Virtausjakauman kokeellinen määritys levylämmönsiirtimissä

Diplomityön tavoitteena oli kokeellisen tutkimuksen keinoin selvittää juotettujen levylämmönsiirtimien levypakkarakenteessa virtausten käyttäytyminen ja jakautuminen sekä löytää ideoita ja kehitysehdotuksia levylämmönsiirtimen levypakan ja levyprofiilin kehittämiseksi. Kokeellinen tutkimus suoritettiin Oy Danfoss Ab LPM:n levylämmönsiirtimien tutkimuslaboratoriossa. Virtausjakauman tutkimusta varten suunniteltiin ja valittiin tutkimuslaitteisto, joka koostui termoelementtiantureista, tiedonkeruulaitteistosta sekä ohjelmistosta. Lämmönsiirtimistä mitattiin ensiö- ja toisiopuolen tilavuusvirrat ja painehäviöt sekä lämpötilat ennen ja jälkeen lämmönsiirtimen. Tutkimuslaitteiston avulla mitattiin lämpötiloja lämmönsiirtimen sisältä levyväleistä. Mittaukset suoritettiin neljällä levypakkarakenteella useilla massavirran arvoilla. Mittaustuloksista määritettiin levylämmönsiirtimien lämpö- ja virtaustekniset ominaisuudet nesteen Reynoldsin luvun funktiona sekä selvitettiin nesteen virtausjakaumat. Mittaustuloksien perusteella laskettuja virtausjakauman arvoja verrattiin teorian mukaan laskettuihin jakaumiin. Mitatuista siirtimistä lasketut massavirrat viittaavat siihen, että suurin osa nesteestä virtaa siirtimien keskeltä tai lähempää loppupäätä kuin alkupäästä. Teorian mukaan suurin nestemäärä virtaisi siirtimen alkupäästä vähentyen tasaisesti kohti levypakan loppupäätä. Teorian mukaiselle virtausjakaumalle ja lasketuille jakaumille ei löydetty yhteyttä. Tutkimuksessa havaittiin suuria, jopa yli 20 asteen, lämpötilaeroja levyväleistä ulostulevissa virtauksissa. Levyvälien virtauksen käyttäytymisen ja jakautumisen tutkiminen nähdäänkin levypakan pitkittäistä kehittämistä suurempana mielenkiinnon ja kehittämisen kohteena.

Gasification of Black Liquor as a Way to Increase Power Production at Kraft Pulp Mills

The study is focused on the opportunity to improve the power performance from black liquor at Kraft pulp mills. The first part of the paper includes an overview of a traditional recovery system, its development and indication of the integral drawbacks which provoke the search for more efficient methods of black liquor treatment. The second part is devoted to the investigation of black liquor gasification as a technology able to increase electric energy generation at pulp mills. In addition, a description of two most promising gasification processes and their comparison to each other are presented. The paper is based on a literature review and interviews of specialists in this field. The findings showed that while the modern recovery system meets demands of the pulp mills, pressurized oxygen-blown black liquor gasification has good potential to be used as an alternative technology, increasing the power output from black liquor.

Inversion and assimilation methods with applications in geophysical remote sensing

Stratospheric ozone can be measured accurately using a limb scatter remote sensing technique at the UV-visible spectral region of solar light. The advantages of this technique includes a good vertical resolution and a good daytime coverage of the measurements. In addition to ozone, UV-visible limb scatter measurements contain information about NO2, NO3, OClO, BrO and aerosols. There are currently several satellite instruments continuously scanning the atmosphere and measuring the UVvisible region of the spectrum, e.g., the Optical Spectrograph and Infrared Imager System (OSIRIS) launched on the Odin satellite in February 2001, and the Scanning Imaging Absorption SpectroMeter for Atmospheric CartograpHY (SCIAMACHY) launched on Envisat in March 2002. Envisat also carries the Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars (GOMOS) instrument, which also measures limb-scattered sunlight under bright limb occultation conditions. These conditions occur during daytime occultation measurements. The global coverage of the satellite measurements is far better than any other ozone measurement technique, but still the measurements are sparse in the spatial domain. Measurements are also repeated relatively rarely over a certain area, and the composition of the Earth’s atmosphere changes dynamically. Assimilation methods are therefore needed in order to combine the information of the measurements with the atmospheric model. In recent years, the focus of assimilation algorithm research has turned towards filtering methods. The traditional Extended Kalman filter (EKF) method takes into account not only the uncertainty of the measurements, but also the uncertainty of the evolution model of the system. However, the computational cost of full blown EKF increases rapidly as the number of the model parameters increases. Therefore the EKF method cannot be applied directly to the stratospheric ozone assimilation problem. The work in this thesis is devoted to the development of inversion methods for satellite instruments and the development of assimilation methods used with atmospheric models.

