Elproduktion ur restvärme: tillämpning av ORC-teknik vid ämnessvalning

E X A M E N S A R B E T E

Elproduktion ur restvärme

- tillämpning av ORC-teknik vid ämnessvalning

Janis Danebergs

Luleå tekniska universitet Högskoleingenjörsprogrammet Arena innovativ teknik och företagande

Institutionen för Tillämpad fysik, maskin- och materialteknik

Avdelningen för Energiteknik

Sammanfattning

I svalhallen vid SSAB i Luleå sker det en omfattande energiförlust till omgivningen då stora mängder nyproducerat stål svalnar. I detta examensarbete studeras möjligheten att ta till vara den energin för att producera el med hjälp av Organisk Rankine Cykel (ORC) teknik. En viktig förbehållning är att inte nuvarande stålproduktion på något sätt får hindras. I arbetet undersöktes svalhallens förutsättningar och möjliga hinder för installation av en ORC. Det gjordes även en litteraturstudie över olika värmeväxlingssätt som kan appliceras på svalnande stålämnen. Utifrån detta designades en värmeväxlare som kunde passa svalhallen. Det blev en systemlösning som består av kylkanaler under stålämnena, strålningsabsorbatorer och ett kontrollerat ventilationssystem. Enligt teoretiska beräkningar kan nästan en tredjedel av den avkylda energin tas till vara. Med hjälp av befintlig ORC teknik som levereras av företaget Opcon kan installationen producera 298 kW el vid normal stålproduktion. Med beräknade investeringskostnader för ORC-modulen och kylbatterierna går investeringen back 8,7 MSEK vid SSAB erforderliga återbetalningstid på 5 år. Det återstår ett massivt optimeringsarbete för att systemet ska kunna leverera max effekt. Den ekonomiska känslighetsanalysen visade att en utökning till maxproduktion inte är tillräcklig för att uppnå lönsamhet med nuvarande elpris och uppsatta investeringskraven.

Nyckelord: Svalhall, slabs, Organic Rankine Cycle, ORC, SSAB,

energieffektivisering

Abstract

There is a substantial energy loss to the surroundings at SABB’s cooling hall in Luleå due to that a large amount of freshly produced steel slabs cools. This thesis reviews the possibility of collecting the heat from steel for electricity production using the Organic Rankine Cycle (ORC) technology. An important restriction is to not disturb present steel production. The cooling hall's condition and possible barriers for installation of an ORC were investigated. A literature study was made of various heat exchange approach which can be applied to the cooling steel. Out of the gathered information a suitable heat exchanger for current cooling hall was designed. It is a system solution that consists of cooling channels below the steel slabs, radiation absorber and a controlled ventilation system. According to theoretical calculations can nearly a third of the cooled energy be realized. Using the existing ORC technology supplied by the company OPCON the installation can produce 298 kW of electricity during normal steel production. Solid job remains to optimize the system for being able to deliver maximum power. With the estimated investment costs for the ORC module and cooling coils and with SSAB required payback time of five years the investment make a loss of 8.7 million Swedish krona. The economic sensitivity analysis showed that an extension to maximal production is not sufficient to achieve profitability under current electricity price and demand payback time.

Key-words: Cooling hall, SSAB, slabs, organic Rankine cycle, ORC, energy

efficiency

Förord

Arbetet som du har framför dig är den avslutande biten i mitt lapptäcke som kallas ”Generell Teknologie Kandidat inom Energiteknik”. En slutprodukt som har krävt tillämpning av den erhållna kunskapen och färdigheten att ta in ny kunskap, genom mitt treåriga studerande vid Luleå Tekniska Universitet.

Oavsett anledning varför just du ska bläddra genom denna rapport hoppas jag att du kommer att ha nytta av den.

Att arbetet ens finns till ska många människor ha ett ödmjukt tack till. Några speciella är Joakim Lundgren, examinatorn som trots sin fullbokade kalender tagit sig tid för detta arbete, Mattias Westerlund, min handledare som vidgad arbetets vyer och Mats Emmoth och Carl-Erik Grip för deras kunskap. Och så förstås Rambölls kontor i Luleå som har ställt upp med material, hjälpsam handledare och trevliga medarbetare.

Till sist en vill jag tacka mitt kollektiv, Team Skalman, för en alltid stöttande uppmuntran.

Den 21 juni 2010

Janis Danebergs

Innehållsförteckning

1 Inledning ... 1

1.1 SSAB och svalhallen ... 1

1.2 Syfte ... 3

1.3 Begränsningar ... 3

1.4 Tillvägagångssätt ... 3

1.5 Tidigare arbeten ... 5

2 Teori ... 6

2.1 ORC process ... 6

2.2 Värmeövergång ... 8

3 Svalhallen ... 13

3.1 Kylningsförloppet ... 15

3.2 Energi ... 17

3.3 Identifierade problem ... 17

3.4 Teoretisk värmeöverföring ... 18

4 Värmeväxlare ... 21

4.1 Val av värmeväxlare ... 21

4.2 Teoretisk värmeöverföring ... 25

5 Dimensionerat system ... 31

5.1 Kylbatteri ... 31

5.2 Levererad effekt och ORC ... 33

6 Lönsamhetsbedömning ... 35

6.1 Investeringar ... 35

6.2 Lönsamhet ... 35

6.3 Känslighetsanalys ... 36

7 Slutsatser ... 40

8 Diskussion ... 41

9 Fortsatt arbete ... 43

10 Referenser ... 44

Bilaga

Variabellista

A Area m

C

Specifik värmekapacitet J/(kg °C)

g Jordens gravitation m/s

k Ämnesspecifik värmeledningsförmåga W/(m °C)

L Karaktäristisk längd m

q Värmeöverföring W

T Temperatur °C eller K

ΔT Temperaturdifferens °C eller K

V Hastighet m/s

x Avstånd m

α Värmeövergångstal W/(m

°C)

β Volymutvidgningskoefficient 1/K

ε Emissionstal -

ν Kinematisk viskositet m

/s

σ Stefan-Boltzman konstant W/(m

K

)

Ordlista

ORC Förkortning för Organic Rankine Cycle

Powerbox En färdigtillverkad ORC-modul av företaget Opcon

Slabs Halvfabrikat, gjutet och kapat i stränggjutningsanläggningen, för vidare transport till valsning

Skrotslabs/-ämne Ett ämne som är obrukbar på grund av dålig legering eller misslyckad avsvalning

Stack En stapel med ämnen som svalnar i svalhallen

Standardstack En stack med fem ämnen med vanligast tillverkade dimensionerna

VVX Förkortning för värmeväxlare som i rapporten syftar till

konstruktionen vilken tar tillvara värme från stackarna

Ämne Ämne avsett för valsning till plåt eller band

Inledning

1 Inledning

Det finns initiativ att energieffektivisera den befintliga energiutnyttjande från EU och därmed Sveriges regering. De politiska ambitionerna kommer från att energianvändning är knuten till negativ miljöpåverkan [1]. Det kan även finnas hållbarhetsaspekter för att klara av ett framtida ökande energibehov genom att effektivisera nuvarande användningen.

Ståltillverkningen hos SSAB i Luleå är en energiintensiv industri med goda energieffektiviseringsmöjligheter. Det finns flera anledningar för SSAB att se över dessa möjligheter. Det kan förekomma en ekonomisk vinning ur investeringar i energieffektiviseringsåtgärder eller en möjlighet att profilera sig som en ”grönare” företaget [2].

