Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.

Pellettilämmityksen kannattavuus

Tässä opinnäytetyössä tutkittiin pellettilämmityksen kannattavuutta uudisrakentamisen pientalokiinteistöissä vertailemalla sen energiatehokkuutta, hyötyjä ja haittoja, sekä taloudellista kannattavuutta verrattuna muihin uudisrakentamisessa yleisesti käytössä oleviin lämmitysmuotoihin. Työn tavoitteena on arvioida pellettilämmityksen kokonaiskustannuksia, mahdollisesti saavutettavaa säästöä suhteessa muihin lämmitysmuotoihin sekä polttoaineen hintaa ja saatavuutta. Pellettilämmitystä tarkastellaan vuoden 2012 Suomessa voimassa olevien rakennusmääräysten mukaisesti uudisrakennettavassa pientalosovelluksessa. Lämmitystapavertailusta esitetään vertailevia laskelmia ja taulukoita sekä herkkyysanalyysi, joiden avulla arvioidaan vuosittaisia kustannuksia sekä saavutettavaa säästöä eri lämmitysjärjestelmien kesken tietyn pitoajanjakson aikana.

Alueellinen energiatehokkuusmalli

Energian kulutus ja siitä aiheutuvat haittavaikutukset lisääntyvät globaalisti, minkä johdosta tarve uusille toimintamalleille ja ajatustavoille on merkittävä. Yksi mahdollisuus vastata energian kulutuksen kasvuun on lisätä energiatehokkuutta. Energiatehokkuudella voidaan vähentää energian käytöstä aiheutuvia päästöjä kustannustehokkaasti. Tässä työssä tarkastellaan energiatehokkuutta ja sen lisäämistä alueellisella tasolla. Työssä käsitellään menetelmiä ja keinoja alueellisen energiatehokkuuden lisäämiseksi esimerkiksi kaupungeissa ja yhteisöissä. Työssä esitetään alueellisen energiatehokkuuden arviointimalli, jolla voidaan määrittää alueellisen energiatehokkuuden toteutumista ja energiaratkaisujen kannattavuutta ympäristön kannalta. Malli sisältää matemaattisesti määritettäviä tunnuslukuja, jotka kuvaavat ympäristövaikutuksia. Mallia sovelletaan Lohjan alue-tarkasteluun, jossa mallin pohjalta esitetään vaihtoehtoja energiatehokkuuden lisäämiseksi. Voidaan todeta, että arviointimalli on käyttökelpoinen ja sillä voidaan havainnol-listaa alueellista energian käyttöä ja sen energiatehokkuutta. On kuitenkin huomattava, että malli huomioi lähinnä vain ympäristövaikutuksia ja sisältää virheläh-teitä johtuen esimerkiksi käytettävissä olevan tiedon määrästä.

Pumping system optimization tool

Pumping systems account for over 20 % of all electricity consumption in European industry. Optimization and correct design of such systems is important and there is a reasonable amount of unrealized energy saving potential in old pumping systems. The energy efficiency and therefore also the energy consumption of a pumping system heavily depends on the correct dimensioning and selection of devices. In this work, a graphical optimization tool for pumping systems is developed in Matlab programming language. The tool selects optimal pump, electrical motor and frequency converter for existing pumping process and calculates the life cycle costs of the whole system. The tool could be used as an aid when choosing the machinery and to analyze the energy consumption of existing systems. Results given by the tool are compared to the results of laboratory tests. The selection of pump and motor works reasonably well, but the frequency converter selection still needs development

Tuotekehityksen suorituskyvyn tehostaminen metalliteollisuusyrityksessä

Tuotekehityksen rooli yrityksen oleellisena menestystekijänä korostuu entistä enemmän alati kovenevassa kilpailussa. Tuotekehityksen tulee toimia entistä tehokkaammin turvatakseen yrityksen menestyminen. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli selvittää ja tuoda esiin niitä oleellisia tekijöitä, jotka vaikuttavat metalliteollisuudessa toimivan yrityksen tuotekehityksen suorituskykyyn ja sen tehostamiseen. Tutkimuksen avulla pyrittiin lisäämään informaatiota tuotekehitys- ja yritysjohdon päätöksenteon tueksi. Lisäksi tutkimus antaa tietoa tuotekehityksen suorituskyvyn mittausjärjestelmän suunnittelusta, käyttöönotosta, käytöstä sekä käytetyistä mittausjärjestelmistä ja mittareista. Tuotekehityksen suorituskykyä tarkasteltiin useammasta näkökulmasta. Empiiristä aineistoa koottiin kirjallisuuskatsauksen ja yrityksessä toteutetun kyselyn avulla. Yrityskyselyssä käytettiin neliportaista Likert-skaalaa. Kyselyn tuloksia arvioitiin keskiarvojen ja -hajontojen perusteella. Tutkimuksen tuloksena selvisi, että suorituskyvyn mittauksella ja mittausjärjestelmän avulla voidaan tehostaa tuotekehityksen suorituskykyä. Niitä tärkeitä osa-alueita, joihin tehostamistoimenpiteet tulee kohdistaa, ovat asiakas, henkilöstö, strategia, talous ja mittaamiseen liittyvät tekijät. Yrityksissä piilevänä olevan aineettoman pääoman arvoa ja sen tarjoamaa menestyspotentiaalia ei ole aina tiedostettu.

