Press forming of paperboard – advancement of converting tools and process control

Press forming is nowadays one of the most common industrial methods in use for producing deeper trays from paperboard. Demands for material properties like recyclability and sustainability have increased also in the packaging industry, but there are still limitations related to the formability of paperboard. A majority of recent studies have focused on material development, but the potential of the package manufacturing process can also be improved by the development of tooling and process control. In this study, advanced converting tools (die cutting tools and the press forming mould) are created for production scale paperboard tray manufacturing. Also monitoring methods that enable the production of paperboard trays with enhanced quality, and can be utilized in process control are developed. The principles for tray blank preparation, including creasing pattern and die cutting tool design are introduced. The mould heating arrangement and determination of mould clearance are investigated to improve the quality of the press formed trays. The effect of the spring back of the tray walls on the tray dimensions can be managed by adjusting the heat-related process parameters and estimating it at the mould design stage. This enables production speed optimization as the process parameters can be adjusted more freely. Real-time monitoring of pressing force by using multiple force sensors embedded in the mould structure can be utilized in the evaluation of material characteristics on a modified production machinery. Comprehensive process control can be achieved with a combination of measurement of the outer dimensions of the trays and pressing force monitoring. The control method enables detection of defects and tracking changes in the material properties. The optimized converting tools provide a basis for effective operation of the control system.

Sellutehtaan sekundäärilämpöjärjestelmän kehittäminen

Sellun valmistuksessa kuluu energiaa mm. materiaalivirtojen lämmittämiseen. Käyttämällä prosessissa syntyvä sekundäärilämpö hyödyksi säästetään energiakustannuksissa. Toimiva sekundäärilämpöjärjestelmä on yksinkertainen ja tehokas. Tässä diplomityössä tutkitaan sellutehtaan sekundäärilämpöjärjestelmän toiminta. Tehtaan sekundäärilämmön käyttö on muuttunut uusien tehdasosastojen ja jakeluun tehtyjen muutoksien jälkeen. Tavoitteena on selvittää sekundäärilämpöjärjestelmän toiminta nykytilanteessa ja etsiä käyttökohteita hyödyntämättömälle sekundäärilämmölle. Saatujen tietojen perusteella laaditaan sekundäärilämpötase talvitilanteessa ja päivitetään raportointi nykytilannetta vastaavaksi.

SELLUTEHTAAN HÖYRYVERKON YLIJÄÄMÄENERGIAN HALLINNAN PARANTAMINEN

Tässä työssä on selvitetty sellutehtaan höyryverkosta tehtaan ulkopuolelle myytävän ylijäämähöyryn määrän ja paineen nopeaan vaihteluun vaikuttavia tekijöitä. Työssä on tarkasteltu höyryn kehityksen ja kulutuksen vaihtelun vaikutusta ylijäämähöyryyn. Lisäksi on tarkasteltu mahdollisuuksia edellä mainittujen häiriöiden tasaamiseksi. Työssä on selvitetty teoriaa, joka vaikuttaa sellutehtaan höyryn kehitykseen ja kulutukseen. Lisäksi on selvitetty energiataselaskennan ja höyryverkon hallintaa parantavien toimenpiteiden teoriaa. Omana kokonaisuutena on sellutehtaan höyryn kehityksen ja kulutuksen tarkastelu sekä selvitys tehtaan höyryverkon hallinnan nykytilasta. Höyryverkolle on muodostettu energiatase. Työn tuloksia varten on kerätty ja tallennettu mittapistetietoa tiedonkeräysjärjestelmän avulla eri höyryverkon mittapisteistä. Työn tuloksina on mainittu useita höyryverkon hallintaa parantavia toteutuskelpoisia asioita ja toimenpiteitä. Työllä on luotu pohjaa menetelmälle, joka ohjaa energian kehitystä vastaamaan sellun tuotannon tarvitsemaa energiamäärää. Samalla saataisiin paremmin hallittua ylijäämähöyryä ja sen määrän sekä paineen vaihtelu vähentyisi.

