Pääkomponentit

4 3 5

6 7

Kuva 2.2. ProsessiT,s-tasossa.

Mitä lähempänä piste 6 on kriittistä pistettä, sitä vähemmän tarvitaan lämpöä kier-toaineen höyrystymiseen. Kriittisen pisteen läheisyydessä väli 6 - 7 lähestyy nollaa.

2.2 Pääkomponentit

ORC-voimalan prosessikaavio on esitettynä kuvassa 2.3. Kuvasta käy ilmi laitoksen pääkomponentit, jotka ovat turbiini, generaattori, rekuperaattori, lauhdutin, syöttö-pumppu ja höyrystin. Rekuperaattoria käytetään vain hyötysuhteen nostamiseksi; se ei ole prosessin toiminnan kannalta välttämätön komponentti.

H

_T G

SKin

SKout

1

2

3

4

5 6

Kuva 2.3. ORC-energiamuuntimen periaatteellinen prosessikaavio. Prosessin pääkompo-nentit ovat 1: turbiini ja generaattori, 2: rekuperaattori, 3: lauhdutin, 4: syöttöpumppu ja 6: höyrystin.

2.2.1 Turbiini

Suurissa voimalaitoksissa turbiini koostuu useista perättäisistä roottori- ja staattori-hiloista eli vaiheista. ORC-prosessissa sen sijaan turbiinit ovat pienen tehokokoluo-kan ja käyttövarmuuden vuoksi usein yksivaiheisia. Käytettävä turbiinityyppi riippuu kiertoaineen ominaisuuksista ja käyttökohteesta. Ominaista ORC-turbiineille on suuri painesuhde ja kiertoaineen pieni ominaisentalpian muutos.

ORC-laitoksilla on jo lähtökohtaisesti alhainen hyötysuhde verrattuna Rankine-pro-sessiin, koska käytettävät lämpötilatasot ovat matalampia. Turbiinin toiminnalla on suuri vaikutus laitoksen hyötysuhteeseen, joten se tulee suunnitella tarkasti sovellus-kohteen mukaan (Fiaschi, Manfrida & Maraschiello 2015, 517). Toisaalta pienitehoi-silla laitokpienitehoi-silla on jo lähtökohtaisesti heikompi kokonaishyötysuhde, jolloin turbiinin hyötysuhteen vaikutus kokonaishyötysuhteeseen jää vähäisemmäksi kuin suuritehoi-silla laitoksuuritehoi-silla. Pienikokoisten radiaali- ja aksiaaliturbiinien hyötysuhde on heikompi kuin isokokoisten suurempien suhteellisen pinnankarheuden, suhteellisen kärkivälyksen ja suhteellisen jättöreunan paksuuden vuoksi (Weiß 2015, 4).

Käytettäessä radiaaliturbiinia ominaispyörimisnopeuden tulee olla yli 0,3 - 0,5 tehok-kaan toiminnan kannalta (Larjola 2011, 218). Kyseisen ehdon täyttämiseksi roottorin pyörimisnopeus kasvaa liiaksi käytettäessä vettä kiertoaineena, mutta orgaanisia ainei-ta käytettäessä pyörimisnopeus pysyy teknisesti hyväksyttävissä rajoissa. Nyrkkisään-tönä on, ettei radiaaliturbiinin kehänopeus saa olla suurempi kuin 600 m/s (Larjola 2003, 20). Mitoituspisteessä kehänopeus u riippuu isentrooppisesta entalpianputoami-sesta ∆h_s yleensä yhtälön 2.1 mukaisesti (Ibid.)

u= 0.69

q

2∆h_s (2.1)

Orgaanisilla aineilla on usein matala äänennopeus. Virtauksen nopeuden tulisi kui-tenkin olla noin 250 m/s hyvän hyötysuhteen saavuttamiseksi, joten ORC-turbiineissa virtaus on usein ylisoonista siitä johtuvista ongelmista huolimatta (Larjola 2011, 219).

Turbiinin läpi kulkevan kiertoaineen massavirran on oltava suuri halutun tehon saami-seksi. Koska tilavuusvirta kasvaa massavirran kasvaessa ja turbiinin siiven suhteellinen korkeus riippuu tilavuusvirrasta, turbiinisuunnittelua voidaan helpottaa kasvattamalla siiven suhteellista korkeutta (Larjola 2011, 218).

