Applying the principles of life cycle assessment and costing in process modeling to examine profit-making capability

Static process simulation has traditionally been used to model complex processes for various purposes. However, the use of static processsimulators for the preparation of holistic examinations aiming at improving profit-making capability requires a lot of work because the production of results requires the assessment of the applicability of detailed data which may be irrelevant to the objective. The relevant data for the total assessment gets buried byirrelevant data. Furthermore, the models do not include an examination of the maintenance or risk management, and economic examination is often an extra property added to them which can be performed with a spreadsheet program. A process model applicable to holistic economic examinations has been developed in this work. The model is based on the life cycle profit philosophy developed by Hagberg and Henriksson in 1996. The construction of the model has utilized life cycle assessment and life cycle costing methodologies with a view to developing, above all, a model which would be applicable to the economic examinations of complete wholes and which would require the need for information focusing on aspects essential to the objectives. Life cycle assessment and costing differ from each other in terms of the modeling principles, but the features of bothmethodologies can be used in the development of economic process modeling. Methods applicable to the modeling of complex processes can be examined from the viewpoint of life cycle methodologies, because they involve the collection and management of large corpuses of information and the production of information for the needs of decision-makers as well. The results of the study shows that on the basis of the principles of life cycle modeling, a process model can be created which may be used to produce holistic efficiency examinations on the profit-making capability of the production line, with fewer resources thanwith traditional methods. The calculations of the model are based to the maximum extent on the information system of the factory, which means that the accuracyof the results can be improved by developing information systems so that they can provide the best information for this kind of examinations.

Öljynjalostamon tyhjöyksikön esilämmitysuunin optimointi

Työn tarkoituksena oli vertailla kahta kaupallista prosessiuunisimulointiohjelmaa sekä selvittää onko toinen ohjelma soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön. Tavoitteena oli selvittää ohjelmien ominaisuuksien eroja ja rajoitteita sekä tuloksien yhdenmukaisuutta. Kirjallisuusosassa perehdyttiin prosessiuunien toimintaperiaatteisiin, yleisiin mitoitusperiaatteisiin ja säteilylämmönsiirron perusteisiin. Kirjallisuusosassa käsiteltiin myös prosessiuunien polttimien toimintaa ja NOx-päästöjä vähentäviä polttotekniikoita. Molemmilla laskentaohjelmilla laadittiin kuumaöljy- ja tyhjöuuni, joiden tuloksia vertailtiin tärkeimpien prosessiarvojen perusteella ja toisen ohjelman osalta myös laitevalmistajan ilmoittamiin arvoihin. Tällä ohjelmalla tutkittiin tyhjöuunin höyrynruiskutuksen ja koksaantumisen vaikutuksia prosessiin sekä säteilyosan leveyden muutoksen vaikutusta säteilylämmönsiirtoon. Ohjelmien ominaisuuksien keskeisimmät erot liittyivät kaksifaasivirtauksen laskentaan, prosessiaineen massavirran rajoituksiin, ilman esilämmittimen käyttöön ja laskentamallien paineen kontrollointiin. Tulokset erosivat savukaasun ja tuubien lämpötilojen ja painehäviön laskennassa. Tuloksien ja ominaisuuksien perusteella toisen ohjelman ei todettu olevan täysin soveltuva Neste Jacobs Oy:n käyttöön.

Laser Cutting of Austenitic Stainless Steel with a High Quality Laser Beam

The thin disk and fiber lasers are new solid-state laser technologies that offer a combinationof high beam quality and a wavelength that is easily absorbed by metal surfacesand are expected to challenge the CO2 and Nd:YAG lasers in cutting of metals ofthick sections (thickness greater than 2mm). This thesis studied the potential of the disk and fiber lasers for cutting applications and the benefits of their better beam quality. The literature review covered the principles of the disk laser, high power fiber laser, CO2 laser and Nd:YAG laser as well as the principle of laser cutting. The cutting experiments were made with thedisk, fiber and CO2 lasers using nitrogen as an assist gas. The test material was austenitic stainless steel of sheet thickness 1.3mm, 2.3mm, 4.3mm and 6.2mm for the disk and fiber laser cutting experiments and sheet thickness of 1.3mm, 1.85mm, 4.4mm and 6.4mm for the CO2 laser cutting experiments. The experiments focused on the maximum cutting speeds with appropriate cut quality. Kerf width, cutedge perpendicularity and surface roughness were the cut characteristics used to analyze the cut quality. Attempts were made to draw conclusions on the influence of high beam quality on the cutting speed and cut quality. The cutting speeds were enormous for the disk and fiber laser cutting experiments with the 1.3mm and 2.3mm sheet thickness and the cut quality was good. The disk and fiber laser cutting speeds were lower at 4.3mm and 6.2mm sheet thickness but there was still a considerable percentage increase in cutting speeds compared to the CO2 laser cutting speeds at similar sheet thickness. However, the cut quality for 6.2mm thickness was not very good for the disk and fiber laser cutting experiments but could probably be improved by proper selection of cutting parameters.