Lämpökäsittelyprosessin automaatioasteen nostaminen ja toiminnan tehostaminen

Työn tavoitteena oli nostaa nestekaasua energialähteenään käyttävän lämpökäsittelyprosessin automaatioastetta sekä tehostaa prosessia. Näiden tavoitteiden avulla kehitetään standardin GJS800 mukaisen pallografiittiraudan lämpökäsittelyä niin, että päästään toivotun mukaisiin mekaanisiin ominaisuuksiin eli raudan korkeaan myötörajaan ja väsymisrajaan sekä hyvään sitkeyteen yhdistettynä hyvään lastuttavuuteen.Ensin selvitettiin nestekaasun käyttöön liittyviä lupa-asioita sekä välttämättömiä turvalaitteita ja –toimintoja, jonka jälkeen mahdollisimman tarkan prosessikuvauksen avulla luotiin pohja automaatiosuunnittelulle.Automaatiosuunnittelussa tavoitteena oli mahdollisimman korkea automaatioaste. Prosessoripohjainen PID-säädin ohjaa itsenäisesti koko prosessin sen jälkeen, kun alkuarvot on syötetty tietokoneen avulla säätäjän muistiin. Tarkempien säätöjen ja muun kehitystyön seurauksena saadaan myös prosessin hyötysuhdetta kasvatettua.

Biokaasu-, bioetanoli- ja yhdistelmäprosessin energia- ja hiilidioksiditase vertailu

Biojäte soveltuu erinomaisesti biokaasuprosessin raaka-aineeksi sisältämänsä runsaan or-gaanisen aineksen vuoksi. Bioetanoliprosessin raaka-aineeksi se soveltuu, koska biojäte sisäl-tää runsaasti tärkkelystä sekä selluloosaa. Tässä työssä tutkittiin laskennallisesti bioetanoli-, biokaasu- sekä näiden yhdistelmäprosessin energia- ja hiilidioksiditaseita kirjallisuuden tietoihin pohjautuen. Biokaasuprosessista lopputuotteena saatavan biometaanin käyttäminen bensiiniä korvaavana liikennepolttoaineena tuottaa jo pelkästään palamistuotteena syntyvän hiilidioksidin säästöinä 62 kg/tbiojätettä. Energian suhteen biokaasuprosessi on selvästi yliomavaraisin kaikista kolmesta prosessista, vaikka energiankulutukseen huomioidaan myös jalostuksen tarvitsema sähkönku-lutus. Biokaasuprosessissa oma käyttö on alle 20 % lopputuotteen lämpöarvosta, yhdistelmä-prosessin osalta luku on 4 %-yks alhaisempi.

Kaatopaikkakaasun hyväksikäyttö lietteen kuivauksessa

Tällä hetkellä suuri osa esikäsiteltyjen jätevesilietteiden loppusijoitusvaihtoehdoista ei pysty kattamaan lopullisesti kasvavien lietemäärien loppusijoitustarvetta, mikä lisää lietteen loppusijoitusta kaatopaikoille. Kuitenkin EU:n tiukentuneen jätehuoltolainsäädännön sekä ilmastonlämpenemisen suurien haasteiden vuoksi, kaatopaikoille sijoitettavien jätteiden määrää täytyy pyrkiä vähentämään. Tämän työn tavoitteena on tutkia jätevedenpuhdistamoilta tulevan lietteen termistä kuivausta yhtenä lietteenkäsittely vaihtoehtona. Tavoitteena on selvittää voidaanko lietettä kuivaamalla saada liete paremmin hyödynnetyksi. Työssä tarkasteltiin yleisesti yhdyskuntalietteen termisessä kuivaamisessa nykyisin käytettäviä menetelmiä, sen ympäristövaikutuksia, energian tarvetta ja kustannuksia sekä siitä saatavaa hyötyä lietteen loppusijoittamisessa. Lisäksi arvioitiin kuinka kaatopaikkakaasun hyödyntäminen soveltuisi lietteen kuivauksessa tarvittavan energian tuotantoon. Työssä tehdyn selvityksen mukaan kaatopaikkakaasua voidaan hyödyntää suhteellisen helposti lämmöntuotannossa ilman merkittäviä laitosmuutoksia tai kaasun puhdistusta. Ongelmana pidettiin kaatopaikkakaasun kuljetuksia, joka on suhteellisen vaikeaa ja taloudellisesti kannattamatonta. Kuitenkin noin 10 km välimatkan säteellä kaatopaikasta sen hyödyntäminen olisi mahdollista. Työn laskelmien mukaan Suomessa hukkaan poltetulla kaatopaikkakaasulla voitaisiin kuivata noin 250 tuhatta tonnia lietettä vuosittain.

