Pinch-menetelmän soveltaminen sellutehtaassa

Työn tarkoituksena oli tutkia pinch-menetelmän soveltuvuutta toiminnassa olevassa UPM-Kymmene Oyj:n kaukaan sellutehtaassa ja kartoittaa pinch-analyysin avulla keittämön sekä haihduttamon lämpöenergiatarpeet sekä ylijäämät kesä ja talvitilanteissa vuodelle 1999. Kesätilanteeksi on katsottu riittävän elokuu ja talvitilanteeksi helmikuu. Työn alussa on lyhyesti käyty läpi pinch-tekniikkaan liittyvää teoriaa ja tutustutaan yleisesti työssä käytettyyn Pro_pi2 laskentaohjelmaan. Laskennan tulokset on muodostettu käsittelemällä tiedonkeruujärjestelmistä haettu virtaavien nesteiden tulo- ja kohdelämpötiloista sekä massavirroista muodostuva data Pro_pi2 laskentaohjelmalla. Tulokset on esitetty kappaleessa 5, jossa kesä ja talvitilanteista saatuja tuloksia on verrattu keskenään. Mielenkiinnon vuoksi mukaan vertailuun on otettu vuoden 1999 tietojen lisäksi myös tiedot vuoden 2000 talvelle. Pinch-menetelmään perustuvan Pro_pi2 laskentaohjelman todettiin soveltuvan ennemminkin lämmön talteenottojärjestelmän sekä tehtaan energiakäytön esisuunnitteluun kuin jo olemassa olevan tehtaan tutkimiseen.

Pencil grip : a descriptive model and four empirical studies

Previous studies on pencil grip have typically dealt with the developmental aspects in young children while handwriting research is mainly concerned with speed and legibility. Studies linking these areas are few. Evaluation of the existing pencil grip studies is hampered by methodological inconsistencies. The operational definitions of pencil grip arerational but tend to be oversimplified while detailed descriptors tend to be impractical due to their multiplicity. The present study introduces a descriptive two-dimensional model for the categorisation of pencil grip suitable for research applications in a classroom setting. The model is used in four empirical studies of children during the first six years of writing instruction. Study 1 describes the pencil grips observed in a large group of pupils in Finland (n = 504). The results indicate that in Finland the majority of grips resemble the traditional dynamic tripod grip. Significant genderrelated differences in pencil grip were observed. Study 2 is a longitudinal exploration of grip stability vs. change (n = 117). Both expected and unexpected changes were observed in about 25 per cent of the children's grips over four years. A new finding emerged using the present model for categorisation: whereas pencil grips would change, either in terms of ease of grip manipulation or grip configuration, no instances were found where a grip would have changed concurrently on both dimensions. Study 3 is a cross-cultural comparison of grips observed in Finland and the USA (n = 793). The distribution of the pencil grips observed in the American pupils was significantly different from those found in Finland. The cross-cultural disparity is most likely related to the differences in the onset of writing instruction. The differences between the boys' and girls' grips in the American group were non-significant.An implication of Studies 2 and 3 is that the initial pencil grip is of foremost importance since pencil grips are largely stable over time. Study 4 connects the pencil grips to assessment of the mechanics of writing (n = 61). It seems that certain previously not recommended pencil grips might nevertheless be includedamong those accepted since they did not appear to hamper either fluency or legibility.

Öljynjalostamon vetyverkon PINCH-analyysi

Tässä diplomityössä on tarkasteltu Porvoon öljynjalostamon vetyverkkoa ja pohdittu keinoja, joilla vedyn käyttöä jalostamolla voitaisiin tehostaan sekä polttokaasuverkkoon menevän vedyn määrä pienentää. Tarkastelun lähtökohtana toimii vetytaseen pohjalta laadittu vetypinch-analyysi. Kirjallisuusosassa on esitelty jalostamon vetyverkkoon kuuluvat yksiköt sekä käsitelty lyhyesti niiden toimintaa. Lisäksi on käsitelty vetypinch-analyysin periaate, sekä kuinka todelliset prosessirajoitteet voidaan huomioida sitä toteutettaessa. Kirjallisuusosan lopussa on esitetty miten vetyverkon vaiheittainen optimointi etenee. Työn soveltavassa osassa laadittiin vetyverkon virtauskaavio, jolla saatiin luotua kattava käsitys jalostamon vedynjakelusta. Virtauskaaviosta tehtiin yksinkertaistettu versio, jonka perusteella laadittiin vetytase. Vetytaseen pohjalta suoritettiin vetypinch-analyysi, jonka mukaan jalostamolla tuotettiin tasehetkellä ylimäärin vetyä. Vedyn käytön tehostamiseksi jalostamolla tulee rikkivedyn talteenottoyksikkö 2:n polttokaasuvirta pyrkiä minimoimaan tai hyödyntämään. Lisäksi virtausmittareiden mitoituspisteiden molekyylimassat tulisi muuttaa vastaamaan paremmin nykyistä ajotilannetta, sekä seurata niitä jatkossa säännöllisesti. Myös vetypitoisuutta mittaavien online-analysaattoreiden kalibroinnista tulee huolehtia, ja ottaa riittävästi kenttänäytteitä vetyverkosta. On huomattava, että öljynjalostamon vedyn tuotannon minimointi ei ole aina automaattisesti taloudellisin ratkaisu. Joissain tapauksissa vedyn osapaineen nostaminen vetyä kuluttavan yksikön reaktorissa voi lisätä yksikön tuottavuutta niin paljon, että se kompensoi lisääntyneestä vedyn tuotannosta aiheutuvat kustannukset.

