Kuusiviilun esikuivaus puristamalla

Tutkimuksen lähtökohtana oli selvittää, voidaanko viilun valmistusprosessiin liittää uusi työvaihe, viilun esikuivaus. Esikuivauksen tarkoituksena on poistaa kosteutta viiluista ennen varsinaista kuivausta ja lisätä näin kuivauskapasiteettia. Tehdyissä tutkimuksissa viilut esikuivattiin nipuissa puristamalla. Muuttujina esikuivauksessa toimivat puristusaika ja -paine. Niiden määrittelyn lähtökohtana pidettiin sitä, etteivät viilun ominaisuudet saa merkittävästi heikentyä esikuivauksen aikana ja samalla viiluista on saatava mahdollisimman paljon kosteutta pois. Aikaisempien tutkimusten avulla selvitettiin vanerin valmistuksen, viilun kuivauksen sekä viilun esikuivauksen teoriaa. Lisäksi selvitettiin puun ominaisuuksien antamia mahdollisuuksia ja rajoitteita esikuivaukseen liittyen. Tutkimus koostui kahdesta osasta: laboratorio- ja tehdastutkimuksista. Laboratoriotutkimuksen tarkoituksena oli toimia tehdastutkimuksen esitutkimuksena. Laboratoriotutkimuksessa tutkittiin ainoastaan esikuivauksen vaikutusta märille viiluille. Tehdastutkimusosiossa esikuivatuista viiluista valmistettiin normaalin vanerinvalmistusprosessin kautta levyjä, joiden ominaisuuksia verrattiin normaaleista viiluista valmistettuihin vanereihin. Viilujen esikuivauksen todettiin pienentävän kuusiviilujen kosteuspitoisuutta. Tämän lisäksi kosteuspitoisuuden muutokset esikuivauksen aikana tapahtuivat tasaisesti niin yksittäisen viilun kuin viilunipunkin sisällä. Esikuivatuista viiluista valmistetut vanerilevyt täyttivät kaikki standardien sekä vanerin laadunvalvontasopimuksen asettamat vaatimukset. Esikuivauksen haitaksi tutkimuksissa todettiin viilun paksuuden pienentymä. Ennen esikuivauksen soveltamista teolliseen käyttöön nähtiin tarvetta lisätutkimukselle, jossa tulisi selvittää suurempien viilunippukokojen esikuivaamista sekä niiden varsinaista kuivaamista heti esikuivauksen jälkeen.

Pienen mittakaavan CHP-laitokset osana hiilineutraalia maaseutuyhteiskuntaa

Maapallon ilmasto lämpenee koko ajan kasvihuonekaasujen määrän lisääntyessä ilmakehässä. Merkittävin ihmisten aiheuttama päästöjen lähde on fossiilisten polttoaineiden käyttö energiantuotannossa ja liikenteessä, jonka vuoksi on tärkeää lisätä uusiutuvien energialähteiden käyttöä. Tämän diplomityön tavoitteena oli selvittää esimerkkialueena olevan maaseutuyhteiskunnan mahdollisuutta olla energiaomavarainen ja materiaalikierroiltaan suljettu, jos alueen tarvitsema sähkö ja lämpö tuotettaisiin paikallisilla biomassavaroilla kahdella rinnakkaisella pienen mittakaavan CHP-laitoksella. Tarkastellut laitokset olivat anaerobisen mädätyksen ja polttokennojen yhdistelmä sekä termisen käsittelyn ja ORC-prosessin yhdistelmä. Työssä tehdyt laskelmat osoittivat, että esimerkkialue saisi tuotettua omilla biomassavaroillaan tarvitsemastaan sähköstä 75 % ja lämmöstä 90 % esimerkkilaitosten avulla. Laskelmissa ei kuitenkaan huomioitu kesä- ja talvikuukausien välistä eroa lämmön kulutuksessa, jonka vuoksi molemmat laitokset eivät voisi toimia koko ajan täydellä teholla. Lisäksi tuotetun lämmön hyötykäyttöä rajoittaa riittävän laajan kaukolämpöverkon puuttuminen esimerkkialueelta. Nykyisen kaukolämpöverkon avulla saataisiin hyödynnettyä vain kolmasosa ORC-prosessilla tuotetusta lämpöenergiasta. Laskelmat osoittivat myös, että alueen kasvihuonekaasupäästöt pienenisivät 21 % eli noin 6 000 hiilidioksidiekvivalenttitonnia vuodessa, jos suurin osa energiasta tuotettaisiin omista biomassavaroista CHP-laitosten avulla ja mädätyksen seurauksena syntyvä reaktorijäännös korvaisi kemiallisten lannoitteiden käytön.

