Development of Special Pumps Repair Process

Tässä diplomityössä käsitellään erikoispumppujen korjausprosessia teollisuuspumppujen korjauksiin erikoistuneessa konepajassa. Työn pääasiallinen tarkoitus on tuotantoprosessin kehittäminen ja tuotantovaiheiden esitteleminen. Tavoitteen taustalla on pyrkimys entisestään parantaa palvelukykyä ja asiakastyytyväisyyttä.Kolme eri keinoa päätavoitteen saavuttamiseksi ovat tuotannon suunnittelun ja ohjauksen kehittäminen, työssä käsiteltyjen pumpputyyppien korjausprosessien läpäisyaikojen lyhentäminen sekä korjausvaiheiden määrittely ja esittely vaihe vaiheelta. Työssä käsiteltyjä erikoispumpputyyppejä ovat imupumput, monijaksopumput sekä pysty/potkuripumput.Tuotannonsuunnittelun ja -ohjauksen kehittämiseksi sekä läpäisyaikojen lyhentämiseksi työssä etsittiin vaihtoehtoisia toimintatapoja. Kolmas tavoite, eli korjausvaiheiden määrittely, toteutettiin esittelemällä korjausprosessin vaiheet käsitellyillä pumpputyypeillä.Tuloksena saatiin keinoja tuotannon suunnittelun ja hallinnan kehittämiseksi. Useimmat keinot koskevat toimintatapojen selkiyttämistä. Myös keinoja läpäisyaikojen lyhentämiseksi löydettiin. Tietyllä imupumpputyypillä ja -koolla läpäisyajan lyheneminen oli 25 % ja osalla monijaksopumpuista jopa 75 %. Tulokset saavutetaan varastoimalla tiettyjä komponentteja, joilla on pitkä valmistus- tai korjausaika. Pysty/potkuripumppujen korjauksen läpäisyaikaa ei saatu lyhennettyä työn rajausten puitteissa Näiden tulosten lisäksi korjausprosessin toimintatavat määriteltiin.

Testing of Vacuum Drum Filter

Tämän diplomityön tavoitteena oli testata ja optimoida erään alipainerumpusuodattimen toimivuutta, ja lisäksi maksimoida tuottavuus ja vertailla erilaisten pesumenetelmientehokkuutta. Testilietteiden ¿ rautarikasteen ja täyteainepastan ¿ karakterisointi oli myös tärkeää. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin lyhyesti neste-kiintoaine-erotuksen teoriaa, erityisesti alipainesuodatusta ja alipainerumpusuodattimia. Lisäksi käsiteltiin kapillaarisuodatuksen toimintaperiaatteita sekä selvitettiin kaivosteollisuuden veden talteenottokeinoja, kiintoainejäämien käsittelymenetelmiä ja Chilen kaivosteollisuuden nykytilaa. Työn kokeellinen osa suoritettiin käyttämällä raskaita ja kiintoainepitoisuuksiltaan korkeita lietteitä, eli rautarikastetta ja täyteainepastaa. Kokeet suoritettiin erityisellä alipainerumpusuodattimella, joka oli muokattu perinteisestäpäältä syötettävästä alipainerumpusuodattimesta. Kokeissa tutkittiin pyörimisnopeuden ja erilaisten pesumenetelmien vaikutusta kakun kosteuteen ja suodatuskapasiteettiin. Koelietteiden karakterisointi suoritettiin analysoimalla partikkelikokojakauma, kiintoainepitoisuus, metallipitoisuus ja koostumus. Kokeiden perusteella havaittiin, että rummun pyörimisnopeudella ja lietteen kiintoainepitoisuudella on merkittävä vaikutus suodatuskapasiteettiin ja kakun kosteuspitoisuuteen. Havaittiin myös, että kakun kosteuspitoisuuksissa ja rummun suodatuskapasiteeteissa oli eroja, kun verrattiin eri suodatinväliaineen pesumenetelmiä. Täten oikean pesumenetelmän valinta on tärkeää, ja sillä pystytään lisäämään suodatinväliaineen käyttöikää.