A modified nominal stress method for fatigue assessment of steel plates with thermally cut edges

Thermal cutting methods, are commonly used in the manufacture of metal parts. Thermal cutting processes separate materials by using heat. The process can be done with or without a stream of cutting oxygen. Common processes are Oxygen, plasma and laser cutting. It depends on the application and material which cutting method is used. Numerically-controlled thermal cutting is a cost-effective way of prefabricating components. One design aim is to minimize the number of work steps in order to increase competitiveness. This has resulted in the holes and openings in plate parts manufactured today being made using thermal cutting methods. This is a problem from the fatigue life perspective because there is local detail in the as-welded state that causes a rise in stress in a local area of the plate. In a case where the static utilization of a net section is full used, the calculated linear local stresses and stress ranges are often over 2 times the material yield strength. The shakedown criteria are exceeded. Fatigue life assessment of flame-cut details is commonly based on the nominal stress method. For welded details, design standards and instructions provide more accurate and flexible methods, e.g. a hot-spot method, but these methods are not universally applied to flame cut edges. Some of the fatigue tests of flame cut edges in the laboratory indicated that fatigue life estimations based on the standard nominal stress method can give quite a conservative fatigue life estimate in cases where a high notch factor was present. This is an undesirable phenomenon and it limits the potential for minimizing structure size and total costs. A new calculation method is introduced to improve the accuracy of the theoretical fatigue life prediction method of a flame cut edge with a high stress concentration factor. Simple equations were derived by using laboratory fatigue test results, which are published in this work. The proposed method is called the modified FAT method (FATmod). The method takes into account the residual stress state, surface quality, material strength class and true stress ratio in the critical place.

Flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors

The studies of flow phenomena, heat and mass transfer in microchannel reactors are beneficial to estimate and evaluate the ability of microchannel reactors to be operated for a given process reaction such as Fischer-Tropsch synthesis. The flow phenomena, for example, the flow regimes and flow patterns in microchannel reactors for both single phase and multiphase flow are affected by the configuration of the flow channel. The reviews of the previous works about the analysis of related parameters that affect the flow phenomena are shown in this report. In order to predict the phenomena of Fischer-Tropsch synthesis in microchannel reactors, the 3-dimensional computational fluid dynamic simulation with commercial software package FLUENT was done to study the flow phenomena and heat transfer for gas phase Fischer-Tropsch products flow in rectangular microchannel with hydraulic diameter 500 ¿m and length 15 cm. Numerical solution with slip boundary condition was used in the simulation and the flowphenomena and heat transfer were determined.

Numerical and ExperimentalModelling of Gas Flow and Heat Transfer in the Air Gap of An Electric Machine

This work deals with the cooling of high-speed electric machines, such as motors and generators, through an air gap. It consists of numerical and experimental modelling of gas flow and heat transfer in an annular channel. Velocity and temperature profiles are modelled in the air gap of a high-speed testmachine. Local and mean heat transfer coefficients and total friction coefficients are attained for a smooth rotor-stator combination at a large velocity range. The aim is to solve the heat transfer numerically and experimentally. The FINFLO software, developed at Helsinki University of Technology, has been used in the flow solution, and the commercial IGG and Field view programs for the grid generation and post processing. The annular channel is discretized as a sector mesh. Calculation is performed with constant mass flow rate on six rotational speeds. The effect of turbulence is calculated using three turbulence models. The friction coefficient and velocity factor are attained via total friction power. The first part of experimental section consists of finding the proper sensors and calibrating them in a straight pipe. After preliminary tests, a RdF-sensor is glued on the walls of stator and rotor surfaces. Telemetry is needed to be able to measure the heat transfer coefficients at the rotor. The mean heat transfer coefficients are measured in a test machine on four cooling air mass flow rates at a wide Couette Reynolds number range. The calculated values concerning the friction and heat transfer coefficients are compared with measured and semi-empirical data. Heat is transferred from the hotter stator and rotor surfaces to the coolerair flow in the air gap, not from the rotor to the stator via the air gap, althought the stator temperature is lower than the rotor temperature. The calculatedfriction coefficients fits well with the semi-empirical equations and precedingmeasurements. On constant mass flow rate the rotor heat transfer coefficient attains a saturation point at a higher rotational speed, while the heat transfer coefficient of the stator grows uniformly. The magnitudes of the heat transfer coefficients are almost constant with different turbulence models. The calibrationof sensors in a straight pipe is only an advisory step in the selection process. Telemetry is tested in the pipe conditions and compared to the same measurements with a plain sensor. The magnitudes of the measured data and the data from the semi-empirical equation are higher for the heat transfer coefficients than thenumerical data considered on the velocity range. Friction and heat transfer coefficients are presented in a large velocity range in the report. The goals are reached acceptably using numerical and experimental research. The next challenge is to achieve results for grooved stator-rotor combinations. The work contains also results for an air gap with a grooved stator with 36 slots. The velocity field by the numerical method does not match in every respect the estimated flow mode. The absence of secondary Taylor vortices is evident when using time averagednumerical simulation.

