teollisuuden energiatekniikka peruskaavat ja käsitteet ... · aalto-yliopisto/ energiatalous ja...

Teollisuuden energiatekniikka

Peruskaavat ja – käsitteet

Versio 2011

Tukimateriaali on tarkoitettu tueksi kursseille: Ene-59.4101 Teollisuuden

energiatekniikka, Ene-59.4102 Energiantuotanto ja -käyttö teollisuudessa ja

Ene-59.4135 Teollisuuden käyttöhyödykejärjestelmät

Aalto-yliopisto/ Energiatalous ja voimalaitostekniikka Teollisuuden energiatekniikka/ Peruskaavat ja –käsitteet Versio 2011

2

Sisällysluettelo

1. Perusvoimalaitostyypit .................................................................................................... 4

1.1. Lauhdutusvoimalaitos .............................................................................................. 4

1.2. CHP-laitos ................................................................................................................ 4

1.3. Kombivoimalaitos .................................................................................................... 4

2. Peruslaskentaa ................................................................................................................. 5

2.1. Peruskaavoja ............................................................................................................ 5

2.2. Höyryn entalpia ........................................................................................................ 6

2.3. Veden entalpia ......................................................................................................... 6

2.4. Veden höyrystymislämpö/ höyryn lauhtumislämpö ................................................ 6

3. Voimalaitosprosessin peruslaskentaa.............................................................................. 7

3.1. Turbiini .................................................................................................................... 7

3.2. Kompressori/ pumppu .............................................................................................. 7

3.3. Prosessi .................................................................................................................... 8

3.4. Syöttövesisäiliö ........................................................................................................ 8

3.5. Syöttöveden pintaesilämmitin .................................................................................. 9

3.6. Höyrylieriö ............................................................................................................... 9

3.7. Tulistus ................................................................................................................... 10

3.8. Höyrynerotin .......................................................................................................... 10

3.9. Turbiinin nettosähköteho ....................................................................................... 10

3.10. Polttoaineteho ...................................................................................................... 11

3.11. Polttoaineen lämpöarvo ....................................................................................... 11

3.12. Polttoainekustannus ............................................................................................. 11

3.13. CHP- laitoksen hyötysuhde.................................................................................. 12

3.14. CHP- laitoksen rakennusaste ............................................................................... 12

3.15. Lauhdevoimalan hyötysuhde ............................................................................... 12

3.16. Pumput ja puhaltimet ........................................................................................... 13

3.16.1 Pumpun ja puhaltimen kokonaisnostokorkeus............................................... 13

3.16.2 Pumpun tai puhaltimen pyörimisnopeuden säätö .......................................... 13

3.16.3. Pumpun/puhaltimen akseliteho ..................................................................... 14

3.17. Kostea ilma .......................................................................................................... 15

3.17.1. Ilman suhteellinen kosteus ............................................................................ 15

3.17.2. Absoluuttinen kosteus ................................................................................... 15

3.17.3. Kostean ilman entalpia .................................................................................. 15

3.17.4. Märkälämpötila ............................................................................................. 15

3.17.5. Kastepiste ...................................................................................................... 16

3.17.6. Lisätietoa ....................................................................................................... 16

3.18. Lämmönsiirrin...................................................................................................... 16

3.18.1. Lämmönsiirtimiin liittyviä yleisiä kaavoja ................................................... 17

3.18.2. Lämmönsiirtimen asteisuus .......................................................................... 18

3.19. Lämpöpumppu ..................................................................................................... 18

3.20. Kaasuturbiini ........................................................................................................ 21


3

3.21. Normaaliolosuhde ................................................................................................ 22

4. Investoinnin kannattavuuden arviointi .......................................................................... 23

4.1. Nettonykyarvo........................................................................................................ 23

4.2. Annuiteettimenetelmä ............................................................................................ 23

4.3. Takaisinmaksuaika ................................................................................................. 24

4.4. Sisäinen korko ........................................................................................................ 24

5. Energian hinnoittelu ...................................................................................................... 24

6. Selityksiä ....................................................................................................................... 25

7. Liitteet ........................................................................................................................... 27


4

1. Perusvoimalaitostyypit

1.1. Lauhdutusvoimalaitos

Lauhdutusvoimalaitos/lauhdevoimalaitos.

Lauhdutusvoimalaitoksessa tuotetaan vain sähköä. Noin 40 – 50 % polttoaine-energiasta

saadaan sähköksi. Loppu energiasta poistuu savukaasujen mukana ja jätelämpönä pois

prosessista. Esimerkiksi Suomessa turbiinilta tuleva höyry lauhdutetaan usein suoraan

luonnonvesistöön, koska lauhduttimelta saatava lämpö olisi hyvin matalalämpöistä ja

siten ei hyödynnettävissä. Lauhdutusvoimalaitoksen nimi juontaakin lauhduttimesta.

Lauhdutusvoimalaitoksessa turbiinin jälkeisenä paineena on lauhduttimen paine

(määräytyy jäähdytysveden lämpötilaeron mukaan).

1.2. CHP-laitos

CHP eli Combined Heat and Power/ Yhdistetty sähkön ja lämmön tuotanto/ Vastapaine-

voimalaitos.

CHP-laitoksella tuotetaan sekä sähköä että lämpöä. Turbiinilta tulevalla höyryllä

tuotetaan kaukolämpöä tai prosessilämpöä, muihin sitä tarvitseviin prosesseihin. CHP-

laitoksessa saavutetaan korkeampi kokonaishyötysuhde kuin lauhdutusvoimalaitoksissa.

