Luento 1. Materiaaleja, joiden valmistus/jalostusprosessiin liittyy kuivaus Sellu, paperi, kartonki Mekaanisen metsäteollisuuden tuotteet (viilu, sahatavara…)

Esitys aiheesta: "Luento 1. Materiaaleja, joiden valmistus/jalostusprosessiin liittyy kuivaus Sellu, paperi, kartonki Mekaanisen metsäteollisuuden tuotteet (viilu, sahatavara…)"— Esityksen transkriptio:

1 Luento 1

2 Materiaaleja, joiden valmistus/jalostusprosessiin liittyy kuivaus Sellu, paperi, kartonki Mekaanisen metsäteollisuuden tuotteet (viilu, sahatavara…) Elintarvikkeet (vilja, tee, soijapavut, kahvi, hedelmät, kala, pippurit…) Biopolttoaineet ja turve (voimalaitoskattila, kaasutus, pelletit) Polymeerit Lääketeollisuuden tuotteet Hiekka Malmirikaste

3 Definitions for thermodynamics of humid air in this course Absolute humidity: m v = mass of vapor m dg = mass of dry gas (usually air) Total pressure: p tot = p v + p dg p v = (partial) vapor pressure p dg = pressure of dry gas (usually air) Absolute humidity as a function of vapor pressure (drying gas air) p v V = n v RT p da V = n da RTn v = m v /M v n da = m da /M da p da = p tot – p v M v /M da = 0.622

4 Definitions for thermodynamics of humid air in this course Relative humidity:  p v (T) = (partial) vapor pressure p v’ ’(T) = saturated vapor pressure at the same temperature Enthalpy h = c pda t + x(c pv t + 2501) based on definition H = m da h da +m v h v, h =h da + xh v h = specific enthalpy of humid air [kJ/kg da ] c pda = specific heat capacity of dry gas (usually air) [kJ/(kg o C)] c pv = specific heat capacity of vapor [kJ/(kg o C)] x = absolute humidity t = temperature at Celsius degrees 2501 = vaporization heat of water at the temperature of 0 o C [kJ/kg H2O ]

5 Vesihöyryllä kyllästetyn ilman termodynaamiset ominaisuudet Lähde: Lampinen MJ, Aineensiirto-oppi, 1999

6 Kostean ilman i,x-diagrammi eli Mollier-diagrammi märkälämpötila kastepiste

7 Kosteuden määritelmät M v = materiaalin sisältämä veden massa M ka = materiaalin kuiva-aineen massa M tot = Materiaalin kokonaismassa = M v + M ka Materiaalin kosteus w ja kosteussuhde u Kosteuden ja kosteussuhteen välinen riippuvuus

8 Vetysidoksen muodostuminen Vety Happi + - + + - Vetysidos

9 Vetysidos kuitumaisessa materiaalissa Kuitu O H O H O H O H H H O Hydroksyyliryhmä H O Kuitu vesimolekyyli

10 Vesi huokoisessa materiaalissa Vapaa vesi ja sidottu vesi Materiaalia, jossa esiintyy sidottua vettä, kutsutaan hygroskooppiseksi Vapaa vesi huokoisessa materiaalissa höyrynpaine sama kuin vedellä: p h = f (T) höyrystymislämpö sama kuin vedellä (esim. 2,443 MJ/kg lämpötilassa 25 o C) Sidottu vesi huokoisessa materiaalissa höyrynpaine pienempi kuin vedellä: p h = f (T,u) höyrystymislämpö suurempi kuin vapaalla vedellä

11 Sorptiolämpö Sorptiolämpömmöksi kutsutaan sidotun ja vapaan veden välistä höyrystymislämmön eroa l s - l v = r s, l s = sidotun veden höyrystymislämpö l v = vapaan veden höyrystymislämpö r s = sorptiolämpö Esim. puulle: r s =l s – l v = 0,4l v (1-u/u fsp ) 2, u  u fsp

12 Miksi materiaali kuivuu ? T m p m T o  p h =  p h ’’(T o ) Vesihöyry Kuivumisen ajava voima on höyrynpaine-ero p m - p h

13 Sorptioisotermin määrittäminen Vaaka t,  Tiivis kammio u = m tot /m ka -1  u 40 o C 20 o C 0,15 0,3 0,5 1

14 Tasapainokosteuden arvoja eräille materiaaleille Suhteellisen kosteuden funktiona lämpötilassa 25 o C

15 Lähde: Lampinen MJ, Aineensiirto-oppi, 1999 Erään paperimassan tasapainokosteus ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona

16 Erään puun tasapainokosteus ilman lämpötilan ja suhteellisen kosteuden funktiona

17 Sovitteen muodostaminen suhteellisen kosteuden ja materiaalin tasapinokosteuden välille Riippuvuus ilmoitetaan yleensä seuraavasti: p h /p h ’ =  eli ympäristön suhteellinen kosteus Esim. koivulle, kuuselle ja männylle on esitetty seuraava riippuvuus  (u,T) = 1- exp[(-1372,22 + 9,6360T-0,017237T 2 )u 1,69

18 Suhteellisen kosteuden ja materiaalin tasapaino- kosteuden välistä riippuvuutta kuvaavia yleisiä yhtälöitä

19 Tasapainokosteuteen liittyviä käsitteitä Absorptio = kostuminen Desorptio = kuivuminen Sorptio on yleisnimitys kummallekin ilmiölle Syiden kyllästymispiste (FSP, Fiber Saturation Point) on kosteussuhde, jonka materiaali saavuttaa, kun suhteellinen kosteus on 100% FSP kertoo sidotun veden maksimimäärän materiaalissa FSP:n tarkka arvo on yleensä vaikea määrittää, esim. suomalaisille puulajeille n. 0,3kg/kg ka

20 Hystereesi-ilmiö

21 Luento 2

22 Komponentin ainevirta kaasumaisessa binääriseoksessa Komponentin A diffuusiovirta:j A = -D AB dc A /dz [mol/m 2 s] Komponentin B diffuusiovirta:j B = -D BA dc B /dz [mol/m 2 s] D AB/BA on diffuusiokerroin [m 2 /s] Diffuusiokertoimille pätee D AB = D BA Komponentin A ainevirran tiheys J A = vc A + j A [mol/m 2 s] Komponentin B ainevirran tiheys J B = vc B + j B [mol/m 2 s] Kun kokonaiskonsentraatio c on vakio => j A + j B = 0 cAcA cBcB jAjA jBjB kokonaiskonsentraatio c = c A + c B [mol/m 3 ]

23 Diffuusiokertoimen lämpötila- ja paineriippuvuus Lämpötilariippuvuus D AB ~ T 3/2 Riippuvuus kokonaispaineesta D AB ~ 1/p Fullerin korrelaatio diffuusikertoimelle: M A = veden moolimassa M B = ilman moolimassa P = kokonaispaine  v = rakenteellinen tilavuuskasvu vesihöyrylle  v A = 12,7 Ilmalle  v B = 20,1, missä

24 Vesihöyryllä kyllästetyn ilman termodynaamiset ominaisuudet Lähde: Lampinen MJ, Aineensiirto-oppi, 1999

25 Haihtuminen vapaalta nestepinnalta m’’ = haihtumisnopeus [kg/m 2 s] M h = veden moolimassa = 0,018kg/mol p 0 = kokonaispaine [Pa] R = kaasuvakio [J/molK] T = rajakerroksen lämpötila [K] k c = aineensiirtokeroin [m/s] t M = haihtuvan pinnan lämpötila [K] p h = ympäristön höyrynpaine [Pa] p h ’ = höyrynpaine haihtuvalla pinnalla [Pa]

