Computational and Experimental Investigation of the Grooved Roll in Paper Machine Environment

In the paper machine, it is not a desired feature for the boundary layer flows in the fabric and the roll surfaces to travel into the closing nips, creating overpressure. In this thesis, the aerodynamic behavior of the grooved roll and smooth rolls is compared in order to understand the nip flow phenomena, which is the main reason why vacuum and grooved roll constructions are designed. A common method to remove the boundary layer flow from the closing nip is to use the vacuum roll construction. The downside of the use of vacuum rolls is high operational costs due to pressure losses in the vacuum roll shell. The deep grooved roll has the same goal, to create a pressure difference over the paper web and keep the paper attached to the roll or fabric surface in the drying pocket of the paper machine. A literature review revealed that the aerodynamic functionality of the grooved roll is not very well known. In this thesis, the aerodynamic functionality of the grooved roll in interaction with a permeable or impermeable wall is studied by varying the groove properties. Computational fluid dynamics simulations are utilized as the research tool. The simulations have been performed with commercial fluid dynamics software, ANSYS Fluent. Simulation results made with 3- and 2-dimensional fluid dynamics models are compared to laboratory scale measurements. The measurements have been made with a grooved roll simulator designed for the research. The variables in the comparison are the paper or fabric wrap angle, surface velocities, groove geometry and wall permeability. Present-day computational and modeling resources limit grooved roll fluid dynamics simulations in the paper machine scale. Based on the analysis of the aerodynamic functionality of the grooved roll, a grooved roll simulation tool is proposed. The smooth roll simulations show that the closing nip pressure does not depend on the length of boundary layer development. The surface velocity increase affects the pressure distribution in the closing and opening nips. The 3D grooved roll model reveals the aerodynamic functionality of the grooved roll. With the optimal groove size it is possible to avoid closing nip overpressure and keep the web attached to the fabric surface in the area of the wrap angle. The groove flow friction and minor losses play a different role when the wrap angle is changed. The proposed 2D grooved roll simulation tool is able to replicate the grooved aerodynamic behavior with reasonable accuracy. A small wrap angle predicts the pressure distribution correctly with the chosen approach for calculating the groove friction losses. With a large wrap angle, the groove friction loss shows too large pressure gradients, and the way of calculating the air flow friction losses in the groove has to be reconsidered. The aerodynamic functionality of the grooved roll is based on minor and viscous losses in the closing and opening nips as well as in the grooves. The proposed 2D grooved roll model is a simplification in order to reduce computational and modeling efforts. The simulation tool makes it possible to simulate complex paper machine constructions in the paper machine scale. In order to use the grooved roll as a replacement for the vacuum roll, the grooved roll properties have to be considered on the basis of the web handling application.

Suotautuneen massakakun irtoamisominaisuudet

Tässä työssä tutkittiin suotautuneen massakakun adheesiota teräspinnalle. Muuttujina käytettiin tyypillisiä pesuprosessin arvoja. Lisäksi tutkittiin teollisessa pesulaitteessa massakakun irrotuksessa käytettävän paineilmapulssin käyttäytymistä. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin suotautuneen massakakun muodostumista, adheesiota ja adheesioon vaikuttavia tekijöitä massakakun irrotuksen kannalta. Lisäksi massakakun irrotuksessa käytettävän paineilman virtaustatarkasteltiin adiabaattisena virtauksena. Kokeellisen osan irrotuskokeissa tutkittiin suotautuneen massakakun adheesiovoimia teräksisen kartion laitoihin ja reikälevyyn. Kokeissa tutkittiin tyypillisten prosessi-muuttujien kuten lämpötilan, pH:n ja kuiva-ainepitoisuuden vaikutusta tarvittavaan kakun irrotusvoimaan. Lisäksi tutkittiin myös kartion kulman ja pinnanlaadun vaikutusta. Adheesiokokeiden perusteella pystyttiin laskemaan massakakun irrotukseen tarvittava rajapaine teollisen pesulaitteen lokeron suodoskanavassa. Kokeellisen osan paineilmakokeissa tutkittiin irrotuksessa käytettävän paineilman painevaikutusta ja virtausta teollisen pesulaitteen lokerossa ja näihin vaikuttavia rakenteellisten ja prosessiteknisten parametrien vaikutusta. Lisäksi tutkimusta täydennettiin videokuvauksen avulla tutkimalla paineaallon etenemistä merkkiaineen avulla.

