On the Reversed Brayton Cycle with High Speed Machinery

This work was carried out in the laboratory of Fluid Dynamics, at Lappeenranta University of Technology during the years 1991-1996. The research was a part of larger high speed technology development research. First, there was the idea of making high speed machinery applications with the Brayton cycle. There was a clear need to deepen theknowledge of the cycle itself and to make a new approach in the field of the research. Also, the removal of water from the humid air seemed very interesting. The goal of this work was to study methods of designing high speed machinery to the reversed Brayton cycle, from theoretical principles to practical applications. The reversed Brayton cycle can be employed as an air dryer, a heat pump or a refrigerating machine. In this research the use of humid air as a working fluid has an environmental advantage, as well. A new calculation method for the Braytoncycle is developed. In this method especially the expansion process in the turbine is important because of the condensation of the water vapour in the humid air. This physical phenomena can have significant effects on the level of performance of the application. Also, the influence of calculating the process with actual, achievable process equipment efficiencies is essential for the development of the future machinery. The above theoretical calculations are confirmed with two different laboratory prototypes. The high speed machinery concept allows one to build an application with only one rotating shaft including all the major parts: the high speed motor, the compressor and the turbine wheel. The use of oil free bearings and high rotational speed outlines give several advantages compared to conventional machineries: light weight, compact structure, safe operation andhigher efficiency at a large operational region. There are always problems whentheory is applied to practice. The calibrations of pressure, temperature and humidity probes were made with care but still measurable errors were not negligible. Several different separators were examined and in all cases the content of the separated water was not exact. Due to the compact sizes and structures of the prototypes, the process measurement was slightly difficult. The experimental results agree well with the theoretical calculations. These experiments prove the operation of the process and lay a ground for the further development. The results of this work give very promising possibilities for the design of new, commercially competitive applications that use high speed machinery and the reversed Brayton cycle.

Tilausten ajotavan tehostaminen Absorbex® –linjalla

Laminating Papers Oy:n PK1 Absorbex® -linjan hyötysuhde on alhainen muun muassa koska lajinvaihtoja joudutaan tekemään laminaattiteollisuuden tilausten luonteen vuoksi useita kertoja päivässä. Sen sijaan PK1:n toimituskyky ja asiakastyytyväisyys ovat hyvällä tasolla. Diplomityön tavoitteena oli selvittää mikä on Absorbex® –tuotepaletilla paras mahdollinen PK1:n lajien ajojärjestys ja tilausten syklityksen pituus toimituskykyä merkittävästi vaarantamatta. Pohjatietoina kirjallisuusosassa on esitetty laminaattiteollisuus ja sen asettamat odotukset PK1:lle raaka-ainetoimittajana. Kirjallisuusosassa on myös selvitetty kuinka nykyinen tilausten käsittely ja syklitys rakentuu PK1:llä. Kokonaiskustannusanalyysi antoi epärealistisen suuria eräkokoja lasketuille tilauksille eikä lajinvaihtojärjestystä pystytty toteuttamaan kauppamatkustajan ongelmanratkaisua käyttäen, joten kirjallisuusosassa on näitä aiheita käsitelty lyhyesti. Asiakastyytyväisyyttä on myöskin lyhyesti kuvattu PK1:n näkökulmasta. Kokeellisessa osassa mallinnettiin PK1:n nykyistä ajojärjestystä lajinvaihtosuureisiin ja -viiveisiin perustuvilla mittauksilla. Huokoisuus ja jauhinten asettaminen todettiin eniten aikaa kuluttaviksi lajinvaihtosuureiksi. Tasaiseen jauhinten säätötoimintaan perustuen kehitettiin uusi malli tilausten ajojärjestykselle. Syklin pituus sidottiin pesuväliin perustuen kokemuksiin, joiden mukaan tiettyjen lajien jälkeen oli paperikone pestävä. Yhtä lajia ajetaan pesuvälin aikana vain kerran ja täten uudella mallilla saatiin eliminoitua pois kuusi lajinvaihtoa jokaisesta syklistä. Malli lisää teoriassa kustannuskilpailukykyä vaarantamatta merkittävästi toimituskykyä ja sitä kautta asiakastyytyväisyyttä. Uutta mallia ehdotetaan testattavaksi ja sille on suunniteltu projektiorganisaatio ja toteutusaikataulu.

