2011-003 Värmeåtervinning från svalnande gjutgods Emma Svensson
Box 2033, 550 02 Jönköping Telefon 036-30 12 00 Telefax 036-16 68 66 swecast@swerea.se http://www.swereaswecast.se 2011, Swerea SWECAST AB
Projekt nr Projekt namn 1829 Värmeåtervinning från svalnande gjutgods Status Öppen Författare Datum Emma Svensson 2011-06-23 Sammanfattning Syftet med projektet är att öka gjuteriernas energiåtervinning och skapa förutsättningar för en kontinuerlig avsättning för den återvunna energin. Ett steg i detta är att öka gjuteriernas medvetenhet kring var restenergi finns tillgänglig samt vilka energimängder och temperaturer som är tillgängliga. Detta gjordes genom att en gemensam mall/modell för kartläggning av energiavgången inom ett sandgjuteri togs fram. Kartläggning av energiflödet efter avgjutning gjordes på samtliga gjuterier som deltog i projektet. Resultatet visade att den största mängden energi finns tillgänglig i sanden. I andra hand återfinns energin i godset och ventilationsluften. Utifrån resultaten av energikartläggningarna utvärderades olika tekniker samt olika utrustningar för att möjliggöra återvinning av restenergin. Under projektets gång konstaterades att de utrustningar för småskalig, intern elproduktion som i dagsläget finns kommersiellt tillgängliga inte är anpassade för de temperaturer och energiflöden som finns tillgängliga inom ett järngjuteri. Projektet fokuserades istället på kontinuerlig återvinning i form av värme. Förutsättningar för respektive processteg samt aktuella utrustningar utvärderades. Kombinerad kylning av sand och gods i samband med uppslagning bedömdes vara det effektivaste sättet att återvinna så mycket energi som möjligt. Nyckelord: Energieffektivisering, energiåtervinning, energilagring, värmelagring
Summary The project aimed to increase the foundries' energy recovery and establish conditions for a continuous outlet for the recovered energy. One step to achieve this is to increase the foundries' awareness of where residual energy is available in their processes. Additionally, the foundries need to increase their knowledge of how much energy and what temperatures are available. A common template for the mapping of the energy flow in a sand casting foundry was developed. The template was used to map of the energy flow after casting for all foundries involved in the project. The results showed that the largest amount of residual energy is available in the sand. Second most energy is found in the castings and ventilation air. From the results of the energy mappings, different techniques and equipment for recovery of residual energy were evaluated. During the project it was found that the equipment for small-scale, internal generation of electricity, that are commercially available at the present time, are not adapted to the temperatures and energy flows that are available in an iron foundry. Instead, continuous outlet in the form of heat was focused on. Prerequisites for each process and eligible equipment were evaluated. Combined cooling of sand and casted goods deemed to be the most effective way to recycle as much residual energy as possible. Keywords: Energy efficiency, energy recovery, energy storage, heat storage
Innehållsförteckning 1 TILLKOMST... 1 2 INLEDNING... 1 3 SYFTE OCH MÅL... 2 3.1 ÖVERGRIPANDE MÅL... 2 3.2 TEKNISKA MÅL... 2 4 ENERGIKARTLÄGGNING... 3 4.1 METOD OCH MALL FÖR ENERGIKARTLÄGGNING... 3 4.2 BEGRÄNSNINGAR VID ANVÄNDNING AV ENERGIKARTLÄGGNINGSMALLEN... 7 4.3 RESULTATET AV ENERGIKARTLÄGGNINGARNA... 8 4.4 SIMULERING... 15 5 ENERGIÅTERVINNING... 15 5.1 STRATEGI OCH METODER FÖR ENERGIÅTERVINNING... 16 5.1.1 Sektionering... 16 5.1.2 Hög temperatur... 16 5.1.3 Matchning mellan behov och tillgänglig restenergi... 17 5.2 UTMANINGAR... 18 5.2.1 Att tänka i system... 19 5.2.2 Anpassa utrustning... 19 5.2.3 Ekonomi... 20 5.2.4 Kondensat... 20 5.3 TEKNIK FÖR ENERGIÅTERVINNING I OLIKA PROCESSER... 21 5.3.1 Formsvalning... 21 5.3.2 Uppslagning... 22 5.3.3 Godskylning... 22 5.3.4 Sandkylning... 22 5.3.5 Kombinerad sand- och godskylning i samband med uppslagning... 25 5.3.6 Värmebehandling... 26 5.3.7 Ugnskylning... 26 5.3.8 Värmeväxlare... 26 6 AVSÄTTNING FÖR ÅTERVUNNEN ENERGI... 28 6.1 INTERN ELPRODUKTION... 28
6.1.1 Elcertifikat... 28 6.1.2 Teknik för intern elproduktion... 28 6.2 ENERGILAGRING... 30 6.2.1 Borrhålslager... 30 6.2.2 Saltlager... 31 6.2.3 Fjärrvärme... 32 6.3 KYLA FÖR PROCESS OCH KOMFORT... 32 6.3.1 Absorptionskyla... 33 6.3.2 Adsorptionskyla... 33 6.3.3 Förutsättningar... 33 7 PRODUKTIONSTEKNISKA ASPEKTER... 34 7.1 POSITIVA EFFEKTER... 34 7.2 BEGRÄNSNINGAR... 34 7.3 ARBETSMILJÖ... 34 7.4 PRODUKTIONSTEKNISKA KONSEKVENSER AV KOMBINERAD SAND- OCH GODSKYLNING... 35 8 MILJÖKONSEKVENSER... 35 8.1 ÅTERVINNING AV ENERGIN... 35 8.1.1 Uppvärmning... 35 8.1.2 Transporter... 36 8.1.3 Miljömål... 36 9 RESULTAT OCH DISKUSSION... 36 10 SLUTSATS... 39 11 FORTSATT ARBETE... 40 12 REFERENSER... 40 Bilageförteckning Antal sidor Bilaga 1 V50:002 Principskiss, värmeåtervinning från sandkylare 1 Bilaga 2 V50:003 Principskiss, värmeåtervinning med värmepump 1 Bilaga 3 V50:001 Principskiss, värmeåtervinning från vätskekylda kokiller 1 Bilaga 4 V50:101 Principskisser över olika kopplingsförslag 1 Bilaga 5 V50:103 Principskiss, design av kylsystem 1 Bilaga 6 V50:102 Principskiss, värmeåtervinning till fjärrvärme 1
