Comparison of Different Concentrated Solar Power Collector Designs and Development of a Linear Fresnel Solar Collector Model

Concentrated solar power (CSP) is a renewable energy technology, which could contribute to overcoming global problems related to pollution emissions and increasing energy demand. CSP utilizes solar irradiation, which is a variable source of energy. In order to utilize CSP technology in energy production and reliably operate a solar field including thermal energy storage system, dynamic simulation tools are needed in order to study the dynamics of the solar field, to optimize production and develop control systems. The object of this Master’s Thesis is to compare different concentrated solar power technologies and configure a dynamic solar field model of one selected CSP field design in the dynamic simulation program Apros, owned by VTT and Fortum. The configured model is based on German Novatec Solar’s linear Fresnel reflector design. Solar collector components including dimensions and performance calculation were developed, as well as a simple solar field control system. The preliminary simulation results of two simulation cases under clear sky conditions were good; the desired and stable superheated steam conditions were maintained in both cases, while, as expected, the amount of steam produced was reduced in the case having lower irradiation conditions. As a result of the model development process, it can be concluded, that the configured model is working successfully and that Apros is a very capable and flexible tool for configuring new solar field models and control systems and simulating solar field dynamic behaviour.

Vedyn käytön tarkastelu Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla

Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla valmistetaan lipeää, suolahappoa, natriumhypokloriittia sekä natriumkloraattia. Lipeää, suolahappoa ja natriumhypokloriittia valmistetaan lipeätehtaassa. Natriumkloraattia valmistetaan kloraattitehtaassa. Kloraatti- ja lipeätehtaan tuotteet valmistetaan elektrolyysimenetelmällä. Elektrolyysien sivutuotteena syntyy vetykaasua, joka voidaan käyttää suolahapon valmistukseen, vetyvoimalaitoksen polttoaineena tai myydä asiakkaalle. Työn tavoitteena oli tarkastella vedyn käyttöä Joutsenon tehtailla. Tarkastelun tavoitteena oli löytää mahdollisia kehitys- tai jatkotutkimuskohteita vety- ja höyryjärjestelmästä. Koska vetyä käytetään myös vetyvoimalaitoksen polttoaineena, joka tuottaa tehtailla tarvittavan prosessihöyryn, tarkasteltiin työssä myös höyryn käyttöä tehtailla. Tarkastelua varten tehtiin Microsoft Excel-pohjainen taselaskentamalli, jolla simuloitiin vedyn ja höyryn käyttöä tehtailla. Työn tuloksena saatiin Excel-pohjainen simulointimalli, jolla pystyttiin tutkimaan vedyn ja höyryn käyttöä. Vedyn ja höyryn käyttöä tutkittiin viidessä eri skenaariossa. Skenaariossa yksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla tehtaita on turvallista käyttää. Skenaariossa kaksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla voimalaitoksen turbiini pysyisi ajossa. Skenaariossa kolme määritettiin tehtaiden tämän hetkinen maksimi kapasiteetti. Skenaarioissa neljä ja viisi tutkittiin, miten mahdollinen tehtaiden tuotantojen kasvattaminen vaikuttaisi vety- ja höyryjärjestelmään. Työn tuloksien perusteella kehitys- ja jatkotutkimuskohteita olisivat lipeän haihdutuksen höyryn kulutuksen pienentäminen, turbiinin käyttöajan kasvattaminen sekä eri lähteistä saatavan hukkalämmön parempi hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa. Tehtaiden tuotantoja kasvatettaessa on syytä kiinnittää huomioita myös voimalaitoksen pääkattilan ja turbiinin kapasiteettiin.