Barriers of ESCO Service Business in Finland

The purpose of this study is to determine what are the key barriers hampering ESCO service business success in Finland. Research approach for this study is qualitative. Data was collected using Delphi method with two questionnaire rounds. Internet based tool was applied in carrying out questionnaires. Respondents of the questionnaires were ESCO service experts and researchers, and people working for ESCO service providers. Characteristics of ESCO service and ESCO project implementation are analyzed by using transaction costs theory of service business. In terms of ESCO service in Finland, uncertainty and asset specificity are relevant dimensions of TCE. General uncertainty in world’s economy hinders demand for ESCO service, and asset specificity of ESCO contracts induces slight problems for project financiers. Also bounded rationalism and opportunism are present in Finnish ESCO business. The most significant barriers of success of ESCO service in Finland are problems in legislative and political frameworks, and in customers’ investment processes. ESCO service providers should move more strongly towards service dominant business logic and improve understanding of customer needs. Political barriers are unsuitable procurement processes, unclear and unpredictable laws, and lack of compelling factors in subsidy system. Investment process hurdles are caused by customers’ lack of interest to change course of action. These are things in which ESCOs can have influence in.

Energiatehokkuusliiketoiminnan syntyminen ja sen kehittäminen sähköyhtiössä – Case Yritys X

Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten energia-alan toimialamuutos on vaikuttanut energiatehokkuusliiketoiminnan syntymiseen, mitä eri maiden energiayhtiöiden energiatehokkuusliiketoimintaan sisältyy ja onko energiatehokkuustuotteiden ja -palveluiden myynnissä maidenvälisiä eroja. Lisäksi tutkimuksessa pyritään selvittämään, onko ulkomaiden tuote- ja palvelukonsepteissa sellaisia eroavaisuuksia, joita voitaisiin käyttää case-yrityksen liiketoiminnassa hyödyksi. Tutkimuksessa kuvaillaan ilmiötä, jossa toimialamuutos on saanut energiayhtiöt kehittämään uuden energiatehokkuustuotteiden liiketoiminnan. Työssä selvitetään, onko energiatehokkuustuotteiden ala samanlainen Suomessa kuin ulkomaillakin ja löytyykö eri maista erilaisia käytäntöjä sekä tuote- ja palvelukonsepteja, joita Yritys X voisi tutkia ja aloittaa tuotteistamaan omaa tuotevalikoimaansa varten.

Tooth-Coil Permanent Magnet Synchronous Machine Design for Special Applications

This doctoral thesis presents a study on the design of tooth-coil permanent magnet synchronous machines. The electromagnetic properties of concentrated non-overlapping winding permanent magnet synchronous machines, or simply tooth-coil permanent magnet synchronous machines (TC-PMSMs), are studied in details. It is shown that current linkage harmonics play the deterministic role in the behavior of this type of machines. Important contributions are presented as regards of calculation of parameters of TC-PMSMs,particularly the estimation of inductances. The current linkage harmonics essentially define the air-gap harmonic leakage inductance, rotor losses and localized temporal inductance variation. It is proven by FEM analysis that inductance variation caused by the local temporal harmonic saturation results in considerable torque ripple, and can influence on sensorless control capabilities. Example case studies an integrated application of TC-IPMSMs in hybrid off-highway working vehicles. A methodology for increasing the efficiency of working vehicles is introduced. It comprises several approaches – hybridization, working operations optimization, component optimization and integration. As a result of component optimization and integration, a novel integrated electro-hydraulic energy converter (IEHEC) for off-highway working vehicles is designed. The IEHEC can considerably increase the operational efficiency of a hybrid working vehicle. The energy converter consists of an axial-piston hydraulic machine and an integrated TCIPMSM being built on the same shaft. The compact assembly of the electrical and hydraulic machines enhances the ability to find applications for such a device in the mobile environment of working vehicles.Usage of hydraulic fluid, typically used in working actuators, enables direct-immersion oil cooling of designed electrical machine, and further increases the torque- and power- densities of the whole device.