The evaluation of hazardous gas components caused by the thermal degradation of plant oils and animal fats

Neste Oil has introduced plant oils and animal fats for the production of NExBTL renewable diesel, and these raw materials differ from the conventional mineral based oils. One subject of new raw materials study is thermal degradation, or in another name pyrolysis, of these organic oils and fats. The aim of this master’s thesis is to increase knowledge on thermal degradation of these new raw materials, and to identify possible gaseous harmful thermal degradation compounds. Another aim is to de-termine the health and environmental hazards of identified compounds. One objective is also to examine the formation possibilities of hazardous compounds in the produc-tion of NExBTL-diesel. Plant oils and animal fats consist mostly of triglycerides. Pyrolysis of triglycerides is a complex phenomenon, and many degradation products can be formed. Based on the literature studies, 13 hazardous degradation products were identified, one of which was acrolein. This compound is very toxic and dangerous to the environment. Own pyrolysis experiments were carried out with rapeseed and palm oils, and with a mix-ture of palm oil and animal fat. At least 12 hazardous compounds, including acrolein, were analysed from the gas phase. According to the experiments, the factors which influence on acrolein formation are the time of the experiment, the sphere (air/hydrogen) in which the experiment is carried out, and the characteristics of the used oil. The production of NExBTL-diesel is not based on pyrolysis. This is why thermal degradation is possible only when abnormal process conditions prevail.

Energian käyttö sahatavaran kuivauksessa

Sahatavaran tuotannossa käytetään runsaasti lämpöä ja sähköä. Sähköä käytetään pääasiassa sahausvaiheessa ja lämpöä kuivausvaiheessa. Sahatavarakuutiosta haihdutetaan vettä kuivaamoissa noin 230-600 kiloa. Sahatavara kuivataan, koska kuivattu sahatavara säilyy paremmin ja on lisäksi kevyempää, kestävämpää ja sen muodonmuutokset ovat pienempiä. Työssä käsiteltävällä sahalla on erääseen kanavakuivaamoon tehty koerakennelma, jonka avulla kuivaamosta poistettavan ilman sisältämää lämpöä hyödynnetään sahatavaran lämmittämisessä kuivauslämpötilaan kuormanvaihdon jälkeen. Energiansäästön lisäksi rakennelman toivotaan ehkäisevän kuormanvaihdosta aiheutuvia olosuhdemuutoksia kuivausprosessin muissa vaiheissa. Poistoilman sisältämä höyry lauhtuu lämmittäessään kylmää sahatavaraa. Lauhtumisen yhteydessä vapautuu runsaasti energiaa. Tehtyjen kokeiden perusteella koerakennelma vähensi lämmönkulutusta selvästi. Lämmönkulutuksen alenema oli jopa teorialaskelmaa suurempi, mistä syystä kokeellisessa osassa tehtyihin mittaustuloksiin on syytä suhtautua varauksella. Perinteisessä kuivaamossa kosteus poistuu pääasiassa vesihöyrynä, mutta koerakennelman avulla saadaan noin puolet puusta haihdutetusta vedestä lauhtumaan takaisin vedeksi.

Hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistus ja karakterisointi

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia hiilidioksidin talteenottoon soveltuvan anioninvaihtohartsin valmistusmenetelmiä, kokeilla eri menetelmiä käytännössä ja tutkia sekä itse valmistettujen että valmiina saatujen hartsien adsorptiokykyä ja muita ominaisuuksia. Kemiallinen adsorptio amiiniryhmän omaavien hartsien avulla on yksi tapa sitoa hiilidioksidia ilmasta. Primäärinen amiiniryhmä sitoo hiilidioksidia parhaiten. Primäärisen amiiniryhmän omaava anioninvaihtohartsi voidaan valmistaa pohjapolymeeristä halogeenialkyloimalla ja aminoimalla, aminoalkyloimalla tai suoraan aminoimalla. Aminoalkylointi voidaan suorittaa erilaisilla reagensseilla ja katalyyteillä. Tässä työssä hartseja valmistettiin aminoimalla polymetyyliakrylaattidivinyylibentseenipohjaista polymeeriä etyylidiamiinilla ja propyylidiamiinilla. Lisäksi suoritettiin polystyreeni-divinyylibentseenipohjaisen polymeerin aminoalkylointi bis(ftaali-imidometyyli)eetterin avulla. Reaktio tehtiin kahdella eri katalyytillä; rikkitrioksidilla ja rautakloridilla. Aminoalkylointireaktioissa tarvittava eetteri piti ennen varsinaista reaktiota valmistaa N-hydroksymetyyliftaali-imidistä. Myös tämän reagenssin syntetisointia ftaali-imidistä kokeiltiin. Kaikki synteesit onnistuivat melko hyvin, paitsi aminoalkylointi rautakloridikatalyytillä. Hartsien valmistuksen lisäksi itse valmistettuja primäärisen amiiniryhmän omaavia hartseja sekä erilaisia amiiniryhmiä omaavia valmiita hartseja karakterisoitiin eri tavoin. Erityisesti haluttiin tutkia hiilidioksidin adsorptiokapasiteettia ja hartsien termistä kestävyyttä. Kaikista tutkituista hartseista lähimpänä haluttuja ominaisuuksia olivat kaksi kaupallista primäärisen amiiniryhmän omaavaa PS-DVBpohjaista makrohuokoista hartsia. Rakenteeltaan samanlainen itse valmistettu hartsi (rikkitrioksidikatalyytin läsnä ollessa aminoalkyloitu) oli myös ominaisuuksiltaan lupaava. Valmistusmenetelmää pitää kuitenkin tutkia ja kehittää lisää vielä parempien tulosten aikaansaamiseksi. Myös kaupallinen polyetyleeni-imiinirakenteen omaava silikapohjainen hartsi oli ominaisuuksiltaan hyvä.

VOC emissions and control techniques in softwood veneer dryers

The objective in this Master’s Thesis was to determine VOC emissions from veneer drying in softwood plywood manufacturing. Emissions from plywood industry have become an important factor because of the tightened regulations worldwide. In this Thesis is researched quality and quantity of the VOCs from softwood veneer drying. One of the main objectives was to find out suitable cleaning techniques for softwood VOC emissions. In introduction part is presented veneer drying machines, wood mechanical and chemical properties. VOC control techniques and specified VOC limits are introduced also in the introduction part. Plywood mills have not had interest to VOC emissions previously nevertheless nowadays plywood mills worldwide must consider reduction of the emissions. This Thesis includes measuring of emissions from softwood veneer dryer, analyzation of measured test results and reviewing results. Different air conditions inside of the dryer were considered during planning of the measurements. Results of the emissions measurements were compared to the established laws. Results from this Thesis were softwood veneer dryer emissions in different air conditions. Emission control techniques were also studied for softwood veneer dryer emissions for further specific research.

