FI96359C - Menetelmä ja laitteisto kattilalaitoksen palamisilman säätämiseksi - Google Patents

Description

1 96359

Menetelmä ja laitteisto kattilalaitoksen palamisilman säätämiseksi

Keksintö kohdistuu menetelmään kattilalaitoksen palamisilman säätämiseksi, joka menetelmä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 joh-5 danto-osassa. Keksintö kohdistuu myös laitteistoon, joka on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 8 johdanto-osassa.

Keksintö soveltuu käytettäväksi erityisesti kattilalaitosten yhteydessä, jotka sijaitsevat ulkoilmalta oleellisesti suljetuissa rakennuksissa. 10 Tässä yhteydessä kattilalaitoksella tarkoitetaan polttolaitosta, jossa ilman avulla poltetaan joko kiinteitä, nestemäisiä tai kaasumaisia polttoaineita. Itse kattila on valmistettu vesijäähdytteisistä putkipaneeleista, joiden sisällä viilaavaan veteen palamisen tuottama lämpö siirtyy. Näin tulokseksi saadaan höyryä, joka voidaan käyttää myöhemmin proses-15 sissa hyödyksi.

Eräänä esimerkkinä kattilalaitoksista voidaan mainita soodakattila. Soodakattilassa tarvittava palamisilma otetaan nykyisin kokonaisuudessaan kattilarakennuksen sisältä ja suurin osa sen yläosasta. Koska 20 kattilasta ja sen laitteista kattilarakennukseen vapautuva lämpö ei riitä kattilan sijoituspakkakunnasta riippuen kylmimpinä vuodenaikoina lämmittämään ulkoa otettavaa korvausilmaa ja rakennusta riittävästi ja toisaalta lämpiminä aikoina luonnollinen ilmanvaihto jäähdyttämään rakennusta riittävästi, on lisälämmitykseen sekä -tuuletukseen käytettävä :. .: 25 rakennuslämmittimiä ja ilmanvaihtoa.

• · i Rakennus toimii eräänlaisena ilmakanavana, ja koska kattilan tarvit- • · · · ·* ·*:· sema ilmamäärä on erittäin suuri, syntyy korvausilman tarpeesta ja • · · · korkean tilan hormivaikutuksesta rakennuksen alaosaan huomattava • · · 30 alipaine. Tällöin hallitsemattomien ilmavuotojen osuus korvausilmasta lisääntyy, laitoksen jäätymisriskit kasvavat ja ovien toiminta hankaloi-tuu. Lisäksi laitoksen toiminta häiriintyy välittömästi rakennuksen ilman-*\ * vaihdon joutuessa epäkuntoon, sillä laiterikkoja korvaavat vaihtoehtoi- set ajotavat eivät ole mahdollisia.

·:··: 35

Ruotsalainen kuulutusjulkaisu 451755 esittää tavan säätää polttoilmaa. Tässä sekoitetaan lämmintä esilämmitettyä ilmaa esim. ulkoa tulevan *· kylmemmän ilman kanssa. Tarkoituksena on pitää massavirtaus vakio- 2 96359 na säätämällä sekoituksen jälkeen mitattu polttoilman lämpötila ennalta määrättyyn asetusarvoon. Eri ilmavirtojen suhteelle ei ole kyseisessä julkaisussa pantu painoa.

5 Keksinnön tarkoitus on poistaa em. epäkohdat ja esittää menetelmä ja laitteisto, joilla ilmavirtoja voidaan paremmin hallita kattilarakennuksis-sa erityisesti alueilla, joissa lämpötilavaihtelut voivat olla suuret lyhyemmällä tai pidemmällä aikavälillä, esim. vuorokauden sisällä tai vuoden aikana. Keksinnön tarkoituksena on esittää myös menetelmä ja 10 laitteisto, joilla ilmastointilaitteiden toimintahäiriöistä johtuvat haitat voidaan eliminoida. Näiden tarkoitusten toteuttamiseksi menetelmälle on pääasiassa tunnusomaista se, mikä on esitetty oheisen patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa. Laitteistolle on puolestaan tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 8 tunnusmerkkiosas-15 sa.

