Akademin för hållbar samhälls-och teknikutveckling
Energiåtervinning från gjuteriprocess
till fastighet
Undersökning för ökat utnyttjande av
spillvärme
Examensarbete vid Mälardalens Högskola i samarbete med Varnäsföretagen AB
1
1 Sammanfattning
Detta examensarbete har utförts i samarbete med Varnäsföretagen AB i Eskilstuna och är en fortsatt studie efter examensarbete utfört av Marianne Forsen och Daniel Andersson våren 2005. Varnäsföretagen AB gjuter aluminiumprodukter för den marina industrin och tyngre fordonsindustrin. Trots att processen är energiintensiv och förbrukade 7,5 GWh el under 2005 användes 135 m³ olja för uppvärmning av lokalerna.
Uppgiften med arbetet har varit att undersöka hur man ska kunna utnyttja spillvärme från processen för att värma lokalen och på så sätt minska uppvärmningskostnaderna. Några specifika platser i fastigheten där det idag finns ett stort värmeöverskott eller där det förbrukas mycket energi har undersökts. Genom mätningar och observationer har effekter och
driftförhållanden kartlagts. Även de befintliga återvinningssystemen har studerats för att se hur mycket som redan återvinns.
För att aluminiumet ska få önskade egenskaper värms godset upp i ugnar och kyls sedan i ett vattenbad. Processen avger mycket värme till rummet och temperaturen är besvärande hög. Genom att anpassa och öka ventilationen i rummet kan temperaturen i rummet minska. Luften från rummet innehåller mycket energi och kan ge stor energibesparing om den utnyttjas för t ex förvärmning av luft i ett tilluftsaggregat.
De ugnar som smälter aluminiumet har ett kylsystem där stora energimängder kyls bort. Delar av kylningen går till återvinning men genom optimering av systemet kan avsevärt mycket mer energi bidra med värme till uppvärmning av främst tilluft.
Framställningen av gjutformarna kräver mycket tryckluft. En stor andel av den effekt som tillförs en kompressor blir till värme. Genom att utnyttja värmen i kompressorernas kylluft för uppvärmning gör att den totala verkningsgraden för kompressorerna kan öka avsevärt och uppvärmningskostnaderna minskar.
För att få bort kärnformarna används ugnar som värmer gods och formar till 400°C. Dessa står utomhus och går nästan kontinuerligt. Om den tillförda effekten kan minskas eller utnyttjas mer effektivt kan mycket energi sparas varje år.
Av de befintliga återvinningssystemen går de flesta till förvärmning av ventilationsluft. Några system ger ett litet värmetillskott och kan med vissa förändringar eller optimering av styrning utnyttja betydligt mer energi från spillvärmen än idag. Från processen finns mycket energi att tillgå men den måste oftast utvinnas ur luften som gör att temperaturen i många
återvinningssystem blir låg. Därför är det främst till förvärmning av tilluft som energin kan utnyttjas.
2
2 Förord
Då det var dags för mig att avsluta mina studier vid Mälardalens högskola och institutionen för samhällsteknik hade Varnäsföretagen AB genom Per-Axel Nyberg hört av sig till institutionen. De hade önskemål om fortsatta undersökningar efter tidigare examensarbete som genomförts i deras fabrik i Eskilstuna. Efter besök och diskussioner utformades ramarna för vad jag skulle undersöka. Att få en riktig uppdragsgivare och ett uppdrag som innebar undersökningar och praktiska mätningar var väldigt inspirerande. För att först kunna förstå hur systemen fungerade hade jag mycket hjälp av det tidigare utförda examensarbetet av Daniel Andersson och Marianne Forsen.
Att jag har fått vara mycket på plats för att göra undersökningar och observationer har varit mycket givande. Personalen har varit mycket tillmötesgående och jag vill tacka Matti Riutanheimo och Mauri Soinen som svarat på frågor om de olika systemen. Jag vill även tacka Adam Migras för att ha varit till stor hjälp vid mätningarna på elektrisk utrustning. Per-Axel Nyberg, Attila Bardocz och Anne Tuisku har ofta funnits till hands för småfrågor vilket gjort det trevligt att arbeta på plats i Eskilstuna.
På skolan vill jag tacka handledare Bengt Arnryd för goda råd och Gert Bard som varit ett bra bollplank inför mätningarna. Till slut ett stort tack till examinator Ingemar Josefsson som har gett ett bra stöd och som särskilt på slutet stöttat mig för att få klart det här arbetet.
Göteborg, 2008-05-15 Martin Sigvardsson
3
3 Innehåll
Energiåtervinning från gjuteriprocess till fastighet________________________________ 0 Undersökning för ökad utnyttjande av spillvärme _____________________________ 0 1 Sammanfattning ________________________________________________________ 1 2 Förord ________________________________________________________________ 2 3 Innehåll_______________________________________________________________ 3 3.1 Formelförteckning__________________________________________________ 4 4 Inledning______________________________________________________________ 5 4.1 Bakgrund _________________________________________________________ 5 4.2 Syfte och mål ______________________________________________________ 5 4.3 Avgränsning _______________________________________________________ 5 4.4 Metod/Material ____________________________________________________ 5 5 Kartläggning ___________________________________________________________ 6 6 Anläggningsbeskrivning _________________________________________________ 7 6.1 Uppvärmningssystem _______________________________________________ 7 6.2 Ventilation ________________________________________________________ 8 6.2.1 Teori _________________________________________________________ 9 6.2.2 Mätresultat/Beräkningar _________________________________________ 10 6.2.3 Lösningsförslag ________________________________________________ 12 6.3 Värmebehandlingsrum _____________________________________________ 14 6.3.1 Teori ________________________________________________________ 14 6.3.2 Mätresultat/Beräkningar _________________________________________ 14 6.3.3 Lösningsförslag ________________________________________________ 15 6.3.4 Besparing_____________________________________________________ 16 6.4 Vattenbad i värmebehandling _______________________________________ 17 6.4.1 Teori ________________________________________________________ 17 6.4.2 Beräkningar ___________________________________________________ 17 6.4.3 Lösningsförslag ________________________________________________ 18 6.4.4 Besparing_____________________________________________________ 18 6.5 Kylsystem för smältugnar___________________________________________ 19 6.5.1 Teori ________________________________________________________ 19 6.5.2 Mätresultat/Beräkningar _________________________________________ 20 6.5.3 Lösningsförslag ________________________________________________ 20 6.6 Kylsystem för kompressorer ________________________________________ 21 6.6.1 Teori ________________________________________________________ 21 6.6.2 Mätresultat/Beräkningar _________________________________________ 22 6.6.3 Lösningsförslag ________________________________________________ 22 6.6.4 Besparing_____________________________________________________ 23 6.7 Urbränningsugnar_________________________________________________ 24 6.7.1 Teori ________________________________________________________ 24
4 6.7.2 Mätresultat/Beräkningar _________________________________________ 24 6.7.3 Lösningsförslag ________________________________________________ 24 6.7.4 Besparing_____________________________________________________ 25 7 Resultat ______________________________________________________________ 27 7.1 Riskanalys _______________________________________________________ 28 8 Diskussion____________________________________________________________ 29 9 Slutsatser_____________________________________________________________ 31 10 Förslag till fortsatt arbete______________________________________________ 32 11 Källförteckning ______________________________________________________ 33 11.1 Litteratur ________________________________________________________ 33 11.1.1 Tryck ________________________________________________________ 33 11.1.2 Internet_______________________________________________________ 33 11.1.3 Dokument ____________________________________________________ 33 11.2 Personliga kontakter _______________________________________________ 33 11.2.1 Varnäsföretagen AB ____________________________________________ 33 11.2.2 Mälardalens Högskola ___________________________________________ 33 12 Bilaga 1 _____________________________________________________________ I Mätningar tilluftsaggregat _________________________________________________ I 13 Bilaga 2 _____________________________________________________________ I Mätningar urbränningsugnar _______________________________________________ I 15 Bilaga 3 _____________________________________________________________ I Transmmisionsberäkningar ________________________________________________ I
3.1 Formelförteckning
Formel 1. Effekt ur 3-fas maskiner ______________________________________________ 9 Formel 2. Effekt vid temperaturändring.__________________________________________ 9 Formel 3. Energi från varaktighetsdiagram. _______________________________________ 9 Formel 4. varaktighetsdiagram.________________________________________________ 10 Formel 5. Temperaturverkningsgrad. ___________________________________________ 10 Formel 6. Effekt ur 3-fas-utrustning.____________________________________________ 14 Formel 7. Kylluftsflöde. _____________________________________________________ 15 Formel 8. Energi vid temperaturändring ________________________________________ 17 Formel 9. Temperaturhöjning vid energiavgivning ________________________________ 17 Formel 10. Effektuttag ur energilager ___________________________________________ 17 Formel 11. Erforderlig volym för energilagring. __________________________________ 19 Formel 12. Transmissionsförluster ______________________________________________ I
5
4 Inledning
Detta examensarbete har utförts på Mälardalens högskola i samarbete med Varnäsföretagen AB. Företaget gjuter aluminiumprodukter främst för marint bruk och den tyngre
fordonsindustrin.
