Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.

Scaling analysis of small break experiments in PACTEL

The purpose of this thesis is to study the scalability of small break LOCA experiments. The study is performed on the experimental data, as well as on the results of thermal hydraulic computation performed on TRACE code. The SBLOCA experiments were performed on PACTEL facility situated at LUT. The temporal scaling of the results was done by relating the total coolant mass in the system with the initial break mass flow and using the quotient to scale the experiment time. The results showed many similarities in the behaviour of pressure and break mass flow between the experiments.

Pulssitettu laserablaatio mikrofluidisten kanavistojen sarjatuotantomenetelmänä

Puolijohteiden yleistyttyä vuodesta 1948 alkaen, ovat elektroniset laitteet pienentyneet jatkuvasti tehojen kuitenkin kasvaessa. Kasvaneet tehotiheydet kuitenkin vaikeuttavat laitesuunnittelua, sillä puoljohdekomponenttien suorituskyvylle ja eliniälle on oleellista lämpötilojen ja lämpötilavaihteluiden minimointi. Perinteisen ilmajäähdytyksen lähestyessä rajojaan niin kokonaistehon kuin järkevän energiatehokkuudenkin suhteen, on parhaaksi seuraavaksi teknologiaksi ennustettu kaksifaasijäähdytystä, jonka suorituskyky ja energiatehokkuus ovat vaaditulla tasolla. Kaksifaasijäähdytyksen optimaaliselle toiminnalle tärkeää on hyvin suunniteltu ja tarkasti valmistettu lämmönsiirtopinta, jota kutsutaan mikrokanavistoksi. Pulssitettu laserkaiverrus on edistynyt valmistustekniikka, jonka tarkkuus ja luotettavuus sopisivat mikrokanavistojen valmistamiseen. Laserkaiverruksella saavutettavat lopputulokset vaihtelevat kuitenkin materiaalista riippuen ja kupari – jota käytetään yleisesti lämmönjohteena – on eräs huonoimmin lasertyöstöön reagoivista materiaaleista ja siksi on oleellista selvittää laser-kaiverruksen toimivuutta kuparisten mikrokanavistojen valmistuksessa. Pulssitetun laser-kaiverruksen eri variaatioista nanosekunti-luokan pulssinpituuksilla toimivat laitteet ovat jatkuvan tuotannon kannalta paras vaihtoehto niiden hyvän tuottavuuden, saatavuuden sekä kohtuullisen alkuinvestoinnin vuoksi. Käytännön kaiverruskokeiden perusteella selvisi, että menetelmä on laatunsa ja tarkkuutensa puolesta sopiva varsinaiseen tuotantoon. Kaiverruksen tehokkuus kuparia työstettäessä on kuitenkin ennakoituakin heikompi ja niin valmistus- kuin suunnitelu-prosessikin vaativat vielä jatkotutkimusta ja -kehitystä.

Patient-perceived health-related quality of life during recovery after total hip arthroplasty – a 6-month follow-up study