1 Tillkomst Denna rapport har tagits fram inom Swerea SWECAST:s forskningsprogram för energieffektiv gjutning 2009-2013 (forskningsprogrammet har förlängts från 2012 till 2013). Rapporten utgör slutrapport för projektet Värmeåtervinning från svalnande gjutgods och är sammanställd av Patrik Johansson och Emma Svensson vid Swerea SWECAST AB. Projektet har delfinansierats av Energimyndigheten med 1 600 000 kr vilket utgör 40 % av den totala budgeten. Resterande finansiering, 60 % motsvarande 2 400 000 kr, har de medverkande företagen stått för. Swerea SWECAST AB har ansvarat för att driva projektet där följande företag och personer har medverkat: Arvika Gjuteri Hans Finsberg ITT W&WW Leif Rydell DynaMate/Scania Anders Larsson, Per-Erik Johansson SKF Mekan AB Marja Andersson, Jonny Frisk Volvo Powertrain Sweden Tomas Haakon Fortum Lars Sjökvist, Ingvar Lind Swerea SWECAST AB Patrik Johansson, Per Sommarin, Emma Svensson Arbetet har skett i nära samarbete med de inblandade företagen. Personer på respektive företag har bidragit med expertkunskap samt bidragit med material till denna rapport. Ett tack riktas till de deltagande företagen för deras bidrag i projektet och till denna rapport. 2 Inledning Den energi som återfinns i järn- och stålgjuteriernas smälta metall uppgår till totalt 102 GWh/år i Sverige. Detta utgör 40-60 % av den energi som har tillförts i smältugnen. Denna energimängd kommer att avges i olika led i processen under tiden det smälta järnet/stålet stelnar och svalnar ner till rumstemperatur. En stor del av energin försvinner som förluster i samband med kylning av ugnar och vid hantering av smältan i smältverken. Resterande del avges under svalning efter det att smältan hällts i formen och efter uppslagning, när gods och formsand kyls till rumstemperatur. Det finns på gjuterierna i regel god kännedom om den totalt insatta energin i smältverket, däremot saknas analyser av vart spillvärmen i de olika processerna leds bort, exempelvis via kylvatten, uppvärmning av formar och formsand, ventilationsluft, uppvärmning av lokaler etc. Eftersom mängden spillvärme i gjuterier nästan undantagslöst är större än det interna energibehovet för uppvärmning av lokaler och varmvatten, finns det anledning att ta fram och implementera ny teknik för att möjliggöra återvinning av smältenergin. Eftersom värmeinnehållet är betydande kommer även en relativt begränsad återvinningsgrad att generera kraftiga besparingar vad gäller energianvändningen. 1
Hittills har den energi som återfinns i det svalnande godset och den svalnande formsanden varit mycket svår att återvinna. Anledningen är bl.a. förekomsten av stoft och organiska föroreningar som kondenserar i och kring ventilationssystemen, men det finns även utmaningar kring att hitta kontinuerlig avsättning för den återvunna energin. Projektet har syftat till att ta fram och implementera ny teknik för att möjliggöra återvinning av en betydande del av smältenergin. För att underlätta avsättningen för återvunnen energi i gjuterier har teknik och förutsättningar för kontinuerlig avsättning utvärderats. Bland annat har möjligheterna för intern elproduktion undersökts. Projektet har även till viss del undersökt energimängden som kyls bort i ugnarna samt vid svalning av värmebehandlat gods, dessa områden behandlas dock endast översiktligt. 3 Syfte och mål 3.1 Övergripande mål Syftet med projektet är att öka gjuteriernas energiåtervinning och skapa förutsättningar för en kontinuerlig avsättning för den återvunna energin. Genom att återvinna energin från den smälta metallens svalningsförlopp och kontinuerligt nyttiggöra den återvunna energin är målet att återvinna 26 GWh per år från de svenska gjuterierna. Målsättningen är att det vid projektets slut ska finnas minst en testanläggning av en konceptlösning för småskalig elproduktion som är så beprövad att gjuterierna är beredda att investera i den tekniken. 3.2 Tekniska mål Ett delmål med projektet var att utveckla en modell som kartlägger och beskriver det totala energiflödet från det att energin matas in i smältugnen till dess att godset svalnat till rumstemperatur samt att beskriva lämplig teknik för energiåtervinning från de olika delprocesserna. En andra målsättning var att utveckla teknik och skapa förutsättningar för gjuterier att återvinna den energi som finns lagrad i den smälta metallen från avgjutning till dess att den nått rumstemperatur. Ett av projektets delmål omformulerades under arbetets gång. Initialt var ett mål att ta fram ett koncept och skapa förutsättningar för en kontinuerlig avsättning av återvunnen energi genom intern elproduktion. Resultaten från litteraturstudier och benchmarking kring utrustningar för internproducerad el visade dock att de utrustningar som i dagsläget finns kommersiellt tillgängliga kräver alltför stora energimängder och kylvattenflöden jämfört med de som finns tillgängliga hos de svenska gjuterierna. I dagsläget är det därför knappast tekniskt möjligt och inte ekonomiskt rimligt att satsa på denna typ av anläggningar vid något svenskt gjuteri. Målsättningen med denna del av projektet omformulerades därför från fokus på intern elproduktion till att ta fram koncept och skapa förutsättningar för en kontinuerlig avsättning av återvunnen energi på andra sätt än genom internproducerad el. Resultatet från de genomförda analyserna av energiflödena visade dessutom att huvuddelen av energin från den smälta metallen avgår i samband med kylning av 2
sand och gods och inte, såsom bedömdes i ansökan, i samband med formsvalning. Därför sattes som målsättning att kartlägga och utveckla teknik för att återvinna energi i samband med kylning av sand och gods och att speciellt studera teknik för och utveckla koncept kring energiåtervinning i utrustningar där uppslagning och kylning av sand och gods integreras. 4 Energikartläggning En del av den energi som återfinns i ett gjuteris smälta metall under tiden den smälta metallen stelnar och svalnar ner till rumstemperatur. En stor del av energin försvinner också som förluster i samband med kylning av ugnar och vid hantering av smältan i smältverken. Resterande del avges under svalning efter det att smältan hällts i formen och efter uppslagning, när gods och formsand kyls till önskade temperaturer. Energikartläggningen inom det här projektet syftade till att utreda hur mycket energi som avges från gods och sand i respektive processteg. Kartläggningen har fokuserat på stegen från avgjutning fram till färdigt gods/avsvalnad sand och har gett ökad kunskap om var det finns störst potential för energiåtervinning. Arbetet med att hitta lämpliga strategier och koncept för värmeåtervinning planerades utifrån resultaten från energikartläggningarna. 4.1 Metod och mall för energikartläggning Energikartläggningen ger gjuterierna en möjlighet att skapa en bild över i vilka processteg efter avgjutning som energin avgår. Energiavgången vid olika processteg ser lite olika ut i olika gjuterier, beroende på hur produktionen på de enskilda gjuterierna ser ut. Informationen som samlades in i energikartläggningarna har sammanställts i Figur 1. Figuren visar en ungefärlig procentuell fördelning av energiflödena för de gjuterier som har deltagit i projektet, baserat på total mängd tillförd elenergi till smältugnen. Figur 1 Energibalans (baserat på tillförd elenergi till smältugnen) 3
