Komponenttien lämpöteknisten parametrien karakterisointilaitteiston suunnittelu ja toteutus

Elektroniikan pienentyessä ja tehotiheyden kasvaessa tarvitaan paremmin suunniteltuja jäähdytysjärjestelyjä. Suunnittelun apuna voidaan käyttää perinteisiä lämmönsiirtoyhtälöitä, virtauslaskentaa ja mittauksia. Tässä työssä on suunniteltu ja rakennettu mittauslaitteisto nimenomaan elektroniikan komponenttien ja jäähdytyselementtien lämpötilojen ja painehäviöiden mittaamiseen. Koeajona laitteistolla on mitattu jäähdytyselementin lämpötilajakauma kahdella eri virtausnopeudella ja lämpötilalla sekä verrattu niitä aikaisemmin mitattuihin tapauksiin sekä Fluent- virtauslaskentaohjelmalla laskettuihin tuloksiin.

Development of rotating drum under mechanical and thermal load

A variable temperature field sets exacting demands to the structure under mechanical load. Most of all the lifetime of the rotating drum structure depends on temperature differences between parts inside the drum. The temperature difference was known because of the measurements made before. The list of demands was created based on customers’ needs. The limits of this paper were set to the inner structure of the drum. Creation of ideas for the inner structure was started open minded. The main principle in the creation process was to create new ideas for the function of the product with the help of sub-functions. The sub-functions were created as independent as possible. The best sub-functions were combined together and the new working principles were created based on them. Every working principle was calculated separately and criticized at the end of the calculation process. The main objective was to create the new kind of structure, which is not based too much to the old, inoperative structure. The affect of own weight of the inner structure to the stress values was quite small but it was also taken into consideration when calculating the maximum stress value of the structure. Because of very complex structures all of the calculations were made with the help of the ProE – Mechanica software. The fatigue analyze was made also for the best structure solution.

Jätteiden energiakäytön näkymät Euroopassa leijukerrospolton kannalta

Polttaminen on tehokas jätteenkäsittelymenetelmä, jossa jätteen tilavuus pienenee huomattavasti ja energiasisältö voidaan hyödyntää. Euroopan yhtenäistyneen ja tiukentuneen jätelainsäädännön takia jätteen sijoittaminen kaatopaikoille tulee vähenemään merkittävästi, jolloin jätteenkäsittelyn kapasiteettivaje voidaan korvata ensisijaisesti jätettä hyödyntävillä käsittelymenetelmillä. Tässä työssä tarkastellaan kiinteiden polttokelpoisten jätteiden hyödyntämistä polttoaineena erityisesti Suomessa yleisesti käytettävän leijukerrospolton kannalta. Työn tavoitteena on vertailla yleisimpiä jätteen energiakäytössä käytettäviä tekniikoita ja tutkia jätteen energiakäytön nykytilaa sekä tulevaisuuden mahdollisuuksia Euroopan maissa. Työ voidaan jakaa kahteen osaan: alkuosassa on esitetty kiinteän polttoaineen palamisen teoriaa sekä erilaisten kiinteiden polttoaineiden ominaisuuksia. Lisäksi alkuosassa on perehdytty yleisimpiin jätteen energiakäytön tekniikoihin. Työn jälkimmäisessä osassa on käsitelty jätteen energiakäyttöä ohjaavia tekijöitä sekä esitetty jätehuollon nykytila Suomessa ja muutamassa muussa Euroopan maassa. Tarkoituksena on ollut antaa yleiskuva siitä, miten jätettä hyödynnetään energiantuotannossa eri puolilla Eurooppaa ja miten yhtenäistyvä lainsäädäntö vaikuttaa eri maiden jätehuoltopolitiikkaan sekä jätteen energiakäytön määriin.