Alumiinipainevalujen purseen- ja jäysteenpoiston kehitysmahdollisuudet

Valupurseiden ja jäysteiden poistaminen on osa alumiinipainevalujen tuotantoprosessia. Työssä on tutkittu käytössä olevien ja uusien menetelmien mahdollisuuksia taloudellisempaan tuotantoon. Purseiden ja jäysteiden poistamiseen käytettävien menetelmien lisäksi tutkimuskohteita ja ideoita on haettu muista metallien työstömenetelmistä. Valupurseiden ja jäysteiden määritelmiä, muodostumista ja luokittelua on esitelty laajasti. Menetelmien tutkimus on painottunut valupurseiden poistamiseen ja valun jälkeistä leikkaamista on tutkittu erityisesti sisäpuolisten muotojen työstämiseen käytettyjen pistintyökalujen kautta. Muotin ulostyöntötapin purseen poistaminen on ollut tärkeä asia menetelmien tutkimuksissa. Valupurseiden, leikkaus- ja koneistusjäysteiden poistamiseksi lastuavista työstömenetelmistä tutkittuja ovat koneistaminen koneistuskeskuksella, aventaminen, hiertopuhallus, suihkuhiertäminen, vesisuihkuleikkaus, ultraäänityöstö, harjaus, painehiertäminen, hiominen kohdistetuilla ja kohdistamattomilla menetelmillä. Myös terminen jäysteenpoistomenetelmä (TEM), kemiallinen työstö (ECM) ja laserleikkaus on otettu esiin tutkimuksessa. Työn tuloksena on näkemys tutkittujen menetelmien jatkokehitystarpeesta ja mahdollisuudesta soveltaa niitä sarjatuotantoon.

Kestomagneettigeneraattorin lämmönsiirron mallinnus tuulivoimakäytössä

Pyörivien sähkökoneiden suunnittelussa terminen suunnittelu on yhtä tärkeää kuin sähköinen ja mekaaninen suunnittelukin. Tässä diplomityössä tarkoituksena on kehittää ilmajäähdytteisten kestomagneettigeneraattorien laskentaan soveltuva lämmönsiirtymismalli, jolla staattorin lämpötilajakauma voitaisiin selvittää. Kehitetty lämmönsiirtymismalli perustuu kolmiulotteiseen äärellisen erotuksen (finite difference) menetelmään. Malli ottaa huomioon lämmönjohtumisen staattorin aktiiviosissa ja konvektion jäähdytysilmavirtaan. Mallissa on myös yksinkertainen painehäviölaskenta jäähdytysjärjestelmän komponenttien mitoittamista varten. Laskentamallilla lasketaan esimerkkitapauksena 4,3 MW:n kestomagneettigeneraattorin jäähdytystä eri toimintapisteissä. Tuloksia verrataan CFD-mallinnuksen antamiin tuloksiin sekä kokeellisten mittausten antamiin tuloksiin.

Reaktoreiden termisen tehon laskennan epävarmuuksien kartoitus

Diplomityössä selvitettiin Fortum Power and Heat Oy:n Loviisan VVER-440 painevesireaktorilaitosten termisen tehon laskentaan liittyviä epävarmuuksia. Laitoksen turvallisuusteknisissä käyttöehdoissa (TTKE) määrätään reaktorin suurimmaksi sallituksi lämpötehoksi 1500 MW. Tähän perustuen haluttiin selvittää nykyiseen RT1 laskentaan liittyvät epävarmuudet tarkastamalla nykyinen laskenta ja siinä käytetyt termohydrauliset laskentasovitteet. Työn alussa selostetaan lyhyesti Loviisan voimalaitoksen toimintaperiaate, jonka jälkeen esitellään laskentaan osallistuvat prosessimittaukset ja niihin liittyvät epävarmuustekijät. Mittauksille määritettiin epävarmuudet käyttäen hyödyksi komponenttivalmistajien tietoja sekä laitoksen kalibrointitodistuksia ja näiden lisäksi laskettiin standardin mukainen virhe virtauslaipoille. Edellä mainittujen virheiden perusteella voitiin laskea tehon epävarmuudet yksittäiselle höyrystimelle, josta edelleen varianssien summamenetelmällä saatiin reaktorin termiselle teholle 0,78 %:n epävarmuus 95 % luottamustasolla. Laskettua tehon epävarmuutta verrattiin Monte Carlo -menetelmällä suoritettuun tarkistuslaskentaan, jolla termisen tehon epävarmuudeksi saatiin 0,53 %, luottamustason ollessa 95 %. Työssä tarkasteltiin keskiarvotuksen vaikutusta mittausdataan. Näissä tarkasteluissa havaittiin pinnansäädöstä aiheutuva reaktoritehon huojunta, joka oli työn merkittävin havainto.