Metoden för att genomföra energikartläggningen var att mäta temperaturer och flöden i de olika produktionsstegen efter avgjutning. Temperaturer och flöden mättes på sand, gods och till viss del även på ventilationsluft. För att underlätta samt att göra insamlingen av data översiktlig och relativt enkel för gjuterierna, skapades en energikartläggningsmall för indata. Mallen består av två delar. Den ena delen omfattar insamling av data om processen, d.v.s. temperaturer och flöden, se Tabell 1. Den andra delen samlar in data om ventilationsflödena, se Tabell 2. Den andra delen i kartläggningen som avser ventilationen får ses som ett komplement till den första delen och används för att gå djupare in i kartläggningsprocessen. Vissa parametrar lades in i mallen för att underlätta energiberäkningarna. Värmekapacitet för gjutjärn respektive sand, smältvärme för gjutjärn samt det effektiva värmevärdet för plast. Det sistnämna användes för att uppskatta hur mycket energi som har tillförts sanden och ev. godset vid förbränning av sandens bindemedel. Vid avgjutning sker en förbränning av sandens bindemedel och detta ger ett litet men icke försumbart tillskott av energi. Med användning av det effektiva värmevärdet för plast gjordes en enkel uppskattning av detta tillskott. I den andra delen av kartläggningen ska rätt DUT (dimensionerande utetemperatur) och gradtimmar läggas in då dessa är olika beroende på var i landet anläggningen är placerad. 4
Tabell 1 Kartläggningsmall Gjutprocess. Markerade fält är de indata som gjuterierna behöver fylla i Kartläggningsmall - Gjutprocess Indata: Ton gods som smälts per år ton/år Ton gods som avgjuts per år ton/år Tillförd el till smältugnar MWh/år Ton gjutsand som cirkulerar i gjutprocessen ton/år Andel av cirkulerande gjutsand som går till sandkylare % Ton överskottssand per år ton/år Temperatur gods ut ur smältugn C Medeltemperatur skrot till smältugn C Medeltemperatur oanvänd gjutsand i lagringssilos C Smälttemperatur gods (avgjutningstemperatur) C Värmekapacitet gjutjärn Smältvärme gjutjärn Värmekapacitet sand Drifttid utsug formsvalning Luftflöde utsug formsvalning Ton kärnor per år Ton organiska kärnbindemedel per år (ange typ bindemedel) Effektivt värmevärde plast 0,14 kwh/ C, ton 77 kwh/ton 0,22 kwh/ C, ton Tim/år m3/h ton/år ton/år 8 MWh/ton Temperatur gods in/ut, avgjutnin och formsvalning Temperatur gods in/ut, uppslagning Temperatur gods in/ut, godssvalning Temperatur gods in/ut, rensning Temperatur gjutsand in/ut, avgjutning och formsvalning Temperatur gjutsand in/ut, uppslagning Temperatur gjutsand in/ut, sandkylare Temperatur gjutsand in/ut, transportör till sandsilo och sandsilo Temperatur överskottssand in/ut Lufttemp utsug formsvalning Temp in ( C) Temp ut ( C) Utdata: Upptagen energi till gods vid smältning 0 MWh/år Förluster smältugnar 0 MWh/år Verkningsgrad elugnar för smältning 0 Bortförd energi gods, formsvalning Bortförd energi gods, uppslagning Bortförd energi gods, godssvalning Bortförd energi gods, rensning Tillförd energi vid förbränning av kärnbindemedel Tillförd energi gjutsand vid formsvalning Bortförd energi gjutsand uppslagning Bortförd energi, överskottssand Bortförd energi gjutsand sandkylning Bortförd energi gjutsand transportör, sandsilo, blandare Bortförd energi luftutsug formsvalning 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 0 MWh/år 5
Tabell 2 Kartläggningsmall - Ventilationsflöden, markerade fält är den indata som gjuterierna behöver fylla i Kartläggningsmall Ventilationsflöden Indata: Dimensionerande utelufttemperatur -25,0 C Gradtimmar per år vid uppvärmning till 17 C 90000 Ch Gradtimmar per år vid uppvärmning till 20 C 105000 Ch Värmekapacitivitet luft 1,0 kj/kg, C Tilluftflöde Aggregat Tilluftflöde Lufttemp Efter Före Rumsregl. Återluft Värmeåtervin. Åter luft Drifttid Luftflöde Värmeeffekt Värmeenergi (m 3 /h) (m 3 /s) ( C) ( C) % % (t/vecka) (kw) (MWh/år) Stora tilluftsaggregat TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 TA.. 0 0 0,0-25 0 0 0 Summa 0 0 VÅV frånluft i filter PA 0 0 0 0 0 0 0 PA 0 0 0 0 0 0 0 PA 0 0 0 0 0 0 0 PA 0 0 0 0 0 0 0 PA 0 0 0 0 0 0 0 PA 0 0 0 0 0 0 0 Summa 0 0 0 0 Svalning.. 0 0 0 0 0 0 0.. 0 0 0 0 0 0 0 Summa 0 0 0 6
4.2 Begränsningar vid användning av energikartläggningsmallen Energikartläggningsmallen som har tagits fram inom projektet är en hjälp för gjuterierna att på ett enkelt men översiktligt sätt identifiera var de största energimängderna finns tillgängliga. En mer detaljerad och djupgående analys, där hänsyn tas till det enskilda gjuteriets process, måste göras för att få mer omfattande kunskap om vilka åtgärder som bör prioriteras. Den största svårigheten med metoden för energikartläggning är att mäta (eller kanske snarare uppskatta) gjutsandens och gjutgodsets medeltemperaturer på ett relevant sätt. Ofta är det svårt att komma åt att mäta rent fysiskt. I många fall finns det endast mycket begränsade möjligheter att överhuvudtaget göra mätningar. Flera processteg sker i utrymmen som är för farliga att vistas i medan andra sker i slutna rum dit inget tillträde är möjligt under pågående produktion. Dessutom varierar både sand- och godstemperaturerna kraftigt även inom ett och samma gjuteri. Sandtemperaturen varierar beroende på vilka detaljer som för tillfället gjuts. Olika detaljer ger olika sand/godsförhållande vilket påverkar sandens temperatur. Dessutom finns det en temperaturgradient i sanden efter formsvalningen, sanden närmast godset håller högst temperatur och sedan avtar temperaturen längre bort från godset. Även godsets temperatur varierar beroende på form och godstjocklek, samt huruvida det finns kvarvarande sand eller kärnor i håligheterna. De flesta gjuterierna har använt infraröd termometer för att mäta temperaturer på gods och sand. Eftersom temperaturerna varierar har de utifrån sina mätningar sedan uppskattat en medeltemperatur som har fått ligga till grund för beräkningarna. För att kartlägga luftflöden och temperaturer i ventilationsluften har exempelvis Scania använt en handhållen utrustning som mäter temperatur och lufthastighet (Svema Air 