Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

Impingement jet cooling of end windings in a high-speed electric machine

The rotational speed of high-speed electric machines is over 15 000 rpm. These machines are compact in size when compared to the power rate. As a consequence, the heat fluxes are at a high level and the adequacy of cooling becomes an important design criterion. In the high-speed machines, the air gap between the stator and rotor is a narrow flow channel. The cooling air is produced with a fan and the flow is then directed to the air gap. The flow in the gap does not provide sufficient cooling for the stator end windings, and therefore additional cooling is required. This study investigates the heat transfer and flow fields around the coil end windings when cooling jets are used. As a result, an innovative and new assembly is introduced for the cooling jets, with the benefits of a reduced amount of hot spots, a lower pressure drop, and hence a lower power need for the cooling fan. The gained information can also be applied to improve the cooling of electric machines through geometry modifications. The objective of the research is to determine the locations of the hot spots and to find out induced pressure losses with different jet alternatives. Several possibilities to arrange the extra cooling are considered. In the suggested approach cooling is provided by using a row of air jets. The air jets have three main tasks: to cool the coils effectively by direct impingement jets, to increase and cool down the flow that enters the coil end space through the air gap, and to ensure the correct distribution of the flow by forming an air curtain with additional jets. One important aim of this study is the arrangement of cooling jets in such manner that hot spots can be avoided to wide extent. This enables higher power density in high-speed motors. This cooling system can also be applied to the ordinary electric machines when efficient cooling is needed. The numerical calculations have been performed using a commercial Computational Fluid Dynamics software. Two geometries have been generated: cylindrical for the studied machine and Cartesian for the experimental model. The main parameters include the positions, arrangements and number of jets, the jet diameters, and the jet velocities. The investigated cases have been tested with two widely used turbulence models and using a computational grid of over 500 000 cells. The experimental tests have been made by using a simplified model for the end winding space with cooling jets. In the experiments, an emphasis has been given to flow visualisation. The computational analysis shows good agreement with the experimental results. Modelling of the cooling jet arrangement enables also a better understanding of the complex system of heat transfer at end winding space.

Improvements in Air Intake on Frame 6 Gas Turbines

Työssä tarkastellaan kahta kaasuturbiinin imuilman sisäänottojärjestelmän kehitysmenetelmää, imuilman jäähdytystä ja sähköstaattista suodatusta. Imuilman jäähdytysmenetelmien tarkastelussa käytettiin kahta kaasuturbiinin tehonlisäystekniikoiden laskentatyökalua. Arviointi kohdistettiin Glanford Brigg Generating Station -voimalaitoksen kaasuturbiinityyppiin ja paikallisiin englantilaisiin ilmasto-olosuhteisiin. Tarkastelussa olivat kostutusjäähdytys ja overspray. Tuloksia vertailtiin keskenään ja näiden perusteella arvioitiin menetelmien vaikutuksia tehoon, hyötysuhteeseen sekä veden kulutukseen. Sähköstaattisen suodattimen prototyyppi oli rakennettu Briggin voimalaitokselle. Järjestelmää kehitetään kaupalliseksi tuotteeksi ja tätä varten kerättiin tekninen dokumentaatio kokonaisuudeksi, jota voitiin hyödyntää tuotteistusprosessissa. Imuilman jäähdyttämisellä voidaan saavuttaa merkittävä tehonlisäys ilmasto-olosuhteista riippuen. Menetelmällä voidaan myös tasata lämpötilan vuorokausi-vaihtelusta aiheutuvia tehoeroja. Sähköstaattisen suodattimen prototyyppi saavutti kehitysvaiheelle asetetut tavoitteet. Sähköstaattinen suodatus tarjoaa useita etuja perinteiseen mekaaniseen suodatukseen verrattuna.

