Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Experimentation on Wind Powered Hydraulic Heating System

It is common knowledge of the world’s dependency on fossil fuel for energy, its unsustainability on the long run and the changing trend towards renewable energy as an alternative energy source. This aims to cut down greenhouse gas emission and its impact on the rate of ecological and climatic change. Quite remarkably, wind energy has been one of many focus areas of renewable energy sources and has attracted lots of investment and technological advancement. The objective of this research is to explore wind energy and its application in household heating. This research aims at applying experimental approach in real time to study and verify a virtually simulated wind powered hydraulic house heating system. The hardware components comprise of an integrated hydraulic pump, flow control valve, hydraulic fluid and other hydraulic components. The system design and control applies hardware in-the-loop (HIL) simulation setup. Output signal from the semi-empirical turbine modelling controls the integrated motor to generate flow. Throttling the volume flow creates pressure drop across the valve and subsequently thermal power in the system to be outputted using a heat exchanger. Maximum thermal power is achieved by regulating valve orifice to achieve optimum system parameter. Savonius rotor is preferred for its low inertia, high starting torque and ease of design and maintenance characteristics, but lags in power efficiency. A prototype turbine design is used; with power output in range of practical Savonius turbine. The physical mechanism of the prototype turbine’s augmentation design is not known and will not be a focus in this study.

Control of multi-actuator system by an electrically driven hydraulic pump-motor

The awareness and concern of our environment together with legislation have set more and more tightening demands for energy efficiency of non-road mobile machinery (NRMM). Integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) has been developed in Lappeenranta University of Technology (LUT). The elimination of resistance flow, and the recuperation of energy makes it very efficient alternative. The difficulties of IEHEC machine to step to the market has been the requirement of one IEHEC machine per one actuator. The idea is to switch IEHEC between two actuators of log crane using fast on/off valves. The control system architecture is introduced. The system has been simulated in co-simulation using two different software. The simulated responses of pump-controlled system is compared to the responses of the conventional valve-controlled system.

Visualization of thermal-hydraulic nodes

The purpose of this thesis was to develop a program that can illustrate thermal-hydraulic node dimensions used in SMABRE simulations. These created node illustrations are used to verify the correctness of the designed simulation model and in addition they can be included in scientific reports. This thesis will include theory about SMABRE and relevant programs that were used to achieve the ending results. This thesis will give explanations for different modules that were created and used in the finished program, and it will present the different problems encountered and provide the solutions. The most important objective in this thesis is to display the results of generic VVER-1000 node dimensions and verify the correctness in the displayed part. The finished program was created using code language Python.

Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmissä esiintyvien dynaamisten ongelmien ratkaiseminen

Diplomityön tehtävänä oli tutkia paalinmuodostajassa esiintyvien vikojen aiheuttajia ja antaa mahdollinen korjausehdotus vian aiheuttajan poistamiseksi. Tämä työ jakaantuu kolmeen osa-alueeseen: 1. hydraulisen toiminnan selvittäminen, 2. mittausten tekeminen, tulosten tulkinta ja vikahistoriatietojen tarkasteleminen, 3. ongelmakohtien selvittäminen ja parannusehdotuksien esittäminen ongelmien ratkaisemiseksi. Diplomityön pohjana käytettiinpiirustuksia sekä CMT-Solutionin ja Metson tekemiä kunnonvalvontamittauksia. Patruunatekniikalla toteutetun hydraulijärjestelmän vian perussyytä etsittäessä onselvitettävä komponenttien ja järjestelmän toiminta kunnonvalvontamittausten avulla. Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmien tulisi olla toimivia, luotettaviaja taloudellisia. Hydraulijärjestelmässa käytettävien komponenttien tulisi ollamyös keskenään yhteensopivia, turvallisia ja luotettavia toiminnaltaan, helposti huollettavia sekä vaivattomasti saatavilla olevia. Komponenttien, joita mahdollisesti vaihdetaan on oltava yhteensopivia M-realin jo varastossa olevien komponenttien kanssa. Näin vältetään varastoon muodostumasta useita erilaisia komponenttiyhdistelmiä, jotka turhaan kuormittavat varastomääriä ja lisäävät sitoutuneenpääoman määrää. Työssäni pyrin myös parannusehdotuksia antaessani mahdollisimman yksinkertaiseen ja taloudelliseen ratkaisuun M-realin kannalta. Diplomityön tulosten pohjalta kokeiltiin muutamia muutoksia eri kohtiin hydraulijärjestelmässä. Osa alustavista muutoksista toteutettiin Metson ja STH-Service/Simo Suppasen toimesta. Nähtäväksi jää onko näillä toimenpiteillä ollut vaikutusta hydraulijärjestelmän luotettavuuteen.

