Eetteröintiprosessien simulointivalmiuksien kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia ETBE-prosessien simulointimallin kehittämistä. Simulointia varten valittiin eetteröinnin syöttövirroiksi etanoli ja tyypillinen FCC-kolonnin hiilivetysyöttö. Kirjallisuusosassa paneuduttiin tutkimaan syitä ETBE:n käytölle bensiinissä, valmistukseen tarvittavien raaka-aineiden lähteitä ja mahdollisia korvaavia raaka-aineita sekä mietittiin etanolissa olevien epäpuhtauksien vaikutusta prosessin tuotespesifikaatioihin. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lisäksi eri valmistajien markkinoimia eetteröintiteknologioita. Eetteröintiteknlogiat jaettiin perinteiseen tislaukseen pohjautuviin prosesseihin, reaktiiviseen tislaukseen pohjautuviin prosesseihin sekä Neste Engineering:in markkinoimaan NExETHERS-teknologiaan. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin sekä etanolin epäpuhtauksien kulkeutumista prosessissa että kokeellisesti saadusta höyry-nestetasapainotiedosta määritettyjen Wilsonin yhtälön binääri-interaktioparametrien vaikutusta eetteröintiprosessin simulointituloksiin. Lopuksi simulointiin prosessia, jossa oli prosessin kannalta kriittiseksi havaitut etanolin epäpuhtaudet sekä hyviksi todetut binääri-interaktioparametrit etanolin ja FCC-syöttövirran C4-hiilivetyjen välillä. Uusilla binääriparametreilla saatuja simulointituloksia vertailtiin aikaisemmin samasta mallista vanhoilla binääriparametreilla saatuihin tuloksiin. Lopuksi tehtiin yhteenveto työn tuloksista ja annettiin ehdotukset jatkotutkimuksia varten.

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.

Laajakaistainen Vivaldi-antennielementti

Diplomityössä suunniteltiin, rakennettiin ja mitattiin laajakaistainen antennielementti lineaariseen antenniryhmään. Elementti toimii mikroaaltoalueella, ja sen kaistanleveys on noin 4,8:1. Elementti koostuu kaksipuolisesta eksponentiaalisesti taperoidusta rakoantennista eli Vivaldi-antennista ja laajakaistaisesta siirtymästä liuskajohdosta kaksipuoliseen rakojohtoon. Elementin koko pienimmällä käyttötaajuudella on noin 0,31 lambda kertaa 0,34 lambda, josta antennitorven koko on vain noin 0,21 lambda kertaa 0,21 lambda. Elementti suunniteltiin HFSS-simulointiohjelman avulla ja rakennettiin kahdesta erillisestä piirilevystä puristamalla nämä yhteen alumiinisella kehyksellä. Mittauksilla varmistettiin elementin toiminta ja simulointien luotettavuus. Osoitettiin, että elementti voidaan suunnitella simulointiohjelman avulla ja rakentaa työssä käytetyllä tavalla. Osoitettiin myös, että tarvittavaa mitoitussimulointien määrää voidaan vähentää yhdistämällä erikseen mitoitetut rakoantenni ja siirtymä. Lisäksi simuloinnein osoitettiin, että elementti toimii myös ryhmässä ja että sen toimintaa voidaan parantaa kehyksen avulla.

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.

Teholähdesuunnittelu

Työssä vertaillaan massatuotannon näkökulmasta eri tehoalueille sopivia teholähteen toteuttamisvaihtoehtoja. Lisäksi esitellään standardien asettamia vaatimuksia teholähteille. Työssä käsitellään teholähdesuunnittelun eri osa-alueita ja niihin sopivien simulointityökalujen hyödyntämismahdollisuuksia suunnitteluprosessin osana. Simulointituloksia ja teoreettisia laskelmia vertaillaan prototyypistä suoritettuihin mittauksiin.

Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

Nosturin heilahduksenvaimennusjärjestelmässä esiintyvien häiriöiden tunnistaminen

Nykyaikaisissa nostureissa tehokkuutta lisätään automaation avulla. Yksi sovellus on parantaa kuorman hallintaa, tämä nopeuttaa työkiertoa ja helpottaa kuskin työtä. Järjestelmä voi myös vaikeuttaa ajamista, jos se ei toimi oikein. Työssä tutkittiin apukoneistolla toteutetun heilahduksenvaimennusjärjestelmän virheellistä toimintaa ja mistä virheellinen toiminta johtuu. Apuna käytettiin simulointimallia kyseisestä järjestelmästä. Häiriöiden tunnistukseen käytettiin tunnuslukuja, joista havaitaan virheellinen toiminta Simulointimallin avulla simuloitiin erilaisia häiriöitä, että niiden vaikutus tunnuslukuihin nähtiin. Tämän jälkeen nosturilla tehtiin työkiertoja joissa oli jokin simuloiduista häiriöistä ja mittauksista muodostettiin samoja tunnuslukuja kuin simulointituloksista ja tuloksia verrattiin keskenään. Kaikkia häiriötilanteita ei suoritettu nosturilla, koska nosturia olisi joutunut vioittamaan.

