Komposiittivaipan moderni optimisuunnittelu ja toteutus

Tavoitteena tällä tutkimuksella on soveltaa modernin optimisuunnittelun keinoja komposiittimuovisen nestesäiliön lieriömäisen vaipparakenteen suunnittelemiseksi optimaalisen tyydyttäviksi valmistustekniikan ja kustannusten kannalta. Kuormituksia on kahdenlaisia. Säiliön sisällä on neste, joka tuottaa hydrostaattisen painekuorman ja järjestelmään kytketty puhallin tuottaa ulkoisen ylipaineen. Säiliöt ovat pystysäiliöitä ja ne tukeutuvat alustaan suoran pohjalaatan avulla. FEM- malleissa kuoren alaosat ovat jäykästi kiinnitettyjä ja yläosissa säteensuuntaiset siirtymät ovat estettyjä. Materiaaleiksi kuoreen on valittu kahdella eri menetelmällä lujitetut komposiittimateriaalit. Kantavan kerroksen toimintona on kantaa kuormat. Sulkukerros toimii korroosiosuojana ja sen lujuus on kantavaa kerrosta pienempi. Keinoina käytetään ensin innovatiivista suunnittelua optimaalisten lähtövaihtoehtojen ideoimiseksi ja valitsemiseksi jatkokehittelyä varten. Tavoitteena on asiakkaan tyytyväisyyden maksimointi huomioiden tuotteen kustannukset ja kesto. Yhtenä suunnittelun keinona on käytetty kuoriteoriaa ja komposiittien materiaalimalleja. Kestoehtoina on sovellettu komposiiteille soveltuvia kriteerejä. Toisena keinona käytetään FEM-laskentaa. Elementtityypiksi on valittu kaksiulotteinen kuorielementti, jossa on ortotrooppisen ainemallin mukaiset materiaaliominaisuudet. Jännitystuloksien merkittävyys keston kannalta selvitettiin Tsai-Hillin kriteerillä. Tuloksina saatiin ensin innovoitua rakenteelle kaksi päävaihtoehtoa, joita alettiin optimoida. Valitussa ratkaisussa on huomioitu kokonaisuus ja eri yksityiskohdat, kuten paino, jäykisteet kustannustehokkuus, valmistusnopeus, laatu, hävikit, päästöt, lujuus ja kilpailukykyinen myyntihinta. Yhteenvetona voidaan todeta, että käytetyt keinot ovat hyvin tehokkaita ja niillä voidaan suunnitella ja toteuttaa komposiittirakenteita, jotka tyydyttävät optimaalisesti loppukäyttäjän teknis- taloudelliset vaatimukset. Lisäksi tulokset osoittavat, että standardin ja FEM-laskennan ennustukset ovat lähellä toisiaan sylinterimäisillä kuoriosilla, mutta standardit suosittavat suurempia mittoja itse jäykisteille.

Viilukuivurin suunnittelu kuivaustehon ja -laadun parantamiseksi

Työn tarkoitus tutkia viilukuivurin ilmankiertoa. Tietojen pohjalta suunnitellaan alustava 6-kerroskuivuri. Lisäksi diplomityössä tutkitaan erilaisten kuivausparametrien vaikutusta kuivaustapahtumaan. Viilunkuivauksessa on tärkeää tasainen kuivaustulos. Kuivaustapahtumaan vaikuttavat monet parametrit, joista yksi tärkeimmistä on kuivausilman nopeus suuttimissa. Kun viilukuivurin kuivausilman kierto on tasapainossa, saadaan kuivurin jokaisen kerroksen suutinnopeus yhtäläiseksi. Työ tarkastelee kuivurin kennon eri osien: puhaltimen, patterin, kanavien ja suutinlaatikoiden vaikutusta kuivausilman virtaamiin. Tietojen perusteella on tarkoitus optimoida kuivausolosuhteet kennon eri osissa. Teorian lisäksi työssä on tarkasteltu erilaisten virtausmallien avulla kuivausilman kiertoa kennossa. Eri kuivausparametrien vaikutusta on tutkittu viilun kuivumista simuloivalla ohjelmalla. Kuivurin konstruktion kuormituskestävyyttä on arvioitu FEM-malleilla. Lopputuloksena on saatu alustava malli VTS6x6200 kuivurille.