26 Vesihöyryn ainevirta Kuivan ilman ainevirta Haihdutusyhtälön johto

27 Kuivan ilman ainevirta J B = 0 => Konvektiivista virtaa kutsutaan Stefan virtaukseksi Kun kokonaiskonsetraatio c ja lämpötila T ovat vakioita => c B = c - c A => Integroidaan c A1 -> c A2 => Haihdutusyhtälön johto =>

28 Ideaalikaasun tilanyhtälön perusteella konsentraatio Sijoitetaan yhtälöönja kerrotaan veden moolimassalla M H2O => Haihdutusyhtälön johto

29 Aineensiirtokertoimen määrittäminen lämmön- ja aineensiirron analogian perusteella Lämmönsiirtomalli Nu = ARe m Pr n Aineensiirtomalli Sh = ARe m Sc n Analogian perusteella Le = Pr/Sc = D AB  c p / (usein n. 1)  c p =  ki c pki +  h c ph missä

30 Lämmön- ja aineensiirron analogian tausta Perustuu massa-, energia- ja jatkuvuusyhtälöiden ratkaisemiseen rajakerroksessa stationääritilanteessa. Yhtälöt esitettään differentiaali- muodossa. Diff.yhtälöissä esiintyvät parametrit muutetaan dimensiottomiksi Massa- ja energiayhtälöt ovat samanmuotoisia, mutta dimensiottomat parametrit erit. Päätellään, että ratkaisun on oltava samaa muotoa kummallekin yhtälölle, ainoastaan dimensiottomat parametrit vaihtelevat.

31 Haihtuvan kappaleen energiatase t p, p h ’(t p ) p 0 t 0  p h =  p h ’(t 0 ) haihtuminen konvektiivinen lämmönsiirto l v = höyrystymislämpö lämpötilassa T M [J/kg] A = haihtumis/lämmönsiirtopinta-ala [m 2 ]  = aika [s]  = lämmönsiirtokerroin [W/m 2 K] c p = kappaleen ominaislämpökapasiteetti = c pka +uc pv [J/kgK] M = kappaleen kuivamassa [kg]

32 Haihtuvan kappaleen energiatase, kun se on tasapainossa ympäristön kanssa t M, p h ’(t M ) p 0 t 0  p h =  p h ’(t 0 ) haihtuminen konvektiivinen lämmönsiirto  (t o – t M ) = m’’l v (t M ) t M = märkälämpötila l v = höyrystymislämpö märkälämpötilassa t M [J/kg]  = lämmönsiirtokerroin [W/m 2 K] Höyrystymislämmön likikaava: lv(t M ) = 2501-2.43t M [kJ/kg]

33 Esimerkki haihtumisnopeuden laskemisesta Lieteallas p = 100kPa Kuiva-ainepitoisuus 5,1% a)Mikä on kuiva-aine- pitoisuus 30 vrk:n kuluttua, kun  on 6W/m 2 K? b)Mikä on kuiva-aine- pitoisuus 24 tunnin kuluttua, kun allasta lämmitetään 50 o C vedellä, jolloin lietteen lämpötila asettuu 30 o C?  on 6W/m 2 K c)Mikä on lämmitysveden massavirta b)-kohdassa, kun veden poistumislämpötila on 40 o C?

34 Esimerkki haihtumisnopeuden laskemisesta: lähtötiedot haihdutuspinta-ala A = 8*5 = 40m 2

35 Esimerkki haihtumisnopeuden laskemisesta: a)-kohdan ratkaisu  A(t o -t L ) = m’l v (t L ) Haihtumisnopeus Lietteen lämpötila t L = märkälämpötila, t m (20 o C, 0,00439) = 10,5 o C (Mollier diagrammi) l v = 2501000-2340t L = 2476400 J/kgVeden höyrystymislämpö 30 vuorokaudessa haihtuu vettä 2386kg => kuiva-ainepitoisuus Haihtumisnopeus

36 Esimerkki haihtumisnopeuden laskemisesta: b)-kohdan ratkaisu Haihtumisnopeus Aineensiirtokerroin  c p =  ki cp ki +  h c ph ja Le = D AB  c p / missä Kostean ilman taulukosta lämpötilan 30 o C kohdalta

37 Esimerkki haihtumisnopeuden laskemisesta: b)-kohdan ratkaisu Aineensiirtokerroin (potenssin n arvoksi oletettu 0,4) Haihtumisnopeus vuorokaudessa

38 Esimerkki haihtumisnopeuden laskemisesta: c)-kohdan ratkaisu Altaan energiatase => = 0,4kg/s Veden höyrystymislämpö lämpötilassa 30 o C on 2430,8kJ/kg

39 Kosteuden siirtymismuodot huokoisessa materiaalissa diffuusio kapillaarisesta paine-erosta aiheutuva virtaus todellisesta painegradientista aiheutuva virtaus

40 Vesihöyryn diffuusiokerroin huokoisessa materiaalissa  = kaasun tilavuusosuus huokoisessa materiaalissa = V G /V  = mutkittelevuus = s/L L c A1 c A2 L = paksuus s = kaasun todellinen matka huokoisen materiaalin läpi  = mutkittelevuus = s/L

41 Knudsenin diffuusiokertoimen huomioiminen Knudsenin diffuusiokerroin D k huomioi virtaavan kaasun ja seinämien Välisen vuorovaikutuksen Tehollisen diffuusiokertoimen laskeminen, kun D k huomioidaan

42 Kokeellisesti määriteltyjä tehollisen diffuusiokertoimen arvoja MateriaaliKosteus [kg/kg ka ]Lämpötila [ o C]Diffuusiokerroin [m 2 /s] Omena0.15-7.030-761.2E-10-2.6E-10 Porkkana0.03-11.642-809.0E-10-3.3E-9 Maissi0.19-0.2736-627.2E-11-3.3E-10 Riisi0.28-0.6440-561.0E-11-6.9E-11 Vehnä0.12-0.321-806.9E-12-2.8E-9 Soijapapu0.05302.0E-12-5.4E-12 Savitiili0.2251.3E-8-1.4E-8 Betoni0.1-0.4205.0E-10-1.2E-8 Lasivilla0.1-1.8202.0E-9-1.5E-8 Turve0.3-2.5454.08E-8-1.5E-7 Havupuu40-905.0E-10-2.5E-9

43 Kapillaarinen paine Kapillaarinen paine on seurausta veden pintajännityksestä sekä hydrofiilisen materiaalin ja nesteen välisestä vuorovaikutuksesta Pintajännitys on seurausta ilma ja vesimolekyylien välisestä vuorovaikutuksesta Aiheuttaa pinnalle kaarevan muodon Pintajännitys on työmäärä, kun pinta-alaa muutetaan dA:n verran dw =  dA, missä  on pintajännitys [N/m]

44 Kapillaarinen paine hydrofiilinen materiaali Young-Laplacen yhtälö  = veden pintajännitys R = huokosen säde popo  popo 2R Tasapainossa po +  pc = po +  gZ => p o -  p c

45 Kapillaarisen paine-eron vaikutus veden höyrynpaineeseen Laskee veden höyrynpainetta hyvin pienissä kapillaareissa => vettä kutsutaan usein myös sidotuksi vedeksi p h ’ kylläisen höyryn paine,  nesteen pintajännitys, v nesteen ominaistilavuus, M nesteen moolimassa, r huokosen säde, R kaasuvakio, T lämpötila (K)

46 Kapillaarinen virtaus, kun vetovoiman vaikutusta ei huomioida 2R hydrofiilinen materiaali Kitkasta aiheutuva painehäviö (Hagen-Poiseuillen yhtälö)  = dynaaminen viskositeetti [kg/ms] u = dz/dt = tunkeutumisnopeus [m/s] z = tunkeutumissyvyys [m] R = huokosen säde [m] Paineiden välinen riippuvuus p 2 -  p kitka +  p cap = p o => tunkeutumissyvyys popo  p1p1 p2p2

