Sähkön ja lämmön yhteistuotanto

[JKAVS]

Pienimuotoisessa yhteistuotannossa tuntuu puukaasutin yhdistettynä mäntämoottoriin olevan vallitseva toteutustapa. Systeemi on monimutkainen, eikä se ole huoltovapaimmasta päästä.

Isommassa mittakaavassa käytetään höyryvoimalaitosprosessia. Höyry voi tulla suoraan kattilasta, tai kaasuturbiinin pakoputkessa olevasta höyrystimestä, jolloin saadaan kombivoimalaitos.
Höyryprosessi on kuitenkin hankala skaalata pieneksi ja automaattiseksi.

Youtubessa on paljon tämän tapaisia videoita, joissa rakennettua vempelettä yleensä kutsutaan turboahdetuksi kamiinaksi, vaikka oikeastaanhan kyseessä on kiinteää polttoainetta polttava kaasuturbiini. Rakennelmien ongelmana on yleensä säädön hankaluus. Mikään ei rajoita turbiinin pyörimistä ja ahtopaine karkaa käsistä. Joissain tapauksissa ilmanottoon on lisätty kaasuläppä, jolla saadaan jotain säätöä aikaiseksi, vaikkei se kaasuturbiiniin oikein sovikaan. Yleensähän kaasuturbiinin tehoa säädellään dieselmoottorien tapaan polttoaineen määrää muuttamalla. Se ei kiinteän polttoaineen kanssa onnistu kovin nopeasti.

Mutta jos samalle akselille ahtimen kanssa laittaisikin vielä generaattorin, voisi sen tehoa säätämällä säätää ahtopaineita ja pitää laitoksen toiminta hallinnassa. Samalla saataisiin tietysti sähköä.

Videoissa on toisena ongelmana usein ahtimen kestävyys, mitä polttokammiosta kaasuvirran mukaan lähtevä kiinteä aines ei tietenkään yhtään auta. Kaasuturbiinin ei kuitenkaan ole mikään pakko toimia niin, että palokaasut ohjataan turbiiniin. Polttokammion tilalle voidaan laittaa lämmönvaihdin ja varsinainen polttokammio sijoitetaan vasta turbiinin perään. Silloin turbiinin läpi virtaa pelkkää ilmaa alla olevan kaavion mukaisesti.

 

[LPR]

Eikä mäntähöyrykone ja genu olisi aika vähän valvontaa tarvitseva? Joku paineöljyvoideltu mäntäkone ja sen peräässä akseligenu. Kattilanajoku vesiputkikattila tai vaikka skottilainenkin, jos kiinteätä poltetaan.

 

[paska]

Syklooni ennen turbiinia ja isommat roskat sillä pois?

 

[LPR]

Olishan tuossa lähtökohta, jos viitsisi rakennella. Ei ole vielä sähkö niin kallista, että viitsisin värkätä. Lattahihnalla on tuo römppänen tuohon perään, ei ole suoraan akselilla.

Belliss & Morcom ja muutkin maahöyrykoneet

Laitanpa näille oman ketjun pois sotkemasta Paukekeskustelua. @borg siirtänee sieltä tänne nuo muutamat jutut. Omasta Belliksestä laittelen kuvia ja lisätietoa jossain vaiheessa.

konekansa.net

 

[V361]

Noista häkäpönttöjutuista kuiteskin että oon ihmetelly jos kiintee häkäpönttö on rakenneltu, hinnanko vuoksi laitetaan se mäntämoottori sinne, kun kuiteskin on saatavilla pieniä kaasuturbiineja...
Poltettavan kaasun jäähdytyksestähän saisi sen lämmön talteen.