En lyckad teknisk lösning för att ta tillvara outnyttjad energi är Organic Rankine Cycle (ORC). Med denna teknik går det att ta hand om lågvärdig värmeenergi för att producera högvärdig elenergi som antingen kan användas på plats eller säljas till andra. ORC teknik har funnits i 20 år, men varit kommersiellt framgångsrik bara de senaste åren. Anledningen till detta är att bättre komponenter och stigande elpris har gjort tekniken mer lönsam. Det finns ett hundratal ORC installationer i södra Europa och det görs även installationer i Norden. De tillämpas i hög utsträckning i olika fjärrvärmeverk och tyngre industrier där det finns tillgång till spillvärme [3, 4].

1.1 SSAB och svalhallen

Att framställa stål ur järnmalm är en energikrävande process. Vid förädling av järnmalm till stål går stor del av den tillsatta energin till att skapa energirikare kemiska bindningar i stålet [5]. SSAB i Luleå är en väldigt energiintensiv industri och är en av Sveriges största konsumenter av kol, som används för att reducera järnmalmen [5,6]. I en global jämförelse mellan stålproducenter ligger SSAB i Luleå långt fram i sitt arbete att energieffektivisera sin produktion.

Detta tillämpas i att ha så energisnål process som möjligt såväl som i att ta till vara mycket av spillenergin [7]. Utredningar visar att energiförluster på SSAB Luleå uppgår till 37 %. Ämneskylning i svalhallen står för ett av de största spillområdena. Uppemot 710 GWh kyldes ned av omgivande luft år 2007 [5].

Till SSAB i Luleå fraktas järnmalm och kol. Kol förädlas till koks och används för att reagera med syret i järnmalmen. Reaktionen sker i masugnen.

Järnmalmen övergår till järn när syret har reducerats från järnmalmen med

genom att dess kolhalt sänks. Det finns också möjlighet att blanda till olika legeringsämnen i produktionslinjens nästkommande steg och därmed få olika stålkvalitéer. Detta processteg kallas skänkmetallurgi. Till sist gjuts stålet kontinuerligt med hjälp av två strängar och skärs till stålämnen, slabs, med varierande längd med hjälp av syrgas. En bild över gjutningsprocessen visas i Figur 1.

Figur 1 Illustration över stränggjutningen (SSAB)

När slabsen är färdigtgjutna och kommer in i svalhallen har de en temperatur mellan 800 – 1000°C. De placeras i stackar med ungefär 5 – 15 ämnen på varandra. För att kunna lasta ämnena på godsvagn för vidare transport kyls de ner till 200°C [2]. Stålet som tillverkas i Luleå fraktas med tåg till Borlänge för vidare bearbetning till tunnplåt.

I dagsläget sker kylningen genom naturlig konvektion till omgivande luft, värmetransport neråt genom marken och värmestrålning till hallens väggar.

Detta leder till att stor energimängd går till spillo och arbetsmiljön i svalhallen blir besvärlig för både människor och maskiner [2].

Under slabsens avkylningsprocess kan det bildas spänningar i ämnet som ger

upphov till krökning eller sprickor, vilket i sin tur gör ämnet obrukbart. Dessa

spänningar uppstår på grund av ojämn eller för snabb ämnesavkylning. Olika

Inledning

stålsorter har olika känslighetsgrad för avkylningsprocessen och behöver hanteras efter dess behov [8].

1.2 Syfte

Huvudmålet med detta examensarbete är att ta fram en lösning för att producera el från restenergi i svalhallen med ORC teknik utan att störa stålproduktionen. Det skulle även vara fördelaktigt om lösningen kunde förbättra arbetsmiljön för människor och maskiner i svalhallen.

Arbetet ska svara på följande frågor:

• Hur ser en passande teknisk lösning ut för att ta till vara avgiven värme från stålslabsen under de givna förutsättningarna i svalhallen?

• Hur effektivt kan värmen tas tillvara?

• Hur mycket el kan produceras från den tillvaratagna värmen med hjälp av ORC teknik?

I arbetet ingår också att göra en preliminär investeringsbedömning, framförallt baserad på tidigare studier. Dessutom ska en skiss över den projekterade lösningen göras.

1.3 Begränsningar

Efter diskussion med examensarbetets styrgrupp sattes följande villkor upp för att den färdiga produkten ska vara en attraktiv lösning:

• Det projekterade systemet får inte störa produktionen eller vara alltför utrymmeskrävande.

• Utformningen av systemet ska vara tillräckligt robust och skyddat för rådande miljö.

Själva arbetet begränsas till att handla om:

• Värmen/energin ska tas från slabs i svalhallen.

• El produceras med befintlig ORC teknik.

1.4 Tillvägagångssätt

Arbetet börjar med en genomgång av befintlig litteratur inom ämnet avsvalningsteknik och energiåtervinning vid stålverk. Samtidigt förs en dialog med anställda på SSAB för att ta reda på förutsättningarna för just denna svalhall.

Nästa steg är att sammanställa olika förslag på värmeväxlare (VVX) från

svalhallen. Valet görs utifrån den kunskapsbas som har byggts upp runt olika VVX egenskaper och svalhallens förutsättningar.

Den valda lösningens effektivitet kommer att beräknas med hjälp av teorier ur

”Fundamentals of heat and mass transfer” av Incropera D. et. al. och ”VVS 2000 Tabeller & Diagram, Värmeströmmning” av J Dahl et. al. Som beräkningsverktyg används programmet MSExcel.

Utifrån det beräknade resultatet som ges av MSExcel i form av levererad värme, dimensioneras en ORC modul med hjälp av företaget Opcon. Som sista steg i utvärderingen ska en enkel investeringskalkyl utifrån SSAB’s investeringskrav skapas för att se över lönsamheten av installationen.

1.4.1 Källgranskning

Insamlad fakta om svalhallen baseras till stor del av den kunskap som Mats Emmoth har delat med sig av. Hans position som ansvarig över driften av svalhallen ger möjlighet att få en dagsaktuell beskrivning av förhållandena i hallen. Samtidigt kan hans dagliga arbete i svalhallen begränsa möjligheterna att se nya lösningar.

Den teorigrund som avsvalningsmodellen kommer att byggas upp med har sina begränsningar. Det visar sig i form av att de teoretiska formlerna alltid återger verkligheten med en viss felmarginal. Det finns även en komplexitet i värmeöverföringsberäkningarna som gör att författaren inte klarar av att kvantifiera felmarginalerna.

Företaget Opcon, vars ORC teknik kommer att tillämpas, har vinstintressen.

Därmed finns det möjlighet att de marknadsför ett optimistiskt alternativ.

1.4.2 Beräkningsmetodik

Den teoretiska avkylningsmodellen som kommer att användas bygger på en

starttemperatur vid vilken avkylningseffekten för strålning, konvektion och

värmeledning beräknas. Även stackens specifika värmekapacitet utvärderas då

den är temperaturberoende. Den totala avgivna energimängden summeras

under en halvtimme vid konstanta omständigheter. Därefter beräknas

temperatursänkningen och en ny temperatur erhålls. Temperatursänkningen

beror på den avgivna energimängden och specifika värmekapaciteten. Vid den

nya temperaturen utvärderas avkylningseffekten och den specifika

värmekapaciteten på nytt. Utifrån dessa beräknas en ny temperatursänkning

för nästa halvtimme. Det görs en upprepning av dessa beräkningssteg under

48h för att få en helhetsbild över hela avsvalningsförloppet.

Inledning

1.5 Tidigare arbetena

Det har tidigare gjorts ett flertal arbeten som undersöker möjligheten att värmeväxla värmen från slabs till andra medium. Anledningen till att vilja värmeväxla har dock varierat över tid.

Svalhallen har varit en flaskhals under en lång tid då avsvalningen tar tid.

