Biomassakattilan simulointi

Tässä diplomityössä mallinnetaan Apros-simulointiohjelmistolla kylläistä höyryä tuottava KPA Uniconin toimittama Biograte-kattilalaitos. Työ on rajattu käsittelemään vesihöyrypiiri syöttövesisäiliöstä prosessiin lähtevään höyryyn saakka. Savukaasupuoli on mallinnettu polttoaineen ja palamisilman syötöstä savupiippuun asti, mutta savukaasujen puhdistus on jätetty pois simulaatiomallista. Työssä kerrotaan yleisesti biopolttoaineista, kattilalaitoksista ja tulipesäratkaisuista. Simuloitava kattilalaitos ja sen säätöjärjestelmä käydään läpi yksityiskohtaisemmin. Simuloinnista ja sen mahdollisuuksista kerrotaan yleisesti, jonka jälkeen esitellään tehty simulaatiomalli. Simulointituloksia verrataan kattilan mitoitusarvoihin ja tärkeimpien prosessisuureiden muutoksia tutkitaan kuormanmuutostilanteissa. Lopuksi tuloksista tehdään yhteenveto ja esitellään jatkotoimenpidesuunnitelmat. Simuloitu kattilalaitos tuottaa kylläistä höyryä halutun määrän oikeassa paineessa ja lämpötilassa. Kattilan prosessisuureet vastaavat melko hyvin mitoitusarvoja ja simulaatiomalli toimii vakaasti myös kuormanmuutostilanteissa. Suurimmat kompromissit ja yksinkertaistukset on tehty tulipesän ja polttoaineensyötön mallinnuksessa. Näitä osa-alueita kehittämällä simulaation tarkkuutta olisi mahdollista parantaa entisestään. Jatkossa simulointimallia on tarkoitus kehittää laajentamalla se kattamaan myös laitoksen sekundääripuoli kokonaisuudessaan. Tulosten perusteella simulaatiota voidaan pitää onnistuneena mallina Biograte-kattilalaitoksesta.

Heat-transfer improvements in an axial-flux permanent-magnet synchronous machine

Axial-flux machines tend to have cooling difficulties since it is difficult to arrange continuous heat path between the stator stack and the frame. One important reason for this is that no shrink fitting of the stator is possible in an axial-flux machine. Using of liquid-cooled end shields does not alone solve this issue. Cooling of the rotor and the end windings may also be difficult at least in case of two-stator-single-rotor construction where air circulation in the rotor and in the end-winding areas may be difficult to arrange. If the rotor has significant losses air circulation via the rotor and behind the stator yokes should be arranged which, again, weakens the stator cooling. In this paper we study a novel way of using copper bars as extra heat transfer paths between the stator teeth and liquid cooling pools in the end shields. After this the end windings still suffer of low thermal conductivity and means for improving this by high-heat-conductance material was also studied. The design principle of each cooling system is presented in details. Thermal models based on Computational Fluid Dynamics (CFD) are used to analyse the temperature distribution in the machine. Measurement results are provided from different versions of the machine. The results show that significant improvements in the cooling can be gained by these steps.

Rankahakkeen laadunhallinta aumavarastoinnissa

Diplomityössä selvitettiin rankahakeaumojen peittämisen vaikutuksia laatuun voimalaitoksen polttoaineena. Selvityksen kohteena olivat aumojen sisälämpötilat eri kohdissa aumoja sekä hakkeen kosteuden muutos ja kuiva-ainetappiot varastoinnin aikana. Tutkimuksen kohteena olivat Etelä-Savon Energian polttoaineterminaaliin kootut hakeaumat. Aumojen sisäistä lämpötilaa asennettiin mittaamaan yhdeksän lämpötilasensoria kuhunkin aumaan. Hakkeiden kokonaismassat tutkimuksen alussa laskettiin aumoihin purettujen kuormien massoista. Kuormista määritettiin kosteudet ja lämpöarvot standardien mukaisesti. Näytteiden käsittely tapahtui terminaalilla ja niiden kosteus selvitettiin uunikuivausmenetelmällä. Käyttöpaikalle kuljetuksen yhteydessä kuormat punnittiin ja kosteudet mitattiin uudestaan. Tutkimuksen aikana havaittiin langattomien lämpötilasensorien lukemisen hakeaumojen sisältä olevan vaikeaa. Sensorit olivat kuitenkin pääsääntöisesti säilyneet toimintakuntoisina varastoinnin aikana ja niiden sisältämät lämpötilatiedot päästiin lukemaan aumojen purkamisen jälkeen. Tutkimuksen perusteella hakeaumojen peittäminen on kannattavaa. Hake säilyi tutkimuksen ajankohtana peitetyssä aumassa kuivempana kuin peittämättömässä. Hake ei myöskään jäädy peitteen alla yhtä paljon kuin peittämättömänä, mikä parantaa hakkeen käsiteltävyyttä kuormaa tehdessä ja voimalaitoksella. Kuiva-ainetappioista ei voitu esittää luotettavia tuloksia kokeen keskeydyttyä sään takia.

Real-time monitoring of laser scribing process utilizing high-speed camera

Currently, laser scribing is growing material processing method in the industry. Benefits of laser scribing technology are studied for example for improving an efficiency of solar cells. Due high-quality requirement of the fast scribing process, it is important to monitor the process in real time for detecting possible defects during the process. However, there is a lack of studies of laser scribing real time monitoring. Commonly used monitoring methods developed for other laser processes such a laser welding, are sufficient slow and existed applications cannot be implemented in fast laser scribing monitoring. The aim of this thesis is to find a method for laser scribing monitoring with a high-speed camera and evaluate reliability and performance of the developed monitoring system with experiments. The laser used in experiments is an IPG ytterbium pulsed fiber laser with 20 W maximum average power and Scan head optics used in the laser is Scanlab’s Hurryscan 14 II with an f100 tele-centric lens. The camera was connected to laser scanner using camera adapter to follow the laser process. A powerful fully programmable industrial computer was chosen for executing image processing and analysis. Algorithms for defect analysis, which are based on particle analysis, were developed using LabVIEW system design software. The performance of the algorithms was analyzed by analyzing a non-moving image from the scribing line with resolution 960x20 pixel. As a result, the maximum analysis speed was 560 frames per second. Reliability of the algorithm was evaluated by imaging scribing path with a variable number of defects 2000 mm/s when the laser was turned off and image analysis speed was 430 frames per second. The experiment was successful and as a result, the algorithms detected all defects from the scribing path. The final monitoring experiment was performed during a laser process. However, it was challenging to get active laser illumination work with the laser scanner due physical dimensions of the laser lens and the scanner. For reliable error detection, the illumination system is needed to be replaced.