Tosta

Polttokammion tilalle voidaan laittaa lämmönvaihdin ja varsinainen polttokammio sijoitetaan vasta turbiinin perään. Silloin turbiinin läpi virtaa pelkkää ilmaa alla olevan kaavion mukaisesti.

niin nyt ainakin mulla heittää himppasen volttia voiko toimia silleen että siitä saataisiin voimaakin ulos, koska siis yksinkertaistettu toimintaperiaatehan on että kompressoripuolen puristamasta ilmasta osa tai joissain tapauksissa kaikki ohjataan polttokammioon, johon syötetään polttoaine jonka palokaasut laajetessaan tuottavat sen paineen jolla turbiinin siivet saadaan liikkumaan ja muutettua pyöriväksi voimaksi jolla taas kompressoripuoli ja työlaite pyörii.
Nyt jos poltto tapahtuu turbiinin jälkeen, mistä saadaan se pakokaasujen laajenema joka pyörittää sitä turbiinia, pelkkä palamisen vaatima ilmamäärä ei kovin kaksista voimaa mielestäni siihen anna ja toki kyllä polttoainetta ruiskutetaan turbiinin jälkeen kompressorin turbiinin ohi puhaltamaan ilmavirtaan mutta sitä käytetään lentokoneissa ja kutsutaan jälkipoltoksi.....

 

[JKAVS]

voiko toimia silleen että siitä saataisiin voimaakin ulos, koska siis yksinkertaistettu toimintaperiaatehan on että kompressoripuolen puristamasta ilmasta osa tai joissain tapauksissa kaikki ohjataan polttokammioon, johon syötetään polttoaine jonka palokaasut laajetessaan tuottavat sen paineen jolla turbiinin siivet saadaan liikkumaan ja muutettua pyöriväksi voimaksi jolla taas kompressoripuoli ja työlaite pyörii.
Nyt jos poltto tapahtuu turbiinin jälkeen, mistä saadaan se pakokaasujen laajenema joka pyörittää sitä turbiinia, pelkkä palamisen vaatima ilmamäärä ei kovin kaksista voimaa mielestäni siihen anna ja toki kyllä polttoainetta ruiskutetaan turbiinin jälkeen kompressorin turbiinin ohi puhaltamaan ilmavirtaan mutta sitä käytetään lentokoneissa ja kutsutaan jälkipoltoksi.....

Kaasun tilavuuden kasvu pyörittää turbiinia, ja se saadaan aikaan tuomalla kaasuun lisää lämpöä kompressorin ja turbiinin välillä. On ihan sama tuodaanko lämpö suoraan palamisesta vai epäsuorasti lämmönvaihtimen välityksellä. Normaalin kaasuturbiinin polttokammiossa paine laskee hiukan virtausvastusten takia. Ja paineen tietysti täytyykin laskea virtaussuunnassa, jotta virtausta ylipäänsä tapahtuisi.

Höyrykattila toimii samoin. Syöttövesipumppu tuottaa paineen, ja veden höyrystäminen ja tulistaminen lisää sen tilavuutta.

 

[V361]

Höyrykattila toimii samoin. Syöttövesipumppu tuottaa paineen, ja veden höyrystäminen ja tulistaminen lisää sen tilavuutta.

Toki näin, mutta ilman tilavuuden muutos lämpötilan noustessa on kuitenkin melko vaatimaton siihen nähden että polttoaineen palaminen tuottaa myös palokaasuja jotka ovat moninkertaisia tilavuudeltaan syötettyyn polttoaineeseen nähden.
En mä sitä väitä etteikö laite voi toimia, ainakin teoriatasolla, mutta hyötysuhteen luulen olevan melko vaatimaton "suorapolttoon" verrattuna, lisäksi laitteistosta tulee monimutkainen lämmönvaihtimineen.
Sitten on eri asia jos tässä lämmönvaihtimen jälkeen sinne syötetään vesisumua tms. joka höyrystyessään lisää turbiinille menevän virtauksen tilavuutta rajusti.
Ja ps, ei höyrykattilassa syöttöpumppu tuota mitään sellaista painetta jolla olisi muuta tekemistä tuotetun höyryn kanssa muuta kuin raaka-aineen eli veden lisäys kattilaan .....höyrykattila ja -kone toimii ihan ilman syöttöpumppuakin niin kauan kuin kattilassa on vettä.

