominaislämpökapasiteetti J/kgK E kokonaisenergia J, kwh h ominaisentalpia J/kg h ominaisentalpian muutos J/kg H teoreettinen energiankulutus kwh m massa kg m& massavirta kg/s Q lämpömäärä J, kwh T lämpötila K, C T lämpötilanmuutos K, C V tilavuus m 3 V & tilavuusvirta m 3 /s lämpöteho W hyötysuhde tiheys kg/m 3

1 JOHDANTO Energian hinnan noustessa on myös valimoiden energiatehokkuuteen alettu kiinnittää suurta huomiota, ja säästöratkaisujen löytäminen onkin tullut tärkeäksi tutkimuskohteeksi sekä käytössä että investointikohteena olevissa yksiköissä. Pääpiirteissään valimoiden energiansäästö on hyvin yksinkertaista minimoidaan prosessien energiankulutus ja otetaan kulutettua lämpöä talteen. Tässä työssä tutkitaan mahdollisuuksia parantaa valimon energiatehokkuutta käyttämällä hyödyksi sähkösulatusuunista jäähdytysveteen siirtyvää lämpöä. Metallin sulatus sähkösulatusuunilla on erittäin energiaintensiivinen prosessi. Uuniin syötettävää sähkötehoa ei saada käytettyä sulatukseen kokonaan, vaan osa siitä poistuu järjestelmästä sähkö ja lämpöhäviöinä. Tavanomaisen uunin hyötysuhde on 70 %. Uunin jäähdytysveden mukana poistuva osuus tuodusta kokonaisenergiasta on n. 20 %, joten esimerkiksi 5000 kw sähköteholla toimivassa sulatusuunissa jäähdytysveden mukana poistuu lämpöä jopa 1000 kw teholla. [1] Perinteisessä jäähdytyskierrossa, jossa lämpöä ei oteta talteen, ainoa tavoite on pitää uunille tuleva jäähdytysvesi riittävän kylmänä. Tällöin lämpöä siirretään jäähdytysvesikierrosta mahdollisimman tehokkaasti joko ympäristöön tai toiseen jäähdytyspiiriin. Ilman talteenottoa hukkaan menevä lämpöenergian määrä on erittäin suuri, ja uusissa laitoksissa onkin poikkeuksetta sovellettu erilaisia talteenottojärjestelmiä. Myös käytössä olevissa yksiköissä uusien lämmöntalteenottojärjestelmien asentaminen on usein osoittautunut energiasäästöjen myötä kannattavaksi. [2] Jäähdytysveden mukana kulkeutuvaa lämpöä voidaan käyttää erilaisiin tarkoituksiin. Tavallisimpia sovelluksia ovat valimon hallin ilman sekä henkilökunnan käyttöveden lämmittäminen. Osassa valimoita on kehitetty myös järjestelmiä, joissa jäähdytysveden lämpöä hyödynnetään sulatettavan metalliromun esilämmityksessä ja kuivauksessa. Lämmön käyttökohteita voi löytyä lisäksi myös itse valimon ulkopuolelta lämmön toimittaminen laitoksen läheisyydessä sijaitseville toimijoille saattaa olla kannattava ratkaisu. Valittaessa sopivaa tapaa käyttää lämpö hyödyksi on otettava huomioon valimon omat tarpeet sekä ympäristön aiheuttamat rajoitukset. Esimerkiksi sisäilman lämmitykselle ei ole tarvetta lämpiminä kesäpäivinä, joten tähän tarkoitukseen talteenotettavaa lämpöä voidaan usein hyödyntää vain talvisin. Kun jäähdytysveden lämpöä ei saada siirrettyä huoneilmaan, pitää veden lämpötila saada alenemaan muilla keinoin, ja muun jäähdytystekniikan käyttäminen aiheuttaa lisäkustannuksia. Usean jäähdytysjärjestelmän käyttäminen mahdollistaa lämmön tehokkaamman ja varmemman siirtymisen hyötykäyttöön, ja onkin usein kannattavaa. Viileämmän ilmaston maissa lämpötilaero prosessin ja ympäristön välillä on suuri, joten lämmöntalteenotto on erittäin kannattavaa. Sisäilman lämmitystä tarvitaan suurena osana vuodesta, ja myös lämmintä käyttövettä kulutetaan enemmän. Kylmissä olosuhteissa myös romun lämmittäminen voi vaatia enemmän lämpöä, sillä valimoon saapuva kierrätysromu saattaa olla jopa jäistä. Sähkösulatusuunien jäähdytysveden lämmöntalteenottojärjestelmiä on otettu käyttöön runsaasti viimeisen kolmenkymmenen vuoden aikana, mutta niihin liittyvä kirjallinen materiaali on yhä riittämätöntä. Energiansäästövinkkejä sekä erilaisia herättäviä ideoita jakavia julkaisuja on paljon, mutta toimivista malleista ja niiden teknisistä tiedoista, kuten tarkoista toimintaolosuhteista tai suunnitteluarvoista on saatavilla melko vähän tietoa. 1

Kaikki julkaistu materiaali on lisäksi lähes poikkeuksetta 1970 80 luvulla kirjoitettua, joten löytyvä tieto ei välttämättä ole ajantasaista. Tässä kandidaatintyössä tehdään yleiskatsaus induktiouunien jäähdytysvesijärjestelmiin sekä niiden lämmöntalteenoton mahdollisuuksiin. Lisäksi tutkitaan esimerkkitapauksena lämmöntalteenoton kannattavuutta kahdeksan tuhannen kilon panosta sulattavassa induktiosulatusuunissa. 2