Varnäsföretagen började verksamheten i lokalerna 1917 och har sedan byggt till i etapper vartefter verksamheten har expanderat. Idag är produktionsytan omkring 6000 kvadratmeter.
4.1 Bakgrund
Varnäsföretagen i Eskilstuna förbrukade 7,5 GWh el under 2005. Samtidigt förbrukade man 136 kubikmeter eldningsolja för lokaluppvärmning1. Återvinning från processen finns i dagsläget på flera ställen, men möjligheterna till ökad återvinning bedöms som stora. Varnäsföretagen AB har haft examensarbetare tidigare som syftat till att minska oljeanvändningen genom att återvinna energi från processen. Efter en övergripande kartläggning av åtgärder som kan minska energiförbrukningen vände sig återigen Varnäsföretagen genom Per-Axel Nyberg till institutionen för fortsatta undersökningar. Uppgiften den här gången var att undersöka möjligheter att återvinna värmen från några specifika platser i processen. Arbetet har utgått från den tidigare undersökningen som gjordes av Daniel Andersson och Marianne Forsén under vårterminen 2005.
4.2 Syfte och mål
Syftet är att ta fram förslag på tekniska system som kan minska Varnäsföretagens uppvärmningskostnader genom att utnyttja spillvärme från process för uppvärmning av lokalerna.
Målet är att Varnäsföretagen ska minska sina uppvärmningskostnader genom att utnyttja spillvärme från processen på ett effektivare sätt och därmed minska andelen köpt energi för uppvärmning.
4.3 Avgränsning
Varnäsföretagen AB har verksamhet i Sörstafors, Vänsta och Eskilstuna. Det här arbetet behandlar endast anläggningen i Eskilstuna. Arbetet avser i huvudsak åtgärder som möjliggör återvinning av processvärme till det centrala uppvärmningssystemet. Åtgärdsförslagen
jämförs ibland med åtgärder som endast ger minskad energiförbrukning till processen för att se hur ekonomiskt fördelaktiga de bedöms vara. För övrigt har det inte gjorts några studier på hur energiförbrukningen för processen kan minskas.
4.4 Metod/Material
För att förstå hur processen går till och få en bild av hur de olika systemen fungerar studerades tidigare examensarbete och kompletterades med samtal med personal samt undersökningar i processlokalerna. Därefter gjordes mätningar för att kartlägga var det finns värmeöverskott respektive värmebehov och hur stora energiflödena är. Studier gjordes för att
1
6
se hur energiflödena varierar med tiden eller om de är kontinuerliga. Med mätningarna har det även kartlagts hur mycket värme som återvinns i dagsläget.
När energiflödena kartlagts togs förslag fram på hur överskottsvärmen kan tas tillvara och var den kan användas. Förslag på olika lösningar togs sedan fram och beskrevs mer ingående. Slutligen beräknades hur stor energibesparing respektive åtgärd ger.
5 Kartläggning
För att få en klar bild av hur uppvärmningen fungerar har tillverkningsprocessen och uppvärmningssystemet studerats. Gjuteriet är en energiintensiv industri där vissa platser i lokalen har stora värmeöverskott medan andra platser har behov av tillskottsvärme från uppvärmningssystemet. Där stora värmeöverskott finns har mätningar gjorts för att få
information om hur mycket energi som kan föras bort och användas på andra platser i lokalen. En del av överskottsvärmen återvinns redan. Mätningar har gjorts för att se hur väl
återvinningen fungerar och om det finns möjligheter till ökat utnyttjande. En stor del av återvinningen sker via ventilationen. Hur mycket värme som kommer från återvinning respektive från pannorna för värmning av tilluften har studerats liksom drifttiderna på ventilationen.
7
6 Anläggningsbeskrivning
I följande stycken beskrivs de platser i anläggningen som har studerats närmare. Varje plats beskrivs först med hur det ser ut i dagsläget. Därefter redovisas mätningar och beräkningar för att sedan mynna ut ett antal förslag på hur återvinning skulle kunna ske. Varje stycke avslutas med beräkningar på hur mycket energi som är möjligt spara med föreslagna åtgärder.
6.1 Uppvärmningssystem
För värmeproduktion till uppvärmningssystemet används en elpanna, panna A, och två oljepannor, panna B och C. Sommartid används elpannan som grundpanna då den har mindre förluster när den går på dellast. Övrig tid är panna B grundpanna och panna A hjälper till vid behov. Panna C används bara som topplastpanna vid stort värmebehov. Panna A har en effekt på 350 kilowatt och panna B på 640 kilowatt. Effektuppgifter på panna C saknas. Pannorna värmer vattnet till 80 grader oavsett utetemperatur. Uppvärmningssystemet är sedan uppdelat på tre shuntgrupper med egen styrning av framledningstemperaturen. Även värmebatterierna i tilluftsaggregaten får sin värme via dessa shuntar, men har egen blandning vid respektive batteri för att få rätt temperatur. Uppvärmningen i lokalerna sker med radiatorer. Varmvatten produceras i fem varmvattenberedare. Värmen hämtas i första hand från en vätskekyld kompressor. Om värmen från den inte räcker till värms vattnet av pannorna.
Elpannan saknar energimätare. Därmed är det svårt att veta hur mycket elpannan bidrar med vilket gör att den totala energimängden för uppvärmning är okänd. Oljepannorna saknar också mätare som möjliggör mätning av oljeflödet till pannorna. Därför är den totala förbrukningen för året hämtat från hur mycket olja som har levererats och använts under året med hänsyn till nivån i tankarna
8
6.2 Ventilation
Ventilationen är uppdelad på två tilluftsaggregat, tre frånluftsaggregat och ett kombinerat till- och frånluftsaggregat.
Tilluftsaggregat 1 förser kontoret och stora delar av processlokalen med luft. I aggregatet finns tre värmebatterier för att värma luften till 18 grader innan den tillförs lokalen. Det första värmebatteriet är en vätskekopplad värmeväxlare som får sin värme från frånluftsaggregat 1 och 2. Det andra får sin värme från kylsystemet för smältugnarna. På grund av frysrisken innehåller båda dessa system en glykolblandning med koncentrationen 30 %. Det tredje batteriet får sin värme från pannorna i undercentralen. Aggregatet har tidsstyrning och är bara igång dagtid. Drifttiderna redovisas i tabell 1.
Tabell 1. Drifttider TA 1.
Dag Start Stopp
måndag 04:15 22:00 tisdag 04:15 22:00 onsdag 04:15 22:00 torsdag 04:15 22:00 fredag 04:15 17:00 lördag söndag
Aggregatet kan gå på hel- eller halvfart. Helfart körs bara under sommaren. Orsaken anses vara att värmebatterierna inte klarar av att värma luften tillräckligt på helfart2. Under helfartsdrift är flödet 11,7 kubikmeter per sekund.
Tilluftsaggregat 2 betjänar övriga processlokalen. Temperaturen på luften när den tillförs rummet är 18 grader. Värmningen sker i tre värmebatterier i aggregatet. Det första är en vätskekopplad värmeväxlare där värmen kommer från FA 4. Systemet innehåller 30 % glykol. Batteri nummer två får värme från kylningen av en kompressor. Vattnet växlas först i
kompressorrummet och sedan ytterligare en gång vid aggregatet. Den sista slingan innehåller glykol för att förhindra frysning. Om inte vätskan kylts tillräckligt i aggregatet leds det till en kylare på taket för att kompressorn ska få tillräcklig kylning. Det sista värmebatteriet får sin värme från pannorna i undercentralen. Aggregatet körs samtidigt som FA 4 och startas manuellt. I praktiken innebär det att det körs med samma drifttider som TA 13. Flödet i aggregatet är 11 kubikmeter per sekund.
Aggregat 3 är ett kombinerat till- och frånluftsaggregat som betjänar matsal, omklädningsrum och duschar.
