ADVANCED NUMERICAL METHODS FOR SIMULATING MICROBUBBLE IN AN AERATED MIXING TANK

Fluid mixing in mechanically agitated tanks is one of the major unit operations in many industries. Bubbly flows have been of interest among researchers in physics, medicine, chemistry and technology over the centuries. The aim of this thesis is to use advanced numerical methods for simulating microbubble in an aerated mixing tank. Main components of the mixing tank are a cylindrical vessel, a rotating Rushton turbine and the air nozzle. The objective of Computational Fluid Dynamics (CFD) is to predict fluid flow, heat transfer, mass transfer and chemical reactions. The CFD simulations of a turbulent bubbly flow are carried out in a cylindrical mixing tank using large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF) method. The Rushton turbine induced flow is modeled by using a sliding mesh method. Numerical results are used to describe the bubbly flows in highly complex liquid flow. Some of the experimental works related to turbulent bubbly flow in a mixing tank are briefly reported. Numerical simulations are needed to complete and interpret the results of the experimental work. Information given by numerical simulations has a major role in designing and scaling-up mixing tanks. The results of this work have been reported in the following scientific articles: ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Large eddy simulations and PIV experiments of a two-phase air-water mixer, in Proceedings of ASME Fluids Engineering Summer Conference (2005). ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Dynamical States of Bubbling in an Aerated Stirring Tank, submitted to J. Computational Physics.

Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route. This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Modulaarisen paisunta-astian kehittäminen compact -sarjan teollisuusvaihteeseen

Tämä insinöörityö tehtiin SEW Industrial Gears Oy:lle, joka valmistaa hammasvaihteita teollisuuden eri sovellutuksiin. Työn tavoitteena oli kehittää modulaarinen paisuntaastiasarja compact -sarjan teollisuusvaihteeseen. Työn alkuvaiheessa käytössä oli kahdenlaisia paisunta-astioita: kosteissa oloissa käytettävä suljettu astiamalli ja kuiviin olosuhteisiin soveltuva malli. Koska käytössä oleva suljettu astiamalli oli kallis ja kuivien olosuhteiden mallin käyttö oli rajoitettu, oli uudelle modulaariselle paisunta-astialle selkeä tarve. Uuden astiamallin tuli olla yhteensopiva vaihteen yleisimpien varusteiden ja asennusasentojen kanssa. Lisäksi tavoitteena oli puolittaa uuden konseptin hinta vanhaan verrattuna ja paikata vanhoissa konstruktioissa olleita puutteita. Työ aloitettiin analysoimalla olemassa olevat paisunta-astiatyypit, minkä jälkeen paisuntaastialle ideoitiin uusia ominaisuuksia. Toisessa vaiheessa perehdyttiin modulaariseen järjestelmään sekä öljynpaisunnan teoriaan teollisuusvaihteessa. Viimeisessä vaiheessa tehtiin konseptin varsinainen suunnittelutyö, valittiin astian valmistustapa ja materiaali sekä optimoitiin hinta. Uudesta mallista valmistettiin myös prototyyppi, jotta suunniteltua tuotetta päästiin kokeilemaan myös käytännössä. Näin voitiin varmistaa tuotteen toimivuus. Suunnittelutyön tuloksena saatiin uuden paisunta-astiasarjan piirustukset tarvittavista osista ja kokoonpanoista sekä komponenttistandardi ja myyntiä tukevaa materiaalia. Käytännön osuus antoi tietoa laskelmien oikeellisuudesta sekä öljyn täyttöön ja paisuntaan liittyvistä asioista.