Keskinopeusalueella toimivan induktiomoottori - puhallinkäytön suorituskyvyn mittaus alipainekäytössä

Keskinopeusalueella toimivaa massiiviroottorista epätahtimoottoria voidaan käyttää teollisissa puhaltimissa, joissa on tärkeää saavuttaa normaalia korkeampi pyörimisnopeus ja paine-ero. Usein tällaisella puhaltimella saavutetaan parempi hyötysuhde ja säädettävyys kuin vanhoilla volumetrisilla pumpuilla. Paperikoneiden vedenpoistossa käytetty alipaineen tuotto muodostaa erään sovelluskohteen tällaiselle puhallinkäytölle. Työssä esitellään tällaiseen sovelluskohteeseen suunnitellun puhaltimen ja sitä käyttävän massiiviroottorisen epätahtikoneen testausmenetelmät niiden ominaisuuksien määrittämiseksi, sekä siihen tarvittavan mittalaitteiston vaatimukset. Puhaltimen osalta esitetään täydellinen laskenta perustuen LTKK:ssa 20.10.2000 - 27.10.2000 välisenä aikana suoritettuun puhaltimen testiajoon.

Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.

Novel Robot Solutions for Carrying out Field Joint Welding and Machining in the Assembly of the Vacuum Vessel of ITER

It is necessary to use highly specialized robots in ITER (International Thermonuclear Experimental Reactor) both in the manufacturing and maintenance of the reactor due to a demanding environment. The sectors of the ITER vacuum vessel (VV) require more stringent tolerances than normally expected for the size of the structure involved. VV consists of nine sectors that are to be welded together. The vacuum vessel has a toroidal chamber structure. The task of the designed robot is to carry the welding apparatus along a path with a stringent tolerance during the assembly operation. In addition to the initial vacuum vessel assembly, after a limited running period, sectors need to be replaced for repair. Mechanisms with closed-loop kinematic chains are used in the design of robots in this work. One version is a purely parallel manipulator and another is a hybrid manipulator where the parallel and serial structures are combined. Traditional industrial robots that generally have the links actuated in series are inherently not very rigid and have poor dynamic performance in high speed and high dynamic loading conditions. Compared with open chain manipulators, parallel manipulators have high stiffness, high accuracy and a high force/torque capacity in a reduced workspace. Parallel manipulators have a mechanical architecture where all of the links are connected to the base and to the end-effector of the robot. The purpose of this thesis is to develop special parallel robots for the assembly, machining and repairing of the VV of the ITER. The process of the assembly and machining of the vacuum vessel needs a special robot. By studying the structure of the vacuum vessel, two novel parallel robots were designed and built; they have six and ten degrees of freedom driven by hydraulic cylinders and electrical servo motors. Kinematic models for the proposed robots were defined and two prototypes built. Experiments for machine cutting and laser welding with the 6-DOF robot were carried out. It was demonstrated that the parallel robots are capable of holding all necessary machining tools and welding end-effectors in all positions accurately and stably inside the vacuum vessel sector. The kinematic models appeared to be complex especially in the case of the 10-DOF robot because of its redundant structure. Multibody dynamics simulations were carried out, ensuring sufficient stiffness during the robot motion. The entire design and testing processes of the robots appeared to be complex tasks due to the high specialization of the manufacturing technology needed in the ITER reactor, while the results demonstrate the applicability of the proposed solutions quite well. The results offer not only devices but also a methodology for the assembly and repair of ITER by means of parallel robots.

Savings Calculator for Centrifugal Pumps

Centrifugal pumps are one of the major energy consuming end-devices in developed coun-tries both in industrial and services sectors. According to recent studies, even 30 % of the energy used in pumping systems could be saved by more careful choosing of devices and system design. One of the most efficient and affordable ways to decrease the energy con-sumption of the pumping system is to substitute traditionally used flow control methods, like valve control, with modern variable speed drive (VSD) control. In this thesis, Microsoft Excel based program, Savings Calculator for Centrifugal Pumps (SCCP), is designed. SCCP calculates the achievable energy and financial savings when throttle control is substituted by VSD control in the pumping system. Compared to the sim-ilar existing programs, the goal is to make SCCP calculations more accurate and require less input information. Also some useful additional features are added to the designed program to make it more user friendly. The reliability of the calculations of designed program seem to vary depending on case. The results are corresponding accurately to the laboratory measurements, but there occurs high deviations in some cases, when the results are compared to the pump information specified by manufacturer. On the basis of verification in this thesis, SCCP seems to be at least as accurate as similar existing programs and it can be used as help in investment decision whether to have VSD or not.