Keksinnön mukaisesti tärkeää on nimenomaan rakennuksen sisältä ja ulkoa otettavien ilmavirtojen suhde. Tämä suhde määrätään ainakin ulkoilman lämpötilan ja kattilan kuormituksen perusteella. Kun palamis-20 ilmakanavaan johdetaan ilmaa sekä rakennuksen sisältä että sen ulkopuolelta, ei olla riippuvaisia ainoastaan sisäpuolelta johdettavasta pa-lamisilmasta, ja sen määrää voidaan säätää joustavammin tilanteen mukaan itse palamisprosessiin vaikuttamatta. Myös ilmanvaihtojärjes-telmän vaurioituessa tai sitä huollettaessa on kattilalaitosta korjaustyön 25 aikana mahdollista ajaa siten, että palamisilma otetaan suoraan ulkoa.

;:· Palamisilmakanava voidaan varustaa sekoitusosalla, jonka avulla voi- : daan säätää kattilarakennuksesta sisältä ja ulkoa otettavien ilmavirto- • · » · jen suhde halutuksi. Voidaan käyttää esim. em. virtausten yhdistyneen virtauksen lämpötilaa tmix asetusarvona, jolloin tätä lämpötilaa seura-30 taan jatkuvasti ja suhde säädetään tämän mukaiseksi. Tavoiteltava asetusarvo esilasketaan tarkasti tunnettujen lämpöhäviöiden perus-::i.: teella vastaamaan kulloistakin ulkolämpötilaa ja kattilan kuormitusta.

’ Asetusarvon avulla pyritään hyödyntämään kaikki sisätilaan johtuva ylilämpö huomioiden kuitenkin sisätilojen lämpötilojen takuuarvot. Jos j 35 laitos lämpenee yli tavoitearvon, palamisilman sekoituspisteen asetus-arvolämpötilaa nostetaan, jolloin palamisilmasta suurempi osa otetaan kattilahuoneesta ja päinvastaisessa tilanteessa asetusarvolämpötilaa :· : alennetaan ja kattilahuoneesta otettava ilmavirta pienenee.

3 96359

Keksinnön avulla voidaan nostaa kattilalaitosten hyötysuhdetta, koska ilmavirrat ja niiden lämpötilat ovat tarkemmin hallinnassa.

5 Keksintöä selostetaan seuraavassa lähemmin viittaamalla oheisiin piirustuksiin, joissa kuva 1 esittää kaavamaisesti kattilarakennuksen ilmavirtoja, keksinnön mukaista laitteistoa ja ilmastointilaitteita, 10 kuva 2 esittää yhtä esimerkkiä ilmavirtausten säädön perusteista, kuva 3 esittää keksinnön mukaisen laitteiston yhtä säätökaaviota, 15 kuva 4 esittää keksinnön mukaisen laitteiston toista säätökaaviota, ja kuva 5 esittää kattilalaitosta, jossa on keksinnön mukainen laitteisto.

20

Kuvassa 1 on esitetty kaavamaisesti kattilarakennus ilmavirtojen ja niitä ohjaavien laitteiden osalta. Palamisilmaa johdetaan kattilalle (ei esitetty) palamisilmakanavaa C pitkin. Palamisilmakanavan C alussa on se-koitusosa 1, joka on yhteydessä sekä rakennuksen sisäosassa olevaan 25 ilmamassaan että rakennuksen ulkopuoliseen ilmaan, joka on säätilan mukaisessa ulkolämpötilassa. Palamisilman sekoitusosaan 1 johdetaan : vastaavien säätölaitteiden 2 ja 3, kuten säätöpellien kautta ensimmäi- ··· nen ilmavirta qi ulkoa ja toinen ilmavirta q2 sisältä. Säätölaitteita 2 ja 3 säätämällä saadaan em. osavirtausten suhde halutuksi, jolloin sisältä 30 otettavan ilmavirtauksen määrää voidaan vaihdella tilanteen mukaan . vaikuttamatta kattilalle menevään palamisilman kokonaisvirtaukseen, :f:.: koska ulkoa otettava osavirtaus antaa säätövaraa.