 

[JKAVS]

Toki näin, mutta ilman tilavuuden muutos lämpötilan noustessa on kuitenkin melko vaatimaton siihen nähden että polttoaineen palaminen tuottaa myös palokaasuja jotka ovat moninkertaisia tilavuudeltaan syötettyyn polttoaineeseen nähden.
En mä sitä väitä etteikö laite voi toimia, ainakin teoriatasolla, mutta hyötysuhteen luulen olevan melko vaatimaton "suorapolttoon" verrattuna, lisäksi laitteistosta tulee monimutkainen lämmönvaihtimineen.

Tällaisia kaasuturbiineja on kuitenkin tehty ja käytetty, että ei kyseessä ole mikään minun eilen illalla keksimäni periaate.
Savukaasujen tilavuudesta valtaosa on typpeä, ja varsinaisten palamistuotteiden eli hiilidioksidin ja vesihöyryn tilavuus jää noin neljännekseen. Merkittävin tilavuuden kasvu tulee lämpötilan noususta.

Ja ps, ei höyrykattilassa syöttöpumppu tuota mitään sellaista painetta jolla olisi muuta tekemistä tuotetun höyryn kanssa muuta kuin raaka-aineen eli veden lisäys kattilaan .....höyrykattila ja -kone toimii ihan ilman syöttöpumppuakin niin kauan kuin kattilassa on vettä.

Höyrykoneista en tiedä, mutta jos tuollaisessa isossa voimalaitoksessa syöttövesipumppu pumppaa jatkuvasti kattilaan vettä megawattien - kymmenien megawattien teholla ja höyryä poistuu kattilasta satoja tai tuhansia kiloja joka sekunti, niin ei taitaisi kauaa kattilan paineet pysyä, jos pumppu lopettaisi pumppaamisen. Höyryrumpu + alasmenoputket eivät ihan valtavia määriä vettä kuitenkaan sisällä.

 

[LPR]

Tällaisia kaasuturbiineja on kuitenkin tehty ja käytetty, että ei kyseessä ole mikään minun eilen illalla keksimäni periaate.
Savukaasujen tilavuudesta valtaosa on typpeä, ja varsinaisten palamistuotteiden eli hiilidioksidin ja vesihöyryn tilavuus jää noin neljännekseen. Merkittävin tilavuuden kasvu tulee lämpötilan noususta.

Höyrykoneista en tiedä, mutta jos tuollaisessa isossa voimalaitoksessa syöttövesipumppu pumppaa jatkuvasti kattilaan vettä megawattien - kymmenien megawattien teholla ja höyryä poistuu kattilasta satoja tai tuhansia kiloja joka sekunti, niin ei taitaisi kauaa kattilan paineet pysyä, jos pumppu lopettaisi pumppaamisen. Höyryrumpu + alasmenoputket eivät ihan valtavia määriä vettä kuitenkaan sisällä.

Riippuu kattilasta paljon. Johonkin skottilaiseen laivakattilaan ei vettä ihan yhtenään tarvitse lisätä, ejektorilla imaistaan tarvittaessa järvestä.

 

[V361]

Toki joo varmasti on tehty ja kokeiltu, en sitä epäilekkään, mutta ei ne ny hirveesti oo yleistyny.

Nii ja tottakai, isoissa höyryvoimalaitoksissa vettä menee kattilaan paljon koska höyryäkin poistuu paljon mutta ei se pumppu tee sinne painetta jolla ne vehkeet pyörii vaan se höyry....
Jos luet höyrykoneiden historiaa, ihan ekat höyrypumput toimivat toisenlaisella periaatteella, mutta sitte erillisen kattilan sisältävät höyrykoneet olivat sellaisia että kattila täyteen vettä, höyrystettiin ja kone toimi niin kauan kun vettä riitti, sitten piti antaa jäähtyä ja paineen laskea että saatiin laskea vettä taas täyteen.
Paineenalaisen höyrykattilan täyttämiseen vedellä käytettiin esim. junissa tulistetun höyryn korkeamman paineen avulla ohivirtaustyyppistä vedentäyttöä.
Muoks @LPR sanoikin sen oikean nimen eli ejektoritäytön.