Redan på 80-talet projekterades värmeväxlare i en intern rapport. Förslaget som togs fram var en fluidiserad bädd. Det är en sorts bad där förslagsvis sandpartiklar hålls svävande runt varma stålet för att värmeväxla den via sandpartiklar till en mer passande värmemedium. Investeringen stupade dock på grund av bristande lönsamhet [9].

Vid litteraturstudien framkom att fluidiserad bädd ofta nämns som en lösning för att värmeväxla kylämnen inom stålindustrin. Fördelen är en god reglerbarhet och höga värmeövergångstal. Dock blir en sådan bädd lätt skrymmande. Det finns några få installerade bäddar, och av dessa är än färre i bruk [10].

Runt millenniumskiftet gjordes ett par examensarbeten vid Luleå tekniska universitet där enklare värmeväxlingsprocesser av ämnen i svalhallen undersöktes [11, 12]. Förslagen som lades fram var att slabsen lyftes upp från marken och antingen besprutades underifrån med vattensprinklers eller att en rörslinga tog tillvara på strålningsvärmen. De båda arbetenas mål var att hitta ett sätt att snabbare kyla av slabsen för att förkorta ledtider.

Ett studentprojekt från våren 2009 utfört vid Luleå tekniska universitet undersökte möjligheten att applicera ORC-teknik vid olika processer på SSAB.

I rapporten framkom det att den bästa potentialen att producera el ur restvärme fanns i svalhallen. Med deras tekniska lösning och investeringsuppskattning blev installationen näst intill lönsam vid dagens produktionsvolym [13].

Jernkontoret har gjort experimentella försök att ta tillvara värme från

avsvalnande järnämnen i OVAKOS valsverk i Hofors och Hällefors. Deras

rapport beskriver två uppställningar. Båda försöken värmeväxlar värmen till

varmvatten. I den ena uppställningen används varmluften från svalbädden

och i den andra uppställningen används värmestrålningsabsorbatorer och

rörslingor. Försöken resulterade i att varmluften värmeväxlas till företagets

uppvärmningssystem och planer på att leverera värme till fjärrvärmesystemet

[14].

2 Teori

I teoridelen beskrivs ORC tekniken och några av dess förutsättningar för en välfungerande installation. Även de värmeöverföringsmekanismer som beräkningarna bygger på tas upp.

2.1 ORC process

Ett vanligt sätt att producera el är att ta hjälp av Rankine cyckeln där vätskans olika egenskaper i gas respektive vätskeform tas till vara för att utföra ett arbete. Mediet är vanligtvis vatten som värms upp till flera hundra grader för att processen ska fungera. Om vätskan byts ut till ett organiskt ämne med en vanligtvis lägre förångningspunkt döps processen till Organic Rankine Cycle (ORC). En sådan cykel fungerar vid betydligt lägre förångningstemperaturer.

Temperaturen kan till och med understiga 100°C [15].

Figur 2 Rankine cykeln

Arbetsgången för Rankine cykeln eller ORC beroende på dess arbetsmedium visas i Figur 2. Arbetsmedium som är i vätskefas komprimeras mellan tillstånd 1 och 2. För komprimeringen krävs arbete i form av pump. Mellan tillstånd 2 och 3 förångas mediet med hjälp av tillsatt värme i form förbränning av bränsle, utnyttjande av restenergi eller på något annat sätt, beroende av anläggning. Mellan tillstånd 3 och 4 expanderar ångan i en turbin som driver en generator. Cykeln sluts då arbetsmediet passerar kondensorn från tillstånd 4 till 1, där värmen kyls bort tills arbetsmediet helt övergår till vätskefas igen.

Cykelns förlopp kan även presenteras i form av T-S diagram som visas i Figur 3. Med en T-S diagram fås en överblick av arbetsmediets egenskaper som är

Värme

Kylvatten

El Kondensator

Förångare

Turbin Pump

2

3

4 1

El

Teori

viktiga för en Rankine cykel. Där T står för temperatur, i detta fall i Celsius, och S som står för entalpi, ett mått på energiinnehållet i arbetsmediet. Puckeln i grafen visar mellan vilka entalpier förångningen sker vid en viss temperatur och tryck. Två linjer för olika tryck (P

och P

) visas i den vänstra grafen i Figur 3 . Förloppets numrering följer samma ordning som vid beskrivning av Figur 2.

Figur 3 Temperatur- och entalpidiagram för olika vätskor (Wikipedia) Det finns två markanta skillnader i förångningsprocessen mellan organiskt ämne och vatten. Den ena är temperaturen vid vilken den kritiska punkten finns. Kritiska punkten för de två olika ämnena kan ses i form av kullens topp i Figur 3. Den andra skillnaden är kurvornas lutning vid övergången från förångning till överhettad ånga. Den negativt lutande kurvan för vatten gör att vattenångan behöver överhettas för att den inte ska bilda vattendroppar i turbinen vid expansionen mellan tillstånd 3 och 4. Isopentanen i sin tur, med positivt lutande kurva, kräver inte överhettning av samma grad. Det medför att den optimala driftstemperaturen i ORC inte nödvändigtvis är den högsta möjliga för isopentan eller ett ämne med liknande egenskaper [16].

Förutsättningar enligt Opcon, vars prefabricerade ORC-anläggning kommer

att utnyttjas i denna rapport, gav vissa riktlinjer för en lönsam och

välfungerande installation. Med dagens elpris, utan grönt elcertifikat, är deras

anläggning lönsam om temperaturskillnaden mellan varma och kalla sidan

överstiger 60 grader. Förångaren i Opcons ORC-anläggning klarar av att sänka

inkommande mediets temperatur med 10 – 25 grader [17].

2.2 Värmeövergång

Det finns tre sätt som värmeöverföring kan ske på. Dessa är strålning, värmeledning och konvektion. Oftast sker värmeöverföringen som en kombination av samtliga mekanismer.

2.2.1 Värmeledning

Värmeenergi, q, som överförs via fasta ämnen är beroende av temperaturdifferensen, ΔT, överföringssträckan, x och ämnets specifika värmeövergångstal, k. Sambandet ser ut som följer [18]:

x kA T

q ∆

= ∆ 1

Om ett ämnes tjocklek är känt kan värmeövergångstalet bestämmas enligt:

x k

= ∆

α ₂

2.2.2 Konvektion

Med konvektion avses värmeströmmar och värmeöverföring i gas eller vätskor. Vid beräkning av energitransport mellan ett fast ämne och gas eller vätska används värmeövergångstalet α. För att ta fram det används sambandet för den dimensionslösa konstanten Nussels tal [18]:

k

Nu α L

= 3

k

står för värmeledningstalet på det fasta ämnet.

För att beräkna värmeövergången används medeltemperaturen i gränsskiktet mellan ämnets yttemperatur och den omgivande luften för att utvärdera olika temperaturberoende ämnesvariabler [18].

Det finns en rad teoretiskt och empiriskt framtagna formler för att beskriva Nussels tal för olika flöden och vid olika tillämpningar. Några avgörande tillståndsvariabler för att välja rätt samband för Nussels tal är:

- Naturlig eller påtvingad luftomrörelse

- Geometriska förutsättningar där värmeövergång sker. Är det ett internt eller externt flöde? Vilket geometriskt tvärsnitt är aktuellt vid den specifika värmeövergången?

- Vid påtvingad luftomrörelse är det intressant att veta om den är

laminär, turbulent eller ett flöde mellan dessa, i den kritiska zonen.

Teori

För att bestämma om det är en naturlig eller påtvingad konvektion som råder vid en viss värmeöverföring, används utvärderingen i .