Frånluftsaggregat 1 tar luft från processlokalen. Aggregatet består av ett stort påsfilter samt fläkt och återvinningsbatteri. Från filtret leds luften i en kanal upp på taket där
återvinningsbatteriet sitter. Innan återvinningsbatteriet sitter ett bypasspjäll som är helt öppet. Därmed går den största delen av luften ut utan att passera värmeåtervinningsbatteriet.
Anledningen till att spjället är öppet är att batteriet annars skulle sättas igen väldigt fort4.
2
Enligt Mauri Soinen, reparatör Varnäsföretagen AB 3
Adam Migras, elektriker Varnäsföretagen AB 4
9
Frånluftsaggregat 2 tar luft från smälteriet och är endast igång när smältning sker. Aggregatet är placerat på taket över smälteriet. Även här finns ett bypasspjäll som står helt öppet så luften går ut utan att passera värmeåtervinningsbatteriet.
Frånluftsaggregat 4 tar luft från urskakningen och gjuteriet. Aggregatet består av ett stort slangfilter samt fläkt och två parallellkopplade återvinningsbatterier. Aggregatet är placerat på taket.
Utöver dessa aggregat finns en del utsug i processlokalen som leds direkt ut med egna fläktar. Tilluftsaggregaten har studerats för att få information om hur mycket energi som krävs för uppvärmning av tilluften samt hur bra de befintliga återvinningssystemen fungerar.
6.2.1 Teori
Det är önskvärt att få reda på hur mycket energi som återvinns från de olika systemen och hur mycket energi som behöver tillföras från pannorna. För att kunna beräkna effekten från respektive system behöver temperaturen på fram och returledning mätas. Även flödet bör vara känt eller uppskattats med hjälp av pumpkurvor och avläst effektförbrukning för pumparna. Effekten erhålls genom att mäta strömmen till pumpen och sedan beräkna effekten med formel 1. ϕ cos * 3 * * I U P =
Formel 1. Effekt ur 3-fas maskiner
Sedan kan ett ungefärligt flöde läsas av i pumpkurvan för pumpen. Effekten som avges i respektive batteri beräknas med formel 2.
T c V
P = *ρ* p*∆
Formel 2. Effekt vid temperaturändring.
När effekterna från de olika batterierna är kända ser man hur stor andel av det totala effektbehovet som respektive system bidrar med. För att få den totala energiförbrukningen under ett helt år används formel 3 där P är den effekt som krävs för att värma luften en grad och G+ är antalet gradtimmar under ett år.
+ =P G
Q *
Formel 3. Energi från varaktighetsdiagram.
Antalet gradtimmar fås fram med hjälp av ett varaktighetsdiagram som fås med formel 45.
5
10
( ) (
) (
)
(
)
+ + + + − + − + + − − = 585 900 cos * 500 * 8 1200 * * 5 , 1 700 1550 8300 586 8 1 * 001 , 0 * * 086 , 0 9 , 3 * 4380 2 3 38 h h h h h h n n n n ϑ ϑ ϑ ϑ ϑ Formel 4. varaktighetsdiagram.Ytan som begränsas av funktionen och den temperatur man önskar värma till är antalet
gradtimmar. Hänsyn måste även tas om aggregaten inte går kontinuerligt. För att få ett mått på hur bra de olika återvinningssystemen fungerar beräknas temperaturverkningsgraden fram med formel. 5.
(
)
(
från ute)
ute till t T T T T − − = η Formel 5. Temperaturverkningsgrad.För att få fram temperaturverkningsgraden i för aggregatens andra återvinningsbatteri används temperaturen som fås efter första batteriet i stället för utomhustemperaturen.
6.2.2 Mätresultat/Beräkningar
Mätningar har gjorts för att få reda på hur mycket energi som återvinns i de olika systemen. Mätningarna redovisas i bilaga 1.
Ett varaktighetsdiagram har gjorts där normaltemperaturen, ϑn, har satts till 5,9 grader
6
och h är antalet timmar per år. Varaktighetsdiagrammet visar hur många gradtimmar som krävs för att värma luften till 18 grader under ett helt år. Sett över en hel vecka går aggregaten halva tiden. Det innebär att antalet gradtimmar från varaktighetsdiagrammet divideras med två för att få energiförbrukningen under ett år.
För det första återvinningsbatteriet i TA 1 beräknas temperaturverkningsgraden till 6 procent och återvinningen från smältugnarna har en verkningsgrad på 28 procent. I TA 2 beräknas verkningsgraden till 17 procent i första batteriet. Andra batteriet användes inte då mätningarna gjordes. I figurerna 1 och 2 visas varaktighetsdiagrammen för TA 1 och TA 2. Förutom den totala energi som går åt för uppvärmningen ritas även återvinningssystemens
temperaturverkningsgrad in för att visa hur mycket energi som sparas med hjälp av återvinningen.
6
11 TA 1 befintligt -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Antal timmar Te m p e ra tur
Figur 1. Varaktighetsdiagram för TA 1 visar energibehovet för att värma luften till 18°C. Den nedre ytan visar hur mycket som återvinns från FA 1 och 2. Ytan i mitten visar hur mycket som återvinns från smältugnarna. Resten behöver tillföras från värmesystemet.
I beräkningarna för TA 1 har flödet vid halvfartsdrift, 5,85 kubikmeter per sekund, använts eftersom det är normalt driftläge då luften behöver värmas. Det årliga energibehovet för TA 1 uppgår till 396 MWh. Återvinningsbatterierna från FA 1,2 och smältugnarna bidar med 30 MWh respektive 133 MWh. Resterande 233 MWh behöver tillföras från pannorna.
TA 2 befintligt -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Antal tim m ar Te m p e ra tur
Figur 2. Varaktighetsdiagram för TA 2 visar energibehovet för att värma luften till 18°C. Den nedre ytan visar hur mycket som återvinns från FA 4. Resten behöver tillföras från värmesystemet.
Det totala Energibehovet för att värma luften i TA 2 uppgår till 745 MWh. Återvinningen från FA 4 bidrar med 162 MWh vilket innebär att 583 MWh behöver tillföras från pannorna.
12 Kompressorn som är kopplad till andra batteriet inte får tillräcklig kylning när återvinningen körs kyls den istället av kommunalt vatten. Därför visas ingen återvinning från det systemet.
6.2.3 Lösningsförslag
TA 1
Om ett nytt frånluftsaggregat installeras kommer värmeåtervinningen från frånluften att kunna fungera bättre. Hur hög den nya temperaturverkningsgraden blir är svår att beräkna. Eftersom det stora påsfiltret står utomhus kyls luften innan den kommer till återvinningsbatteriet i frånluftsaggregatet. Om 40 procents temperaturverkningsgrad kan erhållas ändras
energifördelningen till det som figur 3 visar. Hur mycket som återvinns i det andra batteriet har beräknats med samma temperaturverkningsgrad som det befintliga systemet men i beräkningarna har temperaturen för uteluften satts till den temperatur som tilluften har efter första värmebatteriet. Observera att varaktighetsdiagrammen visar hela året och för att ta hänsyn till aktuella drifttider divideras ytan med två, vilket är gjort i beräkningarna.
TA 1 med ny återvinning -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Antal tim m ar T e m p er at u r
Figur 3. Varaktighetsdiagram för TA 1 med nytt FA 1.
Det första återvinningsbatteriet ger då 250 MWh vilket är 63 procent av det totala
värmebehovet i jämförelse med tidigare 8 procent. Energin som behövs från pannorna blir då bara 102 MWh vilket är en minskning med 55 procent.
TA 2
Om det andra värmebatteriet i TA 2 kan får sin värme från ett återvinningsbatteri i
kompressorrummet kan energin från pannorna minskas ordentligt. Effekten som kan utnyttjas från kompressorerna har beräknats som en temperaturverkningsgrad med frånluftstemperatur från kompressorrummet och uteluftstemperaturen är den temperatur som tilluften har efter första återvinningsbatteriet i TA 2. Temperaturverkningsgraden har satts till 30 procent och ger då en energifördelning som figur 4 visar.
13 TA 2 med ny återvinning -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Antal timm ar T e m p er atu r
Figur 4. Varaktighetsdiagram för TA 2 med ny återvinning.
Av de 745 MWh som totalt behövs för uppvärmning av luften kommer 466 MWh från återvinning. Pannorna behöver bara bidra med 349 MWh vilket är en minskning med 40 procent.
