Virtuaaliprototyypin käyttö roottorin dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikansimulointiohjelmiston soveltuvuus roottoridynamiikan analysointiin. Työssä keskityttiin erityisesti roottorin dynamiikkaan vaikuttavien epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointitulosten tarkkuutta selvitettiin mittauksilla. Lisäksi vertailtiin yleiskäyttöisen dynamiikan simulointiohjelmiston ja roottoridynamiikan erikoisohjelmiston teoriaa. Tutkittava roottori oli paperikoneen putkitela. Telan joustavuus kuvattiin elementtimenetelmällä ratkaistujen moodien avulla. Elementtimallissa huomioitiin telan vaipan seinämänpaksuusvaihtelu, joka vaikuttaa telan massa- ja jäykkyysjakaumaan. Dynamiikkaohjelmistossa mallinnettiin telan tuennasta tulevat herätteet. Dynamiikkaohjelmistona käytettiin ADAMS:ia ja FEM-ohjelmana ANSYS:stä. Tuloksista havaittiin käytetyn menetelmän soveltuvan roottoridynamiikan analysointiin ja roottorin epäideaalisuuksien mallintamiseen. Simulointimallilla saatiin esille murtolukukriittiset pyörimisnopeudet ja telan kriittinen pyörimisnopeus vastasi hyvin mittaustuloksia.

Virtuaaliprototyypin käyttö kallioporakoneen dynamiikan analysoinnissa

Työn tavoitteena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston soveltuvuus kallioporakoneen dynamiikan analysointiin. Työssä mallinnettiin parametrisoitu virtuaaliprototyyppi uudenlaisella toimintaperiaatteella toimivasta kallioporakoneesta. Virtuaaliprototyyppiä on tarkoitus käyttää fyysisen prototyypin mitoituksessa sekä porakoneen toiminnan simuloinnissa ja suorituskyvyn arvioinnissa ennen ensimmäisen fyysisen prototyypin valmistamista. Mallinnus tehtiin ADAMS -ohjelmistoa ja siihen liitettävää ADAMS/Hydraulics -moduulia käyttäen. Mallinnuksessa kiinnitettiin huomiota erityisesti porakoneessa esiintyvien vuotovirtauksien huomioimiseen. ADAMS -ohjelmisto soveltuu hyvin hydraulisen iskuporakoneen dynaamisten ilmiöiden simulointiin. Koska fyysistä prototyyppiä ei ole vielä olemassa, ei mallin toimintaa voida kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa verifioida mittauksin. Simuloitujen tulosten perusteella voidaan todeta uuden toimintaperiaatteen olevan käyttökelpoinen kallion poraukseen. Parametrisoitua virtuaaliprototyyppiä voidaan käyttää tehokkaasti hyväksi tuotekehitysvaiheessa sekä se voidaan liittää osaksi laajempaa ja yksityiskohtaisempaa porauslaitteen simulointimallia.

Kaukolämpöverkoston laskentaohjelmiston uudistaminen

Diplomityön tavoitteena on kehittää Komartek Oyj:n kaukolämpöverkoston laskentaohjelmistoa. Tarkoituksena on kehittää laskentaohjelmiston nykyisiä ominaisuuksia sekä lisätä ohjelmistoon uusia ominaisuuksia. Diplomityön alussa tutustuttiin laskentaohjelmistoon ja sen toiminta raportointiin. Tämän jälkeen aloitettiin uusien ominaisuuksien määrittäminen ja lisääminen ohjelmistoon. Diplomityössä käsitellään kaukolämpöverkoston virtauslaskennan teoriaa yleisesti sekä kaukolämpöverkostossa olevien laskennallisten elementtien huomioiminen verkostolaskennnassa.

Analysis of Crankshaft Using Multibody Dynamics

Työn tavoitteena oli löytää tarkka menetelmä kampiakselin vaurioitumisriskin laskentaan vertailemalla eri laskentamenetelmiä. Lopuksi suoritettiin simulointi monikappalejärjestelmälle käyttäen elastisia malleja todellisista rakenteista. Simulointiohjelmana käytettiin AVL:n kehittämää Excite:ia.