Tabell 1Utvärderingstabell av värmeöverföringsmekanismer [19]

2.3 Förhållande 2.4 Bestämmande mekanism Gr/Re

<<1 Påtvingad konvektion Gr/Re

>>1 Naturlig konvektion

Gr/Re

≈ 1 Både naturlig och påtvingad konvektion ska beaktas

Naturlig konvektion

För naturlig konvektion är dimensionslösa Grashofs och Prandtls tal avgörande. Prandtls tal beskriver ämnets egenskaper och definieras som:

k C

µ

=

Pr 4

Ekvation (5) visar Grashofs tal, som beskriver fluidens egenskaper vid egenkonvektion och definieras som [18]:

2 3

ν β TL Gr g ∆

= 5

Ekvation (6) visar sambandet som används i rapporten, för att beskriva Nussels tal vid naturlig konvektion längs en plan vertikal yta [18]:

[ ]

2

27 / 16 8 / 9

6 / 1

) Pr 492 , 0 ( 1

) (Pr 387 , 825 0

,

0 

 





 



+ +

= Gr

Nu

6

Sambandet för naturlig konvektion från en horisontell yta beskrivs istället med [18]:

3 /

)

(Pr 15 ,

0 Gr

Nu

= för 10

≤ PrGr ≤ 10

7

Påtvingad konvektion

Vid påtvingad konvektion påverkar de dimensionslösa Prandtl och Reynolds

talen Nusseltalet. Även viskositet och friktion påverkar. Friktionen kan ofta

beskrivas som en funktion av Reynolds tal.

Reynolds tal beskriver kvoten mellan tröghetskrafter och viskösa krafter i gaser eller vätskor och definieras som [18]:

ν VL

D

=

Re 8

En faktor som spelar in vid värmeöverföringen under påtvingad konvektion är friktion och enligt Incropera m fl (2006) kan den beskrivas på följande vis:

)

64 , 1 Re ln 790 , 0

( −

=

f för 3000 ≤ Re ≤ 5•10

9

Beräkningen av Nusselt talet beror mycket på geometrin hos föremålet som mediet flödar över eller igenom. För turbulent strömning i runda rör kan Nusselt tas fram med hjälp av detta samband [18]:

) 1 (Pr ) 8 / ( 7 , 12 1

Pr ) 1000 )(Re

8 / (

3 / 2 2 /

1

−

+

= −

f

Nu

f

10

Samband (9) är empiriskt framtaget och ger ett värde med max 10 % felmarginal under följande förutsättningar:

3000 ≤ Re ≤ 5*10

0,5 ≤ Pr ≤ 2000

För flöden i rör med andra geometriska genomskärningar går det att tillämpa sambandet för runda rör där effektiva diametern beräknas enligt följande:

P D 4 A

= ₁₁

P står för våt perimeter. Alltså längden på den delen av tvärsnittsomkretsen längs vilken energiöverföring sker.

2.4.1 Strålning

Det förekommer alltid värmestrålning från fasta kroppar så länge de har temperatur över absoluta nollpunkten. Utbytet av värmestrålning mellan olika kroppar är en komplicerad mekanism som efter en rad förenklingar kan sammanfattas som [19]:

) (

1 12

12

F A T T

q = σ − 12

q

= Avgiven effekt från kropp 1 till 2

T = Yttemperaturen för respektive kropp i Kelvin

F

= Utbytesfaktorn

Teori

Några av förenklingar som behöver göras är att anta att ytan är grå och opak.

Med grå yta menas att utstrålningen är proportionerlig mindre över alla berörda våglängder mot en teoretiskt maximal strålning från en yta. Det är en approximation från verkligheten där ett ämne kan emittera vissa våglängder bättre än andra. Ett medelvärde över ett ämnes sammanlagda emissionsförmåga kan förenklas till en grå ytas emission [18].

När en yta antas opak menas det att ingen strålning går igenom ämnet så som fallet kan vara för glas eller luft. De flesta fasta material kan med goda resultat förenklas till opaka ämnen [18].

Det går även att tillämpa värmeövergångstal för strålning [19]:

medium

T T

T T F

−

= −

1

4 2 4 1

12

σ ( )

α 13

Utbytesfaktorn F

är beroende av hur kropparna ”ser” varandra och deras emissionstal, ε. Tre aktuella fall är intressanta i denna rapport och behandlas nedan.

För två stora parallella ytor som är uppställda mot varandra gäller:

1 1 1

1

2 1

12

= + −

ε F ε

När yta 1 är helt omsluten av yta två och när A

<< A

gäller:

1 12

= ε F

En funktion som beskriver utbytesfaktorn för en rad olika geometriska funktioner är:

ϕ ε ε

12

= F

Där ϕ är en faktor som plockas från diagram som sammanfattar de olika

geometriska uppställningarna [19].

2.4.2 Kombinerad värmeöverföring

Vid höga temperaturer dominerar strålningen över konvektion som värmeöverföringsmekanism. Detta beror på att värmeutstrålningen är beroende av temperaturskillnaden med exponentiellt faktor fyra, i jämförelse med naturliga konvektionens linjära samband. En teoretisk jämförelse mellan överförd effekt från en horisontell yta med varierande temperatur mot en 25 gradig omgivning visas i Figur 4.

Figur 4 Fördelningen mellan naturlig konvektion och värmestrålning från en yta beroende på temperatur

800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200

A v g e tt e ff e k t (W )

Temperatur (C)

Värmeövergång

Strålning

Naturlig

konvektion

Svalhallen

3 Svalhallen

Svalhallens syfte är att fungera som ett mellanlager för färdigproducerade slabs. Där kan de svalna under skydd av tak för att sedan transporteras vidare vid en mer hanterbar temperatur. Genom två parallella rullbanor längs ena långväggen kommer nygjutna färdigskurna slabs från SSAB’s två stränggjutningar. Vid standardproduktion klarar stränggjutningen att leverera ett nytt slabs med en intervall på 3-7 minuter [20]. Från rullbanan flyttas de för kylning till områden som är markerade med nummer 1 till 3 i Figur 5.

Figur 5 Skiss över adjustaget där svalhallen ligger överst med rullbanor från stränggjutningsmaskinerna 4 och 5. Undre området är behandlingshall till vilken

ämnen kan transporteras till via Norra bädd

Tillvägagångssättet för avkylning är att ämnen placeras i stackar direkt på hallgolvet där de kyls av med hjälp av strålning, naturlig konvektion och värmeledning ner till marken och omgivningen. Antal slabs i varje stack varierar efter driftpraxis, där hänsyn tas till ämnens dimensioner, sammansättning och logistik [2].

Vid dagens produktionsmängd är det vanligt att en stack ligger i svalhallen

ungefär 48 h medan den eftersträvade liggtiden av ämnen i svalhallen är 24

timmar. Själva avsvalningen kan gå betydligt snabbare än liggtiden. En av

anledningarna är att kvaliteten kan behöva utredas innan det går att fastställa

var slabsen ska transporteras vidare. Om gjutningskvaliteten behöver utredas

tas ett provämne från den aktuella chargen för provtagning medan de övriga

legering och därmed samma stålkvalitet. Chargen tillreds i skänkmetallurgin och väger runt 130 ton [2].

När ämnena har avsvalnat flyttas de till Norra bädd där de dras över till behandlingshall som ligger vägg i vägg med svalhallen (se figur 5). I behandlingshallen granskas ämnenas kvalitet för att sedan lastas på godsvagnar och transporteras Borlänge. Om ämnena inte håller inre eller yttre kvalitet används de som skrotinblandning vid produktion av nytt stål, dessa kallas skrotslabs. Inre kvalitet är viktigt att undersöka, för bland annat höghållfast stål, då stålets ämnesspecifika egenskaper är känsliga för avsvalningshastigheten. Yttre kvaliteter som undersöks är om ämnen är raka och inte har sprickor [2].