Review of water electrolysis technologies and design of renewable hydrogen production systems

An electric system based on renewable energy faces challenges concerning the storage and utilization of energy due to the intermittent and seasonal nature of renewable energy sources. Wind and solar photovoltaic power productions are variable and difficult to predict, and thus electricity storage will be needed in the case of basic power production. Hydrogen’s energetic potential lies in its ability and versatility to store chemical energy, to serve as an energy carrier and as feedstock for various industries. Hydrogen is also used e.g. in the production of biofuels. The amount of energy produced during hydrogen combustion is higher than any other fuel’s on a mass basis with a higher-heating-value of 39.4 kWh/kg. However, even though hydrogen is the most abundant element in the universe, on Earth most hydrogen exists in molecular forms such as water. Therefore, hydrogen must be produced and there are various methods to do so. Today, the majority hydrogen comes from fossil fuels, mainly from steam methane reforming, and only about 4 % of global hydrogen comes from water electrolysis. Combination of electrolytic production of hydrogen from water and supply of renewable energy is attracting more interest due to the sustainability and the increased flexibility of the resulting energy system. The preferred option for intermittent hydrogen storage is pressurization in tanks since at ambient conditions the volumetric energy density of hydrogen is low, and pressurized tanks are efficient and affordable when the cycling rate is high. Pressurized hydrogen enables energy storage in larger capacities compared to battery technologies and additionally the energy can be stored for longer periods of time, on a time scale of months. In this thesis, the thermodynamics and electrochemistry associated with water electrolysis are described. The main water electrolysis technologies are presented with state-of-the-art specifications. Finally, a Power-to-Hydrogen infrastructure design for Lappeenranta University of Technology is presented. Laboratory setup for water electrolysis is specified and factors affecting its commissioning in Finland are presented.

Recovery boilers - history and future

Recovery boilers are built all over the world. The roots of recovery technology are longer than the roots of recovery boilers. But it wasn’t until the invention of recovery boilers before the Second World War that the pulping technology was revolutionalized. This led to long development of essentially the same type of equipment, culminating into units that are largest biofuel boilers in the world. Early recovery technology concentrated on chemical recovery as chemicals cost money and if one could recycle these chemicals then the profitability of pulp manufacture would improve. For pulp mills the significance of electricity generation from the recovery boiler was for long secondary. The most important design criterion for the recovery boiler was a high availability. The electricity generation in recovery boiler process can be increased by elevated main steam pressure and temperature or by higher black liquor dry solids as well as improving its steam cycle. This has been done in the modern Scandinavian units.

Kartoitus kloori-alkalitehtaan tuotantokapasiteetin kasvattamisesta / Kemira Chemicals Oy Joutseno

Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon kloori-alkalitehtaalla valmistetaan elektrolyysin avulla lipeää, suolahappoa, natriumhypokloriittia ja vetyä. Tämän työn tavoitteena on kartoittaa kloori-alkalitehtaan tuotantokapasiteetin kasvatuksen yhteydessä esiin tulevat pullonkaulat, lähitulevaisuuden kunnossapitotarpeet sekä parhaat käytettävissä olevat teknologiavaihtoehdot kloori-alkalitehtaan osa-alueille, joihin tuotantokapasiteetin kasvatuspaineet kohdistuvat: elektrolyysi, lipeän haihdutus ja suolahappopolttimet. Pullonkaulojen kartoittaminen toteutettiin rakentamalla taulukkolaskentamalli kloori-alkalitehtaan prosesseista. Mallin avulla simuloitiin elektrolyysin kloorin tuotantoa, jota kasvatettiin asteittain 54 kt:sta/a aina 100 kt:iin/a asti ja tutkittiin prosessien käyttäytymistä. Tarkastelun pohjalta havaittiin, että kloorin tuotantoa kasvattaessa, tulee lisätä myös tuotantokapasiteettia suolahapon valmistukseen, elektrolyysiin, demineralisoidun veden valmistukseen ja lipeän haihdutuslaitokseen sekä suolahapon ja lipeän varastointikapasiteetteihin. Vaihtoehtoiset teknologiat määritettiin kirjallisuudesta ja laitetoimittajien esitteistä. Lähivuosien kunnossapitotarpeet kartoitettiin haastattelemalla tehtaan henkilökuntaa. Työstä eskaloitui useita jatkotutkimuskohteita, joita ovat bipolaari-teknologian soveltuvuus Joutsenon kloori-alkalitehtaalle, uusien HCl-polttimien esisuunnittelu, höyryn käytön tehostaminen nykyisessä lipeän haihdutuslaitoksessa sekä uusien haihdutusteknologioiden soveltuvuus Joutsenon kloori-alkalitehtaalle, höyry- ja jäähdytysverkostojen kartoitukset sekä demineralisoidun veden valmistuskapasiteetin kasvattaminen.