Kuivurin pölynhallintajärjestelmä

Lämminilmakuivaus on viljan kuivaamisen menetelmistä ylivoimaisesti käytetyin. Siinä kuivurissa olevan viljakerroksen läpi puhalletaan lämmintä ilmaa, kunnes viljan kosteuspitoisuus laskee tavoitetasoon. Viljan jyvistä irtoaa aina pölyä niiden hangatessa toisiaan vasten. Viljankuivaamoiden pölyisyyttä on normaalisti pyritty vähentämään poistamalla leijuvaa pölyä viljan liikkeen epäjatkuvuuskohdista. Pölyä kulkeutuu kuitenkin kuivaamon ulkopuolelle myös kuivaukseen käytetyn ilman mukana. Poistoilman pölypitoisuus ei tavallisesti ole korkea, mutta kuivaamiseen käytetyistä suurista ilmamääristä johtuen pölyä voi kertyä poistoilmakanavan ympäristöön huomattavia määriä. Tämän diplomityön tavoitteena onkin viljankuivurin poistoilman pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvan pölynhallintajärjestelmän kehittäminen. Selvityksessä tarkasteltiin ensinnäkin kuivurin poistoilman pölypitoisuuteen liittyvää kansallista ja kansainvälistä lainsäädäntöä sekä raja-arvoja. Lähdemateriaalin perusteella kartoitettiin pölypitoisuuden vähentämiseen soveltuvia menetelmiä sekä kilpailijoiden toteuttamia ratkaisuja. Myös muita pölynhallintajärjestelmän edellytyksiä selvitettiin. Teoreettisessa tarkastelussa teknistaloudellisesti parhaaksi osoittautunut pölynhallintaratkaisu jalostettiin prototyypiksi. Sen toimintakykyä testattiin erotustehokkuuden mittaamiseen soveltuvan koelaitteiston avulla. Testitulosten perusteella kyseinen pölynhallintajärjestelmä todettiin toimivaksi ja pienellä jatkokehittelyllä myös kaupalliseen käyttöön soveltuvaksi. Testitulosten hyödyntämismahdollisuuksien lisäksi diplomityössä esitetään myös muutamia jatkokehitysehdotuksia.

Litium-ioniakun tasapainon hallinta

Nykyaikaisen liikkuvan sähkökäytön energianlähteenä voi toimia jopa sadoista yksittäisistä sarjaankytketyistä litium-ionikennoista muodostuva akusto. Luotettaviin mittauksiin perustuva valvonta ja käytönohjaus on erityisen tärkeää litium-ioniakuissa, jotka ovat herkkiä yli- ja alijännitteille sekä korkeille lämpötiloille. Monipuolinen hallintajärjestelmä auttaa hyödyntämään akun koko kapasiteetin sekä säilyttämään akun suorituskyvyn estämällä väärinkäytön. Tässä työssä keskitytään tarkastelemaan monikennoisten litium-ioniakkujen sovelluksissa ilmeneviä haasteita sekä eri julkaisuissa esitettyjä ratkaisumalleja akun tasapainon hallitsemiseksi.