Computational and Experimental Analysis of Flow Field in the Diffusers of Centrifugal Compressors

Centrifugal compressors are widely used for example in process industry, oil and gas industry, in small gas turbines and turbochargers. In order to achieve lower consumption of energy and operation costs the efficiency of the compressor needs to be improve. In the present work different pinches and low solidity vaned diffusers were utilized in order to improve the efficiency of a medium size centrifugal compressor. In this study, pinch means the decrement of the diffuser flow passage height. First different geometries were analyzed using computational fluid dynamics. The flow solver Finflo was used to solve the flow field. Finflo is a Navier-Stokes solver. The solver is capable to solve compressible, incompressible, steady and unsteady flow fields. Chien's k-e turbulence model was used. One of the numerically investigated pinched diffuser and one low solidity vaned diffuser were studied experimentally. The overall performance of the compressor and the static pressure distribution before and after the diffuser were measured. The flow entering and leaving the diffuser was measured using a three-hole Cobra-probe and Kiel-probes. The pinch and the low solidity vaned diffuser increased the efficiency of the compressor. Highest isentropic efficiency increment obtained was 3\% of the design isentropic efficiency of the original geometry. It was noticed in the numerical results that the pinch made to the hub and the shroud wall was most beneficial to the operation of the compressor. Also the pinch made to the hub was better than the pinchmade to the shroud. The pinch did not affect the operation range of the compressor, but the low solidity vaned diffuser slightly decreased the operation range.The unsteady phenomena in the vaneless diffuser were studied experimentally andnumerically. The unsteady static pressure was measured at the diffuser inlet and outlet, and time-accurate numerical simulation was conducted. The unsteady static pressure showed that most of the pressure variations lay at the passing frequency of every second blade. The pressure variations did not vanish in the diffuser and were visible at the diffuser outlet. However, the amplitude of the pressure variations decreased in the diffuser. The time-accurate calculations showed quite a good agreement with the measured data. Agreement was very good at the design operation point, even though the computational grid was not dense enough inthe volute and in the exit cone. The time-accurate calculation over-predicted the amplitude of the pressure variations at high flow.

Computational Analysis and Optimization of Real Gas Flow In Small Centrifugal Compressors

