Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

Taajuusmuuttajat voimalaitosten pumppauksissa, erityisesti syöttöveden pyörimisnopeussäädön vaikutus ruiskutusvesijärjestelmiin

Työn ensimmäisessä osassa tutustutaan pumppauksen teoriaan ja esitellään kuristus- ja pyörimisnopeussäätö. Toisessa osassa perehdytään pyörimisnopeussäädössä käytettävän taajuusmuuttajan rakenteeseen ja sen eri osissa syntyviin häviöihin. Kolmannessa osassa tutkitaan kolmen eri tavoin säädetyn pumppauksen toimintaa Pelloksen voimalaitoksella. Lauhdepumpun kierrosnopeussäätöä verrataan vaihtoehtoiseen kuristussäätöön. Viimeisessä osassa selvitetään mahdollisuutta poistaa pyörimisnopeussäädön turhaksi tekemä syöttövesiventtiili voimalaitosten suunnittelusta. Erityisesti etsitään vaihtoehtoisia menetelmiä ruiskutusveden tuottamiseen. Uusia vaihtoehtoja ruiskutusvedelle esitetään kaksitoista. Ruiskutusvesitekniikoita vertaillaan keskenään ja parasta vaihtoehtoa verrataan nykyiseen menettelyyn.

Sähkökoneiden kunnonvalvonta-antureiden kehitys vaativiin ympäristöolosuhteisiin

Diplomityössä kerrotaan sähkökoneiden on-line kunnonvalvontaan käytettävistä mittauksista ja analyyseistä sekä antureista, joilla näitä mittauksia voidaan suorittaa. Työssä pohditaan anturielektroniikan suunnittelua ja rakentamista vaativiin ympäristöolosuhteisiin, joita ovat muun muassa korkea lämpötila, kosteus, paine ja voimakkaat magneettikentät. Testataan analogisen lämpötila-anturin toimivuutta taajuusmuuttajakäytön läheisyydessä. Häiriöpiikkien suodattamista varten tehdään mediaanisuodatusohjelma. Lisäksi työssä suunnitellaan kunnonvalvontapilotit pumppuun sellutehtaalle sekä generaattorikäyttöön vesivoimalaan. Pilotit muodostuvat anturoinnista, anturitason tiedonsiirrosta ja mittaustiedon keruusta. Järjestelmää testataan lievästi sisäkehävaurioisella laakerilla. Työssä kerrotaan myös kunnonvalvontajärjestelmän pilotoinnista sellutehtaalle ja analysoidaan sieltä saatuja tuloksia.

Paperikoneen uuden lyhytkiertoprosessin sovellutuskehitys

Työssä tutkittiin uuden ShortFlowÔ-konseptin eri osa-alueiden toimivuutta paperikoneen lyhytkierrossa. Prosessin sekoituspumppuna perinteinen keskipakopumppu korvataan potkuri-pumpulla, joten työssä selvitettiin uudentyyppisen pumpun kavitointirajat, säädettävyys ja sen soveltuminen suunniteltuun tehtävään ja toiminta-alueeseen. Prosessiin kuuluu myös uudentyyppinen viirakaivo, josta selvitettiin sen kyky poistaa ilmaa ja virtauskäyttäytyminen kaivossa. Hienopaperikoneen osalta kartoitettiin prosessiin liittyviä riskejä ja ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessin kannattavuutta investointina. Työn kirjallisessa osassa on käsitelty lyhytkiertoa eri osa-alueittain. Aluksi on lyhytkierron yleisempi tarkastelu, jossa on selvitetty lajittelua, ilmanpoistoa ja pumppauksia. Erityisempää huomiota on kiinnitetty ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessiin liittyviin erityispiirteisiin joita ovat sakeamassalajittelu, täyteaineet paperitehtaalla, hylky ja virtausten sekoittuminen. Sekoituspumpun osalta on käsitelty myös kavitointia hieman tarkemmin. Työn kokeellisessa osassa suunniteltiin prosessin koelaitteisto, joka myös koeajettiin. Potkuripumpun koeajossa määritettiin potkuripumpun toiminta-alue ja säädettävyys. Pumpun todettiin sekoittavan ja ilman vaikutus potkuripumpun ominaisuuksiin todettiin merkityksettömäksi pumpun toiminta-alueella. Viirakaivon koeajossa selvisi, että viirakaivo poistaa ilmaa suunnittelualueella ja kaivolle löytyi muoto, jossa virtauskäyttäytyminen viirakaivossa eri laskeutumisnopeuksilla on mahdollisimman häiriötöntä. Hienopaperikoneen osalta riskien kartoituksessa selvisi, ettei täyteaine aiheuta ongelmia ja että päällystelaattaa sisältävä hylky on lajiteltava ennen lyhytkiertoa. ShortFlowÔ-lyhytkiertoprosessi oli edullisin sekä käyttö- että investointikustannuksiltaan.