14
6.3 Värmebehandlingsrum
För att aluminiumet ska få rätt egenskaper värms det upp i ugnar och sedan kyls i ett
vattenbad. För uppvärmningen används åtta ugnar som är numrerade ett till åtta. Ugnarna tre till åtta ligger i ett rum tillsammans med ett vattenbad för kylning av godset. Rummet där värmebehandlingsugnarna är placerade har alltid högre temperatur än de omgivande rummen. För att sänka temperaturen finns tre fläktar i taket för ökad ventilation. Två för tilluft och en för frånluft. Värmen är ändå besvärande, särskilt på sommaren då temperaturen kan stiga till omkring 30 grader7. Idag återvinns inte någon värme från värmebehandlingsrummet förutom läckaget till omkringliggande rum.
I samtliga ugnar finns en fläkt för att värmen ska fördelas jämnt i ugnen. Tre ugnar värmer aluminiumet till 525 grader Celsius och tre värmer till 175 grader. Ugnarna värms genom trefas el med spänningen 400 volt. De rent resistiva värmeslingorna är kopplade i D-koppling. Undantaget är ugn 4 där ett värmeelement är utbytt. Detta är så kraftigt att ett av de övriga elementen är bortkopplat. Detta gör att en fas belastas mer än de övriga. Ungarna 3, 4, 5 och 8 styrs med hjälp av tyristorer. Övriga styrs med kontaktorer vilket innebär on-off-reglering och att effekten vid påslag är konstant. Kontaktorer kan inte arbeta med så korta intervall som tyristorstyrning kan vilket gör att svängningarna i temperatur blir något större.
Samtliga ugnar är kopplade till en skrivare som kontinuerligt skriver vilken temperatur som ugnarna håller.
6.3.1 Teori
För att beräkna effekten på 3-fasutrustning med symetriska laster utifrån uppmätt ström används formel 6. ϕ cos * 3 * * I U P =
Formel 6. Effekt ur 3-fas-utrustning.
När maximal effekt tillförs ugnarna är det främst för att nå önskad temperatur i ugnen. Den effekt som avges i form av värmeförluster till omgivningen är enligt energibalansen lika stor som den effekt som går åt för att hålla temperaturen konstant i ugnen när önskad temperatur redan är uppnådd. Genom att mäta strömförbrukningen med korta intervall när ugnen håller konstant temperatur kan den genomsnittliga effekten som krävs för att hålla rätt temperatur beräknas med hjälp av formel 6.
6.3.2 Mätresultat/Beräkningar
Ugnarnas maximala effekt har beräknats utifrån strömförbrukningen och redovisas i tabell 2. Spänningen U är 400 volt och fasförskjutningen cosϕ är 1 ett eftersom ugnarna är rent resistiva.
Tabell 2. Maximal effekt för ugnarna i värmebehandlingen.
Ugn Effekt [kW] 3 73,9 4 23,4 5 130,7 7
15
6 34,4 7 33,7 8 46,7 Totalt 342,8
Den effekt som krävs för att hålla konstant temperatur i respektive ugn visas i tabell 3. Tabell 3. Effekt som krävs för att hålla konstant temperatur i ugnarna.
Ugn Effekt [kW] 3 60,5 4 8,3 5 72,1 6 12,6 7 15,1 8 26,4 Totalt 195,0
Den totala varmhållningseffekten för ugnarna är 195 kilowatt. Alla ugnar går inte kontinuerligt. Därför har data från temperaturskrivaren studerats för att få en bild av hur mycket ugnarna används. Utifrån studierna uppskattas att cirka 70 procent av effekten belastar rummet samtidigt. Effekten som bidrar till uppvärmningen av rummet bedöms då vara 135 kilowatt.
6.3.3 Lösningsförslag
För att kunna återvinna värmen ur luften som ventileras bort från värmebehandlingsrummet kan ett frånluftsaggregat installeras. Ett frånluftsaggregat bör bestå av fläkt, filter och återvinningsbatteri. Filtret behövs för att batteriet inte ska sättas igen med stoft och damm. Fläktens kapacitet bestäms av vilket flöde som fodras för att hålla önskad temperatur med den aktuella värmelast som finns i rummet. Den tilluft som tillsätts via ventilationssystemet är 18 grader medan luften som kommer in via fläktarna i taket har utetemperatur. Om temperaturen tillåts öka med 10 grader d v s till 28 grader innan det sugs ut, kan det erforderliga luftflödet beräknas med formel 7.
T c V p ∆ Ρ = * * ρ & Formel 7. Kylluftsflöde.
Det ger ett erforderligt flöde på 11,3 kubikmeter per sekund. Det kan vara svårt att ventilera rummet med så mycket luft utan att det blir dragproblem. För att få bort den varma luften från rummet på ett bra sätt bör frånluften tas ovanför eller i nära anslutning till ugnarna. Tilluften bör blåsas in där man önskar ha det minst varmt.
Den återvunna värmen kan sedan användas på tre olika sätt.
1. Värmen kan utnyttjas med ett återvinningssystem till ett tilluftsaggregat.
2. Värmen kan avges i en eller flera luftvärmare som placeras i ett närbeläget rum som är i behov av värme. Systemet bör ha styrning som ser till att värmaren/värmarna avger lagom värmemängd. När det inte finns något värmebehov i omgivande rum får ändå rummet sin kylning men blåser då ut den varma luften.
3. Värmen kan utgöra en värmekälla till en värmepump. Värmepumpen bidrar sedan med värme till det centrala uppvärmningssystemet. Värmepumpen kan bara ge temperaturer upp
16
till cirka 60 grader. Ju lägre temperaturlyft som värmepumpen behöver göra desto effektivare är den. Värmepumpen bör därför placeras på returen från uppvärmningssystemet och i serie med de övriga pannorna. Värmepumpen värmer då returen så mycket den kan och resterande värme levereras av de befintliga pannorna. Eftersom en eventuell värmepump kan sänka temperaturen på luften till under tilluftstemperatur kan den även ge kylning om luften återförs till rummet. För att en sänkning av lufttemperaturen ska ske krävs att det finns ett värmebehov i övriga byggnaden. Annars kan en kylare installeras så värmepumpen fungerar som
kylmaskin på sommaren när det inte finns något värmebehov. Om luften ska återföras är det lämpligt att kyla luften till cirka 18 grader innan det tillsätts rummet igen.
6.3.4 Besparing
Med sitt lika flöde som tilluftsaggregat 1 kan det vara intressant och titta på hur mycket energi ett vätskekopplat återvinningssystem skulle kunna bidra med. Om återvinningssystemet antas ha en temperaturverkningsgrad på 50 % och maximal tillgänglig effekt är 135 kW kan ett varaktighetsdiagram visa hur mycket energi återvinningssystemet kan ge. Observera att den här beräkningen är gjord med TA1 på helfartsdrift istället för halvfart som är det normala driftsläget i dagsläget. Aggregatet antas fortfarande vara tidsstyrt så tiden ur
varaktighetsdiagrammet har dividerats med två.
Återvinning från värmebehandling -25 -15 -5 5 15 25 35 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Tid T e m p er at u r
Figur 5 visar andelen återvunnen energi i TA1 vid återvinning från värmebehandlingen.
Med ett flöde på 11 m³/s krävs det 745 MWh för att värma tilluften till 18°C under ett år. Återvinningen kan då bidra med 436 MWh vilket ger en energiverkningsgrad på 58 %. I alternativ 2 kan man utnyttja ungefär lika hög effekt som ett återvinningssystem till ett aggregat. Möjligtvis kan den totala energin avvika något från aggregatets på grund av att värmebehovet för de aktuella rummen kanske avviker från aggregatets värmebehov där luften alltid värms till 18°C.
Hur stor mycket energi som kan sparas med en värmepump beror på vilka temperaturer man vill ha. Hur mycket energi värmepumpen kan ta ur frånluften avgör hur mycket energi som kan återvinnas. Nackdelen med värmepump är att el måste tillföras till värmesystemet.
17
6.4 Vattenbad i värmebehandling
I värmebehandlingsrummet ligger även vattenbadet. När godset har värmts till 525 grader ska det kylas ner till cirka 200 grader för att få rätt egenskaper. Detta görs genom att sänka ner godset i ett vattenbad. I dagsläget har badet en temperatur på 60 grader vilket gör att mycket värme avges till rummet. Avgivningen sker både genom strålning och genom förångning av vattnet. För att få en bra arbetsmiljö i rummet samt ökad möjlighet till kontroll av processen önskas en temperatur på 20 grader hållas i badet. Vattenbadet är tre meter djupt och innehåller 16 kubikmeter vatten.
Varje vecka kyls omkring fem ton aluminium i badet. Under en arbetsdag görs mellan fyra och sju nersänkningar8.
6.4.1 Teori
När godset kyls avges värmen till vattnet i badet. Mängden energi kan beräknas enligt formel 8, där m är aluminiumets massa, cp är aluminiumets specifika värmekapacitet och ∆T är hur
många grader godset kyls.