• · * • · ·

Osavirtausten suhdetta voidaan säätää esim. ulkoilman lämpötilan ja *:··· 35 kattilan kuormituksen perusteella. Kuvassa 2 on esitetty laskettu tai ko keellisesti määritetty, ideaalitilanteessa vallitseva yhdistyneen pala-misilmavirtauksen lämpötila ulkoilman lämpötilan funktiona kattilan eri *: kuormitusarvoilla eräässä kattilarakennuksessa. Tämä yhdistyneen 96359 4 palamisilmavirtauksen lämpötila voidaan ottaa asetusarvoksi, jolloin säätölaitteita 2 ja 3 säädetään jatkuvasti niin, että osavirtausten suhde on sellainen, että se toteuttaa kyseisen arvon. Tällöin voidaan olla varma siitä, että sisältä otettava ilmavirtaus on oikein mitoitettu otta-5 maila huomioon kattilan kulloisestakin kuormituksesta riippuva rakennukseen vapautuva lämpö ja ulkoilman eli sisääntulevan korvaus- ilman lämpötila. Asetusarvoa voidaan mitata palamisilmakanavassa C sekoitusosan 1 jälkeen sijaitsevalla anturilla T(mix), joka kuvan 1 esimerkissä on ennen palamisilmapuhallinta 4 ja lämmityslaitetta 5.

10

Kuvassa 3 on esitetty säätökaavio sekoitusosassa 1 tapahtuvan ilmavirtausten sekoittumisen säätämiseksi, ja siinä on samoja osia merkitty samoilla viitemerkinnöillä kuin kuvassa 1. Lämpötila-anturin viitemer-kinnällä on merkitty itse anturia ja vastaavaa lämpötilalähetintä. Kattilan 15 kuormitus eli teho mitataan virtausmittauksen avulla höyryn tuotosta. Kattilan tehosta ja lämpötila-anturin T(1) mittaamasta lämpötilasta tulevat tiedot laskentaosalle 12, joka määrää näiden tietojen perusteella automaattisesti asetusarvon tmix palamisilmakanavan C ilmavirtaukselle. Tätä asetusarvoa voidaan lisäksi muuttaa kattilahuoneen ylä-ja ala-20 osassa olevien lämpötilamittausten perusteella. Anturi T(mix) mittaa tätä ilmavirtausta, ja antaa lämpötilatiedot vertailuyksikölle 13, joka vertaa tietoja laskentaosan 12 antamaan asetusarvoon. Vertailuyksi-köstä lähtee vertailun perusteella säätöviestit ulkoa tulevan ilman säätölaitteelle 2 ja sisältä tulevan ilman säätölaitteelle 3. Lisäksi on va-25 rattu mahdollisuus säätölaitteiden manuaaliselle säädölle asetusarvoa ;·' muuttamalla esimerkiksi valvomosta 14 käsin laskentaosan 12 ja ver- tailuyksikön 13 välisessä tiedonsiirtoväylässä olevan kytkimen 15 ;:· kautta. Kuvassa 3 on lisäksi lämpötila-anturien T(1) jälkeen sijaitsevia :T: analogia-digitaalimuuntimia merkitty viitenumerolla 16 ja vertailuyksi- 30 kön 13 ja säätölaitteiden 3 välisiä digitaali-analogiamuuntimia viitenumerolla 17. Vertailuyksikkönä 13 on kuvan 3 tapauksessa Pl-säädin.