Monikappalesysteemin esikäsittelijä kaupallisessa ympäristössä

Työn tavoitteena oli tehdä monikappalesysteemin esikäsittelijä, joka toimii CAD-ohjelmiston yhteydessä. CAD-ohjelmistoksi valittiin SolidWorks-ohjelmisto. Esikäsittelijästä tehtiin yhteensopiva monikappaledynamiikan simulointi ohjelmiston kanssa, joka on kehitetty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa. Aikaansaadun esikäsittelijän avulla pystytään tuottamaan monikappaledynamiikan simuloinnissa tarvittavat lähtötiedot. Lähtötiedot esikäsittelijä laskee käyttäjän tekemästä kokoonpanokuvasta ja käyttäjän antamista tiedoista. Esikäsittelijän toiminta verifioitiin kaupallisin simulointiohjelmisto ADAMS:n avulla. Esikäsittelijän todettiin toimivan luotettavasti ja täyttävän sille asetetut vaatimukset. Lisäksi esikäsittelijän todettiin nopeuttavan huomattavasti simulointimallien tekoa.

Siltanosturin mallinnusmenetelmien kehittäminen

Työn tarkoituksena oli selvittää kaupallisen dynamiikan simulointiohjelmiston (Adams) soveltuvuus siltanosturin mallintamiseen. Työn kohteena oli kaksipalkkinen siltanosturi, joka sijaitsi KCI:n tiloissa Hyvinkäällä. Nosturin jänneväli oli noin 19.5 metriä ja nostokyky 16 tonnia. Mallintamisessa keskityttiin nosturin dynamiikkaan sekä ohjausvoimiin nosturin kantopyörissä. Simulointitulokset verifioitiin mittauksin. Koska mallista haluttiin mahdollisimman yksinkertainen, mallinnettiin ainoastaan pääkannattajat ja köydet joustavina. Muut osat mallinnettiin jäykkinä. Yksinkertaisuuteen pyrittiin sen vuoksi, että mallia oli tarkoitus käyttää perustana komponenttikirjaston luomiseksi myöhempää käyttöä varten. Tuloksista todettiin mallin soveltuvan hyvin nosturin dynamiikan mallintamiseen. Mallista saatavat tulokset vastasivat hyvin mitattuja liikkeitä. Ohjausvoimia ei kuitenkaan saatu verifioitua. Käytetty mittausmenetelmä osoittautui sopimattomaksi.

Prosessihyötysuhteen parantamiskohteiden kartoitus painevesireaktorityyppisessä ydinvoimalaitoksessa

Työn tavoitteena on kartoittaa painevesireaktorityyppisen ydinvoimalaitoksen prosessihyötysuhteen parantamiskohteita. Aluksi kirjallisuudesta etsitään hyötysuhteen parantamiskeinoja ideaalisessa höyryvoimalaitosprosessissa. Näistä valitaan sopivimmat tarkastelun kohteeksi todellisessa voimalaitoksessa: syöttöveden esilämmityksen tehostaminen väliottohöyryvirtausta kasvattamalla ja syöttöveden esilämmittimen lämmönsiirtopintaa lisäämällä. Tarkastelussa pyritään löytämään paras mahdollinen hyötysuhde väliottohöyrylinjojen putkikokoa sekä esilämmittimien putkien lukumäärää muuttamalla. Diskreetin optimoinnin iteraatioaskel määritetään hyötysuhteen osittaisderivaattojen avulla. Tehtäviä muutoksia simuloidaan APROS-simulointiohjelmalla, jossa käytetään Loviisan voimalaitoksesta tehtyä mallia VVER-440. Työssä havaittiin, että pelkkiä väliottohöyrylinjojen putkikokoja – ja massavirtaa – kasvattamalla Loviisan voimalaitoksen hyötysuhdetta voidaan parantaa parhaimmillaan 32,75%:sta 32,85%:iin. Syöttöveden esilämmittimien lämmönsiirtopintaa lisäämällä saadaan suurempi parannus hyötysuhteeseen: 32,75%:sta 32,99%:iin. Näissä tapauksissa muutettiin kaikkia väliottohöyrylinjoja tai syöttöveden esilämmittimien lämpöpintoja. Työssä tarkasteltiin myös joitakin pienempiä muutoskohteita, joista paras hyötysuhteen kasvu saatiin korkeapaine-esilämmittimien lämmönsiirtopintaa kasvattamalla sekä toisen väliottohöyrylinjan (RD12) ja sitä vastaavan syöttöveden esilämmittimen muutosten yhteisvaikutuksena.

