Kiinteäoksidipolttokennolaitteiston lämpöeristys

Tässä diplomityössä on selvitetty tekniset vaatimukset ja suunnitteluperusteet kiinteäoksidipolttokennolaitteiston lämpöeristykselle. Tutkimus keskittyi Wärtsilä Oyj:n uuden 50 kW polttokennolaitteiston prototyypin kuumimman osan lämpöeristykseen. Tämän lisäksi laitteiston muiden osien sekä tuoteperheen muiden laitteiden lämpöeristystä selvitettiin. Tutkimus toteutettiin kirjallisuusselvitysten ja laboratoriotestien muodossa. Aluksi kartoitettiin laitteiston eristykseen sopivat materiaalit ja selvitettiin niiden kustannusrakenteet sekä työterveydelliset vaikutukset. Seuraavaksi kartoitettiin soveltuvat rakenne-, luukku- ja läpivientityypit ja tutkittiin niiden vaikutusta eristyksen tehoon laboratoriomittauksin. Lopuksi tutkimusten pohjalta laadittiin ohjeistus eristyksen periaatteellisesta toteutuksesta sekä joukko esimerkkejä toimivista rakenne-, luukku- ja läpivientiratkaisuista. Tutkimuksen perusteella selvästi tehokkain korkealämpöeristemateriaali on mikrohuokoinen silika, joka johtaa lämpöä vain noin kolmasosan kuitueristeisiin verrattuna. Työssä kehitetyn hintavertailumenetelmän perusteella edullisimpia eristevaihtoehtoja ovat kuitenkin kuitueristeet, jotka ovat eristystehoon suhteutetulta hinnaltaan noin puolet mikrohuokoisia eristeitä halvempia. Kuitueristeisiin liittyy kuitenkin selkeitä terveysriskejä, jotka on huomioitava eristystä suunniteltaessa. Mittaukset osoittivat selkeitä eroja erityyppisten eristerakenteiden toimivuudessa. Huonosti valittu rakenne voi kasvattaa lämpöhäviöitä jopa kymmeniä prosentteja ideaaliseen rakenteeseen verrattuna, minkä lisäksi pintalämpötilat voivat huonossa rakenteessa kohota vaaralliselle tasolle. Läpivienneistä aiheutuvat lämpöhäviöt puolestaan todettiin varsin vähäisiksi käytetystä läpivientityypistä riippumatta. Tutkimus osoitti, että korkeassa lämpötilassa toimivan eristyksen ehdottomana edellytyksenä on oikein suunniteltu tuki- ja runkorakenne. Lämpöeristeisiin erikoistuneiden yritysten tiedoissa havaittiin joitain eristemateriaaleja, -rakenteita ja eristeiden asennusta koskevia puutteita. Puutteiden korjaaminen ja tietotaidon lisääminen voisivat tehostaa näiden yritysten toimintaa. Monia työn edetessä esiin tulleita asioita ehdittiin huomioida jo Wärtsilän varhaisemman, 25 kW prototyyppilaitteiston lämpöeristyksen suunnittelussa. Muun muassa materiaalien valinta ja läpivientien toteutustapa perustuivat työssä esiin tulleisiin tietoihin. Kaiken kaikkiaan työssä tehdyt selvitykset antavat hyvän pohjan polttokennolaitteiston lämpöeristyksen suunnittelulle ja jatkokehitykselle