 

[LPR]

Höyrysäiliövetureita on ollut ja on edelleenkin maailmalla yllättävän paljon käytössä. Niissähän ei ole laisinkaan kattilaa eikä mitään tulipesää, säiliö käydään täyttämässä kattilalla ja sitten ajellaan pullossa olevan höyryn voimin.

 

[JKAVS]

Toki joo varmasti on tehty ja kokeiltu, en sitä epäilekkään, mutta ei ne ny hirveesti oo yleistyny.

Syynä on se, ettei vielä ole ollut kovin paljoa halua käyttää kaasuturbiineja kiinteillä polttoaineilla. Biomassalla on tehty lähinnä lämpöä, ja hiili on poltettu höyryvoimalaitoksissa. Kaasuturbiineihin on ollut riittämiin kaasumaisia ja nestemäisiä polttoaineita.

Nii ja tottakai, isoissa höyryvoimalaitoksissa vettä menee kattilaan paljon koska höyryäkin poistuu paljon mutta ei se pumppu tee sinne painetta jolla ne vehkeet pyörii vaan se höyry....

Ei höyrykone tai -turbiini tai muukaan lämpövoimakone periaatteessa edes pyöri paineella, vaan kiertoaineen kyvyllä paisua. Höyrykattilassa veden ja höyryn paine ei juuri muutu, mutta koska siihen lisätään lämpöenergiaa se haluaisi olla isommassa tilavuudessa. Tasaisesti toimivassa höyryprosessissa paine laskee koko matkan syöttövesipumpulta lauhduttimelle. Suurin osa paineenlaskusta tapahtuu tietysti turbiinissa, ja muissa osissa on vain virtausvastus. Isommalla paineella voidaan käyttää suurempaa lämpötilaa, eikä nykyisistä höyrykattiloista edes lähde höyryä, vaan ylikriittistä fluidia, joka ei periaatteessa ole sen paremmin nestettä kuin höyryäkään.

Jos vertaa vaikka paineilmatyökaluihin, niin paineilma sisältää ennen ja jälkeen kompressorin saman verran energiaa (jos oletetaan että ilma jäähtyy samaan lämpötilaan kuin ennen kompressoriin imemistä). Mitään kompressorin käyttämästä energiasta ei sitoudu paineilmaan, vaan se kuluu pelkästään ympäristön lämmittämiseen. Kun paineilmaa käytetään vaikka mutteripyssyssä, niin energia ei tule paineilman paineesta, vaan lämmöstä. Paineilman tekee käyttökelpoiseksi ainoastaan sen kyky paisua, jolloin se periaatteessa muuttaa lämpötilaa tilavuudeksi ja jäähtyy.

 

[V361]

Höyrykattilassa veden ja höyryn paine ei juuri muutu, mutta koska siihen lisätään lämpöenergiaa se haluaisi olla isommassa tilavuudessa.

Ja miksiköjhän ennen varoventtiilin keksimistä höyrykattiloita posahteli kun sitä lämpöö tuotiin sinne lisää, ei tosiaankaan lämmön vaan paineennousun vuoksi.
Funtsaappa nyt ihan oikeesti höyrylaitosten toimintaa, suljetussa kattilassa paine ihan varmasti nousee kun lämpöö lisätään veteen.
Toki paine laskee kun mennään prosessissa eneenpäin ja sekin on jo keksitty höyryn käytön alkuaikoina kun on tullut compoudkoneet.
Mutta se höyrystä, ihmetyttää vaan ettei oo kehitetty pelkällä kuumalla ilmalla pyöriviä laitteita enempää, ite en oo törmännyt yhteenkään enkä edes lukenut käytännön sovelluksista kuumailmakäytöstä muualla kuin stirlingmoottorissa ja kuumailmapallossa...ja kummassakin on tosi heikko hyötysuhde.

 

[JKAVS]

Ja miksiköjhän ennen varoventtiilin keksimistä höyrykattiloita posahteli kun sitä lämpöö tuotiin sinne lisää, ei tosiaankaan lämmön vaan paineennousun vuoksi.