Potilaiden käsitys terveyteen liittyvästä elämänlaadusta lonkan tekonivelleikkauksen jälkeisenä toipumisaikana – kuuden kuukauden seurantatutkimus Tässä kaksivaiheisessa seurantatutkimuksessa tarkasteltiin potilaiden käsitystä terveyteen liittyvästä elämänlaadusta lonkan tekonivelleikkauksen jälkeisenä toipumisaikana. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa tarkoituksena oli sekä kuvailla potilaiden kokemuksia potilaana olosta, saamastaan hoidosta ja terveyspalveluorganisaatiosta että analysoida aikaisempien tutkimusten perusteella leikkauksen tuloksia potilaan kannalta. Toisessa vaiheessa tarkoituksena oli arvioida potilaiden kokemaa elämänlaatua leikkauksen jälkeen, ja sitä vaikuttivatko primaaritulokset (fyysinen toimintakyky, kipu, ahdistus) tai taloudelliset seuraukset (potilaiden itsensämaksamat kustannukset, palvelujen käyttö) terveyteen liittyvään elämänlaatuun. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää mahdolliset kriittiset ajankohdat tai tekijät, jotka saattavat hidastaa toipumista ja siten huonontaa potilaiden elämänlaatua. Tätä tietoa voidaan käyttää hoitotyössä kun suunnitellaan sopivaa hoitoa ja tukea toipumisajalle. Tutkimuksen ensimmäisessä vaiheessa primaarileikkaukseen tulevat potilaat (n = 17) kuvailivat teemahaastatteluissa kokemuksiaan kahdesti leikkauksen jälkeen. Haastatteluaineisto analysoitiin induktiivisella sisällönanalyysilla. Lisäksi 17 tutkimusartikkelista analysoitiin deduktiivisella sisällönanalyysilla leikkauksen tuloksia potilaalle, tuloksiin vaikuttavia tekijöitä ja käytetyt tutkimusmetodit. Toisessa vaiheessa primaari- tai revisioleikkaukseen tulevat potilaat (n = 100) arvioivat leikkauksen tuloksia kuuden kuukauden ajan leikkauksen jälkeen: terveyteen liittyvää elämänlaatua, primaarituloksia ja taloudellisia seurauksia. Aineisto kerättiin erilaisilla mittareilla: Sickness Impact Profile, Finnish Version, Stait-Trait Anxiety Inventory, ja Numeric Rating Scale. Lisäksi käytettiin tätä tutkimusta varten tehtyjä kyselylomakkeita: Fyysinen toimintakyky-mittari, Palvelujen käyttö-mittari ja Kustannusmittari. Tutkimuksen toiseen vaiheen tulokset analysoitiin tilastollisilla menetelmillä. Potilaiden terveyteen liittyvä elämänlaatu parani ja kipu lievittyi leikkauksen jälkeen ja fyysinen toimintakyky lisääntyi toipumisaikana. Positiivisista muutoksista huolimatta potilaat kokivat ahdistusta samassa määrin kuin ennen leikkaustakin. Palvelujen käyttö vaihteli toipumisajan kuluessa ja potilaiden maksamissa kustannuksissa oli suuria vaihteluita. Fyysisen toimintakyvyn lisääntyminen ja kivun lieveneminen paransivat terveyteen liittyvää elämänlaatua. Sen sijaan huonompi elämänlaatu toipumisaikana oli yhteydessä suurempaan palvelujen käyttöön, kun taas kustannuksilla ei ollut yhteyttä elämänlaatuun. Potilaiden ominaispiirteet tulisi ottaa enemmän huomioon suunniteltaessa sopivaa leikkauksenjälkeistä hoitoa ja tukea. Potilaat tarvitsevat yksilöllisiä ohjeita, sillä monet taustatekijät (esim. ikä, sukupuoli, preoperatiivinen kipu, siviilisääty, ja leikkaustyyppi) vaikuttavat toipumiseen.

Öljynjalostamon tyhjöyksikön esilämmitysuunin optimointi

Työn tarkoituksena oli vertailla kahta kaupallista prosessiuunisimulointiohjelmaa sekä selvittää onko toinen ohjelma soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön. Tavoitteena oli selvittää ohjelmien ominaisuuksien eroja ja rajoitteita sekä tuloksien yhdenmukaisuutta. Kirjallisuusosassa perehdyttiin prosessiuunien toimintaperiaatteisiin, yleisiin mitoitusperiaatteisiin ja säteilylämmönsiirron perusteisiin. Kirjallisuusosassa käsiteltiin myös prosessiuunien polttimien toimintaa ja NOx-päästöjä vähentäviä polttotekniikoita. Molemmilla laskentaohjelmilla laadittiin kuumaöljy- ja tyhjöuuni, joiden tuloksia vertailtiin tärkeimpien prosessiarvojen perusteella ja toisen ohjelman osalta myös laitevalmistajan ilmoittamiin arvoihin. Tällä ohjelmalla tutkittiin tyhjöuunin höyrynruiskutuksen ja koksaantumisen vaikutuksia prosessiin sekä säteilyosan leveyden muutoksen vaikutusta säteilylämmönsiirtoon. Ohjelmien ominaisuuksien keskeisimmät erot liittyivät kaksifaasivirtauksen laskentaan, prosessiaineen massavirran rajoituksiin, ilman esilämmittimen käyttöön ja laskentamallien paineen kontrollointiin. Tulokset erosivat savukaasun ja tuubien lämpötilojen ja painehäviön laskennassa. Tuloksien ja ominaisuuksien perusteella toisen ohjelman ei todettu olevan täysin soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön.