Vastapaine tarkoittaa vastapaine-turbiinin jälkeistä painetta. Jos on kyse

kaukolämmöntuotannosta, riippuu vastapaineen suuruus halutusta

kaukolämpömenoveden lämpötilasta. Tällöin höyry on lauhdutettava korkeammassa

paineessa kuin lauhdutusvoimalaitoksessa, jotta haluttu lämpötilataso saavutetaan

kaukolämmölle. Kun kyse on lämmön viennista prosessiin, voidaan esimerkiksi turbiinin

väliotolta ottaa lämpö sitä tarvitsevaan prosessiin. CHP-laitoksia on olemassa myös

lauhdeperällä (matalapaineturbiini) varustettuja laitoksia, joissa esimerkiksi kaukolämpö

otetaan turbiinin väliotolta ja turbiinin jälkeen on kytketty suoraan lauhdeperä. Tällöin

saadaan tuotetuksi kaukolämmön lisäksi sähköä sekä kaukolämmöksi menevästä

energiavirrasta että lauhdeperään menevästä virrasta. Lauhdeperää käytetään siis silloin,

kun kaukolämmön kulutus on vähäistä, jolloin voidaan ohjata höyryä enemmän

lauhdeperän läpi siten tuottaen enemmän sähköä.

CHP-laitoksessa optimoidaan sähkön- ja lämmöntuotantoa tarpeen mukaan. Esimerkiksi

sähkön tuottamisen lisäämiseksi voidaan väliottohöyryn määrää pienentää, jolloin

saadaan isompi höyryn massavirta turbiinin läpi. Mikäli lämpöä tuotetaan yli tarpeen,

voidaan se varastoida esimerkiksi lämpöakkuun.

1.3. Kombivoimalaitos

Kaasuturbiini muodostuu kompressorista, polttokammiosta, turbiinista ja generaattorista.

Polttokammioon menevän ilman painetta nostetaan kompressorilla ja polttokammiosta

tuleva savukaasu johdetaan turbiinille, jolloin sen paine ja lämpötila laskevat. Turbiinilta


5

saadulla energialla pyöritetään kompressoria ja generaattoria. Kaasuturbiinilla tuotetaan

siten sähköä. Kaasuturbiinissa käytetään polttoaineena usein maakaasua. (kts. kpl 3.20.)

Kombivoimalaitos muodostuu yllä esitetystä kaasuturbiinista ja höyrypiiristä. Tässä

yhdistelmässä kaasuturbiinin jälkeen savukaasut johdetaan jätelämpökattilaan/ LTO-

kattilaan, jossa savukaasuista saadaan vesi-höyrykiertoon energia. Jätelämpökattilassa

syöttövesi kulkeutuu ekonomaiserin (esilämmitys) kautta höyrystimelle ja tulistimelle,

jonka jälkeen höyryvirta ohjataan turbiinille, josta jälleen saadaan tuotetuksi sähköä.

Höyryturbiinilaitoksesta voidaan toki myös tuottaa lämpöä esimerkiksi prosessiin.

2. Peruslaskentaa

2.1. Peruskaavoja

Teho:

hm

tcm p

Tilavuusvirta:

vmV ,

missä v on ominaistilavuus.

Tiheys:

V

m ,

missä m on massa ja V tilavuus.

Ympyrän ala: 2rA

Suoran ympyrälieriön vaipan ala:

hrA 2

Putken virtausala:

w

VA

, missä V on tilavuusvirta ja w on virtausnopeus [m/s].

Ainemäärä:

M

mn ,

missä m on massa ja M moolimassa.


6

2.2. Höyryn entalpia

Liitteenä oleva piirros on vesihöyryn h,s-piirros. Piirroksessa nähdään kylläisen höyryn

käyrä keskellä. Sen alapuolella on ns. märkää höyryä, jonka entalpia voidaan laskea

kaavalla:

)(')1()('' thxtxhh ,

missä x on kylläisen höyryn osuus, h´´(t) on kylläisen höyryn entalpia ja h´(t) on

kylläisen veden entalpia lämpötilassa t.

Kylläisen käyrän yläpuolella olevaa höyryä kutsutaan tulistetuksi höyryksi:

),('')(''),( 111 ttcthpth p

,1p kylläisen vesihöyryn taulukko => t,

''pc vesihöyryn ominaislämmön keskiarvo välillä .1 tt

2.3. Veden entalpia

Veden entalpia voidaan lukea veden h,s-piirroksesta tai laskea kaavalla:

)(')(')(')(' tpptvthhthh s ,

missä h´ on kylläisen veden entalpia lämpötilassa t, v´ on kylläisen veden ominaistilavuus

ja p´ on kylläisen veden paine lämpötilassa t.

Nesteillä paineen vaikutus entalpiaan on hyvin pieni, joten likiarvoisesti veden entalpia:

tcthh p )('

2.4. Veden höyrystymislämpö/ höyryn lauhtumislämpö

Veden höyrystymislämpö voidaan laskea kaavalla:

)(')('' ththr

Höyrystymislämpö kuvaa sitä energiamäärää, joka tarvitaan yhden vesikilon

haihduttamiseksi. Lauhtumislämpö = höyrystymislämpö.


7

3. Voimalaitosprosessin peruslaskentaa

3.1. Turbiini

Turbiinissa tulistettu höyry paisuu ja sen lämpötila laskee, jolloin

höyryn virtausnopeus kasvaa ja lämpöenergiaa saadaan muutetuksi

mekaaniseksi energiaksi. Turbiinin generaattorissa saadaan

muutettua liike-energia sähköksi. Usein voimalaitoksen turbiini

koostuu todellisuudessa useista turbiineista (pesistä):

korkeapaineturbiini, välipaineturbiini ja matalapaineturbiini

(kutsutaan myös lauhdeturbiiniksi tai lauhdeperäksi). Turbiinien

välissä voi olla höyryn väliotto, jota voidaan käyttää esimerkiksi

prosessiin tai syöttöveden esilämmitykseen. Turbiinissa kulkevan

höyryn tulee olla aina kylläistä, sillä mahdolliset vesipisarat vaurioittavat turbiinia.

