Virtual technology and haptic interface solutions for design and control of mobile working machines

Commercially available haptic interfaces are usable for many purposes. However, as generic devices they are not the most suitable for the control of heavy duty mobile working machines like mining machines, container handling equipment and excavators. Alternative mechanical constructions for a haptic controller are presented and analysed. A virtual reality environment (VRE) was built to test the proposed haptic controller mechanisms. Verification of an electric motor emulating a hydraulic pump in the electro-hydraulic system of a mobile working machine is carried out. A real-time simulator using multi-body-dynamics based software with hardware-in-loop (HIL) setup was used for the tests. Recommendations for further development of a haptic controller and emulator electric motor are given.

Mahdollisuudet sisäilmaoireiden poistamiseen huonekohtaisen ilmanpuhdistimen avulla eri aikakauden rakennuksissa

Tämän diplomityön tavoitteena on selvittää sisäilmaongelmien aiheuttajia ja keinoja niiden poistamiseen. Kokeellisessa osuudessa on tavoitteena selvittää kenttämittauksin sisäilman epäpuhtauspitoisuuksia ja ilmanpuhdistimien vaikutusta sisäilman laatuun. Työ toteutetaan kirjallisuustutkimuksen, sisäilmamittauksien sekä asiantuntija- ja sisäilmakyselyjen avulla. Tutkimukseen valittiin viisi erilaisia puhdistustekniikoita käyttäviä ilmanpuhdistimia. Valitut ilmanpuhdistimet olivat viikon ajan viidessä eri koululuokassa, joissa tehtiin sisäilmamittauksia ennen puhdistimen käynnistystä ja sen jälkeen. Luokista kerättiin ilmanäytteitä Andersen keräimellä ja VOC-pumpulla sekä pölynäytteitä pintasivelynä. Tutkimuskohteissa ei havaittu merkittäviä sisäilmaongelmia ja ilmanäytteiden pitoisuudet olivat pääasiassa alhaisia. Poikkeavia sienisukuja ei myöskään esiintynyt valtalajeina. Rakennetutkimukset ja materiaalinäytteet ovat ensisijaisia tutkimusmenetelmiä ongelmakohteissa. Syytä sisäilman aiheuttamaan oireiluun ei vielä tarkalleen tiedetä. Suunnitteluun, valvontaan ja kunnossapitoon tulee panostaa enemmän. Mittausmenetelmiä tulee myös kehittää lisää ja huolehtia ilmanvaihdon toimivuudesta. Tutkimuksia tuleekin tehdä aina kokonaisvaltaisesti.

Täyteaineen ja tärkkelyksen annostelun optimointi paperikoneen lyhyeen kiertoon

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tärkkelyksen ja täyteaineen annostelupaikkojen sekä – tapojen vaikutukset SC- heatset web offset -paperin ominaisuuksiin ja pintalujuuteen. Lisäksi selvitettiin, muuttuuko paperin pölyäminen annostelupaikkojen tai – tapojen vaikutuksesta. Diplomityön kirjallisuusosiossa käsiteltiin heatset web offset -painokoneen rakennetta ja sen toimintaa. Lisäksi käsiteltiin heatset web offset -painokoneella ilmenevät pölyongelmien tyypit ja, mitkä eri paperin tekijät vaikuttavat heatset web offset -painokoneen pölyämisongelmiin. Lisäksi kirjallisuusosiossa käsiteltiin yleisimmät pintalujuutta parantavat kemikaalit sekä näiden kemikaalien annostelupaikat paperikoneen lyhyeen kiertoon. Alkutason määrityksessä ja ensimmäisessä koeajossa havaittiin, että paperin huokoisuus ja huokosrakenne olivat tärkeimmät SC heatset web offset -paperin pintalujuuteen vaikuttavat tekijät. KCL:n HSWO–koepainokoneella painetuista rullista annostelutapa 4, jossa tärkkelystä ja täyteainetta annosteltiin perälaatikon syöttöpumpun imupuolelle perinteisesti, oli pintalujuudeltaan kestävin. Ahmatti-kokeissa havaittiin, että tärkkelyksen ja täyteaineen annostelu TrumpJet- laitteistolla lähempänä paperikoneen perälaatikkoa, annostelutapa 6, pienentää rullan sisäistä vetolujuushajontaa. Ahmatti -pilotkokeissa havaittiin myös, että paperin lujuusominaisuudet ja vetolujuushajonnat voitiin säilyttää entisellään, kun tärkkelystä ja täyteainetta annosteltiin perinteisesti perälaatikon syöttöpumpun imupuolelta. Toisesta koeajon koepainorullasta havaittiin KCL:n koepainatuksissa, että paperin pintalujuus heikentyy annosteltaessa tärkkelystä 8 kg/t verrattuna 10 kg/t tärkkelysannosteluun. Näiden tapojen ero ei ole merkittävä.

