Isentropic Exergy and Pressure of the Shock Wave Caused by the Explosion of a Pressure Vessel

An accidental burst of a pressure vessel is an uncontrollable and explosion-like batch process. In this study it is called an explosion. The destructive effectof a pressure vessel explosion is relative to the amount of energy released in it. However, in the field of pressure vessel safety, a mutual understanding concerning the definition of explosion energy has not yet been achieved. In this study the definition of isentropic exergy is presented. Isentropic exergy is the greatest possible destructive energy which can be obtained from a pressure vessel explosion when its state changes in an isentropic way from the initial to the final state. Finally, after the change process, the gas has similar pressure and flow velocity as the environment. Isentropic exergy differs from common exergy inthat the process is assumed to be isentropic and the final gas temperature usually differs from the ambient temperature. The explosion process is so fast that there is no time for the significant heat exchange needed for the common exergy.Therefore an explosion is better characterized by isentropic exergy. Isentropicexergy is a characteristic of a pressure vessel and it is simple to calculate. Isentropic exergy can be defined also for any thermodynamic system, such as the shock wave system developing around an exploding pressure vessel. At the beginning of the explosion process the shock wave system has the same isentropic exergyas the pressure vessel. When the system expands to the environment, its isentropic exergy decreases because of the increase of entropy in the shock wave. The shock wave system contains the pressure vessel gas and a growing amount of ambient gas. The destructive effect of the shock wave on the ambient structures decreases when its distance from the starting point increases. This arises firstly from the fact that the shock wave system is distributed to a larger space. Secondly, the increase of entropy in the shock waves reduces the amount of isentropic exergy. Equations concerning the change of isentropic exergy in shock waves are derived. By means of isentropic exergy and the known flow theories, equations illustrating the pressure of the shock wave as a function of distance are derived. Amethod is proposed as an application of the equations. The method is applicablefor all shapes of pressure vessels in general use, such as spheres, cylinders and tubes. The results of this method are compared to measurements made by various researchers and to accident reports on pressure vessel explosions. The test measurements are found to be analogous with the proposed method and the findings in the accident reports are not controversial to it.

Explosion-proof requirements for Electrical Machines in Chemical, Oil and Gas Industry in Russia and CIS Countries

One of the main industries which form the basis of Russian Economical structure is oil and gas. This industry is also playing a significant role for CIS countries. Oil and gas industry is developing intensively attracting foreign investments. This situation is providing sustainable development of machinery production for hazardous areas. Operating in oil and gas areas is always related with occurrence of explosion gas atmospheres. Machines for hazardous areas must be furnished with additional protection of different types. Explosion protection is regulated with standards according to which equipment must be manufactured. In Russia and CIS countries explosion-proof equipment must be constructed in compliance with GOST standards. To confirm that equipment is manufactured according to standards’ requirements and is safe and reliable it must undergo the approval procedure. Certification in Russia is governed by Federal Laws and legislation. Each CIS country has its own approval certificates and permissions for operating in hazardous areas.

Comparison of energy balances of steam explosion and torrefaction technologies

The present study introduce two pretreatment technologies which are torrefaction and steam explosion, and compare energy balance for both technologies to investigate and compare the use of these technologies to improve pelletization. In this research, torrefaction and steam explosion pretreatments were accomplished on the mixed small diameter wood (70%) with moisture content of 40 %, and logging residues (30%) with moisture content of 45 % at temperature 230 ̊C, and treatment duration 10 min. Competing methods were evaluated, and the results showed higher volumetric energy for steam explosion pellet than torrefied pellet.