Kraft recovery boilers – Principles and practice

This book was created as postgraduate lecture notes for Lappeenranta University of Technology's special course of steam power plants. But as with anything ever written the ideas shown have nurtured for a long time. Parts of these chapters have appeared elsewhere as individual papers or work documents. One of the most helpful episodes have been presentations and discussions during Pohto Operator training seminars. Input from those sessions can be seen in chapter firing. You who run recovery boilers, I salute you. The purpose of this text is to give the reader an overview of recovery boiler operation. Most parts of the recovery boiler operation are common to boilers burning other fuels. The furnace operation differs significantly from operation of other boiler furnaces. Oxygen rich atmosphere is needed to burn fuel efficiently. But the main function of recovery boiler is to reduce spent cooking chemicals. Reduction reactions happen best in oxygen deficient atmosphere. This dual, conflicting nature of recovery furnace makes understanding it so challenging. To understand the processes happening in the recovery furnace one must try to understand the detailed processes that might occur and their limitations. Therefore chapters on materials, corrosion and fouling have been added.

Luonnonkiertovirtauksen kääntyminen pystyhöyrystimen lämmönvaihtoputkissa

Diplomityössä tutkitaan virtauksen kääntymistä Lappeenrannan teknillisen yliopiston PWR PACTEL –koelaitteiston pystyhöyrystimen lämmönvaihtoputkissa käyttäen APROS–prosessisimulointiohjelmaa. Työn teoriaosassa esitellään pystyhöyrystimillä varustettuja koelaitteistoja, erityisesti PWR PACTEL ja sen höyrystin. Lisäksi esitellään virtauksen kääntymisestä tehtyjä havaintoja ja käsitellään kääntymistä teoreettisesta näkökulmasta. Simulointiosan alussa esitellään työssä käytetty APROS –prosessisimulointiohjelma, sekä sen avulla höyrystimestä luodut mallit. Työssä on tutkittu virtauksen käännöstapahtumaa simuloimalla useita eri transienttitilanteita pienillä primäärimassavirroilla. Simulaatiotapauksissa havaittiin virtauksen kääntyvän höyrystimen eripituisissa lämmönvaihtoputkissa, tilanteesta riippuen pääosin lyhimmissä tai toisiksi lyhimmissä lämmönvaihtoputkissa. Transienttien eri vaiheiden, ts. primäärimassavirran muutos- ja tasaantumisvaiheiden pituuden havaittiin vaikuttavan siihen, minkä pituisissa putkissa kääntyminen tapahtuu ja missä järjestyksessä.

Effects of Fin Parameters on Gas-Side Heat Transfer Performance of H-Type Finned Tube Bundle in a Waste Heat Recovery Boiler