Stränggjutningen kan producera ämnen med en varierande bredd från 0,8 m till 1,7 m och med en konstant tjocklek på 0,22 m. Gjuthastigheten är 1,5 m/s.

Stålremsan skärs till hanterbara längder med syrgas. Vanligaste längden är 11 m och näst vanligaste är 5,5 m. Den mest förekommande storleken på ämnen är 11 m lång, 1,28 m bred och 0,22 m tjock [2].

För att kunna hantera stackarna i svalhallen används två traverser med griptång. För att traversen ska kunna komma åt ämnen krävs ett halv meters mellanrum mellan stackarna [2].

Golvet i hallen består av skrotslabs som är utplacerade med ett avstånd på ungefär 1,5 m mellan varandra. Skrotslabsen ligger direkt på marken som består av grus och sand och i hålrummen mellan de utspridda slabsen används grus som utfyllnadsmaterial. Det ger en jämn yta som eftersträvas när huvsvalning (beskrivs i 3.2) ska appliceras [2].

I examensarbetet av Wemmenhag [11] utfördes temperaturmätningar i marken medan en serie av enskilda ämnen svalnade på ett golv utan skrotslabs.

Temperaturer på ett djup på 20 cm uppmättes till 270 – 290°C.

För att få en luftomväxling i hallen har en rad åtgärder gjorts. Det finns lanterniner i taket för att den stigande varmluften ska kunna ventileras ut

Figur 6 Stackar av ämnen som svalnar i

svalhallen

Svalhallen

naturligt. Väggsegment har plockats bort på den vänstra kortsidan och längs med nästan hela ytterväggen vid område 3, för att öka luftomväxlingen i hallen (se Figur 5). Vid ett besök i svalhallen mättes rådande vind och temperaturer. Vid lugnt väder med en temperatur på -20 grader uppmättes vindhastigheter mellan 0 – 4 m/s i olika delar av hallen. Yttemperaturen på olika byggdelar varierade mellan 38 – 75°C beroende på om det var en kraftig, bärande del respektive vägg- eller takplåt. Mest anmärkningsvärda observationen under besöket var den obefintliga luftomrörelsen i takets lanterniner. En noggrannare beskrivning av mätningen redovisas i bilaga

”Luftflöden och temperaturer i svalhallen”.

3.1 Kylningsförloppet

Det har i tidigare examensarbeten som berör ämnens avsvalning i svalhallen gjorts experiment och modeller på hur avsvalningsförloppet för ett ämne ser ut [11, 12]. Situationen i svalhallen har över tid förändrats där större produktionsvolymer kräver att ämnen ska staplas istället för att svalna en och en. Detta ger en ökad avsvalningstid för varje ämne vid produktion, även om betydligt fler ämnen får plats i svalhallen. Som naturlig följd överensstämmer inte tidigare arbetens avsvalningsbild med dagens produktion.

Det finns ingen vetenskaplig beskrivning av sambandet mellan sprickbildning, avsvalningsförloppet och den maximala tillåtna kylhastigheten för varje ämnessort. Snarare har sambanden tagits fram av produktionserfarenhet, vilka stålsorter som är sprickkänsliga och inte. Det har dock framkommit att inte alla ämnen är så sprickkänsliga som man har antagit vid driftpraxis [8]. Detta visar att tillvägagångssättet i svalhallen vid dagens drift inte är optimal. Samt att utifrån produktionserfarenheten är det svårt att bestämma exakta sprickkänsligheten för olika stålsorter.

Senaste årens trend med tillverkning av höghållfast stål ger mer sprickkänsliga stålsorter som kräver en mer sofistikerad avsvalning [2, 8]. Anledningen till den ökade andelen producerat höghållfast stål är säkrare och bättre avkastning [2].

På grund av det begränsade utrymmet i svalhallen finns det ett behov att kyla av de ämnen som finns där så fort som möjligt för att hinna med den resterande produktionslinjen. Avkylningen ska ske effektivt och samtidigt säkert utan att några ämnen spricker.

Det finns en liten andel ämnen som spricker under avkylningen. Det är en

Borlänges valsverk när ämnen värms upp igen. Själva ämnet kostar mellan 50 000 - 300 000 kronor [2], medan ett kollapsat stålämne i ugnen i Borlänge kan ge veckolång produktionsstopp med miljoner kronor i förlust [8].

SSAB har åtagit åtgärder för att förebygga kollapsade stålämnen i ugnen i form av att ekonomiska medel har avsatts till utvecklingsavdelningen på SSAB i Luleå för att kartlägga avsvalningsprocessen. Förhoppningen är att kunna ge förslag på förbättringar och effektivisering av avsvalningen på vetenskapliga grunder istället för dagens praxis [8].

Figur 7 visar en typisk avsvalningskurva för en stack som svalnar i närheten av andra varma stackar. Vid denna avsvalning användes en tyngd ovanpå stacken som saktar ner nerkylningen av de översta ämnena samt ser till att de varma ämnena inte böjer sig vid avsvalningen.

Figur 7 Avsvalningsförloppet för en stack av ämnen omgiven av andra varma stackar [8]

Puckeln i kurvan runt 700°C illustrerar den fasomvanling som sker i stålet. Då omvandlas kristallformen i stålet från ferrit eller austenit till den eftersträvade pearlite i höghållfasthets stål. Det är bland annat viktigt med rätt kylhastighet för höghållfasta ämnen vid denna puckel för att slutprodukten ska få de eftersträvade egenskaperna [8].

Termosstack, 5+tyngd, bredd 1050

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000

0 5 10 15 20 25 30

Tid (h)

Temperatur (C)

(1-2) (2-3) (3-4) (4-5)

Svalhallen

Det finns uppemot 100 legeringar av olika stålsorter i svalhallen samtidigt [8].

Det som skiljer ämnen åt är olika mängd inblandning av andra ämnen i stålet så som kol, krom, mangan m.fl. som bestäms i skänkmetallurgin [12]. En del av dessa legeringar kan kylas av fortast möjligt, medan andra ämnen har uppskattade krav på avkylningstid på uppemot 48 timmar [8].

För att kunna garantera tillräckligt långsam avsvalning för de ämnen som kräver det, finns tre olika sätt att bromsa upp avsvalningen: stationära huvar, mobila huvar, och termosstackning [2].

Bästa termoseffekt fås av stationära huvar som dras över några stackar av ämnen. Det finns två stycken huvar installerade i svalhallens högra hörn (se Figur 5).

Det finns även ett antal mobila kylhuvar som kan flyttas runt i svalhallen med traversen. Det är av vikt att kylhuvarna står på platt underlag, annars bildas det lätt drag på grund av den höga temperaturen i huven. Det försämrar dess isolationsförmåga nämnvärt. Ämnen i mobila huvar svalnar lika långsamt eller lite snabbare än i stationära huvar.

Tredje sättet att bromsa avsvalningen är att placera den stacken som ska svalna långsamt mellan andra varma stackar. Genom att stackens långsidor blir exponerade mot andra varma stackar kommer värmestrålningsutbytet bli mycket mindre i jämförelse om den hade exponerats mot hallens väggar. Detta ger en sammantaget lugnare avsvalning.

3.2 Energi

Vid dagens produktion passerar i genomsnitt 45 000 ton ämnen i veckan genom svalhallen. Temperaturen på inkommande ämnen kan antas ligga på 800°C för att ha ett säker antagande, även om ämnens temperatur kan uppgå till 1000°C [2]. I tidigare arbeten om ämneskylning i svalhallen beräknades det att 210 kWh per kvadratmeter gjutet ämne behöver kylas bort för att temperaturen ska sjunka från 800°C till 200°C. Med antagen densitet på 7800 kg/m

för stålet [11] och med ämnens konstanta tjocklek på 0,22 m ger det att vid dagens drift kyls bort minst 33 MW energi vid daglig drift.