• · · · llmatasapainon varmistamiseksi on tarpeen tietää sisältä otettavan il-0·: man määrä q2. Tämä olisi periaatteessa mahdollista mitata virtausmit- 35 tarein, mutta tilansäästön ja laitekustannusten kannalta mittaus kannattaa toteuttaa seuraavasti: sekoitusosaan tulevien osavirtojen lämpötilat \ . ja t2 mitataan vastaavilla antureilla T(1) ja T(2). Ilmavirtausten yhdis- tynyt ilmavirtaus eli palamisilmavirta q1+2 mitataan palamisilmakana- 5 96359 vassa C sekoitusosan 1 jälkeen sijaitsevalla virtausmittarilla 6, joka kuvassa 1 on palamisilmapuhaltimen 4 ja -lämmittimen 5 jälkeen sijaitseva venturi. Tätä virtaustietoa käytetään palamisen säätöä varten, ja tieto muunnetaan normaalikuutiometreiksi sekunnissa [nm3/s]. Mitattu-5 jen ilmavirtojen q1+2 ja lämpötilojen t1f t2 ja tmix avulla voidaan laskea palamisilman sekoitusosaan 1 suoraan sisältä kattilarakennuksesta otettava ilmavirta q2. Tätä ilmavirtatietoa käytetään kattilarakennuksen tuloilmalaitteiston (laitteet 7—11) ohjaamiseen siten, että sisältä kattilahuoneesta otettava palamisilmavirta q2 ja tuloilmavirta qc (laitteet 7— 10 11) ovat aina tasapainossa eli halutussa suhteessa. Kuvassa 1 tämä tuloilmalaitteisto käsittää poistopuhaltimen 7, tuloilmapuhaltimet 8, 9 ja 10, ja lämmittimen ja puhaltimen sisältävän keskusilmastointiyksikön 11. Tasapainoa varmistetaan kattilahuoneen ala- ja yläosaan sijoitettujen lämpötilamittausten avulla siten, että alaosassa lämpötila ei saa 15 missään olosuhteissa laskea alle eikä yläosassa nousta yli takuuarvo-jen(tminja vastaavasti tmax).

Tuloilman tarve voidaan laskea seuraavasti: 20 Yhden sekoitusosan 1 energiatase lasketaan seuraavasti: C1 Qi ti + c2 q212 = cmjX q-|+2 tmjx (1) missä c·), c2 ja c3 ovat vastaavien virtausten lämpökapasiteetit. Yhtä- 25 löstä (1) voidaan ratkaista suhde q1/q2 ja q2, koska tiedetään, että q-| + ;:· q2 = q1+2. Virtausmääriä laskettaessa otetaan huomioon ilman tiheys ja : ominaislämpö lämpötilan funktiona.

• · · · • · · •

Soodakattilassa on yleensä useita palamisilmatasoja, eli primääri-, se-30 kundääri- ja tertiääritaso. Kaikilla tuloilmalaitteilla korvattava ilmavirta q1+2 = q1+2 (primääri) + q1+2 (sekundääri) + q1+2 (tertiääri) + prosessi-poisto(t). Näin ollen sisältä otettava palamisilmavirta koostuu seuraa-: vasti: q2 = q2 (primääri) + q2 (sekundääri) + q2 (tertiääri). Kullakin ta- solia voi olla oma järjestelmänsä ja oma sekoitusosa, tai sitten useilla ·:·· 35 tai kaikilla tasoilla voi olla yhteinen järjestelmä ja sekoitusosa.

Kuvassa 4 on esitetty säätökaavio tuloilman qc säädön toteuttamiseksi. Toiminnaltaan vastaavia osia on merkitty samoin viitemerkinnöin kuin 6 96359 kuvassa 3. Ulkoilman lämpötilaa mitataan anturilla T(1) ja sisältä tulevan ilman lämpötilaa anturilla T(2), ja nämä tiedot yhdessä anturin T(mix) antaman lämpötilatiedon kanssa annetaan laskentaosalle 12, jolle tulee myös tieto palamisilmavirtauksen kokonaismäärästä. Las-5 kentaosa laskee tuloilman tarpeen ja kytkee tuloksen perusteella pu-haltimia 7—11 päälle tai pois päältä. Tilanne on seurattavissa valvomosta 14. Viitenumerolla 18 on merkitty laskentaosan 12 ja puhaltimien välillä olevia rajavertailuja, joiden avulla ohjataan puhaltimia laskenta-osan 12 antaman tuloilmatarpeen arvon perusteella.