Small centrifugal compressors are more and more widely used in many industrialsystems because of their higher efficiency and better off-design performance comparing to piston and scroll compressors as while as higher work coefficient perstage than in axial compressors. Higher efficiency is always the aim of the designer of compressors. In the present work, the influence of four partsof a small centrifugal compressor that compresses heavy molecular weight real gas has been investigated in order to achieve higher efficiency. Two parts concern the impeller: tip clearance and the circumferential position of the splitter blade. The other two parts concern the diffuser: the pinch shape and vane shape. Computational fluid dynamics is applied in this study. The Reynolds averaged Navier-Stokes flow solver Finflo is used. The quasi-steady approach is utilized. Chien's k-e turbulence model is used to model the turbulence. A new practical real gas model is presented in this study. The real gas model is easily generated, accuracy controllable and fairly fast. The numerical results and measurements show good agreement. The influence of tip clearance on the performance of a small compressor is obvious. The pressure ratio and efficiency are decreased as the size of tip clearance is increased, while the total enthalpy rise keeps almost constant. The decrement of the pressure ratio and efficiency is larger at higher mass flow rates and smaller at lower mass flow rates. The flow angles at the inlet and outlet of the impeller are increased as the size of tip clearance is increased. The results of the detailed flow field show that leakingflow is the main reason for the performance drop. The secondary flow region becomes larger as the size of tip clearance is increased and the area of the main flow is compressed. The flow uniformity is then decreased. A detailed study shows that the leaking flow rate is higher near the exit of the impeller than that near the inlet of the impeller. Based on this phenomenon, a new partiallyshrouded impeller is used. The impeller is shrouded near the exit of the impeller. The results show that the flow field near the exit of the impeller is greatly changed by the partially shrouded impeller, and better performance is achievedthan with the unshrouded impeller. The loading distribution on the impeller blade and the flow fields in the impeller is changed by moving the splitter of the impeller in circumferential direction. Moving the splitter slightly to the suction side of the long blade can improve the performance of the compressor. The total enthalpy rise is reduced if only the leading edge of the splitter ismoved to the suction side of the long blade. The performance of the compressor is decreased if the blade is bended from the radius direction at the leading edge of the splitter. The total pressure rise and the enthalpy rise of thecompressor are increased if pinch is used at the diffuser inlet. Among the fivedifferent pinch shape configurations, at design and lower mass flow rates the efficiency of a straight line pinch is the highest, while at higher mass flow rate, the efficiency of a concave pinch is the highest. The sharp corner of the pinch is the main reason for the decrease of efficiency and should be avoided. The variation of the flow angles entering the diffuser in spanwise direction is decreased if pinch is applied. A three-dimensional low solidity twisted vaned diffuser is designed to match the flow angles entering the diffuser. The numerical results show that the pressure recovery in the twisted diffuser is higher than in a conventional low solidity vaned diffuser, which also leads to higher efficiency of the twisted diffuser. Investigation of the detailed flow fields shows that the separation at lower mass flow rate in the twisted diffuser is later than in the conventional low solidity vaned diffuser, which leads to a possible wider flow range of the twisted diffuser.

Elastomeerien kesto viherlipeäkäsittelyissä

Työssä on tutkittu eri kumilaatujen soveltuvuutta viherlipeäympäristöön laboratoriomittausten avulla. Kumia tultaisiin käyttämään viherlipeälinjan letkuventtiilissä. Suomalaisista sellutehtaista saaduista viherlipeänäytteistä mitattiin alkali- ja vierasainepitoisuudet. Kumitestauksissa viherlipeässä pyrittiin selvittämään kumien kesto prosessiolosuhteita vastaavissa olosuhteissa. Kumit asetettiin kuumaan viherlipeään jännitettynä ja pidettiin siinä kolme vuorokautta. Kumista tutkittavia ominaisuuksia olivat kumin massan muutos, kovuus, vetolujuus sekä murtovenymä. Kolmen vuorokauden testien tulosten perusteella valittiin kolme kumilaatua tuhannen tunnin kestotestiin, joissa seurattiin kumin massan käyttäytymistä sekä kumin pitkäaikaisen altistamisen viherlipeässä vaikutusta lujuusominaisuuksiin. Kokeissa havaittiin osan testatuista kumeista sitovan viherlipeää itseensä, mikä aiheuttaisi viherlipeän pääsyn letkun vahvikkeisiin ja aiheuttaisi letkun hajoamisen. Osa kumeista kului kemiallisesti, mikä taas aiheuttaisi letkun rasitustilanteissa repeämiä letkun pinnassa ja lopulta letkun hajoamisen. Kuitenkin suuressa osassa testatuissa kumimateriaaleissa ei ollut suuria massanmuutoksia. Tällöin lujuusmittaukset kertoivat muilta osin kumin kestosta. Muutamilla kumeilla massanmuutokset olivat alhaisia, mutta lujuusarvot olivat romahtaneet. Kuitenkin laboratoriomittausten tulosten perusteella pystyttiin löytämään kumimateriaali, joka kestäisi paremmin viherlipeäprosessissa kuin teollisuudessa käytössä ollut kumimateriaali. Kuitenkin lopullinen varmuus tästä voidaan saada teollisuudessa tehtyjen testausten avulla.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Improving the order-delivery chain