300). Utifrån dessa data har energimängden som avgår med ventilationsluften kunnat beräknas. Gjutprocessen ser olika ut på de olika gjuterierna. Volvo har på den linje där kartläggningen gjordes till exempel skilda kylsystem för formsand respektive kärnsand. D.v.s. vid uppslagningen avskiljs kärnsanden (som håller en betydligt högre medeltemperatur än formsanden) och kyls ner i en separat kärnsandkylare. En annan parameter som gör att energiflödet på flera gjuterier i praktiken ser lite annorlunda ut är att ingjutssystemet ibland avskiljs från godset i nära anslutning till uppslagningen. D.v.s. ingjutssystemet (som håller att antal hundra grader i temperatur) följer inte med resten av godset till godskylningen utan den energin försvinner i de fallen ut med allmänventilationen. Beräkningsmodellen har inte tagit hänsyn till detta, energin i ingötet finns ju fortfarande tillgänglig för energiåtervinning. Vid ITT Water&Wastewater:s gjutprocess sker sandkylningen i flera steg. Sand och gods kyls till att börja med i en kombinerad sand- och godskylare (roterande 7
trumma). Då sanden och godset går skilda vägar mellanlagras sanden innan den går in i sandkylaren. Detta gör att den tillgängliga energin i sanden i praktiken avgår vid ett antal olika processteg. I beräkningsmodellen har dessa steg räknats ihop. Scania transporterar sanden en lång sträcka utomhus (men under tak) innan sanden når sandkylaren. Under denna transport hinner en ansenlig mängd av den i sanden tillgängliga energin avgå ut i det fria. I energikartläggningsmallen räknas sandkylning hela vägen från uppslagning till dess att sanden lämnar sandkylaren för att transporteras till sandsilo. I Scanias fall kommer den energi som avgår vid utomhustransporten i praktiken inte att nyttiggöras i själva sandkylaren. Likafullt finns ju energin egentligen tillgänglig för återvinning. Sandens flöde (med inneboende energi) genom gjuteriet kan se lite olika ut, beroende på var i processen överskottssanden avskiljs och vilken temperatur den håller. Under en del av sandens väg genom gjuteriet är mängden sand större eftersom ett tillskott av kärnsand görs då formen läggs ihop. Denna överskottssand avskiljs sedan antingen före eller efter sandkylaren, innan resten av formsanden går in i processen igen. Denna extra sandmängd under en del av sandflödet tar mallen inte hänsyn till. En kontroll visade att det endast påverkar den slutliga fördelningen av avgången energi med +/- 1 procent. 4.3 Resultatet av energikartläggningarna Det här projektet visar att en kartläggning av energiflödena i gjuteriet är en viktig faktor för att skapa en bild av var det finns störst möjligheter att tillvarata energi av så hög kvalitet som möjligt. En sådan här kartläggning är därför en förutsättning för att få så effektivt utfall som möjligt av återvinningen. Initialt antogs den största andelen av energin gå ut med ventilationsluften i samband med formsvalningen i och med den höga temperatur som smältan då har. Dock isolerar sandformen effektivt från energiavgång och kartläggningen visade att i snitt ca 20 % av energin som finns tillgänglig i den smälta metallen efter avgjutning avgår under formsvalningen. Stora energimängder frigörs vid och efter uppslagningen. Men det finns naturligtvis skillnader mellan gjuterierna avseende exakt var energiavgången sker. Den största delen av energin avgår vid sandkylningen. Detta gäller samtliga gjuterier utom Scania. Förklaringen till detta är att Scania har en lång transport (som även kan sägas innebära kylning) av sanden innan den går in i sandkylen. Slutsatsen är därmed att energin finns tillgänglig för återvinning även i deras fall, men i dagsläget avgår den här delen av energin ut i det fria helt utan återvinning. Den faktor som har störst påverkan på skillnaderna i var energiavgången sker är tiden för formsvalningen, d.v.s. tiden mellan avgjutning och uppslagning. Vissa gjuterier låter godset svalna i formen under flera timmar medan andra slår upp godset efter betydligt kortare tid. Detta kan t.ex. motiveras av metallurgiska skäl. Vid lång tid för formsvalning hinner mer energi överföras från godset till sanden. Därmed blir energiavgången i dessa fall större ifrån sanden. Vid kortare tid för formsvalning hinner sanden inte bli lika varm utan den största energimängden återfinns i godset. 8
Energikartläggningarna visade att överskottsvärmen från gjutgodset och gjutsanden i huvudsak kyls bort med luft i de flesta gjuterier. Utgående lufttemperatur är i regel i temperaturområdet 20-50 C. Sand- och godstemperaturer vid uppslagning är oftast över 100 C. Med utgångspunkt från de temperaturer som är tillgängliga i gjuterierna bedömdes värmning av vatten från 50 C till 80 C vara den mest intressanta samt genomförbara energiåtervinningsåtgärden. Tabell 3 visar de procentuella variationerna gjuterierna emellan avseende bortförd energi vid avsvalningsförloppet vilket visar att det endast går att göra väldigt översiktliga och generella antaganden. Tabell 3 Procentuell fördelning av bortförd energi, i medel för samtliga gjuterier samt min och max bland gjuterierna (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) Processteg Medel %-enheter Min %-enheter Luftutsug formsvalning 17,6 7,3 34,9 Uppslagning (gods + sand) 13,4 4,4 26 Godssvalning (gods) 22,8 13,2 29,9 Rensning (gods) 1,1 0,8 1,3 Överskottssand (sand) 3,1 0,8 9 Sandkylning (sand) 39,1 19,7 56,5 Transportör, silo, blandare (sand) 2,6 0 6,1 Max %-enheter Figur 2 visar en sammanställning av bortförd energi i genomsnitt från respektive processteg för samtliga gjuterier som deltog i projektet. Det kan konstateras att sanden innehåller den största energimängden, följt av godset och luftutsuget från formsvalningen. 9
Figur 2 Bortförd energi i respektive processteg Genomsnitt för samtliga deltagande gjuterier (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) Figurerna nedan visar bortförd energi för respektive processteg hos varje enskilt gjuteri. Där åskådliggörs de skillnader som förklarats i avsnitt 4.2. 10
Figur 3 Bortförd energi i respektive processteg Arvika Gjuteri (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) Figur 4 Bortförd energi i respektive processteg ITT W&WW (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) 11
