Resiina-keskustelu

Väitöskirjan nimi: UTOPIA OR OPPORTUNITY? Predicted performance of 21st century technology steam locomotives.

Väitöskirjan sisältö: Tavoitteena on ollut suunnitella biopolttoaineita käyttävä höyryveturi, jonka energiatehokkuus ja käytettävyys olisivat lähellä dieselsähköveturin vastaavia ominaisuuksia.
Veturin moottorina olisi monisylinterinen mäntähöyrykone. Kehitysalustaksi on suunniteltu kuvitteellinen veturi, jonka suorituskykyä on tutkittu laskennallisesti. Veturin rakenne poikkeaa perinteisestä ja sisältää useita innovaatioita. Innovaatiot perustuvat vähintään komponenttitasolla koeteltuun tekniikkaan. Veturin polttoaineeksi on valittu hakkuutähteestä valmistettu pyrolyysiöljy, koska sen poltossa vapautuva hiilidioksidi
palaa luonnolliseen kiertoon. Tulokset ennustavat parhaimmillaan lähes 35 %:n eli dieselveturitason hyötysuhdetta tehtävissä, joissa jarrutusten ja kiihdytysten vuorottelu on toistuvaa, kuten esim. ratapihatyöskentelyssä.

Väittelijä: Iiro Hirvensalo, DI

Väitöksen ajankohta: 10.12.2021 klo 12:00

Paikka: Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu, Otakaari 4, 02150 Espoo, Sali K216

Vastaväittäjät: Professori Esa Vakkilainen, Lappeenrannan yliopisto, Suomi
Apulaisprofessori: Tatiana Minav, Tampereen yliopisto, Suomi
Valvoja: Professori Martti Larmi, Aalto-yliopiston insinööritieteiden korkeakoulu

Väitöskirjan verkko-osoite: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/49

Alan suuria nimiä

Iiro Hirvensalo
André Chapelon

Kas kun ei uraanipolttoinen veturi.

voihan sitä  polttaa vetyäkin höyryveturissa, mutta ei ole kenenkään veturinvalmistajan unelmissa.

Mikähän tuossa on ollut kantavana ajatuksena? Siis jos ja kun polttoaineena käytetään pyrolyysiöljyä? Eikö vastaavia puustajalostettuja polttoaineita ole kevyen polttoöljynkin korvikkeena eli voisi tankata suoraan dieselveturin tankkiin.

Mikä siinä höyrykoneessa erityisen hyvää?

Jos niitä etuja olisi viljalti niin ei kai höyryvetureiden aikakausi olisi loppunut vaan höyryä tuotettaisiin polttoöljylämmitteisissä kattiloissa.

Väitöskirjan verkko-osoitteessa olevan tiivistelmän mukaan kyseessä olisi monisylinterinen mäntähöyrykone, jossa sylinterit on järjestetty tähtimoottorin tapaan. Venttiiliohjaus hoidettaisiin sähköisesti. Poistohöyry menisi jälkipaisuntaa varten höyryturbiiniin. Pyörimisliike johdetaan sen jälkeen generaattorille ja syntynyt sähkö edelleen ratamoottoreille, dieselsähkövetureiden tapaan.

Pyrolyysiöljy on eräs ratkaisu polttoainekysymykseen. Ymmärtääkseni öljypoltolla palamisen säätäminen eri kuormitustilanteiden mukaan on huomattavasti helpompaa kuin tavanmukaisella kivihiili/halkopoltolla. Tämän olivat saksalaiset huomanneet jo 1920-luvulla hiilipölypolttoa kokeillessaan.

Ja huomatkaa erityisesti, ei se höyryn aika ole ollenkaan muinaisuutta, päinvastoin! Johan lähiaikoina käynnistyvässä Olkiluoto III:ssakin keitetään vettä ja höyry johdetaan turbogeneraattorille.

Oikeastaan olisi jo aikakin mennä eteenpäin George Stephensonin 1820-luvun alussa keksimästä rakenteesta, jota noudatettiin aina höyryveturikauden loppuun asti.