Keskinopeusalueella toimivan induktiomoottori - puhallinkäytön suorituskyvyn mittaus alipainekäytössä

Keskinopeusalueella toimivaa massiiviroottorista epätahtimoottoria voidaan käyttää teollisissa puhaltimissa, joissa on tärkeää saavuttaa normaalia korkeampi pyörimisnopeus ja paine-ero. Usein tällaisella puhaltimella saavutetaan parempi hyötysuhde ja säädettävyys kuin vanhoilla volumetrisilla pumpuilla. Paperikoneiden vedenpoistossa käytetty alipaineen tuotto muodostaa erään sovelluskohteen tällaiselle puhallinkäytölle. Työssä esitellään tällaiseen sovelluskohteeseen suunnitellun puhaltimen ja sitä käyttävän massiiviroottorisen epätahtikoneen testausmenetelmät niiden ominaisuuksien määrittämiseksi, sekä siihen tarvittavan mittalaitteiston vaatimukset. Puhaltimen osalta esitetään täydellinen laskenta perustuen LTKK:ssa 20.10.2000 - 27.10.2000 välisenä aikana suoritettuun puhaltimen testiajoon.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

Combined electromagnetic and thermal design platform for totally enclosed induction machines

The aim of the thesis is to design a suitable thermal model that can be used as a tool for constructing the TEFC squirrel cage induction machine in addition to the electromagnetic model. A lumped-parameter thermal model is developed. The related problems and aspects of implementation are discussed in details. Losses are calculated analytically and the loss values are used in the thermal model. The sensitivity analysis is introduced to determine the most critical parameters of the model.

The energy efficiency of chilled beam systems in an office building at different climates

Besides the sustaining of healthy and comfortable indoor climate, the air conditioning system should also achieve for energy efficiency. The target indoor climate can be ob-tained with different systems; this study focuses on comparing the energy efficiency of different air conditioning room unit systems in different climates. The calculations are made with dynamic energy simulation software IDA ICE by comparing the indoor cli-mate and energy consumption of an office building with different systems in different climates. The aim of the study is to compare the energy efficiency of chilled beam systems to other common systems: variable air volume, fan coil and radiant ceiling systems. Besides the annual energy consumption also the sustainability of target indoor climate is compared between the simulations. Another aim is to provide conclusions to be used in the product development of the chilled beam systems’ energy efficiency. The adaptable chilled beam system and the radiant ceiling system prove to be energy efficient independent of the climate. The challenge of reliable comparison is that other systems are not able to reach the target indoor climate as well as the others. The complex calculation environment of the simulation software, made assumptions and excluding of the financial aspects complicate comparing the big picture. The results show that the development of the chilled beam systems should concentrate on energy efficient night heating, flexible demand based ventilation and capacity control and possibilities on integrating the best practices with other systems. 

Kestomagneettitahtikonekäyttöjen erot

Permanent magnet drives with nominal power over 10 kW were not a cost-sufficient system 25 years ago due to high material expenses. The improvements in motor drives, the rise in competition and the tightening of standards and regulations have caused that the PM-drives are more and more common in the over 10 kW nominal power range. The goal of this thesis is to research the performance in relation to nominal power of a PM-drive technique that is vastly increasing its popularity in fan related devices. The studied motor technique brushless direct current drive (BLDC) consists of a voltage source inverter, permanent motor and six-step-control. The reference drive is a brushless alternating current drive (BLAC) which consists of a VSI, PM and a hysteresis control. As a conclusion there are no major obstacles that would impede the BLDC-drive technique from expanding to larger power stages. The following factors must be taken into consideration when designing a BLDC-drive: motor’s current change rate, inverter switching frequency, motor’s nominal electric frequency, phase inductance and the current handling capability of the inverter. The fluctuating material costs create instability to the end prices of PM-motors that can in the worst case lead to diminished interest towards BLDC- and PM-drives in general.

Teollisuuspuhaltimien runkorakenteiden ja siipipyörien suunnittelu

Tämä diplomityö tehtiin Voikkaalla Dust Control Systems Oy:lle. Työ on osa teollisuuspuhaltimien tuotekehitystä yrityksen olemassaolevan puhallinratkaisujen, sekä suunnitteluprosessin kautta. Työn tavoitteena oli tutkia puhaltimen toiminnasta aiheutuvan värähtelyn vaikutusta puhaltimen rakenteisiin nykyisillä puhallinmalleilla, sekä tutkia eri rakenneratkaisujen käyttöä yrityksen normaalista tuotelinjasta suuremmilla puhaltimilla. Työ toteutettiin kahden toteutuneen puhallinprojektin yhteydessä, joiden rakenteellisia ominaisuuksia pyrittiin arvioimaan normaalin suunnitteluprosessin ohella puhallinkomponenttien mitoituksen suhteen. Molemmat projektit olivat yrityksen mittakaavassa huomattavan suuria sekä suunnittelultaan haastavia, joten ne sopivat diplomityön toteutukseen hyvin. Suunnittelussa käytettiin FE-mallinnukseen Femap ja COMSOL-ohjelmistoja, sekä värähtelyn simulointiin yliopistolla kehitettyä RoBeDyn – laskentaohjelmaa. Työn aikana todettiin, että tarkempi FE-mallinnus yrityksen valmiista 3D-malleista on varsin hankala toteuttaa ja vaatisi mallien suunnittelun erityisesti lujuuslaskentaa varten. Laskennassa päädyttiin käyttämään yksinkertaistettuja malleja, joiden avulla saatiin johdonmukaisia arvioita puhaltimien toiminnasta eri materiaalivahvuuksilla. Käytännössä tuloksien oikeellisuutta päästään arvioimaan kesällä 2015 puhaltimien valmistuttua.