Haja-asutusalueiden sakokaivolietteiden kalkkistabilointi ja hyötykäyttö maataloudessa

In the sparsely populated areas of Finland there are approximately 350 000 households and 450 000 leisure time residences outside sewer networks. According to the Finnish domestic wastewater act outside sewer networks, the Finnish Government is reducing the environmental load of domestic wastewaters by the year 2017. The law is aimed at restricting the quality of sludge from domestic wastewater purification systems. The wastewater purification systems are complex systems, which often include sedimentation basins. The sedimentation basins remove most of the nutrients from the domestic wastewaters. The Finnish Government has decided that sedimentation basin sludge must be treated before reusing. One possibility is to stabilise domestic sludge with slaked lime and to reuse treated sludge in agriculture. According to this master’s thesis lime stabilisation can be done in sedimentation basins or in decanting tanks. Decanting tanks must be under 100 m3. Dosage of stabilisation is 8,5 kg/m3 of lime. If you are treading sludge that is highly hydrous, you need 13,5 kg/m3 of lime. In stabilisation lime and sludge must be thoroughly mixed. Mixed sludge must be in sedimentation basin at least two hours. If there is evidence that sludge contains salmonella or if it’s decanting tank stabilisation time is 48 hours. Sludge must be mixed at least once during the longer stabilisation time. Lime destroys Esherichia coli and enterococcus concentrations below accepted level. Lime also destroys Salmonella bacterium. After treating, sludge’s can be distributed over a field. You can safely spread lime treated domestic sludge’s about 40 m3/ha. Lime stabilisation can also be used to treat separately and collectively collected domestic wastewaters.

Kaasun jakauma paineellisissa sulpunkäsittelylaitteissa

Työn tarkoituksena oli tutkia kuinka kaasukuplat jakautuvat sellususpensioon, kun prosessiolosuhteita muutetaan. Kuplien kokojakauman avulla pyritään kartoittamaan kuinka kaasukuplat pilkkoutuvat ja onko olemassa raja-arvoa, milloin tehon lisäys ei enää pilko sellususpensiossa olevia kuplia pienemmiksi. Jakaumien avulla voidaan mahdollisesti kehittää kaasunpoistoa. Työssä selvitettiin voidaanko kameratekniikkaa käyttää kuplakokojen määrittämiseen sellusulpusta. Läpinäkymätön sellumassa tarjoaa kuvaukselle haasteellisen ympäristön. Myöskään kirjallisuudessa ei vastaavaa menetelmää aikaisemmin oltu käytetty. Kuvatusta materiaalista laskettiin kuplien halkaisijat, joita pyrittiin tarkastelemaan tilastollisesti. Tilastollinen tarkastelu toi eroja mittauspisteiden välille. Kuplien halkaisijoiden perusteella mallinnettiin kuplakokoon vaikuttavat prosessisuureet lineaarisella regressioanalyysillä. Mallinnuksen perusteella saatiinvasteisiin vaikuttavat riippumattomat muuttujat ja niiden matemaattiset malliyhtälöt. Tuloksina saatiin selville, että kuplien kokojakaumissa on eroja sekoitussäiliön eri puolilla. Sekoitussäiliössä suurten kuplien suhteellinen osuus kasvaa kaasupitoisuuden ja sakeuden noustessa. Mallinnuksen tärkeimpänä tuloksena voidaan todeta, että sakeus ja kaasutilavuus vaikuttavat kuplakokoon kasvattavasti. Kierrosnopeuden kasvattaminen pienentää kuplakokoa. Visuaalisen informaation avulla on helpompi ymmärtää kuinka kuplat käyttäytyvät.

Kaasukäyttöisen jäteauton toiminnan tutkiminen ja soveltuvuuden selvittäminen pääkaupunkiseudun jätteenkuljetuksiin