Kaukolämpöjärjestelmän suunnittelu Liljendalin kunnassa

Tämän työn tavoitteena on löytää suositeltavat mitoitusarvot Liljendalin kunnan kaukolämpöjärjestelmään. Kirjallisuuden perusteella tarkastellaan kaukolämpö-järjestelmän suunnittelua ja mitoitusta sekä lämmön hinnoittelua ja niistä annettuja määräyksiä, suosituksia ja ohjeita. Työssä käsitellään mahdollisuuksia ja keinoja kaukolämmityksen siirtolämpötilojen pienentämiseen. Lisäksi vertaillaan nykyarvomenetelmällä laskemalla kaukolämpöjärjestelmän siirtokustannuksia eri mitoituslämpötiloilla, putkikoolla ja eristyspaksuuksilla. Lämmön myyntihinnalle on tehty tariffiehdotus. Lopuksi on esitetty lämpökeskuksen hankintaa koskevia tietoja. Laskennan tuloksena havaittiin, että siirtolämpötilojen, putkikoon ja eristyspaksuuden oikealla valinnalla voidaan säästää lämmönsiirron kustannuksissa. Laskelmien perusteella suositellaan Liljendalin kunnan kaukolämpöjärjestelmän mitoituslämpötiloiksi 100/50°C ja eristyspaksuudeksi III-luokan eriste. Putkikoon oikealla valinnalla voidaan säästää merkittävästi varsinkin, kun kyseessä on lyhyt siirtoetäisyys. Putkikoon valinnassa on kuitenkin huomioitava mahdolliset tulevaisuuden laajennukset verkossa ja kulutuksen kasvu.

Sivuainevirtojen paikallinen energiahyötykäyttö: toiminnan kannattavuus ja liiketoimintamahdollisuudet

Tutkimuksen tarkoituksena on selvittää sivuainevirtojen paikallisen energiahyötykäytön kannattavuutta ja liiketoimintamahdollisuuksia. Sivuainevirtojen energiahyötykäytöllä tarkoitetaan jäteperäisen polttoaineen käyttöä energiantuotannossa. Tässä tutkimuksessa on keskitytty erilliskerätystä energiajätteestä valmistetun kierrätyspolttoaineen (REF) käyttöön hajautetuissa pienen kokoluokan lämmöntuotantolaitoksissa, tarkasteltava laitoskoko on alle 10 MW. Tällä hetkellä uhkakuvana on, että muuttavan lainsäädännön seurauksena jätteiden energiahyötykäytön kustannukset kohoavat tulevaisuudessa ja näin ollen toiminta pienissä laitoksissa voi muuttua taloudellisesti kannattamattomaksi. Työssä on selvitetty kahden toimivan case-tapauksen avulla paikallisen jätteiden energiahyötykäytön kustannusrakennetta sekä toiminnan jatkomahdollisuuksia uudistuvan lainsäädännön velvoitteet täyttäen. Virtain kaupungin tapauksessa selvitetään paikallisen kaukolämpölaitoksen mahdollisuuksia jatkaa REFin käyttöä turpeen ohella rinnakkaispolttotilanteessa. Etelä-Karjalan tapauksessa paikallisen sivuainevirtojen energiahyötykäytön kannattavuutta selvitetään uuden laitosinvestoinnin näkökulmasta. Molempien case-tapausten tulosten perusteella on lisäksi kartoitettu alan liiketoimintamahdollisuuksia.

Kaukolämpöakun kannattavuus teollisuuden ja yhdyskunnan energian yhteistuotannossa

Työn tavoitteena oli selvittää UPM-Kymmenen Rauman voimalaitokselle soveltuvan kaukolämpöakun prosessikytkentä, optimaalinen koko ja investoinnin kannattavuus. Lisäksi ratkaistiin funktio, jolla voidaan määrittää optimaalinen kaukolämpöakun koko kaukolämpöverkon koon perusteella. Teoriaosassa käsiteltiin investointien ja lämmön varastoinnin perusteita käyttämällä hyväksi kirjallisuutta. Soveltavassa osassa tietoa kerättiin kirjallisuuden lisäksi asiantuntijoiden haastatteluilla. Teorian ja kannattavuuslaskelmien perusteella toteutettavaksi ratkaisuksi valittiin suorakytkentäinen paineistettu kaukolämpöakku. Valitun akun purkaus- ja latustehoiksi saatiin 40 MW, akun tilavuudeksi 1 700 m³, korkeudeksi 33 m ja halkaisijaksi 8 m. Investonnin sisäinen korko on 16,6 prosenttia. Kannattavuuslaskelmien ja herkkyystarkastelun perusteella investointi on kannattava. Kaukolämpöverkkoon rakennattavan akun optimaalinen koko voidaan määrittää funktiolla: y = -0,0102x² +9,6605x +68,395 , jossa y on akun tilavuus ja x verkon kaukolämpöenergian vuosittainen kulutus.

