LM-vesiturbiinin tuotteistaminen

Tämän työn tarkoituksena on kehittää LM-vesiturbiini tuotantoon soveltuvaksi, käytöltään pitkäikäiseksi ja helposti huollettavaksi tuotesarjaksi. Työn ohjaavana runkona on käytetty VDI-Richtlinie 2221: 'Kehitystyön ja konstruoinnin yleinen kulku', mukaista järjestelmää. Lisäksi on käytetty valmistuksellista modulointia tuotteen osien suunnittelussa. Erityisesti on huomioitu tuotteen koko elinkaaren aikaiset kustannukset (LCC) ja sen vaatimukset mitoitukseen. LM-vesiturbiinistaon kehitetty kolmen erikokoisen laitteiston tuotesarja. Tuoteperheen yksittäisistä sylinteriryhmistä voidaan koota joustavasti erikokoisia ja -tehoisia energiantuotantoyksiköitä, jotka soveltuvat käyttöön hyvin pieniinkin virtauksiin ja putouskorkeuksiin. Piensarjatuotantoon hyvin soveltuvat materiaalit on valittu silmälläpitäen mahdollisimman edullista kokonaiskustannusta. Kiertomäntä laitteiston toiminnan kannalta tärkeimpänä ja siten vaativimpana osana on edellyttänyt laserhitsausta ja -leikkausta sekä koekappaleiden valmistusta, joiden perusteellalopulliseen rakenteeseen on päädytty. Mitoitus perustuu perinteisiin lujuuslaskentamenetelmiin, joiden avulla eri osien kestävyys käyttöolosuhteissa on pyrittysaamaan luotettavaksi vähintään 20 vuoden kestoiälle ja väsymiskestävyyteen käytön aikaisissa vaihtelevissa olosuhteissa. Kiertomäntä on ns. kevytrakenne koostuen ohutlevykennorakenteesta ja täytteenä olevasta kompound-materiaalista.

Sähkökäytön valintaperiaatteet ja monimoottorikäytöt malmin laaduntasauksessa

Sähkökäytön valintaan vaikuttavat useat eri tekijät. Sähkökäytön valinnan perusteena voidaan käyttää tietoa prosessin tai toimilaitteen fysikaalisesta käyttäytymisestä. Valinnan perusteena voi olla myös riittävän suorituskyvyn tarve prosessissa. Tässä työssä tutustutaan sähkökäytön valintaan vaikuttaviin tekijöihinja sähkökäytön mitoitukseen. Työssä on keskitytty yleisempien pienjännitemoottorityyppien ja niiden säätöjen käsittelyyn. Useissa prosesseissa vaaditaan monen moottorin käyttöä saman kuorman liikuttamisessa. Monimoottorikäyttöjen ohjauksen tuntemus auttaa ongelmatilanteiden ratkaisussa ja antaa perusteet monimoottorikäytön valinnalle. Tässä työssä käsitellään monimoottorikäyttöjen pyörimisnopeuserojen ja vääntömomenttien epätasaisuuteen liittyviä ongelmia.