Kaasunkäyttö liikennepolttoaineena on Suomessa vielä melko vähäistä. Maa- ja biokaasun käyttöä pyritään kuitenkin lisäämään, sillä EU:n jäsenvaltioiden tulee korvatavuoteen 2010 mennessä 5,75 % nykyisistä liikenteen polttoaineista biopolttoaineilla ja vuoteen 2020 mennessä jopa 20 %:a. Tässä työssä tutkittiin kaasukäyttöisen (CNG) jäteauton vahvuuksia ja heikkouksia dieseljäteautoon verrattuna. Ensimmäinen CNG-jäteauto aloitti liikennöinnin Pääkaupunkiseudun yhteistyövaltuuskunnan alueella joulukuussa 2005. Kaasujäteautolle suoritettujen melu- ja pakokaasupäästömittausten perusteella selvisi, että CNG-jäteauto on ympäristön kannalta dieseljäteautoa puhtaampi vaihtoehto. Kaasujäteautolla on myös yrityksen imagoon positiivinen vaikutus. Jäteautojen kustannuslaskelmat osoittivat, että kaasujäteauto tulee kokonaiskustannuksiltaan kalliimmaksi kuin dieseljäteauto. Ainoastaan CNG-jäteauton polttoainekustannukset ovat toistaiseksi edullisemmat kuin dieseljäteauton. Kaasujäteautokannan lisääntyminen edellyttää kaasun liikennepolttoainekäytön tukemista esimerkiksi antamalla lisäpisteitä urakkatarjouskilpailuissa. Tällöin eri polttoainevaihtoehtojen välillesyntyy kilpailua, millä voi tulevaisuudessa olla vaikutusta CNG-jäteauton kokonaiskustannusten alenemiseen ja kaasun käytön lisäämiseen taloudellisesti kannattavasti. Myös edistämällä biokaasun hyötykäyttöä liikennepolttoaineena saavutetaan maakaasua paremmat ympäristöhyödyt ja saadaan kaatopaikoilla muodostuva metaani talteen. Biokaasu on hiilidioksidineutraali polttoaine, joten sen poltosta ei synny kasvihuonekaasupäästöjä.

Influence Of AirContent On Board Properties

Työn tarkoitus oli testata kartonkikoneen lyhyen kierron ilmapitoisuuden merkitystä kartongin ominaisuuksiin. Aluksi työssä selvitettiin ilmapitoisuuden alkutilanne käyttäen kompressioilmiöön perustuvaa ilmapitoisuusmittaria. Sen jälkeen tehtiin kokeita käyttäen POMp-pumppua sekä vaahdonestoainetta. Tarkoituksena oli luoda yhteys prosessin ilmapitoisuuden ja lopputuotteen ominaisuuksien välille. POMp-kokeissa tutkittiin keskipakopumppauksen vaikutusta massan ilmapitoisuuteen. Tuloksista nähdään, että pintakerroksen ilmapitoisuus oli suurempi kuin taustakerroksen, mikä selittyy POMp-pumpun sijainnilla taustakerroksen lyhyessä kierrossa. Vaahdonestoainekokeissa saatiin myös vaikutuksia massan ilmapitoisuuteen. Vaahdonestoaineen lisäyksen jälkeen runkokerroksenilmapitoisuus laski, kun samanaikaisesti pinta- ja taustakerroksen sekä rejektisysteemin ilmapitoisuudet nousivat. Ilmapitoisuuden käytöksen syyksi paljastui lyhyen kierron yhteinen vesikierto ja nykyisille tuotantomäärille alimitoitettu ilmanpoistokapasiteetti. Vaahdonestoaineen lisäyksen jälkeen vedenpoisto parani ja ensimmäisillä kolmella runkokerroksen foililaatikolla havaittiin poistuvan veden virtausten kasvaneen. Samaan aikaan runkokerroksen viiraosan lopulla poistuvan veden virtaukset pienenivät. Kartongin ominaisuuksissa ei havaittu kuitenkaan eroa, vaikka vedenpoisto parani viiraosalla selvästi. Vaahdonestoainekokeiden aikana oli myös tavallista enemmän ajettavuusongelmia, kuten ratakatkoja. Prosessissa esiintyneitä ongelmia ja niihin reagoivia muutosehdotuksia esitellään myös. Vaikein ongelma oli ilman muodostuminen runkokerroksen lyhyessä kierrossa. Ratkaisu voisi koostua isommasta keskikerroksenvesilukkosäiliöstä ja runkokerroksen lyhyen kierron puhdistusveden uudelleen kohdentamisesta. Voisi myös olla hyödyllistä yrittää ilmanpoistoa kemikaalien avulla kiertoveden varastosäiliössä.

