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.

Analysis of Industrial Granular Flow Applications by Using Advanced Collision Models

Granular flow phenomena are frequently encountered in the design of process and industrial plants in the traditional fields of the chemical, nuclear and oil industries as well as in other activities such as food and materials handling. Multi-phase flow is one important branch of the granular flow. Granular materials have unusual kinds of behavior compared to normal materials, either solids or fluids. Although some of the characteristics are still not well-known yet, one thing is confirmed: the particle-particle interaction plays a key role in the dynamics of granular materials, especially for dense granular materials. At the beginning of this thesis, detailed illustration of developing two models for describing the interaction based on the results of finite-element simulation, dimension analysis and numerical simulation is presented. The first model is used to describing the normal collision of viscoelastic particles. Based on some existent models, more parameters are added to this model, which make the model predict the experimental results more accurately. The second model is used for oblique collision, which include the effects from tangential velocity, angular velocity and surface friction based on Coulomb's law. The theoretical predictions of this model are in agreement with those by finite-element simulation. I n the latter chapters of this thesis, the models are used to predict industrial granular flow and the agreement between the simulations and experiments also shows the validation of the new model. The first case presents the simulation of granular flow passing over a circular obstacle. The simulations successfully predict the existence of a parabolic steady layer and show how the characteristics of the particles, such as coefficients of restitution and surface friction affect the separation results. The second case is a spinning container filled with granular material. Employing the previous models, the simulation could also reproduce experimentally observed phenomena, such as a depression in the center of a high frequency rotation. The third application is about gas-solid mixed flow in a vertically vibrated device. Gas phase motion is added to coherence with the particle motion. The governing equations of the gas phase are solved by using the Large eddy simulation (LES) and particle motion is predicted by using the Lagrangian method. The simulation predicted some pattern formation reported by experiment.

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.

Investigation of interaction between native and impurity defects in ZnSe

Zinc selenide is a prospective material for optoelectronics. The fabrication of ZnSe­based light-emitting diodes is hindered by complexity of p-type doping of the component materials. The interaction between native and impurity defects, the tendency of doping impurity to form associative centres with native defects and the tendency to self-compensation are the main factors impeding effective control of the value and type of conductivity. The thesis is devoted to the study of the processes of interaction between native and impurity defects in zinc selenide. It is established that the Au impurity has the most prominent amphoteric properties in ZnSe among Cu, Ag and Au impurities, as it forms a great number of both Au; donors and Auz„ acceptors. Electrical measurements show that Ag and Au ions introduced into vacant sites of the Zn sublattice form simple single-charged Agz„+ and Auzn+ states with d1° electron configuration, while Cu ions can form both single-charged Cuz„ (d1) and double-charged Cuzr`+ (d`o) centres. Amphoteric properties of Ag and Au transition metals stimulated by time are found for the first time from both electrical and luminescent measurements. A model that explains the changes in electrical and luminescent parameters by displacement of Ag ions into interstitial sites due to lattice deformation forces is proposed. Formation of an Ag;-donor impurity band in ZnSe samples doped with Ag and stored at room temperature is also studied. Thus, the properties of the doped samples are modified due to large lattice relaxation during aging. This fact should be taken into account in optoelectronic applications of doped ZnSe and related compounds.

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.

Magnetic and transport properties of II-V diluted magnetic semiconductors doped with manganese and nickel