Alfa Laval Aalborg Oy designs and manufactures waste heat recovery systems utilizing extended surfaces. The waste heat recovery boiler considered in this thesis is a water-tube boiler where exhaust gas is used as the convective heat transfer medium and water or steam flowing inside the tubes is subject to cross-flow. This thesis aims to contribute to the design of waste heat recovery boiler unit by developing a numerical model of the H-type finned tube bundle currently used by Alfa Laval Aalborg Oy to evaluate the gas-side heat transfer performance. The main objective is to identify weaknesses and potential areas of development in the current H-type finned tube design. In addition, numerical simulations for a total of 15 cases with varying geometric parameters are conducted to investigate the heat transfer and pressure drop performance dependent on H-type fin geometry. The investigated geometric parameters include fin width and height, fin spacing, and fin thickness. Comparison between single and double tube type configuration is also conducted. Based on the simulation results, the local heat transfer and flow behaviour of the H-type finned tube is presented including boundary layer development between the fins, the formation of recirculation zone behind the tubes, and the local variations of flow velocity and temperature within the tube bundle and on the fin surface. Moreover, an evaluation of the effects of various fin parameters on heat transfer and pressure drop performance of H-type finned tube bundle has been provided. It was concluded that from the studied parameters fin spacing and fin width had the most significant effect on tube bundle performance and the effect of fin thickness was the least important. Furthermore, the results suggested that the heat transfer performance would increase due to enhanced turbulence if the current double tube configuration is replaced with single tube configuration, but further investigation and experimental measurements are required in order to validate the results.

Näkökulmia 3D-tulostuksen opetukseen ja koulutukseen

Additive manufacturing, or 3D printing, is globally one of most interesting area in developing of manufacturing technologies. This technology is suitable for fabrication off industrial products and it interests actors in fields of computer sciences, economics, medical sciences and design&arts. Additive manufacturing is often referred as third industrial revolution: first revolution was invention of steam engines in 18th century and second was industrial revolution started by Henry Ford in 1920s. Companies should be able to test suitability of their products for additive manufacturing and 3D printing but also how much better products could be when products are totally re-designed so that all potential of this new technology can be utilized. This is where education has its importance; new generations who enter working life should be educated to know of additive manufacturing and 3D printing, its advantages but also of it limits. There has to be also possibility to educate industry and people already working there, so that industrial implementation could be done successfully. This is especially very valid for Finland. Education is strongly needed so that Finnish industry can maintain its competence in global markets. Role of education is extremely important when a new technology is industrially implemented. Additive manufacturing and 3D printing offers freedom to design new products, production and generally ways of doing things. Development, planning and execution of education for additive manufacturing and 3D printing is challenging as this area develops very fast. New innovations are coming almost every month. Planning of education for additive manufacturing and 3D printing requires collection pieces of data from various of sources. Additive manufacturing and 3D printing industry and its development has to be followed frequently, and material for additive manufacturing and 3D printing has to be renewed frequently.

Coolability of porous core debris beds : Effects of bed geometry and multi-dimensional flooding

This thesis addresses the coolability of porous debris beds in the context of severe accident management of nuclear power reactors. In a hypothetical severe accident at a Nordic-type boiling water reactor, the lower drywell of the containment is flooded, for the purpose of cooling the core melt discharged from the reactor pressure vessel in a water pool. The melt is fragmented and solidified in the pool, ultimately forming a porous debris bed that generates decay heat. The properties of the bed determine the limiting value for the heat flux that can be removed from the debris to the surrounding water without the risk of re-melting. The coolability of porous debris beds has been investigated experimentally by measuring the dryout power in electrically heated test beds that have different geometries. The geometries represent the debris bed shapes that may form in an accident scenario. The focus is especially on heap-like, realistic geometries which facilitate the multi-dimensional infiltration (flooding) of coolant into the bed. Spherical and irregular particles have been used to simulate the debris. The experiments have been modeled using 2D and 3D simulation codes applicable to fluid flow and heat transfer in porous media. Based on the experimental and simulation results, an interpretation of the dryout behavior in complex debris bed geometries is presented, and the validity of the codes and models for dryout predictions is evaluated. According to the experimental and simulation results, the coolability of the debris bed depends on both the flooding mode and the height of the bed. In the experiments, it was found that multi-dimensional flooding increases the dryout heat flux and coolability in a heap-shaped debris bed by 47–58% compared to the dryout heat flux of a classical, top-flooded bed of the same height. However, heap-like beds are higher than flat, top-flooded beds, which results in the formation of larger steam flux at the top of the bed. This counteracts the effect of the multi-dimensional flooding. Based on the measured dryout heat fluxes, the maximum height of a heap-like bed can only be about 1.5 times the height of a top-flooded, cylindrical bed in order to preserve the direct benefit from the multi-dimensional flooding. In addition, studies were conducted to evaluate the hydrodynamically representative effective particle diameter, which is applied in simulation models to describe debris beds that consist of irregular particles with considerable size variation. The results suggest that the effective diameter is small, closest to the mean diameter based on the number or length of particles.