Virtauslaskennankäyttö keskipakopumpun eroosiokulumisen mallintamisessa

Diplomityössä kehitetään malli tiheän kaksifaasivirtauksen aiheuttaman eroosiokulumi-sen mallintamiseksi, ratkaistaan virtauskenttä kahdessa erilaisessa keskipakopumpussa, sovelletaan kehitettyä mallia, sekävertaillaan mallin antamia tuloksia käytännön kokeissa saavutettuihin tuloksiin. Työssä on erityisenä mielenkiinnon kohteena savukaasupesurin pumppu. Työn alkuosa sisältää tarkemman kuvauksen savukaasupesurin toi-minnasta. Numeerinen ratkaisu ja laskentahilan generointi suoritetaan ANSYS CFX- ja Turbo-Grid-ohjelmistoilla. Laskennassa virtauksen Navier-Stokesin yhtälöt on aikakeskiarvo-tettu ja ratkaistu käyttäen kontrollitilavuusmenetelmää. Tiheiden kaksifaasivirtausten eroosiokulumista on mallinnettu tekijän kehittämällä mallilla, jonka käytännön toteutus-ta ei kuitenkaan saateta julkiseksi, koodin kehittämisessä käytetty teoria on kuitenkin esitetty työssä. Työn piirissä tehtiin myös kulumiskokeita Sulzer Pumps Finlandin Karhulan tehtailla, sekä vertailtiin simuloinnin tuloksia aikaisemmissa kokeissa saavutettuihin. Koejärjestelyt kuvataan työssä.

Typpeä sisältävien jätevesien käsittely 2-n-PRO menetelmällä

Työssä tutkittiin kaksivaiheisen typenpoistoprosessin (2-N-PRO) soveltuvuutta Joutsenon Kukkuroinmäen aluejätekeskuksen kompostointilaitoksen jätevesille pilot-kokein 12.1.- 5.4.2006. Kompostilaitoksella on jätevesien esikäsittelytarve korkeista ammoniumtyppipitoisuuksista johtuen. Pilot-laitteisto koostuu sekoitussäiliöstä, strippaustornista ja katalyyttipolttimesta. Käsiteltävän jäteveden pH nostetaan korkealle tasolle, jolloin ammoniumtyppi muuttuu ammoniakiksi. Vesi johdetaan strippaustorniin, jossa se sadetetaan tornin pohjalle. Ammoniakki erottuu sadetuksessa ilmaan, joka imetään katalyyttipolttimelle. Katalyyttinen poltin käsittelee ammoniakkia typpikaasuksi. Pilot-kokeet suoritettiin jatkuvatoimisesti. Laitteisto pystyy erottamaan jätevedestä ammoniumtyppeä ammoniakiksi ja käsittelemään ammoniakin pääosin typpikaasuksi. Lisäksi suoritettiin panoskoe, jonka tulokset tukevat jatkuvatoimisesta käytöstä saatuja tuloksia.