Riskianalyysistäohjeelliseen panostussuunnitelmaan

Nykytekniikalla kyetään tehokkaaseen ja turvalliseen työn toteuttamiseen. Suorituksen aikaansaanti edellyttää ympäristön kartoittamista niin, että urakoitsija tuntee ne seikat, jotka ovat tarpeen, jotta työ voidaan suorittaa vaurioittamatta olevia rakennuksia ja aiheuttamatta asukkaille vaaratilanteita. Riskianalyysi tuo esille ne seikat, jotka on syytä tietää työn laskenta- ja suoritustilanteessa. On tunnettava käytettävät räjähdysaineet ja mitä tapahtuu räjähdysprosessissa. Prosessin ideaalimallin (harmoninen värähtely) pohjalta on kehitetty teorioita, joiden avulla kyetään pitämään suorituksen aiheuttama tärinätaso sellaisena, ettei ympäristössä olevia entisiä rakennuksia vaurioiteta eikä teknisestä suorituksesta aiheudu vaaratilanteita ihmisille. Riskianalyysi- ja rakennuskatselmustietojen perusteella mitoitetaan käytettävä panos sellaiseksi, että asetetut turvallisuusvaateet tulevat täytetyiksi. Työn suorituksen onnistumiseksilaaditaan ohjeellinen panostussuunnitelma, jossa käytettävä panoskoko ilmoitetaan etäisyyden funktiona varottavasta kohteesta. Samassa esityksessä käy selville rakenteille sallittu tärinäaallon heilahdusnopeus mm/s:ssa. Muuttunut etäisyys ja se tosiasia, etteivät räjäytyskentät ole tärinätasoltaan identtisiä, vaikka etäisyys ja panoskoko ovat samat, tarvitsee muutostentekoa varten teoreettistasoisen esityksen tuekseen. Tuo tuki on ohjeellinen panostussuunnitelma. Muutosten perusteena ei ole mutu - menettely, vaan teoreettinen, yleisesti hyväksyttyihin menettelytapoihin perustuva malli.

Räjähdyssuojausasiakirjan vaatima riskin arviointi muille kuin sähkölaitteille

Turvatekniikan keskuksella (TUKES) on valvottavanaan noin 1 000 teollisuuslaitosta, joissa on räjähdysvaarallisia tiloja. Olosuhdedirektiivin (1999/92/EY) mukainen kansal-linen asetus (VNa 576/2003) tuli voimaan 1.9.2003. Asetus koskee uusia räjähdysvaa-rallisia tiloja välittömästi, kun taas käytössä olevat tilat on saatettava sen mukaisiksi 30.6.2006 mennessä. Asetus edellyttää, että työnantaja laatii räjähdysvaarallisille tiloille räjähdyssuojausasiakirjan ja arvioi kirjallisesti näissä tiloissa käytettävien, ilman Ex-merkkiä olevien työvälineiden riskin. Räjähdyssuojausasiakirjan ja kirjallisena tehdyn riskin arvioinnin eräs keskeinen tarkoitus on varmistaa mahdollisten syttymislähteiden laaja-alainen hallinta ja pienentää onnettomuusriskiä. Tässä diplomityössä selvitetään, mitä riskin arvioinnin täytyy sisältää ja etsitään tehokas menetelmä arvioinnin tekoon. Kolmelta yritykseltä saatiin tutkittavaksi niiden alalle tyypillinen muu kuin sähkölaite, jota käytetään räjähdysvaarallisessa tilassa. Laitteiden tuli olla Ex-merkittömiä ja olla ollut käytössä ennen asetuksen voimaan tuloa. Laitteiden ja niiden dokumenttien tutkimisella testattiin eri menetelmien soveltuvuutta riskin arviointiin. Samalla selvitettiin jo käytössä olevien laitteiden turvallisuustaso. Jokaisen pilottitapauksen kohdalla on arvioinnissa menetelty eri tavoin. Työssä esitellään keskeisimmät menetelmät, joilla riskin arviointi voidaan tehdä. Suosi-tuksena esitellään ratkaisumalli, jonka avulla voidaan päätellä laitteen tarvitsema riskinarviointimenetelmä. Pilottitapauksia arvioitiin laitteiden sijoituksen ja lukumäärän pohjalta. Suosituksena on, että riskin arvioinnissa lähdetään liikkeelle itse laitteesta ja sen soveltuvuudesta räjähdysvaaralliseen tilaan. Tällä tavalla pystytään kohdistamaan käytössä olevat resurssit paremmin niihin laitteisiin, jotka vaativat tarkemman riskin arvioinnin. Pilottitapausten perusteella räjähdysvaaralliseen tilaan tarkoitetut laitteet soveltuivat käytettäväksi tarkoitetussa käytössään. Räjähdyssuojausasiakirjaa varten on dokumentoitava tiedot niiden käytöstä, mahdollisista syttymislähteistä ja suojaavista toimenpiteistä.