Development of rotating drum under mechanical and thermal load

A variable temperature field sets exacting demands to the structure under mechanical load. Most of all the lifetime of the rotating drum structure depends on temperature differences between parts inside the drum. The temperature difference was known because of the measurements made before. The list of demands was created based on customers’ needs. The limits of this paper were set to the inner structure of the drum. Creation of ideas for the inner structure was started open minded. The main principle in the creation process was to create new ideas for the function of the product with the help of sub-functions. The sub-functions were created as independent as possible. The best sub-functions were combined together and the new working principles were created based on them. Every working principle was calculated separately and criticized at the end of the calculation process. The main objective was to create the new kind of structure, which is not based too much to the old, inoperative structure. The affect of own weight of the inner structure to the stress values was quite small but it was also taken into consideration when calculating the maximum stress value of the structure. Because of very complex structures all of the calculations were made with the help of the ProE – Mechanica software. The fatigue analyze was made also for the best structure solution.

Production Control Principles in Printed Wiring Board Fabrication

Työn tavoitteena oli kuvata piirilevyvalmistaja Aspocomp Oy:n Espoon tehtaan tämän hetkinen tuotannonohjausperiaate ja tunnistaa siinä esiintyvät puutteet sekä kehittää vaihtoehtoinen tuotannonohjausperiaate piirilevyvalmistukseen. Vaihtoehtoisen ohjausperiaatteen lähtökohtana oli tuotannonohjauksen sopeuttaminen vaativaan ja jatkuvasti muuttuvaan liiketoimintaympäristöön. Työn teoreettinen osa keskittyi tuotannonohjauksen eri lähestymistapoihin. Kirjallisuuskatsauksessa esitetään eri tuotannonohjausperiaatteiden keskeiset sisällöt, jotka muodostavat rungon toimivalle tuotannonohjauskäytännölle. Työn kokeellinen osa keskittyi Espoon piirilevytehtaan tuotannonohjausperiaatteen selvittämiseen. Espoon piirilevytehtaan nykyisessä tuotannonohjausperiaatteessa havaittujen ongelmakohtien ja liiketoimintaympäristön vaatimusten perusteella kehitettiin vaihtoehtoinen tuotannonohjaustapa. Vaihtoehtoisen tuotannonohjaustavan päämääränä oli läpimenoajan lyhentäminen sekä tuotannon parempi hallittavuus. Vaihtoehtoinen toimintamalli tavoitteiden saavuttamiseksi perustuu pullonkaulateoriaan, jossa keskeisin muutos nykyiseen toimintamalliin oli puolivalmisteiden varastointi toimitusajan lyhentämiseksi sekä tuotantovolyymin heilahdusten vaikutusten vähentämiseksi. Työn kokeellisessa osassa ilmeni, että kysynnän muutokset ja kapasiteetin suunnittelun puute aiheuttivat ongelmia piirilevytehtaan tuotannonohjauksessa.

