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.

Logistics Development in Finnish and Swedish Companies with Respect of Russia and Four Asian Countries: Traffic Flow and Warehousing Analysis from Current Situation and Likely Development Trends

On selvää, että tänä päivänä maailmankaupan painopiste on hiljalleen siirtymässä Aasiaan ja varsinkin Kiina on ollut huomion keskipisteessä. Erityisesti valmistavien yritysten perspektiivistä muutos on ollut merkittävä ja tämä tosiasia kasvattaa yrityksissä paineita luoda kustannustehokkaita toimitusketjuratkaisuja,joiden vasteaika on mahdollisimman lyhyt. Samaan aikaan kun tarkastellaan kuljetusvirtoja, huomattaan että maanosien välillä on suuri epätasapaino. Tämä on enimmäkseen seurausta suurten globaalisti toimivien yritysten toimitusketjustrategioista. Useimmat näistä toimijoista optimoivat verkostonsa turvautumalla 'paikalliseen hankintaan', jotta he voisivat paremmin hallita toimitusketjujaan ja saada näitä reagointiherkimmiksi. Valmistusyksiköillä onkin monesti Euroopassa pakko käyttää kalliita raaka-aineita ja puolivalmisteita. Kriittisiksi tekijöiksi osoittautuvat kuljetus- ja varastointikustannukset sekä näiden seurauksena hukka-aika, joka aiheutuu viivästyksistä. Voidakseen saavuttaa optimiratkaisun, on tehtävä päätös miten tuotteet varastoidaan: keskitetysti tai hajautetusti ja integroida tämä valinta sopivien kuljetusmuotojen kanssa. Aasiasta Pohjois-Eurooppaan on halpaa käyttää merikuljetusta, mutta operaatio kestää hyvin pitkään - joissain tapauksessa jopa kahdeksan viikkoa. Toisaalta lentokuljetus on sekä kallis että rajoittaa siirrettävien tuotteiden eräkokoa.On olemassa kolmaskin vaihtoehto, josta voisi olla ratkaisuksi: rautatiekuljetus on halvempi kuin lentokuljetus ja vasteajat ovat lyhyemmät kuin merikuljetuksissa. Tässä tutkimuksessa tilannetta selvitetään kyselyllä, joka suunnattiin Suomessa ja Ruotsissa toimiville yrityksille. Tuloksien perusteella teemme johtopäätökset siitä, mitkä kuljetusmuotojen markkinaosuudet tulevat olemaan tulevaisuudessa sekä luomme kuvan kuljetusvirroista Euroopan, Venäjän, Etelä-Korea, Intian, Kiinan ja Japanin välillä. Samalla on tarkoitus ennakoida sitä, miten tarkastelun kohteena olevat yritykset aikovat kehittää kuljetuksiaan ja varastointiaan tulevien vuosien aikana. Tulosten perusteella näyttää siltä, että seuraavan viiden vuoden kuluessa kuljetuskustannukset eivät merkittävissä määrin tule muuttuman ja meri- sekä kumipyöräkuljetukset pysyvät suosituimpina vaihtoehtoina.Kuitenkin lentokuljetusten osuus laskee hiukan, kun taas rautatiekuljetusten painotus kasvaa. Tulokset paljastavat, että Kiinassa ja Venäjällä kuljetettava konttimäärä kasvaa; Intiassa tulos on saman suuntainen, joskaan ei niin voimakas. Analyysimme mukaan kuljetusvirtoihin liittyvä epätasapaino säilyy Venäjän kuljetusten suhteen: yritykset jatkavat tulevaisuudessakin vientiperusteista strategiaansa. Varastoinnin puolella tunnistamme pienemmän muutoksen, jonka mukaan pienikokoisten varastojen määrät todennäköisesti vähenevät tulevaisuudessa ja kiinnostus isoja varastoja kohtaan lisääntyy. Tässä kohtaa on mainittava, että suomalaisilla yrityksillä on enemmän varastoja Keski- ja Itä-Euroopassa verrattuna ruotsalaisiin toimijoihin, jotka keskittyvät selkeämmin Länsi-Euroopan maihin. Varastoja yrityksillä on molemmissa tapaukissa paljolti kotimaassaan. Valitessaan varastojensa sijoituskohteita yritykset painottavat seuraavia kriteereitä: alhaiset jakelukustannukset, kokoamispaikan/valmistustehtaan läheisyys, saapuvan logistiikan integroitavuus ja saatavilla olevat logistiikkapalvelut. Tutkimuksemme lopussa päädymme siihen, että varastojen sijoituspaikat eivät muutu satamien rakenteen ja liikenneyhteyksien takia kovinkaan nopeasti.