Turvallisuusanalyysi korkeajännitesähkönpurkauslaitteistolle

Työssä tehtiin turvallisuusanalyysi Lappeenrannan teknillisen yliopiston tutkimuskäyttöön tarkoitetulle korkeajännitesähkönpurkauslaitteistolle. Sähkönpurkauslaite on uutta teknologiaa jätevedenkäsittelyyn. Työssä tutkittiin useita eri analyysimenetelmiä turvallisuusanalyysin tekemiseen, jotta löydettäisiin sopiva menetelmä korkeajännitesähkönpurkauslaitteistolle. Tutustuttiin lähemmin kolmeen analyysimenetelmään, jotka olivat Dow’s Fire And Explosion Index, HAZOP-poikkeamatarkastelu ja vaarallisten skenaarioiden analyysi HAZSCAN. Lopullinen turvallisuusanalyysi tehtiin HAZSCAN-turvallisuusanalyysimenetelmän avulla. HAZSCAN valittiin koska se oli vaihtoehdoista joustavin ja sen avulla oli mahdollista tutkia kaikkia turvallisuuden osa-alueita. Suurimmaksi turvallisuusriskiksi havaittiin korkeajännitesähkönpurkauslaitteiston kennoston kuumeneminen. Riskien vähyys johtuu lähinnä siitä, että tutkimuskäytössä oleva laite on pienessä mittakaavassa. Tehty turvallisuusanalyysi ei itsessään parantanut laboratoriomittakaavassa olevan laitteen turvallisuutta, sillä toistaiseksi muutosten täytäntöönpanosta ei ole tehty päätöstä. Turvallisuusanalyysi ei sovellu suoraan käytettäväksi teollisuudessa, sillä se on tehty tutkimuskäytössä olevalle korkeajännitesähkönpurkauslaitteistolle. Se toimii kuitenkin hyvänä pohjana jatkossa tehtäville turvallisuusanalyyseille.

Muutosilmiöt soodakattilakeossa

Soodakattilan sulakeon epästationaarinen käyttäytyminen sekä keon pitkä jäähtymisaika alasajon jälkeen ovat aiheuttaneet ongelmia kattilan taloudellisessa käytettävyydessä. Keon käyttäytymisestä on luotu CFD-malleja, joiden tavoitteena on havainnollistaa keon lämpötilajakaumaa ja rakennetta. Mallien ongelmana on se, että niissä huomioidaan vain keon aktiivinen pintakerros. Keon sisäosan rakennetta ja siinä tapahtuvia prosesseja ei toistaiseksi tunneta kunnolla luotettavan, koko keon kattavan mallin luomiseen. Tässä työssä tutkittiin sulakeon käytön aikana havaittuja muutosilmiöitä, jotka vaikuttavat keon rakenteeseen ja ominaisuuksiin sekä tutkittiin ilmiöiden taustalla olevia tekijöitä. Näitä tekijöitä ovat keon sisässä tapahtuvat kemialliset ja fyysiset prosessit, jotka aiheuttavat muutoksia niin lämpöteknisesti kuin fyysisesti sekä ulkoapäin tulevat tekijät, jotka aiheutuvat ajotilanteiden seurauksena tapahtuvista muutoksista. Työn kokeellisena osana luotiin sulakeon jäähtymismalli käyttäen 1-dimensionaalista ADL-mallia. Mallin pohjana käytettiin StoraEnso Oy:ltä Oulun soodakattilan sulakeosta saatua mittausraporttia. ADL-mallin avulla luotiin keon jäähtymiskäyrät lämpötilan ja syvyyden funktiona. Saadut käyrät täsmäsivät hyvin mittausraportin tuloksiin. Mallin avulla keolle saatiin muodostettua energiatase, jonka tuloksena keosta 12 tunnin aikana poistuva lämpövirta pinnalla oli noin 9.8kW/m2 ja pinnan lämmönsiirtokerroin 58.3W/m²°C. Pohjan poistuvaksi lämpövirraksi saatiin 14.1kW/m2 ja lämmönsiirtokertoimeksi 75.4W/m²°C. Termiseksi diffuusiokertoimeksi saatiin 3.9•10-7m²/s.

Kiihtyvä evoluutio

Kirjallisuusarvostelu

Simulation of hydrogen peroxide direct synthesis in a microreactor

A set of models in Aspen plus was built to simulate the direct synthesis process of hydrogen peroxide in a micro-reactor system. This process model can be used to carry out material balance calculation under various experimental conditions. Three thermodynamic property methods were compared by calculating gas solubility and Uniquac-RK method was finally selected for process model. Two different operation modes with corresponding operation conditions were proposed as the starting point of future experiments. Simulations for these two modes were carried out to get the information of material streams. Moreover, some hydrodynamic parameters such as gas/liquid superficial velocity, gas holdup were also calculated with improved process model. These parameters proved the proposed experimental conditions reasonable to some extent. The influence of operation conditions including temperature, pressure and circulation ratio was analyzed for the first operation mode, where pure oxygen was fed into dissolving tank and hydrogen-carbon dioxide mixture was fed into microreactor directly. The preferred operation conditions for the system are low temperature (2°C) and high pressure (30 bar) in dissolving tank. High circulation ratio might be good in the sense that more oxygen could be dissolved and fed into reactor for reactions, but meanwhile hydrodynamics of microreactor should be considered. Furthermore, more operation conditions of reactor gas/liquid feeds in both of two operation modes were proposed to provide guidance for future experiment design and corresponding hydrodynamic parameters were also calculated. Finally, safety issue was considered from thermodynamic point of view and there is no explosion danger at given experimental plan since the released reaction heat will not cause solvent vaporization inside the microchannels. The improvement of process model still needs further study based on the future experimental results.