T c m
Q= * p *∆
Formel 8. Energi vid temperaturändring
Den totala temperaturökningen av vattnet i samband med en sådan nersänkning beräknas med formel 9 där ρ och cpär data för vatten och V är volymen av vattenbadet.
p c V Q T * *ρ = ∆
Formel 9. Temperaturhöjning vid energiavgivning
Effekten som kan tas ut ur badet beräknas med formel 10.
t Q
= Ρ
Formel 10. Effektuttag ur energilager
Här kan man variera parametrarna beroende på hur man vill att kylningen ska fungera. Vill man ta ut en kontinuerlig effekt måste man tillåta en lite högre temperaturhöjning i badet under dagtid då det används med tätare intervaller än under nätter och helger. Önskas däremot att temperaturen i vattenbadet snabbt ska återgå till ursprungstemperatur efter en nersänkning kan effektuttaget ökas. Konsekvensen blir att kylningen bara går korta stunder vilket kan vara en nackdel om värmen ska återanvändas. Där värmen utnyttjas behöver då även ha back up från det ordinarie värmesystemet.
6.4.2 Beräkningar
I beräkningarna har det antagits att det i medel sker 5,5 nersänkningar per dag i badet. Det ger att varje nersänkning innehåller 182 kilo aluminiumgods som avger 62 MJ till vattenbadet då det kyls från 525 till 200 grader. Det ger en temperaturökning av vattnet i badet på 0,94 grader per nersänkning. Om värmeuttaget önskas ske kontinuerligt kan en effekt på 2,8 kilowatt utnyttjas. Men eftersom badet används med tätare intervall under dagtid kan effekten ökas något för att kunna hålla nere temperaturen under dagen. Om fyra kilowatt tas ut ur badet tar det cirka fyra timmar och tjugo minuter för att ta upp energin av en nersänkning. Det gör att
8
18 energi kan tas ut omkring 119 timmar i veckan vilket är i stort sett dygnet runt förutom på helgen.
6.4.3 Lösningsförslag
För att kunna ta upp värme från vattenbadet måste en kylslinga installeras i badet. För att få en jämn temperatur i hela badet bör man eftersträva mer cirkulation så badet inte skiktar sig. Det görs enklast med en cirkulationspump. I och med det minskar troligtvis avdunstningen från badet eftersom yttemperaturen blir lägre. Skiktningen kan dock vara en fördel då man kan få ut en högre temperatur på kylvattnet om det går genom det varma överskiktet sist. Om en värmepump installeras för att återvinna värmen ur luften i värmebehandlingsrummet kan kylningen av vattenbadet kopplas till samma värmepump. Temperaturerna kan anpassas så de blir samma både från vattenbadet och från återvinningsbatteriet. Med den ringa effekt som är möjligt att ta ut ur vattenbadet är det inte realistiskt att installera en värmepump endast för vattenbadet.
Vattenbadet kan även kopplas till en egen kylare för att sänka temperaturen i badet. Möjligheten att återvinna värmen blir då endast om kylaren placeras i ett rum med
värmebehov. Om kylaren placeras utomhus blir kylningen av badet troligtvis effektivare men återvinning av värme blir då inte möjlig.
6.4.4 Besparing
Den energi som går att utvinna ur vattenbadet är den energi som tillsätts badet och som behöver kylas bort för att badet ska hålla konstant temperatur och inte belasta omgivningen med värme. Den effekt som kan plockas kontinuerligt är 2,8 kW. På ett år kyl då 25 MWh bort från badet om kylningen går konstant.
Hur mycket som kan utnyttjas för uppvärmning beror på var värmeavgivningen ske. Hur många timmar man kan utnyttja värmen från kylningen beror på hur stort värmebehovet är där värmen ska avges. Om värmebehovet är stort i rummet kan spillvärmen utnyttjas under längre tid under året än om värmebehovet är litet.
19
6.5 Kylsystem för smältugnar
Det aluminium som används i processen smälts i fyra stycken induktionsugnar. Runt
respektive ugn finns en kylslinga för att de yttre delarna av ugnen inte ska bli för varma. Det varma kylvattnet leds upp till ett kyltorn där värmen kyls bort. En del värme utnyttjas genom att växlas till en separat slinga innan kyltornet. Slingan går till ett värmebatteri som värmer tilluften i TA 1. Om returen från värmebatteriet är för hög går vattnet vidare till en kylare på taket. Eftersom slingan kyls utomhus och det finns risk för frysning innehåller slingan 30 % etylenglykol.
Det är viktigt att ugnarna får tillräcklig kylning. Om kylvattnet från smältugnarna är över 46 grader stängs ugnarna av. Kylsystemet är igång när smältning pågår och två timmar efteråt för att få ner temperaturen i ugnarna.
6.5.1 Teori
När värmeavgivningen inte är kontinuerlig finns två principer som man kan utnyttja värmen med. Antingen varierar återvinningen med värmeavgivningen eller så används ett värmelager för att jämna ut variationerna.
Om återvinningen sker direkt kan en hög effekt utnyttjas under tiden då värmeavgivningen är hög. En nackdel är att det ordinarie värmesystemet behöver ha fullständig back up och belastningen på värmesystemet varierar kraftigt beroende på värmeavgivningens storlek. Det behöver dock inte vara en nackdel. Om värmeavgivningen är hög under tider då
värmebehovet från värmesystemet är högt kan det istället vara en fördel och jämna ut belastningen för värmesystemet. Därför bör tiderna då värmeavgivningen är stor jämföras med hur belastningen av värmesystemet varierar.
Med ett värmelager kan man lagra upp energi när värmeavgivningen är hög för att sedan kunna utnyttja när värmeavgivningen är låg. Systemet kan anpassas till att kunna avge en kontinuerligt effekt oberoende hur mycket värmeavgivningen varierar. Den energi som avges kan förstås inte vara mer än vad som har lagrats i värmelagret. Fördelen med värmelager är att man får ett kontinuerligt värmetillskott och en fullständig back up med annat värmesystem inte är nödvändigt. Det ordinarie värmesystemet kan gå med en jämnare belastning. Nackdelen är att ett värmelager kan behöva vara stort och ta upp mycket plats.
Hur stort värmelagret behöver vara beror på hur mycket energi som ska kunna lagras och vilket temperaturspann som är möjligt att utnyttja i tanken. Tankens storlek beräknas med formel 11 där V är tankens volym och Q är den energin som önskas kunna lagras.
T c Q V p ∆ = * * ρ
Formel 11. Erforderlig volym för energilagring.
Effekten som kan utnyttjas kontinuerligt beräknas som medeleffekten under den tid men vill att effektuttaget ska kunna ske. För att kunna utnyttja så mycket energi som möjligt bestäms Q av hur mycket energi som maximalt behöver lagras innan värmeöverskottet avtar och värmebehovet blir större än värmeavgivningen. Det vill säga att energi behöver tas från värmelagret istället för direkt från avgivningskällan.
20
6.5.2 Mätresultat/Beräkningar
I figur 5 visas hur stor effekt som avges i systemet och hur effekten varierar. Figuren visar även hur mycket av värmen som återvinns i TA 1 i dagsläget.
Ugnskyla -100 0 100 200 300 400 500 600 700 800 m åndag kW
Effekt Effekt till TA 1
Figur 6. Avgiven effekt i smältugnarnas kylsystem. Den nedre kurvan visar hur stor effekt som går till återvinning i TA1.
Vattentemperaturen från ugnarna är under drift är cirka 34 grader. Den bortkylda effekten från smältugnarna varierar från noll till över 700 kilowatt. Då smältningen är igång är
medeleffekten 417 kilowatt. Önskas en kontinuerlig drift med hjälp av en ackumulatortank kan 145 kilowatt utvinnas. Detta kräver att en tank installeras för att lagra värmen då
kylningen är igång för att kunna utnyttjas då kylningen inte är igång. Tanken behöver kunna lagra 3700 kWh. Med en temperaturskillnad i tanken på 25 grader behöver den innehålla 130 m³ vatten.
En del av värmen återvinns redan till TA 1. Det fungerar bra i dagsläget. Av energin som återstår efter värmeåtervinningen i TA 1 är den maximala effekten 670 kilowatt och medeleffekten totalt respektive under drifttid är 126 respektive 310 kilowatt.