Slurry flows in progressive cavity and in hose pumps

The aim of this thesis was to research how slurry’s viscosity and rheology affect to pumping in peristaltic hose pump and in eccentric progressive cavity pump. In addition, it was researched the formed pressure pulsation in hose pump. Pressure pulsation was studied by pumping different slurries and by using different pipe materials. Pressure and power curves were determined for both used pumps. It was also determined NPSHR curve for the progressive cavity pump. Literature part of the thesis considered to distribute fluids to different rheology types, as well as theories and models to identify different rheology types. Special attention was paid to non-Newtonian fluids, which were also used in experimental part of this thesis. In addition, the literature part discusses about pumps, parameters for pump sizing, and pressure pulsation in hose pump. Starch, bentonite, and carboxymethyl cellulose slurries were used in the experimental part of this thesis. The slurries were pumped with Flowrox peristaltic hose pump (LPP-T32) and eccentric progressive cavity pump (C10/10). From the each slurry was taken a sample, and the samples were analyzed for concentration, viscosity and rheology type. The used pipe materials in pressure pulsation experiments were steel and elastic, and it was also used a prototype of pulsation dampener. The pulsation experiments indicated that the elastic pipe and the prototype of pulsation dampener attenuated pressure pulsation better than the steel pipe at low pressure levels. The differences between different materials disappeared when pressure level and pump rotation speed increased. In slurry experiments, pulsation was different depending on rheology and viscosity of the slurry. According to experiments, the rheology did not significantly affect to pump power consumption or efficiency.

Comparison of Model-Based Flow Rate Estimation Methods in Frequency-Converter-Driven Pumps and Fans

Fluid handling systems such as pump and fan systems are found to have a significant potential for energy efficiency improvements. To deliver the energy saving potential, there is a need for easily implementable methods to monitor the system output. This is because information is needed to identify inefficient operation of the fluid handling system and to control the output of the pumping system according to process needs. Model-based pump or fan monitoring methods implemented in variable speed drives have proven to be able to give information on the system output without additional metering; however, the current model-based methods may not be usable or sufficiently accurate in the whole operation range of the fluid handling device. To apply model-based system monitoring in a wider selection of systems and to improve the accuracy of the monitoring, this paper proposes a new method for pump and fan output monitoring with variable-speed drives. The method uses a combination of already known operating point estimation methods. Laboratory measurements are used to verify the benefits and applicability of the improved estimation method, and the new method is compared with five previously introduced model-based estimation methods. According to the laboratory measurements, the new estimation method is the most accurate and reliable of the model-based estimation methods.

A Numerical study of fluid flow in peristaltic pumps and polymeric elastic pipes

This thesis work deals with a mathematical description of flow in polymeric pipe and in a specific peristaltic pump. This study involves fluid-structure interaction analysis in presence of complex-turbulent flows treated in an arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) framework. The flow simulations are performed in COMSOL 4.4, as 2D axial symmetric model, and ABAQUS 6.14.1, as 3D model with symmetric boundary conditions. In COMSOL, the fluid and structure problems are coupled by monolithic algorithm, while ABAQUS code links ABAQUS CFD and ABAQUS Standard solvers with single block-iterative partitioned algorithm. For the turbulent features of the flow, the fluid model in both codes is described by RNG k-ϵ. The structural model is described, on the basis of the pipe material, by Elastic models or Hyperelastic Neo-Hookean models with Rayleigh damping properties. In order to describe the pulsatile fluid flow after the pumping process, the available data are often defective for the fluid problem. Engineering measurements are normally able to provide average pressure or velocity at a cross-section. This problem has been analyzed by McDonald's and Womersley's work for average pressure at fixed cross section by Fourier analysis since '50, while nowadays sophisticated techniques including Finite Elements and Finite Volumes exist to study the flow. Finally, we set up peristaltic pipe simulations in ABAQUS code, by using the same model previously tested for the fl uid and the structure.