Liquid cooling solutions for rotating permanent magnet synchronous machines

In the design of electrical machines, efficiency improvements have become very important. However, there are at least two significant cases in which the compactness of electrical machines is critical and the tolerance of extremely high losses is valued: vehicle traction, where very high torque density is desired at least temporarily; and direct-drive wind turbine generators, whose mass should be acceptably low. As ever higher torque density and ever more compact electrical machines are developed for these purposes, thermal issues, i.e. avoidance of over-temperatures and damage in conditions of high heat losses, are becoming of utmost importance. The excessive temperatures of critical machine components, such as insulation and permanent magnets, easily cause failures of the whole electrical equipment. In electrical machines with excitation systems based on permanent magnets, special attention must be paid to the rotor temperature because of the temperature-sensitive properties of permanent magnets. The allowable temperature of NdFeB magnets is usually significantly less than 150 ˚C. The practical problem is that the part of the machine where the permanent magnets are located should stay cooler than the copper windings, which can easily tolerate temperatures of 155 ˚C or 180 ˚C. Therefore, new cooling solutions should be developed in order to cool permanent magnet electrical machines with high torque density and because of it with high concentrated losses in stators. In this doctoral dissertation, direct and indirect liquid cooling techniques for permanent magnet synchronous electrical machines (PMSM) with high torque density are presented and discussed. The aim of this research is to analyse thermal behaviours of the machines using the most applicable and accurate thermal analysis methods and to propose new, practical machine designs based on these analyses. The Computational Fluid Dynamics (CFD) thermal simulations of the heat transfer inside the machines and lumped parameter thermal network (LPTN) simulations both presented herein are used for the analyses. Detailed descriptions of the simulated thermal models are also presented. Most of the theoretical considerations and simulations have been verified via experimental measurements on a copper tooth-coil (motorette) and on various prototypes of electrical machines. The indirect liquid cooling systems of a 100 kW axial flux (AF) PMSM and a 110 kW radial flux (RF) PMSM are analysed here by means of simplified 3D CFD conjugate thermal models of the parts of both machines. In terms of results, a significant temperature drop of 40 ̊C in the stator winding and 28 ̊C in the rotor of the AF PMSM was achieved with the addition of highly thermally conductive materials into the machine: copper bars inserted in the teeth, and potting material around the end windings. In the RF PMSM, the potting material resulted in a temperature decrease of 6 ̊C in the stator winding, and in a decrease of 10 ̊C in the rotor embedded-permanentmagnets. Two types of unique direct liquid cooling systems for low power machines are analysed herein to demonstrate the effectiveness of the cooling systems in conditions of highly concentrated heat losses. LPTN analysis and CFD thermal analysis (the latter being particularly useful for unique design) were applied to simulate the temperature distribution within the machine models. Oil-immersion cooling provided good cooling capability for a 26.6 kW PMSM of a hybrid vehicle. A direct liquid cooling system for the copper winding with inner stainless steel tubes was designed for an 8 MW directdrive PM synchronous generator. The design principles of this cooling solution are described in detail in this thesis. The thermal analyses demonstrate that the stator winding and the rotor magnet temperatures are kept significantly below their critical temperatures with demineralized water flow. A comparison study of the coolant agents indicates that propylene glycol is more effective than ethylene glycol in arctic conditions.

Plasmapolttoprosessin kehittäminen ja optimointi

Ydinvoimaloidenprimaarivesikierron puhdistukseen käytetään ioninvaihtohartsia. Käytönjälkeen ioninvaihtohartsi luokitellaan matalaja keskiaktiivisiin jätteisiin. Plasmakäsittelyllä käytetyn ioninvaihtohartsin tilavuutta voidaan pienentää sekä sen orgaaninen luonne poistaa. Plasmakäsittelyn tarkoituksena on hapettaa orgaaninen aines oksideiksi, jotka poistuvat prosessista savukaasuina. Epäorgaaninen aines, joka sisältää radioaktiivisen aineksen, on tarkoitus hapettaa oksideiksi ja sulfideiksi, jotka voidaan kerätä talteen tuhkana. Tässä diplomityössä käsitellään käytetyn ioninvaihtohartsin käsittelyyn suunnitellun plasmapolttoprosessin kehittämistä ja optimointia. Ioninvaihtohartsin plasmakäsittelyssä syntyvien reaktiotuotteiden selvittäminen suoritettiin tarkastelemalla ainetaseita sekä aihetta käsitteleviä tutkimuksia. Näiden perusteella parannettiin jäähdytystä, suunniteltiin jatkuvatoiminen syöttömenetelmä sekä laadittiin toimintaalueen reunaehdot laitteistolle. Koelaitteistossa 6,5 kW:n rfteho syötetään sovitinpiirin ja kuparisen induktiokelan kautta plasmaan. Plasmakaasuna on käytetty hapenja argonin seoskaasua. Plasmapolttoa on seurattu massaspektrometrilla, optisella emissiospektrometrilla, lämpösekä painemittareilla. Laskennan ja kokeiden pohjalta selvitettiin optimaalinen seossuhde plasmakaasulle, paineen ja tehon noston vaikutus hartsin polttonopeuteen sekä jatkuvatoimisen syöttömenetelmän edut panostoimiseen syöttöön. Rfgeneraattorin teho rajoitti jatkuvatoimisen polttonopeuden 130 g/h ja hetkellisen polttonopeuden 175 g/h. Radioaktiivisten aineiden pidätys oli 93,5 % cesiumin osalta. Tulosten perusteella 4 kg/h ioninvaihtohartsia polttavan laitteiston tehon lähteeksi tarvitaan 65 kW rfgeneraattori. Palamattoman hartsin ja tuhkan kulkeutuminen partikkelisuodattimille sekä reaktiotuotteena syntyvien rikinoksidien käsittely vaatii vielä jatkotutkimusta.