47 Darcyn laki K materiaalin permeabiliteetti [m/s] kinemaattinen viskositeetti [m 2 /s] Kg/m2s Määritelmä Kuvataan usein todellisesta painegradientista aiheutuvia virtauksia Käytetään mm. kapillaarivirtausten mallintamiseen sekä höyrykuivauksen kuivausmalleissa

48 Permeabiliteetti Materiaalin läpäisevyyttä kuvaava luku Yksikkö m 2 Yleensä eri nestemäisille kuin kaasumaisille aineille Pitäisi olla riippumaton virtaavasta nesteestä tai kaasusta (esim. lastulevyssä sama hapelle tai hiilidioksidille) Huokoisen materiaalin kosteus ja lämpötila vaikuttavat permeabiliteetin arvoon

49 Esimerkki: Permeabiliteetin mittaus Mitataan säiliön paineen muutos ajan funktiona

50 Esimerkki: Permeabiliteetin mittaus Ilman hetkellinen ainevirta levyn läpi Ainevirta on sama kuin ilman ainemäärän muutos säiliössä => Integroidaan => K permeabilitetti [m 2 ], M i ilman moolimassa [kg/mol], ilman kinemaattinen viskositeetti [m 2 /s], p paine säiliössä [Pa], p o ilman paine [Pa], R kaasuvakio [8,314J/molK], L levyn paksuus [m], A levyn poikkipinta-ala [m 2 ], V säiliön tilavuus [m 3 ],  aika [s]

51 Permeabiliteetin mittaus Kun paineen muutos ajan funktiona tunnetaan, saadaan permeabiliteetiksi Esimerkiksi ”lastulevyn” permeabiliteetti -levyn paksuu 0,005m - poikkipinta-ala 0,018m 2 - säiliön tilavuus 0,018m 3 - säiliön paine p 1 alussa 6bar - säiliön paine p 2 lopussa 1,5bar - ilma paine 1bar - paineen alenemiseen kulunut aika 140s - lämpötila 20 o C => = 4,00  10-15 m2 K permeabilitetti [m 2 ], M i ilman moolimassa [kg/mol], ilman kinemaattinen viskositeetti [m 2 /s], p 1 säiliön paine alussa [Pa], p 2 säiliön paine lopussa [Pa], p o ilman paine [Pa], R kaasuvakio [8,314J/molK], L levyn paksuus [m], A levyn poikkipinta-ala [m 2 ], V säiliön tilavuus [m 3 ],  aika [s]

52 Massatase x-akselin suuntaan: Massatase Massatase x-, y- ja z-akselin suuntaan: -

53 Energiatase x-akselin suuntaan: Energiatase x-, y- ja z-akselin suuntaan: Energiatase q kuvaa lämmön johtumista: -

54 Kuivauksen energiatase  on lähdetermi, joka sisältää säteilyn ja virtauksen kitkasta aiheutuvan lämmönkehityksen Jos tiheys ja lämmönjohtavuus ovat vakioita ja painetermin merkitys vähäinen seuraa energiataseesta  c p =  A c pA +  B c pB

55 Luento 3

56 Lankku IlmaKuivaamo Mitkä tekijät vaikuttavat lankun kuivumisaikaan?

57 Kuivumisaikaan vaikuttavat tekijät Kuivauskaasun ominaisuudet lämpötila nopeus kosteus Kuivattavan materiaalin ominaisuudet koko (paksuus, halkaisija) muoto alkukosteus tavoiteltu loppukosteus alkulämpötila ( myös mahdollinen jäätyminen huomioitava) fysikaaliset ominaisuudet ( lämmönjohtavuus, huokoisuus, mutkittelevuus jne.) Lisäksi aikaan vaikuttaa pääasiallinen lämmönsiirtomekanismi: konvektio, konduktio, säteily

58 Moist material Hot plate Conduction Indirect drying Moist material Hot air Convection Direct drying Moist material Infrared heater Radiation Lämmönsiirto kosteaan materiaaliin

59 Kuivumisen kolme vaihetta Alkulämpenemisen vaihe A-B Vakiokuivumisen vaihe B-C Hidastuvan kuivumisen vaihe C-D aika, s kosteussuhde, kg/kg ka aika, s Kuivumisnopeus, kg/m 2 s A BC D A B C D uouo u cr u eq u o alkukosteussuhde u cr kriittinen kosteussuhde, hidastuva kuivuminen alkaa u eq kuivausympäristön tilasta riippuva tasapainokosteus

60 Vakiokuivumisen vaihe kapillaarivirtaus hallitsevin kosteuden siirtymismuoto sisäinen kosteusjakauma oletetaan tasaiseksi ja partikkelin sisäiset ominaisuudet eivät vaikuta kuivumisnopeuteen lämmön- ja aineensiirto tasapainossa partikkelin pinnalla  (t i - t p ) = m''l v (t p ) t m = märkälämpötila lämmönsiirto =  (t i - t m ) t i p tot  v haihtuminen = m''l v (t p )

61 Haihtumisnopeuden laskenta, kun ilman tila muuttuu ja koko materiaali on vakiokuivumisvaiheessa t i1 t i2 tmtm tmtm A haihdutuspinta-ala l v höyrystymislämpö  lämmönsiirtokerroin

62 Kriittinen kosteussuhde u cr Kosteussuhteen arvo riippuu mm. - Materiaalista - materiaalin paksuudesta - haihtumisnopeuden arvosta Materiaalin paksuuden lisääntyminen ja haihtumisnopeuden nousu lisänevät kriittisen kosteussuhteen arvoa Joitakin esimerkkejä kirjallisuudesta - hienojakoiset sakat ja pigmentit 0,4-0,6kg/kg ka - nahka ja puulaudat 1,0-1,6kg/kg ka

63 Puupartikkelin pintalämpötilan käyttäytyminen koetulosten perusteella

64 Vakiokuivumisvaihe

65 Kokeellisesti määritellyt lämmönsiirtokertoimet

66 Kokeellisesti määriteltyjen lämmönsiirtokertoimien vertailu tunnettuihin Nusseltin luvun korrelaatioihin

67 Kostean puupartikkelin pintalämpötilan muutos lämpimässä ilmavirrassa t ilma 44 o C x ilma 0,006kg/kg ki Ilman olosuhteita vastaava märkälämpötila n. 20,5 o C

68 Esimerkki kuivumisajan laskemisesta Puupartikkeli, jonka alkukosteus on 63 % (vettä per kok.massa), kuivuu ilmavirrassa, jonka lämpötila on 28 o C, nopeus 1.3 m/s, kokonaispaine 100 kPa ja suhteellinen kosteus 30 %. Puupartikkelin mitat ovat 20x20x5 mm ja kuiva-aineen tiheys 350 kg/m3. Arvioi lähtötietojen perusteella kuivumisaika, kun partikkeli kuivuu alkukosteudesta 63 % loppukosteuteen 50%.