The Optimisation of the Draft Tube of a Hydro Power Plant at Off-Design Conditions

Several possible methods of increasing the efficiency and power of hydro power plants by improving the flow passages are investigated in this stydy. The theoretical background of diffuser design and its application to the optimisation of hydraulic turbine draft tubes is presented in the first part of this study. Several draft tube modernisation projects that have been carried out recently are discussed. Also, a method of increasing the efficiency of the draft tube by injecting a high velocity jet into the boundary layer is presented. Methods of increasing the head of a hydro power plant by using an ejector or a jet pump are discussed in the second part of this work. The theoretical principles of various ejector and jet pump types are presented and four different methods of calculating them are examined in more detail. A self-made computer code is used to calculate the gain in the head for two example power plants. Suitable ejector installations for the example plants are also discussed. The efficiency of the ejector power was found to be in the range 6 - 15 % for conventional head increasers, and 30 % for the jet pump at its optimum operating point. In practice, it is impossible to install an optimised jet pump with a 30 % efficiency into the draft tube as this would considerabely reduce the efficiency of the draft tube at normal operating conditions. This demonstrates, however, the potential for improvement which lies in conventional head increaser technology. This study is based on previous publications and on published test results. No actual laboratory measurements were made for this study. Certain aspects of modelling the flow in the draft tube using computational fluid dynamics are discussed in the final part of this work. The draft tube inlet velocity field is a vital boundary condition for such a calculation. Several previously measured velocity fields that have successfully been utilised in such flow calculations are presented herein.

Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

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.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Strategiaprosessin kehittäminen globaalin konsernin tehdasyksikössä

Diplomityön tavoitteena on kehittää konsernin alaisuudessa toimivan Karhulan pumpputehtaan omaa strategiatyötä luomalla kokonaisuutta hahmottava ja uutta ajattelua sisältävä formaali prosessi. Nämä päämäärät saavutetaan konstruktiivisella tutkimuksella, jossa tunnistettuun ongelmaan luodaan esiymmärryksen kautta uudentyyppinen rakenteellinen ratkaisu tuottaen samalla uutta tietoa. Tämä lähestymistapa konkretisoituu työssä yritykseen, teoriaan ja käytäntöön pohjautuvaan esiymmärryksen rakentamiseen, strategiaprosessin konstruoimiseen ja teoriakytkentään sekä luodun kokonaisuuden toimivuuden testaamiseen. Esiymmärrys rakennetaan työssä tutustumalla Karhulan pumpputehtaaseen ja sen ympärillä vaikuttavaan konserniin, syventymällä aiheeseen liittyvään teoriaan ja sen uusimpiin näkökulmiin sekä hahmottamalla muiden yritysten käytäntöjä strategiatyössä ja -prosesseissa. Tämän pohjalta konstruoidaan strategiaprosessi ohjaamaan, aikatauluttamaan ja toimimaan runkona Karhulan pumpputehtaan vuotuiselle strategiatyölle. Luotu kokonaisuus testataan kokeellisen läpiviennin avulla, joka vahvistaa mallin toimivuuden ja oikeellisuuden. Lopputuloksena on aikataulutettu strategiaprosessi, joka on räätälöity Karhulan pumpputehtaan tarpeisiin.

Electric energy recovery system for a hydraulic forklift

This thesis studies the possibilities to recover energy in a hydraulic forklift system. Controlling of the system is done directly with an electric servo motor drive and a hydraulic pump. A real system was built and tested and simulations of the system were made with Matlab. Results of the system and simulations were analysed and compared and according to them, energy can be recovered efficiently from the hydraulic forklift system. Also new ideas and directions of further research were obtained with the help of this research.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