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Päivittäistavaravaraston keräystyön simulointi

Varastotuotannon keskeinen osa on keräystyö, joka edustaa joissain tapauksissa jopa 50 % logistiikan kustannuksista. Jo pienelläkin tehostamisella päästään huomattaviin säästöihin. Keräystyö on kuitenkin yksinkertaisesta perusajatuksesta huolimatta usein monimutkaisen prosessin osa, joka on vahvasti riippuvainen tietojärjestelmistä ja toimintamalleista. Tässä diplomityössä rakennetaan kaupan alan logistiikkapalvelujen tuottajalle simulaatio-ohjelmisto, jolla on mahdollista tutkia tietojärjestelmän tiettyjen parametrien ja varaston layoutin ja artikkelinsijoittelun vaikutuksia keräystyöhön. Työssä tarkastellaan myös tilaajayrityksen varaston uudelleen organisoinnin yhteydessä tehtyjen simulaatioiden tuloksia ja verrataan niitä käytännön toteutuneeseen tilanteeseen. Varaston uudelleen organisoinnin yhteydessä tehdyt simulaatiot osoittavat, että simulaatio-ohjelmistolla voidaan simuloida tilaajayrityksen varaston keräyseriä ja -lenkkejä kohtalaisen tarkasti, kun varaston artikkeleja siirretään keräysalueelta toiselle. Simulaattorilla oli mahdollista arvioida keräyserien tunnuslukujen muutosta ja keräysmatkojen muutoksia. Työn tilaajayrityksessä tehtiin simulaation tuottamien keräyserän rakenteiden ja suoritteiden muutosten pohjalta päätös kahden eri artikkelisijoittelu vaihtoehdon välillä. Muutoksen jälkeen mitatut tulokset osoittautuivat keräysaluekohtaisesti hyvin samansuuntaisiksi, kuin simulaattorin tuottamat tulokset.

Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Simulations of 3D Stripixel Detectors

Large Hadron Collider (LHC) is the main particle accelerator at CERN. LHC is created with main goal to search elementary particles and help science investigate our universe. Radiation in LHC is caused by charged particles circular acceleration, therefore detectors tracing particles in existed severe conditions during the experiments must be radiation tolerant. Moreover, further upgrade of luminosity (up to 1035 cm-2s-1) requires development of particle detector’s structure. This work is dedicated to show the new type 3D stripixel detector with serious structural improvement. The new type of radiation-hard detector has a three-dimensional (3D) array of the p+ and n+ electrodes that penetrate into the detector bulk. The electrons and holes are then collected at oppositely biased electrodes. Proposed 3D stripixel detector demonstrates that full depletion voltage is lower that that for planar detectors. Low depletion voltage is one of the main advantages because only depleted part of the device is active are. Because of small spacing between electrodes, charge collection distances are smaller which results in high speed of the detector’s response. In this work is also briefly discussed dual-column type detectors, meaning consisting both n+ and p+ type columnar electrodes in its structure, and was declared that dual-column detectors show better electric filed distribution then single sided radiation detectors. The dead space or in other words low electric field region in significantly suppressed. Simulations were carried out by using Atlas device simulation software. As a simulation results in this work are represented the electric field distribution under different bias voltages.