ORC-turbiineissa tilavuusvirran suhde turbiinin yli voi vaihdella muutamasta tuhan-teen. Tilavuusvirtojen suhde on pieni matalilla lämpötilatasoilla tai toimintapisteen

ollessa lähellä kriittistä pistettä. Tilavuusvirtojen suhde on suuri, kun toimitaan kor-keilla lämpötilatasoilla tai kun kiertoaineen molekyylirakenne on monimutkainen. Suuri tilavuusvirtasuhde yhden vaiheen yli nostaa virtauksen nopeuden korkeaksi staattorin ulostulossa ja aiheuttaa liiallista vaihtelua siiven korkeuteen. Epätavalliset arvot ti-lavuusvirtasuhteessa estävät konventionaalisten, reaktioasteella 0,5 olevien vaiheiden käytön ja vaikuttavat voimakkaasti nopeuskolmioihin. Jos fluidin paisunta alkaa kriit-tisen pisteen läheisyydessä, reaalikaasun käyttäytyminen voi vaatia epäkonventionaa-lisen siiven keskikanavan suunnittelun. (Invernizzi 2013, 135.)

ORC-prosessissa lämpötilatasot ovat alhaiset verrattuna Brayton-prosessiin, joten tur-biinin lämpötilankestoon ei tarvitse kiinnittää samalla lailla huomiota. Koska turbiinia ei tarvitse valmistaa kuumalujasta metallista tai päällystää, ovat valmistuskustannuk-set alhaisemmat. Rakenne on yksinkertaisempi verrattuna kaasuturbiineihin, koska sii-pien sisäisiä jäähdytyskanavia ei tarvitse tehdä. Lisäksi valitsemalla kiertoaine siten, että paisunta tapahtuu kokonaan tulistuneen höyryn alueella kaikissa toimintaolosuh-teissa, vältetään kostean höyryn aiheuttama turbiinin kuluminen.

2.2.2 Rekuperaattori

Rekuperaattori on lämmönsiirrin, jossa turbiinilta tuleva tulistunut höyry luovuttaa lämpöä höyrystimelle menevään nesteeseen. Rekuperaattorin käyttö nostaa prosessi-hyötysuhdetta, koska lämmöntuonnin tarve höyrystimessä pienenee. Prosesseissa, jos-sa kiertoaineen korkeimman ja matalimman lämpötilan ero on suuri ja molekyylira-kenne on monimutkainen, rekuperaattorin käyttö nostaa hyötysuhdetta dramaattisesti (Invernizzi 2013, 137.)

Rekuperaattorille tulevan lämmittävän höyryn tulee olla tulistunutta. Höyryn konden-soituminen rekuperaattorissa nestefilmiksi lämmönsiirtopinnoille kasvattaa painehä-viöitä. Toisaalta lämmönsiirtopinnalle kondensoitunut fluidi voi heikentää lämmönsiir-rinmateriaalin rajakerroksen termistä vastusta tehostaen lämmönsiirtoa. Mikäli kon-densoitumista voidaan olettaa tapahtuvan, tulisi höyryfaasin virrata ylhäältä alaspäin.

Tällöin kondensoituneet pisarat valuvat painovoiman vaikutuksesta rekuperaattorin pohjalle, josta neste voidaan poistaa.

Rekuperaattoreissa kaasu- tai höyrypuolen lämmönsiirtokerroin on 1 - 10 % neste-puolen vastaavasta. Jotta molempien puolien kokonaislämmönsiirtokerroin olisi samaa luokkaa, on kaasu- tai höyrypuolella käytettävä ripoja lämmönsiirtopinta-alan kasvat-tamiseksi. Tyypillisesti lämpöä siirretään kaasusta nesteeseen

ripaputkilämmönsiirti-min. (Aoun 2008, 74.)

Vastavirtalämmönsiirtimenä toimiva rekuperaattori on termodynaamisesti tarkasteltu-na tehokkain rakenne. Tehokas vastavirtalämmönsiirrin on kuitenkin hankala valmis-taa, mikäli kahden fluidin tilavuusvirrat ovat hyvin erisuuret. (Invernizzi 2013, 137.) Tutkimuksen kohteena olevassa koelaitoksessa käytetään rekuperaattorina vastavirta-periaatteella toimivaa levylämmönsiirrintä. Kuuman ja kylmän puolen fluidien tila-vuusvirtojen ero näkyy hyvin kuvassa 2.4. Nestefaasissa fluidin vaatima virtauspoikki-pinta-ala on pieni, kun taas kaasufaasissa virtauspoikkivirtauspoikki-pinta-alan tarve on suuri. Kuu-ma höyry paisuu hieKuu-man rekuperaattorissa, jolloin sen tilavuusvirta kasvaa tiheyden pienentyessä, joten poistuessaan se vaatii suuremman virtauspoikkipinta-alan. Mikä-li virtauspoikkipinta-ala pidettäisiin vakiona, virtauksen nopeus kasvaisi, mikä Mikä-lisäisi painehäviöitä.