Energiaa säästävä uusi viemäriveden pumppausteknologia

Pumppaaminen kuluttaa teollisuudessa huomattavan osan energiasta, joten siellä on myös merkittäviä säästömahdollisuuksia. Maailmanlaajuisesti pumppaus kuluttaa noin viidenneksen sähkömoottorien energiantarpeesta, ja tietyillä teollisuudentoimialoilla jopa yli 50%. Jätevedenpumppaus perustuu edelleenkin pääosin 50- ja 60- luvuilla kehitettyyn tekniikkaan, merkittäviä energiansäästöjä on mahdollista saavuttaa suhteellisen pienillä investoinneilla. Työn teoriaosassa käsitellään perusteet jätevedenkäsittelystä, ja viemäriputkiston rakenteesta. Pumppuja, sähkömoottoreita ja taajuusmuuttajia käsitellään laajemmin keskittyen niiden toimintaan ja toimintaa ohjaaviin teorioihin. Empiirisessä osassa tutkitaan uuden teknologian energiansäästöpotentiaalia erilaisilla mittauksilla, sekä mittausten pohjalta tehdyillä case-analyyseillä. Näitä analyysejä varten työn aikana kehiteltiin laskin, jolla voidaan arvioida energian kulutusta tunnetulle pumpulle, kun tiedetään haluttu toimintapiste. Työssä käsitelty uusi teknologia on mahdollisesti merkittävin uudistus viemäriveden pumppausteknologiaan taajuusmuuttajien käyttöönoton jälkeen. Teknologialla päästään eroon imukaivoista liki täysin, ja sitä kautta saadaan paremmin hallittua monia ongelmia kuten hajuhaittoja. Teknologian merkittävin hyöty on kuitenkin energiansäästö. Perinteisessä teknologiassa taajuusmuuttajat ovat olleet kannattavia, mikäli geodeettisen nostokorkeuden osuus on mahdollisimman pieni. Tyypillisessä uuden teknologian sovelluskohteissa geodeettinen nostokorkeus tulee yleensä olemaan pieni, joten uuden teknologian käyttöönoton kannattavuus on näissä kohteissa erityisen hyvä.

Developing of the Variable Speed Drive -control in simulated parallel pumping systems

This thesis presents briefly the basic operation and use of centrifugal pumps and parallel pumping applications. The characteristics of parallel pumping applications are compared to circuitry, in order to search analogy between these technical fields. The purpose of studying circuitry is to find out if common software tools for solving circuit performance could be used to observe parallel pumping applications. The empirical part of the thesis introduces a simulation environment for parallel pumping systems, which is based on circuit components of Matlab Simulink —software. The created simulation environment ensures the observation of variable speed controlled parallel pumping systems in case of different controlling methods. The introduced simulation environment was evaluated by building a simulation model for actual parallel pumping system at Lappeenranta University of Technology. The simulated performance of the parallel pumps was compared to measured values of the actual system. The gathered information shows, that if the initial data of the system and pump perfonnance is adequate, the circuitry based simulation environment can be exploited to observe parallel pumping systems. The introduced simulation environment can represent the actual operation of parallel pumps in reasonably accuracy. There by the circuitry based simulation can be used as a researching tool to develop new controlling ways for parallel pumps.

Developing the environmental marketing of an industrial company

The objective of this study was to examine how the customers of Larox Flowsys value environmental issues and how environmental issues affect their purchasing behaviour. A comparison between Larox peristaltic pumps and competing pump brands and types was also made in order to find out whether LPP pumps possess some more environmentally beneficial features that other pumps do not have. Finally, if the answers to the first two research questions show that a need for a new marketing message does exist, then the final stage is to select the most appropriate environmental arguments for Larox Flowsys. The empirical data in the study was collected from several different sources, but the main sources were the customer interviews and the outsourced market research. The data was analysed mainly by using content analysis, but theme formation and quantification were also utilized. The results showed that the customers do not consider environmental issues as a main purchasing criterion, but they may well be the criterion that differentiates the product from competing ones. The comparison proved that LPP pumps do possess some significant environmental benefits over competing pumps and therefore, the prerequisite for the use of environmental arguments exists. The final stage in the study was to select the proper environmental arguments for Larox Flowsys.

Syrjäytystilavuuspumpun toiminnallisen välyksen säätömekanismin kehitys

Syrjäytystilavuuspumppua käytetään kuluttavien, syövyttävien, jähmeiden ja kiteytyvien väliaineiden pumppaukseen. Sähkömoottorin pyörittämä akseli puristaa rullan välityksellä letkun tiiviisti rungon sisäpintaa vasten työntäen samalla väliainetta edellään kulkiessaan letkua pitkin. Puristuksen jälkeen letku palautuu pyöreään muotoonsa muodostaen alipaineen pumpun imupuolelle. Nykyisen konstruktion iskunsäätö on toteutettu ruuvi-epäkeskomekanismilla, jolle haetaan vaihtoehtoja. Tässä työssä on tavoitteena kehittää syrjäytystilavuuspumpun iskunsäätömekanismista nykyistä konstruktiota yksinkertaisempi ja halvempi vaihtoehto. Työssä ideoidaan koneensuunnittelun perinteisin keinoin uusia ratkaisuvaihtoehtoja, joista kaksi valitaan jatkokehitykseen. Näistä kahdesta valitaan nykyiseen konstruktioon tehdyn vertailun jälkeen toinen lopulliseksi vaihtoehdoksi.