69 Esimerkki kuivumisajan laskemisesta Oletetaan, että vakiokuivumismalli on voimassa tehtävässä annetulla kosteusvälillä. Partikkelin haihdutuspinta-ala A = 2*20*20+4*20*5 = 1200 mm 2 = 0,0012 m 2 Partikkelin tilavuusV = 5*20*20 = 2000 mm 3 = 0,000002 m 3 Partikkelin tehollinen halkaisijaD eff = 6*V/A = 0,01 m Partikkelin kuiva-aineen massam ka =  ka V = 350*0,000002 = 0,0007 kg Partikkelin kosteussuhteet alussa ja lopussa

70 Esimerkki kuivumisajan laskemisesta

71

72

73

74 Hidastuvan kuivumisen vaihe Keskimääräistä kosteutta, jossa kuivumisnopeus alkaa hidastua kutsutaan kriittiseksi kosteussuhteeksi Materiaalin sisäiset ominaisuudet sekä rajakerros alkavat rajoittaa kuivumisnopeutta t p ei pysy vakiona lämmönsiirto =  (t i - t p ) t i p tot  v haihtuminen = m''l v (t p )

75 TvTv TPTP TYTY L Kuiva alue Haihtumis- rintama LvLv Lämpö vesihöyry T v < T P < T Y L on puolet kappaleen paksuudesta 2L Hidastuvan kuivumisen malli 1-dimensioisen levyn tapauksessa

76 TvTv TPTP TYTY L Kuiva alue Haihtumis- rintama LvLv Lämpö vesihöyry Hidastuvan kuivumisen malli 1-dimensioisen levyn tapauksessa, lämmönsiirto q =  (T Y – T p ) Konvektiivinen lämmönsiirto (1) Lämmön johtuminen (2) Lämmön siirtyminen haihtumisrintamaan (3)

77 TvTv TPTP TYTY L Kuiva alue Haihtumis- rintama LvLv Lämpö vesihöyry Hidastuvan kuivumisen malli 1-dimensioisen levyn tapauksessa, aineensiirto Haihtumisnopeus haihtumisrintamasta (4) missä G on (5) missä G s ja G u vastaavasti ovat (6a) (6b)

78 TvTv TPTP TYTY L Kuiva alue Haihtumis- rintama LvLv Lämpö vesihöyry Hidastuvan kuivumisen malli 1-dimensioisen levyn tapauksessa, Rajakerroksen lämpötila Kylläisen höyryn paine haihtumisrintamassa q = m”l V Energiatase Höyrystymislämpö (7) (8) (9) l V = 2501000 – 2340t V (10) Taspainoehto (11)

79 TvTv TPTP TYTY L Kuiva alue Haihtumis- rintama LvLv Lämpö vesihöyry Hidastuvan kuivumisen malli1-dimensioisen levyn tapauksessa, haihtumisrintaman sijainti Haihtumisrintaman sijainti Kosteussuhde (12) (13)

80 Yhteenveto kuivausmallista Tasapainoehto Konduktanssi missä Rajakerroksen lämpötila Höyrynpaine haihtumisrintamassa Haihtumisnopeus Haihtumisrintaman sijainti Kosteussuhde Höyrystymislämpö l v = 2501000 -2340t v

81 Esimerkki mallin käytöstä Oletetaan, että vakiokuivumisesimerkissä käytetyn puupartikkelin kriittinen kosteus on 50%. Arvioi puupartikkelin kuivumisaika 50%:sta 42%:iin käyttämällä hidastuvan kuivumisen mallia. Ilman olosuhteet ja partikkelin ominaisuudet ovat seuraavat: Ilman lämpötila 28 o C Suhteellinen kosteus 30% Puupartikkelin huokoisuus 0,64 Puupartikkelin mutkittelevuus 2,1 Puun kuiva-aineen lämmönjohtavuus 0,11 W/mK Puun kuiva-aineen tiheys 450kg/m 3 Partikkelin paksuus 5mm

82 Alaindeksien selitykset: A = vesihöyryB = kuiva ilma 1 = kuivausilma2 = haihtumisrintama Partikkelin kosteussuhde kosteudessa 42%: u 2 = 0,711 kg/kg ka Edellisen esimerkin perusteella märkälämpötila t m = 16,4 o C. Esimerkki mallin käytöstä

83 Vesihöyryn diffuusiokertoimen arvoja ilmassa Lähde: Lampinen MJ, Aineensiirto-oppi, 1999

84 Vesihöyryn diffuusiokerroin lämpötilassa 22C (ilman lämpötilan ja märkälämpötilan keskiarvo) D AB = 0.000025 m/s 2 Diffuusiokerroin puupartikkelissa Deff = 0,64/2,1*0,000025 = 7,62*10 -6 m 2 /s Aineensiirtokerroin k c märkälämpötilassa k c =  /(  c pAB ), Le  1 = 1206,8 J/m 3 K => k c = 45/1206,8 = 0,0373m/s Esimerkki mallin käytöstä

85 Konduktanssi G s Konduktanssi Gu

86 Esimerkki mallin käytöstä Höyrynpaine haihtumisrintamassa Veden höyrystymislämpö haihtumisrintamassa l V = 2501000 – 2340t V

87 Esimerkki mallin käytöstä Ensimmäisen aika-askeleen alussa pituus L V1 on 0,0025m ja kosteussuhde u 1 1kg/kg ka. Lämpötilaksi t V saadaan 16,6 o C ja haihtumisnopeudeksi 0,000208kg/m 2 s. Valitaan aika-askeleen pituudeksi 30s, jolloin pituudeksi L V2 ja kosteussuhteeksi u 2 toisen aika-askeleen alussa saadaan 0,002486m = 0,9945kg/kg ka

88 Esimerkki mallin käytöstä Tasapainoehto

89 Esimerkki mallin käytöstä Kierrosm’’, kg/sm 2 L v, mmT V, o Cu, kg/kg ka aika, s 1 0.00020810.002516.621 30 2 0.00020250.00248616.870.9945 60 3 0.00019740.00247317.090.9891 90 4 0.00019270.00245917.300.9838 120 5 0.00018830.00244717.490.9786 150 6 0.00018420.00243417.670.9736 180 :::: 81 0.00009100.00180821.650.7232490 82 0.00009060.00180221.670.7212520 83 0.00009010.00179621.680.7182550, Kuivumisaika 2550s

90 Yhteenveto kuivumismallien käytöstä Onko kuivuminen lähempänä haihtumista vai kiehumista? Mikä on pääasiallinen lämmönsiirtomekanismi konvektio (suora kuivaus) konduktio (epäsuora kuivaus) säteily Mallit aina approksimoivat todellisuutta joko huonommin tai paremmin

91 Kuivureissa käytettyjä lämmönsiirtokertoimien korrelaatiokaavoja (Handbook of Industrial Drying) Tasolevy (levyn suuntainen virtaus)Nu = 0.036(Re 0.8 -9200)Pr 0.42 10 5 < Re < 5.5*10 6 LeijupetiNu = 0.0133Re 1.6 0 < Re < 80 LeijupetiNu = 0.316Re 0.8 80 < Re < 500 Pisarakuivaus (spray dryer)Nu = 2+Re 1/2 Pr 1/3 2 < Re < 200 RumpukuivuriNu = 0.33Re 0.6 Pneumaattinen kuivuriNu = 2+1.05Re 1/2 Pr 1/3 Gu 0.175 Re<1000 Gu = Gukhmanin luku =(T ilma -T mat )/T ilma

92 Luento 4, osa 1

93 Kokeellisesti mitattuja kuivumiskäyriä Inlet air humidity 0.002kg/kg da Mikä on kuivumisaika ilman sisääntulolämpötilassa 80 o C ja sisääntulokosteudessa 0.023kg/kg ki ?