Kuva 2.4. Koelaitoksessa käytettävä rekuperaattori. Kylmä fluidi virtaa ohutta putkea vasemmalta oikealle ja kuuma fluidi virtaa taemmasta putkiyhteestä rekuperaattoriin ja etummaisesta ulos.

2.2.3 Lauhdutin

Lauhduttimessa kiertoaineesta poistetaan tietty lämpömäärä, jotta turbiinilta tai re-kuperaattorista tuleva höyry lauhtuu kylläiseksi nesteeksi. Kiertoaineen lämpö siirtyy

matalammassa lämpötilassa olevaan ljäähdytteeseen, joka voi olla kaasua tai nestettä.

Tyypillisesti jäähdytteenä käytetään vettä, jota on usein saatavilla runsaasti matalas-sa lämpötilasmatalas-sa. Tilan- tai vedenpuutteen vuoksi jäähdytteenä voidaan käyttää ilmaa, jonka jäähdytystehoa voidaan lisätä puhaltimin.

Carnot-hyötysuhteen maksimoimiseksi turbiinin yli tulisi olla mahdollisimman suuri lämpötilaero, joka lauhduttimen puolelta saavutetaan suurella jäähdytysteholla. On kuitenkin pidettävä mielessä, että suuri jäähdytysteho lauhduttimessa voi johtaa liial-liseen kiertoaineen alijäähtymiseen. Alijäähtyneen nesteen lämmittäminen rekuperaat-torissa ja höyrystimessä vaatii lämpöä, jolloin höyrystyneen fluidin lämpötila jää al-haisemmaksi. Tällöin systeemistä saatava nettoteho ja prosessihyötysuhde pienenevät.

(Wei et al. 2007, 1115.)

Vesijäähdytteisissä lauhduttimissa orgaanisia kiertoaineilla kokonaislämmönsiirtoker-roin on välillä 300 - 1200 W/m²K, kun taas höyryllä vastaava on 1500 - 4000 W/m²K.

Pieni lämmönsiirtokerroin vaatii suuren lämmönsiirtoalan. ORC-lauhduttimen kokoa kasvattaa myös turbiinilta tai rekuperaattorilta tuleva suuri tilavuusvirta, joka vaatii suuren poikkipinta-alan. Tarvittavasta poikkipinta-alasta saa käsityksen kuvasta 2.5, jossa rekuperaattorilta tuleva putkiyhde on melkein lauhduttimen levyinen. Lauhdutti-men kokoa rajoitetaan käyttämällä evitettyjä putkia, jotka lisäävät lämmönsiirtoalaa.

(Invernizzi 2013, 136.)

Kuva 2.5. Rekuperaattori ja lauhdutin.

Ympäristön lämpötilalla on vaikutus systeemin nettotehoon, mikäli lauhdevesi jääh-dytetään ilmalla puhaltimien avulla. Esimerkiksi Wein (2007) tutkimuksessa nettoteho vaihteli 30 % mitoitusarvosta. Systeemin mitoituksessa loppukohteen paikallinen kes-kilämpötila tulee ottaa huomioon prosessin toiminta-arvoihin vaikuttavana tekijnä.

Sovelluskohteesta ja paikallisesta kysynnästä riippuen lauhduttimelta poistuvan jäte-lämmön energia voidaan hyödyntää absorptiokylmäkoneissa (Wei et al. 2007, 1113).

Absorptiokylmäkoneet tarvitsevat lämmönlähteen veden jäähdytykseen. Kylmää vettä voidaan käyttää ilmastoinnissa rakennusten jäähdytyksessä tai teollisuuden prosesseis-sa.

2.2.4 Pumppu

Esisyöttöpumppua käytetään estämään pääsyöttöpumpun kavitointi. Tarvittava paine pääsyöttöpumpun sisääntulossa on tapauskohtainen; aina ei ole tarvetta esisyöttöpum-pulle. Esisyöttöpumppua pyörittää oma sähkömoottori. Esisyöttöpumpun kavitointi voidaan estää sijoittamalla se lauhdesäiliön alapuolelle tai käyttämällä ejektoripump-pua.

Pääsyöttöpumpun tehtävänä on nostaa kiertoaineen paine höyrystimen paineeseen.

Pääsyöttöpumppu voi olla samalla akselilla turbiinin kanssa tai sitä voi pyörittää säh-kömoottori.