Data collection and criticality analysis for cost effective maintenance during the life cycle of a flue gas line

Työn tarkoituksena oli kerätä käyttövarmuustietoa savukaasulinjasta kahdelta suomalaiselta sellutehtaalta niiden käyttöönotosta aina tähän päivään asti. Käyttövarmuustieto koostuu luotettavuustiedoista sekä kunnossapitotiedoista. Kerätyn tiedon avulla on mahdollista kuvata tarkasti laitoksen käyttövarmuutta seuraavilla tunnusluvuilla: suunnittelemattomien häiriöiden lukumäärä ja korjausajat, laitteiden seisokkiaika, vikojen todennäköisyys ja korjaavan kunnossapidon kustannukset suhteessa savukaasulinjan korjaavan kunnossapidon kokonaiskustannuksiin. Käyttövarmuustiedon keräysmetodi on esitelty. Savukaasulinjan kriittisten laitteiden määrittelyyn käytetty metodi on yhdistelmä kyselytutkimuksesta ja muunnellusta vian vaikutus- ja kriittisyysanalyysistä. Laitteiden valitsemiskriteerit lopulliseen kriittisyysanalyysiin päätettiin käyttövarmuustietojen sekä kyselytutkimuksen perusteella. Kriittisten laitteiden määrittämisen tarkoitus on löytää savukaasulinjasta ne laitteet, joiden odottamaton vikaantuminen aiheuttaa vakavimmat seuraukset savukaasulinjan luotettavuuteen, tuotantoon, turvallisuuteen, päästöihin ja kustannuksiin. Tiedon avulla rajoitetut kunnossapidon resurssit voidaan suunnata oikein. Kriittisten laitteiden määrittämisen tuloksena todetaan, että kolme kriittisintä laitetta savukaasulinjassa ovat molemmille sellutehtaille yhteisesti: savukaasupuhaltimet, laahakuljettimet sekä ketjukuljettimet. Käyttövarmuustieto osoittaa, että laitteiden luotettavuus on tehdaskohtaista, mutta periaatteessa samat päälinjat voidaan nähdä suunnittelemattomien vikojen todennäköisyyttä esittävissä kuvissa. Kustannukset, jotka esitetään laitteen suunnittelemattomien kunnossapitokustannusten suhteena savukaasulinjan kokonaiskustannuksiin, noudattelevat hyvin pitkälle luotettavuuskäyrää, joka on laskettu laitteen seisokkiajan suhteena käyttötunteihin. Käyttövarmuustiedon keräys yhdistettynä kriittisten laitteiden määrittämiseen mahdollistavat ennakoivan kunnossapidon oikean kohdistamisen ja ajoittamisen laitteiston elinaikana siten, että luotettavuus- ja kustannustehokkuusvaatimukset saavutetaan.

Lämmöntalteenottokattilan dynaaminen simulointimalli

Työssä mallinnettiin kombivoimalaitoksen lämmöntalteenottokattila Apros-simulointiohjelmalla. Simulointimalli valmistettiin vastaamaan Helsingin Energian Vuosaari B:n voimalaitoksen lämmöntalteenottokattilaa, joka toimii kahdella painetasolla. Kattila on Foster Wheelerin valmistama. Ennen mallinnuksen aloittamista tutustuttiin laitoksen termodynamiikkaan, jolloin saatiin riittävä teoreettinen tieto koko laitoksen toiminnasta. Kattilan reunaehtoina ovat kaasuturbiiniprosessi ja laitoksen höyrykierto. Kaasuturbiini korvattiin laskentayhtälöillä, jotka antavat alkuarvot mm. savukaasun massavirralle ja lämpötilalle ennen kattilaa kaasuturbiinin tehon funktiona. Kattila liitetään höyrykiertoon tuorehöyry- ja syöttövesilinjasta, jolloin reunaehtoina annetaan lämpötilat ja paineet massavirroille. Valmistettua mallia testattiin ylösajo- ja kuormanmuutostilanteessa. Ylösajotilanteessa saatuja laskentatuloksia verrattiin todellisen laitoksen mittaustuloksiin, jolloin varmistuttiin simulointimallin oikeasta fysikaalisesta toiminnasta. Kuormanmuutostilanteissa kaasuturbiinin tehoa muutettiin ja samalla seurattiin kattilan reagointia muutostilanteessa. Kuormanmuutosmittauksessa varmistettiin vielä, että kattila reagoi kuormanmuutokseen oikealla tavalla, eikä muutos aiheuta kattilan toiminnalle haitallista värähtelyä.