94 aika, s kosteussuhde, kg/kg ka aika, s Kuivumisnopeus, kg/m 2 s A BC D A B C D uouo u cr u eq Karakteristisen kuivumiskäyrän periaate Kosteuden muutos levylle, jonka paksuus on L 2Am’’dt =  ka ALdu, missä m’’ = hetkittäinen haihtumisnopeus [kg/m 2 s]  ka = kuiva-aineen tiheys [kg/m 3 ] dt = aika-askel[s] du = kosteuden muutos [kg/kg ka ]

95 Karakteristisen kuivumiskäyrän perusteella haihtumisnopeus esitetään seuraavasti: m ’’ = m’’ o f(u/u cr ), missä m’’ o = haihtumisnopeus vakiokuivumisvaiheessa f(u/u cr ) = karakteristinen kuivumiskäyrä u/u cr f(u/u cr ) 1 1 Karakteristisen kuivumiskäyrän periaate

96 Kuivumisaika käyrän perusteella m o ’’ = haihtumisnopeus vakiokuivumisalueella [kg/m 2 s]  ka = kuiva-aineen tiheys [kg/m 3 ] dt = aika-askel[s] u cr = kriittinen kosteussuhde [kg/kg ka ] f (u/u cr ) karakteristinen kuivumiskäyrä Karakteristista kuivumiskäyrää käytettäessä kuivumisajaksi saadaan levymäiselle kappaleelle

97 Karakteristisen kuivumiskäyrän muodostaminen aika, (min) massa, (kg) massanmuutos aika-askeleen ylitse, (kg) 01,93 201,840,0918 401,740,0918 601,650,0918 801,570,085 1001,490,082 1201,410,077 1401,340,07 1601,270,065 1801,210,063 2001,160,055 2201,110,05 2401,060,045 2601,030,035 2801,000,025 3000,980,02 3200,970,01 3400,970 Lähtötiedot: Kuivauslämpötila80 o C Ilman kosteus 0,01kg/kg ki Laudan mitat 2,5*0,12*0,006 m (pituus*leveys*paksuus) Kuiva-aineen tiheys 510kg/kg ka Kriittinen kosteussuhde 0,85kg/kg ka

98 Karakteristisen kuivumiskäyrän muodostaminen u t = m/(  ka *V)-1

99 Karakteristisen kuivumiskäyrän periaate Tulosten perusteella määritetty sovite

100 Sellutehtaan kuorta

101 Koelaite

102 Kuivumiskäyrien määrittäminen

103 Sovitteiden avulla muodostetut kuivumiskäyrät

104 Karakteristinen kuivumiskäyrä Holmberg H et al, Experimental study on drying of bark in fixed beds, Drying Technology; 2011; 29:953-960

105 Karakteristinen kuivumiskäyrä Holmberg H et al, Experimental study on drying of bark in fixed beds, Drying Technology; 2011; 29:953-960

106 Kuivumisaikojen vertailu Holmberg H et al, Experimental study on drying of bark in fixed beds, Drying Technology; 2011; 29:953-960

107 Luento 4, osa 2

108 Haihdutus 0,5kg/s + Ilma 10 o C, 0,005kg/kg ki 70 o C, 0,005kg/kg ki Kostea materiaali 123 Poistoilma Kuivattu materiaali Kuivausprosessi Mikä on kuivausilman tarve? Mikä on ominaislämmönkulutus = kuivaussysteemin tuotu lämpö ? haihdutettu vesimäärä Lämpöenergia

109 Kuivauskammion energia- ja massatase

110 h = c pki t + x(c ph t + 2501) i = c pka T + uc pv T missä Kuivauskammion energia- ja massatase Massatase Energiatase

111 Kuivuriin johdettavan biopolttoaineen alkukosteus on 1,5 kg/kg ka ja keskimääräinen loppukosteus 0,5 kg/kg ka. Polttoaineen kuiva-ainevirta on 1 kg ka /s, sisääntulolämpötila 20 o C ja ulostulolämpötila 55 o C. Kuivauskaasuna käytetään ilmaa, joka lämmitetään lämmönvaihtimessa lämpötilasta 20 o C lämpötilaan 80 o C. Ilman kosteus ennen kuivuria on 0,005 kg/kg ki. Kuivurin poistoilman ulostulolämpötila on 32 o C. Määritä tämän perusteella kuivurin ominaisenergiankulutus, kun kuivurin lämpöhäviöiden oletetaan olevan 10 % veden höyrystymiseen kuluvasta energiasta. Kuivauksen sähköenergian kulutusta ei huomioida, ja polttoaineen kuiva-aineen ominaislämpökapasiteetti on 1,3 kJ/kgK. Esimerkki energia- ja massataseiden käytöstä

112 Keskimääräiset ominaislämpökapasiteetit c pki (40-80 o C) = 1.008 kJ/kgKc pki (20-80 C) = 1.006 kJ/kgK c ph (40-80 o C) = 1.87 kJ/kgKc ph (20-80 o C) = 1.85 kJ/kgK c pv = 4,19 kJ/kgK Veden keskimääräinen höyrystymislämpötila t = (15+55)/2 = 35 o C Veden höyrystymislämpö lämpötilassa 35 o C l v = 2454 kJ/kg Kuivurissa haihdutettavan veden määräm v = M ka (u1-u2) = 1  (1,5-0,5) = 1 kg/s Kuivurin lämpöhäviö Q häv = 0,1m v l v = 245 kW Kuivurin energiatase esimerkin tilanteelle ilman entalpiat auki kirjoitettuna: Q häv + m ki (c pki t 2 + x 2 ( c ph t 2 + 2501) - c pki t 1 - x 1 (c ph t 1 + 2501)) + M ka [c pka (T 2- T 1 ) + c pv (u 2 T 2 -u 1 T 1 )] = 0 Kuivurin massataseen avulla ilman ulostulokosteus x2 voidaan ilmoittaa ilman massavirran avulla x 2 = M ka (u 1 -u 2 )/m ki + x 1 Kun x 2 lauseke sijoitetaan kuivurin energiataseeseen, jää ilman massavirta ainoaksi tuntemattomaksi energiataseessa, josta se voidaan ratkaista. =>mki = 60,8 kg/s Lämmönvaihtimessa kuivausprosessiin siirretty lämpöteho Q läm = m ki (c pki (t 1 -t 0 ) + x 1 c ph (t 1 -t 0 ) =60,8  (1,006 + 0,005  1,85(80-20)) = 3705 kW => q = Q läm /m v = 3700 kJ/kg H2O

113 Kuivurin energia- ja massatase

114 Kuivurin energia ja massataseen differentiaalimuoto stationääritilanteella vasta/myötävirtatapaukselle

115 Kuivurin energia ja massataseen differenssimuoto stationääritilanteella vasta/myötävirtatapaukselle M ka = kuiva-aineen massavirta [kg ka /s] m ki = ilman massavirta [kg ki /s] i ka = materiaalin entalpia [J/kg ka ] h ki = ilman entalpia [J/kg ki ] m’’ e = haihtumisnopeus [kg/m 2 s] x = ilman kosteus [kg/kg ki ] u = materiaalin kosteus [kg/kg ka ] l h = höyryn ominaisentalpia = 2501000+c ph t [J/kg h a v = haihdutuspinta-ala tilavuusyksikköä kohti [m 2 /m 3 ]  = lämmönsiirtokerroin [  V = lohkon tilavuus [m 3 ] t i = kuivasukaasun lämpötila [ o C] t m = materiaalin pintalämpötila [ o C] missä,

116 Esimerkki energia- ja massataseiden käytöstä

117 Haihtumisnopeuden laskenta

118 Esimerkki energia- ja massataseiden käytöstä Energia- ja massatase lohkon ylitse

119 Esimerkki energia- ja massataseiden käytöstä

120 Luento 5

121 Yksivaiheinen kuivausprosessi Lämmitys Kuivaus Materiaali, in Materiaali, out Ilma 1 23

122 Kuivumisprosessin laskenta Mollier diagrammin avulla 1 2 3

123 Poistoilman lämmöntalteenotolla varustettu kuivausprosessi Mollier-diagrammilla 1 3 4 2 Lämmöntalteenotto Lämmitys

124 Poistoilman lämmöntalteenotto Lämmitys Kuivaus Materiaali, inMateriaali, out Ilma 10 o C 26 o C 30 o C LTO 100 o C LTO lämmöntalteenotto Lauhtunut vesi

125 Lämmöntalteenotto savukaasukuivauksessa Palokammio Kuivaus Materiaali, inMateriaali, out Ilma 1 2 LTO 5 LTO lämmöntalteenotto Polttoaine Savukaasu 3 Savukaasu 4 Lauhtunut vesi