Battery Cell Modeling for Battery Management System

Usage of batteries as energy storage is emerging in automotive and mobile working machine applications in future. When battery systems become larger, battery management becomes an essential part of the application concerning fault situations of the battery and safety of the user. A properly designed battery management system extends one charge cycle of battery pack and the whole life time of the battery pack. In this thesis main objectives and principles of BMS are studied and first order Thevenin’s model of the lithium-titanate battery cell is built based on laboratory measurements. The battery cell model is then verified by comparing the battery cell model and the actual battery cell and its suitability for use in BMS is studied.

Suomen satamissa käsiteltävät pakatut vaaralliset aineet ja esimerkkejä niiden vaaraominaisuuksista

Tämä raportti on tehty osana Kymenlaakson ammattikorkeakoulun hallinnoiman NELIn (North European Logistics Institute) esiselvitystä vaarallisten aineiden tunnistamisesta konttiliikenteessä. Tässä Turun yliopiston merenkulkualan koulutus- ja tutkimuskeskuksen Kotkassa toimivan Merenkulun logistiikan tutkimus -yksikön tekemässä selvityk-sessä on tutkittu kansallista satamaliikenteen PortNet-järjestelmää hyödyntäen, mitä pakattuina kuljetettavia vaarallisia aineita ja kuinka suuria määriä Suomen satamissa käsitellään. PortNet-analyysin tulosten pohjalta tutkimuksessa on selvitetty Suomen satamissa eniten käsiteltyjen, pakattuina kuljetettavien vaarallisten aineiden vaaraominaisuuksia sekä ihmisten että ympäristön kannalta. Tutkimuksessa tehdyn PortNet-analyysin perusteella pakattuja vaarallisia aineita käsiteltiin 16:ssa Suomen satamassa vuonna 2012. Käsiteltyjen aineiden kokonaismäärä oli noin 820 000 tonnia, josta viennin osuus oli 53 % ja tuonnin 47 %. Eniten kuljetettuja IMDG-luokkia olivat luokan 3 palavat nesteet (31 %:n osuus), luokan 9 muut vaaralliset aineet ja esineet (25 %) sekä luokan 8 syövyttävät aineet (23 %). Muiden luokkien osuus oli alle 10 %. Suomen satamissa käsiteltiin vuonna 2012 yhteensä noin 1 020 eri-laista, pakattua vaarallista ainetta. Yli 10 000 tonnia käsiteltyjä aineita oli yhteensä 16, 1 000–10 000 tonnia käsiteltyjä aineita 84, 100–1 000 tonnia käsiteltyjä aineita 148 ja alle 100 tonnia käsiteltyjä aineita noin 770. Eniten käsiteltyjä aineita olivat pääasiassa erilaiset aineyhdisteet ja tarkemmin määrittelemättömät aineet, kuten ympäristölle vaarallinen aine n.o.s, maalit, polymeeripelletit, hartsiliuos, kohotetussa lämpötilassa oleva neste n.o.s. ja nikkelimetallihybridiakut. Näitä kaikkia käsiteltiin Suomen satamissa yli 20 000 tonnia vuonna 2012. Varsinaisista yksittäisistä vaarallisista aineista eniten käsiteltyjä olivat muurahaishappo, vetyperoksidin vesiliuos, natriumkloraatti, ammoniumnitraatti, fenoli ja kloorietikkahappoliuos. Näitä kaikkia käsiteltiin yli 10 000 tonnia vuonna 2012. PortNet-analyysin tulosten pohjalta valittiin kymmenen ainetta, joiden vaaraominaisuuksia sekä ihmisten että ympäristön kannalta tarkasteltiin tarkemmin. Tarkasteluun valittiin, tieteellistä harkintaa käyttäen, eniten kuljetettavia vaarallisia yksittäisiä kemikaaleja. Tarkasteluun valitut kemikaalit olivat muurahaishappo, vetyperoksidi, natrium-kloraatti, kloorietikkahappo, fenoli, akryyliamidiliuos, ksyleenit, akryylinitriili, tolueeni ja epikloorihydriini. Tutkituista kemikaaleista ympäristölle haitallisimpia ovat fenoli, kloorietikkahappo ja akryyliamidiliuos. Ihmisen kannalta kaikki 10 tutkittua kemikaalia muodostavat onnettomuustilanteessa riskin ihmisten terveydelle joko syövyttävyytensä, reaktiivisuutensa tai myrkyllisyytensä vuoksi. Osa kemikaaleista voi aiheuttaa ihmisille myös kroonisia haittoja, kuten kohonnutta syöpäriskiä tai muutoksia perimässä, joko suurina kerta-annoksina tai pieninä toistuvina pitoisuuksina. Suomen satamissa käsiteltävien pakattujen kemikaalien erilaisuus ja suuri lukumäärä tekevät niistä vaikeasti hallittavissa olevan riskitekijän. Yleisesti ottaen voidaan sanoa, että pakatuista kemikaaleista aiheutuu pienehköissä vuototilanteissa suurempi uhka ihmisen terveydelle kuin ympäristölle, kun taas irtolastikuljetuksissa tapahtuvien onnettomuuksien yhteydessä vuotaneen aineen määrä on yleensä suurempi ja näin ollen myös ympäristölle koituva uhka voi olla suuri.