Jäähdytysjärjestelmän vaikutus kiinteistön elinkaaren aikaisiin tuottoihin

Ilmastoinnin jäähdytys yleistyy toimisto- ja hotellikiinteistöissä jatkuvasti. Perinteinen tapa tuottaa jäähdytysenergia on kiinteistökohtainen vedenjäähdytysjärjestelmä. Helsingissä on ollut vuodesta 2000 lähtien mahdollista liittyä Helsingin energian kaukojäähdytysverkostoon. Jäähdytysjärjestelmien ominaisuudet poikkeavat toisistaan ja niistä aiheutuu kiinteistönomistajalle erilaisia kustannuksia. Kiinteistöstä saataviin tuottoihin vaikuttaa kustannusten lisäksi vuokralaisen tyytyväisyys. Tämän vuoksi työssä selvitettiin vuokralaisen tarpeet jäähdytysjärjestelmälle haastattelemalla vuokralaisen edustajia. Tässä diplomityössä vertaillaan kaukojäähdytyksen ja kiinteistökohtaisen jäähdytysjärjestelmän kustannuksia, sekä vaikutuksia kiinteistön elinkaarituottoihin kiinteistönomistajan näkökulmasta. Kerättyjen kustannusten perusteella suoritetaan elinkaarikustannuslaskenta GaBi-ohjelmalla. Vuokralaisen tarpeista jäähdytysjärjestelmälle tunnistetaan olennaisiksi toimintavarmuus, ympäristöystävällisyys sekä hiljainen äänitaso. Nämä ovat lisäarvotekijöitä, joille työssä määritetään painoarvo ja jotka huomioidaan laskennassa. Diplomityö osoitti kaukojäähdytyksen kannattavaksi vaihtoehdoksi kiinteistökohtaiselle järjestelmälle, kun huomioidaan hankinta- ja käyttökustannusten lisäksi asennustöiden, käyttöönoton, huollon ja kunnossapidon sekä loppusijoituksen kustannukset. Myös valikoituneet lisäarvotekijät puoltavat kaukojäähdytystä ja niiden kompensointi lisää kiinteistökohtaisen järjestelmän kustannuksia.

Discovering New Markets for an Industrial Product – International Market Selection Approach

Tämän tutkielman tavoitteena oli määrittää uuden markkinan valinnan perusteita teolliselle tuotteelle. Tutkielma keskittyi jo tunnettuihin kansainvälisen markkinavalinnan lähestymistapoihin ja pyrki soveltamaan yhtä menetelmää käytäntöön tutkielman empiria osassa case-tutkimuksen avulla. Tutkimusote oli tutkiva, eksploratiivinen ja perustui sekundääri analyysiin. Käytetyt tiedon lähteet olivat suureksi osin sekundäärisiä tuottaen kvalitatiivista tietoa. Kuitenkin haastatteluita suoritettiin myös. Kattava kirjallisuus katsaus tunnetuista teoreettisista lähestymistavoista kansainväliseen markkinavalintaan oli osa tutkielmaa. Kolme tärkeintä lähestymistapaa esiteltiin tarkemmin. Yksi lähestymistavoista, ei-järjestelmällinen, muodosti viitekehyksen tutkielman empiria-osalle. Empiria pyrki soveltamaan yhtä ei-järjestelmällisen lähestymistavan malleista kansainvälisessä paperiteollisuudessa. Tarkoituksena oli tunnistaa kaikkein houkuttelevimmat maat mahdollisille markkinointitoimenpiteille tuotteen yhdellä loppukäyttöalueella. Tutkielmassa päädyttiin käyttämään ilmastollisia olosuhteita, siipikarjan päälukua sekä siipikarjan kasvuprosenttia suodattimina pyrittäessä vähentämään mahdollisten maiden lukumäärää. Tutkielman empiria-osa kärsi selkeästi relevantin tiedon puutteesta. Siten myös tutkielman reliabiliteetti ja validiteetti voidaan jossain määrin kyseenalaistaa.

Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi uudessa ajotilanteessa

Diplomityössä kehitetään Savonlinnan kaupungin kaukolämmöntuotantoa ja kaukolämpöverkon käyttöä muuttuneessa ajotilanteessa. Muuttunut tilanne syntyy, kun Savonlinnaan rakennetaan uusi lämmitysvoimalaitos. Kaukolämpöverkkoa yhdistetään samanaikaisesti viidestä erillisestä verkosta yhdeksi kokonaiseksi verkoksi. Kaukolämmöntuotannon ja verkon käytön optimointi suoritettiin Process Vision Oy: n kehittämällä kaukolämpöverkon laskentaohjelmalla. Optimoinnissa pyrittiin saamaan mahdollisimman aikaisin taloudellisin laitos eli uusi hakelaitos täyteen tehoon ja tarvittava lisäteho otettiin öljylämpökeskuksista. Hakelaitoksen käytettävyyttä lisättiin rakentamalla kaukolämpöverkkoon välipumppaamo ja kaukolämpöveden apujäähdytin. Hakelaitosta voidaan käyttää 0°C ulkolämpötilaan asti, mutta kun käytetään apuna välipumppausta voidaan pumppauksellisesti pelkästään hakelaitokselta syöttää tehoa aina 14 °C lämpötilaan asti. Välipumppauksen avulla vuosittain vähennetään öljyn ja lisätään hakkeen polttoa n. 10,4 GWh. Nykyisillä öljyn ja hakkeen hinnoilla säästö vuodessa on n. 887000 mk. Välipumppauksella vähennetään lisäksi kaukolämpöverkon pumppauskustannuksia.

Ydinvoimalaitoksen varalla olevien turvallisuusjärjestelmien määräaikaistestausten riittävyys ja kattavuus

Ydinvoimalaitoksen varalla olevien turvallisuusjärjestelmien tehtävänä on ehkäistä häiriö- ja onnettomuustilanteiden syntyminen sekä lieventää mahdollisen onnettomuuden seurauksia. Jotta saadaan tietoa näiden tärkeiden järjestelmien käyttökunnosta, on suoritettava riittäviä ja kattavia määräaikaistestauksia. Tutkimuksen pääkohteena ovat Olkiluodon voimalaitoksen matala- ja korkeapaineisten hätäjäähdytysjärjestelmien määräaikaistestaukset ja niiden ohjeet. Määräaikaistestauksista arvioidaan niiden kykyä havainnoida vikoja, mahdollisia vikaantumisia testauksissa, testausten taajuutta sekä vastaavuutta järjestelmien suunnitteluperusteena olevaan jäähdytteenmenetysonnettomuuteen (LOCA). Lisäksi selvitetään, mitä hyötyä testausten hajautuksilla ja diversifioinnilla on saavutettu, ja miten niitä tulisi jatkossa soveltaa. Testauksiin liittyviä ohjeita ja menettelyjä arvioidaan tarkastelemalla, täyttävätkö ne viranomaisen asettamat vaatimukset. Tulokseksi syntyi arvio järjestelmien testausten nykytilasta, joka on yleisesti ottaen hyvä. Tähän ovat vaikuttaneet testauksissa esiintyneiden puutteiden korjaaminen ja määräaikaistestausten määräajoin tapahtuvan arvioinnin kehittäminen. Vertailut LO-CA:an tuottivat tyydyttävän tuloksen, koska testausten todettiin olevan riittävän laajat ja vastaavan vuodessa kertyvien rasitusten osalta noin vuorokauden aikaista onnettomuutta lähes kaikilla laitteilla. Suositeltavaa olisi suorittaa pitkäaikaisempaa testausta apusyöttövesijärjestelmän pumpulle. Optimitestausvälin mukaisesti testausvälit ovat tällä hetkellä riittävän tiheät, ja muutamia testauksia pitäisi jopa harventaa. Hajautuksilla on saavutettu huomattava riskin väheneminen, ja nykyisin hajautusta sovelletaan hätäjäähdytysjärjestelmissä laajasti. Joistakin mittalaitteiden testauksista hajautus vielä puuttuu, joten näihin se olisi suositeltavaa lisätä. Järjestelmien testausten diversifiointi on nykyisellään riittävää.