Development of a PC Tool for Estimating Pressure Drops in Forced-convection Boiler Tubes

Kaksifaasivirtauksen kuvaamiseen käytettävät mallit, ja menetelmät kaksifaasivirtauksen painehäviön määrittämiseksi kehittyvät yhä monimutkaisimmiksi. Höyrystinputkissa tapahtuvien painehäviöiden arvioinnin vaatiman laskennan suorittamiseksi tietokoneohjelman kehittäminen on välttämätöntä. Tässä työssä on kehitetty itsenäinen PC-ohjelma painehäviöiden arvioimiseksi pakotetulle konvektiovirtaukselle pystysuorissa höyrykattilan höyrystinputkissa. Veden ja vesihöyryn aineominaisuuksien laskentaan käytetään IAPWS-IF97 –yhtälökokoelmaa sekä muita tarvittavia IAPWS:n suosittelemia yhtälöitä. Höyrystinputkessa kulloinkin vallitsevan virtausmuodon määrittämiseen käytetään sovelluskelpoisia virtausmuotojen välisiä rajoja kuvaavia yhtälöitä. Ohjelmassa käytetään painehäviön määritykseen kirjallisuudessa julkaistuja yhtälöitä, virtausmuodosta riippuen, alijäähtyneelle virtaukselle, kupla-, tulppa- ja rengasvirtaukselle sekä tulistetun höyryn virtaukselle. Ohjelman laskemia painehäviöarvioita verrattiin kirjallisuudesta valittuihin mittaustuloksiin. Laskettujen painehäviöiden virhe vaihteli välillä –19.5 ja +23.9 %. Virheiden itseisarvojen keskiarvo oli 12.8 %.

DTC-OHJATUN TAHTIKONEKÄYTÖN PYÖRIMISNOPEUSSÄÄDÖN ANALYYSI INTEGROIDUN SIMULOINTIMALLIN AVULLA

Työssä rakennettiin integroitu simulointimalli sähkökäytölle, jonka mekaniikka koostuu joustava-akselisesta kaksimassa systeemistä. Lisäksi tarkasteltiin kyseiselle sähkökäytölle ominaisia piirteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia eri sovelluksissa, sekä tutkittiin teollisuudessa yleisesti esiintyvän pyörimisnopeussäädön, PI-säädön, parametrien vaikutusta kyseisen mekaniikan omaaviin sähkökäyttöihin. Taajuusmuuttajalle kehiteltiin yksinkertaistettu simulointimalli, jolla pystytään pienentämään merkittävästi simuloinnin laskenta-aikaa. Vääntövärähtelyiden kompensointiin tutkittiin optimaalista tilasäätöä, jossa Kalman suotimella estimoidaan systeemin tilojen lisäksi myös kuormamomentti ja jossa nopeussäätö suunnitellaan lineaarisella neliöllisellä menetelmällä (Linear Quadratic).

Interfacing Health Care Information Systems Design and Implementation

Terveydenhuollossa käytetään nykyisin informaatioteknologian (IT) mahdollisuuksia parantamaan hoidon laatua, vähentämään hoitoon liittyviä kuluja sekä yksinkertaistamaan ja selkeyttämään laakareiden työnkulkua. Tietojärjestelmät, jotka edustavat jokaisen IT-ratkaisun ydintä, täytyy kehittää täyttämään lukuisia vaatimuksia, ja yksi niistä on kyky integroitua saumattomasti toisten tietojärjestelmien kanssa. Järjestelmäintegraatio on kuitenkin yhä haastava tehtävä, vaikka sita varten on kehitetty useita standardeja. Tässä työssä kuvataan vastakehitetyn lääketieteellisen tietojärjestelmän liittymäratkaisu. Työssä pohditaan vaatimuksia, jotka tällaiselle sovellukselle asetetaan, ja myös tapa, jolla vaatimukset toteutuvat on esitetty. Liittymaratkaisu on jaettu kahteen osaan, tietojärjestelmaliittymään ja "liittymakoneeseen" (interfacing engine). Edellinen on käsittää perustoiminnallisuuden, jota tarvitaan vastaanottamaan ja lähettämään tietoa toisiin järjestelmiin, kun taas jälkimmäinen tarjoaa tuen tuotantoympäristössa käytettäville standardeille. Molempien osien suunnitelu on esitelty perusteellisesti tässä työssä. Ongelma ratkaistiin modulaarisen ja geneerisen suunnittelun avulla. Tämä lähestymistapa osoitetaan työssä kestäväksi ja joustavaksi ratkaisuksi, jota voidaan käyttää tarkastelemaan laajaa valikoimaa liittymäratkaisulle asetettuja vaatimuksia. Lisaksi osoitetaan kuinka tehty ratkaisu voidaan joustavuutensa ansiosta helposti mukauttaa vaatimuksiin, joita ei ole etukäteen tunnistettu, ja siten saavutetaan perusta myös tulevaisuuden tarpeille