Lisäpoltolla varustetun maakaasukombivoimalaitoksen optimointi.

Voimalaitoksen sisäisellä optimoinnilla pyritään parantamaan prosessia ja lisäämään voimalaitoskonseptin kilpailukykyä energiamarkkinoilla. Tässä työssä optimoitiin lisäpoltolla varustettua, sähköteholtaan noin 125 MW:n maakaasukompivoimalaitosta. Työ on osa Fortum Engineering Oy:n konseptikehitysohjelmaa. Kaasuturbiinin savukaasun sisältämää happea voidaan hyödyntää lämmöntal-teenottokattilan savukaasukanavaan sijoitetussa lisäpoltossa. Lisäpoltolla saadaan nostettua savukaasun lämpötilaa ja lisättyä tuotetun tuorehöyryn määrää. Työssä tutkittiin lisäpolton kannattavuutta ja sen vaikutusta voimalaitoksen mitoitukseen. Lisäpolton lämpötila valitaan teknisten rajoitusten perusteella, jolloin siitä aiheutuvat investointikustannukset eivät nouse merkittäviksi. Optimointimenetelmä pohjautuu Fortum Oyj:ssä kehitetyllä voimalaitossimulaattori Solvolla laskettujen lämpötaseiden ja asiantuntija-arvioihin perustuvien investointikustannuskaavojen käyttöön. Taloudelliset lähtöarvot on valittu Itä-Euroopan markkinatilanteen mukaisiksi. Kannattavuuslaskelmat perustuvat nykyarvomenetelmään, jossa investointikustannuksille ja sähkön ja kaukolämmön myynnistä saaduille tuotoille lasketaan nykyarvo. Teknisten rajoitusten puitteissa suurimman nykyarvon antava tapaus on aina kunkin tutkittavan prosessisuureen optimitapaus. Tutkittavia prosessisuureita voivat olla esimerkiksi tuorehöyryn tila-arvot. Eräs työn tavoitteista oli selvittää lämmöntalteenottokattilan painetasojen optimaalinen lukumäärä. Lisäpoltto todettiin lämmitysvoimalaitoksella kannattavaksi ratkaisuksi kun nyt optimoitua laitosta verrattiin ilman lisäpolttoa mitoitettuun vastaavanlaiseen laitokseen. Kannattavuuslaskelmille tehtiin herkkyystarkastelut, joiden avulla tutkittiin mitoitetun konseptin herkkyyttä taloudellisten lähtöarvojen muutoksille. Herkkyysanalyysin avulla optimoitua voimalaitoskonseptia voidaan hyödyntää suuremmalla taloudellisten lähtöarvojen vaihteluvälillä.