Paisunnan isentrooppinen hyötysuhde:

s

Shh

hh

21

21

3.2. Kompressori/ pumppu

Virtauksen painetta kasvatetaan puristamalla.

Puristuksen isentrooppinen hyötysuhde:

12

12

hh

hh sS


8

3.3. Prosessi

Prosessiin siirretään lämpö höyrystä, jolloin höyry lauhtuu

vedeksi. Voidaan olettaa lauhteen olevan täysin kylläistä vettä

(todellisuudessa lauhteen tila mitataan).

3.4. Syöttövesisäiliö

Syöttövesisäiliö eli SYVE (sekoitusesilämmitin) toimii syöttöveden esilämmittimenä.

Siinä turbiinilta tuleva väliottohöyry sekoitetaan lauhduttimelta/ prosessilta/

kaukolämmönvaihtimelta tulevaan virtaan. Lauhduttimelta tulevan virran paine on

nostettava pumpulla samaan korkeampaan paineeseen kuin mikä väliottohöyryllä on.

Väliottohöyry lauhtuu välioton paineessa syöttövesisäiliössä, jolloin syöttövesi lämpiää.

Syöttövesisäiliöstä lähtee ideaalitapauksessa kylläinen vesi takaisin kattilaan.


9

3.5. Syöttöveden pintaesilämmitin

Syöttöveden pintaesilämmitin on tavallinen lämmönsiirrin, jossa virrat eivät sekoitu

keskenään. Väliottohöyry poistuu esilämmittimestä kylläisenä vetenä välioton paineessa.

Väliottohöyryn lauhteen paine voidaan nostaa pumpulla kattilaveden paineeseen.

Voimalaitoksessa näitä pintaesilämmittimiä on silloin useita. On olemassa muitakin

menetelmiä kierrättää väliottohöyryn lauhde. Asteisuus syöttöveden pintaesilämmittimillä

on väliottohöyryn tulolämpötilan ja syöttöveden lähtölämpötilan erotus.

3.6. Höyrylieriö

Höyrylieriö sijaitsee

voimalaitoksessa kattilassa.

Höyrylieriö toimii vesi-

höyry-säiliönä.

Perustapauksessa

höyrylieriöön tulee syöttövesi

ekonomaiserin kautta, jossa

syöttövesi esilämpiää.

Kattilan polttoprosessissa

syntynyt lämpö höyrystää

vettä höyrylieriötä apuna

käyttäen. Lopuksi

höyrylieriöstä lähtee höyry

tulistimille, jossa höyryä

lämmitetään vielä yli sen

kylläisen tilan. Tulistettu

höyry johdetaan tämän

jälkeen turbiinille. Yleensä

voidaan olettaa, että

höyrylieriössä on kylläistä

vettä ja kylläistä höyryä. On

kuitenkin mahdollista, että tulistimelle lähtevä höyry sisältää vielä hiukan vettä.

Kuva on oppikirjasta Lämpövoimaprosessit (Wiksten Ralf, Otatieto)


10

3.7. Tulistus

Kattilan höyrylieriöstä lähtee höyry tulistimille, jossa höyryä lämmitetään vielä yli sen

kylläisen tilan. Tulistettu höyry johdetaan tämän jälkeen turbiinille. Tosin tulistimilta

tulevan höyryn ja turbiinin välissä on vesiruiskutuksia, joilla säädetään höyryn lämpötila

tarkasti sopivaksi turbiinille (ruiskutuksilla saavutetaan täyden tulistuksen lämpötila

laajemmalla toiminta-alueella (esimerkiksi 70- 100 % kuormilla)). Ruiskutuksilla

turvataan myös kattilan käytettävyys esimerkiksi materiaalivalinnat. Viimeisellä

tulistuksella ennen turbiinia estetään ruiskutusveden pääsy turbiinille. Tulistuksen

säätöön käytetty ruiskutus on halpa, käyttövarma ja yksinkertainen menetelmä.

3.8. Höyrynerotin

Höyrynerottimella/ paisuntasäiliöllä/ paisunta-

astialla voidaan höyrystää osa siihen tulevasta

kylläisestä vedestä. Paine ennen

höyrynerotinta (p*) on suurempi kuin itse

höyrynerottimen paine (p), jolloin osa vedestä

höyrystyy paineen laskiessa.

Höyrynerottimesta saadaan kylläistä vettä ja

kylläistä höyryä/paisuntahöyryä, josta voidaan

ottaa lämpö vielä talteen esimerkiksi

lämmönsiirtimellä tai siirtää lämpö jonkin

prosessin käyttöön. Höyrynerottimessa

prosessista tulevan kylläisen veden

epäpuhtaudet (esimerkiksi suolat) jäävät

höyrynerottimen kylläiseen veteen, jolloin

lämmönsiirtimeen menevä höyry on puhdasta

eikä vahingoita lämpöpintoja esimerkiksi juuri

lämmönsiirtimessä.

3.9. Turbiinin nettosähköteho

)( 12 hhmPP

PP

akseliturbiini

mgturbiininettosähkö

g generaattorihyötysuhde

m muuntajan hyötysuhde

Väliotolla olevan turbiinin energiatase:

Phmhmhm 332211


11

Väliotolla olevan turbiinin akseliteho eli turbiinin sisäinen

teho (=työ höyrystä) on siten:

)()( 233211

332211.

hhmhhm

hmhmhmPPP sisakseli

3.10. Polttoaineteho

k

kattilaipolttoainepolttoaine qm

,

missä polttoainem polttoaineen massavirta, iq polttoaineen lämpöarvo, kattila kattilan

teho ja k kattilahyötysuhde.