Development and characterization of thin printed films for gas sensing applications

The monitoring and control of hydrogen sulfide (H2S) level is of great interest for a wide range of application areas including food quality control, defense and antiterrorist applications and air quality monitoring e.g. in mines. H2S is a very poisonous and flammable gas. Exposure to low concentrations of H2S can result in eye irritation, a sore throat and cough, shortness of breath, and fluid retention in the lungs. These symptoms usually disappear in a few weeks. Long-term, low-level exposure may result in fatigue, loss of appetite, headache, irritability, poor memory, and dizziness. Higher concentrations of 700 - 800 ppm tend to be fatal. H2S has a characteristic smell of rotten egg. However, because of temporary paralysis of olfactory nerves, the smelling capability at concentrations higher than 100 ppm is severely compromised. In addition, volatile H2S is one of the main products during the spoilage of poultry meat in anaerobic conditions. Currently, no commercial H2S sensor is available which can operate under anaerobic conditions and can be easily integrated in the food packaging. This thesis presents a step-wise progress in the development of printed H2S gas sensors. Efforts were made in the formulation, characterization and optimization of functional printable inks and coating pastes based on composites of a polymer and a metal salt as well as a composite of a metal salt and an organic acid. Different processing techniques including inkjet printing, flexographic printing, screen printing and spray coating were utilized in the fabrication of H2S sensors. The dispersions were characterized by measuring turbidity, surface tension, viscosity and particle size. The sensing films were characterized using X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction, atomic force microscopy and an electrical multimeter. Thin and thick printed or coated films were developed for gas sensing applications with the aim of monitoring the H2S concentrations in real life applications. Initially, a H2S gas sensor based on a composite of polyaniline and metal salt was developed. Both aqueous and solvent-based dispersions were developed and characterized. These dispersions were then utilized in the fabrication of roll-to-roll printed H2S gas sensors. However, the humidity background, long term instability and comparatively lower detection limit made these sensors less favourable for real practical applications. To overcome these problems, copper acetate based sensors were developed for H2S gas sensing. Stable inks with excellent printability were developed by tuning the surface tension, viscosity and particle size. This enabled the formation of inkjet-printed high quality copper acetate films with excellent sensitivity towards H2S. Furthermore, these sensors showed negligible humidity effects and improved selectivity, response time, lower limit of detection and coefficient of variation. The lower limit of detection of copper acetate based sensors was further improved to sub-ppm level by incorporation of catalytic gold nano-particles and subsequent plasma treatment of the sensing film. These sensors were further integrated in an inexpensive wirelessly readable RLC-circuit (where R is resistor, L is inductor and C is capacitor). The performance of these sensors towards biogenic H2S produced during the spoilage of poultry meat in the modified atmosphere package was also demonstrated in this thesis. This serves as a proof of concept that these sensors can be utilized in real life applications.