3.3 Identifierade problem

När svalhallen byggdes var den dimensionerad för att klara av en årlig

genomströmning på 800 000 ton ämnen per år. Dagens produktion ligger på

ungefär 2,2 miljoner ton ämnen per år. Svalhallen har både förlängts och

ämnen staplas i stackar istället för att svalna enskilt som var praxis förr för att ge plats åt alla ämnen [2]. I dagsläget är hallen 210 m lång och 30 m bred.

Det sker även ett pågående effektiviseringsarbete av hanteringen av ämnen genom svalhallen och adjustaget för att kunna ta hand om den betydligt större mängd ämnen som omsätts i svalhallen idag. Trots åtgärderna är svalhallens kapacitet för liten när övriga produktionslinan har störningsfri produktion [2].

Den stora mängden energi som avges av slabs i hallen vid daglig drift är problematisk på grund av att det kan bli väldigt varmt för både maskiner och människor. Hallens öppningar klarar inte av att genom naturlig värmeväxling byta ut varmluften i hallen. Det förkortar livslängden och påverkar ibland direkt funktionen hos installationer i hallen. För att anställda ska kunna sköta sitt jobb utan att direkt lida av värmen har vissa åtgärder införts, såsom fjärrstyrda traverser [2].

Konsekvensen av platsbristen är att ämnen kan tvingas flyttas vidare till behandlingshallen utan att de har svalnat av tillräckligt [2]. Det medför att personalen kan behöva göra kontroller på betydligt varmare ämnen än 200 grader. Även vidare transport med tåg kan ske med ämnen som är varmare än 200 grader vilket kan utgöra brandfara.

För att utvecklingsavdelningen på SSAB ska kunna kartlägga avsvalningsförloppet finns det en önskan från deras sida att prova olika avsvalningshastigheter på slabsen [8]. Det finns olika sätt att förlänga avkylningen i svalhallen, men på en stor del av ämnena kan forcerad kylning appliceras. En uppskattning är att 2/3 av ämnena skulle kunna svalna fortare utan att äventyra ämnenas kvalitet [2, 8].

Golvet i svalhallen är inte optimalt utformat för att klara dagens drift. När ett ämne svalnar drar det ihop sig ca 1 mm per en meter ämne för var hundrade grad som den svalnar. Detta ger en rörelse i stacken medan golvet ligger stilla.

I den relativa rörelsen mellan golv och slabs dras grus som finns mellan skrotslabs in emellan stacken och skrotslabsen. Gruset kan göra avtryck i ämnen då de är något mjuka på grund av värmen. Dessa avtryck sänker kvalitén hos nyproducerade ämnen och ska helst undvikas. En lösning som behandlas av SSAB för att förebygga problemet är att göra om golvet så att det enbart består utav gamla skrotslabs [2].

3.4 Teoretisk värmeöverföring

För att kunna se en förändring av värmeväxlarens effekt på avkylningen av

kylämnen beräknas ett referensfall. Den visar hur avkylningen ser ut vid

Svalhallen

dagens produktion enligt samma värmeöverföringsmodell som används för att beräkna avkylningen med värmeväxlare.

Följande förenklingar och antaganden har gjorts för att beräkningarna ska vara realistiska att utföra:

I beräkningarna används en stack med vanligast förekommande ämnen. Dessa är 11 m långa 1,28 m breda och 0,22 m tjocka, så kallade standardämnen.

Stacken består av 5 standardämnen och bildar en standardstack på 121 ton.

Emissionstalet (ε) för gjutna ämnen är 0,8 [11]. Areaförhållandet mellan en stack och svalhallen anses vara A

<< A

.

Omgivningen håller en konstant temperatur där luften håller 25°C och hallens väggar 80°C. Stacken antas ligga mellan två andra likadana stackar, mellan vilka det kommer att ske ett värmestrålningsutbyte. Dessa stackars temperatur antas vara medeltemperaturen för en standardstack när den svalnar i 48 h. Vid svalning med naturlig konvektion uppgår medeltemperaturen till 280°C.

Stacken antas vara grå och opak samt att värmefördelningen inom den är homogen.

Enligt tidigare mätningar av temperaturflöden framkom att medelvärmeöverföring till marken i svalhallen, av kontinuerligt avsvalnande ämnen, är 4,28 kW/m

[11].

Med ovanstående antaganden och i tidigare kapitel nämnt tillvägagångssätt

för beräkning på avkylningen av referensstacken framkom att stacken svalnar

från 800°C till 200°C under 26 timmar enligt avsvalningskurvan i Figur 8. Det

finns en svag puckel runt 700°C som ska representera fasomvandlingen som

sker i ämnena. Den teoretiska avsvalningstiden stämmer väl överens med den

uppmätta avsvalningskurvan som visas i Figur 7. Vid de utförda mätningarna

användes smalare ämnen och en tyngd ovanpå stacken som hade inverkan på

avsvalningen.

Figur 8 Teoretisk avsvalningsförlopp utan VVX för standardstack

Inverkan av olika värmetransportsätt för avsvalningen av standardstack visas i Figur 9. Värmestrålningen står där för den största andelen bortförd energi, men är starkt temperaturberoende.

Figur 9 Fördelningen mellan olika värmetransportsätt vid naturlig avsvalning av standardstack beroende av tiden

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 5 10 15 20 25

T e m p e ra tu r (C )

Tid (h)

Avsvalningsförlopp

0,0E+00 5,0E+05 1,0E+06 1,5E+06 2,0E+06 2,5E+06 3,0E+06

0 5 10 15 20 25

V ä rm e ö v e rf ö ri n g ( W )

Tid (h)

Värmetransport

Värmeledning mark Konvektion

Strålning

Värmeväxlare

4 Värmeväxlare

Utifrån svalhallens förutsättningar ska en passande värmeväxlare tas fram som kan absorbera den emitterade energin från de varma ämnena. Den får inte störa produktionen samtidigt som den ska på bästa möjliga sätt ta till vara den avgivna energin.

4.1 Val av värmeväxlare

Det finns redan i dagsläget några intressanta VVX som skulle kunna vara applicerbara på svalhallen. En närmare utvärdering av dessa följer nedan.

Kylhuvar: Är ett alternativ som har tagits upp i tidigare studentarbete vid LTU. Idén är att varje stack som svalnar har en huv som isolerar värmeförlusterna. Värmen tas istället ut genom i marken nergrävda kylslingor.

Enligt antagandet att 5 % av energin är transmissionsförluster genom huven ger det att ORC vid dagens produktion kan leverera 47,7 kW el från varje huv.

Fördelarna med huvarna är att de koncentrerar värmen och då kan den lättare tas till vara [13]. Därmed kan en behagligare temperatur i svalhallen uppnås.

Nackdelarna med huvarna är att det kommer att finnas väldigt många av dem, vilket skulle skapa akut platsbrist i den i dagsläget redan fulla svalhallen. Det kommer även att leda till mycket merarbete för traverserna som vid nuvarande produktion används nära deras maxkapacitet [2]. De praktiska nackdelarna gör det ointressant att vidare studera detta alternativ då den faller utanför arbetets begränsningar.