Aaltovoimalaitteen toimintaperiaatteen analysointi

Diplomityö tehtiin Wello Oy:n toimeksiannosta. Wello Oy on vesi- ja tuulivoimaratkaisuihin keskittynyt yritys, joka kehittää aaltovoimalaitekonseptia. Työssä selvitettiin aaltovoimaan liittyviä ilmiöitä ja aaltovoimalaitteen mekaanista konseptia ja tehtiin arvio niiden tehokkuudesta. Työssä käytettiin kaupallisia simulointityökaluja kuten monikappaledynamiikan simulointiohjelmaa MSC.ADAMS R3:a ja yleistä matematiikka ohjelmaa Matlab Simulink:ia. Simulointimallia käytettiin arvioimaan laitteen yleistä käyttäytymistä. Lisäksi laitteen analyyttisiä malleja käytettiin laitteen toimintaperiaatteen selvitykseen. Simulointia käytettiin kelluvan laitteen mekanismin tutkimukseen. Tuloksiin pohjautuen laitteelle määriteltiin teoreettiset maksimiteho rajat ja rajoitteet, jotka vaikuttavat laitteen tehokkuuteen.

Dieselmoottorin esisuunnittelun kehittäminen simuloimalla

Diplomityö tehtiin Wärtsilä Finland Oy:n toimeksiannosta. Työ kohdistui yrityksen suunnittelemien keskinopeudella pyörivien nelitahti dieselmoottoreiden esisuunnittelun kehittämiseen. Esisuunnittelun osuus koko tuotesuunnittelussa on merkittävä, minkä vuoksi esisuunnitteluprosessin tehostaminen vaikuttaa koko tuotesuunnitteluprosessiin ja sen lopputuloksiin. Tällä hetkellä esisuunnitteluprosessi on jakautunut useaan eri vaiheeseen ja eri tiimeille, mikä aiheuttaa ongelmia esisuunnittelun läpiviemisessä. Työn tavoitteena oli tutkia nykyaikaisen kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta kohdeyrityksessä esisuunnitteluprosessin eri vaiheiden yhdistämiseen. Työssä selvitettiin esisuunnittelun alussa käytettäviä suunnitteluparametreja, ja niiden hyödyntämistä suunniteltaessa simulointimallia kaupalliseen ohjelmistoon. Vaatimuksena oli, että ohjelmiston on toimittava parametreilla, jotka jo nyt ovat yrityksessä käytössä. Lisäksi simulointimallin antamat tulokset oli oltava hyödynnettävissä yksiselitteisesti yrityksen myöhemmissä tuotesuunnitteluvaiheissa. Myös mallin luomiseen tarvittavien parametrien määrä tuli pitää mahdollisimman pienenä. Esisuunnittelumallin toteuttamisessa tutkittiin kaupallisen AVL Excite Designer - ohjelmiston soveltuvuutta. Ohjelmisto ei soveltunut täysin tuottamaan halutun muotoisia tuloksia annetuilla parametreilla. Ohjelmiston muokkaaminen vaatimuksia vastaavaksi osoittautui työmäärältään suureksi. Yhtenä ratkaisuna olisi kaupallisen ohjelmiston käyttämisen sijaan suunnitella kyseiseen ongelmaan paremmin soveltuva oma ohjelmisto, jolloin toimivuus ja pitkän tähtäimen käyttövarmuus paranisi.

Potentials of process intensification in the Finnish petrochemical industry

This research was motivated by the need to examine the potential application areas of process intensification technologies in Neste Oil Oyj. According to the company’s interest membrane reactor technology was chosen and applicability of this technology in refining industry was investigated. Moreover, Neste Oil suggested a project which is related to the CO2 capture from FCC unit flue gas stream. The flowrate of the flue gas is 180t/h and consist of approximately 14% by volume CO2. Membrane based absorption process (membrane contactor) was chosen as a potential technique to model CO2 capture from fluid catalytic cracking (FCC) unit effluent. In the design of membrane contactor, a mathematical model was developed to describe CO2 absorption from a gas mixture using monoethanole amine (MEA) aqueous solution. According to the results of literature survey, in the hollow fiber contactor for laminar flow conditions approximately 99 % percent of CO2 can be removed by using a 20 cm in length polyvinylidene fluoride (PDVF) membrane. Furthermore, the design of whole process was performed by using PRO/II simulation software and the CO2 removal efficiency of the whole process obtained as 97 %. The technical and economical comparisons among existing MEA absorption processes were performed to determine the advantages and disadvantages of membrane contactor technology.