6.5.3 Lösningsförslag
Som komplement till att kyla vattnet i kyltorn kan en kylmaskin installeras som sänker temperaturen på kylvattnet och gör att värmen kan användas i centrala
uppvärmningssystemet. Värmepumpen kan utformas på två olika sätt. Antingen kan den ge maximal effekt när kylsystemet är igång. Då behövs fullständig back up av andra pannor som kan gå in då inte smältning sker. Eller kan ett värmelager installeras så en kontinuerlig effekt kan utnyttjas även då smältning inte sker. Returen från värmepumpen måste vara så kall att kylningen av ugnarna fungerar. Det vatten som inte går via värmepumpen kyls via kyltornet för att få ner temperaturen tillräckligt.
Alternativt kan värmepumpen ligga i serie innan kyltornet så hela flödet går genom
21
6.6 Kylsystem för kompressorer
I processen används en hel del tryckluft. Den erhålls från fyra kompressorer. Två kompressorer är vattenkylda med separata kylsystem. Värmen från den ena vätskekylda kompressorn leds ner i pannrummet där den används för att värma tappvarmvattnet när behov föreligger.
Värmen från den andra vätskekylda kompressorn är kopplad till ett värmebatteri i TA2. Om returen från luftvärmaren är för varm kyls den ytterligare i en kylare på taket. Eftersom vätskan går utomhus föreligger frysrisk. Därför innehåller systemet etylenglykol med en viktkoncentration på 30 %. På grund av att kompressorn får för dålig kylning när värmen leds till tilluftsaggregatet, kyls nu kompressorn med kommunalt vatten som sedan går till avloppet. Två kompressorer är luftkylda och där återvinns ingen värme. Den ena av dem är bara en reservkompressor och används bara vid service av de ordinarie kompressorerna. Både den luftkylda kompressorn som körs normalt och de två vätskekylda avger en hel del värme till rummet. För att inte få för varmt i rummet finns en fläkt i väggen som blåser ut varm luft. För att förse kompressorerna med tillräckligt mycket luft finns fläktar i taket som blåser ner luft över varje kompressor. Luften tas utifrån och används både för kompression och för kylning av systemen.
En ny luftkyld kompressor kommer att installeras och ersätta en gammal vätskekyld under sommaren 2006. Därefter beräknas de två nyaste kompressorerna klara största delen av all tryckluftproduktion. Båda dessa är oljesmorda skruvkompressorer. Två äldre kompressorer finns kvar som back up när de övriga inte räcker till eller vid service.
6.6.1 Teori
I stort sett all energi som tillförs kompressorerna omvandlas till värme, antingen när luften komprimeras eller som förluster i kompressorn. Hur mycket man kan återvinna beror på hur man vill ta hand om värmen. Har man vätskeburet system som man önskar ha hög temperatur i kretsen är återvinningsgraden mindre än om man återvinner värmen ur luft som har lägre temperatur.
Luftkylda kompressorer har ett stort varmluftsflöde men med relativt låg temperatur. De bästa alternativen för återvinning kan då vara att direkt distribuera den varma luften till något rum i närheten som har behov av värmetillskott, eller att med hjälp av en vätskekrets distribuera värmen till ett förvärmningsbatteri. När det inte finns något värmebehov leds luften ut i det fria istället vilket gör att kompressorerna får samma kylning hela tiden oavsett om värmen tas tillvara eller inte. Fläktens kapacitet bestäms av hur mycket luften tillåts stiga i temperatur från att den tillsätts till den tas ut som frånluft. Beräkningen görs sedan med formel 7. Vattenkylda kompressorer kan ge en vattentemperatur upp till 90°C beroende på typ av kompressor. Varmvattenflödet kan då kopplas till det ordinarie uppvärmningssystemet och avlasta pannorna genom att kompressorvärmen värmer returen i värmesystemet. Pannorna belastas då minde och kan vara avstängda längre under sommaren då värmen från
kompressorerna klarar hela värmebehovet. Oljefria kompressorer är lättast att modifiera till vätskekylning och är den typ som kan ge den högsta vattentemperaturen. I oljesmorda kompressorer är oljan, som deltar i kompressionen, den faktor som begränsar
22 För att ordna vattenburen energiåtervinning i luftkylda, oljesmorda kompressorer behöver man installera en värmeväxlare i oljekretsen. Oljesmorda kompressorer kan dock inte ge lika höga temperaturer i vätskekretsen som en oljefri kompressor kan.9
6.6.2 Mätresultat/Beräkningar
Efter installationen av den nya kompressorn blir effekten på de två huvudkompressorerna 250 kilowatt. Eftersom dessa båda kompressorer antas klara av den normala belastningen så är det från dessa det är intressant att titta på återvinningsalternativ. Återvinningsfaktorn på
oljesmorda luftkylda skruvkompressorer är cirka 90 procent om man tar energin ut luften.10 Det innebär att 225 kilowatt är möjligt att återvinna.
6.6.3 Lösningsförslag
För att få en bra kylning med hjälp av ventilationen bör man eftersträva kolvströmning i de båda rummen. Det innebär att luften tillsätts i ena änden av rummet och tas ut på motstående sida. Detta är i stort sett uppnått i den inre delen av kompressorrummet. I den första delen bör dock tilluftkanalen dras till andra änden och ytterligare utsug installeras i samma vägg som i inre rummet. Ett annat sätt att undvika att det blir så varmt i kompressorrummet kan vara att direktansluta kompressorerna med kanaler där kylluften blåses ut i rummet. På så sätt leds mycket av den varma luften direkt ut från rummet utan att blandas med övrig rumsluft. Temperaturen i frånluften blir då högre vilket ger möjlighet till ökad effektavgivning i ett värmebatteri.
1. Frånluftskanalerna kan sedan kopplas samman och förses med ett återvinningsbatteri så värmen kan tas tillvara. För att inte återvinningsbatteriet ska sätta igen med stoft bör ett filter även installeras innan batteriet. Värmen kan sedan bidra till uppvärmningen antingen med en luftvärmare i något annat rum eller till centrala uppvärmningssystemet. I det sista fallet behöver temperaturen ökas med hjälp av en värmepump.
2. Om luften inte innehåller några föroreningar kan den varma luften tillsättas direkt till något rum med värmebehov. Man bör då även ha en by pass så luften kan släppas utomhus om det inte finns något värmebehov. Hur mycket värme som tillförs rummet eller rummen justeras genom att luftflödet varieras med hjälp av spjäll.
3. Den kompressorn som ska ersättas med den nya är kopplad till ett värmebatteri i TA 2. Eftersom den nya kompressorn är luftkyld kommer inte värmebatteriet att användas. Värmen i det nyinstallerade frånluftsaggregatet kan då kopplas till det befintliga värmebatteriet i TA 2. Rören finns redan dragna mellan TA 2 och kompressorrummet, så den enda rördragning som krävs är att det nya återvinningsaggregatet kopplas samman med det befintliga systemet i kompressorrummet. Systemet bör även modifieras så vattnet inte går upp i kondensorn på taket för extra kylning.
4. Ett annat alternativ är att bygga om kompressorerna så de blir vätskekylda. Det varma vattnet kan då direkt bidra med värme till det centrala uppvärmningssystemet eller till ett värmebatteri i ett tilluftsaggregat. En luftkylare bör även installeras för att säkerställa kylningen när inget värmebehov föreligger.
9
Tryckluftshandboken, Atlas Copco 10
23
6.6.4 Besparing
Om frånluften från kompressorrummet utnyttjas i ett vätskekopplat återvinningssystem till tilluftsaggregat 2 antas temperaturverkningsgraden kunna bli 50 %. Eftersom
kompressorrummet får sin tilluft utifrån har beräkningarna gjorts med att den avgivna
effekten till luften är konstant. Om luftflödet antas vara 11 m³/s värmer kompressorerna luften ca 17 grader innan den plockas ut som frånluft. I beräkningarna har sedan
frånluftstemperaturen satts till 17 grader över utomhustemperaturen. Ett varaktighetsdiagram kan visa hur mycket energi som återvinningssystemet kan bidra med.
Återvinning från kompressorrum -25 -15 -5 5 15 25 35 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Tid T e m p er at u r
Figur 7 visar andelen återvunnen energi i TA2 vid återvinning från kompressorrummet.
Totalt krävs det 745 MWh för att värma luften till 18°C. Återvinningssystemet kan bidra med 377 MWh så endast 368 MWh behöver tillföras från värmesystemet. Energiverkningsgraden för återvinningen är 51 %.