Kosteuden ja lämpötilan vaikutus kartonkimassojen muovattavuuteen

Työn tavoitteena oli kartoittaa yleisesti kartongin valmistukseen käytettävien massatyyppien muovattavuuspotentaali. Muovattuvuuteen eniten vaikuttava tekijänä pidettiinmassojen murtovenymää. Työssä tutkittiin kosteuden ja lämpötilan sekä vetonopeuden vaikutusta mekaanisten ja sellumassojen ominaisuuksiin laboratorio-olosuhteissa. Kirjallisuusosassa tarkastellaan paperin lasisiirtymälämpötilaa muovauksen kannalta oleellisena tekijä. Lisäksi käydään läpi tapoja, joilla murtovenymää voidaan kasvattaa. Kartongin keskikerroksen aallotuksessa ja valmistettaessa paperipohjaisia tuotteita syvävedolla, käytetään hyväksi paperin pehmenemistä lämpötilan ja kosteuden alaisena. Niiden olosuhteita tarkastellaan lyhyesti. Lisäksi luodaan katsaus lämpötilan, kosteuden ja nopeuden vaikutuksistapaperin mekaanisiin ominaisuuksiin. Työn kokeellisessa osassa massojen mekaanisia ominaisuuksia testattiin erilaisissa kosteuspitoisuuksissasekä lämpötiloissa eri vetonopeuksilla. Kokeiden perusteella pyrittiin löytämään olosuhteet kullekin massalle, joissa niillä on paras murtovenymä. Lisäksi selvitettiin kuidun kihartamisen, sellumassojen jauhatuksen sekä arkin vapaan kuivumisen vaikutusta murtovenymään. Erilaiset massat saavuttavat parhaan murtovenymän erilaisissa kosteus- ja lämpötilaolosuhteissa. Sellumassoilla paras murtovenymä saadaan huoneenlämpötilassa ja paperin kosteuspitoisuuden ollessa välillä 11...12%. CTMP-massojen paras murtovenymä saadaan vedellä kyllästetyllä paperilla kohotetussa lämpötilassa. Lämpötila riippuu CTMP-massan valmistustavasta ja raaka-aineesta. Sellumassoilla on parempi kokonaisvenymä, kuin ligniinipitoisilla massoilla. Vetonopeuden vaikutus murtovenymään riippuu massasta sekä kosteudesta. Alhaisessa kosteudessa suurempi vetonopeus antaa aina pienemmän venymän. Kosteuden noustessa riippuu massasta, miten vetonopeus vaikuttaa murtovenymään. Plastinen osa tietystä venymästä on riippumaton massasta, jauhatusasteesta ja kuivatustavasta. Ainut vaikuttava muuttuja on kosteus. Kosteuden kasvu kasvattaa plastista venymää.

Kestomagneettitahtikoneen lämpömallinnus

Sähkökoneenterminen suunnittelu on yhtä tärkeätä kuin koneen sähköisten piirien ja magneettipiirin mitoitus, koska koneen lämpenemä määrää koneesta saatavan tehon. Pääosasähkökoneista suunnitellaan edelleen ns. perimätiedon avulla, jossa tukeudutaanvalmiiksi koeteltuihin ratkaisuihin ja kokemusperäiseen tietoon tiettyjen rakenteiden toimivuudesta. Perinteisin menetelmin uusia konerakenteita suunniteltaessa ei pystytä saamaan luotettavaa tietoa uusien ratkaisuiden toimivuudesta. Etenkin hitaasti pyörivien ja suuren vääntötiheyden omaavien kestomagneettitahtikoneiden jäähdytyksen mitoitus on ongelmallista. Siten tarve kehittää analyyttisiä työkaluja lämpenemän mallinnukseen on perusteltua. Tässä työssäperehdytään suuren tehotiheyden omaavien kestomagneettikoneiden urakoon ja virrantiheyden valintaan termisen mitoituksen kannalta. Työn tavoitteena on laatia yksinkertainen analyyttinen työkalu urakoon ja virrantiheyden valintaan. Työkaluavoidaan hyödyntää jo koneensuunnittelun alkuvaiheessa.

Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Radiaalikompressorin valinta hiilivetyteollisuudessa

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää hiilivetyteollisuudessa käytettävien radiaali-kompressorien ominaisuuksia, toimintaympäristöjä, turvallisuusasioita, etuja ja rajoitteita. Tämän lisäksi selvitettiin vaihtoehtoisia yleisesti käytettyjä menetelmiä radiaalikompressorien simuloimiseksi. Työssä tutkittiin myös kaupallisten mitoitusohjelmien soveltuvuutta laitesuunnittelun tueksi Neste Jacobs Oy:ssä. Työn kirjallisuusosassa käsiteltiin radiaalikompressorien toimintaympäristöjä, säätötapoja sekä näistäja muista tekijöistä aiheutuvia rajoitteita ja vaatimuksia. Kirjallisuustutkimuksen perusteella laadittiin tarkistuslista asioista, jotka tulee selvittää ennenvarsinaista radiaalikompressorien mitoittamista. Soveltuvaakaupallista kompressorien mitoitusohjelmaa ei tutkimuksessa löytynyt. Tämän vuoksi työn kokeellisessa osassa laadittiin Excel-laskentataulukko, joka perustuu yhteen kirjallisuusosassa esitettyyn mitoitustapaan. Laaditun laskentataulukon soveltuvuutta kompressorien esivalintaan testattiin vertailemalla ohjelman mitoituksia Neste Jacobs Oy:llä käytössä olevaan mitoitusohjelmaan ja toiseen työssä esitettyyn mitoitus-menetelmään. Lisäksi Excel-laskentataulukon ja Neste Jacobs Oy:n ohjelman mitoituksia verrattiin todellisen, käytössä olevan kompressorin suunnittelu- ja operointiarvoihin. Lisäksi tutkimuksessa arvioitiin laaditun laskentataulukon käytettävyyttä, rajoitteita ja kehitysmahdollisuuksia. Saatujen tulosten perusteella työssä laadittu laskentataulukko soveltuu sellaisenaan Neste Jacobs Oy:n radiaalikompressorien simulointiin.