Tutkielman tavoitteena on tarkastella letkuventtiilien tilaus-toimitusketjua ja selvittää, kuinka se muodostuu. Tavoitteena on laatia selvitys yrityksen tilaus-toimitusketjun muodostumisen vaiheista yrityksen sisäiseen käyttöön ja tutkia, kuinka ketjua voitaisiin parantaa, jotta tulevaisuudessa asiakkaita voitaisiin palvella paremmin ja joustavammin. Tutkimusongelmaa lähestytään prosessiajattelun näkökulmasta ja tutkielmassa käytetään kvalitatiivista tutkimusmenetelmää, jonka pääasiallisena tiedonkeruuvälineenä on vapaamuotoiset haastattelut, yrityksen dokumenttien tutkiminen ja analysointi sekä yrityksen toiminnan havainnointi. Tilaus-toimitusketjun parantaminen edellyttää yritykseltä ja sen edustajilta asiakkaiden ostokäyttäytymisen ohjaamista, tiedon avointa ja oikea-aikaista jakamista kaikille sitä tarvitseville sekä kulttuurierojen huomioon ottamista. Erityisesti tilaus-toimitusketjun alkuvaiheisiin tulisi panostaa tulevaisuudessa, sillä monet ongelmat syntyvät tutkimuksen mukaan toimitusketjun alkupuolella.

Nestepakkauskartongin kosteuden hallinta

Koska kartonki on hygroskooppista, sen kosteus on riippuvainen ilman lämpötilasta ja suhteellisesta kosteudesta. Liian korkea kosteus kartongissa aiheuttaa jäykkyyden alenemista, kartongin sitkeyttä, sekä pullistuneita pakkauksia kuluttajilla. Kosteusongelmia syntyy varastoinnissa, sekä kylmän rullan käsittelyn aikana lämpimissä tuotantotiloissa. Rullaa tulisi säilyttää tiiviissä paketissa, jotta se olisi suojattu ympäristön vaihtelevilta olosuhteilta. Jos pakkaus ei ole tiivis ja ympäröivä ilma pääsee kontaktiin kartongin kanssa kylmävarastoinnin aikana, nousee kartongin kosteus jo parissa vuorokaudessa yli 7 %:iin ilman lämpötilan ollessa 15 °C ja suhteellisen kosteuden 95 %. Kirjallisuusosan tavoitteena oli kartoittaa tekijät, joilla on vaikutusta kuitujen ominaisuuteen imeä itseensä kosteutta ympäröivästä ilmasta. Kokeellisessa osassa selvitettiin, oliko kartongin kosteuden nousu johtunut tasapainokosteuden nousemisesta. Painopisteenä oli tutkia kosteuden muutokset varastoinnin ja konvertoinnin sekä pakkaustuotteen käytön aikana. Simuloinnin avulla määritettiin kosteuden penetroituminen rullaan. Tutkittiin pakkausmateriaalien vesihöyrytiiveydet ja käärinnän vaikutus rullapakkauksen sisäisiin olosuhteisiin. Nestepakkauskartongin tasapainokosteus ei ollut muuttunut. Käytännön varastointikokeiden avulla havaittiin, että pinon päällimmäinen rulla altistui eniten ympäröivän ilman olosuhteiden muutoksille. Havaittiin myös kosteuseroa tämän rullan reunojen välillä. Mitä lyhyempi on varastointiaika kartongin päällystyksen jälkeen, sitä paremmin ehkäistään kosteuden noususta aiheutuvat haitat kartongissa. Maksimivarastointiaika rullille on 1,5 kuukautta, jolloin kartongin kosteus oli 6,5 % ja pinon päällimmäisessä rullassa noin 6,7 %. Pitkään varastoidusta kartongista valmistetuissa maitotölkeissä oli korkein kosteus, suurin pullistuma ja alhaisin otejäykkyys 10 päivän jälkeen täytöstä. Varastointiajan ollessa pitkä, kartongista tulee sitkeää ja venyvää, ja se sitoo enemmän kosteutta kuin mitä se on sitonut ennen varastoon tuloa. Skaivaus pienentää kosteuspenetraatiota raakakartonkiin, jolloin jäykkyys säilyy ja pullistuma pienenee pakkauksessa.

Paperboard cup with a window

Packaging has to fulfill a lot of demands and the main purpose is to be able to protect the foodstuff packed inside. Typically requirements set on packaging materials reflect the consumer needs. Based on the consumer studies the importance of product visibility is considered as an important property among consumers. However, making the package more transparent the actual shelf life of the product might be reduced. It might have an effect on sensitive foods which contain ingredients vulnerable to light and start to deteriorate more rapidly. The aim for this Masters of Science Thesis was to develop a paperboard cup with a plastic window where different kind of fatty/dry foodstuffs could be stored. The main target was to be able to create an instruction manual how this kind of cup with a window had to be produced without decreasing air tightness and other barrier properties of cupboard material used as a base board. The focus in this work was on designing a shape of the window and finding critical limits for the size, shape and location of the window in the final paperboard cup. Windows were made by cutting holes with different sizes and shapes to different places in the cup blank by using a model cutter. For the windows one plastic film type was selected due to its low oxygen and water vapour transmission properties. The window film was attached to the cup blank by using hot bar and laser seaming methods. Cup manufacturing was done at Stora Enso InnoCentre, Imatra. As a result critical limits for the place, size and shape of the window could be found. The sealing method had a significant effect on the tightness of the cups. Windows didn’t decrease the grip stiffness of the cup. The cup itself gave better light protection than the plastic film used in the windows. The bigger the window, the less the cup could protect the possible foodstuff. Bursting strength was lower in the windows compared to the cup material itself. From environmental point of view DSD licence fees have to be paid due to the amount of used plastic.When using bigger windows the ratio of plastic to fibres increase. This would raise the DSD fee. However, the amount of material is overall reduced which lowers the fee.