This thesis is devoted to investigations of three typical representatives of the II-V diluted magnetic semiconductors, Zn1-xMnxAs2, (Zn1-xMnx)3As2 and p-CdSb:Ni. When this work started the family of the II-V semiconductors was presented by only the compounds belonging to the subgroup II3-V2, as (Zn1-xMnx)3As2, whereas the rest of the materials mentioned above were not investigated at all. Pronounced low-field magnetic irreversibility, accompanied with a ferromagnetic transition, are observed in Zn1-xMnxAs2 and (Zn1-xMnx)3As2 near 300 K. These features give evidence for presence of MnAs nanosize magnetic clusters, responsible for frustrated ground magnetic state. In addition, (Zn1-xMnx)3As2 demonstrates large paramagnetic response due to considerable amount of single Mn ions and small antiferromagnetic clusters. Similar paramagnetic system existing in Zn1-xMnxAs2 is much weaker. Distinct low-field magnetic irreversibility, accompanied with a rapid saturation of the magnetization with increasing magnetic field, is observed near the room temperature in p- CdSb:Ni, as well. Such behavior is connected to the frustrated magnetic state, determined by Ni-rich magnetic Ni1-xSbx nanoclusters. Their large non-sphericity and preferable orientations are responsible for strong anisotropy of the coercivity and saturation magnetization of p- CdSb:Ni. Parameters of the Ni1-xSbx nanoclusters are estimated. Low-temperature resistivity of p-CdSb:Ni is governed by a hopping mechanism of charge transfer. The variable-range hopping conductivity, observed in zero magnetic field, demonstrates a tendency of transformation into the nearest-neighbor hopping conductivity in non-zero magnetic filed. The Hall effect in p-CdSb:Ni exhibits presence of a positive normal and a negative anomalous contributions to the Hall resistivity. The normal Hall coefficient is governed mainly by holes activated into the valence band, whereas the anomalous Hall effect, attributable to the Ni1-xSbx nanoclusters with ferromagnetically ordered internal spins, exhibits a low-temperature power-law resistivity scaling.

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.

Magnetic and transport properties of LaMnO3+δ, La1-xCaxMnO3, La1-xCaxMn1-yFeyO3 and La1-xSrxMn1-yFeyO3

Interest to hole-doped mixed-valence manganite perovskites is connected to the ‘colossal’ magnetoresistance. This effect or huge drop of the resistivity, ρ, in external magnetic field, B, attains usually the maximum value near the ferromagnetic Curie temperature, TC. In this thesis are investigated conductivity mechanisms and magnetic properties of the manganite perovskite compounds LaMnO3+, La1-xCaxMnO3, La1-xCaxMn1-yFeyO3 and La1- xSrxMn1-yFeyO3. When the present work was started the key role of the phase separation and its influence on the properties of the colossal magnetoresistive materials were not clear. Our main results are based on temperature dependencies of the magnetoresistance and magnetothermopower, investigated in the temperature interval of 4.2 - 300 K in magnetic fields up to 10 T. The magnetization was studied in the same temperature range in weak (up to 0.1 T) magnetic fields. LaMnO3+δ is the parent compound for preparation of the hole-doped CMR materials. The dependences of such parameters as the Curie temperature, TC, the Coulomb gap, Δ, the rigid gap, γ, and the localization radius, a, on pressure, p, are observed in LaMnO3+δ. It has been established that the dependences above can be interpreted by increase of the electron bandwidth and decrease of the polaron potential well when p is increased. Generally, pressure stimulates delocalization of the electrons in LaMnO3+δ. Doping of LaMnO3 with Ca, leading to La1-xCaxMnO3, changes the Mn3+/Mn4+ ratio significantly and brings an additional disorder to the crystal lattice. Phase separation in a form of mixture of the ferromagnetic and the spin glass phases was observed and investigated in La1- xCaxMnO3 at x between 0 and 0.4. Influence of the replacement of Mn by Fe is studied in La0.7Ca0.3Mn1−yFeyO3 and La0.7Sr0.3Mn1−yFeyO3. Asymmetry of the soft Coulomb gap and of the rigid gap in the density of localized states, small shift of the centre of the gaps with respect to the Fermi level and cubic asymmetry of the density of states are obtained in La0.7Ca0.3Mn1−yFeyO3. Damping of TC with y is connected to breaking of the double-exchange interaction by doping with Fe, whereas the irreversibility and the critical behavior of the magnetic susceptibility are determined by the phase separation and the frustrated magnetic state of La0.7Sr0.3Mn1−yFeyO3.

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.