Optinen kolmiulotteinen mittaus ohutlevytuotteiden laadunvalvonnassa

Ohutlevyteollisuuden markkinatilanne on muuttunut, kun tuotantomäärät ovat kasvaneet, laatuvaatimukset tiukentuneet ja markkinat globalisoituneet. Konenäön avulla on mahdollista tehostaa laadunvalvontaa, jolloin virheet voidaan havaita nopeammin ja siten säästää tuotantokustannuksissa. Muotoiltujen ohutlevyosien tarkastamiseksi tarvitaan kolmiulotteisia mittausmenetelmiä, joilla pystytään varsin nopeasti ja tarkasti analysoimaan kappaleita. Erityisesti fotogrammetriaan perustuvaa rakenteista valoa on sovellettu erilaisissa mittalaitteissa, ja menetelmä on myös varsin joustava sekä edullinen käyttää. Fotogrammetriaan ja rakenteiseen valoon perustuvista mittalaitteista valittiin arvioitavaksi Mapvision 4D. Testeissä tutkittiin laitteen tarkkuutta, nopeutta ja soveltuvuutta teollisuusympäristöön sekä erityisesti taivutuskulmien, reikien halkaisijoidenja etäisyyksien mittaamista. Sovittamalla mitattu data CAD-malliin pystytään kappaleen mitoitus tarkastamaan vaaditulla 0,1 millimetrin tarkkuudella. Testitulosten perusteella voidaan todeta sekä mittalaitteen että mittausmenetelmän soveltuvan ohutlevykappaleiden laadunvalvontaan, kunhan reunojen määrityksessä esiintyvä säännöllinen epätarkkuus otetaan huomioon.

Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

Terässiilojen mitoitusohjelman kehittäminen

Siiloja käytetään jauhemaisten ja rakeisten aineiden varastointiin ja annosteluun maataloudessa sekä mm. lasi-, laasti- ja tasoiteteollisuudessa. Tällaiset laitokset toimitetaan usein kokonaistoimituksina, joissa tavanomaisten teräsrakenteiden kustannusvaikutus voi olla jopa 30 % koko toimituksen arvosta. Niinpä osaltaan siilojen tehokkaalla mitoituksella ja erilaisiarakenneratkaisuja vertailemalla voidaan alentaa toimitusten kokonaiskustannuksia. Tässä diplomityössä perehdyttiin siilojen rakenteisiin ja niiden lujuustekniseen mitoitukseen etenkin tuentaratkaisujen osalta. Mitoituksen osalta työssä perehdyttiin pääasiassa uusiin Eurooppalaisiin standardeihin SFS-EN 1991-4 ja SFS-EN 1993-4-1. Niiden mukaan määritetään mitoituskuormat sekä tehdään lujuustekninen mitoitus. Työn tuloksena laadittiin Microsoft Excel -pohjainen mitoitusohjelma, jolla voidaan nopeasti mitoittaa siilojen olennaisimmat teräsrakenteet. Ohjelmalla voidaan määrittää mitoitus koskien siilon lieriön ja kartion seinämiä sekä tuentaratkaisuja. Ohjelma nopeuttaa erityisesti tarjousvaiheen suunnittelua ja antaa pohjan varsinaiselle siilojen yksityiskohtaiselle mitoittamiselle ja suunnittelulle.