Häiriöanalyysejä tehonkorotetun kiehutusvesivoimalaitoksen käytettävyyden varmistamiseksi

TVO suunnittelee reaktoritehon 10 %:n korotusta Olkiluoto 1 ja 2 -voimalaitoksille. Reaktoriteho nostetaan 2500 MW:sta 2750 MW:iin polttoaineen rikastusastetta nostamalla ja pääkiertovirtausta kasvattamalla. Samalla syöttövesivirtaus reaktoriin ja tuorehöyryvirtaus turpiineille kasvaa. Lauhteenpuhdistusjärjestelmän kapasiteettia ei voida kuitenkaan kasvattaa, joten massavirran lisäys toteutetaan ottamalla käyttöön korkeapainesivulauhteen eteenpäinpumppaus. Lauhteen esilämmityslinjojen, lauhteenpuhdistuksen ja syöttövesipumppujen massavirta säilyy siten nykyisellään. Muita merkittäviä tehonkorotukseen liittyviä laitosmuutoksia ovat pääkiertopumppujen uusinta ja korkeapaineturpiinin muutokset. Tehonkorotetun prosessin käytettävyyden varmistamiseksi tehdään häiriöanalyysejä Apros-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. OL1 ja OL2 -laitoksista on olemassa validoitu 2500 MW:n laitosmalli, josta muokatulla 2750 MW:n laitosmallilla simuloinnit tehdään. Häiriöanalyysien avulla selvitetään säätöjärjestelmien kyky pitää prosessin tila hallinnassa ilman suojausautomaation laukeamista. Simuloituihin tapauksiin kuuluu pumppujen ja venttiilien vikaantumistapauksia sekä turpiini- ja reaktoripuolen pikasulku- ja osittaispikasulkutapauksia. Myös meriveden lämpötilan vaikutusta häiriötilanteisiin tarkastellaan. Analyysien perusteella voimalaitosten ohjaus- ja suojausautomaatio toimivat hyvin myös korotetulla teholla. Tehonkorotuksen jälkeiset suuremmat massavirrat aiheuttavat kuitenkin voimakkaampia reaktoripaineen ja -tehon vaihteluita varsinkin venttiilien sulkeutumistapauksissa. Simuloinnit osoittivat, että tehonkorotus 2500 MW:sta 2750 MW:iin on mahdollinen, mutta aiheuttaa pieniä muutoksia laitoksen suojausjärjestelmien laukaisurajoihin.

Suurnopeuspumput

Suurnopeustekniikasta on tehty tutkimusta 1980-luvulta lähtien. On havaittu, että tiettyjen energiateknisten sovellusten hyötysuhde paranee, kun käytetään selkeästi tavanomaista suurempaa pyörimisnopeutta. Suurnopeuspumppuja on totuttu näkemään lähinnä erikoiskohteissa, kuten avaruustekniikassa. Tämän työn tarkoituksena on kartoittaa, voiko suurnopeuspumppuja käyttää tavallisissa teollisuussovelluksissa, joissa tarvitaan korkeapaineista vettä. Työssä selvitetään pumppujen laskentaan ja valintaan liittyvää käsitteistöä, sekä luodaan kirjallisuuskatsaus suurnopeuspumppujen kehitykseen. Työn tarkoituksena on myöskin luoda valmiuksia suurnopeuspumppujen tutkimukseen ja arviointiin.

Ejektoripumpun suorituskyvyn kokeellinen testaus

Tässä kandidaatintyössä tutkitaan ejektoripumpun suorituskykyä teoreettisesti tutkimukseen pohjautuen ja kokeellisesti testilaitteistolla. Suorituskyvyn tarkastelun lähtökohtana on selvittää ejektorin käyttömahdollisuuksia mikro-ORC-energiamuuntimessa esi- ja pääsyöttöpumpun kavitoinnin estämiseksi ja koko prosessin huollettavuuden parantamiseksi. Ejektorin suorituskyvyn tarkastelu suoritetaan kuitenkin yleisesti sovelluskohteesta riippumatta tehdyt rajaukset huomioiden. Työn tarkoituksena on esitellä testaukseen rakennettava testilaitteisto ominaisuuksineen sekä määrittää kokeellisesti rakennettavalla laitteistolla ejektorin suorituskyvyn tunnuslukuja teoreettisen ja kokeellisen tarkastelun välisten korrelaatioiden selvittämiseksi sekä tilanteeseen sopivan ejektorin valitsemiseksi.