Listeria monocytogenes -bakteerin esiintyminen vähittäiskaupan vakuumipakatuissa kalatuotteissa

Abstract: Listeria monocytogenes in vacuum-packed fish products in the retail market

Performance Characteristics of an Axial-Flux Solid-Rotor-Core Induction Motor

The integration of electric motors and industrial appliances such as pumps, fans, and compressors is rapidly increasing. For instance, the integration of an electric motor and a centrifugal pump provides cost savings and improved performance characteristics. Material cost savings are achieved when an electric motor is integrated into the shaft of a centrifugal pump, and the motor utilizes the bearings of the pump. This arrangement leads to a smaller configuration that occupies less floor space. The performance characteristics of a pump drive can be improved by using the variable-speed technology. This enables the full speed control of the drive and the absence of a mechanical gearbox and couplers. When using rotational speeds higher than those that can be directly achieved by the network frequency the structure of the rotor has to be mechanically durable. In this thesis the performance characteristics of an axial-flux solid-rotor-core induction motor are determined. The motor studied is a one-rotor-one-stator axial-flux induction motor, and thus, there is only one air-gap between the rotor and the stator. The motor was designed for higher rotational speeds, and therefore a good mechanical strength of the solid-rotor-core rotor is required to withstand the mechanical stresses. The construction of the rotor and the high rotational speeds together produce a feature, which is not typical of traditional induction motors: the dominating loss component of the motor is the rotor eddy current loss. In the case of a typical industrial induction motor instead the dominating loss component is the stator copper loss. In this thesis, several methods to decrease the rotor eddy current losses in the case of axial-flux induction motors are presented. A prototype motor with 45 kW output power at 6000 min-1 was designed and constructed for ascertaining the results obtained from the numerical FEM calculations. In general, this thesis concentrates on the methods for improving the electromagnetic properties of an axial-flux solid-rotor-core induction motor and examines the methods for decreasing the harmonic eddy currents of the rotor. The target is to improve the efficiency of the motor and to reach the efficiency standard of the present-day industrial induction motors equipped with laminated rotors.

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.

Komposiittipakkausrakenteen valmistustekninen selvitys

Diplomityö on tehty Exel Oyj:lle tuotekehityprojektina. Tarkoituksena on kehittää Exel Oyj:n valmistamaa komposiittipakkausrakennetta. Työssä on keskitytty valmistustekniseen selvitykseen komposiittirakenteen teollisen mittakaavan tuotannossa. Työssä selvitettiin erilaisten tuoterakenteiden valmistettavuutta sekä suoritettiin kyseisen tuotteen vaatimusprofiilin mukaisia testejä valituille rakennevaihtoehdoille. Pakkausrakenteelle asetettuja vaatimuksia ovat mm. kuljetusvaatimukset, jotka määräytyvät lähinnä NATO standardien pohjalta. Lisäksi tuotteelta vaaditaan tiettyä pitkäaikaiskestoa käsittelyn kannalta sekä soveltuvuutta vallitseviin ilmasto-olosuhteisiin. Vaatimusten mukaisia ominaisuuksia tutkittiin lisäksi mm. ballistisilla ja mekaanisilla testeillä sekä kaasuläpäisytesteillä. Testien pohjalta voidaan todeta, etteivät perinteisen alipaineinjektoidun komposiittituotteen ballistiset ominaisuudet ole riittävällä tasolla suojatuotetta ajatellen. Ballististen ja mekaanisten testien kesken havaittiin joitain yhtäläisyyksiä ja tämä vaikuttaa olevan nimenomaan mekaanisesti optimoidun komposiitin ominaisuus. DI-työn lopputuloksena on saatu selkeä kuva pakkausrakenteen materiaalivaihtoehtojen soveltuvuudesta kyseiselle tuotteelle. Lisäksi pakkausrakenteelle on ehdotettu neljä erilaista tuotesuunnitelmaan, niiden valmistustekniikat sekä lopputuotteen kustannusarviointi.