Figur 5, Bortförd energi i respektive processteg SKF Mekan (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) Diagrammet visar medelvärdet för SKF Mekans två linjer, FA resp. DISA. Figur 6, Bortförd energi i respektive processteg Volvo Powertrain (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) 12
Figur 7, Bortförd energi i respektive processteg Scania (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning) Figur 8 ger en översikt över energiavgången hos samtliga gjuterier. Figur 8, Energiavgång (baserat på tillgänglig energi i den smälta metallen efter avgjutning), sammanställning för gjuterierna 13
Figur 9 visar godsets temperatur under avsvalningen. Som framgår av figuren skiljer sig temperaturen på godset vid uppslagningen åt ganska mycket, vilket förklaras av olika tider för formsvalning. Figur 9, Godsets temperatur vid olika processteg Figur 10 beskriver hur sandens temperatur varierar från avgjutning till sandberedning. Skillnaderna i temperatur mellan gjuterierna kan förklaras med det som tidigare nämnts: skillnader i sand/järn-förhållandet och tiden för formsvalning. Figur 10, Sandens temperatur vid olika processteg 14
Figur 11 visar ett annat sätt att åskådliggöra energiavgången, figuren beskriver avsvalningsförloppet på en av SKF Mekans produktionslinjer. Figur 11 Översiktlig bild över hur temperaturen sjunker i respektive processteg på SKF Mekan 4.4 Simulering Man kan med hjälp av gjutsimuleringsprogram följa fyllnadsförloppet under gjutning samt analysera hur gjutgodset svalnar och stelnar. Detta kan vara en värdefull hjälp vid energikartläggningen av flödena. Det man kan undersöka under stelning och svalning är t.ex. tiden det tar för godset att stelna och svalna samt hur temperaturbilden ser ut i gods och form. Det finns möjlighet att se hur stor del av värmen som övergår till sandformen innan uppslagning sker. Därav kan man få fram information om hur mycket energi som finns i godset respektive sanden. Svalningstiden avgör en del av materialegenskaperna. Vid för snabb avsvalning kan risken för restspänningar öka. Även dessa faktorer kan simuleras och testas med ett simuleringsprogram. För att kunna genomföra en simulering krävs en mängd ingångsdata i form av processparametrar (t. ex. gjuttemperatur, fylltid, tiden till uppslagning, omgivande temperaturer) och temperaturberoende materialegenskaper (t. ex. värmeledningsförmåga, E-modul, värmekapacitet) samt värmeövergångstal mellan gjutgods och form. 5 Energiåtervinning Utifrån de resultat som erhölls vid energikartläggningen utarbetades strategier och koncept för processanpassad energiåtervinning. Utgående lufttemperatur är i regel i temperaturområdet 20-50 C. Luft i detta temperaturområde kan användas till följande: att värma tilluft via vätskeburen värmeåtervinning eller via t.ex. roterande värmeväxlare att via värmepumpar producera vattenburen värme i temperaturområdet 50-70 C 15
att värma lokaler via vätskeburna värmesystem med låg temperatur, 30-50 C, t.ex. golvvärme. Sand- och godstemperaturer vid uppslagning är oftast över 100 C. Huvudspåret i detta arbete har varit att via värmeväxling överföra restenergi från sand och gods till vattenburen värme. Med ett vattenburet system kan värme distribueras till interna värmesystem eller till fjärrvärmesystem. Returtemperaturen på värmesystem varierar i regel inom intervallet 40-50 C. Framledningstemperaturen i värmesystem varierar mellan 60 C och 80 C. Projektet fokuserade i första hand på att analysera möjligheter att värma vatten från 50 C till 80 C. 5.1 Strategi och metoder för energiåtervinning Vid allt arbete med återvinning av restenergi är följande två parametrar av största vikt: Ju högre temperaturnivåer på restenergin som man kan uppnå, desto större värde. Därför är det viktigt att utnyttja de delflöden som håller en hög temperatur direkt, innan de blandas med delflöden av lägre temperatur. Se avsnitt 5.1.1. Det gäller att uppnå matchning mellan tillgänglig restenergi och energibehovet. Både effekt och energimängd måste matchas för optimal återvinning. 5.1.1 Sektionering Energin som kan tillvaratas håller olika temperatur i olika flöden. Genom att utnyttja de delflöden som har högst temperatur innan de blandas med andra delflöden, förbättras möjligheten till restenergiutnyttjande. I kylsystem blandas ofta delflöden med olika temperaturnivåer. Detta resulterar i att temperaturen på det blandade vattnet blir lägre än det ursprungligen var för vissa delflöden. Redan vid kartläggningens början kan man dela upp det område man har tänkt kartlägga i delar och på så vis hitta sektioner med liknande temperaturområden. 5.1.2 Hög temperatur Högre temperatur på restenergin gör att antalet potentiella användningsområden blir fler. Ju tidigare i gjutprocessen som man kan tillvarata energin, desto högre temperaturer kan uppnås. Figur 12 ger en översiktlig bild av vad restenergi med olika temperaturnivåer kan användas till. Vid temperaturer över ca 80 C finns i alla fall teoretiska möjligheter att använda restenergin till elproduktion, absorptionskyla samt att nyttja energin som fjärrvärme. Vid ca 65-80 C går värmen att nyttja till varmvatten, adsorptionskyla eller för vattenburen lokaluppvärmning. I spannet 55 till 65 C kan restenergin användas till adsorptionskyla och vattenburen uppvärmning. Vid 55 C eller lägre kan den användas för lokaluppvärmning genom värmeväxling från luft till luft. Det finns gjuterier som nyttjar sin lågvärdiga restenergi till uppvärmning av lokaler, torkning av material/skrot som ska gå till smältugnen (genom golvvärme) samt för att hålla ramper och gångvägar isfria under vintertid. 16
Figur 12, Exempel på möjligheter att nyttja restenergi med olika temperaturer 5.1.3 Matchning mellan behov och tillgänglig restenergi För att kunna utnyttja så stor del som möjligt av tillgänglig restenergi måste både effekt och total energimängd matchas mellan restenergi och värmebehov. Det räcker alltså inte att den totalt tillgängliga energimängden i restenergin täcker värmebehovet, effekten (d.v.s. tillgänglig energi per tidsenhet) behöver också överensstämma. Ju större volym det värmesystem som restenergin kan levereras till har, desto större utnyttjandegrad kan uppnås. Se Figur 13. I ett litet värmesystem är risken större att den tillgängliga restenergin (i Figur 13 benämn spillvärme) inte kan utnyttjas till fullo eftersom restenergins effekt inte överensstämmer med värmebehovet just då. I ett stort värmesystem finns det potential att nyttja all restenergi och att anpassa användningen av prima värme därefter. 17