Procurement, Quality and Productivity Enhancements and Manufacturing Strategy Formulation Applying Product Life Cycle Method

The objective of the thesis was to create a framework that can be used to define a manufacturing strategy taking advantage of the product life cycle method, which enables PQP enhancements. The starting point was to study synkron implementation of cost leadership and differentiation strategies in different stages of the life cycles. It was soon observed that Porter’s strategies were too generic for the complex and dynamic environment where customer needs deviate market and product specifically. Therefore, the strategy formulation process is based on the Terry Hill’s order-winner and qualifier concepts. The manufacturing strategy formulation is initiated with the definition of order-winning and qualifying criteria. From these criteria there can be shaped product specific proposals for action and production site specific key manufacturing tasks that they need to answer in order to meet customers and markets needs. As a future research it is suggested that the process of capturing order-winners and qualifiers should be developed so that the process would be simple and streamlined at Wallac Oy. In addition, defined strategy process should be integrated to the PerkinElmer’s SGS process. SGS (Strategic Goal Setting) is one of the PerkinElmer’s core management processes. Full Text: Null

Business Process Modeling in Software Requirements Engineering for Small and Medium Software Projects

Vaatimusmäärittelyn tavoitteena on luoda halutun järjestelmän kokonaisen, yhtenäisen vaatimusluettelon vaatimusten määrittämiseksi käsitteellisellä tasolla. Liiketoimintaprosessien mallintaminen on varsin hyödyllinen vaatimusmäärittelyn varhaisissa vaiheissa. Tämä työ tutkii liiketoimintaprosessien mallintamista tietojärjestelmien kehittämistä varten. Nykyään on olemassa erilaisia liiketoimintaprosessien mallintamiseen tarkoitettuja tekniikoita. Tämä työ tarkastaa liiketoimintaprosessien mallintamisen periaatteet ja näkökohdat sekä eri mallinnustekniikoita. Uusi menetelmä, joka on suunniteltu erityisesti pienille ja keskisuurille ohjelmistoprojekteille, on kehitetty prosessinäkökohtien ja UML-kaavioiden perusteella.

Integration of Economics into Life Cycle Assessment in the Finnish Pulp and Paper Industry

Taloudellisen laskennan yhdistäminen elinkaariarviointiin (LCA) on alkanut kiinnostaa eri teollisuuden aloja maailmanlaajuisesti viime aikoina. Useat LCA-tietokoneohjelmat sisältävät kustannuslaskentaominaisuuksia ja yksittäiset projektit ovat yhdistäneet ympäristö- ja talouslaskentamenetelmiä. Tässä projektissa tutkitaan näiden yhdistelmien soveltuvuutta suomalaiselle sellu- ja paperiteollisuudelle, sekä kustannuslaskentaominaisuuden lisäämistä KCL:n LCA-ohjelmaan, KCL-ECO 3.0:aan. Kaikki tutkimuksen aikana löytyneet menetelmät, jotka yhdistävät LCA:n ja taloudellista laskentaa, on esitelty tässä työssä. Monet näistä käyttävät elinkaarikustannusarviointia (LCCA). Periaatteessa elinkaari määritellään eri tavalla LCCA:ssa ja LCA:ssa, mikä luo haasteita näiden menetelmien yhdistämiselle. Sopiva elinkaari tulee määritellä laskennan tavoitteiden mukaisesti. Työssä esitellään suositusmenetelmä, joka lähtee suomalaisen sellu- ja paperiteollisuuden erikoispiirteistä. Perusvaatimuksena on yhteensopivuus tavanomaisesti paperin LCA:ssa käytetyn elinkaaren kanssa. Menetelmän yhdistäminen KCL-ECO 3.0:aan on käsitelty yksityiskohtaisesti.

Spectral Color Appearance Modeling

Kuvien laatu on tutkituimpia ja käytetyimpiä aiheita. Tässä työssä tarkastellaan värin laatu ja spektrikuvia. Työssä annetaan yleiskuva olemassa olevista pakattujen ja erillisten kuvien laadunarviointimenetelmistä painottaen näiden menetelmien soveltaminen spektrikuviin. Tässä työssä esitellään spektriväriulkomuotomalli värikuvien laadunarvioinnille. Malli sovelletaan spektrikuvista jäljennettyihin värikuviin. Malli pohjautuu sekä tilastolliseen spektrikuvamalliin, joka muodostaa yhteyden spektrikuvien ja valokuvien parametrien välille, että kuvan yleiseen ulkomuotoon. Värikuvien tilastollisten spektriparametrien ja fyysisten parametrien välinen yhteys on varmennettu tietokone-pohjaisella kuvamallinnuksella. Mallin ominaisuuksien pohjalta on kehitetty koekäyttöön tarkoitettu menetelmä värikuvien laadunarvioinnille. On kehitetty asiantuntija-pohjainen kyselymenetelmä ja sumea päättelyjärjestelmä värikuvien laadunarvioinnille. Tutkimus osoittaa, että spektri-väri –yhteys ja sumea päättelyjärjestelmä soveltuvat tehokkaasti värikuvien laadunarviointiin.