Comparison of Model-Based Flow Rate Estimation Methods in Frequency-Converter-Driven Pumps and Fans

Fluid handling systems such as pump and fan systems are found to have a significant potential for energy efficiency improvements. To deliver the energy saving potential, there is a need for easily implementable methods to monitor the system output. This is because information is needed to identify inefficient operation of the fluid handling system and to control the output of the pumping system according to process needs. Model-based pump or fan monitoring methods implemented in variable speed drives have proven to be able to give information on the system output without additional metering; however, the current model-based methods may not be usable or sufficiently accurate in the whole operation range of the fluid handling device. To apply model-based system monitoring in a wider selection of systems and to improve the accuracy of the monitoring, this paper proposes a new method for pump and fan output monitoring with variable-speed drives. The method uses a combination of already known operating point estimation methods. Laboratory measurements are used to verify the benefits and applicability of the improved estimation method, and the new method is compared with five previously introduced model-based estimation methods. According to the laboratory measurements, the new estimation method is the most accurate and reliable of the model-based estimation methods.

Rigid body dynamics and Kalman filtering

X-ray computed log tomography has always been applied for qualitative reconstructions. In most cases, a series of consecutive slices of the timber are scanned to estimate the 3D image reconstruction of the entire log. However, the unexpected movement of the timber under study influences the quality of image reconstruction since the position and orientation of some scanned slices can be incorrectly estimated. In addition, the reconstruction time remains a significant challenge for practical applications. The present study investigates the possibility to employ modern physics engines for the problem of estimating the position of a moving rigid body and its scanned slices which are subject to X-ray computed tomography. The current work includes implementations of the extended Kalman filter and an algebraic reconstruction method for fan-bean computer tomography. In addition, modern techniques such as NVidia PhysX and CUDA are used in current study. As the result, it is numerically shown that it is possible to apply the extended Kalman filter together with a real-time physics engine, known as PhysX, in order to determine the position of a moving object. It is shown that the position of the rigid body can be determined based only on reconstructions of its slices. However, the simulation of the body movement sometimes is subject to an error during Kalman filter employment as PhysX is not always able to continue simulating the movement properly because of incorrect state estimation.

Reducing auxiliary power of a fluid bed boiler island

The aim of this thesis is to find and analyze different methods which reduce fluid bed boilers’ auxiliary power consumption. The objective is to examine the effects and feasibility of these methods. The literature part explains how fluid bed boilers work and what are the main sources of auxiliary power consumption. Designs and operation of these equipment are presented. The literature part also discusses the basics of auxiliary power consumption reduction and introduces four low pressure drop constructions. The experimental part inspects six different methods. Effects of these methods on the auxiliary power consumption are calculated and their impacts on the operation of the boiler are modeled. Calculations show that reasonable changes can reduce fluid bed boiler’s auxiliary power consumption by 2,1-10,2 %. Biggest reductions come from lower air coefficients, smaller bed a-level pressures and lower primary/secondary air –ratios. Models showed no problems with the smaller bed a-level pressures. With the lower air coefficients and smaller primary/secondary air –ratios the models showed a significant increase in the carbon monoxide levels.

Motor Types Comparison Determining Efficiency in Pumping Systems

Pumping, fan and compressor systems consume most of the motor electricity power in both the industrial and services sectors. A variable speed drive brings relevant improvements in a fluid system leading to energy saving that further on can be translated into Mtons reduction of CO 2 emissions. Standards and regulations are being adopted for fluid handling systems to limit the less efficiency pumps out of the European market on the coming years and a greater potential in energy savings is dictated by the Energy Efficiency Index (EEI) requirements for the whole pumping system and integrated pumps. Electric motors also have an International Efficiency (IE) classification in order to introduce higher efficiency motors into the market. In this thesis, the applicability of mid-size common electric motor types to industrial pumping system took place comparing the motor efficiency characteristics with each other and by analyzing the effect of motor dimensioning on the pumping system and its impact in the energy consumption.