Analysis of Phase Separator Design Criteria Using Computational Fluid Dynamics

Gravitational phase separation is a common unit operation found in most large-scale chemical processes. The need for phase separation can arise e.g. from product purification or protection of downstream equipment. In gravitational phase separation, the phases separate without the application of an external force. This is achieved in vessels where the flow velocity is lowered substantially compared to pipe flow. If the velocity is low enough, the denser phase settles towards the bottom of the vessel while the lighter phase rises. To find optimal configurations for gravitational phase separator vessels, several different geometrical and internal design features were evaluated based on simulations using OpenFOAM computational fluid dynamics (CFD) software. The studied features included inlet distributors, vessel dimensions, demister configurations and gas phase outlet configurations. Simulations were conducted as single phase steady state calculations. For comparison, additional simulations were performed as dynamic single and two-phase calculations. The steady state single phase calculations provided indications on preferred configurations for most above mentioned features. The results of the dynamic simulations supported the utilization of the computationally faster steady state model as a practical engineering tool. However, the two-phase model provides more truthful results especially with flows where a single phase does not determine the flow characteristics.

Implementation of Quantitative Reaction-based Model Refinement

Building a computational model for complex biological systems is an iterative process. It starts from an abstraction of the process and then incorporates more details regarding the specific biochemical reactions which results in the change of the model fit. Meanwhile, the model’s numerical properties such as its numerical fit and validation should be preserved. However, refitting the model after each refinement iteration is computationally expensive resource-wise. There is an alternative approach which ensures the model fit preservation without the need to refit the model after each refinement iteration. And this approach is known as quantitative model refinement. The aim of this thesis is to develop and implement a tool called ModelRef which does the quantitative model refinement automatically. It is both implemented as a stand-alone Java application and as one of Anduril framework components. ModelRef performs data refinement of a model and generates the results in two different well known formats (SBML and CPS formats). The development of this tool successfully reduces the time and resource needed and the errors generated as well by traditional reiteration of the whole model to perform the fitting procedure.

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.

Voimalaitosten kattilaputkien sisäpuolisten kerrostumien paksuuden mittaaminen ultraäänimenetelmällä

Höyryvoimalaitoksen käyttöönotossa muodostuu kattilaputkien sisäpinnoille niitä korroosiolta suojaava ohut metallioksidikerros. Tämän kerroksen päälle kasvaa kattilan käytön aikana haitallista kerrostumaa paikallisen korroosion tai kattilavedessä olevien epäpuhtauksien kerääntymisen tai kiteytymisen seurauksena. Kerrostuma haittaa lämmönsiirtoa tulipesästä putkiseinämän läpi kattilaveteen. Putkien lämpötilan nousu suunniteltua korkeammaksi kasvattaa putkivaurioiden ja sisäpuolisen korroosion riskiä. Tästä johtuen paksuksi kasvaneet kerrostumat pyritään poistamaan happokäsittelyllä eli peittauksella ennen vaurioiden syntyä. Perinteisesti kerrostumapaksuus on määritetty kattilasta irrotetuista näyteputkista mikroskoopilla. Työn tavoitteena oli tutkia uudenlaisen ultraäänimittauksen teoriaa ja selvittää sen toimivuus höyrystinputkien kerrostumapaksuusmittauksissa. Lisäksi tavoitteena oli tutkia voimalaitoksen höyrystimen sisäpuolisten kerrostumien muodostumista ja niiden vaikutuksia sekä kattilan peittaustarpeen arviointia. Höyrystimen kerrostumien kasvunopeuteen vaikuttavat eniten voimalaitostyyppi, käytetty vesikemia ja kattilaveteen kulkeutuvien epäpuhtauksien määrä. Kasvunopeus vaihtelee laitosten välillä suuresti ja eroaa myös tulipesän eri kohdissa. Kattilaveden epäpuhtauspitoisuus ja kerrostumapaksuus vaikuttavat molemmat korroosiovaurioiden todennäköisyyteen. Peittauspaksuuden ohjearvoissa tulisi huomioida kattilan käyttöpaine, kattilatyyppi ja riski kattilaveden laadun heikkenemiselle. Putkinäytteistä ja laitoksilla suoritettujen mittauksien perusteella uusi ultraäänitekniikka tuottaa luotettavia tuloksia tavanomaisten kerrostumien mittauksessa. Vain yhdellä laitoksella esiintyi irtonaisen sakan kaltaista kerrostumaa, jota mittaus ei kyennyt havaitsemaan. Mittaustulokset kerrostumista tulipesän eri osissa antavat hyvän perustan peittaustarpeen arviointiin.