2 INDUKTIOSULATUSUUNIN YLEISET TOIMINTAPERIAATTEET 2.1 Uunin perusrakenne ja toiminta Induktiosulatusuunit ovat nykyään yleisin uunityyppi Suomen valimoissa. Niiden toiminta perustuu sulatuspesän ympärillä kiertävän kelan aiheuttamaan sähkömagneettiseen kenttään, joka saa aikaan pyörrevirtoja sulatettavassa metallissa. Tässä työssä keskitytään induktioupokasuuneihin, jotka soveltuvat monipuolisesti terästen, valurautojen ja kuparisekä kevytmetallien sulatukseen. [3] Upokasuunissa sulatus tapahtuu upokkaan muotoisessa pesässä, joka on vuorattu tulenkestävällä materiaalilla. Vuorauksen ympärillä kiertää kuparinen kela, johon syötetään vaihtovirtaa, joka synnyttää metallipanoksen läpi kulkevan magneettivuon. Magneettivuo indusoi panoksessa pyörrevirtoja, jotka materiaalin vastuksen johdosta kuumentavat ja sulattavat sen. [1] Kiertoliike homogenisoi sulan lämpötilan lisäksi myös sen koostumusta, mikä helpottaa seosaineiden lisäystä ja nopeuttaa niiden liukenemista sulaan [3]. Uunia ympäröivät ikeet estävät pyörrevirtojen syntymistä uunin ulkopuolisissa metalliosissa [1]. Kuvasta 1 käy ilmi induktioupokasuunin rakenne. Kuva 1. Induktioupokasuuni [4, muokattu]. Induktiouunissa sulatettava panos koostuu tavallisesti teräsromusta, rautaharkoista ja erilaisesta kiertoromusta [5]. Romun koko voi vaihdella aina pienestä lastusta tonneja painaviin metallikappaleisiin. Romun tulee olla kuivaa, sillä kostean panoksen joutuminen sulan sekaan aiheuttaa räiskymistä tai jopa räjähdyksiä uunissa [6]. Teollisuudessa upokasuunien koko sulatuksessa vaihtelee pienistä, noin 25kg uuneista aina jopa 80 tonnin jättimäisiin uuneihin [3]. Romu sulaa tavallisesti alle tunnissa [2], ja sula metalli kuumennetaan sopivaan loppulämpötilaan. Rautametalleilla sulan loppulämpötila on yleensä n. 1500 1600 C. Sulatusprosessissa kuluu energiaa tavallisimmin 550 700 kwh/t panosta kohti. [7] 3

Uunia kiertävään kelaan syötetään vaihtovirtaa tehonsyöttöyksiköstä, jossa sulatukseen sopiva jännite ja taajuus säädetään. Sulatuksessa käytettävä virrantaajuus riippuu panoksen materiaalista, määrästä ja rakenteesta, ja osassa tehonsyöttöyksiköitä taajuus voi vaihdella myös sulatusprosessin aikana. Verkkotaajuusuuneissa käytetään normaalin sähköverkon taajuutta 50Hz, eikä niiden taajuuden säätämiseen tarvita erillistä laitteistoa. Nykyään verkkotaajuusuuneja käytetään kuitenkin lähinnä vain sulan kuumanapidossa, ja normaalisti sulatus tapahtuu keskitaajuusuuneissa, joiden taajuudet vaihtelevat välillä 175 10 000 Hz riippuen sulatettavasta materiaalista ja sen rakenteesta. Tätä suurempitaajuisia uuneja käytetään vain erikoistarkoituksiin, kuten jalometallien sulatukseen. [3,8] Tässä työssä keskitytään keskitaajuisuuneihin, joiden tehonsyöttölaitteiston rakenne on hahmoteltu kuvassa 2. Kuva 2. Induktiokuumennuslaitteiston periaatekuva [9, muokattu]. Induktiouunin kelan kuumeneminen estetään sen läpi kulkevan jäähdytysveden avulla. Jäähdytysveden syötön keskeytyminen johtaisi nopeasti koko järjestelmän ylikuumentumiseen, ja saattaisi muutaman minuutin kuluessa aiheuttaa räjähdyksen. [6] Myös tehonsyöttöyksikön elektroniikkaa jäähdytetään oman vesikierron avulla. Induktiouunit toimitetaan tavallisimmin kahdella rinnakkaisella upokkaalla, joilla on yhteinen tehonsyöttöyksikkö. Toisen upokkaan sulatettua panos loppuun voidaan virta kytkeä toiseen, valmiiksi panostettuun upokkaaseen, jossa uusi sulatusprosessi voi alkaa heti. Myös huoltotoimenpiteitä voidaan ajoittaa rinnakkaisissa upokkaissa niin, että tuotantokatkoksia vältetään. Kaksoissyöttöyksiköillä (engl. dual output power unit) voidaan tehoa syöttää samanaikaisesti molempiin upokkaisiin, mikä mahdollistaa yhdenaikaisen sulatuksen lisäksi myös suuremman tehon syöttämisen sulattavaan uuniin, kun toista käytetään pienemmällä teholla kuumanapitoon. [10,11] Rinnakkaisilla upokkailla on yleensä yhteinen jäähdytysvesikierto. Kuvassa 3 on esitelty tyypillinen sulatto, jossa sulatus tapahtuu kahdessa induktioupokkaassa, joilla on yhteinen tehonsyöttöyksikkö. 4