Financial Modeling to Support Organizational Control

Tutkimus tarkastelee taloudellisia mallintamismahdollisuuksia metsäteollisuuden liiketoimintayksikössä. Tavoitteena on suunnitella ja luoda taloudellinen malli liiketoimintayksikölle, jonka avulla sen tuloksen analysoiminen ja ennustaminen on mahdollista. Tutkimusta tarkastellaan konstruktiivisen tutkimusmenetelmän avulla. Teoreettinen viitekehys tarkastelee olemassa olevan informaation muotoilemista keskittyen tiedon jalostamisen tarpeisiin, päätöksenteon asettamiin vaatimuksiin sekä mallintamiseen. Toiseksi, teoria esittää informaatiolle asetettavia vaatimuksia organisatorisen ohjauksen näkökulmasta.Empiirinen tieto kerätään osallistuvan havainnoinnin avulla hyödyntäen epävirallisia keskusteluja, tietojärjestelmiä ja laskentatoimen dokumentteja. Tulokset osoittavat, että liikevoiton ennustaminen mallin avulla on vaikeaa, koska taustalla vaikuttavien muuttujien määrä on suuri. Tästä johtuen malli täytyykin rakentaa niin, että se tarkastelee liikevoittoa niin yksityiskohtaisella tasolla kuin mahdollista. Testauksessa mallin tarkkuus osoittautui sitä paremmaksi, mitä tarkemmalla tasolla ennustaminen tapahtui. Lisäksi testaus osoitti, että malli on käyttökelpoinen liiketoiminnan ohjauksessa lyhyellä aikavälillä. Näin se luo myös pohjan pitkän aikavälin ennustamiselle.

Use of Statistical Methods in Demand Planning

In a very volatile industry of high technology it is of utmost importance to accurately forecast customers’ demand. However, statistical forecasting of sales, especially in heavily competitive electronics product business, has always been a challenging task due to very high variation in demand and very short product life cycles of products. The purpose of this thesis is to validate if statistical methods can be applied to forecasting sales of short life cycle electronics products and provide a feasible framework for implementing statistical forecasting in the environment of the case company. Two different approaches have been developed for forecasting on short and medium term and long term horizons. Both models are based on decomposition models, but differ in interpretation of the model residuals. For long term horizons residuals are assumed to represent white noise, whereas for short and medium term forecasting horizon residuals are modeled using statistical forecasting methods. Implementation of both approaches is performed in Matlab. Modeling results have shown that different markets exhibit different demand patterns and therefore different analytical approaches are appropriate for modeling demand in these markets. Moreover, the outcomes of modeling imply that statistical forecasting can not be handled separately from judgmental forecasting, but should be perceived only as a basis for judgmental forecasting activities. Based on modeling results recommendations for further deployment of statistical methods in sales forecasting of the case company are developed.

Life cycle costs in heating, ventilation and air-conditioning systems with drive

Energy consumption and energy efficiency have become an issue. Energy consumption is rising all over the world and because of that, and the climate change, energy is becoming more and more expensive. Buildings are major consumers of energy, and inside the buildings the major consumers are heating, ventilation and air-conditioning systems. They usually run at constant speed without efficient control. In most cases HVAC equipment is also oversized. Traditionally heating, ventilation and air-conditioning systems have been sized to meet conditions that rarely occur. The theory part in this thesis represents the basics of life cycle costs and calculations for the whole life cycle of a system. It also represents HVAC systems, equipment, systems controls and ways to save energy in these systems. The empirical part of this thesis represents life cycle cost calculations for HVAC systems. With these calculations it is possible to compute costs for the whole life cycle for the wanted variables. Life cycle costs make it possible to compare which variable causes most of the costs from the whole life point of view. Life cycle costs were studied through two real life cases which were focused on two different kinds of HVAC systems. In both of these cases the renovations were already made, so that the comparison between the old and the new, now existing system would be easier. The study indicates that energy can be saved in HVAC systems by using variable speed drive as a control method.

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.