10

Tuloilmalaitteiston ohjaus palamisilmavirran mukaan varmistaa kattila-huoneen ilmavirtojen tasapainon ja siten haluttujen sisälämpötilojen ja paine-erojen ylläpidon, jolloin ei ole laitoksen ylilämpenemis- tai jää-tymisriskiä. Kattilasta ja sen laitteista kattilahuoneeseen saatava lämpö 15 saadaan hallitusti talteenotettua palamisilman esilämmitykseen huomioiden kuitenkin ympäristön asettamat rajoitukset lämpötiloille. Tuloilmalaitteiston rikkoutuessa voidaan suurentaa ulkoa otettavan palamisilmavirran osuutta rikkoutuneen laitteisto-osan ilmavirtaa vastaavasti ja sen korjaustyön ajaksi, jolloin kuvassa 3 esitetty manuaalinen säätö 20 voidaan ottaa käyttöön.

Kuvassa 5 on esitetty kattilalaitos, johon on sijoitettu keksinnön mukainen laitteisto, ja siinä on käytetty samoista osista samoja merkintöjä . kuin kuvassa 1. Sekoitusosa 1 on sijoitettu kattilarakennuksen yläosaan :.J 25 pystysuoran ilmakanavan C alkupäähän.

« • · : Vastaava järjestelmä sekoitusosineen voi olla myös sekundääri-ilma- • · · · .·· kanavassa ja tarvittaessa myös tertiääri-ilmakanavassa. Tällöin voi- daan kaikille sekoitusosille käyttää samaa asetusarvoa, mutta ase-30 tusarvot voivat olla myös sekoitusosakohtaisia. Lisäksi usealla ilmakanavalla voi olla yhteinen sekoitusosa, minkä jälkeen kanavat haarautu- ::i.: vat erilleen.

• · · • · ·

Keksintö ei ole rajoittunut edellä esitettyyn suoritusmuotoon, vaan sitä 35 voidaan muunnella patenttivaatimusten määrittelemän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Menetelmää voidaan esimerkiksi soveltaa kattilan " kaikissa ilmakanavissa tai vain osassa niistä, esim. soodakattilan sekä 7 96359 primääri- että sekundääripalamisilmakanavassa, että tarvittaessa myös tertiääripalamisilmakanavassa.

• · « · • · · • · · • · · · * « · • · 1 » · · · * · · • · · · • · · • · « « · ·

Claims (12)

96359

1. Menetelmä kattilalaitoksen palamisilman säätämiseksi, jossa katti-larakennuksessa sijaitsevaan kattilaan johdetaan palamisilmaa, jota 5 otetaan sekä rakennuksen sisältä että sen ulkopuolelta sopivassa suhteessa, jolloin ulkoa otettavalla ilmavirralla (q-t) korvataan osa kattilan tarvitsemasta palamisilmasta, tunnettu siitä, että ulkoa otetun ilman ja sisältä otetun ilman suhde (q.|/q2) määrätään ainakin ulkoilman lämpötilan ja suoraan kattilan kuormituksesta saadun mittaustiedon 10 perusteella.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sisältä otettu ilma (q2) ja ulkoa otettu ilma (q-ι) sekoitetaan mainitussa suhteessa (q1/q2) palamisilmakanavan (C) alkupäässä. 15

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoitetun ilman (q1+2) lämpötilalle (tmix) määrätään asetusarvo ulkoilman lämpötilan ja kattilan kuormituksen perusteella, ja sekoitussuhdetta säädetään jatkuvasti tämän asetusarvon toteuttamiseksi. 20