Selvityksiä reaktiokalorimetrin soveltuvuudesta hydrometallurgiaan

Tämän työn tavoitteena oli reaktiokalorimetrin käyttöönotto sekä sen käyttökelpoisuuden selvittäminen hydrometallurgisten sovellusten ja erityisesti sinkkisulfidin liuotuksen tutkimiseen. Työn kirjallisuusosassa on käsitelty yleisellä tasolla kalorimetrian ja reaktiokalorimetrian teoriaa, termodynamiikkaa sekä sinkkirikasteen liuotuksen kemiaa. Lisäksi työssä esitellään erilaisten kalorimetrien ja termoanalyyttisten mittauslaitteiden toimintaperiaatteita. Työn kokeellisessa osassa selvitettiin reaktiokalorimetrin mittaustulosten tarkkuutta vesi- kokeiden avulla. Laitteistolla määritettiin myös reaktiolämmöt sinkkisulfidin liukenemisreaktiolle sekä elohopeasuolan saostusreaktiolle. Lisäksi tutkittiin sekoitusnopeuden, lämpötilan ja kiintoainepitoisuuden vaikutusta mittaustuloksiin. Reaktiokalorimetrillä suoritettujen kokeiden perusteella havaittiin, että reaktiolämpöjen absoluuttisten arvojen määrittäminen laitteistolla on käytännössä vaikeaa. Koska reaktiokalorimetrillä pystytään määrittämään vain mittauksen aikana tapahtunut kokonaislämpömuutos, vaikuttavat mahdolliset faasimuutokset ja reaktorin lämpöhäviöt mittaustuloksiin. Näiden tekijöiden vaikutus on pyrittävä eliminoimaan tai niiden vaikutus on tunnettava tarkkaan, jos laitteella halutaan saada luotettavia reaktiolämpömittaustuloksia. Laitteiston mittaustarkkuus huononee huomattavasti, kun reaktorin lämpötila nousee yli 60 °C:een. Laitteistolla mitatut reaktiolämmöt poikkeavat huomattavasti vastaavista kirjallisuuden arvoista. Vedelle määritetyt ominaislämpökapasiteetit poikkeavat kirjallisuuden arvoista enintään 5 alle 90 °C:een lämpötilassa.

Hylky- ja vesijärjestelmän vaikutus kartongin tuotepuhtauteen

Kirjallisuusosassa käsitellään paperi- ja kartonkikoneiden eri vesijärjestelmiä, vedenkäytön vähentämistä ja sen vaikutusta prosessiin. Mikrobiologiaa, mikrobien aiheuttamia prosessiongelmia, mikrobien torjuntaa ja simulointia on myös käsitelty kirjallisuusosassa. Kokeellisessa osassa laadittiin Kartonkikone 1:n massa- ja vesijärjestelmän mikrobiologisen puhtauden simulointimalli Balas-prosessisimulointiohjelmalla. Kartongin mikrobiologinen puhtaus määritettiin kokonaispesäkelukuna. Kokeellinen osa sisälsi pilot-mittakaavan suodatinkoeajoja, joissa määritettiin tarvittavat erotusparametrit simulointimallille, selvitettiin Dynasand-hiekkasuodattimen soveltuvuus suihkuvesien puhdistukseen, Dynadisc-kiekkosuodattimen käyttökelpoisuus kiertoveden puhdistukseen kiertovesisuodattimena ja hiekkasuodattimien esisuodattimena sekä UV-reaktorin soveltuvuus suodatettujen vesien desifiointiin. Simulointimallilla tarkasteltiin eri prosessivaihtoehtojen vaikutus kartongin mikrobiologiseen puhtauteen. Suihkuvesien puhdistaminen hiekkasuodattimilla alentaa kokonaispesäkelukua vain vähän. Koneen ajettavuus paranee suihkuputkien roskaryöppyjen ja viiraosan limoittumisen vähenemisen takia. Kiertovesijärjestelmän pelkkä jakaminen hylkyprosessi- ja sakeudensäätövedeksi aiheuttaa kokonaispesäkeluvun kasvun prosessista poistettavien vesien puhdistumisen takia. Kokonaispesäkeluku minimoidaan poistamalla ylimääräinen vesi hylkysaostajan suodoksena. Suodatettua hylkysaostajan suodoksen ja viiraveden seosta käytetään sekä sakeudensäätö- että hylkyprosessivedeksi. Hylkymassalla on dominoiva vaikutus kokonaispesäkelukuun. Suurin vähennys kokonaispesäkeluvussa saadaan estämällä mikrobikasvu hylkymassassa. Tämä voidaan tehdä kuumentamalla hylkymassa 80 °C:n höyryllä. Suodatuskoeajojen perusteella Dynasand-hiekkasuodattimella voidaan puhdistaa pisaralämmönvaihtimelta saatavaa lämmintä suihkuvettä. Esisuodatettua kiertovettä voidaan puhdistaa Dynasand-hiekkasuodattimella viiran johtotelojen suihkuvedeksi. Dynadisc-kiekkosuodatinta voidaan käyttää hiekkasuodattimen esisuodattimena ja kiertovesisuodattimena. UV-säteily poistaa tehokkaasti mikrobeja suodatetuista vesistä.