Kiertoleijupetikattilateknologia ja sen matemaattinen mallinnus energiantuotantoprosessissa

Työn teoreettisessa osuudessa tehdään katsaus kiertoleijupetiteknologian eri osa-alueisiin: leijupedin virtausdynamiikkaan, hiukkaserottimeen ja kiintoaineen palautusmekanismiin. Myös teknologian historiaa ja muita käyttötarkoituksia energiantuotannon ohella käydään läpi. Termodynamiikkaa sekä lämmönsiirron ja voimalaitosprosessien teoriaa käsitellään mallinnuksessa tarvittavilta osin. Mallinnusosiossa käydään läpi kiertoleijupetihöyrykattilan matemaattisen mallin tekoprosessia. Malli perustuu yleisesti saatavilla oleviin yhtälöihin ja korrelaatioihin. Mallintaminen koostuu höyrykattilan jakamisesta lämpöpintoihin ja niiden mitoittamisesta. Mallissa esitetään myös näkemys siitä, miten lämpö siirtyy savukaasuun ja miten petimateriaalin kierto tapahtuu tulipesässä.

Biomassakattilan simulointi

Tässä diplomityössä mallinnetaan Apros-simulointiohjelmistolla kylläistä höyryä tuottava KPA Uniconin toimittama Biograte-kattilalaitos. Työ on rajattu käsittelemään vesihöyrypiiri syöttövesisäiliöstä prosessiin lähtevään höyryyn saakka. Savukaasupuoli on mallinnettu polttoaineen ja palamisilman syötöstä savupiippuun asti, mutta savukaasujen puhdistus on jätetty pois simulaatiomallista. Työssä kerrotaan yleisesti biopolttoaineista, kattilalaitoksista ja tulipesäratkaisuista. Simuloitava kattilalaitos ja sen säätöjärjestelmä käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Simuloinnista ja sen mahdollisuuksista kerrotaan yleisesti, jonka jälkeen esitellään tehty simulaatiomalli. Simulointituloksia verrataan kattilan mitoitusarvoihin ja tärkeimpien prosessisuureiden muutoksia tutkitaan kuormanmuutostilanteissa. Lopuksi tuloksista tehdään yhteenveto ja esitellään jatkotoimenpidesuunnitelmat. Simuloitu kattilalaitos tuottaa kylläistä höyryä halutun määrän oikeassa paineessa ja lämpötilassa. Kattilan prosessisuureet vastaavat melko hyvin mitoitusarvoja ja simulaatiomalli toimii vakaasti myös kuormanmuutostilanteissa. Suurimmat kompromissit ja yksinkertaistukset on tehty tulipesän ja polttoaineensyötön mallinnuksessa. Näitä osa-alueita kehittämällä simulaation tarkkuutta olisi mahdollista parantaa entisestään. Jatkossa simulointimallia on tarkoitus kehittää laajentamalla se kattamaan myös laitoksen sekundääripuoli kokonaisuudessaan. Tulosten perusteella simulaatiota voidaan pitää onnistuneena mallina Biograte-kattilalaitoksesta.

Modifioidun MAG-kaarihitsausprosessin hyödyntäminen railotilavuuden pienentämisessä mekanisoidussa orbitaalihitsauksessa.