Kuva 3. Sulaton yleiskuva. 2.2 Uunin energiankulutus Induktiouunin energiankulutus riippuu uunin käyttötehosta, sulatettavasta materiaalista sekä lämpöhäviöiden suuruudesta. Lämpöhäviöt pienentävät panoksen sulatukseen käytettävän energian osuutta, ja näin pidentävät sulatusaikaa. Jäähdytyksen mukana pois kulkeutuvan ja seinämien läpi ulos johtuvan lämmön lisäksi ylimääräisiä häviöitä voivat aiheuttaa esimerkiksi panoksen lisääminen uuniin lämmityksen aikana, jolloin uunin kansi on nostettava ylös. Kuvassa 4 on esitetty eri metallien sulattamiseen ja kuumentamiseen tarvittavat teoreettiset energiamäärät panosmassayksikköä kohti ( H). Kun tunnetaan uunin hyötysuhde, voidaan sulatusprosessissa käytettävä todellinen energia E laskea kaavasta E = H. (1) η 5

Kuva 4. Metallien sulattamiseen ja lämmittämiseen tarvittava teoreettinen energiamäärä. G = valurauta, St = teräs ja Ms on messinki. [7] Kun induktiouunin hyötysuhde on 70 %, saadaan yhtälöstä (1) sekä kuvan 3 avulla valuraudan sulattamiseen tarvittavaksi energiamääräksi kwh 377 H t kwh E = = = 523, η 0,7 t kun valurauta lämmitetään 1500 C lämpötilaan. [7] 2.3 Uunin jäähdytys 2.3.1 Jäähdytyksen tarve Induktiouunin kelassa kulkeva muutaman tuhannen ampeerin sähkövirta synnyttää lämpöä suurella teholla. Myös sulasta johtuu kelaan lämpöä seinämien vuorauksen läpi. Uunin pohjan läpi siirtyy jonkin verran lämpöä johtumalla, mutta paksun vuorauksen ansiosta häviöt ovat vähäisiä, eikä jäähdytystä pohjassa tarvita. [7] Kelaa on jäähdytettävä jatkuvasti sen kuumentumisen estämiseksi. Lisäksi jäähdytys parantaa kelan tehoa, sillä korkea lämpötila kasvattaa vastusta ja näin pienentää sähkövirtaa ja syntyvää magneettivuota. [6] Kelan läpi kulkeva jäähdytysvesivirtaus mitoitetaan niin, ettei lämpötila kelan sisällä kiertävässä vedessä nouse missään kohdassa yli 70 celsiusasteeseen. Pintalämpötilat kelassa ja uunin seinämissä saattavat olla tätä korkeampia. [8] Korkeammalla kelaveden 6

lämpötilalla vuorauksen vaurioitumisen riski kasvaa, ja myös kelaveden kiehumispiste alkaa lähestyä liikaa. Mikäli jäähdytysveden syöttö jostain syystä katkeaisi, saattaisi esimerkiksi tavallisesti 90 asteinen kelavesi nousta kiehumispisteeseen ennen kuin hätäjäähdytysjärjestelmiä saataisiin kytkettyä toimintaan. Keskitaajuusuuneissa kelan lisäksi myös tehonsyöttöyksikön elektroniset komponentit kuumenevat käytössä, ja niitä jäähdytetään oman vesikierron avulla. [2] 2.3.2 Jäähdytysjärjestelmän perusrakenne Induktiouunissa jäähdytysvesi kiertää tavallisesti itse kelan sisällä. Kela muodostuu kupariputkesta, jonka sisällä virtaavaan jäähdytysveteen lämpö siirtyy. [6] Myös tehonsyöttöyksikön elektroniikkaa jäähdytetään vesikierron avulla. Tämän jäähdytysveden lämpötila ei tavallisesti saa olla yli 40 C, kun taas kelassa kulkevan jäähdytysveden lämpötila vaihtelee kierrossa tavanomaisesti välillä 35 70 C. [2] Elektronisia komponentteja jäähdytettäessä veden on lisäksi oltava deionisoitua [8]. Tehonsyöttöyksikön jäähdytyksessä käytetäänkin omaa vesikiertoa ja mahdollista lämmöntalteenottojärjestelmää. Perinteinen jäähdytyspiiri, jonka tarkoituksena on ainoastaan poistaa lämpöä uunista, koostuu pääpiirteissään jäähdytysveden putkistosta, pumpuista sekä lämmönvaihtimesta. Lämpö siirretään suljetusta jäähdytyspiiristä lämmönvaihtimella pois, eikä sitä oteta missään vaiheessa talteen. Kuvassa 5 on esitetty yksinkertainen jäähdytysjärjestelmä, jossa lämpö poistetaan lämmönvaihtimella ulkoilmaan. Kuva 5. Induktiouunin yksinkertainen jäähdytyskierto [2, muokattu]. Lämpöä siirretään jäähdytyspiiristä ympäristöön joko vesi ilma tai vesistöjen läheisyydessä vesi vesi lämmönvaihtimella. Lämpimimpinä vuodenaikoina on kuitenkin mahdollista, ettei ulkoilma tai vesistön vesi ole riittävän kylmää poistaakseen lämpöä piiristä tarpeeksi tehokkaasti. Tämän varalta on järjestelmässä oltava myös lisäjäähdytys (engl. trim cooler) eli lämmönvaihdin, jossa käsittelemättömään verkkoveteen siirretään ylimääräinen lämpö jäähdytysvedestä ennen uuniin menoa. Lämmönsiirron jälkeen verkkovesi pumpataan viemäriin, eikä siitä oteta lämpöä talteen. [8] Lämmönvaihtimia 7