Prosessihyötysuhteen parantamiskohteiden kartoitus painevesireaktorityyppisessä ydinvoimalaitoksessa

Työn tavoitteena on kartoittaa painevesireaktorityyppisen ydinvoimalaitoksen prosessihyötysuhteen parantamiskohteita. Aluksi kirjallisuudesta etsitään hyötysuhteen parantamiskeinoja ideaalisessa höyryvoimalaitosprosessissa. Näistä valitaan sopivimmat tarkastelun kohteeksi todellisessa voimalaitoksessa: syöttöveden esilämmityksen tehostaminen väliottohöyryvirtausta kasvattamalla ja syöttöveden esilämmittimen lämmönsiirtopintaa lisäämällä. Tarkastelussa pyritään löytämään paras mahdollinen hyötysuhde väliottohöyrylinjojen putkikokoa sekä esilämmittimien putkien lukumäärää muuttamalla. Diskreetin optimoinnin iteraatioaskel määritetään hyötysuhteen osittaisderivaattojen avulla. Tehtäviä muutoksia simuloidaan APROS-simulointiohjelmalla, jossa käytetään Loviisan voimalaitoksesta tehtyä mallia VVER-440. Työssä havaittiin, että pelkkiä väliottohöyrylinjojen putkikokoja – ja massavirtaa – kasvattamalla Loviisan voimalaitoksen hyötysuhdetta voidaan parantaa parhaimmillaan 32,75%:sta 32,85%:iin. Syöttöveden esilämmittimien lämmönsiirtopintaa lisäämällä saadaan suurempi parannus hyötysuhteeseen: 32,75%:sta 32,99%:iin. Näissä tapauksissa muutettiin kaikkia väliottohöyrylinjoja tai syöttöveden esilämmittimien lämpöpintoja. Työssä tarkasteltiin myös joitakin pienempiä muutoskohteita, joista paras hyötysuhteen kasvu saatiin korkeapaine-esilämmittimien lämmönsiirtopintaa kasvattamalla sekä toisen väliottohöyrylinjan (RD12) ja sitä vastaavan syöttöveden esilämmittimen muutosten yhteisvaikutuksena.

Railway Wagon Market Analysis and New Multi-Purpose Wagon Solution for Freight Transports - Finnish Manufacturing Perspective

Rautateillä käytettävät tavaravaunut ovat vanhenemassa hyvin nopeasti; tämä koskee niin Venäjää, Suomea, Ruotsia kuin laajemminkin Eurooppaa. Venäjällä ja Euroopassa on käytössä runsaasti vaunuja, jotka ovat jo ylittäneet niille suositeltavan käyttöiän. Silti niitä käytetään kuljetuksissa, kun näitä korvaavia uusia vaunuja ei ole tarpeeksi saatavilla. Uusimmat vaunut ovat yleensä vaunuja vuokraavien yritysten tai uusien rautatieoperaattorien hankkimia - tämä koskee erityisesti Venäjää, jossa vaunuvuokraus on noussut erittäin suosituksi vaihtoehdoksi. Ennusteissa kerrotaan vaunupulan kasvavan ainakin vuoteen 2010 saakka. Jos rautateiden suosio rahtikuljetusmuotona kasvaa, niin voimistuva vaunukysyntä jatkuu huomattavan paljon pidemmän aikaa. Euroopan ja Venäjän vaunukannan tilanne näkyy myös sitä palvelevan konepajateollisuuden ongelmina - yleisesti ottaen alan eurooppalaiset yritykset ovat heikosti kannattavia ja niiden liikevaihto ei juuri kasva, venäläiset ja ukrainalaiset yritykset ovat olleet samassa tilanteessa, joskin aivan viime vuosina tilanne on osassa kääntynyt paremmaksi. Kun näiden maanosien yritysten liikevaihtoa, voittoa ja omistaja-arvoa verrataan yhdysvaltalaisiin kilpailijoihin, huomataan että jälkimmäisten suoriutuminen on huomattavan paljon parempaa, ja näillä yrityksillä on myös kyky maksaa osinkoja omistajilleen. Tutkimuksen tarkoituksena oli kehittää uuden tyyppinen kuljetusvaunu Suomen, Venäjän sekä mahdollisesti myös Kiinan väliseen liikenteeseen. Vaunutyypin tarkoituksena olisi kyetä toimimaan monikäyttöisenä, niin raaka-aineiden kuin konttienkin kuljetuksessa, tasapainottaen kuljetusmuotojen aiheuttamaa kuljetuspaino-ongelmaa. Kehitystyön pohjana käytimme yli 1000 venäläisen vaunutyypin tietokantaa, josta valitsimme Data Envelopment Analysis -menetelmällä soveliaimmat vaunut kontinkuljetukseen (lähemmin tarkastelimme n. 40 vaunutyyppiä), jättäen mahdollisimman vähän tyhjää tilaa junaan, mutta silti kyeten kantamaan valitun konttilastin. Kun kantokykyongelmia venäläisissä vaunuissa ei useinkaan ole, on vertailu tehtävissä tavarajunan pituuden ja kokonaispainon perusteella. Simuloituamme yhdistettyihin kuljetuksiin soveliasta vaunutyyppiä käytännössä löytyvässä kuljetusverkostossa (esim. raakapuuta Suomeen tai Kiinaan ja kontteja takaisin Venäjän suuntaan), huomasimme lyhemmän vaunupituuden sisältävän kustannusetua, erityisesti raakaainekuljetuksissa, mutta myös rajanylityspaikkojen mahdollisesti vähentyessä. Lyhempi vaunutyyppi on myös joustavampi erilaisten konttipituuksien suhteen (40 jalan kontin käyttö on yleistynyt viime vuosina). Työn lopuksi ehdotamme uuden vaunutyypin tuotantotavaksi verkostomaista lähestymistapaa, jossa osa vaunusta tehtäisiin Suomessa ja osa Venäjällä ja/tai Ukrainassa. Vaunutyypin tulisi olla rekisteröity Venäjälle, sillä silloin sitä voi käyttää Suomen ja Venäjän, kuten myös soveltuvin osin Venäjän ja Kiinan välisessä liikenteessä.