Fluidiserade kylbäddar: Är en lösning som dokumenterats mest för att ta till

vara på värmen från avsvalnande kylämnen i stålindustrin. Det har utförts

flertal studier att tillämpa den tekniken både i svalhallen i Luleå samt i andra

stålverk i Sverige [9, 10]. Fördelarna med tekniken är att det kan uppnås höga

värmeövergångstal samtidigt som den enkelt kan regleras. En annan fördel är

den höga graden av automation som kan uppnås i en sådan anläggning. En

kylbädd för Luleås svalhall var projekterad under 80-talet, men

investeringskostnaderna blev för höga [9]. Investeringskostnaderna är

fortfarande höga för fluidiserade bäddar. Detta grundar sig i två andra

bristande faktorer. Den första faktorn är att en fluidiserad kylbädd är en

avancerad teknisk lösning för att värmeväxla ämnen och den andra är att den

lätt kan bli skrymmande. Dessa nackdelar samt att det är en väldokumenterad

teknik utan, än så länge, någon lyckad driftanläggning i Sverige leder till

slutsatsen att det kan finnas andra ännu oprövade tekniska lösningar som är

värda att fokusera på istället. Kylbädden anses dessutom vara för skrymmande för att hålla sig innanför arbetets begränsningar.

Strålningsabsorbator: Är ett alternativ som är väldigt intressant på grund av den intensiva strålningsenergin som avges vid de höga avsvalningstemperaturerna. En strålningsabsorbator är tekniskt enkel och dess investeringskostnader kan hållas på rimliga nivåer. För att ta till vara så mycket strålningsenergi som möjligt eftersträvas att absorbatorerna är så nära stacken som möjligt och täcker in så stor utstrålningsarea som möjligt. Det finns dock praktiska begränsningar vid installationen i form av traverser som begränsar strålningsabsorbatorernass placering negativt. Detta är en enkel installation som är värd att utvärdera vidare.

Värmeväxla varmluft: Det bildas stora mängder varmluft som i dagsläget ventileras bort via stora öppningar i taket och väggarna. Det är mycket energi från stacken som övergår till luften antingen genom konvektion direkt från stacken eller från de strålningsuppvärmda hallväggarna. Denna energi kan teoretiskt enkelt tas till vara genom att värmeväxla luften mot något energitätare medium. Praktiska stöttestenar med att värmeväxla luften är att den har liten värmekapacitet och densitet. Följderna blir att det kan krävas stora volymer luft eller höga temperaturer för att överföra stora mängder energi. En annan problematik är att luften som värms upp vid dagens drift blandas med övrig luftmassa i svalhallen och temperaturen sjunker. Eftersom varmluften både är en energibärare och orsakar dålig arbetsmiljö är det av intresse att utnyttja den. Dock kräver det en lösning som inte är alldeles för skrymmande eller stör produktionen.

Värme ur marken: Är en del av värmeväxlarlösningen som presenterades i huvalternativet. Även om själva huvarna inte anses som en bra lösning finns det ändå potential att utnyttja den värme som går ner i marken. Det leds bort i snitt 4,28 kW/m

värme ner i marken vid avsvalning av ett ämne [11].

Kylkanaler under stackarna är också en relativt enkel installation som är

stötsäker och som inte stör produktionen vid drift.

Värmeväxlare

Tabell 2 Sammanställning av olika värmeväxlares fördelar och nackdelar samt möjligheten för vidare studier.

Värmeväxlarteknik Fördelar Nackdelar Intressant

Huv Koncentrerar

värmeenergin effektivt, bra reglermöjligheter

Arbetskrävande drift, skrymmande

Nej

Fluidiserad bädd Bra reglermöjligheter automatiserings- möjligheter

Skrymmande, tekniskt

avancerad, dyr

Nej

Strålnings absorbator

Tekniskt enkel,

varierande installations- möjligheter

Travers i vägen, troligen lågt energi utbyte

Ja

Värmeväxla varmluft

Enkel arbetsmedium, tekniskt enkel och varierande installation

Lågt energivärde, svårt att få hög temperatur

Ja

Värme ur marken Robust, enkelt Otillgängligt Ja

En teknisk lösning som skulle kunna fungera i svalhallen utan att störa dess produktion har följande utseende: Ovanför traversen finns strålningsabsorbatorer installerade över de områden i svalhallen där stackarna står för avkylning. Under golvet finns kylkanaler som drar ner luft runt stacken enligt pilarna i Figur 10.

Konstruktionen av kylkanalerna består av ett lager skrotslabs som ger en stabil grund och fördelar trycket jämnt över gruset. Ett jämnt fördelat tryck över golvet ger en mer anpassad konstruktion för den marktyp som finns i hallen.

Marken består av gammal sjöbotten där det skulle behövas omfattande grundarbete för att enstaka punkter ska klara av det tryck som uppstår [2].

Luftkanalen skapas genom att ha ett mellaninlägg av tegelblock med jämna

mellanrum. Ovanpå ligger ett till lager med skrotslabs som utgör golvet, på

vilken slabsstackarna staplas.

Figur 10 Skiss över framtagen värmeväxlare. Pilarna representerar luftflödet Tegel har valts som mellaninlägg eftersom det är ett material som leder värme måttligt samtidigt som det klarar av stor belastning och höga temperaturer [21]. Avståndet mellan tegelblocken ska vara så stort att övre lagret av slabsgolvet klarar av tyngden från stackar utan att kröka sig men undvika överflödigt många kylkanaler. Det ska även finnas isolering i kylkanalens botten som tillsammans med tegelblocken begränsar värmeöverföringen till marken.

I övre slabsgolvet finns det utskurna hål genom vilka lufttransporten till kylkanalen kan ske. Hålens utformning ska vara sådan att hela luftflödet som kanalen suger in ska fördelas jämnt över slabsens långsidor. Luftflödet i enskilda kylkanaler till varje stack ska kunna regleras för att begränsa avkylningsinverkan på utvalda stackar som svalnar antingen i termostackar eller under huv.

Hela svalhallen skulle även behöva ha en kontrollerad tilluftsventilation för optimal drift. En enkel översiktsbild över en sådan installation av ventilationen visas i Figur 11 där även placeringen av strålningsabsorbatorer finns med.

Föreslagna installationen skulle ge goda möjligheter att reglera arbetsmiljön i

hallen och avsvalningsförutsättningarna.

Värmeväxlare

Figur 11 En principskiss över svalhallens ventilation, där pilarna visar luftflödet och vattnets cirkulation i värmeväxlarna

Den föreslagna värmeväxlaren ger en nästan helt platt avlastningsyta. Det begränsar inte placeringen av slabs med olika bredd och längd vilket underlättar VVX användning vid drift [2]. Det kan finnas problem vid användningen av VVX vid produktion av ämnen med varierande bredd, då ämnen blockera kylkanalernas insug. För bästa användning behöver det tas fram en lösning som gör det möjligt att utnyttja alla insugshål till VVX utan att försvåra dagliga driften. Givna installationen kommer inte att begränsa mobila huvarnas placering i svalhallen.

Om en varm stack svalnar på den förslagna värmeväxlaren utan att den är i drift kommer VVX’n att påverka avsvalningsförloppet. Den kommer att bromsa värmeöverföringen ner till marken som är av betydelse vid naturlig avsvalning enligt Figur 9. I sin tur kommer det homogena skrotslabsgolvet som VVX’ns ovandel består av att ha möjlighet att transportera värmen längs med golvet.

4.2 Teoretisk värmeöverföring

Likadant som vid beräkning av nuvarande energitransport används en referensstack som väger 121 ton och består av fem slabs. Vid detta fall används i princip samma antaganden som vid referensfallet. Undantaget är att det finns en kyltunnel under golvet som är värmeisolerad mot marken och värmetransporten till marken kan då försummas.

Vid beräkningen antas att genom varje enskild VVX’re flödar det en luftmassa

på 1,8 kg/s. Höjden för kylkanalen sätts till 0,1 m. Det kommer att ske

Naturlig konvektion antas ske på toppen av stacken och längs kortsidorna.