Lentoaseman terminaalirakennuksen energiankäyttö ja sisäilmasto

Diplomityössä tarkasteltiin lentoaseman terminaalirakennuksen energia- ja ainevirtoja sekä sisäilman ominaisuuksia. Esimerkkikohteena oli Helsinki-Vantaan lentoaseman keskiterminaalirakennus, jonka 1. ja 2. rakennusvaiheen ulkovaippa muodosti taserajan. Taseen ulkopuolisista tekijöistä tarkasteltiin jäähdytysenergian tuotantoa ja ulkoilman laatua. Työn yhtenä tavoitteena oli muodostaa rakennukselle energiatase. Taseen avulla saatiin tietoa energian jakautumisesta eri toimintoihin ja löydettiin tekijät, joita suunnittelussa tulee painottaa. Terminaalin lähiympäristössä tutkittiin ulkoilman laatua mittausten avulla. Mittaustietoja käytetään apuna tulevaisuuden ilmanottosuunnittelussa. Työssä tarkasteltiin energia- ja ainevirtoina lämpö-, jäähdytys- ja sähköenergian sekä veden ostoa, tuotantoa ja kulutusta sekä prosessointia. Terminaalin lämpötarpeesta hieman yli puolet katettiin kaukolämmöllä. Loput noin 45 % lämpöenergiasta saatiin ns. ilmaisenergioista. Näistä merkittävimmäksi havaittiin sähkölaitteiden luovuttama lämpömäärä. Lämpöhäviöiden kannalta merkittäviä energiavirtoja olivat ilmanvaihdon ja vuotoilmojen kautta siirtyvät energiavirrat, joiden osuuden todettiin olevan noin 80 % terminaalin kokonaislämpöhäviöistä. Vaipan lämmöneristyskyky ja kyky absorboida auringon säteilyä todettiin hyviksi. Tulevaisuudessa tärkeitä suunnittelunäkökohtia tulevat olemaan ilmanvaihdon ja vuotoilman kautta siirtyvien energiavirtojen hallinta sekä sähköenergian ominaiskulutuksen pienentäminen. Ulkoilma todettiin mittauksin hyvätasoiseksi. Lento- ja maaliikenteen päästöarvot olivat lähellä toisiaan ja selvästi ohjearvoja alemmalla tasolla. Päästöjen sijaintiin vaikuttivat liikennemääriä enemmän tuuliolosuhteet. Tulevaisuudessa tuloilma voidaan johtaa terminaaliin yhtä hyvin joko lento- tai maaliikenteen puolelta.

Fischer-Tropsch Slurry Bubble Column Reactor Modeling

The literature part of the work reviews overall Fischer-Tropsch process, Fischer-Tropsch reactors and catalysts. Fundamentals of Fischer-Tropsch modeling are also presented. The emphasis is on the reactor unit. Comparison of the reactors and the catalysts is carried out to choose the suitable reactor setup for the modeling work. The effects of the operation conditions are also investigated. Slurry bubble column reactor model operating with cobalt catalyst is developed by taking into account the mass transfer of the reacting components (CO and H2) and the consumption of the reactants in the liquid phase. The effect of hydrostatic pressure and the change in total mole flow rate in gas phase are taken into account in calculation of the solubilities. The hydrodynamics, reaction kinetics and product composition are determined according to literature. The cooling system and furthermore the required heat transfer area and number of cooling tubes are also determined. The model is implemented in Matlab software. Commercial scale reactor setup is modeled and the behavior of the model is investigated. The possible inaccuraries are evaluated and the suggestions for the future work are presented. The model is also integrated to Aspen Plus process simulation software, which enables the usage of the model in more extensive Fischer-Tropsch process simulations. Commercial scale reactor of diameter of 7 m and height of 30 m was modeled. The capacity of the reactor was calculated to be about 9 800 barrels/day with CO conversion of 75 %. The behavior of the model was realistic and results were in the right range. The highest uncertainty to model was estimated to be caused by the determination of the kinetic rate.