Modeling the transport phenomena within arterial wall: porous media approach

The transport of macromolecules, such as low-density lipoprotein (LDL), and their accumulation in the layers of the arterial wall play a critical role in the creation and development of atherosclerosis. Atherosclerosis is a disease of large arteries e.g., the aorta, coronary, carotid, and other proximal arteries that involves a distinctive accumulation of LDL and other lipid-bearing materials in the arterial wall. Over time, plaque hardens and narrows the arteries. The flow of oxygen-rich blood to organs and other parts of the body is reduced. This can lead to serious problems, including heart attack, stroke, or even death. It has been proven that the accumulation of macromolecules in the arterial wall depends not only on the ease with which materials enter the wall, but also on the hindrance to the passage of materials out of the wall posed by underlying layers. Therefore, attention was drawn to the fact that the wall structure of large arteries is different than other vessels which are disease-resistant. Atherosclerosis tends to be localized in regions of curvature and branching in arteries where fluid shear stress (shear rate) and other fluid mechanical characteristics deviate from their normal spatial and temporal distribution patterns in straight vessels. On the other hand, the smooth muscle cells (SMCs) residing in the media layer of the arterial wall respond to mechanical stimuli, such as shear stress. Shear stress may affect SMC proliferation and migration from the media layer to intima. This occurs in atherosclerosis and intimal hyperplasia. The study of blood flow and other body fluids and of heat transport through the arterial wall is one of the advanced applications of porous media in recent years. The arterial wall may be modeled in both macroscopic (as a continuous porous medium) and microscopic scales (as a heterogeneous porous medium). In the present study, the governing equations of mass, heat and momentum transport have been solved for different species and interstitial fluid within the arterial wall by means of computational fluid dynamics (CFD). Simulation models are based on the finite element (FE) and finite volume (FV) methods. The wall structure has been modeled by assuming the wall layers as porous media with different properties. In order to study the heat transport through human tissues, the simulations have been carried out for a non-homogeneous model of porous media. The tissue is composed of blood vessels, cells, and an interstitium. The interstitium consists of interstitial fluid and extracellular fibers. Numerical simulations are performed in a two-dimensional (2D) model to realize the effect of the shape and configuration of the discrete phase on the convective and conductive features of heat transfer, e.g. the interstitium of biological tissues. On the other hand, the governing equations of momentum and mass transport have been solved in the heterogeneous porous media model of the media layer, which has a major role in the transport and accumulation of solutes across the arterial wall. The transport of Adenosine 5´-triphosphate (ATP) is simulated across the media layer as a benchmark to observe how SMCs affect on the species mass transport. In addition, the transport of interstitial fluid has been simulated while the deformation of the media layer (due to high blood pressure) and its constituents such as SMCs are also involved in the model. In this context, the effect of pressure variation on shear stress is investigated over SMCs induced by the interstitial flow both in 2D and three-dimensional (3D) geometries for the media layer. The influence of hypertension (high pressure) on the transport of lowdensity lipoprotein (LDL) through deformable arterial wall layers is also studied. This is due to the pressure-driven convective flow across the arterial wall. The intima and media layers are assumed as homogeneous porous media. The results of the present study reveal that ATP concentration over the surface of SMCs and within the bulk of the media layer is significantly dependent on the distribution of cells. Moreover, the shear stress magnitude and distribution over the SMC surface are affected by transmural pressure and the deformation of the media layer of the aorta wall. This work reflects the fact that the second or even subsequent layers of SMCs may bear shear stresses of the same order of magnitude as the first layer does if cells are arranged in an arbitrary manner. This study has brought new insights into the simulation of the arterial wall, as the previous simplifications have been ignored. The configurations of SMCs used here with elliptic cross sections of SMCs closely resemble the physiological conditions of cells. Moreover, the deformation of SMCs with high transmural pressure which follows the media layer compaction has been studied for the first time. On the other hand, results demonstrate that LDL concentration through the intima and media layers changes significantly as wall layers compress with transmural pressure. It was also noticed that the fraction of leaky junctions across the endothelial cells and the area fraction of fenestral pores over the internal elastic lamina affect the LDL distribution dramatically through the thoracic aorta wall. The simulation techniques introduced in this work can also trigger new ideas for simulating porous media involved in any biomedical, biomechanical, chemical, and environmental engineering applications.

Partner Criteria and Life Cycle Impacts: Case UPM

The study examines partner selection criteria and the life cycle impacts on them. The target is to define the relevant criteria that should be applied in case of a partnership. In this context partnership means strategic supplier relationship. It is also examined how these criteria change on the different stages of the product and business life cycle. The empirical part is a description of developing Criteria selection tool in the case company. The study is conducted as a qualitative research using constructive and action research methodologies. The Criteria selection tool is a MS Excel workbook, giving the relevant set of supplier criteria depending on the business case. The most essential criteria, the tool will suggest for partner suppliers, are related to strategic fit, development potential and collaborative aspects. On the early stages of the life cycles the criteria related to research and development and growth potential are significant. On the late stages of the life cycles cost reduction potential becomes very important.