Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

This paper deals with the opportunities for the technique of condensation, for wood fired household heaters, on the Swedish market. In this project the condenser is preceded by a scrubber and both energy exchange and separation of unburnt particles have been studied.
The facility studied is connected to a wood stove at 30 kW. The tests would show that the effect from the stove never reached above 16 kW. This might be a result of the low temperature of the water going into the stove, from the condenser. In addition to this the wood was not of highest quality and the stove could have needed some maintenance before the tests. The maximum effect obtained from the condenser was 4.5 kW, at 12°C. At 20°C the obtained effect still was about 4 kW. If the stove produces 30 kW and the condenser 4,5 kW it would contribute with 13 % of the household's total need for energy.
Hydrocarbons, mostly terpens, and carbon monoxide have been detected in the water from the scrubber. This proves that a reduction of these harmful emissions takes place. Unfortunately no evaluation could be made concerning how good the reduction really was.
The cost of the prototype facility was 60 000 SEK, a possible reduction of this cost is said to be about 50 %. Even if it is possible to reduce the cost further the market might only be interested in the technique if its ability to reduce the emissions of unburnt particles is properly appraised. This could be accomplished either by stricter regulations regarding how much that is allowed to be emitted or by economic signals, such as taxes.

Anläggningen som har studerats är tänkt till vedeldade villapannor och består av en
rökgaskondensor med föregående skrubber. Skrubberns uppgift är att tvätta
rökgasen1 på framförallt vattenlösliga föreningar och stoft, vilket sker genom att
vatten sprutas in över rökgasen. Rökgaskondensorns uppgift är att ta tillvara på den
energi som finns i rökgaserna. Det görs genom att rökgaserna passerar genom en
värmeväxlare, med vatten som kylmedium. Vattnet tas in i nedre delen av
värmeväxlaren och rökgasen kommer in i den övre delen. Rökgasen passerar sedan
den vattenfyllda värmeväxlaren genom 18 stycken parallella rör. När temperaturen
på rökgaserna sänks avges energi. Störst energiutvinning fås dock ur rökgasens så
kallade latenta värme. Med det latenta värmet menas här värme som kan utvinnas
tack vare att vattenångan i rökgasen övergår till flytande vatten. Energin som kan
utvinnas om vattnet kondenserar (övergår från gas till flytande form) är ungefär
1 200 gånger större än om temperaturen på samma mängd vattenånga sänks med en
grad.
Ökningen av mängden växthusgaser i atmosfären har lett till att koldioxidneutrala
energibärare, bland annat ved, fått allt mer uppmärksamhet. Vedeldningen leder
dock till oönskade utsläpp av oförbrända kolväten och kolmonoxid. Dessa utsläpp
har en negativ inverkan på vår hälsa och omgivning.
Ryssland ratificerade Kyotoprotokollet hösten 2004 och därmed kommer
protokollet att bli internationell lag. Sverige måste då klara sitt åtagande på att,
under perioden 2008-2012, inte ha ökat de årliga utsläppen av koldioxidekvivalenter
med mer än 4 %, jämfört med 1990. Regeringen har dock beslutat att landet ska ha
ett ambitiösare nationellt mål och i stället minska utsläppen med minst 4 %.
Utsläppen från småskalig vedeldning kommer inte innefattas i den handel med
utsläppsrätter som drar igång vid årsskiftet men eftersom utsläppen av metan från
vedeldning är betydande kan det tänkas att även utsläppen från den småskaliga
sektorn kommer att undersökas närmare inom en snar framtid.
I dag finns rökgaskondensorer till större anläggningar i Sverige, till exempel vid
fjärrvärmeverk, men inte till villapannor. Utvecklingen av vedpannorna har dock
lett till en kraftig reducering av utsläppen och en ökning av verkningsgraden.
Förhoppningen med detta arbete är att visa på att mer kan göras både för ökat
energiuttag och för minskade utsläpp.
En studie utförd vid Termiska Processer i Studsvik (TPS) visar på att effekten
från en rökgaskondensor, kopplad till en panna på 30 kW, kan variera mellan
3,3 kW och 7,4 kW beroende på rökgaskondensorns utformning. Det som skulle ge
högst effekt är en rökgaskondensor med räfflade kanaler och där vatten sprayas
över rökgasen. Studien pekade också på att temperaturen på kylvattnet in till
rökgaskondensorn bör vara låg och att temperaturen ut från rökgaskondensorn inte
bör överstiga 30°C. Den låga temperaturen innebär att rökgaskondensorn helst bör kopplas till en kombination av att förvärma tappvarmvattnet och att bidra till husets
uppvärmning via en golvvärmeslinga. En låg temperatur in till pannan kan nämligen
riskera att försämra förbränningen.