alimitoitetaan myös tarkoituksella niin, että kuumimpina kesäpäivinä niiden teho ei yksin riitä jäähdyttämään kiertoa tarpeeksi, sillä suurikapasiteettisen lämmönvaihtimen investointikustannukset voivat olla suurempia kuin muutamana päivänä vuodessa käytetyn lisäjäähdytyksen aiheuttamat kulut. Kelan läpi kiertävä jäähdytysvesi on puhdistettua ja pehmennettyä, jotta se ei aiheuttaisi tukkeumia suljetussa piirissä. Mikäli lämpöä siirretään ulkoilmaan, kylmissä olosuhteissa vesi ilma lämmönvaihtimessa kulkevaan veteen on usein lisättävä glykolia, joka estää veden jäätymisen alhaisissa lämpötiloissa. Veden lämpötila uuniin tullessa on tavanomaisesti 35 40 C ja uunista poistuessa 65 70 C. Uunille tulevan veden lämpötilan tulisi olla vähintään 30 C, sillä alhaisemmassa lämpötilassa alkaa putkiston pintaan tiivistyä kosteutta [12]. Korkeamman poistumislämpötilan riskejä käsiteltiin kohdassa 2.3.1. Suurin sallittu ylipaine putkistossa on normaalisti 3 bar, sillä suuremmilla paineilla putkistojen vaurioitumisen riski kasvaa [2]. Mikäli jäähdytysveden kierto sulatusuunin kelassa estyy, nousee uunin vuorausten sekä itse kelan ja siinä seisovan veden lämpötila nopeasti vaarallisen korkeaksi. Jäähdytysveden syötön keskeytyminen voi muutaman minuutin kuluessa aiheuttaa räjähdyksen sulatossa. [6, 8] Käyttöpumppujen toimintahäiriöiden tai virransyötön katkeamisen varalta uunit on varustettava varapumpuilla ja vaihtoehtoisella jäähdytysjärjestelmällä, joita ovat esimerkiksi verkkovesiliitäntä tai yksinkertaisesti maan vetovoiman avulla tyhjentyvä täyttövesisäiliö valimon yllä. [6] 2.3.3 Uunien häviöt jäähdytysveteen Kuvassa 6 on esitetty tyypillisen induktioupokasuunin energiatase. Uunin hyötysuhde eli panoksen sulatukseen käytettävän energian osuus on tavallisesti noin 70 %. Loppuenergia poistuu systeemistä kuparikelan jäähdytysveden mukana lämpönä, sähköhäviöinä tehonsyöttöyksikössä sekä muina lämpöhäviöinä ympäristöön. Jäähdytysveteen siirtyy lämpöä kelan ja kaapelien sähköisissä häviöissä sekä sulasta vuorauksen läpi johtumalla. Jäähdytysveden lämmön osuus uunista poistuvasta energiasta on tavallisimmin 20 %. [7] Kuva 6. Induktiouunin energiahäviöt [3, muokattu]. 8

Jäähdytysveteen uunista siirtyvä lämpöteho voidaan laskea kaavalla Φ = m h(t) &, (2) missä m& on veden massavirta ja h(t) uuniin tulevan ja siitä lähtevän veden ominaisentalpioiden erotus. Ominaisentalpian arvot erilämpöiselle vedelle on taulukoitu. [13] Jos esimerkiksi jäähdytysveden tilavuusvirta (V & ) uunin kelan läpi on 500 litraa minuutissa, ja vesi tulee kelaan 35 C ja lähtee 70 C lämpötilassa, saadaan veteen siirtyväksi lämpötehoksi 0,5m Φ = ρv & h T) = 60s kg 1000 m ( 3 3 (293,5 kj kg kj 146,1 ) = 1,23MW kg Tehonsyöttöyksikön elektronisten komponenttien omaan jäähdytyskiertoon siirtyy myös jatkuvasti lämpöä uunin ollessa käytössä. Veden massavirta voi olla samaa suuruusluokkaa kuin uunin jäähdytyskierrossa, mutta sen lämpötilavaihtelu on huomattavasti pienempää. Lämpötila ei tavallisesti korkeimmillaankaan nouse yli 40 celsiusasteeseen, joten lämmön talteenotto ei ole juuri koskaan kannattavaa tai edes mahdollista. [8] 9