3.11. Polttoaineen lämpöarvo

Polttoaineen lämpöarvo kertoo, kuinka paljon täydellisessä palamisessa kehittyy lämpöä

polttoaineen massaa kohti [kiinteillä ja nestemäisillä polttoaineilla MJ/kg, kaasuilla

MJ/m3].

Ylempään lämpöarvo (= kalorimetrinen lämpöarvo/ HHV Higher Heating Value) on se

lämpömäärä, joka vapautuu, kun kilo polttoainetta on palanut täydellisesti ja

polttoaineessa ollut vesi ja poltossa muodostunut vesi ovat palamisen jälkeen nesteenä 25

ºC:ssa. Puolestaan alempi lämpöarvo (qi) (=tehollinen lämpöarvo/ LHV Lower Heating

Value) on se lämpöenergian määrä, joka vapautuu, kun palamisessa muodostunut vesi on

vesihöyrynä. Toisin sanoen ylempi lämpöarvo on veden höyrystymiseen tarvittavan

energian verran suurempi kuin alempi lämpöarvo.

Kostean polttoaineen tehollisella lämpöarvolla tarkoitetaan esimerkiksi voimalaitokselle

saapumistilassa/ toimituskosteudessa tulevan polttoaineen lämpöarvoa. Kostean

polttoaineen tehollinen lämpöarvo on pienin lämpöarvoista, koska se ei sisällä

polttoaineen sisältämän veden höyrystymisenergiaa. Biopolttoaineilla usein käytetty arvo.

wwqq itiw 40,24100/)100(, [kJ/kg],

missä qi kuiva-aineen tehollinen (alempi) lämpöarvo [kJ/kg] ja w on veden osuus

kosteasta polttoaineesta [p-%].

3.12. Polttoainekustannus

papapa thH ,

missä hpa= polttoaineen hinta, t on käyntiaika ja pa on polttoaineteho.


12

3.13. CHP- laitoksen hyötysuhde

)( 21 hhmP

P

turbiini

polttoaine

prosessiturbiini

prosessi prosessin tarvitsema lämpö

polttoaine polttoaineteho

hyötysuhde

3.14. CHP- laitoksen rakennusaste

lämpö

sähköPr

sähköP nettosähköntuotanto [MW] ja lämpö nettolämmöntuotanto [MW].

3.15. Lauhdevoimalan hyötysuhde

,polttoaine

nettosähköP

missä nettosähköP nettosähköteho ja polttoaine polttoaineteho.

Häviöitä voimalaitoksessa tapahtuu esimerkiksi kattilassa (lämpöhäviö

kattilahuoneeseen), lauhduttimessa, savukaasupuhaltimella (savukaasuhäviö) ja

generaattorin jäähdytykseen kuluva häviö.

)1( polttoainenettosähköpolttoainehäviöt P


13

3.16. Pumput ja puhaltimet

Pumpun ja puhaltimen ero on periaatteessa siinä, että pumpulla pumpataan nesteitä ja

puhaltimilla kaasuja.

3.16.1 Pumpun ja puhaltimen kokonaisnostokorkeus

Pumpun paine esitetään usein tarvittavana pumpun nostokorkeutena. Pumpun

kokonaisnostokorkeus (H) kuvaa, paljonko pumpun on todellisuudessa kyettävä

nostamaan nestettä ylemmälle tasolle.

dyneropaineg HHHH ,

missä ∆Hg on nestepintojen korkeusero, ∆Hpaine-ero on säiliöiden paine-erosta johtuva

tarvittava nosto ja ∆Hdyn on putkiston painehäviökorkeus. (∆Hg+∆Hpaine-ero=

staattinen eli pysyvä nostokorkeus). Muodostettu kokonaisnostokorkeuden kaava =

putkiston ominaiskäyrä.

Säiliöiden paine-ero:

eropaineHgp (avoin säiliö 0p )

Puhaltimella tarvittava nostokorkeus koostuu vain virtausvastuksista eli staattista

nostokorkeutta ei ole. Tällöin putkiston ominaiskäyrä eli virtauskanavan ominaiskäyrä =

affiniteettiparaabeli (muodostuu affiniteettilaesta => katso kappale 3.16.2).

3.16.2 Pumpun tai puhaltimen pyörimisnopeuden säätö

Pumppujen toimintaa joudutaan usein säätämään nopeasti prosessille sopivan virtaaman

aikaansaamiseksi. Pumpun säätötapoja ovat esimerkiksi kuristussäätö ja

pyörimisnopeuden säätö. Kuristussäädössä virtausta kuristetaan esimerkiksi venttiilin

avulla. Kuristus on kuitenkin epäedullinen säätötapa, jossa menetetään paljon tuotettua

painetta. Pyörimisnopeuden säädössä pätevät affiniteettilait:

Affiniteettilait pumpuille ja puhaltimille:

2

1

2

1

n

n

V

V

,

2

2

2

1

2

1

n

n

H

H ,

3

2

3

1

2

1

n

n

P

P ,

missä V on tilavuusvirta, n pyörimisnopeus, P teho ja H nostokorkeus. Affiniteettilakeja

käyttämällä voidaan laskea pumpulle uudet arvot, kun pumpun pyörimisnopeus muuttuu.