Käyttövesivaraajan ekosuunnitteluvaatimusten merkityksen arvioiminen rakennusten energianhallinnassa

Työn lähtökohtana ovat veden lämmittimiä koskeva ekosuunnittelulainsäädäntö ja sen vaatiman testausjärjestelmän laatiminen. Työn tavoitteena on arvioida ekosuunnittelulainsäädännön vaikutusta varaajan toimintaan osana rakennusten energianhallintaa. Työssä laaditaan käyttövesivaraajalle tuoteryhmäkohtaisen ekosuunnittelulainsäädännön mukainen mittausjärjestelmä energiatehokkuuden, lämpimän veden saannon, vuosittaisen sähkönkulutuksen sekä energiamerkinnän määrittämiseksi. Lisäksi tarkastellaan ekosuunnittelulainsäädännön tarkoituksenmukaisuutta, selvitetään varaajan toimintaperiaatteet sekä keinoja käyttöveden tarvitseman energian vähentämiseksi. Testattu käyttövesivaraaja täyttää ekosuunnitteluvaatimukset. Lämmitysenergian vähentäminen käyttövesivaraajan toimintaa tehostamalla on kuitenkin vaikeaa. Hybridijärjestelmien hyödyntäminen sähkölämmityksen ohella muita energianlähteitä ja esim. käyttöveden lämmöntalteenottoa käyttäen on toimivin keino vähentää käyttöveden energiankulutusta sekä parantaa varaajan energiatehokkuutta. Lämpimän käyttöveden energiankulutuksen osuus rakennuksen energiankulutuksesta kasvaa lainsäädännön pakottamana rakennusten kokonaisenergiankäytön vähentyessä. Ekosuunnittelulainsäädännön suora merkitys rakennusten energianhallintaan on Suomessa vähäistä nykyisen energiatehokkuustason ollessa suhteellisen korkea, jolloin käyttöveden tarvitseman energian vähentämiskeinoina on hyödynnettävä vaihtoehtoisia ratkaisuja.

Työkoneiden dieselmoottoreiden hyötysuhteen parantaminen lämmöntalteenoton avulla

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisessa. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on muodostaa näkemys Mikro-ORC energiamuuntimen mahdollisuuksista ja reunaehdoista osana työkoneluokan (150 kW… 400 kW) dieselmoottorikokonaisuutta, erityisesti maataloussektorilla. Työssä tarkasteltaviksi moottoreiksi valittiin kaksi eri AGCO Sisu Powerin dieselmoottoria. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli tutkia ORC-prosessin tuottamaa lisäsähkötehoa hyödyntämällä pakokaasujen lämpöenergiaa korkea-, keski- ja matalalämpötiloissa. Työssä vertailtiin kahden eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatava sähkötehoa sekä prosessin sisäisiä parametreja. Lisäksi työssä tutkittiin ORC-prosessin laskentaa suunnittelupisteessä (design) ja suunnittelupisteen ulkopuolella (off-design), prosessisuureiden optimointia ja lämmönsiirtimien mitoitusta. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin energiataseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavan tehoon. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi ORC:lla sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Pulsed corona discharge as an advanced oxidation process for degradation of organic

Advanced oxidation processes (AOPs) have been studied and developed to suffice the effective removal of refractory and toxic compounds in polluted water. The quality and cost of wastewater treatment need improvements, and electric discharge technology has a potential to make a significant difference compared to other established AOPs based on energy efficiency. The generation of active oxidant species such as ozone and hydroxyl radicals by high voltage discharge is a relatively new technology for water treatment. Gas-phase pulsed corona discharge (PCD), where a treated aqueous solution is dispersed between corona-producing electrodes free of the dielectric barriers, was developed as an alternative approach to the problem. The short living radicals and ozone formed in the gas phase and at the gas-liquid interface react with dissolved impurities. PCD equipment has a relatively simple configuration, and with the reactor in an enclosed compartment, it is insensitive towards gas humidity and does not need the gas transport. In this thesis, PCD was used to study and evaluate the energy efficiency for degrading various organic compounds, as well as the chemistry of the oxidation products formed. The experiments investigate the aqueous oxidation of phenol, humic substances, pharmaceutical compounds (paracetamol, ibuprofen, indomethacin, salicylic acids, -estradiol), as well as lignin degradation and transformation to aldehydes. The study aims to establish the influence of initial concentration of the target pollutant, the pulsed discharge parameters, gas phase composition and the pH on the oxidation kinetics and the efficiency. Analytical methods to measure the concentrations of the target compounds and their by-products include HPLC, spectrophotometry, TOC and capillary electrophoresis. The results of the research included in this summary are presented in the attached publications and manuscripts accepted for publication. Pulsed corona discharge proved to be highly effective in oxidizing each of the target compounds, surpassing the closest competitor, conventional ozonation. The increase in oxidation efficiencies for some compounds in oxygen media and at lower pulse repetition frequencies shows a significant role of ozone. The role of the ·OH radicals was established in the surface reactions. The main oxidation products, formation of nitrates, and the lignin transformation were quantified. A compound specific approach is suggested for optimization of the PCD parameters that have the most significant impact on the oxidation energy efficiency because of the different characteristics and responses of the target compound to the oxidants, as well as different admixtures that are present in the wastewater. Further studies in the method’s safety (nitration and nitrosation of organic compounds, nitrite and nitrate formation enhancement) are needed for promoting the method.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Применение практик Северных стран по энергоэффективности и возобновляемым источникам энергии в Калининградской области