3 MAHDOLLISUUDET JÄÄHDYTYSKIERRON ENERGIATEHOKKUUDEN PARANTAMISEKSI 3.1 Lämmön talteenoton kannattavuudesta Lämmöntalteenottojärjestelmien kannattavuutta voidaan arvioida erilaisten talouslaskelmien avulla. Talteenottokustannuksia, eli lähinnä investointeja, verrataan laskelmissa vaihtoehtoisiin lämmitysjärjestelmiin, kuten esimerkiksi öljylämmitykseen. Energian hinnan voidaan katsoa nousevan varmasti myös tulevaisuudessa, joten tämänhetkisillä hinnoilla lasketuissa rajatapauksissa investoinnit ovat todennäköisesti kannattavia. Jos jäähdytysveden lämpö hävitetään suoraan ympäristöön, hukataan prosessissa suuria energiamääriä. Käytännössä lähes kaikissa uusissa uuneissa lämpöä otetaan jollain menetelmällä talteen, ja usein myös käytössä olevien järjestelmien parantaminen on kannattavaa energiansäästöjen myötä. [7] Ympäristön lämpötila vaikuttaa paljon valittavaan jäähdytyskiertojärjestelmään. Lämpimän ilmaston maissa ei välttämättä ole juurikaan tarvetta lämmöntalteenotolle, sillä lämmityskulut eivät muodosta suurta osaa laitoksen energiankulutuksesta. Sen sijaan ongelmaksi tällöin voi muodostua lämmön tarpeeksi tehokas poistaminen jäähdytysvedestä. Suomessa suuret vuodenaikojen väliset vaihtelut ilmastossa asettavat haasteen jäähdytysjärjestelmälle: Talvisin lämmityksen tarve on suurta, jolloin lämmöntalteenotto piiristä voi olla hyvinkin kannattavaa, mutta sekään ei usein yksin riitä kattamaan koko lämmöntarvetta, vaan lisälämmitystä tarvitaan. Kesäisin taas sisäilmaa valimotiloissa ei juuri lämmitetä ja käyttövedenkin lämmitys on vähäisempää, jolloin lämpö pitää saada poistettua muilla keinoin jäähdytyspiiristä. Lämmön siirtäminen ympäristöön on lämpiminä aikoina myös ongelmallista, sillä ulkoilma tai vesi ei ole riittävän viileää jäähdyttääkseen vesikiertoa tarpeeksi. Tällöin joudutaan käyttämään muuta lisäjäähdytystä. Lämmöntalteenottoon investoitaessa on otettava huomioon, että sillä ei juuri voida korvata muuta jäähdytysjärjestelmän laitteistoa. Talteenoton lisäksi tarvitaan aina myös jokin toinen koko lämpökuormalle mitoitettu tapa poistaa lämpöä jäähdytyskierrosta, sillä talteenotettavalle lämmölle ei ole jatkuvaa tarvetta. Kun valimossa käytetään hyväksi jäähdytysvedestä talteenotettua lämpöä, on myös otettava huomioon tilanteet, joissa uuni ei ole käytössä eli hukkalämpöä ei synny. Tällöin lämpöenergia talteenottolämmön käyttökohteeseen, esimerkiksi käyttöveden lämmitykseen, on voitava tuottaa jollain muulla lämmitysjärjestelmällä. Lämmöntalteenotolla ei voida siis säästää juurikaan muissa laitteistoinvestoinneissa, mutta sillä voidaan pienentää valimon lämmityskustannuksia käytön aikana. Myös jäähdytysjärjestelmän rakenteelliset ominaisuudet vaikuttavat lämmöntalteenoton kannattavuuteen. Mitä suurempi lämpötilaero ( T) uuniin menevällä ja sieltä ulos tulevalla vedellä on, sitä kannattavampaa on lämmöntalteenotto. Joissain uuneissa jäähdytysveden massavirta voi olla mitoitettu suureksi, jolloin lämpötilaero on vastaavasti pienempi. Tällöin veden mukana uunista siirtyvä lämpömäärä on yhtä suuri, mutta talteenotossa käytettävä lämmönvaihdin tulisi mitoittaa huomattavasti isommaksi saman lämpötehon siirtämiseksi hyötykäyttöön. Mikäli kelaveden lämpötila uunista poistuttaessa on lisäksi lähellä lämmitettävän kohteen lämpötilaa (esim. käyttövesi 55 C), ei sitä voida käyttää hyväksi tämän lämmityksessä. 10

Seuraavissa osioissa käsitellään tarkemmin jäähdytysveden hukkalämmön hyötykäyttöä valimoilman ja käyttöveden lämmittämiseen sekä romun kuivaukseen. Näihin toimintoihin kuluvien energiaosuuksien suuruusluokkaa koko valimon energiankulutuksesta on hahmoteltu kuvan 7 diagrammissa. Osa kulutettavasta energiasta on sähköä ja osa polttoprosesseissa vapautuvaa lämpöä. Lämmityksen ja ilmastoinnin osuuteen on laskettu mukaan myös ilmastoinnissa muun muassa ilman puhallukseen kulutettava käyttöenergia. Kuitenkin energiavirroista huomaamme, että ilmastoinnin ja lämmityksen osuus on huomattavasti käyttöveden lämmitykseen tai romun kuivaukseen käytettävää energiamäärää suurempi. Kuva 7. Eri toimintoihin kuluvia energiaosuuksia valimon kokonaiskulutuksesta [14]. 3.2 Valimohallin ilman lämmitys Valimoiden ilmastointiin ja lämmitykseen käytetään tavallisesti n. 30 % koko valimossa kulutetusta energiasta. Patterilämmitystä käytetään yleensä ainoastaan konttoreissa ja sosiaalitiloissa, ja tuotantotiloihin lämpö tuodaan tulo tai kiertoilman mukana puhaltamalla. [14] Uunin jäähdytysveden hyötykäyttö valimotilojen lämmityksessä säästää huomattavasti energiaa ja tuo näin säästöjä, vaikka lämmitykselle ei olisi tarvetta ympärivuotisesti. Muihin talteenottojärjestelmiin verrattuna ilman lämmitykseen liittyvät investoinnit tulevat useimmiten myös edullisemmiksi [7], ja halli ilman lämmitys onkin yleisin tapa hyödyntää jäähdytysveden hukkalämpöä. Ilmanvaihtokerroin hallissa on suuri tarpeeksi hyvän ilmanlaadun varmistamiseksi [7], ja lämpöä karkaa myös usein avoinna olevien ovien kautta [8]. Erityisesti talvisin valimoilman lämmitykseen kuluu runsaasti energiaa. Hallitiloja voidaan lämmittää esimerkiksi öljyllä tai puuhakkeella, joiden poltossa syntyvä lämpöenergia siirretään valimoon puhallettavaan tuloilmaan. Uunin jäähdytysveden hukkalämmöllä voidaan pienentää lämmitykseen käytettävän energian kulutusta. Kylminä aikoina tuloilmaa on lämmitettävä useita kymmeniä asteita, ja jäähdytysveden lämpö saadaankin usein riittämään lähinnä ilman esilämmitykseen. Kun lämmöntalteenottoa jäähdytysvedestä ei käytetä hyväksi, lämmitetään hallitilaa vesikeskuslämmityksellä. Tällöin lämpö tuotetaan kattilassa, jossa poltetaan esimerkiksi 11