24
6.7 Urbränningsugnar
Kärnorna som finns kvar i godsets håligheter efter gjutningen fås ut genom att godset får stå i en ugn som är 400 grader i en till två dygn. Då mister bindemedlet sin bindande förmåga och sanden kan skakas ur godset. För att värma godset används fem ugnar som står i ett skjul på gården. Skjulet har väggar på tre sidor samt tak. Samtliga ugnar har en fläkt i taket för att värmen ska fördelas jämnt. Ugnarna värms av värmestavar som sitter i två av sidorna. En sida består av nio värmestavar som i sin tur är uppdelade i tre element med tre värmestavar i varje. Märkeffekten på varje stav är fem kilowatt. Om en värmestav går sönder i ett element byts det inte ut. Först när två stavar i samma batteri går sönder byts hela batteriet. Detta gör att den aktuella effekten inte är samma som märkeffekten om någon eller några stavar inte fungerar. Varje sida har separat styrning med undantag för en ugn där hela styrs gemensamt.11 När ugnarna har nått önskad temperatur hålls temperaturen konstant. Detta sker med givare för respektive sida och strömmen regleras med kontaktorer. Ugnarna matas med 400 volts trefas. Alla fem urbränningsugnar är igång hela tiden med undantag för då i och urlastning sker.
6.7.1 Teori
Principen för hur stor effekt som urbränningsugnarna alstrar är densamma som för ugnarna i värmebehandlingen. Effekten beräknads sedan med formel 1.
6.7.2 Mätresultat/Beräkningar
När effekten beräknas sätts spänningen till 400 volt och cosϕ sätts till ett för att ugnarna är rent resistiva. I tabell 4 visas hur stor effekt ugnarna förbrukar både fullast och som medel. Mätningarna redovisas i bilaga 2.
Tabell 4. Ström- och effektförbrukning för urbränningsugnar.
Fullast Medel
Ugn Ström [A] Effekt [kW] Ström [A] Effekt [kW]
1 55,3 38,3 52,4 36,3 2 72,3 50,1 64,3 44,5 3 80,5 55,8 65,2 45,2 4 97,9 67,9 87,0 60,3 5 89,3 61,8 80,8 56,0 273,9 242,3
Den energi som godset innehåller när det tas ut från ugnarna är svår att återvinna och räknas därmed som förlust.
6.7.3 Lösningsförslag
För att återvinna värme från urbränningsugnarna finns flera alternativ.
1. Genom att installera en vätskeburen kylslinga kring varje ugn kan spillvärmen utnyttjas. Kylslingan tar upp den värme som annars skulle avges till luften runt ugnarna. Värmen i kylvätskan kan sedan användas för uppvärmning av tilluft eller till det centrala
uppvärmningssystemet. I det senare fallet kan en värmepump behöva installeras för att få tillräckligt hög temperatur. Kylningen bör gå samtidigt som ugnen och även ett tag efteråt för att utnyttja den lagrade värmen i ugnen. Risken med att installera en kylkrets kan vara att man för bort för mycket värme från ugnen. Det är viktigt att kylslingan installeras så att så
11
25 mycket av värmen går in i ugnen. Om isoleringen är för dålig mellan ugn och kylslingan finns risk att för mycket värme förs bort så eleffekten till ugnarna ökar ytterligare. Det kan även vara svårt att få en vätskekrets att fungera bra i praktiken i och med att ugnarna har öppning i sidan och risken är stor att man får problem att få bort luften i systemet om slingan måste gå över dörren.
2. Ett annat alternativ för att utnyttja värmen är att bygga in ugnarna så de står inomhus. Det innebär att en vägg med portar behöver installeras framför ugnarna. Värmen i luften kring ugnarna kan sen via en vätskekrets användas antingen för uppvärmning av tilluft eller i det centrala uppvärmningssystemet. I det senare fallet kan temperaturen behöva höjas med hjälp av en värmepump. Värmen skulle även kunna användas för luftvärmning vid portarna urskakningen eller på någon annan plats som har värmebehov. Vid beräkning av hur stor effekt som kan återvinnas måste transmissionsförlusterna genom inbyggnaden beaktas. I beräkningarna har antagits att det befintliga skjulet isoleras samt att en ny vägg med portar byggs framför ugnarna. Transmissionen har beräknats per grad enligt bilaga 3. Att godset innehåller energi när det tas ut från ugnarna har inte beaktats. Om man bygger in ugnarna finns möjligheten att urskakningen också kan ske inomhus och godset kan svalna till omgivningstemperatur inomhus och på så sätt kan även energin i godset utnyttjas. Luften kan cirkulera till ett återvinningsbatteri för att kylas ner. I beräkningarna för
besparingen har antagits att samma luft cirkulerar och återluften till inbyggnaden är således konstant. Ett alternativ kan vara att inte ha något cirkulerande system utan ta friskluft utifrån som får värmas i inbyggnaden för att sen passera återvinningsbatteriet innan det släpps ut. Nackdelen är att frånlufstemperaturen blir lägre när det är kallt utomhus vilket gör det svårare att avge högre effekt. Om luften tillåts stiga med 10°C i rummet innan det passerar återvinningsbatteriet och kyls ner igen kan ett erforderligt luftflöde räknas fram med formel 7.
3. Ett sista alternativ är att öka isoleringen runt ugnarna. Värmeåtervinning blir då inte möjlig, men värmeförlusterna till omgivningen borde minska och därmed även
elförbrukningen för ugnarna. Se bilaga 3. Här har det bara gjort en grov uppskattning på hur mycket förlusterna kan minska. Köldbryggor och otätheter har inte alls beaktats i
beräkningarna. Runt dörrar och anslutningar är troligtvis värmeläckaget betydligt större än den rena transmissionen genom väggarna. Beräkningarna ger ändå en bild av hur mycket en eventuell tilläggsisolering kan påverka uppvärmningsenergin. Att energin som lagras i godset och sanden går förlorad har inte beaktats i beräkningarna. Om godset står i ugnen i två dygn så är energin som finns i godset en liten andel av den totala energin man tillsatts ugnen under urbränningen.
6.7.4 Besparing
För alternativ ett är det svårt att beräkna hur mycket energi som går att utnyttja från en sådan krets. Faktorer som påverkar är dels hur mycket isolering det finns mellan värmeelementen i ugnen och vätskekretsen. Mer isolering mellan ger lägre total energiförbrukning som medför mindre spillenergi. En annan faktor som påverkar hur mycket spillenergi som kan utnyttjas är hur varm vätskekretsen måste bli för att kunna utnyttja den som effektiv värmekälla. Ett varmare vatten ger en effektivare värmekälla på uppvärmningsstället, men ger mer förluster i form av sämre energiupptagning runt ugnen i och med mindre temperaturskillnad mellan ugn och vätskekrets samt större temperaturskillnad mellan vätskekretsen och
26 2. Medeleffekten för samtliga ugnar är 242 kW. Eftersom ugnarna är avstängda vid i och urlastning antas att 80 % av effekten vara tillgänglig för återvinning. I beräkningarna används därför 194 kW. I beräkningarna antas att temperaturen runt ugnarna är 24°C utifrån att
temperaturen varierar mellan 18 och 28°C. Transmissionsförlusterna genom inbyggnaden är 232,4 W/°C. Med hjälp av ett varaktighetsdiagram, figur 6, beräknas hur mycket energi som försvinner genom inbyggnaden.
Transmissionsförluster -25 -15 -5 5 15 25 35 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 Tid T e m p er at u r
Figur 8. Varaktighetsdiagram för transmissioner genom inbyggnaden då inomhustemperaturen är 24°C.
Totala transmissionsförlusterna genom inbyggnaden beräknas till 37600 kWh. Beroende på hur värmen ska användas varierar den temperatur då det inte längre finns något värmebehov. Eftersom det finns en hel del tillskottsvärme i övriga fastigheten antas att det inte finns något värmebehov då utomhustemperaturen överstiger 15°C. Den energi som finns tillgänglig när det är varmare än 15°C anses därför inte att kunna återvinnas.
Effekten som finns kvar när transmissionsförlusterna genom inbyggnaden är borträknade varierar mellan 184 och 192 kW beroende på utomhustemperatur. Sett över ett helt år finns 1,34 MWh att tillgå från ugnarna.
Med alternativ två måste hänsyn tas till att distributionen av värmen sker likt ett vätskeburet värmeåtervinningssystem. Maximala verkningsgraden hamnar då omkring 60 procent.
27
7 Resultat
Som arbetar visar finns det stora mängder energi som idag endast ses som besvärande värmelaster för dem som arbetar i lokalen. Ofta handlar det om stora effekter vilket gör det svårt att hålla behaglig arbetstemperatur där dessa maskiner finns. Att föra bort så stora mängder värme är svårt med enbart allmän ventilationsluft.