ADVANCED NUMERICAL METHODS FOR SIMULATING MICROBUBBLE IN AN AERATED MIXING TANK

Fluid mixing in mechanically agitated tanks is one of the major unit operations in many industries. Bubbly flows have been of interest among researchers in physics, medicine, chemistry and technology over the centuries. The aim of this thesis is to use advanced numerical methods for simulating microbubble in an aerated mixing tank. Main components of the mixing tank are a cylindrical vessel, a rotating Rushton turbine and the air nozzle. The objective of Computational Fluid Dynamics (CFD) is to predict fluid flow, heat transfer, mass transfer and chemical reactions. The CFD simulations of a turbulent bubbly flow are carried out in a cylindrical mixing tank using large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF) method. The Rushton turbine induced flow is modeled by using a sliding mesh method. Numerical results are used to describe the bubbly flows in highly complex liquid flow. Some of the experimental works related to turbulent bubbly flow in a mixing tank are briefly reported. Numerical simulations are needed to complete and interpret the results of the experimental work. Information given by numerical simulations has a major role in designing and scaling-up mixing tanks. The results of this work have been reported in the following scientific articles: ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Large eddy simulations and PIV experiments of a two-phase air-water mixer, in Proceedings of ASME Fluids Engineering Summer Conference (2005). ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Dynamical States of Bubbling in an Aerated Stirring Tank, submitted to J. Computational Physics.

Mittausmenetelmien kehittaminen kuplakolonnille

Kuplakolonnireaktoreiden CFD-mallinnus on talla hetkella voimakkaasti kehittyva tutkimusalue. Kaksifaasivirtauksen luotettava simulointi ja mallintaminen on haastavaa kuplakolonnireaktorissa tapahtuvien ilmioiden monimutkaisuuden vuoksi. Reaktorin kayttaytymiseen vaikuttavat tekijat, kuten kolonnin hydrodynamiikka ja aineensiirto, tulee tuntea hyvin ennen mallien tekoa. Tassa tyossa on kokeellisesti tutkittu erilaisten mittausmenetelmien soveltuvuutta kuplakolonnin hydrodynamiikan tutkimiseen. Mittausmenetelmissa on keskitytty erityisesti CFD-mallien vaatimiin paikallisiin mittauksiin. Lisaksi tyossa on arvioitu mittausmenetelmien soveltuvuutta j a luotettavuutta CFD-mallien validointiin. Tyon kirjallisuusosassa on perehdytty kuplakolonnireaktorin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen ja siihen vaikuttaviin tekijoihin. Naita ovat mm. reaktorityypit, kaasun dispergointi, virtaustyypit ja -alueet, kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko ja kuplan nousunopeus. Mittauksia tehtiin kahdessa erikokoisessa kuplakolonnissa, joista pienemman halkaisija oli 0,078 m ja suuremman 0,182 m. Molempien kolonnien nestepinnan korkeus oli 4,62 m. Mittaukset tehtiin vesijohtovedella ja epaorgaanisella prosessiliuoksella. Hydrodynaamisista ominaisuuksista mitattiin kaasun tilavuusosuus, kaasukuplan koko seka kaasukuplan nousunopeus. Kaasun tilavuusosuusmittaukset tehtiin paaasiassa paine-eromittauksella ja joissakin tapauksissa pinnanmittausmenetelmalla. Kuplakoko- ja kuplan nousunopeusmittaukset tehtiin suumopeusvideokameralla ja laser Doppler-anemometrilla. Mittauksissa kaytettiin kahdeksaa erilaista kaasunjakolaitetta, joilla selvitettiin kaasunjakolaitteen ominaisuuksien vaikutusta kolonnin hydrodynamiikkaan. Tuloksista havaittiin, etta nestefaasin ominaisuuksilla oli suuri vaikutus kolonnin hydrodynaamiseen kayttaytymiseen. En kaasunjakolaitteilla vesijohtovedella mitatut hydrodynaamiset ominaisuudet eivat poikenneet paljoa toisistaan, kun taas prosessiliuoksella kaasunjakolaitteiden valille saatiin huomattavat erot. Mittausmenetelmista laser Doppler-anemometri ei kaytettavissa olleella optiikalla soveltunut kaasukuplien mittaamiseen. Kuplat olivat menetelmalle liian suuria. Suumopeusvideokamerallaja paine-eromittauksella paastiin hyviin tuloksiin.