Figur 13, Jämförelse mellan litet och stort värmesystem vid nyttjande av restenergi Säsongsvariationer gör att man måste utvärdera energiflödena och energibehoven över året för att kunna göra en relevant energikalkyl. Under perioder med minskat energibehov kan det finnas behov av att kyla bort värmen eftersom det då inte finns någon avsättning för den. Det kan krävas investeringar i utrustning för att kunna kyla bort värmen under dessa perioder. Vägledning till hur ett gjuteri på ett enkelt sätt kan uppskatta sin potential till återvinning av restenergi finns beskriven i exjobbsrapporten Värmelagring för energiintensiva SMF med fokus på svensk gjuteriindustrin [2]. 5.2 Utmaningar En stor utmaning är att få gjuterierna att börja tänka mer på sin energianvändning, d.v.s. öka medvetenheten så att energiaspekten blir en naturlig del att beakta vid t.ex. om- och nybyggnationer. Detta är en utmaning eftersom gjuterierna naturligtvis måste fokusera på sin kärnverksamhet: att producera gjutgods med hög kvalitet till konkurrenskraftiga priser. Men det är önskvärt att få gjuterierna att alltid ha med energieffektivisering som en viktig aspekt. Det gäller att få dem att se möjligheterna, att ett kontinuerligt arbete med energieffektivisering kan ge både ekonomiska och arbetsmiljömässiga fördelar. Utbildning och information till gjuteriernas personal är en del i att uppnå detta samt att visualisera och informera om energianvändningen och uppnådda besparingar, för att därigenom motivera och engagera medarbetarna i arbetet med att minska användningen. Att använda sig av nyckeltal är ett bra sätt att följa upp sin energianvändning. Samtidigt kan relevanta nyckeltal öka förståelsen och motivationen hos 18
medarbetarna. Ett exempel på ett användbart nyckeltal är exempelvis MWh/ton gott gods. [6]. För att energin ska kunna tillvaratas är det dessutom en förutsättning att det rent praktiskt går att komma åt den. Detta kan innebära stora kostnader som gör att en investering inte bär sig ekonomiskt, eller i vart fall har svårt att konkurrera med andra investeringar i verksamheten. I gjuteriprocessen är det en utmaning att hantera variationen i den tillgängliga restenergin. Mängden tillgänglig restenergi varierar över tiden eftersom metallen exempelvis smälts batchvis. Lagring av värme är därför en väsentlig faktor, se avsnitt 6.2. 5.2.1 Att tänka i system Av naturliga skäl ligger gjuteriernas fokus på metallflödet i processen. Då metallen passerar olika processteg i gjuteriet, såsom smältning, avgjutning, uppslagning o.s.v. kan dessa steg ses som olika system. Systemen kan delas in i delsystem med olika funktioner. De delsystem som är nödvändiga för att exempelvis processteget smältning ska fungera är utrustning i form av ugn med styrenhet, system för kylning av ugnen samt processventilation speciellt anpassad för miljön vid ugnen. Således kan man säga att processteget består av tre olika delsystem som interagerar med varandra och gör så att smältningen kan ske på ett effektivt, säkert och miljömässigt acceptabelt sätt. Vid arbete med energieffektivisering gäller det att skaffa sig en överblick över samtliga delsystems funktioner och hur de interagerar med andra system. Det kan också nämnas att det är viktigt att vid ombyggnationer eller produktionsförändringar se över sin anläggning med fokus på stödsystemen så att dimensioneringsförutsättningarna inte har förändrats på så sätt att systemen inte fungerar som avsett. 5.2.2 Anpassa utrustning De utrustningar som leverantörerna tillhandahåller har ofta inte med energiåtervinning som en naturlig del i konstruktionen (även om detta numera förekommer i större utsträckning än tidigare). Här är det upp till gjuterierna att ställa krav i samband med upphandling av ny utrustning. Vid inköp av till exempel en ny sandkylare måste det ställas krav på inom vilket temperaturspann utrustningen ska arbeta. En befintlig sandkylare är med största sannolikhet dimensionerad för systemtemperaturer som motsvarar ett kylvattensystem med ingående och utgående temperaturer på runt 25 respektive 35 C. Vid nyinvestering finns det möjlighet att ställa krav på högre utgående temperatur på kylvattnet t.ex. 85 C. Detta ger tillverkaren möjlighet att kunna dimensionera sandkylaren för dessa förutsättningar och dessa temperaturer möjliggör en direktväxlad värmeåtervinning. Det är även lämpligt att ställa krav på vilken temperatur man vill ha på det ingående vattnet. Om sanden skall kylas till t.ex. 45 C, medför systemtemperaturer på 50-80 C att inte all energi från sanden kan återvinnas. Om den 19
ingående vattentemperaturen däremot är t.ex. 40 C kan mer energi återvinnas. I bilaga 1 finns en principskiss för hur en sådan värmeåtervinning skulle kunna se ut. De systemtemperaturer som befintliga sandkylare ofta är dimensionerade för (25-35 C) gör att en värmeåtervinning med hjälp av direktväxling mot värmesystemet inte är möjlig. Detta medför att om värmeenergi skall återvinnas till värmesystemet måste en värmepump användas. På flödesschema V50:003, bilaga 2, finns en principskiss för hur en värmeåtervinning med värmepump skulle kunna se ut. Ytterligare ett alternativ för att återvinna energin från sandkylaren är att förvärma uteluften i ett ventilationsaggregat. Vad gäller utrustning är det av största vikt att alla typer av värmeväxlare är väl dimensionerade och är utförda så att igensättning, beläggningar m.m. på sikt inte försämrar utrustningens prestanda. Alternativt att utrustningen är enkel att rengöra. Värmeväxlarnas prestanda kan enkelt fjärrövervakas. 