Iiro Hirvensalon diplomityö on loistava esimerkki siitä, että aina on joku miettimässä parannuksia, oli sitten kyseessä syöpälääke, automalli, tietsika tai vaikkapa sokerimunkkiresepti. Tässä tapauksessa höyryveturin sovellus.

Yksi ominaisuus, mitä vaaditaan dieselpolttoöljyltä, on voitelukyky. Esimerkiksi ruiskutuspumpussa on lukuisia osia, joiden valmistus- ja toimintatarkkuusvaatimukset menevät merkonomeilta helposti yli hilseen. Toisin sanoen: välykset ovat äärimmäisen pieniä ja siksi voitelukyky on ensiarvoisen tärkeää. Sitä en tiedä, miten pyrolyysiöljy vastaisi tähän.

Kokonaan oma juttunsa on minun mielestäni mäntäkoneessa. Siinä edestakaisin liikkuvan männän nopeus on kuolokohdissa nolla ja iskun puolivälissä suurimmillaan, suuruuden riippuen tietysti kierrosluvusta. Wankel oli periaatteeltaan loistava keksintö, mutta sen ongelmat aiheuttavat vieläkin päänvaivaa. Höyryturbiini oli edistysaskel aikanaan (on vieläkin laiva- ja voimalaitoskäytössä), mutta vetureissa se ei yleistynyt. Suihkuturbiini lunasti paikkansa lentokoneissa, autoissa se ei toiminut.

Toisin sanoen: esimerkiksi autonmoottorit ovat tulevaisuudessakin mäntäkoneita, kunnes jostain putkahtaa joku, jolla on esittää hyvä ja toimiva uudenlainen moottorityyppi, talous"nerojen" vastustuksesta huolimatta.

Sitä odottaessa, lämpimät onnittelut DI Iiro Hirvensalolle, suuresta paneutuneisuudestaan höyryveturiasiaan saattaa hyvinkin nousta jotain suurta!

Eipä nyt vähätellä: Tässähän kyseessä on väitöskirja ja Iiro täten tohtorismies. Onnittelut täältäkin merkittävästä työstä!

Terveisin DI Keski-Rahkonen

Parhaat onnittelut  höyryvetureista väitelleelle  tekn.tri Iiro Hirvensalolle!

Sähkömoottori.

Ja mitä tulee tuohon höyrykoneinnovaatioon, jossa erityisesti esitettiin sitä ratapihojen vaihtotyöhön, näen, että akkusähköveturi sopisi tulevaisuudessa siihen parhaiten. Väitöskirjakin myöntää, että hyötysuhteessa päästäisiin vain _lähelle_ dieselkoneita. Ei siis edes niiden edelle, puhumattakaan sähkövehkeistä.

Ja lisäksi voi mainita vet Kyösti Kylälän  https://fi.wikipedia.org/wiki/Ky%C3%B6sti_Kyl%C3%A4l%C3%A4   

Akkusähköveturin hyötysuhdehävikkeihin pitää laskea myös sähköntuotannon ja siirron hyötysuhteet.

Voi kuitenkin olla, että akkusähköveturi on helppohoitoisuutensa takia tulevaisuudessa se kokonaistaloudellisesti järkevin ratkaisu tuommoiseen käyttöön.

Dieselkäytön ongelmia ovat korkeassa lämpötilassa tapahtuvan palamisen aiheuttama ilman typen hapettuminen typen oksideiksi. Höyrykoneen pyörittäminen onnistuu pienemmässäkin lämpötilassa. Lisäksi fossiilisen raaka-aineen polttamisella on tunnetut vaikutuksensa hiilidioksiditaseeseen; tämä ei muutu siitä, että laitteita käytetään töpselisähköllä, joka tuotetaan fossiilisilla.

Mutta tärkeintä on, että uusia polkuja haetaan myös jo tehtyjä innovaatioita jalostaen, nälvimisen uhallakin.