Paperikoneiden työskentelytasojen vaatimusten mukainen suunnittelu

Työtasojen kantavien rakenteiden on kestettävä riittävällä varmuudella mm. henkilökuormasta aiheutuvat jännitykset rakenneosissa. Lisäksi tasot eivät saa tuntua notkuvilta niillä käveltäessä, joten rakenteen siirtymille asetetaan rajoituksia. Työssä esitetään yleisimmin epäselvyyttä aiheuttaneet paperikoneiden työskentelytasoille asetetut vaatimukset. Vaatimukset ja niiden täyttäminen esitetään yksiselitteisellä tavalla esimerkiksi sovellettavien kuormitusten osalta. Materiaaliominaisuuksien osalta esitetään tärkeimmät työtasojen suunnittelussa huomioon otettavat asiat yleisimmille austeniittisille ruostumattomille teräksille ja alumiiniseoksille. Työtasorakenteiden mitoitusohjeet esitetään ritilöille, kulmaprofiilista valmistetuille jalkalistoille ja putkipalkista valmistetuille työtasojen kannattimille. Mitoituksessa otetaan myötöehdon ja siirtymärajoitusten lisäksi huomioon mm. levykenttien lommahdus. Kannattimien mitoituksessa otetaan huomioon vinoutuvien liitosten joustavuus ja kestävyys. Lisäksi esitetään mitoitusohjeet kitkaliitoksena toimivalle päätylevyliitokselle, johon kohdistuu mm. taivutus- ja vääntömomenttia.

Jätteenpolttolaitoksen kunnossapidon erityispiirteet

Työn tavoitteena oli selvittää arinatekniikkaan perustuvan jätteenpolttolaitoksen kunnossapidon erityispiirteet. Laajemmassa mittakaavassa tapahtuva jätteenpoltto on suomessa uusi asia. Työn alussa tarkastellaan jätteenpolttovaihtoehdon perusteluita sekä yhdyskuntajätteen poltto-ominaisuuksia ja polttotekniikkaa. Jätteenpolttolaitoksen kunnossapidon erityispiirteet ja normaalia suurempi kunnossapitotarve ovat seurausta jätteenpoltossa käytettävän polttotekniikan ja laitoksen käyttötavan eroista sekä jätteiden perinteisiä polttoaineita epämääräisemmästä koostumuksesta. Tässä työssä tehtävä tarkastelu rajattiin koskemaan vain polttoaineen ja poltosta vapautuvien savukaasujen kanssa kosketuksissa olevia laitoksen osia, eli käytännössä kattilaa ja savukaasunpuhdistuslaitteistoa. Työn aikana tehtiin vierailut kahdelle eri jätteenpolttolaitokselle, joista saatujen käyttökokemustietojen pohjalta muodostettiin käsitys laitoksen kunnossapidollisesti tärkeimmistä kohteista. Näiden kohteiden kunnossapitoa sekä vikaantumismekanismeja tarkasteltiin yksityiskohtaisemmin. Jätteenpolttolaitoksen kunnossapitokustannuksista ei voitu muodostaa tämän tarkastelun pohjalta riittävän luotettavaa kuvaa. Arinatekniikkaan perustuvan jätteenpolttolaitoksen kunnossapidollisesti merkittävimmät kohteet ovat arina, muuraukset ja tulistimet. Merkittävin vikaantumiskohde laitoksen ikääntyessä ovat lämpöpintojen putkistot. Putkistojen tarkastukset ja seinämäpaksuuksien mittaukset on suoritettava vuosittain huolellisesti johtuen kattilassa vallitsevista korroosiolle erittäin otollisista olosuhteista. Korkeaseosteisten pinnoitusten sekä käynninaikaisten kattilanpuhdistusmenetelmien käyttöä tulee harkita tarkoin. Arinalla tapahtuvan palamisen hallinta ja kattilan tarkennettu virtaustekninen mitoitus nähdään yhtenä merkittävimpänä keinona hallita kattilakorroosiota ja täten myös kunnossapitotarvetta. Jätteenpolttolaitoksen suunnittelussa kunnossapitotöiden suorittamisen helppouteen sekä työskentelyhygieniaan tulisi kiinnittää erityishuomio niissä laitoksen osissa kuin se suinkin on mahdollista ja taloudellisesti järkevää. Yhdyskuntajätteen vaihteleva lämpöarvo on polttotapahtuman kannalta vaikeimmin hallittava jätteen ominaisuus. Arinatekniikassa poltettavan jätteen laatuun voidaan vaikuttaa erityisesti bunkkerissa tapahtuvalla jätteen sekoituksella sekä syntypistelajittelua tehostamalla.