Typpeä sisältävien jätevesien käsittely 2-n-PRO menetelmällä

Työssä tutkittiin kaksivaiheisen typenpoistoprosessin (2-N-PRO) soveltuvuutta Joutsenon Kukkuroinmäen aluejätekeskuksen kompostointilaitoksen jätevesille pilot-kokein 12.1.- 5.4.2006. Kompostilaitoksella on jätevesien esikäsittelytarve korkeista ammoniumtyppipitoisuuksista johtuen. Pilot-laitteisto koostuu sekoitussäiliöstä, strippaustornista ja katalyyttipolttimesta. Käsiteltävän jäteveden pH nostetaan korkealle tasolle, jolloin ammoniumtyppi muuttuu ammoniakiksi. Vesi johdetaan strippaustorniin, jossa se sadetetaan tornin pohjalle. Ammoniakki erottuu sadetuksessa ilmaan, joka imetään katalyyttipolttimelle. Katalyyttinen poltin käsittelee ammoniakkia typpikaasuksi. Pilot-kokeet suoritettiin jatkuvatoimisesti. Laitteisto pystyy erottamaan jätevedestä ammoniumtyppeä ammoniakiksi ja käsittelemään ammoniakin pääosin typpikaasuksi. Lisäksi suoritettiin panoskoe, jonka tulokset tukevat jatkuvatoimisesta käytöstä saatuja tuloksia.

Sliding Mode Control for Switched Mode Power Supplies

Control applications of switched mode power supplies have been widely investigated. The main objective ofresearch and development (R&D) in this field is always to find the most suitable control method to be implemented in various DC/DC converter topologies. Inother words, the goal is to select a control method capable of improving the efficiency of the converter, reducing the effect of disturbances (line and load variation), lessening the effect of EMI (electro magnetic interference), and beingless effected by component variation. The main objective of this research work is to study different control methods implemented in switched mode power supplies namely (PID control, hysteresis control, adaptive control, current programmed control, variable structure control (VSC), and sliding mode control (SMC). The advantages and drawbacks of each control method are given. Two control methods, the PID and the SMC are selected and their effects on DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters are examined. Matlab/SimulinkTM is used to implement PID control method in DC/DC Buck converter and SMC in DC/DC (Buck, and Buck Boost) converters. For the prototype, operational amplifiers (op-amps) are used to implement PID control in DC/DC Buck converter. For SMC op-amps are implemented in DC/DC Buck converter and dSPACETM is used to control the DC/DC Buck-Boost converter. The SMC can be applied to the DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters. A comparison of the effects of the PID control and the SMC on the DC/DC Buck converter response in steady state, under line variations, load variations, and different component variations is performed. Also the Conducted RF-Emissions between the PID and SMC DC/DC Buck Converter are compared. The thesis shows that, in comparison with the PID control, the SMC provides better steady-state response, better dynamic response, less EMI, inherent order reduction, robustness against system uncertainty disturbances, and an implicit stability proof. Giving a better steady-state and dynamic response, the SMC is implemented in a DC/DC resonant converter. The half-wave zero current switching (HWZCS) DC/DC Buck converter is selected as a converter topology. A general guideline to select the tank component values, needed for the designing of a HWZCS DC/DC Buck, is obtained. The implementation of the SMC to a HWZCS DC/DC Buck converter is analysed. The converter response is investigated in the steady-state region and in the dynamic region.