14

Pumpun/puhaltimen ja putkiston/virtauskanavan ominaiskäyrät:

Putkiston/virtauskanavan ominaiskäyrän (H=Hstaat+Hdyn, affiniteettilait) ja

pumppujen/puhaltimen ominaiskäyrän leikkauspistettä kutsutaan toimintapisteeksi,

(toiminta-arvot). Jos pumpun toimintaa muutetaan esimerkiksi virtausta suurentamalla,

täytyy pumpulle etsiä uusi toimimispiste. Pyörimisnopeudensäädössä pumpuilla uusi

hyötysuhde saadaan alkuperäiseltä pumpun hyötysuhdekäyrältä. Puolestaan puhaltimilla,

joilla virtauskanavan ominaiskäyrä on yhtä kuin affiniteettiparaabeli, oletetaan usein

hyötysuhde vakioksi (hyötysuhde muuttuu hitaasti, joten oletetaan hyötysuhteen pysyvän

ennallaan).

Jos pumput laitetaan rinnan pätee:

21 HHH ja 21 VVV

Pumput sarjassa:

21 HHH ja 21 VVV

3.16.3. Pumpun/puhaltimen akseliteho

VpP

,

missä ∆p on paine-ero pumpun yli (=ρgH, H=kokonaisnostokorkeus), V tilavuusvirta

ja kokonaishyötysuhde on η= ηpηm (ηp on pumpun isentrooppinen hyötysuhde ja ηm

pumpun mekaaninen hyötysuhde).


15

Pumpun akseliteho voidaan myös laskea seuraavalla tavalla:

mmp

s

mp

mhmhvmpVpP

,

koska pvhs ja p

shh

.

3.17. Kostea ilma

3.17.1. Ilman suhteellinen kosteus

)('

)(

tp

tp

h

h ,

missä ph(t) on vesihöyryn osapaine ilmassa ja ph´(t) kylläisen vesihöyryn osapaine. ph´(t)

voidaan hakea taulukosta tai laskea kaavalla:

15,43

)79,372(78,11exp)('

T

Tptph ,

missä p on ilmanpaine ja T lämpötila Kelvineinä.

3.17.2. Absoluuttinen kosteus

Vesisisällön ja ilman vesihöyryn osapaineen välinen yhteys:

kokh px

xtp

622,0)( ,

missä x on absoluuttinen kosteus/ vesisisältö [kgH2O/kgki], pkok=pi+ph (kostean ilman

kokonaispaine= kuivan ilman osapaine + ilman vesihöyryn osapaine).

3.17.3. Kostean ilman entalpia

Kostean ilman entalpia kuivaa ilmakiloa kohden [kJ/kgki].

)85,12501(006,1)( txttclxtch phpi ,

missä x on vesisisältö ja t on kostean ilman lämpötila [°C]. (cpi on kuivan ilman

keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti, l veden höyrystymislämpö 0°Cssa, cph

vesihöyryn keskimääräinen ominaislämpökapasiteetti)

3.17.4. Märkälämpötila

Märkälämpötila (tM) on tasapainolämpötila, joka muodostuu tietyn lämpötilan ja

absoluuttisen kosteuden omaavan ilman ja sen kanssa kosketuksiin joutuvan


16

nesterajapinnan välille. Kun lämpömittarin päälle on asetettu läpimärkä kangas ja siitä

haihtuu vettä, laskee lämpötila märkälämpötilaan, joka voidaan lukea mittarilta.

Märkälämpötilan voi hakea taulukosta tai diagrammista sellaisen vesihöyrystä kylläisen

ilman lämpötilan, jolla on sama ominaisentalpia kuin tarkasteltavalla ilmalla

(Aineensiirto-oppi, Seppälä & Lampinen).

Jos märkälämpötila on tiedossa voidaan ilman kosteus laskea kaavalla:

)()(

)()(' M

M

Mp

M tttl

tctxx . (Aineensiirto-oppi, Seppälä & Lampinen).

3.17.5. Kastepiste

Ilman kastepiste (tk) on piste, jossa ilmasta alkaa tiivistyä kosteutta. Jos kosteaa ilmaa

tuodaan pinnan kanssa kosketuksiin (jonka lämpötila on sama kuin kostean ilman

kastepiste), alkaa ilmasta tiivistyä vettä pinnalle.

Kastepiste on kylläisen vesihöyryn lämpötila, jolla on sama höyrynpaine kuin

tarkasteltavalla kostealla ilmalla. (p´h(tk) = ph) Kastepiste on myös kylläisen ilman

lämpötila, jolla on sama kosteus kuin tarkasteltavalla kostealla ilmalla (eli Mollier-

piirroksesta kastepistelämpötilan löytää siirtymällä tarkastettavasta pisteestä

vakiokosteussuoraa pitkin kylläiselle käyrälle ja lukemalla tätä pistettä vastaava

lämpötila). (Aineensiirto-oppi, Seppälä & Lampinen)

3.17.6. Lisätietoa

Kostean ilman energia hmi ,

missä mi = kuivan ilman massavirta [kgki/s] ja h on kostean ilman entalpia kuivaa

ilmakiloa kohden [kJ/kgki].

Kostean ilman veden massavirta xmi ,

missä x on ilman vesisisältö [kgH2O/kgki]

3.18. Lämmönsiirrin

Lämmönsiirtimillä siirretään lämpöä ainevirrasta toiseen ainevirtoja sekoittamatta

(esimerkiksi toinen virroista kulkee siirtimen vaipassa ja toinen putkissa).

Lämmönsiirtimet voidaan jakaa rekuperatiivisiin ja regeneratiivisiin lämmönsiirtimiin.

Rekuperatiivisissa siirtimissä virtaa jatkuvasti kaksi virtausta, joita erottaa lämpöä

siirtävä seinämä. Regeneratiivisissa siirtimissä eli lämpöä varaavissa siirtimissä ainevirrat

kulkevat vuoronperään vastakkaisiin suuntiin lämpöä varastoivan kiinteän rakennelman

läpi lämmittäen ja jäähdyttäen sitä vuorotellen (Rakennusten lämmitys, Olli Seppänen).