raskasöljyä tai puuhaketta. Lämpö voidaan tuottaa myös sähkökattilalla, mutta suuren hallin lämmityksessä sähkölämmitys ei ole nykyisillä sähkön hinnoilla kannattavaa. [15] Sähköllä tuotetun lämmön hinnaksi tulee n. 70 /MWh, kun öljyllä tai puuhakkeella vastaava hinta on n. 50 /MWh [17,18]. Tuotettu lämpö siirretään kattilasta vesikeskuslämmityksen avulla halliin puhallettavaan tuloilmaan. Uunin jäähdytysveden lämpöä voidaan käyttää hyväksi siirtämällä sitä valimohallin tuloilmaan vesi ilma lämmönvaihtimella. Ulkoa johdettava suodatettu ilma puhalletaan läpi ritiläkennostosta, jonka sisällä kulkeva jäähdytysvesi luovuttaa sille lämpöä. Mikäli ulkolämpötila on korkea, saattaa jäähdytysvesi jäädä liian lämpimäksi lämmönvaihtimen jälkeen. Ylimääräinen lämpö voidaan siirtää kelavedestä pois verkkovesijäähdytteisellä lämmönvaihtimella. Kuvassa 8 on esitetty periaatekuva ilman lämmitysjärjestelmästä. Kuva 8. Valimon tuloilman lämmitys jäähdytyskierron lämmöntalteenotolla. Talvisin ulkoilman lämpötila saattaa olla tarpeeksi matala jäädyttääkseen lämmönvaihtimessa kulkevan veden. Tämän vuoksi lämpö siirretään ilmaan erillisestä piiristä, jonka veteen on lisätty glykolia. Glykoli alentaa veden sulamispistettä, ja esimerkiksi 40 % seoksella sulamispiste on 25 C [19]. Glykolivesiseoksen lämmönsiirtoominaisuudet ovat puhdasta vettä heikommat, ja tämän vuoksi sitä ei käytetä suoraan kelan jäähdytteenä. Kylmissä lämpötiloissa glykolivesiseos muuttuu lisäksi jähmeämmäksi, joten sen pumppaaminen vaatii enemmän tehoa. Kuvan 9 diagrammissa on kuvattu glykolin vaikutus veden ominaislämpökapasiteettiin 40, 50 ja 60 % seoksilla. 12

4300 Ominaislämpökapasiteetti Cp (J/kgK) 4100 3900 3700 3500 3300 3100 2900 2700 2500 60 40 20 0 20 40 60 80 100 Lämpötila T (C) vesi glykoli 40 % glykoli 50 % glykoli 60 % Kuva 9. Glykolin vaikutus veden ominaislämpökapasiteettiin [19]. Toinen keino estää veden jäätyminen on ulkoilman esilämmitys esimerkiksi öljykiertoisella lisälämmityksellä. Tällöin uunin jäähdytysvedestä ilmaan siirtyvä lämmön määrä pienenee, mutta vesi ei pääse jäätymään. Lämmöntalteenottojärjestelmän investoinnit ovat usein kohtalaisen pieniä sisäilman lämmityksessä, sillä lämpö voidaan siirtää ilmaan samanlaisella lämmönvaihtimella, jota valimoissa tavallisesti käytetään lämmön poistamiseen jäähdytyspiiristä. 3.3 Valimon käyttöveden lämmitys Lämmintä käyttövettä tarvitaan valimossa ympäri vuoden, ja tämän vuoksi jäähdytysvedestä talteenotettavan lämmön käyttö sen lämmittämiseen on kannattava ratkaisu. Sulaton henkilökunnan lämpimän veden käytöksi voidaan arvioida 120 litraa 55 C vettä henkilöä kohden päivässä. Tämä lämpö voidaan helposti saada jäähdytysveden hukkalämmöstä, ja veden lämmityksen jälkeen lämpöä saattaa riittää muihinkin tarkoituksiin. [2] Käyttövedestä suurin osa kuluu työntekijöiden suihkukäynneissä, jotka ajoittuvat työvuorojen loppuun. Tällöin sulatusuuni ei välttämättä ole enää käytössä, jolloin sen hukkalämpöä ei ole suoraan käytettävissä. Jäähdytysvedestä talteenotettu lämpö tulee siis johtaa varaajaan, johon lämpöä varastoidaan ennen käyttöä. Näin saadaan myös kulutusvaihtelujen aiheuttamia muita lämmöntarvepiikkejä tasattua. Uunin ollessa pidempiä aikoja poissa käytöstä on käyttövettä voitava lämmittää jollakin toisella lämmitysjärjestelmällä. 13