Thermal modelling of commercial lithium-ion batteries

The accelerating adoption of electrical technologies in vehicles over the recent years has led to an increase in the research on electrochemical energy storage systems, which are among the key elements in these technologies. The application of electrochemical energy storage systems for instance in hybrid electrical vehicles (HEVs) or hybrid mobile working machines allows tolerating high power peaks, leading to an opportunity to downsize the internal combustion engine and reduce fuel consumption, and therefore, CO2 and other emissions. Further, the application of electrochemical energy storage systems provides an option of kinetic and potential energy recuperation. Presently, the lithium-ion (Li-ion) battery is considered the most suitable electrochemical energy storage type in HEVs and hybrid mobile working machines. However, the intensive operating cycle produces high heat losses in the Li-ion battery, which increase its operating temperature. The Li-ion battery operation at high temperatures accelerates the ageing of the battery, and in the worst case, may lead to a thermal runaway and fire. Therefore, an appropriate Li-ion battery cooling system should be provided for the temperature control in applications such as HEVs and mobile working machines. In this doctoral dissertation, methods are presented to set up a thermal model of a single Li-ion cell and a more complex battery module, which can be used if full information about the battery chemistry is not available. In addition, a non-destructive method is developed for the cell thermal characterization, which allows to measure the thermal parameters at different states of charge and in different points of cell surface. The proposed models and the cell thermal characterization method have been verified by experimental measurements. The minimization of high thermal non-uniformity, which was detected in the pouch cell during its operation with a high C-rate current, was analysed by applying a simplified pouch cell 3D thermal model. In the analysis, heat pipes were incorporated into the pouch cell cooling system, and an optimization algorithm was generated for the estimation of the optimalplacement of heat pipes in the pouch cell cooling system. An analysis of the application of heat pipes to the pouch cell cooling system shows that heat pipes significantly decrease the temperature non-uniformity on the cell surface, and therefore, heat pipes were recommended for the enhancement of the pouch cell cooling system.

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.

Movax Oy:n tuotteiden ja tekniikan käyttömahdollisuudet pilaantuneiden maa-alueiden ja pohjavesien kunnostushankkeissa

Työn tavoitteena on tarkastella erilaisia in-situ -kunnostusmenetelmiä maaperän ja pohjaveden kunnostushankkeissa ja niiden toteutusvaihtoehtoja sekä vertailla niitä keskenään. Työssä tarkastellaan myös lainsäädännön ja eri menetelmien kehittymistä, niiden tulevaisuuden näkymiä sekä pohditaan yrityksen tuotteiden liiketoimintamahdollisuuksia tämän pohjalta. Tietoa kerätään kirjallisuudesta sekä tapaustutkimuksista ja niitä peilataan yrityksen sisällä olevaan hiljaiseen tietoon. Löydettyä kirjallisuustietoa sekä tapaustutkimuksia on analysoitu SWOT-analyysien sekä ryhmittelyjen avulla. Työn tuloksena on esitetty vaihtoehtoinen tapa asentaa reaktiivinen seinämä pohjaveden kunnostushankkeissa yrityksen tuotteiden ja putkipaalujen avulla. Lisäksi työn pohjalta voidaan koota materiaalia ja lisätietoa asiakkaille sekä myynnin ja markkinoinnin tukemiseen. Tulosten pohjalta voidaan arvioida, että kyseinen menetelmä tukisi myös kestävän kehityksen periaatteita kunnostushankkeen toteutus- ja asennusvaiheessa. Menetelmän avulla voitaisiin mahdollisesti vähentää reaktiivisten seinämien asentamiseen liittyviä ympäristövaikutuksia.