On the Reversed Brayton Cycle with High Speed Machinery

This work was carried out in the laboratory of Fluid Dynamics, at Lappeenranta University of Technology during the years 1991-1996. The research was a part of larger high speed technology development research. First, there was the idea of making high speed machinery applications with the Brayton cycle. There was a clear need to deepen theknowledge of the cycle itself and to make a new approach in the field of the research. Also, the removal of water from the humid air seemed very interesting. The goal of this work was to study methods of designing high speed machinery to the reversed Brayton cycle, from theoretical principles to practical applications. The reversed Brayton cycle can be employed as an air dryer, a heat pump or a refrigerating machine. In this research the use of humid air as a working fluid has an environmental advantage, as well. A new calculation method for the Braytoncycle is developed. In this method especially the expansion process in the turbine is important because of the condensation of the water vapour in the humid air. This physical phenomena can have significant effects on the level of performance of the application. Also, the influence of calculating the process with actual, achievable process equipment efficiencies is essential for the development of the future machinery. The above theoretical calculations are confirmed with two different laboratory prototypes. The high speed machinery concept allows one to build an application with only one rotating shaft including all the major parts: the high speed motor, the compressor and the turbine wheel. The use of oil free bearings and high rotational speed outlines give several advantages compared to conventional machineries: light weight, compact structure, safe operation andhigher efficiency at a large operational region. There are always problems whentheory is applied to practice. The calibrations of pressure, temperature and humidity probes were made with care but still measurable errors were not negligible. Several different separators were examined and in all cases the content of the separated water was not exact. Due to the compact sizes and structures of the prototypes, the process measurement was slightly difficult. The experimental results agree well with the theoretical calculations. These experiments prove the operation of the process and lay a ground for the further development. The results of this work give very promising possibilities for the design of new, commercially competitive applications that use high speed machinery and the reversed Brayton cycle.

Teollisuuskylmälaitoksen tekniikka ja kustannukset

Työssä on tarkasteltu kompressori- ja absorptiokylmälaitoksien teknisiä ratkaisuja ja laitoksien investointi- ja käyttökustannuksia. Työssä on keskitytty laitoksiin, jotka tuottavat alle nolla Celsiusasteen lämpötiloja. Esimerkkitapauksessa on selvitetty panimon ja meijerin kylmälaitoksen tekniikka ja kustannukset. Tutkimus perustuu kirjallisuuteen, haastatteluihin ja mittaustuloksiin. Kirjallisuuden avulla on selvitetty kylmälaitoksien tekniikkaa ja kustannusten muodostumista. Haastattelujen avulla on kerätty tietoa esimerkkikohteen nykyisistä laitteista, tulevaisuuden kylmätarpeesta ja kohteeseen sopivista laiteratkaisuista. Mittaustietojen avulla on arvioitu kylmäenergian tarve. Työn avulla on saatu näkemys esimerkkikohteeseen sopivasta kylmälaitoksesta ja sen aiheuttamista kustannuksista. Näiden tietojen avulla voidaan selvittää mahdollisten kylmäasiakkaiden kiinnostus kylmäenergian ostamiseen. Hankkeen toteutuessa työtä voidaan käyttää pohjana laitoksen ja kylmätoiminnan suunnittelussa.

Pienten päivittäistavarakauppojen energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli löytää keinoja, joiden avulla kylmälaite- ja ilmanvaihtojärjestelmien toimintaa voitaisiin kehittää ja myymälöiden energiataloutta parantaa. Johtopäätökset sekä jatkotoimenpide-ehdotukset tehtiin koekohteista saatujen mittaustulosten sekä laskennallisten tavoitekulutusten perusteella. Tutkimus koski alle 400 m2 päivittäistavarakauppoja, joita Suomessa oli vuoden 2002 lopussa 3 011 kappaletta. Tutkimuksessa koekohteina toimineet kaksi Siwa-myymälää kuuluvat yli 450 Suomessa toimivan Siwan myymäläketjuun. Koekohteista saatujen tutkimustulosten pohjalta energiansäästötoimenpiteitä voidaan kohdistaa myös muihin Siwa-myymälöihin, jolloin energiansäästöt kasvavat huomattaviksi. Koekohteissa kylmälaitteiden osuus sähköenergiankulutuksesta oli merkittävin. Lämmönkulutuksissa suurten erojen syynä olivat koekohteiden erilaiset lauhdelämmöntalteenottojärjestelmät. Tehokkaalla lauhdelämmön talteenotolla onkin suuri merkitys myymälöiden energiatalouteen. Tulevaisuudessa elektronisten ohjausjärjestelmien käyttö tulee lisääntymään pienissä päivittäistavarakaupoissa. Ohjausjärjestelmällä saavutettavia etuja ovat energiankulutuksen minimointi, lämpötilojen tarkempi säätö- ja valvonta, lämpötilojen rekisteröinti ja kaukovalvonta. Muita myymälän energiatalouden kannalta tärkeitä tekijöitä ovat lauhdelämmön talteenotto, määräajoin tapahtuvat laitehuollot, kylmäntarpeen minimointi, energiatehokkaiden kylmäkalusteiden käyttö sekä kylmäkalusteet huomioiva myymäläsuunnittelu.