3.4 Romun kuivaus ja esilämmitys Induktiouunin panos koostuu rautaharkoista ja erilaisesta romusta, jotka sisältävät usein kosteutta. Kylmissä olosuhteissa valimoon kuljetettava romu saattaa jopa olla jäistä. Sulatusuuniin joutuva märkä tai kostea romu aiheuttavat veden höyrystyessä sulan metallin räiskymistä. Kostea romu voi aiheuttaa sulaan panostettaessa myös räjähdyksiä, jotka aiheuttavat turvallisuusriskin valimon työntekijöille ja saattavat vaurioittaa uunia ja lähiympäristössä olevia rakenteita. Romun kuivaaminen onkin tärkeä toimenpide sulaton työturvallisuuden parantamiseksi. [6] Erityisesti verkkotaajuusuuneissa romun kuivaaminen ennen sulatusta on välttämätöntä, sillä niissä panostusta ei aloiteta tavallisesti kylmässä upokkaassa, vaan romua panostetaan valmiiksi sulan metallin sekaan. [7] Keskitaajuusuuneissa lievästi kostea romu voi ehtiä kuivua kuumennuksen alkuvaiheessa tai myöhemmin romua lisättäessä uunin yläosassa ennen sulan sekaan joutumista. Kuitenkin myös keskitaajuusuuneilla romun kuivaus ja esilämmitys on suositeltavaa. Perinteisesti romua kuivataan ja esilämmitetään kaasupolttimoilla varustetulla lämmityshuuvalla, jonka ali romu kuljetetaan panostusvaunussa ennen uuniin menoa. Tunnelissa myös osa romun pintaan kertyneestä liasta palaa pois. Puhtaamman, esilämmitetyn romun sulattaminen uunissa vie vähemmän aikaa, ja vaatii näin myös vähemmän energiaa ja mahdollistaa suuremmat tuotantomäärät. [10] Jäähdytysveden mukana uunista kulkeutuvaa lämpöä voidaan käyttää hyväksi romun kuivaamisessa. Uunista kulkeutuva lämpö siirretään tällöin vesi ilma lämmönvaihtimella ilmaan, jota puhalletaan huuvalla panostusvaunun romuun. Lämminilmapuhalluksella romun lämpötila saadaan nostettua yleensä korkeintaan 20 celsiusasteeseen, joten sulatusaikaa ei tällä menetelmällä voida juurikaan lyhentää. [8] Eräs tapa käyttää jäähdytysveden lämpöä romun kuivaukseen on rakentaa romusäiliön pohjan alle putkisto, jossa kiertää jäähdytysvesikierrolla lämmitetty vesi. Pohjan alta nouseva lämpö sekä romun läpi puhallettava ilma kuivattavat ja esilämmittävät romua säiliössä. Tämän järjestelmän ongelma on, että putket tulisi rakentaa hyvin lähelle säiliön pohjan pintaa, jotta lämpöä siirtyisi romuun tarpeeksi tehokkaasti. Raskaat romut vaurioittavat herkästi pinnassa olevaa putkistoa pudotessaan säiliöön. [8] Romunkuivausjärjestelmien ongelmaksi muodostuu usein investointien suuruus. Esimerkiksi äsken mainitussa järjestelmässä romunkuivausta varten tulisi rakentaa laaja putkisto romusäiliön alle, ja käytössä olevan säiliöiden yhteyteen rakennettava uusi kuivausjärjestelmä vaatisi käytännössä koko tuotannon keskeyttämistä. Romun kuivaukseen kulutettava energiamäärä on valimossa suhteellisen pieni, joten jäähdytysveden lämmöntalteenoton käyttöönottokustannukset kohoavat helposti liian korkeiksi. 14