Regeneratiiviset lämmönsiirtimet vievät vähemmän tilaa kuin rekuperatiiviset siirtimet,

mutta niissä on riskinä virtojen väliset vuodot. Regeneratiivisia siirtimiä käytetään

esimerkiksi palamisilman esilämmittiminä. Rekuperaattoreita ovat esimerkiksi tavallisesti


17

kaikki lauhduttimet ja haihduttimet (Termodynamiikka, 479 Otakustantamo, Fagerholm).

Tässä kappaleessa käsitelläänkin vain rekuperatiivisia lämmönsiirtimiä:

3.18.1. Lämmönsiirtimiin liittyviä yleisiä kaavoja

Lämmönsiirtimiä (rekuperaattori) on vastavirta-, myötävirta- ja ristivirtalämmönsiirtimiä.

Lämmönsiirtimissä luovuttavan virran teho on likimain yhtä suuri kuin sen

vastaanottavan virran teho. Lämpökapasiteettivirta:

pcmC ,

missä m on virran massavirta ja cp on virran ominaislämpökapasiteetti. Eli luovutettu/

vastaanotettu teho voidaan ilmaista seuraavasti:

tC ,

missä ∆t on virran lämpötilanmuutos.

Lämpökapasiteettivirtojen suhde:

1max

min C

CR

,

missä minC ja maxC ovat virtojen lämpökapasiteettivirrat. R tulee olla aina pienempi kuin

yksi -> tiedon avulla voidaan asettaa toinen virta maxC :ksi ja toinen minC :ksi. Huom. Kun

toisen virran lämpötila on vakio (lauhtuminen, höyrystyminen) saa R arvon 0, koska

maxC >> minC .

Rekuperaatioaste: (kuvaa lämmönsiirtimen hyvyyttä, hyötysuhde)

o

t

max ,

missä Θ0 on korkein esiintyvä lämpötilaero ja ∆tmax on minC :n lämpötilaero. Huom.

rekuperaatioaste on aina se suurempi arvo, jos ongelmia asettaa minC .

Koko lämmönsiirtimen konduktanssi:

)(ln

kAG ,

missä k on lämmönsiirtokerroin [W/m2K], A on lämmönsiirtoala [m2], ( ln on ns.

logaritminen lämpötilaero:

2

1

21ln

ln

, missä 1 ja 2 ovat virtauksien

lämpötilojen eroja).

Dimensioton konduktanssi myötä-, risti- tai vastavirtasiirtimelle:

minC

kAZ

,


18

missä k on lämmönsiirtokerroin [W/m2K] ja A on lämmönsiirtoala [m2].

Dimensioton konduktanssi vastavirralla:

)1

1ln(

1

1

R

RZv

Dimensioton konduktanssi myötävirralla:

R

RZm

1

)1(1ln

3.18.2. Lämmönsiirtimen asteisuus

Lämmönsiirtimen asteisuudella tarkoitetaan

yleensä siirtimessä olevaa minimilämpötilaeroa

lämpenevän ja jäähtyvän virran välillä:

3.19. Lämpöpumppu

Lämpöpumpuilla voidaan ottaa lämpö talteen esimerkiksi teollisuuden hukkavirroista tai

niillä voidaan tuottaa jäähdytystä, jolloin lämpöpumppua kutsutaan jäähdytyskoneeksi.

Lämpöpumppuja on useita erilaisia, mutta tässä

esitellään yksinkertainen perusmenetelmä.

Lämpöpumpun toimintaperiaate:

Lämpöpumpussa kiertävä kiertoaine höyrystetään

ensin vakiolämpötilassa (Th) höyrystimessä

esimerkiksi teollisuuden hukkalämmön avulla.

Tämän jälkeen kiertoaine puristetaan

kompressorilla, jolloin prosessiin tuodaan

mekaanista energiaa. Kompressorin jälkeen

kiertoaine lauhdutetaan vakiolämpötilassa (Tl),

jolloin kiertoaine luovuttaa lämmön lämmitettävälle virralle. Tämän jälkeen kiertoaine

paisutetaan paisuntaventtiilissä (entalpia pysyy vakiona), jonka jälkeen se kulkeutuu

jälleen höyrystimelle. Höyrystyminen lämpöpumpussa tapahtuu matalammassa

lämpötilassa kuin lauhtuminen, siksi höyrystimellä on oltava matalampi paine kuin

lauhduttimella. Kiertoaineena lämpöpumpussa voidaan esimerkiksi käyttää kylmäainetta

Freon 12 eli R12:sta. Kiertoaineen kierto voidaan esittää kylmäaineen lg p,h –


19

piirroksessa (piste 1 – P1, kyll.höyry; piste 2 – P2, tulistettu; piste 3 - P2, kyll.neste; piste

4 - P1, kyll.höyryn ja kyll.nesteen seos).

Lämpöpumpun lämpökerroin: (kuvaa lämpöpumpun hyvyyttä, hyötysuhdetta)


20

1

k

k

ll

h

h

Kylmäkoneen/lämpöpumpun tehokerroin:

k

hk

h

h

Asteisuus (pinch point):

Lämpöpumpun asteisuus esitetään viereisessä

kuvassa. Lauhtuminen ja höyrystyminen

tapahtuvat isotermisesti paineen ollessa vakio

(höyry-> nesteeksi tai neste -> höyryksi).


21

3.20. Kaasuturbiini

Kaasuturbiini muodostuu kompressorista, polttokammiosta, turbiinista ja generaattorista.

Polttokammioon menevän ilman painetta nostetaan kompressorilla ja polttokammiosta

tuleva savukaasu johdetaan turbiinille, jolloin sen paine ja lämpötila laskevat. Turbiinilta

saadulla energialla pyöritetään

kompressoria ja generaattoria.