Performance Improvement of Centrifugal Compressor Stage with Pinched Geometry or Vaned Diffuser

Centrifugal compressors are widely used for example in refrigeration processes, the oil and gas industry, superchargers, and waste water treatment. In this work, five different vaneless diffusers and six different vaned diffusers are investigated numerically. The vaneless diffusers vary only by their diffuser width, so that four of the geometries have pinch implemented to them. Pinch means a decrease in the diffuser width. Four of the vaned diffusers have the same vane turning angle and a different number of vanes, and two have different vane turning angles. The flow solver used to solve the flow fields is Finflo, which is a Navier-Stokes solver. All the cases are modeled with the Chien's k – έ- turbulence model, and selected cases are modeled also with the k – ώ-SST turbulence model. All five vaneless diffusers and three vaned diffusers are investigated also experimentally. For each construction, the compressor operating map is measured according to relevant standards. In addition to this, the flow fields before and after the diffuser are measured with static and total pressure, flow angle and total temperature measurements. When comparing the computational results to the measured results, it is evident that the k – ώ-SST turbulence model predicts the flow fields better. The simulation results indicate that it is possible to improve the efficiency with the pinch, and according to the numerical results, the two best geometries are the ones with most pinch at the shroud. These geometries have approximately 4 percentage points higher efficiency than the unpinched vaneless diffusers. The hub pinch does not seem to have any major benefits. In general, the pinches make the flow fields before and after the diffuser more uniform. The pinch also seems to improve the impeller efficiency. This is down to two reasons. The major reason is that the pinch decreases the size of slow flow and possible backflow region located near the shroud after the impeller. Secondly, the pinches decrease the flow velocity in the tip clearance, leading to a smaller tip leakage flow and therefore slightly better impeller efficiency. Also some of the vaned diffusers improve the efficiency, the increment being 1...3 percentage points, when compared to the vaneless unpinched geometry. The measurement results confirm that the pinch is beneficial to the performance of the compressor. The flow fields are more uniform with the pinched cases, and the slow flow regions are smaller. The peak efficiency is approximately 2 percentage points and the design point efficiency approximately 4 percentage points higher with the pinched geometries than with the un- pinched geometry. According to the measurements, the two best geometries are the ones with the most pinch at the shroud, the case with the pinch only at the shroud being slightly better of the two. The vaned diffusers also have better efficiency than the vaneless unpinched geometries. However, the pinched cases have even better efficiencies. The vaned diffusers narrow the operating range considerably, whilst the pinch has no significant effect on the operating range.

Letkuventtiilin mitoitus säätökäyttöön

Tässä diplomityössä käydään läpi IEC-60534 -standardin mukainen säätöventtiilin mitoitus kokoonpuristumattomille ja –puristuville virtauksille laskennassa tarvittavine yhtälöineen. Teoreettisessa osassa esitellään RF-letkuventtiilien rakennetta ja ominaisuuksia. Lisäksi käydään läpi putkivirtauksen perusperiaatteita. Koska letkuventtiilissä virtaavana fluidina on usein jokin liete, on työssä esitelty menetelmä lietevirtauksen aiheuttaman paine-eron laskentaan. Työssä on käsitelty myös kavitaation syntyä, laskennalliset mahdollisuudet kavitaation ennustamiseen sekä keinoja kavitaation estämiseksi. Kokeellisessa osassa suoritettiin mittauksia kolmella erikokoisella RF-letkuventtiilillä, joissa kussakin käytettiin kolmea erityyppistä letkua. Mittausten perusteella pystyttiin laskemaan kapasiteettikertoimet sekä määrittämään säätökäyrät mitatuille venttiileille ja letkutyypeille. Näistä tuloksista säätökäyrille sovitettiin yhtälöt, joiden perusteella saatiin laskettua kapasiteettikertoimien arvot myös muille venttiilikoille.