Uusiutuvan energian käyttömahdollisuudet Liikuntakeskus Pajulahdessa

Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisen yliopiston, Liikuntakeskus Pajulahden ja Nastolan Energiasäätiön yhteisprojektina. Työn tarkoituksena on tutkia aurinkosähköjärjestelmien taloudellista kannattavuutta ostosähkön korvaamisessa Liikuntakeskus Pajulahden kiinteistössä. Työssä tehdään laskelmat aurinkopaneelien tuotoista, tuotetun sähkön hinnasta, investointien takaisinmaksuajoista sekä tuotetun aurinkosähkön synnyttämistä hiilidioksidipäästövähenemistä. Lisäksi tarkastellaan energiaveron vaikutusta pientuotantolaitoksen kannattavuuteen. Tämän hetkisillä aurinkosähköjärjestelmien hinnoilla pystytään tuottamaan puhdasta, ympäristöystävällistä sähköä kilpailukykyiseen hintaan. Työssä tehdään yleiskatsaus myös muiden uusiutuviin energialähteisiin perustuvien tuotantomenetelmien käyttömahdollisuuksista. Yhtenä erityistarkastelunkohteena on Pajulahden monitoimihalliin vuonna 2008 suunniteltu vesistöä lämmönlähteenä käyttävä lämpöpumppujärjestelmä, jonka toteutukseen ei saatu tarvittavia lupia. Tarkastelussa tutkitaan myös aiemmin Suomessa toteutettuja vastaavia hankkeita ja niiden lupien saantia. Lisäksi on haettu tosiasioihin perustuvia argumentteja keskusteluun vesistölämmön hyödyntämisestä. Tarkastelun kohteena oleva vesistölämpöhanke voidaan todeta olevan erittäin kannattava, taloudellisesti sekä ympäristöllisesti. Tutkimuksen pohjalta Nastolan Energiasäätiölle tuotetaan havainnollinen ja selkeä aineisto aurinkoenergian hyödyntämismahdollisuuksista Nastolan kunnassa.

Asuinkerrostalon lämmöntuottojärjestelmän optimointi elinkaarikustannusten perusteella hyödynnettäessä lämpöpumpulla useita lämmönlähteitä

The basis of this thesis was to optimize heat pump that uses multiple heat sources to get competitive heating system for residential building when life cycle costs are considered. The objectives were to compile necessary information to calculate life cycle costs for heating system of residential building and start to compose of designing program for heat pump based heating systems. Examinations were made for the purchase energy need of residential building. Features of heat pump, considered refrigerant and potential heat sources were examined to find out heat production potential of heat pumps. Necessary information for life cycle cost calculation was also examined. Collected data was used in two case analyses to design selected heat production systems and calculate their life cycle costs. On the basis of case analyses heat pump based hybrid heat production systems are very competitive on life cycle cost comparison against district heating when residential building uses a lot of energy. New buildings use considerably less energy and achieved energy cost savings with heat pump systems may not be enough to cover the relatively high investment cost in reasonable time period compared to district heating system. The calculation method was found to require further development to at least include the cooling energy need of the building. Cooling demand will continue to grow in the future, which improves the heat pump based heat production systems competitiveness compared to other systems.

Energy saving potential in reservoir pumping

Pumping systems account for up to 22 % of the energy consumed by electrical motors in European industry. Many studies have shown that there is also a lot of potential for energy savings in these systems with the improvement of devices, flow control or surrounding sys-tem. The best method for more energy efficient pumping has to be found for each system separately. This thesis studies how energy saving potential in reservoir pumping system is affected by surrounding variables, such as the static head variation and friction factor. The objective is to create generally applicable graphs to quickly compare methods for reducing pumping system’s energy costs. The gained results are several graphs showcasing how the chosen variables affect energy saving potential of the pumping system in one specific case. To judge if these graphs are generally applicable, more testing with different pumps and environments are required.