Hydraulimoottorilla toteutetun kääntölaitteen kehittäminen

Tässä diplomityössä suunnitellaan paralleelityyppisen harvesterinosturin kääntölaite, missä toimilaitteena käytetään hydraulimoottoria. Konevalmistajista riippuman nosturivalmistajan tarpeet huomioiden selvitetään suurelle harvesterinosturille soveltuvat kääntölaiterakenteet, joista etsitään perustelluilla valinnoilla paras. Valitusta rakenteesta kehitetään kääntö-jalustakokonaisuus, johon suunnitellaan pylväs, kallistusrunko ja suojat sekä valitaan tarvittavat käyttökomponentit. Suunnitellun konstruktion ominaisuuksia ja kustannuksia verrataan tuotannossa olevaan sylinteritekniikalla toteutettuun kääntölaitteeseen.

Hydraulisen kuristinmallin ja liikealustan ohjauksen kehittäminen reaaliaikasimulointiin

Diplomityön ensimmäisessä vaiheessa tutkittiin hydraulisen kuristimen ominaisuuksia ja esiteltiin numeerisesti tehokas kuristinmalli käyttäenpolynomifunktiota virtauksen laminaarisen ja transitioalueen kuvaukseen. Puoliempiirisen mallin paremmuus tulee esille siinä, että kuristimen geometriatietoja ei tarvita laskettaessa virtausta paine-eron perusteella. Reaaliaikasimuloinnissa esiintyy kompromisseja tarkkuuden ja laskentanopeuden välillä. Tätä asiaa tutkittiin kahden virtausalueen kuristinmallilla. Transition paine-eron ja integrointiaika-askelen valinnan vaikutus tarkkuuteen ja laskentanopeuteen tutkittiin. Toisessa vaiheessa tutkittiin mahdollisimman hyvän liiketuntuman tuottamista liikealustalla ohjaussignaalia kehittämällä. Liikealustan liikeradan rajallisuudesta johtuen ohjauksessa on perinteisesti käytetty washout-suodatusta, joka erottelee simuloitavan järjestelmän kiihtyvyyssignaalista vain nopeatkiihtyvyydet. Tässä työssä tutkittiin hitaiden kiihtyvyyksien ottamista mukaan liikealustan ohjaukseen liikealustan liikeradan puitteissa. Tämä toteutettiin kuvaamalla hitaat kiihtyvyydet kallistamalla liikealustaa, jolloin käyttäjään kohdistuva voima saatiin kuvattua gravitaatiota hyväksi käyttäen.

Lasermittauksen soveltaminen vesihydraulisessa sylinterissä

Työn tavoitteena on tutkia mahdollisuutta käyttää laser interferometripohjaista aseman mittausjärjestelmää vesihydraulisessa sylinterissä. Työ liittyy Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa kehitetyn rinnakkaisrakenteisen robotin PENTA WH muuttamiseen öljyhydraulisesta vesihydrauliseksi. Öljyhydraulisen prototyypin käyttämä vanha kuularuuviin ja inkrementaaliseen enkooderiin perustuvamittausjärjestelmä ei sovellu vesihydrauliseen robottiin. Työn tavoitteena on esittää vaihtoehtoinen ratkaisu.

Flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors

The studies of flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors are beneficial to estimate and evaluate the ability of microchannel reactors to be operated for a given process reaction such as Fischer-Tropsch synthesis. The flow phenomena, for example, the flow regimes and flow patterns in microchannel reactors for both single phase and multiphase flow are affected by the configuration of the flow channel. The reviews of the previous works about the analysis of related parameters that affect the flow phenomena are shown in this report. In order to predict the phenomena of Fischer-Tropsch synthesis in microchannel reactors, the 3-dimensional computational fluid dynamic simulation with commercial software package FLUENT was done to study the flow phenomena and heat transfer for gas phase Fischer-Tropsch products flow in rectangular microchannel with hydraulic diameter 500 ¿m and length 15 cm. Numerical solution with slip boundary condition was used in the simulation and the flowphenomena and heat transfer were determined.

Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

Effect of Noncondensable Gases on Circulation of Primary Coolant in Nuclear Power Plants in Abnormal Situations

The present study focuses on two effects of the presence of a noncondensable gas on the thermal-hydraulic behavior of thecoolant of the primary circuit of a nuclear reactor in the VVER-440 geometry inabnormal situations. First, steam condensation with the presence of air was studied in the horizontal tubes of the steam generator (SG) of the PACTEL test facility. The French thermal-hydraulic CATHARE code was used to study the heat transfer between the primary and secondary side in conditions derived from preliminary experiments performed by VTT using PACTEL. In natural circulation and single-phase vapor conditions, the injection of a volume of air, equivalent to the totalvolume of the primary side of the SG at the entrance of the hot collector, did not stop the heat transfer from the primary to the secondary side. The calculated results indicate that air is located in the second half-length (from the mid-length of the tubes to the cold collector) in all the tubes of the steam generator The hot collector remained full of steam during the transient. Secondly, the potential release of the nitrogen gas dissolved in the water of the accumulators of the emergency core coolant system of the Loviisa nuclear power plant (NPP) was investigated. The author implemented a model of the dissolution and release ofnitrogen gas in the CATHARE code; the model created by the CATHARE developers. In collaboration with VTT, an analytical experiment was performed with some components of PACTEL to determine, in particular, the value of the release time constant of the nitrogen gas in the depressurization conditions representative of the small and intermediate break transients postulated for the Loviisa NPP. Such transients, with simplified operating procedures, were calculated using the modified CATHARE code for various values of the release time constant used in the dissolution and release model. For the small breaks, nitrogen gas is trapped in thecollectors of the SGs in rather large proportions. There, the levels oscillate until the actuation of the low-pressure injection pumps (LPIS) that refill the primary circuit. In the case of the intermediate breaks, most of the nitrogen gas is expelled at the break and almost no nitrogen gas is trapped in the SGs. In comparison with the cases calculated without taking into account the release of nitrogen gas, the start of the LPIS is delayed by between 1 and 1.75 h. Applicability of the obtained results to the real safety conditions must take into accountthe real operating procedures used in the nuclear power plant.

On Modelling, System Identification and Control of Servo-Systems with a Flexible Load