Ballistisen simuloinnin liikeidean kehittämismahdollisuudet

Asevaikutusta laukaisusta kohteeseen simuloiva integroitu laskentaketju koostuu sisä-, ulko- ja maaliballistiikan malleista. Ulkoballistiikka kattaa laskentamallit radanlaskennan, sääkorjauksen ja ammusaerodynamiikan alueilla. Graafisella käyttöliittymällä toteutetulla, fysikaalisesti tarkkaan mallinnukseen perustuvalla ja kokonaisuuden kattavalla laskentajärjestelmällä on kasvavaa tarvetta teknisiä ja koulutuksellisia tarkoituksia varten. Erikoisesti, jos laskentaketjuun lisätään räjähdysvaikutuksen mallintaminen, voidaan simuloida asejärjestelmien vaikutusta kohteessa käyttäjien arvostamalla tavalla. Tietointensiiviset ballistiikan laskentamallit ovat välttämättömiä työkaluja teknisen suunnitteluosaamisen kattamiseksi ja kilpailuedun luomiseksi verkostoituneessa yritysympäristössä. Yliopistotutkimuksen tuottamien laskennallisten menetelmien hyötykäyttö yritysten suunnittelujärjestelmissä syventää teknistä osaamista, jolla on myös henkilöstöä motivoiva vaikutus teknisesti vaikeutuvilla markkinoilla. Työssä arvioidaan toimialaa analysoimalla eri käyttötarpeita samoille tietokantoihin tukeutuville laskentamalleille. Tarkastellaan teknisiä perusteita, käyttöympäristöjä ja markkinoita liiketoimintamahdollisuuksien tunnistamiseksi. Työn tuloksena syvennetään näkemystä ydinosaamisista ja visioidaan liikeidean erottumista kilpailijoista, markkinoita ja sen kehittämistä.

Miehistönkuljetusajoneuvon rungon suunnittelu

Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella miehistönkuljetusajoneuvon runko. Rungosta suunniteltiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboiva. Rakenne toteutettiin kennora-kenteena. Suunnittelussa sovellettiin koneensuunnittelun periaatteiden lisäksi energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelun periaatteita. Myös valmistustekniset näkökohdat otet-tiin huomioon. Rakenteessa hyödynnettiin Ruukki Oy:n Ramor 500 suojausterästä sekä OPTIM 500 MC terästä. Lisäksi erilaisten täyteaineiden käyttöä tutkittiin. Suunnittelun työkaluna käytettiin epälineaarista elementtimenetelmää, koska energiaa ab-sorboivien rakenteiden suunnittelussa on otettava huomioon materiaalien epälineaarinen käyttäytyminen. Rakenteen suunnittelu jakaantui viiteen vaiheeseen. Aluksi rakenteeseen kohdistuvat kuormitukset laskettiin elementtimenetelmän avulla. Esisuunnittelussa lasket-tiin plastisuusteorian avulla alustavasti tarvittavat materiaalipaksuudet. Tämän jälkeen ra-kenteen ydingeometria optimoitiin mahdollisimman hyvin energiaa absorboivaksi. Opti-moinnissa hyödynnettiin elementtimenetelmää. Seuraavassa vaiheessa varmistettiin raken-teen globaalit ominaisuudet. Lopuksi rakenteen kestävyyttä tarkasteltiin elementtimene-telmällä. Runko ei mallien mukaan kestänyt siltä vaadittuja kuormitustapauksia. Mallin kaikki ole-tukset pidettiin varmalla puolella. Reunaehdot oletettiin todellisuutta jäykemmiksi. Myös-kään materiaalin venymänopeudesta johtuvaa lujittumista ei otettu huomioon. Koska mii-naräjähdys on monimutkainen tapahtuma, rungon todellinen kestävyys joudutaan ar-viomaan räjähdystesteillä. Elementtimallien perusteella voidaan kuitenkin sanoa, että ener-giaa absorboiva ajoneuvon runko on mahdollista toteuttaa kennorakenteena. Lisäksi voi-daan todeta, että elementtimenetelmää sopii työvälineeksi tämän tyyppisten rakenteiden suunnitteluun.