Savings Calculator for Centrifugal Pumps

Centrifugal pumps are one of the major energy consuming end-devices in developed coun-tries both in industrial and services sectors. According to recent studies, even 30 % of the energy used in pumping systems could be saved by more careful choosing of devices and system design. One of the most efficient and affordable ways to decrease the energy con-sumption of the pumping system is to substitute traditionally used flow control methods, like valve control, with modern variable speed drive (VSD) control. In this thesis, Microsoft Excel based program, Savings Calculator for Centrifugal Pumps (SCCP), is designed. SCCP calculates the achievable energy and financial savings when throttle control is substituted by VSD control in the pumping system. Compared to the sim-ilar existing programs, the goal is to make SCCP calculations more accurate and require less input information. Also some useful additional features are added to the designed program to make it more user friendly. The reliability of the calculations of designed program seem to vary depending on case. The results are corresponding accurately to the laboratory measurements, but there occurs high deviations in some cases, when the results are compared to the pump information specified by manufacturer. On the basis of verification in this thesis, SCCP seems to be at least as accurate as similar existing programs and it can be used as help in investment decision whether to have VSD or not.

Slurry flows in progressive cavity and in hose pumps

The aim of this thesis was to research how slurry’s viscosity and rheology affect to pumping in peristaltic hose pump and in eccentric progressive cavity pump. In addition, it was researched the formed pressure pulsation in hose pump. Pressure pulsation was studied by pumping different slurries and by using different pipe materials. Pressure and power curves were determined for both used pumps. It was also determined NPSHR curve for the progressive cavity pump. Literature part of the thesis considered to distribute fluids to different rheology types, as well as theories and models to identify different rheology types. Special attention was paid to non-Newtonian fluids, which were also used in experimental part of this thesis. In addition, the literature part discusses about pumps, parameters for pump sizing, and pressure pulsation in hose pump. Starch, bentonite, and carboxymethyl cellulose slurries were used in the experimental part of this thesis. The slurries were pumped with Flowrox peristaltic hose pump (LPP-T32) and eccentric progressive cavity pump (C10/10). From the each slurry was taken a sample, and the samples were analyzed for concentration, viscosity and rheology type. The used pipe materials in pressure pulsation experiments were steel and elastic, and it was also used a prototype of pulsation dampener. The pulsation experiments indicated that the elastic pipe and the prototype of pulsation dampener attenuated pressure pulsation better than the steel pipe at low pressure levels. The differences between different materials disappeared when pressure level and pump rotation speed increased. In slurry experiments, pulsation was different depending on rheology and viscosity of the slurry. According to experiments, the rheology did not significantly affect to pump power consumption or efficiency.

Concentration of hydrogen peroxide and improving its energy efficiency

Distillation is a unit operation of process industry, which is used to separate a liquid mixture into two or more products and to concentrate liquid mixtures. A drawback of the distillation is its high energy consumption. An increase in energy and raw material prices has led to seeking ways to improve the energy efficiency of distillation. In this Master's Thesis, these ways are studied in connection with the concentration of hydrogen peroxide at the Solvay Voikkaa Plant. The aim of this thesis is to improve the energy efficiency of the concentration of the Voikkaa Plant. The work includes a review of hydrogen peroxide and its manufacturing. In addition, the fundamentals of distillation and its energy efficiency are reviewed. An energy analysis of the concentration unit of Solvay Voikkaa Plant is presented in the process development study part. It consists of the current and past information of energy and utility consumptions, balances, and costs. After that, the potential ways to improve the energy efficiency of the distillation unit at the factory are considered and their feasibility is evaluated technically and economically. Finally, proposals to improve the energy efficiency are suggested. Advanced process control, heat integration and energy efficient equipment are the most potential ways to carry out the energy efficient improvements of the concentration at the Solvay Voikkaa factory. Optimization of the reflux flow and the temperatures of the overhead condensers can offer immediate savings in the energy and utility costs without investments. Replacing the steam ejector system with a vacuum pump would result in savings of tens of thousands of euros per year. The heat pump solutions, such as utilizing a mechanical vapor recompression or thermal vapor recompression, are not feasible due to the high investment costs and long pay back times.

Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Alueellisen lämmitysjärjestelmän valinta hankesuunnitteluvaiheessa

Työn lähtökohtana oli tarkastella hankesuunnitteluvaiheen lämmitysjärjestelmän valintaa ja siihen vaikuttavia tekijöitä. Työssä käytettiin Case-tarkasteluna Espoon Finnoon aluetta. Rakennusosakeyhtiö Hartela voitti Espoon Finnoon ensimmäisen (Finnoo I) asemakaava-alueen suunnittelu ja toteuttamisen ideakilpailun vuoden 2012 lopussa. Finnoo I alueelle rakennettaan noin 155 000 kerrosmetriä eli huoneistot noin 4000 asukkaalle. Alueen ra-kennukset suunnitellaan energiatehokkaaksi, sekä lämmityksessä ja sähkössä on tarkoitus käyttää uusiutuvaa energiaa. Työssä käsiteltiin alueellista lämmitysjärjestelmää ja sen vaihtoehtoetoja. Työssä tutkittiin myös aurinkosähkön käytön mahdollisuutta alueella. Ensin työssä mitoitettiin rakennusten energiankulutuksen muodostuminen alustavien suunnitelmien ja arvioitujen ominaiskulu-tusten avulla. Sen jälkeen käytiin läpi mahdolliset lämmitysjärjestelmät, joita alueella voi-daan käyttää ja arvioitiin niiden aiheuttamat elinkaarikustannukset koko laskenta-ajan jak-solla. Elinkaarilaskentaan valittiin viisi toteutuskelpoisinta järjestelmää ja niistä laskettiin elinkaarikustannukset. Lisäksi laskettiin järjestelmien hiilidioksidipäästöt vuosittain. Työn tulosten pohjalta voidaan olettaa, että kokonaisvaltaisesti yhtä ainoata parasta lämmi-tysjärjestelmää alueelle ei ole, vaan kaukolämpöä, maalämpöä ja hybridijärjestelmiä tulisi käyttää alueella sekaisin. Lisäksi alue on mahdollista rakentaa niin, että alue käyttäisi nolla-lämpöalueen periaatetta, niin että rakennukset, jotka tuottavat lämpöä liikaa myisivät ne sitä rakennuksille jotka tarvitsevat sitä. Aurinkosähkön potentiaali alueella on hyvä ja sitä käyttämällä voidaan rakennusten E-lukua ja hiilidioksidipäästöjä laskea.

Kaksifaasijäähdytysjärjestelmään liittyvien pumppujen vertailu ja kehittäminen sarjatuotannon tarpeisiin

Tehoelektroniikalta vaaditaan nykyään parempaa suorituskykyä entistä pienemmässä tilassa. Tämä luo haasteen riittävälle jäähdytykselle. Eräs ratkaisu on käyttää kaksifaasijäähdytystä, jolla aikaansaadaan tehokas lämmönsiirto komponenttien pinnalta. Lämmönsiirtonesteinä voidaan käyttää kylmäaineita tai muita alhaisessa lämpötilassa kiehuvia nesteitä. Tällaisille nesteille on tyypillistä alhainen höyrynpaine sekä matala viskositeetti. Nämä ominaisuudet tuovat haasteita nesteen pumppaukseen. Tässä työssä tarkastellaan R-134A:ta sekä Novec 7000:ta, perehdytään niiden fysikaalisiin ominaisuuksiin sekä materiaaliyhteensopivuuksiin ja näiden tietojen pohjalta etsitään sopivaa pumpputyyppiä kaksifaasijäähdytysjärjestelmään. Tehoelektroniikan jäähdytysjärjestelmän pumpun on oltava edullinen muuhun järjestelmään nähden. Tyypillinen kiertopumppu nestejäähdytysjärjestelmässä on pieni keskipakopumppu. Alhaisen kiehumispisteen vuoksi kavitointiriski kasvaa ja tämä voi vahingoittaa pumppua. Myös matala viskositeetti tuo haasteita vuotoherkkyyden kasvamisen myötä, joten mekaanisilla aksiaalitiivisteillä varustetut pumput eivät ole pitkäikäisiä. Kylmäainejärjestelmiin tarkoitetut pumput ovat arvokkaita, eikä näin ollen sovellu edullisiin jäähdytysjärjestelmiin. Tässä työssä käydään läpi erilaisia pumpputyyppejä, jotka voisivat soveltua pitkäikäiseen pumppaukseen ilman huoltotöitä. Näiden tietojen perusteella kehitetään edullista ja pitkäikäistä pumppua pieniin kaksifaasijäähdytysjärjestelmiin nesteiden fysikaaliset ominaisuudet huomioon ottaen. Kehitetyn pumpun ominaisuuksia ja kustannuksia vertaillaan kaupallisiin ratkaisuihin ottaen huomioon sarjavalmistus. Itse valmistettuna pienelle sisäryntöiselle hammaspyöräpumpulle jää hintaa alle kymmenesosa markkinoilta löytyviin kylmäaineille soveltuviin pumppuun.