The present study was done with two different servo-systems. In the first system, a servo-hydraulic system was identified and then controlled by a fuzzy gainscheduling controller. The second servo-system, an electro-magnetic linear motor in suppressing the mechanical vibration and position tracking of a reference model are studied by using a neural network and an adaptive backstepping controller respectively. Followings are some descriptions of research methods. Electro Hydraulic Servo Systems (EHSS) are commonly used in industry. These kinds of systems are nonlinearin nature and their dynamic equations have several unknown parameters.System identification is a prerequisite to analysis of a dynamic system. One of the most promising novel evolutionary algorithms is the Differential Evolution (DE) for solving global optimization problems. In the study, the DE algorithm is proposed for handling nonlinear constraint functionswith boundary limits of variables to find the best parameters of a servo-hydraulic system with flexible load. The DE guarantees fast speed convergence and accurate solutions regardless the initial conditions of parameters. The control of hydraulic servo-systems has been the focus ofintense research over the past decades. These kinds of systems are nonlinear in nature and generally difficult to control. Since changing system parameters using the same gains will cause overshoot or even loss of system stability. The highly non-linear behaviour of these devices makes them ideal subjects for applying different types of sophisticated controllers. The study is concerned with a second order model reference to positioning control of a flexible load servo-hydraulic system using fuzzy gainscheduling. In the present research, to compensate the lack of dampingin a hydraulic system, an acceleration feedback was used. To compare the results, a pcontroller with feed-forward acceleration and different gains in extension and retraction is used. The design procedure for the controller and experimental results are discussed. The results suggest that using the fuzzy gain-scheduling controller decrease the error of position reference tracking. The second part of research was done on a PermanentMagnet Linear Synchronous Motor (PMLSM). In this study, a recurrent neural network compensator for suppressing mechanical vibration in PMLSM with a flexible load is studied. The linear motor is controlled by a conventional PI velocity controller, and the vibration of the flexible mechanism is suppressed by using a hybrid recurrent neural network. The differential evolution strategy and Kalman filter method are used to avoid the local minimum problem, and estimate the states of system respectively. The proposed control method is firstly designed by using non-linear simulation model built in Matlab Simulink and then implemented in practical test rig. The proposed method works satisfactorily and suppresses the vibration successfully. In the last part of research, a nonlinear load control method is developed and implemented for a PMLSM with a flexible load. The purpose of the controller is to track a flexible load to the desired position reference as fast as possible and without awkward oscillation. The control method is based on an adaptive backstepping algorithm whose stability is ensured by the Lyapunov stability theorem. The states of the system needed in the controller are estimated by using the Kalman filter. The proposed controller is implemented and tested in a linear motor test drive and responses are presented.

On sliding mode control ofhydraulic servo systems and a manipulator

The aim of the study is to developa novel robust controller based on sliding mode control technique for the hydraulic servo system with flexible load and for a flexible manipulator with the lift and jib hydraulic actuators. For the purpose of general control design, a dynamic model is derived describing the principle physical behavior for both the hydraulic servo system and the flexible hydraulic manipulator. The mechanism of hydraulic servo systems is described by basic mathematical equations of fluid powersystems and the dynamics of flexible manipulator is modeled by the assumed modemethod. The controller is constructed so as to track desired trajectories in the presence of model imprecision. Experimental and simulation results demonstratethat sliding mode control has benefits which can be used to guarantee stabilityin uncertain systems and improve the system performance and load tolerance.

Kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen simulointi

Diplomityössä tutkittiin kaupallisen monikappaledynamiikkaohjelmiston soveltuvuutta kiinnirullaimen dynamiikan ja värähtelyjen tutkimiseen. Erityisen kiinnostuneita oltiin nipin kuvauksesta sekä nipissä tapahtuvista värähtelyistä. Tässä diplomityössä mallinnettiin kiinnirullaimen ensiö- ja toisiokäytöt sekä tampuuritela. Malli yhdistettiin myöhemmin Metso Paper Järvenpäässä rinnakkaisena diplomityönä tehtyyn malliin, joista muodostui kahteen ratkaisijaan perustuva simulointimalli. Simulointimalli rakennettiin käyttämään kahta erillistä ratkaisijaa, joista toinen on mekaniikkamallin rakentamisessa käytetty ADAMS-ohjelmisto ja toinen säätöjärjestelmää ja hydraulipiirejä kuvaava Simulink-malli. Nipin mallintamiseksi tampuuritela ja rullaussylinteri mallinnettiin joustaviksi käyttäen keskitettyjen massojen menetelmää. Siirtolaitteissa sekä runkorakenteissa tapahtuvat joustot kuvattiin yhden vapausasteen jousi-vaimennin voimilla kuvattuina järjestelminä. Tässä diplomityössä on myös keskitytty esittelemään ADAMS-ohjelmiston toimintaa ohjeistavasti sekä käsittelemään parametrisen mallintamisen etuja. Työssä havaittiin monikappaledynamiikan soveltuvuus kiinnirullaimen dynamiikan sekä dynaamisten voimien aiheuttamien värähtelyjen tutkimiseen. Suoritetuista värähtelymittauksista voitiin tehdä vain arvioita. Mallin havaittiin vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.