Bensiinin valmistus Naantalin jalostamolla

Työn tarkoituksena oli kartoittaa ja dokumentoida nykyinen bensiininvalmistusprosessi Fortumin Naantalin erikoistuotejalostamolla. Tavoitteena oli löytää nykyisestä prosessista pullonkauloja logistiikkasimulaattorilla sekä hakea ratkaisuja, joilla niitä voitaisiin poistaa. Bensiiniä voidaan valmistaa joko panosprosessina tai linjasekoituksella. Panosprosessissa bensiinikomponentit siirtolinjataan yksitellen valmistussäiliöön, jossa ne sen jälkeen sekoitetaan valmiiksi tuotteeksi. Tällä tavoin valmistetaan bensiiniä Fortumin Naantalin jalostamolla. Linjasekoitusmenetelmässä bensiinikomponentit syötetään kaikki yhtäaikaa linjaan, jossa ne sekoittuvat. Sekoituksen apuna voidaan käyttää linjassa staattisia sekoittimia. Linjasekoitusmenetelmällä saadaan suoraan säiliöön valmista tuotetta. Tällaista menetelmää käytetään Fortumin Porvoon jalostamolla. Bensiinin valmistuksen kaksi tärkeintä muuttujaa ovat höyrynpaine ja oktaaniluku. Esimerkeissä on esitetty panosprosessi- ja linjasekoitusmalleja eri jalostamoilla eripuolilla maailmaa. Naantalin jalostamon bensiininvalmistuksen logistiikkaa kuvaava malli valmistettiin kokeellisessa osassa Tecnomatix Technologiesin kehittämällä eMPlant-simulointiohjelmistolla. Bensiininvalmistuksen logistisiin ongelmakohtiin keskityttiin simulointimallia laadittaessa. Naantalin jalostamoa kuvaavan simulointimallin lisäksi rakennettiin kaksi vaihtoehtoista mallia parantamaan jalostamon bensiinivalmistuksen logistiikkaa. Ensimmäisessä vaihtoehdossa suurennettiin kahta bensiininvalmistuslinjaa, ja toisessa otettiin käyttöön uusi säiliö BE98 valmistusta varten. Vaihtoehtoisten mallien rakentamisen tavoitteena oli saada tietoa mahdollisia investointipäätöksiä varten. Tulosten perusteella uuden valmistussäiliön käyttöönottoa voidaan pitää teknisesti kannattavana. Taloudellisesti hanke on kannattava, jos uuden säiliön rakentamisen sijaan on mahdollisuus vapauttaa jokin olemassa oleva säiliö tähän käyttöön. Yksi simulointimallin kehityskohde on sen käyttöliittymän muuntaminen käyttäjäystävällisempään muotoon. Tällöin tuotannonsuunnittelija voisi käyttää mallia tuotannonsuunnittelun apuna. Mallin tarkentaminen vastaamaan paremmin nykyistä valmistusprosessia on myös yksi kehityskohde.

Minimibiolietetuottoinen aktiivilieteprosessi massateollisuuden peroksidipitoisten jätevesien puhdistuksessa

Työ on tehty USF Aquaflow Oy:lle osana Cleantech 2000-projektia. USF Aquaflow Oy on suunnitellut minimibiolietetuottoisen reaktorin, MBP-reaktorin, toimivaksi osana aktiivilieteprosessia. Työn tavoitteena oli selvittää MBP-reaktorin toimintaa massateollisuuden peroksidipitoisilla jätevesillä. Pääpaino asetettiin MBP-reaktorin mikrobiologian tutkimiseen. Aktiivilieteprosessissa syntyvä bioliete on yksi metsäteollisuuden merkittävimmistä sivuainevirroista, jonka tuotantoa pyritään vähentämään ja käsiteltävyyttä parantamaan. MBP-reaktori aktiivilieteprosessissa vähentää koko prosessin lietteentuottoa, nostaa lietteen kuiva-ainepitoisuutta ja vähentää näin lietteen vaatimaa jatkokäsittelyn tarvetta. Työssä tutkittiin kahdella erilaisella jätevesijakeella peroksidin vaikutusta MBP-reaktorin COD-reduktioon, kiintoaineen kasvuun, lietteentuottoon ja mikrobiologiaan eri pituisilla viiveillä. MBP-reaktorin viive on suunniteltu aktiivilieteprosessin ilmastusaltaan viivettä huomattavasti lyhyemmäksi. Työn tuloksien perusteella lyhyellä viiveellä MBP-reaktorissa käynnistyy tehokas bakteeritoiminta, joka kuluttaa jäteveden COD:ta. Sellutehtaan jätevesille MBP-reaktorin toiminta on heikompaa kuin termomekaanisen massanvalmistuksen jätevesillä, johtuen sellun valmistuksessa käytetyistä kemikaaleista. Jätevedenpuhdistamon lietteen määrän vähentäminen on tällä hetkellä metsäteollisuuden tehtailla tärkeä jatkotutkimuksia vaativa kohde. MBP-reaktorin toiminnan takaamiseksi osana aktiivilieteprosessia tulisi jatkotutkimuksia suorittaa eri tyyppisille jätevesijakeille ja tarkkailla useampien kemikaalien vaikutusta reaktorin mikrobiologiaan, COD-reduktioon ja lietteentuottoon.