Permanent magnet synchronous motor for industrial inverter applications - analysis and design

During the latest few years the need for new motor types has grown, since both high efficiency and an accurate dynamic performance are demanded in industrial applications. For this reason, new effective control systems such as direct torque control (DTC) have been developed. Permanent magnet synchronous motors (PMSM) are well suitable for new adjustable speed AC inverter drives, because their efficiency and power factor are not depending on the pole pair number and speed to the same extent as it is the case in induction motors. Therefore, an induction motor (IM) with a mechanical gearbox can often be replaced with a direct PM motor drive. Space as well as costs will be saved, because the efficiency increases and the cost of maintenance decreases as well. This thesis deals with design criterion, analytical calculation and analysis of the permanent magnet synchronous motor for both sinusoidal air-gap flux density and rectangular air-gapflux density. It is examined how the air-gap flux, flux densities, inductances and torque can be estimated analytically for salient pole and non-salient pole motors. It has been sought by means of analytical calculations for the ultimate construction for machines rotating at relative low 300 rpm to 600 rpm speeds, which are suitable speeds e.g. in Pulp&Paper industry. The calculations are verified by using Finite Element calculations and by measuring of prototype motor. The prototype motor is a 45 kW, 600 rpm PMSM with buried V-magnets, which is a very appropriate construction for high torque motors with a high performance. With the purposebuilt prototype machine it is possible not only to verify the analytical calculations but also to show whether the 600 rpm PMSM can replace the 1500 rpm IM with a gear. It can also be tested if the outer dimensions of the PMSM may be the same as for the IM and if the PMSM in this case can produce a 2.5 fold torque, in consequence of which it may be possible to achieve the same power. The thesis also considers the question how to design a permanent magnet synchronous motor for relatively low speed applications that require a high motor torqueand efficiency as well as bearable costs of permanent magnet materials. It is shown how a selection of different parameters affects the motor properties. Key words: Permanent magnet synchronous motor, PMSM, surface magnets, buried magnets

Competitive Analysis of the Northwest Russian Transport Logistics Cluster – Finnish Perspective

Tutkimus tarkastelee Luoteis-Venäjän liikennelogistiikkaklusteria. Tarkoitus on selvittää klusterin nykyinen rakenne ja kilpailukyky sekä klusterin tarjoamat liiketoimintamahdollisuudet suomalaisille logistiikkayrityksille. Työssä käsitellään neljää perusliikennemuotoa: rautatie-, maantie-, meri- ja sisävesi-, sekä ilmaliikennettä. Tutkimuksen aineisto on kerätty tutkimusta varten laadituista kyselyistä, haastatteluista sekä aiemmin julkaistusta materiaalista. Venäjä on suunnitellut kehittävänsä voimakkaasti liikenneinfrastruktuuria, mm. julkaisemalla protektionistisen liikennestrategiasuunnitelman. Ongelmana ovat olleet toteutukset, jotka ovat jääneet yleensä puutteellisiksi. Tällä hetkellä todellista kilpailukykyä löytyy ainoastaan rautatieliikenteestä, muut kolme liikennemuotoa omaavat potentiaalisen kilpailukyvyn. Venäjällä on mahdollisuus hyötyä laajasta pinta-alastaan Aasian ja Euroopan liikenteen yhdistäjänä. Yksi konkreettisimmista esimerkeistä on Trans Siperian rautatie, joka kaipaisi vielä lisäkehitystä. Suomi on toiminut Venäjän liikenteessä arvotavaran kauttakulkumaana, vuonna 2003 noin 30–40 % Venäjän tuonnin arvosta kulki Suomen kautta. Venäjälle tullaan tuomaan arvotavaraa vielä useita vuosia, mutta reittien osalta kilpailu on tiukentunut. Suomalaisten yritysten liiketoimintamahdollisuuksiin esitetään kaksi mallia: kauttakulkuliikenteen lisäarvologistiset (VAL) operaatiot Suomessa tai etabloituminen Venäjän logistisiin ketjuihin. Suomalaisten olisi syytä parantaa yhteistyötään yritysten ja yliopistojen ym. koulutuslaitosten välillä. Myös yhteistyökumppaneiden hakeminen esimerkiksi Ruotsista voisi tuoda merkittäviä etuja. Suomalaista osaamista voitaisiin hyödyntää parhaiten etabloitumalla Venäjän markkinoille, esimerkiksi keskittymällä Venäjän logististen ketjujen johtamiseen. Myös VAL palveluiden johtamiseen Venäjällä olisi erittäin hyvä tilaisuus, koska Venäjän oma tietotaito logistiikassa ei ole vielä kehittynyt kansainväliselle tasolle, mutta kustannustaso on alhaisempi kuin Suomessa.