Längs långsidorna kommer det dras ner luft till värmeväxlaren mellan två stackar. Nerförda luftmängden motsvarar 1,8 kg/s då luften sugs därpå in i två kylkanaler till varsin stack. Minsta möjliga avståndet mellan stackarna är 0,5 m för att traversen ska kunna greppa ämnena. Det ger ett luftflöde på cirka 0,20 m/s längs tvärsnittet om området approximeras till en kanal från två parallella ytor som de är i verkligheten. Det är ett lågt luftflöde som kan vara värt att

utvärdera enligt Tabell 1

för att se om det är naturlig eller påtvingad konvektion som är den bestämmande värmeöverföringsmekanismen. Utvärderingen görs vid 800°C, 500°C och 200°C för att se förhållanden över hela avsvalningstiden.

Vid 800°C: 200 1

3800 10

* 0 , 3

Re

9

2

= = >>

Gr

Vid 500°C: 160 1

5800 10

* 3 , 5

Re

9

2

= = >>

Gr

Vid 200°C: 79 1

11000 10

* 0 , 9

Re

9

2

= = >>

Gr

Beräkningen visar att det längs långsidorna är naturlig konvektion som står för värmeöverföringen. Trots att värmen överförs till luften via naturlig konvektion kommer den fortfarande att sugas in i värmeväxlaren på grund av den skapade luftcirkulationen i svalhallen enligt Figur 11.

I kylkanalen under svalhallsgolvet kommer det att ske en multinod värmeövergång enligt Figur 12. Där värmen från stackens underdel först kommer att gå genom slabsgolvet för att sedan antingen överföras till luften via konvektion, alternativt först stråla till kanalens motsatta vägg och därifrån överföras till kylluften.

Figur 12 Skiss över värmeöverföringen från stacken till luften i kylkanalen q

q

q

x T T

k

(

−

)

(

)

2 Eb

j

T

T F σ − j1

E

E

Värmeväxlare

Det kommer också förekomma en multinods värmeövergång när stacken avger värmestrålning till hallens väggar. Då väggarna kommer i sin tur att avge värme i form av konvektion på båda sidorna av väggen.

Konvektionsluften på hallens innervägg kommer att tas till vara i VVX med hjälp av luftcirkulationssystemet. Denna effekt bortses dock ifrån i beräkningarna.

När luften transporteras i kylkanalerna kommer förutsättningarna för värmeöverföringen förändras successivt på grund av ökande volym och temperatur på luften i kylkanalen. Det sker genom att mer luft sugs in genom hålen i översta slabsgolvet och med den pågående värmeöverföringen längs vägen. Därför delas kylkanalen in i fyra sektioner enligt Figur 13 där värmeöverföringen i varje sektion utreds enskilt. Det kommer inte att ge en helt sanningsenlig bild då variabler för värmeöverföringen ändrar sig med betydligt mindre avstånd. Så det kan ses som en första approximation.

Figur 13 skiss över sektionernas indelning i kylkanalen, där stora pilen visar luftriktning

Med den metoden som är beskriven i tillvägagångssättet beräknas avsvalningsförloppet för standardstacken. Resultatet är att avsvalningen från 800°C till 200°C tar 25 timmar och presenteras i Figur 14. Det är bara marginellt snabbare i jämförelse med den mätta avsvalningskurvan i Figur 7. Det finns skillnader i jämförda stackarnas uppsättning då de faktiska mätvärdena kommer från en mindre stack som har en tyngd på toppen. Dessa skillnader inverkar på avsvalningsförloppet.

2 3 4

1

Figur 14 Teoretisk avsvalningsförloppet av en standardstack med värmeväxlare Fördelningen mellan de olika kylningssätten som inverkar på avsvalningen beroende på tid visas i Figur 15. Figuren visar att strålningsförlusten dominerar. Det är bara en liten del av värmen som tas till vara i VVX’n, speciellt när stacken är varm. Det beror på den dominerande strålningsförlusten vid stora temperaturskillnader.

Figur 15 Värmeöverföring från stacken uppdelat på olika värmeöverföringsmekanismer 0

100 200 300 400 500 600 700 800 900

0 5 10 15 20 25

T e m p e ra tu r (C )

Tid (h)

Avsvalningsförlopp med VVX

0,0E+00 5,0E+05 1,0E+06 1,5E+06 2,0E+06 2,5E+06 3,0E+06

0 5 10 15 20

A v g e tt e ff e k t (W )

Tid (h)

Värmeöverföring med värmeväxlare

Konvektion förlust (W) Strålning förlust (W) Strålning (W)

Tot undersida (W)

Långsida (W)

Värmeväxlare

Med en given värmeväxlare och valt luftflöde kan sammanlagt 4,0 MWh tas tillvara genom kylkanalerna. Detta motsvarar 25 % av den totalt bortkylda energin på 16 MWh.

På vilket sätt värmeenergin överförs från den avsvalnande stacken till VVXs olika medium presenteras i Figur 16. Den överförda effekten fördelas lika mellan strålning, konvektion i kyltunnel och konvektion längs långsidorna när stacken är som varmast. Avgiven effekt vid strålning avtar snabbast. Även avgiven effekt längs långsidorna sjunker snabbare än värmeöverföringen i kyltunneln, vilken blir den största upptagaren av värme vid lägsta temperaturer.

Figur 16 Fördelningen på värmeväxlarens energiupptag beroende på källa och tid. Där del 1-4 representerar kylkanalens olika sektioner

Varmluften som används som första medium i luftvärmeväxlaren upptar en stor del av den tillvaratagna värmen av hela värmeväxlaren. Under en avsvalningsperiod för en standardstack ligger medellufttemperaturen på 109°C. När stacken är som varmast ligger den utgående luften på 185°C, och när stacken precis nått 200°C ligger lufttemperaturen på 68°C.

Det går att plocka ut ännu högre temperaturer vid mindre luftflöden eller vice versa beroende på behov. Om det finns behov för högre temperaturer så kan värmen från en stack plockas ut under kortare tid. Medeltemperaturen på uttagen luftflöde på 1,8 kg/s beroende på hur länge efter avsvalningens början

0,0E+00 1,0E+05 2,0E+05 3,0E+05 4,0E+05 5,0E+05

0 5 10 15 20

E ff e k t (W )

Tid (h)

Värmeöverföring till värmeväxlaren

Strålning (W)

Del 4 (W)

Del 3 (W)

Del 2 (W)

Del 1 (W)

Långsida (W)

Figur 17 Medeltemperaturen på luften efter VVX 4.2.1 Absorbatorn

Den tillvaratagna strålningsvärmen från en stack upptas av en absorbator ovanför traversen. Enligt hallens utformning behöver absorbatorn installeras 13 meter över golvnivå.

Installerade absorbatorn som används tillverkas av företaget Sunstrip AB och visas i Figur 18. Det är en kanal med kylflänsar med specialbeläggning för högst möjliga absorbationsförmåga.

Baksidan av slingan isoleras för att minimera konvektionsförlusterna.

Vid beräkningarna av upptagen effekt användes tillverkarens data på 95 % absorbationsförmåga för stripsen. Med antagande att medeltemperaturen ligger på 90°C och att upptagsbredd för varje stack är fyra gånger bredare åt båda hållen än själva stacken fås en medelupptagen effekt på 31 kW.

Vid beräkning av total upptagen energi inklusive absorbatorn uppgår den till 4,7 MWh vilket är 30 % av den totalt avgivna energin från en stack.

Fördelningen mellan absorbatorn och golvets kylkanaler för värmeupptagning förhåller sig 15/75.

60 80 100 120 140 160 180 200

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

T e m p e ra tu r (C )

Tid (h)

Temperatur på luften från VVX

Figur 18 Sunstrip absorbator i tvärsnitt

(Sunstrip AB)