Biologisessa jätteenkäsittelyssä syntyvän lopputuotteen terminen kuivaus

Biologisessa jätteenkäsittelyssä syntyvää humusmassaa voidaan käyttää maanparannusaineena ja yleisenä lannoitusaineena. Termisellä kuivauksella saadaan humuksen kuiva-ainepitoisuutta nostettua mekaanisen kuivauksen jälkeen, jolloin sen tuotteistettavuus ja kuljetettavuus paranevat pienentyneen painon ja tilavuuden myötä. Kirjallisuusosassa on esitetty yleisiä termisen kuivauksen periaatteita sekä käsitelty lähemmin humuksen kuivausta. Lisäksi termisen kuivauksen hygienisoivaa vaikutusta on esitelty kirjallisuusosan lopussa. Tutkimusosassa luotiin tietokonepohjainen malli MK Protech Oy:n kehittämälle Traypack-kuivaimelle. Mallin luomisessa käytettiin apuna suoritettujen pilot-ajojen tuloksia sekä kirjallisuudesta saatuja tietoja. Malli sisältää kuivauksen aine- ja energiataseet sekä kuivaimen ja sen apulaitteiden mitoituksen. Sen lisäksi malli tulostaa erillisinä kokonaisuuksina prosessin laiteluettelon, investointikustannuslaskelman ja elinkaarianalyysin. Lisäksi tutkimusosassa laskettiin mallin avulla Rayongin kaupunkiin Thaimaahan rakenteilla olevan jätteenkäsittelylaitoksen tarpeeseen soveltuvan kuivaimen mitoitus- ja käyttötiedot sekä tarkasteltiin kuivaimen taloudellista kannattavuutta. Laitoksessa kuivataan 2080 kg/h kuiva-ainepitoisuudeltaan 30 % humusta loppukuiva-ainepitoisuuteen 50 %. Tarvittavaksi lämpötehoksi kuivaimeen saatiin 3,9 MW. Tästä 2,0 MW tarvitaan uutta systeemiin tuotavaa kuivauskaasua. Tällöin laitoksen investointikustannuksiksi saatiin 359 000 EUR. Laitoksen käyttökustannuksiksi saatiin 40 440 EUR vuodessa.

Kiertoleijukattilan tulipesän lämmönsiirtoprofiilien määritys ja mallinnus

Tämä diplomityö on osa projektia, joka tähtää ylikriittisellä painealueella toimivan läpivirtaustekniikkaan perustuvan kiertoleijukattilan toteuttamiseen. Diplomityössä määritetään mittausten perusteella vaaka- ja pystysuuntaisia lämmönsiirtoprofiileja kaupallisen kiertoleijukattilan tulipesässä. Lisäksi samaisen kattilan tulipesä mallinnetaan ja mallin parametrejä säädetään niin, että mallin tulokset saadaan vastaamaan mitattuja tuloksia mahdollisimman hyvin. Työn tavoitteena on antaa lisätietoa tulipesässä vapautuvan lämpötehon jakautumisesta tulipesän eri osien kesken. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa käsitellään kiertoleijukattilan tulipesän perusilmiöitä kuten leijutusta, lämmönsiirtoa, hydrodynamiikkaa ja palamista sekä tutustutaan muutamiin tulipesämalleihin. Lisäksi tarkastellaan ylikriittisen läpivirtauskattilan tarjoamia etuja perinteisiin kattilaratkaisuihin nähden. Diplomityössä on myös esitelty työhön liittyvä mittausprojekti.

Leijukerroslämmönsiirtimen leijutusjärjestelyjen säätö ja optimointi

Energiantuotantoa koskeva jatkuvasti tiukentuva lainsäädäntö ja yleinen tarve polttaa yhä vaativampia polttoaineita asettaa leijukerroskattiloille suuria haasteita. Eräs käyttökelpoinen työkalu tulevaisuuden haasteisiin vastaamisessa on säädettävä leijukerroslämmönsiirrin. Tiheässä leijukerroksessa toimiva lämmönsiirrin on vähemmän alttiina korroosiolle kuin savukaasukanavistossa sijaitsevat rakenteet. Rakenne tuo tarpeellista säädettävyyttä koko kattilalle, mikäli lämmönsiirtimen antamaa tehoa voidaan säätää tehokkaasti. Erityisen hyvä tilanne saavutetaan, jos lämmönsiirrin kykenee käyttämään hyväkseen tulipesän sisäistä kiintoainekiertoa. Tässä työssä tutkitaan kiertoleijukattilaan sijoitettavan leijukerroslämmönsiirtimen säädön toteuttamista leijutusjärjestelyjen avulla. Teoreettinen tarkastelu keskittyy leijukerroslämmönsiirtimen toimintaolosuhteisiin ja kiintoainevirtauksen säätömahdollisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa etsitään käytännössä toimivaa säätöperiaatetta tutkimuksen kohteena olevalle leijukerroslämmönsiirrinrakenteelle.

Jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan mallinnus kiertoleijukattilan tulipesässä

Työn tavoitteena oli kehittää mallit jäännöshiilen ja kalkkikiven reaktiokinetiikan sekä jäännöshiilen jauhautumisen ennustamiseksi kiertoleijukattilan tulipesässä. Kehitetyt mallit toimivat tulipesämallin osamalleina. Perustuen mallinnettuihin reaktionopeuksiin ja jauhautumiskäyttäytymiseen tulipesämalli ennustaa kalkkikivihiukkasten rikinsidonnan ja jäännöshiilen jakautumisen erikokoisiksi hiukkasiksi tulipesässä ja tuhkissa. Työssä kehitetyt mallit perustuvat olemassa oleviin kalkkikiven ja polttoaineen reaktiivisuustesteihin laboratorio-kokoluokan leijukerrosreaktorissa. Mallit huomioivat myös tulipesän olosuhteet. Menetelmät kelpoistettiin onnistuneesti kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloista mitattujen ja tulipesämallilla laskettujen taseiden avulla. Mallien kehittämistä tullaan jatkamaan.

Kustannussäästöpotentiaali sivutuotekuljetuksissa

Tämä diplomityö tehtiin UPM-Kymmene Oyj:lle. Työssä tutkittiin kustannussäästöpotentiaalia hakkeiden, purujen ja kuorien kuljetuksissa uudenlaisten reittisuunnitelmien avulla. Tavoitteena oli löytää uusi tehokkaampi toimintamalli. Sivutuotevolyymeina käytettiin vuonna 2004 toteutuneita määriä ja laskelmat tehtiin vuodelta 2003 olevilla taulukkotaksoilla. Niitä ei ole päivitetty vuoden 2003 jälkeen eikä niihin ole lisätty polttoaineen hinnan noususta johtuvia korotuksia. Vertailun vuoksi liitteissä on esitetty sama laskelma vuoden 2004 sopimushinnoilla. Kustannussäästöjä saavutettiin nykytoimintamallin perusteella muodostettujen monipistekuljetusreittien sekä lineaarisen optimoinnin avulla. Optimoinnissa käsiteltiin ainoastaan koivuviiluhakkeiden ja purujen volyymeja. Monipistekuljetusreitteihin lisättiin mukaan jätepaperikuljetuksia ja vaneritehtaiden välisiä viilukuljetuksia. Niiden avulla oli mahdollista hyödyntää volyymien vastavirtoja. Kustannussäästöjen muodostumiseen vaikutti oleellisesti kuljetusten keskitetty ohjausmalli.

Kuulakekoreaktorin sähköntuotantokustannusten arviointi

Tässä työssä selvitettiin heliumjäähdytteisellä kuulakekoreaktorilla tuotetun sähkön hinnan muodostumista. Saatuja tuloksia vertailtiin hiilidioksidin erotuksen savukaasuista mahdollistavilla laitteilla varustettuihin hiili- ja maakaasuvoimalaitoksiin sekä kevytvesitekniikalla toteutettuun ydinvoimalaan. Työssä käytiin lyhyesti läpi kuulakekoreaktorin tekniikkaa ja mahdollisia sovelluskohteita, joissa voidaan käyttää hyväksi reaktorin jäähdytteen korkeaa lämpötilaa. Kuulakekoreaktorin kustannustietoja arvioitiin eri lähteissä esitettyjen lukujen perusteella. Ominaisinvestointikustannukseksi saatiin 1722 €/kWe. Sähköntuotannon polttoainekustannukseksi laskettiin 5,4 €/MWh ja käyttö- ja kunnossapito-kustannuksina käytettiin 7 €/MWh. Laitoksen sähköntuotantokustannusten laskenta suoritettiin annuiteettimenetelmällä käyttäen 5 % reaalikorkoa ja 40 vuoden taloudellista pitoaikaa sekä 90 % käyttökerrointa. Laskuissa käytettiin vuoden 2002 hintatasoa. Laskelmien perusteella kuulakekoreaktorin sähköntuotantokustannukseksi saatiin 25,1 €/MWh. Tämän todettiin olevan samalla tasolla kuin kevytvesireaktorilla tuotetun sähkön hinta. Hiilidioksidin erotuslaitteilla varustetun hiilivoimalaitoksen sähköntuotantokustannukseksi saatiin 44,0 €/MWh ja maakaasukombivoimalaitoksen 36,3 €/MWh.