Life cycle costs in heating, ventilation and air-conditioning systems with drive

Energy consumption and energy efficiency have become an issue. Energy consumption is rising all over the world and because of that, and the climate change, energy is becoming more and more expensive. Buildings are major consumers of energy, and inside the buildings the major consumers are heating, ventilation and air-conditioning systems. They usually run at constant speed without efficient control. In most cases HVAC equipment is also oversized. Traditionally heating, ventilation and air-conditioning systems have been sized to meet conditions that rarely occur. The theory part in this thesis represents the basics of life cycle costs and calculations for the whole life cycle of a system. It also represents HVAC systems, equipment, systems controls and ways to save energy in these systems. The empirical part of this thesis represents life cycle cost calculations for HVAC systems. With these calculations it is possible to compute costs for the whole life cycle for the wanted variables. Life cycle costs make it possible to compare which variable causes most of the costs from the whole life point of view. Life cycle costs were studied through two real life cases which were focused on two different kinds of HVAC systems. In both of these cases the renovations were already made, so that the comparison between the old and the new, now existing system would be easier. The study indicates that energy can be saved in HVAC systems by using variable speed drive as a control method.

Biomass Utilization in PFC Co-firing System with the Slagging and Fouling Analysis

Master’s thesis Biomass Utilization in PFC Co-firing System with the Slagging and Fouling Analysis is the study of the modern technologies of different coal-firing systems: PFC system, FB system and GF system. The biomass co-fired with coal is represented by the research of the company Alstom Power Plant. Based on the back ground of the air pollution, greenhouse effect problems and the national fuel security today, the bioenergy utilization is more and more popular. However, the biomass is promoted to burn to decrease the emission amount of carbon dioxide and other air pollutions, new problems form like slagging and fouling, hot corrosion in the firing systems. Thesis represent the brief overview of different coal-firing systems utilized in the world, and focus on the biomass-coal co-firing in the PFC system. The biomass supply and how the PFC system is running are represented in the thesis. Additionally, the new problems of hot corrosion, slagging and fouling are mentioned. The slagging and fouling problem is simulated by using the software HSC Chemistry 6.1, and the emissions comparison between coal-firing and co-firing are simulated as well.

Wind turbine indirect ice detection and operational analysis

Wind energy is one of the most promising and fast growing sector of energy production. Wind is ecologically friendly and relatively cheap energy resource available for development in practically all corners of the world (where only the wind blows). Today wind power gained broad development in the Scandinavian countries. Three important challenges concerning sustainable development, i.e. energy security, climate change and energy access make a compelling case for large-scale utilization of wind energy. In Finland, according to the climate and energy strategy, accepted in 2008, the total consumption of electricity generated by means of wind farms by 2020, should reach 6 - 7% of total consumption in the country [1]. The main challenges associated with wind energy production are harsh operational conditions that often accompany the turbine operation in the climatic conditions of the north and poor accessibility for maintenance and service. One of the major problems that require a solution is the icing of turbine structures. Icing reduces the performance of wind turbines, which in the conditions of a long cold period, can significantly affect the reliability of power supply. In order to predict and control power performance, the process of ice accretion has to be carefully tracked. There are two ways to detect icing – directly or indirectly. The first way applies to the special ice detection instruments. The second one is using indirect characteristics of turbine performance. One of such indirect methods for ice detection and power loss estimation has been proposed and used in this paper. The results were compared to the results directly gained from the ice sensors. The data used was measured in Muukko wind farm, southeast Finland during a project 'Wind power in cold climate and complex terrain'. The project was carried out in 9/2013 - 8/2015 with the partners Lappeenranta university of technology, Alstom renovables España S.L., TuuliMuukko, and TuuliSaimaa.