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.

Adsorptiojäähdyttimen käytön kannattavuus kaukolämpöjärjestelmässä

Vantaa Energy has decided to find out the district cooling business opportunities in Vantaa. One reason for starting up the cooling business is Vantaa Energy's waste-to-energy power plant which is under construction. In the future, especially in the summer time there is an oversupply of district heating because of the new power plant. The cooling using the district heat could be one way to increase the consumption of district heat in the summer. This thesis examines the use of adsorption cooling profitability. Adsorption refrigerator is a machine which uses heat as the driving energy. At Vantaa Energy's case, district heat produced at cogeneration plants would be used. The literature section of this thesis includes descriptions of district cooling, building cooling demand, as well as different ways to produce cooling energy. A tool for profitability calculations was made. It shows the payback period, internal rate of return and net present value of different projects. Based on the calculations adsorption refrigeration is not profitable. This is primarily due to the high price of the adsorption refrigerator. Payback periods become long even when the used heat energy is free. In addition, the lack of availability of the refrigerators and operating experience could become a partial barrier to the use of technology even if the investment would become profitable.

Kaksivaiheisen lämmöntalteenottoprosessin soveltuvuus poistoilmanvaihtoiseen kerrostaloon

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella perinteistä poistoilmanvaihtoa käyttävän kerrostalon lämmöntalteenottoa menetelmällä, joka yhdistää poistoilmalämpöpumpun ja maalämpöpumpun toiminnat. Nostamalla maalämpöpumpulle tulevan veden lämpötilaa saadaan nostettua järjestelmän COP-arvoa, jolla on suuri merkitys laitteen energiateknisen toiminnan kannalta. Laskelmat tehtiin Suomen rakennusmääräyskokoelman ohjeiden mukaisesti käyttämällä MX6- energiaohjelmaa sekä simuloimalla kylmäprosessia. Tulokset yhdistettiin taulukkolaskentaohjelmassa, ja näin saatiin teoreettinen säästölaskelma, joka perustuu arvioituun kuukausittaiseen energian keskikulutukseen, ts. taseeseen. Työssä todettiin, että poistoilmalämpöpumppu saattaisi kuluttaa poistoilman lämmöntalteenotossa liikaa sähköä, työssä tarkoitetulla tavalla. Kulutus olisi enemmän kuin maalämpöpumpun COP-arvon parantamisella saatava rahallinen hyöty. Koneellisen poistoilman välittämän energian tehokas käyttö on kuitenkin yksi mahdollisuus säästää maalämpöreikien poraamisessa, jos kerrostalossa harkittaisiin kokonaan maalämpöön siirtymistä.

Kylmälaitekoneikon runkorakenteen kehittäminen

Kylmälaitekoneikot ovat kylmäkomponentteja sisältäviä rakenteita, joiden avulla toteutetaan suurten tilojen, kuten elintarvikemyymälöiden sisäilman jäähdytys. Lisäksi koneikkojen avulla jäähdytetään matalampiin lämpötiloihin pienempiä kylmähuoneita. Osa koneikoista ottaa talteen kylmäprosessissa syntyvän lämmön, jota hyödynnetään tilojen lämmityksessä. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja mitoittaa kahdeksalle eri kylmälaitekoneikolle entistä kustannustehokkaammat runkorakenteet, jotka ovat niin kestäviä, että koneikkoja on mahdollista pinota tilan säästämiseksi kolme päällekkäin. Lisäksi runkorakenteilta vaadittiin helppoa kuljetettavuutta, hyviä kiinnitysominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä. Aluksi työssä selvitettiin runkorakenteisiin kohdistuvat vaatimukset, jonka jälkeen materiaalin valinta tehtiin materiaaliin kohdistuvien vaatimusten perusteella. Rakenteiden palkit mitoitettiin tarvittavan taivutusvastuksen ja kiepahduksen mukaan. Pilarit puolestaan mitoitettiin nurjahduksen ja kaksiaksiaalisen taivutustilan perusteella. Tämän jälkeen mitoitettiin eri sauvojen väliset hitsi- ja ruuviliitokset siten, että rakenne hajoaa ylikuormitustilanteessa mahdollisimman turvallisesti. Työssä tehdyt laskelmat varmennettiin elementtimenetelmän avulla ja lopullisille rakenteille tehtiin elementtimenetelmällä vielä ominaistaajuusanalyysejä. Lopuksi työssä suunniteltiin runkorakenteille sopiva korroosionsuojaus.