Ultrafine grinding of FGD and phosphogypsum with an attrition bead mill and a jet mill : optimisation and modelling of grinding and mill comparison

Fine powders of minerals are used commonly in the paper and paint industry, and for ceramics. Research for utilizing of different waste materials in these applications is environmentally important. In this work, the ultrafine grinding of two waste gypsum materials, namely FGD (Flue Gas Desulphurisation) gypsum and phosphogypsum from a phosphoric acid plant, with the attrition bead mill and with the jet mill has been studied. The ' objective of this research was to test the suitability of the attrition bead mill and of the jet mill to produce gypsum powders with a particle size of a few microns. The grinding conditions were optimised by studying the influences of different operational grinding parameters on the grinding rate and on the energy consumption of the process in order to achieve a product fineness such as that required in the paper industry with as low energy consumption as possible. Based on experimental results, the most influential parameters in the attrition grinding were found to be the bead size, the stirrer type, and the stirring speed. The best conditions, based on the product fineness and specific energy consumption of grinding, for the attrition grinding process is to grind the material with small grinding beads and a high rotational speed of the stirrer. Also, by using some suitable grinding additive, a finer product is achieved with a lower energy consumption. In jet mill grinding the most influential parameters were the feed rate, the volumetric flow rate of the grinding air, and the height of the internal classification tube. The optimised condition for the jet is to grind with a small feed rate and with a large rate of volumetric flow rate of grinding air when the inside tube is low. The finer product with a larger rate of production was achieved with the attrition bead mill than with the jet mill, thus the attrition grinding is better for the ultrafine grinding of gypsum than the jet grinding. Finally the suitability of the population balance model for simulation of grinding processes has been studied with different S , B , and C functions. A new S function for the modelling of an attrition mill and a new C function for the modelling of a jet mill were developed. The suitability of the selected models with the developed grinding functions was tested by curve fitting the particle size distributions of the grinding products and then comparing the fitted size distributions to the measured particle sizes. According to the simulation results, the models are suitable for the estimation and simulation of the studied grinding processes.

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.

Performance Improvement of Centrifugal Compressor Stage with Pinched Geometry or Vaned Diffuser

Centrifugal compressors are widely used for example in refrigeration processes, the oil and gas industry, superchargers, and waste water treatment. In this work, five different vaneless diffusers and six different vaned diffusers are investigated numerically. The vaneless diffusers vary only by their diffuser width, so that four of the geometries have pinch implemented to them. Pinch means a decrease in the diffuser width. Four of the vaned diffusers have the same vane turning angle and a different number of vanes, and two have different vane turning angles. The flow solver used to solve the flow fields is Finflo, which is a Navier-Stokes solver. All the cases are modeled with the Chien's k – έ- turbulence model, and selected cases are modeled also with the k – ώ-SST turbulence model. All five vaneless diffusers and three vaned diffusers are investigated also experimentally. For each construction, the compressor operating map is measured according to relevant standards. In addition to this, the flow fields before and after the diffuser are measured with static and total pressure, flow angle and total temperature measurements. When comparing the computational results to the measured results, it is evident that the k – ώ-SST turbulence model predicts the flow fields better. The simulation results indicate that it is possible to improve the efficiency with the pinch, and according to the numerical results, the two best geometries are the ones with most pinch at the shroud. These geometries have approximately 4 percentage points higher efficiency than the unpinched vaneless diffusers. The hub pinch does not seem to have any major benefits. In general, the pinches make the flow fields before and after the diffuser more uniform. The pinch also seems to improve the impeller efficiency. This is down to two reasons. The major reason is that the pinch decreases the size of slow flow and possible backflow region located near the shroud after the impeller. Secondly, the pinches decrease the flow velocity in the tip clearance, leading to a smaller tip leakage flow and therefore slightly better impeller efficiency. Also some of the vaned diffusers improve the efficiency, the increment being 1...3 percentage points, when compared to the vaneless unpinched geometry. The measurement results confirm that the pinch is beneficial to the performance of the compressor. The flow fields are more uniform with the pinched cases, and the slow flow regions are smaller. The peak efficiency is approximately 2 percentage points and the design point efficiency approximately 4 percentage points higher with the pinched geometries than with the un- pinched geometry. According to the measurements, the two best geometries are the ones with the most pinch at the shroud, the case with the pinch only at the shroud being slightly better of the two. The vaned diffusers also have better efficiency than the vaneless unpinched geometries. However, the pinched cases have even better efficiencies. The vaned diffusers narrow the operating range considerably, whilst the pinch has no significant effect on the operating range.

Modelling of the PWR PACTEL vertical steam generator with the TRACE code

The behavior of the nuclear power plants must be known in all operational situations. Thermal hydraulics computer applications are used to simulate the behavior of the plants. The computer applications must be validated before they can be used reliably. The simulation results are compared against the experimental results. In this thesis a model of the PWR PACTEL steam generator was prepared with the TRAC/RELAP Advanced Computational Engine computer application. The simulation results can be compared against the results of the Advanced Process Simulator analysis software in future. Development of the model of the PWR PACTEL vertical steam generator is introduced in this thesis. Loss of feedwater transient simulation examples were carried out with the model.