Pohjaöljyn käsittely

Diplomityön tarkoituksena oli tutkia Naantalin jalostamolle soveltuvaa pohjaöljyn käsittely-yksikköä syntyvän raskaan polttoöljyn määrän vähentämiseksi. Kirjallisuusosassa tutkittiin eri prosessivaihtoehtoja pohjaöljyn käsittelylle. Prosesseista selvitettiin käytettävät syötöt, prosessiolosuhteet, saatavat tuotteet ja niiden saannot sekä prosessin investointi- ja käyttökustannukset. Lisäksi tutkittiin tuotteiden käyttökohteita ja niiden vaatimia jatkokäsittelyjä. Työn tutkimusosassa valittiin tarkasteltavaksi prosessiksi ylikriittinen uutto, deasfaltointi. Työssä tarkasteltiin uuttoyksikön eri kytkentävaihtoehtoja Naantalin jalostamolle ja valittiin käytettävät uuttoprosentit ja liuottimet. Yksiköstä saataville tuotteille laskettiin aineominaisuudet. Deasfaltoidun öljyn käsittelyyn suunnitelluille katalyyttisille krakkausyksiköille tehtiin saantoarviot ja laskettiin massataseet. Deasfaltointiyksikön pohjatuotteena saatavan asfalteenirikasteen jatkokäsittelyssä tutkittiin bitumin, raskaan ja erikoisraskaan polttoöljyn sekä bitumikomponentin valmistusta. Vaihtoehdoista laskettiin massataseet ja tuotteiden aineominaisuudet. Prosessivaihtoehdoista tehtiin kannattavuustarkastelu vuotuisten käyttökatteiden perusteella, joita verrattiin nykyiseen jalostamorakenteeseen perustuvaan perus-tapaukseen. Lopuksi tehtiin yhteenveto ja annettiin ehdotuksia jatkotutkimuksille.

Uuteaineiden on-line-mittaus koivusulfaattisellutehtaalla

Tämän työn tarkoituksena oli tutkia pihkanhallintaa sulfaattisellutehtaalla ja uuteaineiden analysointimenetelmiä massasta ja suodoksesta. Tavoitteena oli kehittää uuteaineiden on-line mittausmenetelmä sulfaattisellutehtaalle. Kirjallisuusosassa esitettiin sulfaattisellun valmistusprosessi ja uuteaineiden käyttäytyminen prosessissa. Lisäksi työssä käsiteltiin tärkeimpiä pihkanhallintamenetelmiä ja uuteaineiden analysointia. Kokeellisessa osassa määritettiin uuteainepitoisuudet 29:stä massa- ja pesusuodosnäytteestä. Lisäksi suodosnäytteiden sameus ja kemiallinen hapenkulutus määritettiin laboratoriossa. On-line mittaukset tehtiin DD-pesurin paluusuodoksesta, josta mitattiin johtokyky, lämpötila, taitekerroin ja pH. Sameutta yritettiin mitata on-line nefelometrillä, mutta käytössä ollut laite ei soveltunut tumman suodoksen mittaamiseen. Työssä saatujen tulosten perusteella voidaan todeta, että pesusuodoksen ominaisuuksia mittaamalla ei voida arvioida massan uutepitoisuutta luotettavasti. Suodoksen ja massan uutepitoisuuksien välinen selitysaste oli 54%. Saippuoitumattomien uuteaineiden pitoisuuden ollessa erityisen suuri, suodoksen uutepitoisuus ei korreloi massassa olevan uutteen määrän kanssa. Täten kyseinen mittausmenetelmä ei ole sopiva, sillä se ei toimi silloin, kun olisi tärkeintä tietää oikea uuteainepitoisuus pihkanhallintakemikaalien annosten määrittämiseksi. Suodoksen sameus riippui sen uutepitoisuudesta 80% selitysasteella. Sameusmittaus on nopea ja suhteellisen luotettava menetelmä suodosten uutepitoisuuksien arviointiin, mutta se vaatii mittalaitteen joka käyttää usean ilmaisimen tekniikkaa. On-line-mittauksissa laitteisto tulisi varustaa automaattisella pesulaitteella, sillä mittarin linssit likaantuvat helposti prosessivirrassa.