Yksittäisiin sanoihin ei pitäisi koskaan juuttua liikaa. Takavuosina teknillisen korkeakoulun koneinsinööriosastossa oli vaikeuksia saada oppiaineeseen "höyrykoneet". Niinpä sitten toimittiin niin, että oppisisältöön sinänsä ei koskettu, mutta aineen nimeksi muutettiin "voimalaitosten koneet". Jo vain oli teekkaria jonossa opiskelemaan tulevaisuuden alaa. Kaikissa voimaloissa, jotka perustuvat lämmön tuottoon, on höyrykone.

Se, mikä siinä höyrykoneessa voisi olla erityisen hyvää, selviää nimenomaan tutkimalla. Myös se, mikä siinä ei olisi erityisen hyvää.

Hieman tuntuu erikoiselta sähkön tuottaminen mäntähöyrykoneella, eikä turbiinilla. Jotain todella mullistavaa pitää keksiä, että mäntäkoneen hyötysuhde saadaan ylittämään turbiinin hyötysuhde.

Viisastellaas vähä:

Turbiinin käyttö voimalaitoksissa sähkön jauhamiseen perustuu siihen, että turbiinin kierrosluku on AINA sama. Tähän perustuu se turbiinin hyvä hyötysuhde. Yleisesti turbiinin jälkeen on alennusvaihde, jolla kierrosluku saadaan vaihtovirtageneraattorille sopivaksi. Tasavirtageneraattoria voidaan käyttää vaihtelevilla kierrosluvuilla.

Tällainen rakenne on aika painava, riippuen tietysti höyryn paineesta. Veturikäytössä tällaista ei kovin kannattanut harrastaa, kuten esimerkiksi Chesapeake & Ohio - yhtiössä 1940-luvun lopulla huomattiin. Vetureissa dieselsähkö oli jo tuohon aikaan valmista kauraa, joten siihen siirtyminen kävikin kovin mukavasti ympäri maailmaa.

Turbiinin hyötysuhde on parhaimmillaan silloin, kun se käy suunnitellulla, yleisesti korkealla kierrosluvulla (esimerkiksi Helsingissä, Myllypuron voimalaitoksen ykkös- ja kakkosturbiineilla 7 000 kierr./min.)

Tämä onnistuu siis laivoissa ja voimalaitoksissa.

Veturikäytössä niin sanotun suorakäyttöisen turbiinin kierroslukua joudutaan säätelemään. Joissakin tapauksissa nollasta maksimiin. Täyttä hyötysuhdetta on vaikea saavuttaa. Veturikäytössä rakenne joutuu lisäksi erilaisten rasitusten kohteeksi, esimerkiksi vaikkapa nyt palakiskoilla ajettaessa (laakerit kärsivät iskuista).

Veturissa lisäksi pitää olla toinenkin turbiini taaksepäin ajoa varten. Tälle toiselle turbiinille on järjestettävä tyhjö, ettei se mukana pyöriessään kuumenisi ilman kitkasta, jolloin siivikoiden juotokset olisivat vaarassa sulaa. Suunnanvaihtolaite hammaspyörillä olisi yksi ratkaisu, jota ei kuitenkaan ole käytetty.

Lisäksi: turbiinikäytöllä höyryn kulutus on melkoisesti suurempi kuin tavanomaisella mäntäkoneella. Vettä on järjestettävä lisää ja paljon: poistohöyryn lauhduttaminen takaisin vedeksi vaatii erityisen lauhdutustenderin jäähdytinkennoineen ja tuulettimineen. Kattilaan on myös järjestettävä oma systeeminsä palamisen tarvitseman vedon aikaansaamiseksi.

Väitöskirjassa kyllä otetaan tähänkin kantaa: 1-1,5 MW:n tehoon asti mäntämoottori on turbiinin kanssa hyötysuhteen osalta kilpailukykyinen ja mäntämoottorin hyötysuhde on osittaiskuormalla vähemmän herkkä kuin turbiinin.

 Olenko lainkaan samoilla ajatuksilla höyryturbiinista http://www.vaunut.org/kuva/58361?s=1.