Computational and Experimental Investigation of the Grooved Roll in Paper Machine Environment

In the paper machine, it is not a desired feature for the boundary layer flows in the fabric and the roll surfaces to travel into the closing nips, creating overpressure. In this thesis, the aerodynamic behavior of the grooved roll and smooth rolls is compared in order to understand the nip flow phenomena, which is the main reason why vacuum and grooved roll constructions are designed. A common method to remove the boundary layer flow from the closing nip is to use the vacuum roll construction. The downside of the use of vacuum rolls is high operational costs due to pressure losses in the vacuum roll shell. The deep grooved roll has the same goal, to create a pressure difference over the paper web and keep the paper attached to the roll or fabric surface in the drying pocket of the paper machine. A literature review revealed that the aerodynamic functionality of the grooved roll is not very well known. In this thesis, the aerodynamic functionality of the grooved roll in interaction with a permeable or impermeable wall is studied by varying the groove properties. Computational fluid dynamics simulations are utilized as the research tool. The simulations have been performed with commercial fluid dynamics software, ANSYS Fluent. Simulation results made with 3- and 2-dimensional fluid dynamics models are compared to laboratory scale measurements. The measurements have been made with a grooved roll simulator designed for the research. The variables in the comparison are the paper or fabric wrap angle, surface velocities, groove geometry and wall permeability. Present-day computational and modeling resources limit grooved roll fluid dynamics simulations in the paper machine scale. Based on the analysis of the aerodynamic functionality of the grooved roll, a grooved roll simulation tool is proposed. The smooth roll simulations show that the closing nip pressure does not depend on the length of boundary layer development. The surface velocity increase affects the pressure distribution in the closing and opening nips. The 3D grooved roll model reveals the aerodynamic functionality of the grooved roll. With the optimal groove size it is possible to avoid closing nip overpressure and keep the web attached to the fabric surface in the area of the wrap angle. The groove flow friction and minor losses play a different role when the wrap angle is changed. The proposed 2D grooved roll simulation tool is able to replicate the grooved aerodynamic behavior with reasonable accuracy. A small wrap angle predicts the pressure distribution correctly with the chosen approach for calculating the groove friction losses. With a large wrap angle, the groove friction loss shows too large pressure gradients, and the way of calculating the air flow friction losses in the groove has to be reconsidered. The aerodynamic functionality of the grooved roll is based on minor and viscous losses in the closing and opening nips as well as in the grooves. The proposed 2D grooved roll model is a simplification in order to reduce computational and modeling efforts. The simulation tool makes it possible to simulate complex paper machine constructions in the paper machine scale. In order to use the grooved roll as a replacement for the vacuum roll, the grooved roll properties have to be considered on the basis of the web handling application.

Autosimulaattoripeleihin soveltuvan kaksiakselisen liikealustan kehittäminen

Työssä kehitettiin kohtuuhintainen ja suorituskyvyltään riittävä autosimulaattoripelikäyttöön soveltuva liikealusta. Työssä tutustuttiin aluksi markkinoilla oleviin liikealustaratkaisuihin. Työssä selvitettiin myös liikealustaa koskevia turvallisuusmääräyksiä. Kehittäminen alkoi liikealustan vaatimusten määrittelyllä ja kuormituksien simuloinnilla. Runkorakenteet mitoitettiin kestämään simuloituja rasituksia. Liikealustan toimilaitteet valittiin simulointitulosten perusteella. Työssä suunniteltiin myös liikealustan ohjausjärjestelmä. Mekaanisien osien ja voimansiirron mitoittamisen jälkeen suoritettiin osien yksityiskohtainen suunnittelu. Alihankkijat valmistivat osat ja ne koottiin Älykkäiden koneiden laboratoriossa. Järjestelmän kokoamisen jälkeen viritettiin säätäjät ja testattiin liikealustan toimivuutta. Kehitettyä liikealustaa on käytetty muutamissa tapahtumissa. Asetetut tavoitteet saavutettiin ja liikealusta soveltuu kokemuksien perusteella hyvin rata-autosimulaattoripelien kanssa käytettäväksi.

Simulating Fluid Flow in a Compressed Valve

The objective of the work is to study fluid flow behavior through a pinch valve and to estimate the flow coefficient (KV ) at different opening positions of the valve. The flow inside a compressed valve is more complex than in a straight pipe, and it is one of main topics of interest for engineers in process industry. In the present work, we have numerically simulated compressed valve flow at different opening positions. In order to simulate the flow through pinch valve, several models of the elastomeric valve tube (pinch valve tube) at different opening positions were constructed in 2D-axisymmetric and 3D geometries. The numerical simulations were performed with the CFD packages; ANSYS FLUENT and ANSYS CFX by using parallel computing. The distributions of static pressure, velocity and turbulent kinetic energy have been studied at different opening positions of the valve in both 2D-axisymmetric and 3D experiments. The flow coefficient (KV ) values have been measured at different valve openings and are compared between 2D-axisymmetric and 3D simulation results.