Energia on silti lämmön muodossa. Sen aikaiset höyrykattilat oli käytännössä vesisäiliöitä, joita lämmitettiin, eli ne tuottivat kylläistä höyryä ja paine ja lämpötila olivat sidotut toisiinsa samalla tavalla kuin vaikka nestekaasupullossa. Kattila tietysti pettää jostain kun paine tarpeeksi nousee, mutta räjähdyksen energia tulee lämmöstä. Kun paine laskee kattilan halkeamisen vuoksi, on vesi kattilassa äkkiä sellaisessa lämpötilassa ja paineessa, jossa se ei voi olla nestettä. Vesi siis höyrystyy salamannopeasti ja sen tilavuus yli 1000-kertaistuu. Samalla se myös jäähtyy kunnes saavutetaan uusi tasapainotila. Jos kaikki vesi ei höyrysty, jää jäljelle 100-asteista vettä, koska sen lämpöisenä vesi voi jälleen esiintyä nesteenä ilmakehän paineessa ja höyrystyminen lakkaa.

Funtsaappa nyt ihan oikeesti höyrylaitosten toimintaa, suljetussa kattilassa paine ihan varmasti nousee kun lämpöö lisätään veteen.

Mutta voimalaitoksen kattila ei ole suljettu järjestelmä. Kattilassa massavirta säilyy vakiona ja paine lähes vakiona, mutta tilavuusvirta kasvaa reilusti, kun vesi ensin höyrystetään ja höyryä vielä tulistetaan.

ihmetyttää vaan ettei oo kehitetty pelkällä kuumalla ilmalla pyöriviä laitteita enempää, ite en oo törmännyt yhteenkään enkä edes lukenut käytännön sovelluksista kuumailmakäytöstä muualla kuin stirlingmoottorissa ja kuumailmapallossa...ja kummassakin on tosi heikko hyötysuhde.

Hyötysuhde on kaikissa lämpövoimakoneissa sidottu lämpötiloihin. Kaasuturbiineissa käytetään yleensä suoraa lämmöntuontia, koska niin voidaan tehdä ja turbiiniin menevä virtaus saadaan juuri niin kuumaksi kuin palokaasut ovat. Ei ole olemassa lämmönvaihdinta, jolla olisi 100 % hyötysuhde, joten epäsuorasti lämmitetty kaasuturbiini ei voi toimia yhtä kuumana ja hyötysuhde laskee sitä kautta. Stirlingmoottorin iso hyöty on se, että se kykenee tekemään edes jotain työtä melko pienelläkin lämpötilaerolla. Hyötysuhde jää pieneksi matalan lämpötilan takia, mutta periaatteessa mikään ei estä käyttämästä Stirlingmoottoria suuremmissakin lämpötiloissa, jolloin hyötysuhde kasvaa. Suuremmilla lämpötiloilla vain tulevat muutkin menetelmät käytännöllisiksi, eikä Stirlingejä juuri käytetä.

Pääsääntöisesti ilmalla toimivien ulkoisten kaasuturbiinien hyötysuhde näyttää olevan 25-30 prosenttia.

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S030626191401099X

 

[borg]

Olen aina mieltänyt, että paineilman energia on vastaavalla tavalla potentiaalienergiaa kuin vaikkapa jousen muodonmuutokseen varastoitu energia. Mutta asioita voi usein käsitellä useammallakin pätevällä tavalla, joten en väitä vastaan, totean vain.

 

[JKAVS]

Olen aina mieltänyt, että paineilman energia on vastaavalla tavalla potentiaalienergiaa kuin vaikkapa jousen muodonmuutokseen varastoitu energia. Mutta asioita voi usein käsitellä useammallakin pätevällä tavalla, joten en väitä vastaan, totean vain.

Tuon ajattelutavan heikkous vain ilmenee esimerkiksi siitä, ettei kovalla pakkasella kaasujouset välttämättä jaksakaan pitää takaluukkua ylhäällä.

Itselleni helpoin tapa ajatella kaasuja on mieltää kaikki energia lämmöksi ja lämpötila energian tiheydeksi.

 

[jepjep]

Olen kovin juuttunut vanhoihin tottumuksiin, joten laitan linkin....

 

[JKAVS]

Olen miettinyt asiaa enemmän, ja konsepti on hiukan muuttunut aloitusviestistä.