Investigation of Oxygen Cutting Process in Solid-State Welding

The oxygen cutting is a thermal cutting process, in which metal is heated locally up to its ignition temperature and burnt off by oxygen blast. Oxygen cutting can be used to remove upset metal of a hollow bar occurred due to solid-state welding process. The main goal of this research was to establish a connection between oxygen blasts and mass of metal removed and relate findings to production to suggest improvements to the current process. This master´s thesis describes the designing and building of a test rig for oxygen blowing measurements. It also contains all executed tests and test results, which were carried out. There are different cutting parameters which were studied as well as their effect on cutting process. The oxygen cutting process, used in solid-state welding process, can be improved by the test results.

Kalsinaattorin siirtymien ja teräskuoren murtumien tutkiminen

Sementti on yksi eniten maailmassa käytetty rakennusmateriaali ja Suomessa sementin valmistuksesta vastaa Finnsementti Oy kahden tehtaan voimin. Lappeenrannan tehtaalle investoitiin uusi uunilinja vuonna 2007, joka on aikansa kehittyneintä tekniikkaa. Järjes-telmän esilämmitysvaiheen laitteissa, erityisesti kalsinaattorissa, on esiintynyt luvattoman paljon plastisoitumista ja murtumia. Tässä työssä tutkittiin lämpötilan ja sen vaihtelun vaikutusta järjestelmässä syntyneisiin siirtymiin ja murtumiin. Työn alussa luotiin katsaus erilaisiin murtumisilmiöihin ja niiden syntyyn. Vuorauksessa käytettyihin tiilien käyttäytymistä tutkittiin myös, koska ne ovat olennainen osa esilämmi-tysjärjestelmää. Työn kokeellisessa osuudessa aluksi määriteltiin järjestelmässä käytetylle teräkselle lujuusominaisuudet tutkimalla mikrorakennetta sekä suorittamalla veto- että kovuuskokeet materiaalille. Toisessa osiossa mitattiin järjestelmän alasajon aikana tapah-tuneet siirtymät. Laskennallisessa osuudessa tutkittiin väsymismurtuman mahdollisuutta sekä määritettiin kuoressa esiintyvän särön vaikutusta puhkeamis- ja murtumiskuormituk-seen. FEM- analyysissä tarkasteltiin lämpötilan vaikutusta siirtymien suuruuksiin ja pyrittiin löytämään perusteluita, miksi rakenne on todellisuudessa siirtynyt eri suuntiin kuin alun perin oli tarkoitettu. Lisäksi analysoitiin FEM- mallit tiilihyllystä ja kalsinaattorin kuoren tukikehästä, joista tutkittiin lämpökuorman aiheuttamia jännityksiä. Materiaalin osalta selvisi, että kyseessä oli hyvin yleinen rakenneteräs S235 tai sitä vas-taava teräslaatu. Teräs ei ominaisuuksiltaan sovellu kuumiin olosuhteisiin, jonka vuoksi järjestelmässä käytettävän eristevuorauksen kunto on erityisen tärkeä rakenteen käyttöiän kannalta. Vuorauksen kunnosta riippuu, kuinka suuren lämpökuorman teräskuori saa. Väsymismurtuman mahdollisuus jäi minimaalisen pieneksi lämpötilan muutoksen vaiku-tuksesta. Analysoinnin tulosten perusteella voitiin todeta, että lämpötilan hitaasti mutta kohtalaisen suurella vaihteluvälillä sekä tiilien turpoamisen vaikutuksella on erittäin suuri merkitys järjestelmässä esiintyviin murtumiin.

Thermal Stress in a Roll-to-Roll Printed Electronics Substrate

The Roll-to-Roll process makes it possible to print electronic products continuously onto a uniform substrate. Printing components on flexible surfaces can bring down the costs of simple electronic devices such as RFID tags, antennas and transistors. The possibility of quickly printing flexible electronic components opens up a wide array of novel products previously too expensive to produce on a large scale. Several different printing methods can be used in Roll-to-Roll printing, such as gravure, spray, offset, flexographic and others. Most of the methods can also be mixed in one production line. Most of them still require years of research to reach a significant commercial level. The research for this thesis was carried out at the Konkuk University Flexible Display Research Center (KU-FDRC) in Seoul, Korea. A system using Roll-to-Roll printing requires that the motion of the web can be controlled in every direction in order to align different layers of ink properly. Between printers the ink is dried with hot air. The effects of thermal expansion on the tension of the web are studied in this work, and a mathematical model was constructed on Matlab and Simulink. Simulations and experiments lead to the conclusion that the thermal expansion of the web has a great influence on the tension of the web. Also, experimental evidence was gained that the particular printing machine used for these experiments at KU-FDRC may have a problem in controlling the speeds of the cylinders which pull the web.