I de försök som gjorts har vattnet från rökgaskondensorn gått direkt till pannan.
Effekten över pannan var under testerna oväntat låg, maximalt 16 kW, något som
kan bero på en låg vattentemperatur eller igensatta turbulatorer i pannan.
Turbulatorernas uppgift är att sätta rökgasen i rörelse så att värmen avges mer
effektivt till vattnet i pannan. Att energivärdet i bränslet inte varit det bästa har
troligen också bidragit till att sänka effekten.
Bränslet som använts vid genomförda tester beräknas ha haft en fukthalt på
25,5 %.
När temperaturen på kylvattnet in till rökgaskondensorn hölls under 20°C gavs
effekter på 4 till 4,5 kW. När testerna fortskred steg dock temperaturen på
kylvattnet och vid temperaturer över 30°C låg effekten från rökgaskondensorn på
maximalt 2 kW, ofta bara kring 1 kW. Även negativa effekter har erhållits när
kylvattentemperaturen varit upp mot 40°C. Negativa effekter ner mot -3,5 kW har
beräknats. Eftersom effekten beräknas utifrån skillnaden i vattnets energiinnehåll
före och efter rökgaskondensorn innebär en negativ effekt att värme avges från
vattnet till rökgaserna istället för tvärtom. När temperaturen på vattnet blir hög, upp
mot 40°C, kan så bli fallet men att det skulle vara så mycket som 3,5 kW är dock
föga troligt. Att beräkningarna har gjorts utifrån den temperaturdifferens som råder
momentant, utan hänsyn till tidsförskjutningar i systemet, har tillsammans med det
faktum att temperaturen på inkommande kylvatten varierat lett till att utslaget blivit
så stort. Det vatten som har passerat färdigt genom rökgaskondensorn kan då
nämligen ha en lägre temperatur, efter passagen, än det vatten som samtidigt går in i
rökgaskondensorn även om vattnet som lämnar rökgaskondensorn faktiskt tagit upp
energi i vid passagen.
Det bedöms i denna rapport som möjligt att rökgaskondensorn skulle kunna stå
för 13 % av ett hushålls uppvärmnings- och tappvarmvattenbehov. Om behovet är
totalt 20 000 kWh per år skulle rökgaskondensorn stå för 2 600 kWh av dessa. Det
skulle innebära ett minskat behov av ved med ungefär 2,6 m3, travad ved.
Besparingen i tid för arbetet med veden beräknas till drygt 11 timmar per år, av ett
ursprungligt behov på 87 timmar och 30 minuter. Om eldaren antas ha en lön för
arbetet på 65 kronor efter skatt skulle besparingen motsvara knappt 740 kronor per
år. Med en antagen livslängd på 20 år för anläggningen skulle den totala
besparingen bli 14 800 kronor. Om hänsyn även tas till bland annat kostnaden för
veden i sig har priset istället antagits uppgå till 400 kr/m3. Om det dessutom antas
att pannan bara ger 16 kW, i förhållande till 4,5 kW från rökgaskondensorn, fås en
total besparing på 44 220 kronor över 20 år. Den prototyp som tagits fram i detta
projekt kostade cirka 60 000 kronor. Projektägaren anser det troligt att denna
kostnad kan reduceras med 50 %. Med påslag för vinstmarginal, och ett antagande
om att villaägaren behöver ta ett treårigt lån för att köpa anläggningen, blir
slutpriset ungefär 39 000 kronor. Detta pris är högre än den kostnadsbesparing som
troligen skulle kunna intressera villaägaren. Om priset skulle kunna pressas ytterligare och om besparingen skulle kunna bli större, till följd av ett ökat
effektuttag från rökgaskondensorn, kanske det skulle bli ekonomiskt intressant för
villaägaren att investera i en anläggning. Om inte det är möjligt kan det ändå bli
intressant med tekniken tack vare dess miljöfördelar.
Reningen av rökgaserna har inte kunnat påvisas genom de tester som utförts på
rökgaserna. Genom att analysera kondensatet i anläggningen har dock både
avskiljning av terpener (tjäror) och kolmonoxid kunnat påvisas. Hur bra denna
avskiljning varit har inte kunnat analyseras. En miljövinst genom att utsläppen av
oförbrända kolföreningar reduceras skulle kunna innebära en marknad för tekniken.
Om det kommer lagkrav på minskade utsläpp eller om ekonomiska styrmedel
används, till exempel skatter, skulle efterfrågan på tekniken kunna komma att
skapas.