Länsimaisen työn hinta luo jatkuvan paineen hitsauksen tuottavuuden parantamiseen. MIG/MAG-hitsauksen tuottavuutta voidaan parantaa tehostamalla hitsausprosessia, vähentämällä hitsien lukumäärää ja pienentämällä hitsiaineen tarvetta. Eri virtalähdevalmistajat tuovat markkinoille hitsausprosesseja hitsauksen tehostamiseen, joilla pystytään korvata vähemmän tuottavia hitsaustyövaiheita. Hitsien lukumäärän vähentäminen on rakenteen suunnitteluun liittyvä tekijä ja hitsiaineen tarpeen pienentäminen voidaan toteuttaa railogeometrian muutoksilla tai tuotteen sopivalla suunnittelulla. Diplomityössä on tutkittu 30 mm paksujen S355 rakenneteräsputkien hitsauksen tuottavuuden kasvattamista käyttäen nykyaikaisia modifioituja kaarihitsausprosesseja ja railotilavuutta pienentämällä. Työssä vertailtiin 30o ja 60o railokulmalla tehtyjä liitoksia. Railogeometrian muutoksen lisäksi diplomityössä vertailtiin eri menetelmien tehokkuutta putken pohjapalon hitsauksessa.

Höyryvoimalaitoksen lisäveden valmistus

Kandidaatintyössä tutustuttiin raakaveden sisältämiin epäpuhtauksiin ja niiden aiheuttamiin ongelmiin höyryvoimalaitoksen vesi-höyrypiirissä. Vedenkäsittelyn teoriassa perehdyttiin esikäsittely-, pehmennys-, ioninvaihto- ja käänteisosmoosimenetelmiin, joista suurinta huomiota sai ioninvaihtomenetelmä. Kandidaatintyötä tehdessä oli tekijällä mahdollisuus perehtyä myös käytännön vedenkäsittelylaitoksen toimintaperiaatteeseen. Perehdytty vedenkäsittelylaitos pitää sisällään esikäsittelylaitoksen ja ioninvaihdolla toteutetun suolanpoiston.

Höyryturbiinin ulosvirtauskanaviston kokeellinen tutkimus pienoismallilla

Diplomityössä tutkittiin höyryturbiinin ulosvirtauskanavistojen kokeellisia tutkimusmenetelmiä ja suoritettiin käytännön mittauksia Fortum Oyj:n Loviisan ydinvoimalaitoksen höyryturbiinien huuvan pienoismallilla. Kirjallisuusselvityksen perusteella todettiin, että pienoismallitutkimuksella on ollut keskeinen asema ulosvirtauskanavistojen suunnittelussa. Kokeellisten menetelmien perusongelmana on höyryturbiinin ulosvirtausolosuhteiden jäljitteleminen. Käytetyt mittausmenetelmät perustuvat pääosin tavanomaisiin paine- ja nopeusmittauksiin. Lisäainepartikkeleihin ja laser-valaisuun perustuva PIV (particle image velocimetry) todettiin lupaavaksi menetelmäksi ulosvirtauskanavistojen tutkimuksen saralla. Työn käytännön osuudessa tehtiin mittauksia mittasuhteessa 1:8 rakennetulle höyryturbiinin huuvan pienoismallille. Mittauksilla tutkittiin virtausta mallin sisääntulo- ja ulostulotasoissa. Lisäksi mitattiin staattisen paineen jakauma huuvan sisällä. Kokonaispainetta mittaava kiel-putki todettiin käytännölliseksi työkaluksi huuvan virtauskentän tutkimuksessa. Tuloksista käy hyvin ilmi huuvan ulostuloon syntyvien pyörteiden muodostuminen ja ulostulon epätasainen nopeusjakauma. Staattinen paine huuvan sisällä havaittiin epätasaisesti jakautuneeksi. Ulostulotason ja staattisen paineen mittauksilla saadut tulokset sopivat hyvin yhteen kirjallisuudesta löytyvien tutkimustulosten kanssa ja tukevat Loviisan ulosvirtauskanavistosta aiemmin tehtyjä CFD-simulointeja.