Advanced control methods for reducing nitrogen oxides in a fluidized bed boiler

Tämän työn tarkoituksena oli löytää keinoja erään leijukerroskattilan typenoksidipäästöjen vähentämiseksi. Koska päästöt olivat jo alunperin alhaiset leijukerrostekniikan ja hybridin SNCR/SCR –typenpoistolaitteiston ansiosta, päätettiin päästöjä lähteä vähentämään parantamalla ammoniakkiruiskutuksen säätöä. Alkuperäinen ammoniakkiruiskutuksen säätö oli liian hidas, jotta satunnaisten häiriöiden aiheuttamat typenoksidipiikit olisi pystytty poistamaan. Ammoniakkiruiskutusta parannettiin lisäämällä jokaiseen ammoniakkilinjaan mäntäpumput, joiden avulla ammoniakkia voidaan syöttää sinne, missä sitä eniten tarvitaan. Ammoniakkiruiskutuksen säätöön kehitettiin uusi sumeaan logiikkaan perustuva säätäjä. Myös muita kehittyneitä säätömenetelmiä kuten neuroverkkoa hyödynnettiin säätäjän kehityksessä. Ammoniakkiruiskutuksen säätäjää testattiin menestyksekkäästi Ruotsissa Brista Kraftin Märstassa sijaitsevalla voimalaitoksella

Biopolttoaineseoksen poltosta aiheutuvien ongelmien arviointityökalu.

Biopolttoaineiden erityispiirteitä ovat alhainen lämpöarvo, korkea kosteuspitoisuus ja suuri haihtuvien aineiden määrä. Lisäksi biopolttoaineiden tuhkat sisältävät runsaasti alkaleja. Näistä ominaisuuksista seuraa ongelmia, jotka on otettava huomioon biopolttoainetta polttavan voimalaitoksen suunnittelussa ja käytössä. Diplomityössä selvitetään biopolttoaineiden poltosta aiheutuvat ongelmat ja niiden syyt sekä kehitetään työkalu, jonka avulla voidaan arvioida biopolttoaineseoksen polton ongelmien syntymistä. Arviointi tapahtuu biopolttoaineseoksen ominaisuuksien perusteella. Kattilassa vallitsevien, polton aikaisten olosuhteiden vaikutusta syntyviin ongelmiin ei tässä työssä tarkastella. Kun lähtötiedoista lasketut, ongelmien synnyn kannalta olennaiset polttoaineseoksen ja sen tuhkan ominaisuudet tunnetaan, verrataan niitä työssä koottuihin raja-arvoihin. Jos laskettu arvo on suurempi kuin rajaksi asetettu arvo, on todennäköistä, että kattilassa esiintyy ongelmia. Suurimmat ongelmat biopolttoaineiden leijupoltossa ovat likakerrostumien muodostuminen lämpöpinnoille, leijukerroksen sintraantuminen ja agglomeroituminen sekä lämpöpintojen korkealämpötilakorroosio. Raja-arvoina käytetään sekä tutkimustuloksina saatuja että käytännön kokemuksiin perustuvia arvoja. Raja-arvoja määritettäessä on huomioitu niiden soveltuvuus tarkastelun kohteena olevalle voimalaitokselle, jonka tyyppi ja kokoluokka vaikuttavat käytettäviin raja-arvoihin. Työkalu tukee keskikokoisen biovoimalaitoksen, jossa palaminen tapahtuu kerrosleijukattilassa, tuotteistusprosessia. Työkalua käytetään voimalaitoksen tuotteistuksessa optimaalisen polttoaineseoksen etsimiseen, riskienhallintaan sekä konseptikehitykseen. Lisäksi työkalua tullaan käyttämään valmiin tuotteen myyntiin ja markkinointiin.