126 Lämmöntalteenoton kytkentävaihtoehtoja

127 Monivaihekuivauksen tilapisteiden muutos Mollier-diagrammilla 1 2 3 Lämmitys Kuivaus 4 5 6 7

128 Monivaiheinen kuivausprosessi Lämmitys Kuivaus Materiaali, in Materiaali, out Ilma 12 3 Lämmitys Kuivaus 4 5 Lämmitys Kuivaus 67 Materiaali

129 Monivaiheinen kuivausprosessi

130 Poistoilman osittainen takaisinkierrätys Lämmitys Kuivaus Materiaali, inMateriaali, out Korvausilma 1234Poistoilma Kierrätysilma

131 Veden lauhduttaminen kuivauskaasusta Lämmitys Kuivaus Materiaali, inMateriaali, out 23 Lauhdutin 1 Ilma/ inertti kuivauskaasu Jäähdytysvesi, in Jäähdytysvesi, out

132 Kuivausilman lämpötilan nosto portaittain useammalla eri lämpöisellä lämmönlähteellä Kuivaus Materiaali, out Ilma 1453 Lämmitys- vaihe 1 2 Materiaali, in Lämmitys- vaihe 2 Lämmitys- vaihe 3 lämpötila lämmitysvaiheessa 1 < lämpötila lämmitysvaiheessa 2 < lämpötila lämmitysvaiheessa 3

133 Laskuesimerkki, poistoilman osittainen takaisinkierrätys Lämmitys Haihdutus 0,75kg/s Materiaali, inMateriaali, out Korvausilma, 20  C, 0,002kg/kg ki 1 2 95  C, 34 6 Poistoilma 42  C, 0,035kg/kg ki Kierrätysilma 42  C, 0,035kg/kg ki, 5 Lämmitysenergia Q Laske: ominaislämmönkulutus korvausilman tarve kierrätyssuhde Materiaalin lämpenemiseen kuluvaa energiaa ja kuivurin lämpöhäviöitä ei tarvitse huomioida

134 Laskuesimerkki, taserajan määritys Laske: ominaislämmönkulutus korvausilman tarve kierrätyssuhde Materiaalin lämpenemiseen kuluvaa energiaa ja kuivurin lämpöhäviöitä ei tarvitse huomioida

135 Laskuesimerkki

136

137

138 Yhteenveto kuivausprosesseista Erilaisten prosessiratkaisujen avulla kuivauksen lämmönkulutusta voidaan pienentää Lämmöntalteenotto poistokaasusta Monivaiheihekuivaus Poistokaasun osittainen takaisinkierrätys Kuivauskaasun lämmitys useammalla erilämpöisellä lämmönlähteellä Lämmönkulutuksen pieneneminen voi vastaavasti johtaa sähkönkulutuksen kasvuun Lämpötalouden parantaminen nostaa yleensä investointikustannuksia

139 Kuusi- ja mäntypartikkelin kuivuminen höyryatmosfäärissä Lähde: Fyhr C., Rasmuson A. Some aspects of the modelling of wood chips drying is superaheated steam. Int J. Heat and Mass Transfer, Vol. 40 No.12 pp.2825-2842,1997 Kuivauskaasu tulistettu höyry Ilmanpaineinen tai paineistettu ´Kuivumisvaiheet alkulämpeneminen vakiokuivumisvaihe hidastuvan kuivumisen vaihe Vakiokuivumisvaiheessa pintalämpötila on sama kuin höyrynpainetta vastaava kiehumislämpötila Ilman aineensiirtovastusta ei esiinny => diffuusiopohjaisia malleja ei saa käyttää Aineensiirto hidastuvan kuivumisen alueella yleensä Darcyn lailla

140 Haihtumisnopeuden laskenta vakiokuivumisalueella m e ’’ = haihtumisnopeus [kg/m 2 s]  = lämmönsiirtokerroin [W/m 2 K] t y = tulistetun höytryn lämpötila [ o C] t V = höyrynpainetta vastaava kiehumislämpötila [ o C] l v = kiehumislämpötilaa vastaava höyrystymislämpö [J/kg]

141 Haihtumisnopeuden laskenta hidastuvan kuivumisen alueella, luennolla 3 esitetyn mallin modifiointi Darcyn laki kuvaa aineensiirtoa materiaalin sisällä => Rajakerroksen aineensiirtovastusta ei esiinny Tasapainoehto, josta haihtumisrintaman lämpötila lasketaan

142 Yhteenveto höyrykuivauksen kuivausmallista Tasapainoehto Rajakerroksen lämpötila Höyrynpaine haihtumisrintamassa Haihtumisnopeus Haihtumisrintaman sijainti Kosteussuhde Höyrystymislämpö l v = 2501000 -2340t v

143 Esimerkki höyrykuivurista

144 1 Materiaalin syöttöventtiili 2 Materiaalin syöttöruuvi 3 Paineistettu leijukerroskammio, jossa tulistettua höyryä 4 Tulistetun höyryn ohjain 5 Leijukerroskammion pohja 6 ks. kohta 3 7 Ohjauslevyt 8 Materiaalin poistoruuvi 9 Materiaalin poistoventtiili 10 Sykloni 11 Pölyn poisto 12 Lämmönvaihtimet 13 Lämmityshöyryn syöttö 14 Lämmityshöyryn lauhteen poisto 15 materiaalista höyrystyneen vesihöyryn poisto

145 Modo Chemeticsin höyrykuivuri

146 Inversiopiste Y on vesihöyryn massa jaettuna vesihöyryn+ilman massalla

147 Puupartikkelin kuivumisnopeus ilma- ja höyrykuivauksessa Lähde: Johasson A.,Fyhr C., Rasmuson A. High temperature convective drying of wood chips with air and superheated steam. Int J. Heat and Mass Transfer, Vol. 40 No.12 pp.2843-2858,1997

148 Höyrykuivausprosessi

149 Ilmakuivausprosessi

150 Drying system Specific heat consumption [kJ/kg H2O ] Entropy generation rate in steam heat exchangers [W/K] Power loss T = T eff [kW] Exergy loss T o = 288.15K [kW] Power production [kW] Air with water heating 3208161256146520130 Air without water heating 3208107737231022620 Steam with water heating 99871330020520100 Steam without water heating 295371330020520100 Effective temperatures: air heating T 1 = 345K, water heating T 2 = 355K, steam heating T 3 = 421K Ilma- ja höyrykuivurin vertailu Effective temperatures are calculated by defining the outlet temperature of the condensate in such a way that no entropy generation occurs in a steam heating unit.

151 Höyrykuivurin vertailu ilma/savukaasukuivuriin Lämmöntalteenotto korkeammalla lämpötilatasolla Höyry on inertti kaasu Ilman aineensiirtovastusta ei ole Likaiset lauhteet voivat vaatia jatkokäsittelyä Tiiveys ja materiaalin syöttö voivat aiheuttaa haasteita Paineistetuissa ratkaisussa kuivurin kokoa saadaan pienemmäksi, mutta ei välttämättä halvemmaksi (materiaalikustannukset)

152 Kuivaus höyryatmosfäärissä Perustuu tulistetun höyryn käyttöön, jolloin materiaali lämpenee aluksi höyrynpainetta vastaavaan kiehumislämpötilaan (vakiokuivumisvaihe) ja kuivauksen jatkuessa tulistetunhöyryn lämpötilaan (hidastuvan kuivumisen vaihe) Aineensiirto-ominaisuudet paremmat kuin ilma/savukaasukuivauksessa, koska kuivumista hidastava rajakerros puuttuu partikkelin ympäriltä Kuivauksessa vapautuvan vesihöyryn lämpö voidaan ottaa talteen lauhduttamalla kuivurista poistunut höyry Paineistetun höyryn käyttö pienentää kuivurin kokoa Likaiset lauhteet voivat olla ongelma Tulistettu höyry on ”arvokasta” kuivausenergiaa Kiinteän aineen syöttö paineistettuun tilaan voi olla ongelmallista