Fundamentals of heat transfer

Following over 170+ pages and additional appendixes are formed based on content of Course: Fundamentals of Heat Transfer. Mainly this summarizes relevant parts on Book of Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), but also other references introducing the same concepts are included. Student’s point of view has been consideredwith following highlights: (1) Relevant topics are presented in a nutshell to provide fast digestion of principles of heat transfer. (2) Appendixes include terminology dictionary. (3) Totally 22 illustrating examples are connecting theory to practical applications and quantifying heat transfer to understandable forms as: temperatures, heat transfer rates, heat fluxes, resistances and etc. (4) Most important Learning outcomes are presented for each topic separately. The Book, Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), is certainly recommended for those going beyond basic knowledge of heat transfer. Lecture Notes consists of four primary content-wise objectives: (1) Give understanding to physical mechanisms of heat transfer, (2)Present basic concepts and terminology relevant for conduction, convection and radiation (3) Introduce thermal performance analysis methods for steady state and transient conduction systems. (4) Provide fast-to-digest phenomenological understanding required for basic design of thermal models

Biolietteen kuiva-ainepitoisuuden parantaminen elektro-kuivauksen avulla

Tässä työssä tutkittiin sähkön käyttömahdollisuuksia metsäteollisuuden jäteveden-puhdistamolla syntyvän biolietteen kuivauksessa. Lisäksi selvityksen kohteena olivat lietteen sähkökuivaukseen vaikuttavat tekijät. Työn kirjallisessa osassa perehdyttiin lietteiden syntyyn jätevedenpuhdistamolla sekä lietteiden ominaisuuksiin. Työssä tutustuttiin myös lietteiden käsittelyyn ja siinä käytettäviin tekniikoihin. Ennen työn kokeellista osaa esiteltiin sähkökuivauksen periaate sekä sähkökuivaukselle aiemmin tehtyjä tutkimuksia ja niistä saatuja kokemuksia. Myös tuotteistetut elektrokuivauksen sovellukset olivat osa työtä. Kokeellisessa osassa keskityttiin varsinaisiin sähkökuivauskokeisiin. Tutkimukset suoritettiin suodatuskokein, jotka toteutettiin imuun perustuvalla Büchner-suodattimella sekä painesuodattimella. Kokeissa tutkittiin tasavirran, virran pulssituksen ja vaihtovirran vaikutusta metsäteollisuuden primääri- ja biolietteeseen. Tasavirtatutkimuksissa sähkövirtaa johdettiin lietteeseen suodatuksen aikana, kun taas vaihtovirtaa testattaessa liete käsiteltiin ensin sähköllä ja suodatettiin erikseen. Suodatuskokeiden lisäksi tutkimuksissa tarkkailtiin lietteiden kuiva-ainepitoisuuksia, redox-potentiaalia, lämpötilaa, pH:ta ja sähkönjohtokykyä. Lietteitä tutkittiin myös tuhkapitoisuuden suhteen sekä suoritettiin solututkimuksia fluoresenssilukijan avulla. Työn laboratoriotutkimukset osoittivat sähkön vaikuttavan selkeästi biolietteen ve-denerotuskykyyn: sähkö nopeutti lietteen suodatusta parhaimmillaan yli 70 %. Säh-kökuivauksella lietteen kuiva-ainepitoisuudet pysyivät samoina, mutta suodatus nopeutui ja suodatusajat jopa puolittuivat. Myös lietteen sähkönjohtokyky kasvoi sähkökäsittelyn aikana, mikä viittasi veden vapautumiseen solujen sisältä. Lietteen kunto ja ominaisuudet, polymeeri, sekoitus sekä sähkökäsittelyn parametrit olivat tärkeässä asemassa sähkökuivauksen onnistumisen kannalta.