Kaasuturbiinilla tuotetaan siten

sähköä.

Kompressorin painesuhde:

1

2

*

1

2

T

Tk

pmC

kp

p

Turbiinin painesuhde:

3

4

*

3

4

T

T e

pmC

p

pt

__ HUOMkt

kT

T kpmC

k

*/1

1

2 tT

T pme C

t

*/

3

4

,

missä ηk on kompressiohyötysuhde ja ηe on turbiinin ekspansiohyötysuhde. Cpm* on

molaarinen ominaislämpökapasiteetti =(cpM)/R, missä cp on ominaislämpökapasiteetti

[J/(kgK)], M moolimassa [g/mol] ja R on kaasuvakio [J/(molK)]. Cpm,ilma* on arvo

kompressorilla ja Cpm,savukaasu* on arvo turbiinilla. Jos oletetaan, että Cpm,ilma* =

Cpm,savukaasu* kaasuturbiinille pätee:

tk

kt

Kaasuturbiinin hyötysuhde:

polttoaine

ikompressorturbiini

polttoaine

sähkögt

PPP


22

3.21. Normaaliolosuhde

Normaaliolosuhteilla (NTP) tarkoitetaan tilaa, jossa kaasun lämpötila on 0 ºC (273,15K)

ja paine 1,01325 bar. Normikuutiolla (Nm3) tarkoitetaan kuutiota kaasua

normaaliolosuhteissa.

Ideaalikaasun tilayhtälö:

nRTpV ,

missä p on kaasun paine, V tilavuus, R yleinen kaasuvakio, N ainemäärä ja T lämpötila

[K]. Jos kaasun paine tai lämpötila muuttuu, muuttuu myös kaasun tiheys (ρ=m/V).

Tämän takia käytetään normikuutio-arvoja. Esimerkiksi muutetaan 0 ºC:ssa

ilmanpaineessa olevan ilman tiheys ρ0 saman kaasun tiheydeksi 70 ºC:ssa eli ρ1.

RT

pM

V

m

RTM

mnRTpV

00

1

01

0011

7015,273

15,273

T

T

TT

vakioTR

pM

Ideaalikaasuja ei periaatteessa ole olemassa vain todellisia eli reaalikaasuja. Paine ja

lämpötila vaikuttavat siihen, mikä kaasu voidaan olettaa ideaalikaasuksi. Usein

esimerkiksi ilman oletetaan kuitenkin olevan ideaalikaasu.

Ideaalikaasujen tilavuus = 22,4 Nm3/kmol.


23

4. Investoinnin kannattavuuden arviointi

4.1. Nettonykyarvo

Net present value = NPV

Diskontataan tulevat tuotot ja maksut nykypäivän rahaksi käyttäen jotain

tuottokorkoa.

Kannattavuuskriteereistä tärkein: huomioi investoinnilta vaaditun tuoton ja

kustannukset koko investoinnin käyttöajalta.

0NPV => investointi on kannattava

0NPV => investointi ei ole kannattava (investoinnin todellinen tuottoprosentti

alittaa vaaditun tuottokoron)

Mitä korkeampi on NPV, sitä taloudellisesti kannattavampi investointi on.

NPV, kun investointikustannus maksetaan yhdessä erässä heti alussa ja vuotuinen

tuotto on vakio.

01

11ISn

ii

ni

NPV

, jossa

i sijoittajan investoinnilta vaatima tuottokorko [%]

n investoinnin käyttöaika [a]

S investoinnin vuosittainen tuotto [€/a]

NPV net present value, nettonykyarvo [€]

I0 investoinnin suuruus [€]

Huom:

cnii

ni 1

1

11

, c = annuiteettitekijä

4.2. Annuiteettimenetelmä

The equivalent annual cost (EAC) method

Investoinnin vuotuinen annuiteetti.

Investoinnin vuotuiset kustannukset tasoitettuna investoinnin käyttöajalle.

EAC = (investointikustannus –jäännösarvon nykyarvo) * annuiteettitekijä

Jäännosarvon nykyarvo = Tulevaisuudessa saatavan myyntitulon nykyarvo eli

investoinnin arvo investointiajankohdan lopussa = Jäännösarvo *

Diskonttaustekijä

Annuiteettitekijä =

11

1

n

i

in

ic , i = investointiin käytetyn rahan korko [%],

n = käyttöaika [a].


24

Diskonttaustekijä = ni1

1

Annuiteetti- ja diskonttaustekijät saadaan myös taulukoista (liitteenä)!

4.3. Takaisinmaksuaika

Payback period = PBP = [a]

PBP kertoo, missä ajassa investointi on maksanut itsensä takaisin.

s

IPBP 0 ,

missä I0 on investointikustannus [€] ja s on tuotto/säästö [€].

4.4. Sisäinen korko

Internal rate of return = IRR

IRR kertoo investoinnin todellisen tuottoprosentin eli, mikä on se i, jolla NPV = 0

(saadaan iteroimalla).

NPV arvo kuitenkin usein ratkaisee, mikä on kannattavin -> esim 7% miljoonasta

on 70 000 e , mutta eurosta se on vain 7 senttiä.

Sisäisellä korolla investointi on juuri ja juuri kannattava!

5. Energian hinnoittelu Voimalaitoksen sisäisten energioiden hintojen määrittelymenetelmissä pyritään

kustannusten jakamiseen tuotteille, toiminnan optimointiin ja energiansäästöön. Energian

sisäinen hinta määräytyy voimalaitoksen muuttuvien kustannusten perusteella

(esimerkiksi polttoainekustannukset, käyttö- ja kunnossapitokustannukset). Muuttuvien

kustannusten määrä on verrannollinen tuotannon määrään. Voimalaitoksen kiinteät

kustannukset kun ovat uponneita kustannuksia (pysyviä vaikka toiminta lopetettaisiin,

esimerkiksi investoinnin pääomakustannukset ja vakuutusmaksut).