Generaattoria ei kannata kytkeä suoraan turbon akselille. Sen sijaan turbo on hyvä pitää omana kokonaisuutenaan ja generaattoria pyörittämään kannattaa käyttää erillistä turbiinia. Turbon tarkoituksena on siis pelkästään tuottaa kuuma ja paineistettu kaasuvirta voimantuottoturbiinin käytettäväksi.

Generaattorina taas kannattaa käyttää suoraan verkkoon kytkettyä oikosulkumoottoria. Ensinnäkin sitä ei tarvitse tahdistaa sähköverkkoon. Moottori kytkettäisiin verkkoon ja se alkaisi pyörittää turbiinia. Kun turbo alkaa pyöriä omin voimin vähenee moottorin verkosta ottama teho, kunnes turbosta tuleva kaasuvirta on riittävän suuri. Siinä vaiheessa kaasut alkavatkin pyörittää turbiinia, ja moottori muuttuu generaattoriksi.

Turboahtimen käytössä suurin ongelma on se, ettei kovin suuria paineita ole mahdollista saavuttaa. Oikeissa kaasuturbiineissahan on monivaihseiset kompressorit, joilla saadaan paljon enemmän painetta. Toisaalta pienen paineennousun takia ilma ei lämpene kompressorissa kovin paljoa, ja on merkittävästi voimantuottoturbiinista ulos tulevaa kaasua viileämpää. Tätä lämpöä voidaankin käyttää kompressorista tulevan ilman esilämmittämiseen, mikä vähentää merkittävästi polttoaineesta otettavan energian määrää.

Lopuksi kaasujen hukkalämpöä käytettäisiin tietysti lämmittämään keskuslämmityksen vettä.

Laskeskelin millainen hyötysuhde tällaisella turbiinilla olisi ehkä mahdollista saavuttaa, eikä se olisi tse asiassa mikään tolkuttoman huono. Jos turbon sekä voimantuottoturbiinin hyötysuhteet ovat tavanomaisten turbojen tasoa, voisi 20-25 prosenttia akselitehoa olla saavutettavissa. Yhteistuotannossa kokonaishyötysuhde on tietysti reilusti parempi, kun poistokaasujen hukkalämpö otetaan talteen. Tässä tapauksessa ne voi jäähdyttää hyvinkin viileiksi, koska nehän ovat pelkkää ilmaa. Varsinaiset palokaasut ovat erillään ja menevät vain lämmönvaihtimen kautta.

Esimerkiksi jos turbiinin läpi virtaisi ilmaa 50 g/s, saisi akselitehoa reilut 3 kW mikä edellyttäisi vajaan 14 kW lämpötehoa. Sen lisäksi hukkalämpöä saataisiin 7 kW, jos poistovirtaus jäähdytettäisiin 50-asteiseksi. Kokonaishyötysuhde olisi n. 80 %. Tämän lisäksi saataisiin tietysti palokaasuista vielä lämpöä talteen. Ne olisivat vielä yli 300-asteisia lämmönvaihtimen jälkeen.

 

[paska]

Ongelmaksi tulee monella varmaan se että jatkuvaa lämpötehoa ei tarvita likikään noin paljoa ja sähkötehoa sais tulla paljon enemmänki. Toki jos ajattelee mitä tässä meillä menee niin joku 5kW sähköntuotanto lämmön sivutuotteena saattais säästää sähköliittymän isontamiselta 63->80-100A kokoon. Se on kohtalaisen hintava kun menee keskukset uusiksi ja oisko luokkaa 10k liittymismaksu

 

[JKAVS]

Se tosiaan on ongelma. Mutta jos on paljon lämmitettävää tilaa, niin en pidä ideaa käyttökelvottomana. Tuolla mitoituksellahan vempele säästäisi helposti kympin päivässä sähkökustannuksista.

Kotikäyttöön koneesta tuskin olisi, tai ainakin se pitäisi skaalata todella pieneksi.

Toinen epävarmuus liittyy tehon säätöön. Tehon rajoittaminen luultavasti johtaisi sähköntuotannon hyötysuhteen romahtamiseen.