3.5 Useiden uunien ja talteenottojen ratkaisut Kuten kohdassa 3.1 todettiin, jäähdytysveden lämmön talteenotossa muodostuu helposti ongelmaksi riittävä lämmön saatavuus, ja toisaalta ajoittain kelaveden jäähdytyksen riittävä tehokkuus. Kun uuni ei sulata, joudutaan talteenotettavan lämmön käyttökohteeseen tuottamaan lämpöä muilla keinoilla. Mikäli uunin käyttökerroin on pieni, joudutaan vaihtoehtoisiin energialähteisiin turvautumaan usein, ja näin lämmöntalteenotto saattaa olla kannattamaton ratkaisu. Useiden uunien yhdistäminen samaan jäähdytyskiertoon tasoittaa lämpövirtojen vaihteluita ja saattaa näin parantaa myös lämmön talteenoton kannattavuutta [2]. Tällöin kylmä jäähdytysvesi jaetaan kulkemaan jokaisen sulattavan uunin kelan läpi, ja uunien jälkeen vesivirrat yhdistetään jälleen ja kuljetetaan eteenpäin lämmönvaihtimille [12]. Yhdistettäessä useita uuneja samaan vesikiertoon laskee uuneilta tulevan veden lämpötila kuitenkin melko alhaiseksi, mikäli vesi kiertää samanaikaisesti myös niiden uunien kautta, joissa sulatus ei ole käynnissä. Rinnakkaiset uunit ovat tavallisimmin sulatuskäytössä vuorotellen, ja sulatusten välillä toisessa uunissa kiertää jäähdytysvesi, jolla poistetaan vuoraukseen varautunutta lämpöä. Tämän veden lämpötila ei nouse paljon kelassa, ja yhdistettäessä se sulattavan uunin kelaveden kanssa saadaan lämmöntalteenottoon liian kylmää vettä. Kun jäähdytysveden lämpötila nousee riittävän korkeaksi kelassa, saattaa sen mukana kulkeutuva energiamäärä riittää useampaankin talteenottoratkaisuun. Esimerkiksi käyttöveden lämmityksen jälkeen jäähdytysveteen saattaa jäädä vielä ylimääräistä lämpöä, jota voitaisiin viileinä aikoina käyttää valimon sisäilman lämmitykseen. Usean lämmöntalteenoton ratkaisuissa valitaan lämmölle jokin pääkäyttökohde, jonka lisäksi mahdollistetaan sen käyttö myös toisessa kohteessa. Käyttöveden lämmitys voisi olla hyvä ensisijainen käyttökohde, sillä lämmintä käyttövettä tarvitaan ympärivuotisesti [12]. Myös usean lämmöntalteenoton ratkaisuissa on kuitenkin muistettava, että talteenotoilla ei voida juuri koskaan korvata normaalia jäähdytysjärjestelmää, vaan jäähdytyspiirissä on aina oltava vaihtoehtoinen keino tarvittaessa koko lämpömäärän poistamiseen. Investoitaessa useampaan talteenottoon kustannukset kohoavat helposti liian korkeiksi. 3.6 Esimerkkejä valimon ulkopuolisista käyttökohteista Uunin jäähdytysveden lämpöä on mahdollista käyttää myös valimon ulkopuolisissa kohteissa. Tällöin uunin kelan jäähdytysvesikierrosta siirretään ensin lämpö toiseen, glykolia sisältävään vesikiertoon, jonka mukana lämpö kulkee valimosta ulos kohteeseen, jossa se siirretään haluttuun käyttöön. Lämmityskohteena voisivat esimerkiksi toimia läheisen kasvihuoneen, asuintalon tai vaikkapa uima altaan lämmitys. Jäähdytysveden mukana kulkeutuva lämpömäärä on kuitenkin sen verran rajallinen, ettei sitä kannata kuljettaa kauas, vaan käyttökohteiden tulisi sijaita mieluiten kymmenien metrien päässä sulatusuunista. Valimohallien välittömästä läheisyydestä harvemmin löytyykään sopivia käyttökohteita lämmölle. 15

4 ESIMERKKITAPAUS: 8t RAUTASULATUSUUNI 4.1 Uunin perusrakenne ja ympäristö Esimerkkitapauksena tutkittava induktiosulatusuuni on kahdeksan tuhannen kilon panosta sulattava rautasulatusuuni. Uuni toimii 5000 kw teholla, ja sulatus tapahtuu yhdessä upokkaassa. Valimo on toiminnassa 250 päivänä vuodessa, ja uunin oletetaan olevan sulatuskäytössä 240 päivänä. Työntekijöiden määrä valimon tuotantotiloissa on n. 100, ja töitä tehdään kahdessa vuorossa. Yksi sulatussykli uunissa kestää noin kaksi tuntia. Ensimmäisen tunnin aikana tapahtuu itse sulatus, ja seuraavan tunnin aikana kaato sekä muut jälkitoimenpiteet ja valmistelut uuteen sulatukseen. Sulatuksen aikana uunin voidaan olettaa toimivan aina täydellä teholla, ja sen jälkeen 10 % maksimitehosta uunin vuoraukseen varastoituneen lämmön vuoksi. Uuni on käytössä kahdessa vuorossa, ja molempien vuorojen aikana ehditään sulattaa tavallisesti neljä panosta. Jäähdytysveteen lämpöä siirtyy siis koko työpäivän ajan. Uuni sijaitsee Keski Suomessa, jossa ulkoilman lämpötilan voidaan olettaa nousevan kesällä korkeimmillaan +25 celsiusasteeseen ja talvisin laskevan alimmillaan 30 asteeseen. Näin isot lämpötilavaihtelut asettavat suuren haasteen jäähdytysjärjestelmälle ja lämmöntalteenotolle. Kuten kohdassa 3.1 todettiin, ei lämmöntalteenottojärjestelmä voi korvata muita investointeja, vaan vaihtoehtoinen jäähdytysjärjestelmä uunin kelavedelle on aina oltava olemassa. Käyttämällä hyödyksi talteenotettua lämpöä voidaan sen sijaan säästää valimon lämmityskuluissa, ja näin investoinnit talteenottolaitteistoon maksavat itsensä ajan kuluessa takaisin. Poikkeuksena on hallin ilman lämmitys, jossa voidaan käyttää samaa lämmönvaihdinta kuin normaalissa jäähdytyspiirin jäähdytyksessä. Seuraava osa käsittelee uunin jäähdytyskiertoa ilman lämmöntalteenottoa. Osassa 4.3 tarkastellaan lämmön talteenottoa halli ilman ja käyttöveden lämmittämiseen, sekä vertaillaan eri ratkaisujen kustannuksia ja kannattavuutta. Kustannuslaskelmissa on tehty paljon yksinkertaistuksia, ja niiden onkin tarkoitus olla suuntaa antavia arvioita lämmöntalteenoton kannattavuudesta. 16