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1—3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sisältä otettavan ilman (q2) määrän perusteella ohjataan kattilarakennuksen tuloilmalaitteistoa (7—11). » • ♦ ·

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että • * ’··; sisältä otettavan ilman (q2) määrän laskemiseksi mitataan kattilan pa- y\ lamisilmavirta (q1+2), joka muodostuu sisältä otetusta ilmasta (q2) ja ul- : koa otetusta ilmasta (q^, ja lisäksi mitataan sisältä otetun ilman läm- ..!· pötila (t2), ulkoa otetun ilman lämpötila (t|) ja näistä ilmavirtauksista • · : 30 muodostuvan yhdistyneen ilmavirtauksen lämpötila (tmix).

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen 1—5 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sitä käytetään eri palamisilmatasoja sisältävässä :·. kattilalaitoksessa usealle eri tasolle. 35

7. Patenttivaatimuksen 6 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että eri tasoille otetaan palamisilmaa erikseen sopivassa suhteessa rakennuksen sisältä ja sen ulkopuolelta. 9 96359

8. Laitteisto kattilalaitoksen palamisilman säätämiseksi, jossa on pa-lamisilmakanava (C) palamisilman johtamiseksi kattilarakennuksessa sijaitsevaan kattilaan, jolloin palamisilmakanavassa (C) on sekoitusosa 5 (1), joka on yhteydessä sekä rakennuksen sisäosaan sisäilman johtamiseksi siihen että rakennuksen ulkopuolelle ulkoilman johtamiseksi siihen, minkä lisäksi sekoitusosassa (1) on säätölaitteet (2, 3) sisältä otettavan ilman virtauksen (q2) ja ulkoa otettavan ilman virtauksen (q^ sekoittamiseksi palamisilmakanavaan meneväksi kokonaisilmavirtauk-10 seksi (q1+2) halutussa suhteessa ja laitteisto käsittää ilmavirtauksen virtaussuunnassa sekoitusosan (1) jälkeen palamisilmakanavassa (C) ilmavirtauksen (q1+2) lämpötilan (tmjx) mittauselimet, jotka ovat yhteydessä vertailuyksikköön (13), joka on järjestetty ohjaamaan sekoitus-osan (1) säätölaitteita (2, 3) mainittujen sisältä ja ulkoa otettavien vir-15 tausten (q2, q-,) suhteen säätämiseksi, tunnettu siitä, että laitteistossa on lisäksi mittarit kattilan tehon ja ulkoilman lämpötilan (^) mittaamiseksi, jotka ovat yhteydessä laskentaosaan (12), joka on järjestetty laskemaan asetusarvon ainakin em. mittareiden antamien tietojen perusteella vertailuyksikköä (13) varten. 20

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että siinä on laskentaosa (12) sisältä otettavan ilmavirtauksen (q2) määrän laskemiseksi eri ilmavirtauksista (q1( q2, q1+2) saatavien tietojen perus-teella. 25

10. Patenttivaatimuksen 9 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että las- : .·. kentaosan (12) laskentaelimet ovat yhteydessä tulo- ja/tai poistoilma- **V laitteiston (7—11) säätöelimiin rakennuksen sisälle johdettavan tuloil- * v, man virtauksen (qc) säätämiseksi tulo- ja/tai poistoilman säädön avulla. ’* ' 30

11. Patenttivaatimuksen 8, 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnettu siitä, että useita palamisilmakanavia (C) sisältävässä kattilalaitoksessa laitteisto käsittää ainakin kahdelle kanavalle yhteisen sekoitus- i *· osan(1). 35

12. Patenttivaatimuksen 8, 9 tai 10 mukainen laitteisto, tunnet-... tu siitä, että useita palamisilmakanavia (C) sisältävässä kattilalaitok- ·;·. sessa laitteisto käsittää eri kanaville omat sekoitusosat (1). • · · • · «· · • ·« 10 96359