153 Pakkaskuivauksen periaate Pakkaskuivauksen kuivumisvaiheet: pakastusvaihe ensimmäinen kuivausvaihe (vapaa vesi poistuu) toinen kuivausvaihe (sidottu vesi poistuu) Kuivumisaika useista tunneista jopa vuorokausiin Käytetään elintarvikkeiden (mm. kahvi, hedelmät, kala), lääketeollisuuden ja biologisten materiaalien kuivumiseen Antaa laadukkaimman lopputuotteen kaikista kuivausmenetelmistä Energiaintensiivinen ja kallis kuivausmenetelmä sähköä kuluu alipaineen muodostamiseen ja kylmän muodostamiseen lämpöä kuluu lämmitykseen isot investointikustannukset per kuivattu tonni

154 Veden faasidiagrammi Veden höyrynpaine trippelipisteessä 0,006112bar

155 Pakkaskuivauksen toteutus Prosessivaiheet: 1.pakastus 2.paineen alennus alle trippelipisteen 3.Lämmöntuonnin aloittaminen (johtuminen, säteily) 4.Kuivaus: vesi sublimoituu, jonka jälkeen kondensoituu sekä jäätyy jäähdytysputkiston pinnalle Paine kuivauskammiossa yleensä alle 0,05bar ja lämpötila alle -10 o C

156 Pakkaskuivauksen ominaispiirteitä Kuivumisaika useista tunneista useisiin vuorokausiin Energiasyöppö prosessi Sähköä kuluu: pakastus, komprimointi Lämpöä kuluu: levyjen lämmitys, säteily Lopputuotteiden laatu korkea Käytetään mm. elintarvikkeiden kuivauksessa

157 GEA Niro A/S:n pakkaskuivauslaitteistoja

158 Poistoilman lämmöntalteenotto Lämmitys Kuivaus Materiaali, inMateriaali, out Ilma 1 24 LTO 5 3 LTO lämmöntalteenotto Lauhtunut vesi Lämmitys Kuivaus Materiaali, in Materiaali, out Ilma 10 o C 26 o C 30 o C LTO 100 o C LTO lämmöntalteenotto Lauhtunut vesi

159 Sekoitus-höyrykuivurin kytkentä voimalaitokseen

160 Luento 6

161 Kuivaussysteemien luokitus Kuivauskaasu –Ilma höyry, savukaasu, tyhjö Lämmönsiirto –Konvektio (suora), johtuminen (epäsuora), säteily Kuivauskammio –Rumpukuivuri, kuljetinkuivuri, leijukerroskuivuri, pneumaattinen kuivuri, lavakuivuri, ruiskutuskuivuri (spary drying), pakkaskuivauskammio (freeze drying) Toimintatapa –Jatkuvatoiminen, eräperiaatteella toimiva

162 Materiaalin viipymäaikaa kuivurissa kuvaavat funktiot Keskimääräinen viipymäaika: t R = kuiva-aineen massa kuivurissa kuiva-aineen massavirta Viipymäajan jakaumafunktio RTD (Residence time distribution) E(t) - tulppavirtaukselle E(t) =  (t-t R ) - Täydellisesti sekoittuneelle pedille Kertymäfunktio (Cumulative fraction)

163 Esimerkkejä viipymäajan jakaumista Täydellisesti sekoittunut peti Tulppavirtaus

164 Kertymäfunktioita erityyppisille virtauksille t/t R F(t/t R ) 1 Tulppavirtaus t/t R F(t/t R ) 1 Tulppavirtaus, jossa on vähän pyörteitä 1 t/t R F(t/t R ) 1 Täydellisesti sekoittunut peti 1 t/t R F(t/t R ) 1 Sekoittunut peti, jossa on kuolleita alueita 1 1

165 Leijukerroskuivuri Kuivauskaasun virtausnopeus > minimileijutusnopeus Kuivataan mm. elintarvikkeita, turvetta, kemianteollisuuden tuotteita jne. Hyvät aineensiirto-ominaisuudet Kaikkialla kuivurissa lähes isotermiset olosuhteet Tyypillinen lämmönkulutus 4000- 6000 kJ/kg H2O Sopii huonosti materiaaleille, joilla heterogeeninen palakoko- jakauma

166 Rumpu/rotaatiokuivurit Rummun pyörimisnopeus 2-8 kier./min Kuivataan mm. biopolttoaineita, lannoitteita, elintarvikkeita jne. Tyypillinen lämmönlähde savukaasu Tyypillinen lämmönkulutus 4600-9200kJ/kg H2O

167 Kuljetintyyppiset kuivurit Kuivauskaasu puhalletaan/imetään materiaali- kerroksen läpi tai ylitse Partikkelit eivät merkittävästi sekoitu Tyypillinen lämmönkulutus 4000-6000kJ/kg H2O Käytetään laajasti erilaisten tuotteiden kuivaamiseen, esim. elintarvikkeet, bio- polttoaineet Viipymäaika helppo säätää halutuksi

168 ABB Fläktin myllykuivuri MoDo-Chemiticsin vastapainehöyrykuivuri Pneumaattiset kuivurit Virtausnopeus > ns. terminaalinopeus Materiaali liikkuu suspensiona kuivauskaasun mukana Lyhyt kuivumisaika (sekunneista kymmeniin sekunteihin) korkea kuivumislämpötila (yleensä useita satoja asteita) Käytetään yleensä jauhemaisille /pienipartikkelisille aineille Tyypillinen lämmönkulutus 4500-11000 kJ/kg H2O Korkea painehäviö lisää sähkönkulutusta Pieni koko esim. kuljetin kuivureihin verrattuna Pintojen kuluminen voi olla merkittävää

169 Epäsuorat kuivurit Lämpö tuodaan johtumalla (konduktio) seinämän läpi materiaaliin Kosteus siirretään pois sopivalla kantokaasulla (ilma, höyry) Esim. ruuvikuivurit, paperin sylinterikuivaus Kuivattavia materiaaleja mm. lietteet, pastamaiset aineet, paperi

170 Kokeelliseen lämmönsiirtokertoimeen perustuva mitoitus q =  aV  t ln q = M ka (u in – u out )l v  a = kuivurin tilavuutta kohti laskettu lämmönsiirtokerroin [W/Km 3 ] V = koko kuivurin tilavuus [m 3 ] missä

171 Lämmönsiirtokertoimen perusteella tyypillisiä  a:n ja logaritmisen lämpötilaeron arvoja joillekin kuivurityypeille kirjan Handbook of Industrial Drying mukaan Kuivurityyppi  a  t ln [kW/Km3] [ o C] Rumpu, vastavirta 419-83880-150 Rumpu, myötävirta 419-838100-180 Flash 8380-25140100-180 Leijukerros 8380-25140 50-150

172 Esimerkki lämmönsiirtokertoimen käytöstä Arvio lämmönsiirtokertoimeen perustuvan menetelmän avulla, kuinka pitkä vastavirta- periaatteella toimivan rumpukuivurin tulee olla, kun rummun halkaisija on 5m ja logaritminen lämpötilaero 110 o C. Materiaalin kuiva-ainevirta on 3kg ka /s ja se kuivataan alkukosteudesta 1.3 loppukosteuteen 0.4. q = 3*(1.3-0.4)*2443 = 6596 kW(höyrystymislämpö otettu lämpötilassa 25 o C) Olkoon  a: arvo 630 kW/K m 3 (otettu keskiarvona) Mitoituskaavan perusteella V = q/(  a  t ln ) = 6589*3600/(630*110) = 342.7m 3 Kuivurin pituusL = 4V/(  D 2 ) = 4*342.7/(  5 2 ) = 17.5m