First principles modeling of metallic alloys and alloy surfaces

By alloying metals with other materials, one can modify the metal’s characteristics or compose an alloy which has certain desired characteristics that no pure metal has. The field is vast and complex, and phenomena that govern the behaviour of alloys are numerous. Theories cannot penetrate such complexity, and the scope of experiments is also limited. This is why the relatively new field of ab initio computational methods has much to give to this field. With these methods, one can extend the understanding given by theories, predict how some systems might behave, and be able to obtain information that is not there to see in physical experiments. This thesis pursues to contribute to the collective knowledge of this field in the light of two cases. The first part examines the oxidation of Ag/Cu, namely, the adsorption dynamics and oxygen induced segregation of the surface. Our results demonstrate that the presence of Ag on the Cu(100) surface layer strongly inhibits dissociative adsorption. Our results also confirmed that surface reconstruction does happen, as experiments predicted. Our studies indicate that 0.25 ML of oxygen is enough for Ag to diffuse towards the bulk, under the copper oxide layer. The other part elucidates the complex interplay of various energy and entropy contributions to the phase stability of paramagnetic duplex steel alloys. We were able to produce a phase stability map from first principles, and it agrees with experiments rather well. Our results also show that entropy contributions play a very important role on defining the phase stability. This is, to the author’s knowledge, the first ab initio study upon this subject.

Integrating eco-innovation principles into regional strategy and policy: case of Päijät-Häme region, Finland

This study focuses on the integration of eco-innovation principles into strategy and policy at the regional level. The importance of regions as a level for integrating eco-innovative programs and activities served as the point of interest for this study. Eco-innovative activities and technologies are seen as means to meet sustainable development objective of improving regions’ quality of life. This study is conducted to get an in-depth understanding and learning about eco-innovation at regional level, and to know the basic concepts that are important in integrating eco-innovation principles into regional policy. Other specific objectives of this study are to know how eco-innovation are developed and practiced in the regions of the EU, and to analyze the main characteristic features of an eco-innovation model that is specifically developed at Päijät-Häme Region in Finland. Paijät-Häme Region is noted for its successful eco-innovation strategies and programs, hence, taken as casework in this study. Both primary (interviews) and secondary data (publicly available documents) are utilized in this study. The study shows that eco-innovation plays an important role in regional strategy as reviewed based on the experience of other regions in the EU. This is because of its localized nature which makes it easier to facilitate in a regional setting. Since regional authorities and policy-makers are normally focused on solving its localized environmental problems, eco-innovation principles can easily be integrated into regional strategy. The case study highlights Päijät-Häme Region’s eco-innovation strategies and projects which are characterized by strong connection of knowledge-producing institutions. Policy instruments supporting eco-innovation (e.g. environmental technologies) are very much focused on clean technologies, hence, justifying the formation of cleantech clusters and business parks in Päijät-Häme Region. A newly conceptualized SAMPO model of eco-innovation has been developed in Päijät-Häme Region to better capture the region’s characteristics and to eventually replace the current model employed by the Päijät-Häme Regional Authority. The SAMPO model is still under construction, however, review of its principles points to some of its three important spearheads – practice-based innovation, design (eco-design) and clean technology or environmental technology (environment).