5.2.3 Ekonomi En faktor som bromsar införandet av energieffektiv teknik är givetvis investeringskostnaderna. Det vanligaste sättet att besluta huruvida en investering ska genomföras eller inte är att beräkna återbetalningstiden. Många gånger krävs en mycket kort återbetalningstid, ofta mindre än ett år, för att en investering ska anses lönsam. Detta kanske trots att den tekniska livslängden på investeringen är mångdubbelt längre. Utmaningen här är att uppmana gjuterierna att göra sina kalkyler kring investeringar på ett annat sätt. När det gäller investering i energikrävande utrustning, till skillnad från produktionsrelaterade investeringar, kan det vara bra att använda sig av LCCmetoden (Life Cycle Cost). Denna metod tar hänsyn till utrustningens livslängd och driftskostnad. Detta är en lämplig metod att använda sig av då investeringen är oberoende av de producerade enheternas produktlivslängd (d.v.s. hur länge produkten går i produktion). Det kan även nämnas att det är bra om man har en investeringsplan för ett antal år fram i tiden, detta möjliggör mer genomarbetade investeringar och man får tid att hitta synergier mellan de olika investeringarna och behoven. 5.2.4 Kondensat En faktor som försvårar möjligheterna till energiåtervinning från det svalnande gjutgodset är problematiken kring det kondensat som bildas i fläktsystemen på en del gjuterier. Förekomsten av kondensat skiljer sig mellan olika gjuterier. På vissa gjuterier förekommer inget kondensat, medan andra brottas med de problem som kondensatet orsakar. Kondensatutfällningen verkar i första hand ske i fläktsystemet som sitter närmast den första delen av flasksvalningen. Då flaskan slutar brinna går lågorna ofta över i rökbildning och denna rök förefaller orsaka kondensatet. Förekomsten av kondensat försvårar energiåtervinningen på flera sätt, dels genom att kondensatet förorenar ytorna på exempelvis värmeväxlare som skulle kunna användas för värmeåtervinningen, men även p.g.a. den brandrisk som kondensatet innebär. 20
Kondensatets egenskaper skiljer sig åt mellan olika gjuterier. Det kan uppträda antingen som en mycket seg, svart massa som närmast kan liknas vid tjära medan i andra anläggningar uppträder kondensatet i flytande form i början av fläktsystemet och i form av torrt stoft längre in i kanalerna samt i skorstenen. Även 2007 gjordes en analys av kondensatet på ett av gjuterierna (Scania), den visade att av de analyserade ämnena (ca 5 %) så bestod den största andelen av alifater, aromater, polyaromatiska kolväten och fenoler. Denna kartläggning visar att kondensatet har en komplex sammansättning. De förekommande ämnena borde härstamma från oförbrända rester av gjutsandens bindemedel och förbränningsprodukter av detsamma. Kondensatet har i flera fall orsakat bränder men det är inte helt klarlagt varför detta sker. De drabbade gjuterierna har vidtagit olika åtgärder i avsikt att förhindra ytterligare bränder. På exempelvis gjuteriet i Arvika har exempelvis insugshuvarnas placering justerats och höjts upp från avrykningen/lågorna vid första delen av flasksvalningen. Efter denna åtgärd har inga bränder förekommit i det gjuteriet. Utfällningen av kondensat medför att de drabbade fläktsystemen måste rengöras regelbundet. Vid den årliga rengöringen vid ett gjuteri blev resultatet 760 kg stoft, d.v.s. det är ansenliga mängder utfällningar som ska omhändertas. Därför är det viktigt att beakta dessa problem vid bedömningen av möjligheterna och ekonomin i energiåtervinningen, eftersom de medför kostnader för underhåll, rengöring, deponi och regelbunden tillsyn av kondensat och stofttillväxt i kanalsystemen. En mer utförlig beskrivning av kondensatproblematiken finns sammanställd i delrapporten Brand och kondensatproblem vid energiåtervinning i gjuterier. [4] 5.3 Teknik för energiåtervinning i olika processer Det här avsnittet innehåller en sammanställning över den utrustning som används i olika processteg och beskriver vilka möjligheter till energiåtervinning som utrustningen medger. Det är viktigt att poängtera att produktionsutrustningen och processerna bör optimeras innan återvinning sker, detta för att undvika att man återvinner slöseri vilket är onödigt. 5.3.1 Formsvalning Under formsvalningen svalnar den smälta metallen ner till en temperatur som medger uppslagning av godset. Godset behöver komma ner i en sådan temperatur att det kan hanteras i nästföljande processteg utan att skadas eller vålla olägenheter för personalen. Avsvalningen ska dessutom ske på ett sådant sätt att rätt materialegenskaper uppnås. Energikartläggningen visar att i snitt ca 20 % av den smälta metallens energi avgår med formsvalningens luftutsug. På samtliga gjuterier som deltog i det här projektet var den ingående lufttemperaturen 20-22 C. Temperaturen på den utgående luften var typiskt mellan 30 och 35 C. För att tillvarata energin som finns i ventilationsluften från formsvalningen måste förekomsten av stoft och kondensat tas med som en riskfaktor. Värmeväxlare måste vara dimensionerade för att tåla kondensat och stoftpåslag, alternativt kunna rengöras relativt enkelt. Risken för brand måste utredas. 21
Det förekommer att formsvalningen är vätskekyld, exempelvis har Volvo vätskekylda gjutformar (kokiller) som omsluter sandformen. I deras fall ska gjutobjektet kylas från ca 1430 C till 650 C och det finns goda möjligheter att återvinna värme till värmesystemet. På flödesschemat i Bilaga 3 (V50:001) finns en principskiss över hur en sådan värmeåtervinning kan se ut. I det befintliga fallet är vattentemperaturen på ingående flöde ca 50 C och på utgående ca 59 C. 5.3.2 Uppslagning Under uppslagningen skiljs gjutgodset från sanden. Detta processteg går som regel relativt fort och efterföljs av kylning av gods och sand. Antingen separeras sanden och godset och kyls därefter var för sig. Eller också kyls sand och gods i en kombinerad sand- och godskylare. Trots att uppslagningen sker under en relativt kort tid bör det gå att återvinna en hel del energi ur ventilationsluften då temperaturnivåerna är gynnsamma, ca 50 C. För att tillvarata energin som finns i ventilationsluften från uppslagningen måste förekomsten av stoft beaktas. 5.3.3 Godskylning Efter uppslagning och separation från sanden går godset vidare till godskylningen. Där kyls godset till en temperatur som är acceptabel för efterföljande steg, rensningen. I många fall lämnas godset att svalna ute i produktionshallarna, d.v.s. man tillvaratar värmen på plats som lokaluppvärmning vilket också är ett sätt att återvinna energin från godset. 