Värmebehandlingen
Den största källan till att det blir för varmt i värmebehandlingsrummet är ugnarna. Uppskattningsvis avger ugnarna 135 kW till rummet.
För att kunna kyla bort värmeöverskottet med luft och inte låta luftens temperatur stiga med mer än tio grader krävs ett luftflöde på 11,3 m³/s. Detta kan jämföras med tilluftsaggregat 1 som när det går på helfart ger 11 m³/s till stora delar av processlokalen. Om frånluften utnyttjas till att förvärma luften i t ex TA1 skulle 436 MWh kunna återvinnas från värmebehandlingsrummet.
Vattenbad i värmebehandling
Vid första anblicken antas det lätt att vattenbadet kan vara en bra energikälla. Efter studier på hur mycket gods som kyls i badet samt beräkningar på hur mycket energi som avges visade det sig att ett kontinuerligt effektuttag ur vattenbadet endast kunde ge 2,8 kW. Det är så liten effekt att det troligtvis inte kommer att löna sig att bygga något återvinningssystem för badet om syftet endast är att återvinna värmen.
Kompressorrum
Möjligheterna att utnyttja energin från kompressorerna är stora. Drifttiderna stämmer väl överrens med hur ventilationsaggregaten är i drift. Kompressorerna uppskattas avge 225 kW värme till omgivningen. Beroende på var värmen utnyttjas varierar mängden energi som kan sparas i uppvärmning. Om återvinningen kopplas direkt till ett tilluftsaggregat skulle 377 MWh kunna sparas. Kompressorrummet ger även möjlighet att få något högre temperaturer ur frånluften. Antingen genom att tillåta en högre temperatur i kompressorrummet eftersom ingen arbetar där inne regelbundet, eller genom att kanalansluta kompressorerna direkt till frånluften. Då förs en stor del av kompressorns kylluft direkt till frånluftsbatteriet utan att blandas med övriga rumsluften. Det gör att värmen härifrån kan vara lämplig att använda i det andra återvinningsbatteriet. Eftersom man då inte kan utnyttja lika stort temperaturspann som om återvinningen skulle ha fungerat ensamt, blir besparingen från endast kompressorrummet något mindre men den totala återvinningsgraden för de två återvinningsbatterierna blir högre totalt.
Urbränningsugnar
Ugnarna för urbränning förbrukar mycket energi. Eftersom de står utomhus finns det inget naturligt sätt att återvinna den värme som strålar ut från ugnarna. Det gör att det krävs omfattande installationer för att kunna ta tillvara på värmen. Om återvinning sker ger det liknande temperaturer som ett normalt frånluftaggregat. Ser man till hela den här
undersökningen så finns det andra platser där effekten är likartad men installationerna inte är lika omfattande och är därmed attraktivare att utnyttja. Beräkningarna tyder på att ugnarna är dåligt isolerade mot omgivningen. Första steget mot effektivisering borde därför bli att isolera ugnarna. Detta borde ge betydande besparingar i elförbrukning eftersom ugnarna går nästan kontinuerligt.
28
7.1 Riskanalys
Skattelättnader
I Sverige har den tillverkande industrin subventioner för el och uppvärmning i form av slopad energiskatt och minskad koldioxidskatt med 79 %. Inom EU anses att hjälp med statliga medel gynnar landets företag och hotar att snedvrida eller snedvrider konkurrensen och är oförenligt med den gemensamma marknaden. Sverige har skattenivåer som ligger över gemenskapens lagstiftning för att förbättra miljöskyddet och påverka energiförbrukningen. Med villkoret att den skatt som företagen betalar efter skattelättnader fortfarande är högre än gemenskapens miniminivåer, får Sverige fortsätta med dagens stödformer till industrin. Beslutet gäller fram till den 31 december 2011. Svenska myndigheter har därmed åtagit sig att miniminivåerna för EU:s miljöskatter uppfylls även efter skattelättnaderna.12
Energipris
Den olja som Varnäsföretagen AB använder för uppvärmning kostar 7383 kronor
kubikmeter.13 Eftersom företaget får göra avdrag för hela energiskatten och 79 procent av koldioxidskatten blir det faktiska priset 4269 kronor per kubikmeter.
För elenergi betalas rörlig avgift dels för distribution, dels för den förbrukade elen. Grundpriset per kilowattimme är 34,86 öre.14 Utöver det tillkommer energiskatt på 0,5 öre/kWh. Till Eskilstuna energi och miljö betalas en rörlig nätavgift på 2,5 öre/kWh15. Det totala elpriset blir 37,86 öre per kilowattimme.
12
Europeiska kommissionen, Statligt stöd Nr: N588/2005-Sverige 13
Faktura Preem april 2006. 14
Faktura Fortum maj 2006. 15
29
8 Diskussion
Möjligheterna att använda energin som återvinns är begränsad på grund av att den i de flesta fall tas ur frånluften. Det innebär att energin återvinns vid låga temperaturer. Temperaturen bestäms av hur varmt man tillåter rumsluften bli innan man tar ut den. Det gör att
användningsområdet för den återvunna energin begränsas till några få användningsområden så som förvärmning av ventilationsluft och eventuellt förvärmning av tappvarmvatten. Därför är det viktigt att där det är möjligt försöka få en så hög frånluftstemperatur som möjligt för att energin ska kunna utnyttjas bättre. Det får dock inte gå ut över klimatet där folk arbetar regelbundet.
Det är även viktigt att processen inte påverkas negativt av en ökad energiåtervinning. Där kylsystem finns installerade är det viktigt att de förblir stabila och pålitliga för att inte störa processen.
Ventilation
Mätningarna för de befintliga återvinningssystemen är gjorda som systemen var inställda med. Bl a var by-pass spjäll öppna innan några frånlufsbatterier. Inga nya mätningar har gjort med optimerade inställningar för att se hur effektiv återvinningen skulle kunna fungera med de installerade systemen. Troligtvis går återvinningsgraden att öka bara genom att optimera inställningarna i det befintliga systemet.
När antagande om temperaturverkningsgrader och möjlighet att utnyttja större effekter i återvinningssystemen för aggregaten har ingen hänsyn tagits till vilken typ av batterier som sitter i systemen idag. Om de nya antagna effekterna avviker mycket från det som batterierna är dimensionerade för, är det inte säkert att värmeavgivning respektive värmeupptagning fungerar optimalt. Det kan ge följder som sänker verkningsgraden något.
Värmebehandlingen
Eftersom några ugnar i värmebehandlingen är nerfällda i golvet avges inte all värme direkt till rummet. Under värmebehandlingsrummet finns det bara hålrum. Detta område har ingen arrangerad ventilation. Ytan under rummet är litet och är direktförbundet med
värmebehandlingsrummet värmen där borde vara ungefär densamma som i rummet. Om värmen återvinns direkt med luftvärmare till något rum kan den totala energin avvika något från aggregatets energimängd för återvinningen. Rummen där luftvärmarna är placerade kan ha mer eller mindre värmebehov än vad aggregatet har. En fördel är att luften från
luftvärmarna kan ha övertemperatur vilket gör att de kan värma rummet ända upp till önskad temperatur och inte bara till 18°C som görs i aggregatet.
Badet i värmebehandlingen
Parametern att badet tar upp värme från de omgivande ugnarna har inte beaktats i
beräkningarna. Om ingen övrig kylning installeras i rummet kan troligtvis effektuttaget ökas ytterligare.
Kompressorkylning
Kompressorn som är kopplad till tappvarmvattnet är bara en av tre kompressorer som går kontinuerligt för att alltid ha tillräcklig kapacitet. Hur stor del av tiden som den går belastad har inte undersökts. Därmed blir det svårt att dra några klara slutsatser hur systemet fungerar utifrån mätningarna.
30
Urbränningsugnar
Beräkningarna visar att det går åt mycket energi för att hålla ugnarna varma. Beräkningarna är gjorda med temperaturer på luften kring ugnarna satta som om energin skulle kunna användas direkt i ett återvinningssystem för att värma tilluft. Energin finns vid låga temperaturer vilket gör att den kan vara svår att dra nytta av fullt ut. För att en luftvärmare ska ge ett bra
värmetillskott till rummet krävs oftast en högre temperatur på vattnet än vad som kan fås ut av luft som är 28°C. Temperaturen runt ugnarna går naturligtvis höjas så återvinningen kan utnyttjas bättre, men då måste man fundera över om arbetsmiljön är acceptabel bland ugnarna samt att man får något större transmissionsförluster. Det senare påverkar inte nämnvärt eftersom den avgivna effekten är så pass mycket högre än transmissonsförlusterna.