RENSOL (Regional Energy Solutions) project deals with the use of energy efficiency and renewable energy solutions in Kaliningrad Oblast to tackle climate change. Overall objective of the RENSOL work package 1 is to build awareness and knowledge on solutions for energy efficient buildings and street lightning applications. This project report describes available solutions to improve housing energy efficiency.

Variable speed drive in fan system monitoring

Fan systems are responsible for approximately 10% of the electricity consumption in industrial and municipal sectors, and it has been found that there is energy-saving potential in these systems. To this end, variable speed drives (VSDs) are used to enhance the efficiency of fan systems. Usually, fan system operation is optimized based on measurements of the system, but there are seldom readily installed meters in the system that can be used for the purpose. Thus, sensorless methods are needed for the optimization of fan system operation. In this thesis, methods for the fan operating point estimation with a variable speed drive are studied and discussed. These methods can be used for the energy efficient control of the fan system without additional measurements. The operation of these methods is validated by laboratory measurements and data from an industrial fan system. In addition to their energy consumption, condition monitoring of fan systems is a key issue as fans are an integral part of various production processes. Fan system condition monitoring is usually carried out with vibration measurements, which again increase the system complexity. However, variable speed drives can already be used for pumping system condition monitoring. Therefore, it would add to the usability of a variablespeed- driven fan system if the variable speed drive could be used as a condition monitoring device. In this thesis, sensorless detection methods for three lifetime-reducing phenomena are suggested: these are detection of the fan contamination build-up, the correct rotational direction, and the fan surge. The methods use the variable speed drive monitoring and control options for the detection along with simple signal processing methods, such as power spectrum density estimates. The methods have been validated by laboratory measurements. The key finding of this doctoral thesis is that a variable speed drive can be used on its own as a monitoring and control device for the fan system energy efficiency, and it can also be used in the detection of certain lifetime-reducing phenomena.

Energiatehokkaille ratkaisuille perustuva investointipotentiaali sairaalan saneeraushankkeessa

Tämän diplomityön tavoitteena oli tutkia ympäristömyönteisiä energiatehokkaita ratkaisuja, joita voitaisiin hyödyntää Kymenlaakson keskussairaalan rakennus- ja saneeraushankkeessa. Energiatehokkaiden ratkaisujen mahdollistamista vuotuisista käyttökustannussäästöistä laskettiin investointipotentiaali, jota voidaan hyödyntää saneerausinvestoinnin rahoituksessa. Työ jakautuu teoreettiseen kirjallisuusselvitykseen ja empiiriseen osuuteen, joka on toiminta-analyyttinen case-tutkimus. Investointipotentiaalin määrittämiseksi muodostettiin kolme skenaariota eritasoisisten energiankulutusta vähentävien toimenpiteiden ja tutkimustulosten sekä toteutusvaiheessa olevan saneeraushankeen pohjalta. Skenaariot muodostuivat erilaisista lämmön- ja sähkönkulutuksen vähentämisen yhdistelmistä. Investointipotentiaali saatiin laskemalla nykyarvo vuotuisista tulevaisuuden energiankulutuksen käyttökustannussäästöistä. Työn tuloksina esitettiin energiatehokkuutta parantavia ratkaisuja sekä kolme erisuuruisten energiankulutuksen vähennysyhdistelmien aikaansaamaa käyttökustannus-säästöistä syntyvää investointipotentiaaliratkaisua. Tutkimustietoa voidaan hyödyntää alkavassa sairaalan rakennus- ja saneerausinvestoinnin suunnittelutyössä.