ELEKTRONIIKKATEHTAAN PAIKALLISESTIVALMISTETTUJEN KOMPONENTTIEN HANKINTAKETJUN KEHITTÄMINEN

Varastojen vähentämiseksi ehdotetaan usein eräkokojen pienentämistä. Tämä sopii sellaiseen toimintaympäristöön, jossa voidaan ostaa nimikkeitä oman valmistuksen ja myynnin tahdissa. Kun kiihkeärytmisessä elektroniikkabisneksessä alihankkijoilta ja varustetoimittajilta sitovasti tilataan hyvin lyhyellä toimitusajalla, ei oston eräkokojen pienentäminen kevennä materiaalivirtaa. Täytyy ottaa löysät pois hankintaketjun toimitusajoista. Monessa toimitusketjussa jalostava työ vaatii vain murto-osan toimitusajasta, ja loppuaika kuluu varastoissa odotteluun, kuljettamiseen ja moninkertaiseen tarkastamiseen. Hukka-ajan leikkaamisen ohessa haetaan muita kustannussäästöjä. Korkeiden työvoimakustannusten rasittama teollisuus on pyrkinyt teknisillä ratkaisuilla korvaamaan palkkatyövoiman erilaisilla mekaanisilla järjestelmillä. Pisimmällä ollaan pienerä- ja yksittäisvalmistusta harjoittavissa konepajoissa, joissa on investoitu FM-järjestelmiin. Diplomityössä on esitetty kaksi nivoutuvaa tutkimusprojektia, joista ensimmäinen keskittyy miehittämättömän käytön kehittämiseen ja toinen keventää hankintaketjun materiaalivirtaa. Ensin esiteltävä projekti on elektroniikkateollisuudelle uusi aluevaltaus. Siksi asiassa on jouduttu tekemään runsaasti perustutkimusta ja etenemään etappi kerrallaan. Projektin tuloksena on saatu aikaan automaattinen, joustava kuljetin, joka yksinään pystyy toimimaan ilman työvoimaa niin pitkään kunnes sen akut pitää ladata. Joustavan kuljettimen sisältävän järjestelmän muita elementtejä ei projektissa nostettu samalle miehittämättömän käytön tasolle, vaan ensin päätettiin hankkia kokemuksia kuljettimen toiminnasta. Toinen projekti syventää yhteistyötä yrityksen alihankkijan kanssa. Alihankkija on yksi harvojen Suomesta hankittavien komponenttien toimittaja. Siksi on pidetty tärkeänä tiivistää toimitusaikaa lähemmäs yrityksen sitovan tilauskannan pituutta. Tutkittavaksi valittiin mahdollisuus siirtää alihankkijan tuotantolaite yrityksen välittömään läheisyyteen, jolloin yrityksen tuotanto voisi tilata komponenttierän alihankkijan koneelta, kun se lähtötilanteessa tilataan komponenttivarastosta. Ennusteen perusteella tilattaisiin vain raaka-aine, mutta arvoa lisäävä työ tehtäisiin vain ja ainoastaan tilauksen mukaisesti.