Radiative Heat Transfer in Boiler Furnaces

Better models are needed for radiative heat transfer in boiler furnaces. If the process is known better, combustion in the furnace can be optimized to produce low emissions. It makes the process to be environmental friendly. Furthermore, if there is a better model of the furnace it can more fully explain what is happening inside the furnace. Using of the model one can quickly and easily analyze how it operates with bio fuels, moist fuels or difficult fuels and improve the operation. Models helps with better estimation of furnace dimensions and result in more accurate understanding of operation. Key component lacking in these models is radiative heat transfer in particle laden gases. If there are no particles than radiative heat transfer can be calculated approximately. There are two problems with current models when used with flow modeling. The first one is a need to account for a particle laden gas and the second one is an absence of a fast algorithm. Fast calculation is needed if radiative heat transfer calculation is done for a large CDF model. Computations slow down if time is required for calculating radiative properties over and over again. This thesis presents a band model for radiative heat transfer in boiler furnaces. Advantage is a quickness of calculation and account of particles in the process.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Heat transfer in superheaters of the bubbling fluidized bed boiler conversions

It is often reasonable to convert old boiler to bubbling fluidized bed boiler instead of building a new one. Converted boiler consists of old and new heat surfaces which must be fitted to operate together. Prediction of heat transfer in not so ideal conditions sets challenges for designers. Two converted boilers situated in Poland were studied on the grounds of acceptance tests and further studies. Calculation of boiler process was performed with boiler design program. Main interest was heat transfer in superheaters and factors affecting it. Theory for heat transfer is presented according to information found from literature. Results obtained from experimental studies and calculations have been compared. With correct definitions calculated parameters corresponded well to measured data at boiler maximum design load. However overload situations revealed to be difficult to model at least without considering changes in the combustion process which requires readjustments to the design program input values.

Design of an amplifier and an instrumentation setup for a harsh environment heat flux measurement application – case axial flux electric machine

Measurement is a tool for researching. Therefore, it is important that the measuring process is carried out correctly, without distorting the signal or the measured event. Researches of thermoelectric phenomena have been focused more on transverse thermoelectric phenomena during recent decades. Transverse Seebeck effect enables to produce thinner and faster heat flux sensor than before. Studies about transverse Seebeck effect have so far focused on materials, so in this Master’s Thesis instrumentation of transverse Seebeck effect based heat flux sensor is studied, This Master’s Thesis examines an equivalent circuit of transverse Seebeck effect heat flux sensors, their connectivity to electronics and choosing and design a right type amplifier. The research is carried out with a case study which is Gradient Heat Flux Sensors and an electrical motor. In this work, a general equivalent circuit was presented for the transverse Seebeck effect-based heat flux sensor. An amplifier was designed for the sensor of the case study, and the solution was produced for the measurement of the local heat flux of the electric motor to improve the electromagnetic compatibility.

The effects of welding heat input on the usability of high strength steels in welded structures

High strength steel (HSS) has been in use in workshops since the 1980s. At that time, the significance of the term HSS differed from the modern conception as the maximum yield strength of HSSs has increased nearly every year. There are three different ways to make HSS. The first and oldest method is QT (quenched and tempered) followed by the TMCP (thermomechanical controlled process) and DQ (direct quenching) methods. This thesis consists of two parts, the first of which part introduces the research topic and discusses welded HSS structures by characterizing the most important variables. In the second part of the thesis, the usability of welded HSS structures is examined through a set of laboratory tests. The results of this study explain the differences in the usability of the welded HSSs made by the three different methods. The results additionally indicate that usage of different HSSs in the welded structures presumes that manufacturers know what kind of HSS they are welding. As manufacturers use greater strength HSSs in welded structures, the demands for welding rise as well. Therefore, during the manufacturing process, factors such as heat input, cooling time, weld quality, and more must be under careful observation.