5.3.3.1 Kyltunnel för godskylning I en kyltunnel transporteras gods genom en sluten tunnel. En fläkt cirkulerar kylluft genom tunneln och sedan genom ett värmeåtervinningsbatteri och åter till tunneln. Lufttemperaturer in och ut ur sandkylaren kan regleras så att restenergier återvinns vid en så hög temperatur som möjligt. 5.3.4 Sandkylning Vid sandkylningen kyls sanden till en sådan temperatur att den kan gå tillbaka in i processen, ca 35 C. Vid gjutning används två typer av gjutsand, antingen kallhärdande sand eller råsand. Kallhärdande sand har något slags bindemedel och får inte kylas med vatten eftersom bindemedlen då kan tappa sin funktion. Råsand har bentonit och vatten som bindemedel och kan kylas eller befuktas med vatten. Eftersom vattnets förångningsvärme är betydande innebär kylning med vatten att betydligt mindre luftflöden krävs för att uppnå önskad kyleffekt. I fråga om sand som inte får befuktas, utan måste kylas enbart med luft, krävs mycket större luftflöden. Detta kräver högre kapacitet hos fläktar och måste även i övrigt beaktas vid dimensionering av utrustningen. 22
5.3.4.1 Sandkylare Simpson Multi-Cooler Simpson Multi-Cooler är en utrustning som enbart kyler sanden och som jobbar batchvis. Sandkylaren fylls med sand som kyls med luft samtidigt som vatten tillförs för att uppnå rätt fukthalt. En del av vattnet avdunstar och vattnets förångningsvärme bidrar till att sanden kyls. Sanden cirkulerar i form av en 8 i utrustningen, vilket sker med hjälp av mekanisk omblandning och genom att sanden genomblåses med luft. Energin lämnar alltså sanden med den uppvärmda luften och i vattenångan. När önskad temperatur och fukthalt uppnåtts töms sandkylaren och en ny batch påbörjas. Ju lägre inkommande lufttemperatur desto lägre luftflöde behövs för att uppnå önskad kyleffekt. Vid batchvis kylning sjunker temperaturen på frånluften successivt. Utgående lufttemperatur varierar därför, den är som mest ca 50 C över inkommande lufttemperatur och sjunker sedan ner till ca 10 C över inkommande lufttemperatur. Normalt är inkommande luft av rumstemperatur d.v.s. 15-30 C. Energin i frånluften skulle, under den inledande delen av den batchvisa kylningen, kunna användas för att via ett värmeåtervinningsbatteri värma vatten i en sekundärkrets till omkring 50 C. En bedömning är dock att kyltekniken med batchvis kylning inte lämpar sig för värmeåtervinning där vatten önskas värmas från 50 till 80 C. Funktion hos Simpsons Multi-Cooler framgår av Figur 14 och Figur 15. Figur 14, Översiktlig bild av sandkylaren Simpson Multi-Cooler 23
Figur 15, Skiss över sandflödet (i form av en 8) i sandkylaren Simpson Multi- Cooler 5.3.4.2 Sandkylare Omega I fluidiserande sandkylare skapar en luftström i botten på kylaren en fluidiserande bädd, se Figur 16. I den fluidiserande bädden finns en stor mängd rör där kylvatten cirkulerar. Värme överförs från sanden till kylvattnet. Denna utrustning används på Volvo Powertrains gjuteri i Skövde för att kyla deras kärnsand. Vid uppslagningen separeras kärnsanden från formsanden, och eftersom kärnsandens temperatur är ca 300-350 C (i just Volvo Powertrains fall) när den kommer in i sandkylaren, finns det goda möjligheter att återvinna värmeenergi till värmesystemet. Återvinningsmöjligheterna beror till stor del på sandens inloppstemperatur. Denna metod lämpar sig för kallhärdande sand. Figur 16, Översiktsbild som visar funktionen hos sandkylare från Omega Operation of Cooler-Classifier 24
5.3.4.3 Kylskruv för sandkylning Skruvar som kyls med vatten kan möjliggöra överföring av restenergi till ett vattenburet system. Denna teknik lämpar sig bäst för mindre sandflöden med hög temperatur. Ett exempel där denna teknik skulle kunna användas är vid Volvo Powertrains gjuteri i Skövde. Vid uppslagningen separeras kärnsanden från övrig sand. Kärnsanden håller en temperatur av ca 300-350 C och utgör ca 10 % av det totala sandflödet. Att kyla med kylskruv är tekniskt enklare och har färre komponenter som kan ge störningar jämfört med kylare som använder luft och/eller tillför vatten till sanden. En viktig aspekt att beakta är dock mekaniskt slitage på skruven p.g.a. sandens slitande egenskaper. 5.3.5 Kombinerad sand- och godskylning i samband med uppslagning Vid kombinerad sand- och godskylning i samband med uppslagning finns möjlighet att samtidigt tillvarata energin både i sanden och i godset. 5.3.5.1 Roterande trumma En typ av kombinerad sand- och godskylning görs i en roterande trumma (t.ex DISA Cool). Via en fläkt sugs lokalluft in i trumman. Vatten tillförs via dysor. Luften som passerar genom trumman för bort värme och fukt ut i det fria, via ett filter. Vattnet förångas när det träffar den varma sanden och godset, d.v.s. man utnyttjar vattnets förångningsvärme. Vattnet är m.a.o. nödvändigt för att klara av kylningen med mindre luftflöden än om vatten inte hade tillförts. Denna typ av kylare körs kontinuerligt. Några förslag på hur värmeåtervinning från roterande trumma skulle kunna se ut redovisas nedan. Värmeåtervinning från roterande trumma alternativ A På luftkanalen för den utgående luften kan ett värmeåtervinningsbatteri installeras som utnyttjar restenergin och överför den till ett vattenburet system. Huvuddelen av restenergin utgörs av vattenånga som kondenseras vid nedkylning. Troligtvis innebär detta att en utgående vattentemperatur på max 50-60 C kan uppnås. Se principskiss i Bilaga 4, V50:101. Värmeåtervinning från roterande trumma alternativ B Gods- och sandkylaren dimensioneras för högre in- och utgående lufttemperaturer. En fläkt cirkulerar luften genom trumman, sedan passerar den genom ett värmeåtervinningsbatteri och åter till trumman. Huvuddelen av restenergin utgörs av vattenånga som kondenseras vid nedkylning. Lufttemperaturer in- och ut ur trumman anpassas så att restenergin återvinns vid en så hög temperatur som möjligt. Vatten som kondenseras återförs via dysor till kylaren. Se principskiss i Bilaga 4, V50:101. Värmeåtervinning från roterande trumma alternativ C Gods- och sandkylaren dimensioneras för högre in- och utgående lufttemperaturer. En fläkt cirkulerar luften genom trumman, sedan passerar den genom ett värmeåtervinningsbatteri och åter till trumman. Inget vatten tillförs utan all kylning sker med luft. Lufttemperaturer in- och ut ur trumman anpassas så att restenergin återvinns vid en så hög temperatur som möjligt. 25