173 Metsähakkeen kuivumiskäyrä

174 Luento 7

175 Kostean biopolttoaineen alemman eli tehollisen lämpöarvon laskenta ja energiasisällön nousu Alempi lämpöarvo LHW wet,u kuivaa polttoainekiloa kohti q u = q i – 2.443u q i = kuivan polttoaineen tehollinen lämpöarvo [MJ/kg ka ] u = polttoaineen kosteussuhde [kg H2O /kg ka ] Polttoaineen energiasisällön nousu PolttoaineLämpöarvo (MJ/kg) Metsähake18,5 – 20 Kokopuuhake18,5 – 20 Sahanpuru19 –19,2 Kutterinlastu19 –19,2 Havupuun kuori18,5 – 20 Koivun kuori21 – 23 Biopolttoaineiden tehollisia lämpöarvoja kuiva-aineessa vaihteluväleineen m ka = kuiva-aineen massavirta l v = veden höyrystymislämpö lämpötilassa 25 o C u 1 polttoaineen kosteussuhde ennen kuivausta u 2 polttoaineen kosteussuhde kuivauksen jälkeen

176 Kostean biopolttoaineen alempi lämpöarvo polttoaineen kosteuden funktiona Maskimaalinen potentiaali nostaa polttoaineen energiasisältöä kuivauksen avulla n. 20% (karkea nyrkkisääntö)

177 Tyypillisiä kiinteitä biopolttoaineita

178 Metsäteollisuuden tehdaspolttoaineet vuonna 2007

179 Kuoren kosteuspitoisuus eräällä sellu- ja paperitehtaalla

180 Biopolttoaineiden lämpöarvojen vertailu muhin polttoaineisiin FuelHigh heating value MJ/kg Low heating value for dry fuel MJ/kg Low heating value for moist fuel, MJ/kg Bituminous coal 29.828.826.0 Heavy fuel oil43.140.940.8 Light fuel oil46.043.0 Wood20.519.17.25 Bark - pine - spruce - birch 21.3 19.9 24.2 20.0 18.6 22.7 6.5 6.0 8.9 Black liqour - pine - spruce 15.5 14.7 14.6 13.8 7.8 7.3 Sod peat22.020.99.2 Natural gas54.649.2

181 FuelCHSONAshMoisture Bituminous coal73.24.71.09.11.011.09 Heavy fuel oil88.310.11.00.20.40.040.3 Light fuel oil86.213.70.1-0.020.01 Wood50.46.2-42.50.50.455 Bark - pine - spruce - birch 54.5 50.6 56.6 5.9 6.8 ------ 37.7 40.2 34.2 0.3 0.5 0.8 1.7 2.8 1.6 60 55 Black liqour - pine - spruce 39.0 37.0 4.0 4.5 4.0 33.4 33.9 0.1 19 21 40 Sod peat55.05.50.232.61.75.050 Natural gasCH 4 98.92 C 2 H 8 0.11 O 2 0.05 CO 2 0.02 N 2 0.9 Biopolttoaineiden alkuainekoostumuksen vertailu muhin polttoaineisiin

182 Biopolttoaineiden ominaisuuksia Tyypillinen kosteus 50-60 % (kosteaa massaa kohti laskettuna), joka riippuu biopolttoainetyypistä (esim. koivun kuori vs. männyn kuori) vuodenajasta säätilasta varastoinnin pituudesta Heterogeeninen palakoko Alhainen kuiva-aineen tehollinen lämpöarvo fossiilisiin polttoaineisiin verrattuna korkean happipitoisuuden vuoksi CO 2 - vapaa polttoaine

183 Kuivauksen mahdolliset vaikutukset ja seuraukset energiantuotannon yhteydessä Tehollisen lämpöarvon nousu => samasta kuiva-ainemäärästä enemmän energiaa marginaalipolttoaineen korvaaminen tukipolttoaineen käytön väheneminen, kun biopolttoaine on hyvin kosteata kattilan kapasiteetin nosto adiabaattisen palamislämpötilan nousu => täydellisempi palaminen NOx- päästöjen lisääntyminen ? petimateriaalin sintraantuminen ja agglemeroituminen kuplivissa pedeissä (BFB) savukaasujen kierrätyksen ja/tai ilmakertoimen kasvu => sähkönkäytön kasvu ? Polttoaineen laaduntasaus => kattilaan syötettävän energiamäärän vaihtelu pienenee kattilan säädettävyys ja toiminta ? voimalaitoksen ennakoivan säätö esim. höyryntarpeen muuttuessa ? Kuiva-ainetappioiden pienentyminen varastoinnin yhteydessä esim. polttoaineen varastointi yhdyskuntien CHP laitosten yhteydessä

184 Lauhdevoimalaitos päätuote sähkö mahdollisimman hyvä hyötysuhde

185 CHP voimalaitos päätuote lämpö ajetaan lämmöntarpeen mukaan sähkö tuotetaan yleensä sivutuotteena

186 Kattilahyötysuhde  pa Qin  sät  sk  =  häv

187 Lauhdevoimalaitoksen hyötysuhteet Lauhdevoimalaitos Polttoaine  pa Sähkö (akseliteho) P t Lämpö ympäristöön Q out Häviöt  häv (savukaasuhäviö+säteilyhäviö) Kierto- prosessi Lämpö kierto- prosessin Q in Lauhdevoimalaitoksen kiertoprosessin hyötysuhde:, Lauhdevoimalaitoksen hyötysuhde:,

188 CHP voimalaitoksen hyötysuhteiden määritelmät CHP voimalaitos Polttoaine  pa Sähkö P Lämpö Q Häviöt  häv (savukaasuhäviö+säteilyhäviö) Vastapainelaitoksen rakennusaste: Vastapainevoimalaitoksen hyötysuhde:

189 Kuivauksen vaikutus kattilahyötysuhteeseen Kattilahyötysuhde ennen kuivausta Kattilahyötysuhde kuivauksen jälkeen Häviöiden muutos, jos savukaasujen ulostulolämpötila, Ilmakerroin ja säteilyhäviöt pysyvät vakiona:

190 Kuivauksen vaikutus lauhdevoimalaitoksessa Mikä on polttoaineen kulutus kosteaa ja kuivaa polttoainetta käytettäessä, kun tuotetaan sähköteho P ?

191 Polttoaineen kulutuksen laskenta lauhdevoimalaitoksessa  th kiertoprosessin hyötysuhde  ka kattilahyötysuhde  g generaattorin hyötysuhde q mar marginaalipolttoaineen alempi lämpöarvo q bio biopolttoaineen alempi lämpöarvo q u = q i – 2,443u Polttoaineen kulutus, kun poltetaan vain biopolttoainetta Polttoaineen kulutus, kun poltetaan rinnakkain bio- ja marginaalipolttoainetta

192 Kiertoprosessin hyötysuhde, kun polttoainetta ei kuivata tai se kuivataan Q in1 = P t + Q out1, Kiertoprosessin hyötysuhde, kun polttoainetta ei kuivata Q in2 = P t + Q K + Q out2, Kiertoprosessin hyötysuhde, kun polttoaine kuivataan, missä Q K on kuivurin lämmönkulutus

193 Polttoaineen kulutuksen laskenta CHP voimalaitoksessa  CHP CHP-voimalaitoksen hyötysuhde   ka kattilahyötysuhde Q L prosessilämmön tarve  Voimalaitoksen rakennusaste q mar marginaalipolttoaineen alempi lämpöarvo q bio biopolttoaineen alempi lämpöarvo m bio biopolttoaineen kuiva-aineen massavirta

194 Kuivauksen vaikutus CHP-voimalaitoksessa: esimerkki