2.2.5 Höyrystin

Höyrystimessä savukaasun sisältämä lämpö siirretään kiertoaineeseen. Tällöin kier-toaine lämpenee, höyrystyy ja tulistuu. Lämmönlähteen ja lämmitettävän fluidin vä-listä pienintä lämpötilaeroa lämmönsiirtimessä kutsutaan pinch point -lämpötilaerok-si. Pinch pointista käytetään myös nimitystä asteisuus, mutta asteisuudella voidaan tarkoittaa myös ainoastaan lämmönvaihtimelta lähtevien virtausten välistä lämpötila-eroa, joten sekaannuksen välttämiseksi tässä diplomityössä käytetään ainoastaan ter-miä pinch point.

Liian pieni pinch point -lämpötilaero johtaa heikentyneeseen lämmönsiirtoon ja suu-reen lämmönsiirtopinta-alaan, jotka lisäävät lämmönsiirtimen kustannuksia ja massaa.

Esimerkiksi 0 ^◦C:en pinch point vaatisi äärettömän lämmönsiirtopinnan. Toisaalta suu-ri pinch point johtaa vähentyneeseen kokonaislämmönsiirtoon. Kustannustehokkuuden kannalta pinch pointin on oltava noin 15 ^◦C:ta. Joissain tapauksissa vielä 5 ^◦C:en

pinch point on taloudellisesti kannattava. (Boyle et al. 2013, 680.)

Höyrystimiä on erilaisia erilaisiin tarpeisiin. Yksinkertaisin ja varmatoiminen höyrys-tintyyppi on astiakiehuntaan perustuva. Tällaisissa höyrystimissä nestetilavuus on suu-ri, mikä tekee kuivumisvaarasta pienen. Mikäli höyrystimen nestetilavuuden tulee olla pieni, läpivirtaushöyrystin on edullisin vaihtoehto myös alikriittisillä paineilla. (Inver-nizzi 2013, 136.)

Tässä tutkimuksessa höyrystimenä käytettiin kuvassa 2.6 esitettävää vastavirtaperi-aatteella toimivaa levylämmönsiirrintä. Ominaista levylämmönsiirtimille on suuri läm-mönsiirtopinta-ala pienessä tilassa verrattuna vastaavaan käyttöön tarkoitettuihin put-kilämmönsiirtimiin.

Kuva 2.6. Koelaitoksessa käytetty höyrystin kahdesta suunasta kuvattuna. Vasemman-puoleisessa kuvassa näkyy lämmitettävän fluidin yhteet. OikeanVasemman-puoleisessa kuvassa näkyy savukaasun liitos höyrystimeen. Lämmitettävä fluidi virtaa alhaalta ylös ja savukaasu yl-häältä alas.

Levylämmönsiirtimet voivat olla vastavirta-, myötävirta- tai ristivirtalämmönsiirtimiä riippuen levyjen asettelusta lämmönsiirtimen sisällä. Levyjen muodostamat primääri-ja sekundaarivirtauskanavat vuorottelevat levypakassa tehostaen lämmönsiirtoa.

Levypuolen virtaus kulkee lämmönsiirtimen läpi levyissä olevien kanava-aukkojen kaut-ta. Vaippapuolen virtaus saapuu lämmönsiirtimeen vaipassa olevan yhteen tai yhteiden kautta. Virtaus johdetaan levypakan läpi virtausohjainten avulla ja poistetaan vaipasta lähtevän yhteen tai yhteiden kautta. Fluidit eivät ole fysikaalisessa kontaktissa keske-nään missään vaiheessa.

Höyrystin, rekuperaattori ja lauhdutin ovat kaikki lämmönsiirtimiä. Lämmönsiirtopin-nat voivat turmeltua fluidin sisältämien epäpuhtauksien, ruostumisen tai jonkin muun fluidin ja lämmönsiirtopinnan välisen reaktion johdosta, mikä lisää lämmönsiirtovas-tusta R_f (Incropera et al. 2006, 673). R_f:n arvo riippuu toimintalämpötilasta, fluidien nopeudesta ja lämmönsiirtimen iästä (Ibid.). ORC-laitosten lämmönsiirrinten materi-aalivalinnat ja mitoitus tulee tehdä siten, että R_f pysyy ajan suhteen suunnilleen

va-kiona, jotta huollon tarve olisi mahdollisimman vähäinen. Lämmönsiirtimen suunnit-teluun vaikuttavat monet eri lähtöarvot, ilmiöt ja suunnitteluarvojen valinnat, joiden yhteys toisiinsa on esitettynä tarkemmin kuvassa 6.1.

In document Mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyvyn todentaminen ja kaupallistaminen (sivua 16-23)