Kerrostumien muodostumisen määritys sondin lämmönsiirron perusteella

Diplomityön tavoitteena oli tutkia kerrostumien muodostumista voimalaitoskattiloiden lämpöpinnoille ja niiden vaikutusta lämmönsiirtoon. Kerrostumien vaikutusta lämpöpintojen lämpötiloihin tutkittiin kerrostumasondin avulla kierto- ja kerrosleijukattiloissa. Saadun mittausaineiston muodostettiin mittaustilannetta vastaava laskentamalli, jonka avulla pystytään selvittämään voimalaitoksen lämpöpintojen likaantumista käyttöperiodin aikana. Työn alussa tarkasteltiin kerrostumien muodostumismekanismeja lämmönsiirtopinnoille, kerrostumien ominaisuuksia ja virtausympäristön vaikutusta lämmönsiirtoon. Poltossa syntyvä tuhka kiinnittyy eri mekanismeilla kattilan seinille ja lämpöpinnoille riippuen polttoaineesta ja ympäröivistä olosuhteista. Likakerrosten muodostuminen lämmönsiirtimen pinnalle pienentää putkeen siirtyvää lämpövirtaa ja alentaa kattilan hyötysuhdetta. Kerrostumien lämmönjohtumisesta ja mikrorakenteesta on hyvin vähän kokeellisen tietoa, mikä vaikeuttaa reaalisten mallien muodostamista kattilan käyttäytymisestä sen likaantuessa.Työn kokeellisessa osassa tarkasteltiin kahdella eri kattilalla tehtyjä mittauksia. Mittaukset tehtiin kerrostumasondilla, jonka lämmönsiirrosta luotiin laskentamalli SIMULINK-simulointiohjelmalla. Mittaustuloksina saatiin kolmen eri pinnan lämpötilat, jotka muuttuivat kerrostuman ja jäähdytyksen vaikutuksesta. Laskentamallista muokattiin mittaustilanteita vastaava, jolloin lämpötilamuutoksista nähdään likakerroksen ominaisuuksien vaikutus lämmönsiirtoon. Sondista muodostettiin myös FLUENT-malli, jolla tarkasteltiin yksittäisen putken virtauskenttää sekä kahden lähekkäin olevan putken vaikutusta virtaukseen.

Heat transfer in superheaters of the bubbling fluidized bed boiler conversions

It is often reasonable to convert old boiler to bubbling fluidized bed boiler instead of building a new one. Converted boiler consists of old and new heat surfaces which must be fitted to operate together. Prediction of heat transfer in not so ideal conditions sets challenges for designers. Two converted boilers situated in Poland were studied on the grounds of acceptance tests and further studies. Calculation of boiler process was performed with boiler design program. Main interest was heat transfer in superheaters and factors affecting it. Theory for heat transfer is presented according to information found from literature. Results obtained from experimental studies and calculations have been compared. With correct definitions calculated parameters corresponded well to measured data at boiler maximum design load. However overload situations revealed to be difficult to model at least without considering changes in the combustion process which requires readjustments to the design program input values.

Hitsauksen tehostaminen robotisoinnin käyttöönotolla

Kansainvälisen kilpailun kiristyessä yritysten on tehostettava tuotantoaan kustannusten alentamiseksi. Eräs tehostamisen keino on tuotannon automatisointi. Tässä diplomityössä käsitellään hitsauksen tehostamista robottiaseman käyttöönotolla GaV Group Oy:ssä. Työn tarkoituksena on tuoda esille oleellisimmat uuden valmistusteknologian tehokkaaseen käyttöönottoon kuuluvat asiat. Teoriaosassa käsitellään robottisolun investoinnin jälkeisiä toimenpiteitä esivalmistelusta, käyttöönotosta ja tuotannon stabiloinnista. Pääpaino teoriaosuudessa on esivalmistelulla, jolla on suurin vaikutus uuden teknologian käyttöönotossa. Lisäksi teoriaosuudessa käydään läpi laadunvarmistuksen pääperiaatteet, turvallisuusnäkökulmat ja muutoksen mittareiden määrittäminen. Käytännön osiossa on esitelty robottisolun käyttöönotto kohdeyrityksessä. Työn alussa valittiin robotisoidusti hitsattavat kappaleet, parannettiin mahdollisuuksien mukaan konstruktioita paremmin robotisoituun hitsaukseen soveltuviksi ja rakennettiin niille hitsauskiinnittimet. Robotilla tuotteille etsittiin sopivat parametrit ja tehtiin hitsausohjelmat tämän työn puitteissa. Työssä esitellään myös tuotannon käynnistyminen laatuongelmineen ja tuotannon tunnusluvut. Hitsauksen lisäksi robottiin liitettiin esivalmistuksen laadun takaamiseksi hienosädeplasma, jolla aukotetaan robotilla hitsattavia tuotteita. Hienosädeplasmalla saadaan entistä tarkemmat ja railopinnoiltaan siistit reiät yhteille, joka on välttämätöntä robotisoidussa hitsauksessa.