Erkki Salmenhaaran elektroakustiset teokset ja 1960-luvun säveltäjäkuva

Johdanto ; Soitinkokeita ; Kohinakenttä ; Äänisuunnittelua ; Information explosion - poikkialaisen projektin esittely ; Information explosionin kollaasityylistä ; Elektroakustisten teosten unohdus ja säveltäjäkuva.

Safety study of hydrogen peroxide direct synthesis

Kandidaatintyön johdantokappaleessa esitellään vetyperoksidi ja mihin sitä käytetään teollisuudessa. Työssä vertaillaan antrakinoniprosessia ja suoraa prosessia sekä selvitetään nykyisin enemmän vetyperoksidituotantoon käytetyn antrakinoniprosessin ongelmakohdat ja osoitetaan, miksi suora synteesi vetyperoksidin tuotannossa olisi parempi vaihtoehto. Kandidaatintyön käsittelee suurilta osin turvallisuusongelmia, joita esiintyy suoran synteesin yhteydessä. Kirjallisuudesta on etsitty ratkaisuja näihin ongelmiin, kuten membraaniprosessin käyttöä räjähdysvaaran välttämiseksi. Pienemmän reaktorin eli ns. mikroreaktorin käyttö tuo mukanaan monia etuja vetyperoksidin tuotantoon. Tällöin prosessi on turvallisempi ja sitä on helpompi hallita. Mikroreaktorissa voidaan käyttää korkeampia lämpötiloja ja paineita kuin makroreaktorilla ilman, että räjähdysvaara prosessissa kasvaisi. Mikroreaktorin sisällä olevat mikrokanavat luovat turvallisen ympäristön synteesille. Aspen plus – simulointiohjelmalla mallinnettiin ja simulointiin suoran prosessin kriittisiä virtoja mikroreaktorissa. Tarkoituksena oli löytää virrat, joissa kulkee mahdollisesti räjähtävä kaasuseos. Kaasumaiset prosessivirrat ovat kriittisimmät vetyperoksidin suorassa synteesissä, koska ne aiheuttavat todennäköisemmin räjähdyksen kuin nestemäiset prosessivirrat. Kaikkein eniten prosessiturvallisuutta uhkaavat ainevirrat ennen ja jälkeen mikroreaktoria.

Permuurahaishapon valmistaminen mikroreaktorissa

Kandidaatintyön teoriaosassa perehdytään mikroreaktoreihin sekä niiden etuihin ja haasteisiin. Lisäksi esitellään lyhyesti, kuinka sekoitus näissä reaktoreissa voidaan järjestää erilaisten sekoituselementtien avulla sekä uusien ainetta lisäävien valmistusmenetelmien tarjoamat mahdollisuudet reaktorien valmistukselle. Mikroreaktorien edut liittyvät pääasiassa prosessin helpompaan hallittavuuteen, mikä johtaa mm. turvallisuuden lisääntymiseen ja energiasäästöihin. Lisäksi esitellään kokeellisessa osassa lähtöaineina käytettävät vetyperoksidi ja muurahaishappo, sekä tuotteena syntyvä permuurahaishappo ja sen käyttökohteita. Permuurahaishappoa käytetään mm. desinfiointiaineiden yhtenä komponenttina. Sitä voidaan käyttää myös paperikoneen vesikierron bakteerien tappamiseen. Epästabiiliutensa vuoksi permuurahaishappo voi räjähtää jopa huoneenlämmössä, mikä aiheuttaa merkittävän riskin sen varastoinnille ja kuljetukselle. Tästä syystä työssä tutkittu menetelmä permuurahaishapon valmistamiseksi mikroreaktorissa tarjoaa hyvän vaihtoehdon permuurahaishapon tuottamiseksi suoraan tarpeeseen. Kokeellisessa osassa permuurahaishappoa valmistettiin muurahaishaposta ja vetyperoksidista käyttäen rikkihappoa katalyyttinä reaktion nopeuttamiseksi. Lämpötilan ja viipymäajan vaikutusta tutkittiin permuurahaishapon muodostumiseen. Molempien nosto vaikutti edullisesti permuurahaishapon saantoon, mutta lämpötilan nosto lisää samalla räjähdysriskiä. Mikroreaktorissa lämpötilan nosto on kuitenkin suhteessa turvallisempaa makroreaktoriin verrattuna.