Termodynaamiset menetelmät (energian hinta määräytyy termodynaamisten lakien

perusteella):

Energiamenetelmä: Kustannukset jaetaan tuotettujen energioiden suhteena

(jakokertoimet voimalaitoksen energiataseesta). Ei huomio häviöitä.

Exergiamenetelmä: Parannus energiamenetelmään, huomio energiamuotojen

eriarvoisuuden. Eri energiamuotojen hinnat määräytyvät sen mukaan, miten suuri

osa niistä voidaan muuttaa mekaaniseksi energiaksi. Jakokertoimet saadaan

exergian avulla. Exergia eli se todellinen hyödyksi saatava energia.

Työmenetelmä: Yhteistuotantolaitoksen menetelmä. Lasketaan lisäsähköteho,

joka saataisiin lämmönkulutukseen menevästä höyrystä eli ajetaankin kaikki

höyry turbiiniin ja sähköksi.

Markkinataloudelliset menetelmät:


25

Jäännösarvomenetelmä: Rakennusasteet höyryille. Jäännösarvomenetelmä on

lähes ylivoimainen muihin energian hinnoittelumenetelmiin verrattuna, koska se

antaa eri painetasoilla oleville höyryille oikeat hinnat. Menetelmä perustuu

joidenkin hintojen lyömiseen kiinni ja muiden ratkaisemiseen niiden avulla.

Esimerkiksi polttoaineiden hinnat ja sähkön hinta ovat kiinni lyötäviä hintoja.

Polttoaineiden osalta on tiedettävä, mitkä ovat minäkin aikana

marginaalipolttoaineita.

Suhdemenetelmä: Sähköntuotannon kustannukset erillistuotannossa jaettuna

Lämmöntuotannon kustannukset erillistuotannossa. Pyritään jakamaan yhdistetyn

tuotannon hyödyt kummallekin tuotteelle.

Matemaattinen ohjelmointi (optimointi)

PINCH-analyysi

6. Selityksiä 1 MWh= 3600 MJ

Absoluuttinen paine: (abs.) Paineen mittaus on aina paine-eron mittausta.

Absoluuttisen paineen vertailuarvona on tyhjiö eli absoluuttinen paine on aina

nollaa suurempi. Vallitseva ilmanpaine on ilmakehän aiheuttamaa absoluuttista

painetta. Ylipaine saadaan muutettua absoluuttiseksi paineeksi lisäämällä

ylipaineeseen ilmakehän paine.

ADt= air dry ton

Alijäähtynyt vesi: vesi, jonka lämpötila on alle sen kylläisen tilan (kts höyryn T,s-

ja h,s-piirros)

Huipunkäyntiaika: Se tuntimäärä vuodessa, jonka voimalaitoksen tulisi käydä

nimellistehollaan, jotta se tuottaisi saman energiamäärän kuin se todellisuudessa

tuottaa vuoden aikana käydessään vaihtelevalla teholla.

Höyryakku: Lämmön varaaja, jolla voidaan tasata höyrykuormaa

prosessiin/kulutukseen. Varastoitavana on väliaineena kylläinen vesi. Olemassa

on makaavia painesäiliöitä/varaajia ja pystyvaraajia.

Höyryprosessin marginaalihyötysuhde: kattilan tehosta generaattorilta saatava

sähköteho = kattilan teho * marginaalihyötysuhde. Marginaalihyötysuhde-termiä

käytetään myös toisenlaisissa tilanteissa.

Ilma sisältää likimain 79 til-% typpeä (N) ja 21 til-% happea (O2).

Ilmakerroin: λ on todellisuudessa polttoon tarvittavan ilman suhde teoreettiseen

ilmamäärään. Ilman ja polttoaineen sekoittuminen ei aina ole täydellistä, jolloin

ilmaa laitetaan polttoon enemmän kuin stökiömetrisessä poltossa tarvitsisi, jotta

poltto onnistuisi mahdollisimman hyvin. Ylimääräisen ilman osuus = λ-1

kulkeutuu savukaasuihin.

Kaukolämmön pysyvyyskäyrä: Kuvaaja, jolla optimoidaan energiantuotantoa.

Ilmoittaa tehon tarpeen vuoden jokaista tuntia kohden. Pysyvyyskäyrä on aina

laskeva. Myös sähköntuotannolle voidaan laatia pysyvyyskäyrä.

Marginaalipolttoaine: Tarkoitetaan sitä polttoainetta, jonka käyttöä voidaan

vähentää eli, mihin muutokset vaikuttavat rahallisesti. Esimerkiksi, jos

voimalaitoksella suunnitellaan energiantuotannon muutoksia (esimerkiksi


26

tuotetaankin tietty määrä energiaa investoimalla lämmön talteenottoon),

tarvitaankin tällöin vähemmän polttoainetta energiantuotantoon.

Marginaalipolttoaine on juuri se polttoaine, jonka käyttöä voidaan vähentää.

Reduktioventtiili: paineenalennusventtiili, jossa entalpia säilyy vakiona.

Tulistettu höyry: kylläinen höyry, jota on vielä lämmitetty lisää (kts. höyryn T,s-

ja h,s-piirros).

Tuorehöyry: höyry kattilasta turbiinille.

Tyhjäkäyntikerroin/kuorma tarvitaan siihen että laitos juuri ja juuri käynnissä.


27

7. Liitteet


28


29


30


31


32

i,x-piirros:


33


34


35


36

teollisuuden energiatekniikka peruskaavat ja käsitteet ... · aalto-yliopisto/ energiatalous ja...

Documents