Jäähdytysnestekierron optimointi tuuliturbiinin konvertterikaapistoon

Diplomityössä perehdytään tuuliturbiinin konvertterikaapiston nestekierron tarkasteluun ja mittausten suunnitteluun sitä varten. Tarkastelun tulokset ovat yhdistettävissä konvertterikaapiston ilmapuolen jäähdytykseen, jolloin koko jäähdytysjärjestelmä on katettu. Työn alkupuolella perehdytään lyhyesti nykyhetken tuulivoimaan. Tämän jälkeen tarkastellaan itse konvertterikaapistoa, sen toimintaa sekä nestejäähdytyksen toteutusta komponentteineen. Työn keskimmäisessä osassa konvertterille tehtiin virtaustekninen malli aiempaa mittausdataa hyväksi käyttäen. Tällä mallilla suoritettiin herkkyystarkasteluja ja simuloitiin konvertterikaapiston nestekierron käyttäytymistä yhden tai useamman haaran tukkeutuessa osittain tai kokonaan. Lisäksi suunniteltiin uusi nestekierto. Lopuksi selvitetään mittauksissa tarvittava laitteisto, perehdytään kunkin laitteen toimintaperiaatteeseen sekä selvennetään suositeltavat asennuspaikat ja suojaetäisyydet.

Lattiajäähdytyksen mitoitus ja säätö

Mitoitukseen on olemassa standardoitu laskentamenetelmä, mutta se ei yksistään ole riittävä jäähdytettävän lattiarakenteen suunnitteluun. Rakenteen lämpötilajakaumaa jäähdytystilanteessa tutkittiin lisäksi FDM-ohjelmistolla tehdyillä simuloinneilla. Lattiajäähdytyksessä kosteuden tiivistymisen riski ja mukavuustekijät rajoittavat käytettävissä olevaa lämpötilaa. Saavutettavissa olevan teho on puolestaan suoraan riippuvainen jäähdytettävän tilan ja jäähdyttävän pinnan välisestä lämpötilaerosta. Kirjallisuudesta, standardeista ja aiemmasta tutkimuksesta etsittiin tietoa jäähdytetyn lattian vaikutuksesta asumismukavuuteen sekä kosteusteknisessä mielessä käytettävissä oleva lämpötila-alue. Asuintiloissa lattiapinnan minimilämpötila on 19 °C, millä lattiarakenteesta ja materiaaleista riippuen päästään 20 - 30 W/m2 jäähdytystehoihin. Järjestelmän säätömahdollisuuksia selvitettiin kirjallisuudesta ja vaihtoehtoisia toteutustapoja, sekä niihin tarvittavia komponentteja on esitelty työn loppuosassa.  

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmät. Case: Kaasunerotuslaitteiston evaluointi

Teollisuuden jäähdytysjärjestelmiä tarvitaan prosessien lämpötilan ja paineen hal-litsemiseen. Vesi on käytetyin lämmönsiirtoaine hyvän saatavuutensa, halvan hin-nan ja korkean lämmönsiirtokyvyn ansiosta. Jäähdytysjärjestelmät jaetaan kolmeen päätyyppiin, joita ovat läpivirtausjäähdytys, suljettu ja avoin kiertojäähdytys. Kullakin järjestelmätyypillä on tyypilliset alatyyppinsä. Avoimella kiertojär-jestelmällä on eniten alatyyppejä, joista yleisin on jäähdytystorni. Jäähdytystorneja on kolmea tyyppiä: märkä-, kuiva ja hybriditorni. Kullakin järjestelmätyypillä on ominaiset piirteensä käyttökohteiden, ympäristövaikutusten, ohjattavuuden, investointi- ja käyttökulujen suhteen, joita tässä työssä esitellään. Työssä tutkitaan teollisuuden jäähdytysjärjestelmien esittelyn lisäksi erään ali-painekaasunpoistimen soveltuvuutta suljetun kiertojäähdytysjärjestelmän kaasun-poistoon. Suljettuun kiertojäähdytysjärjestelmään jää ilmaa täyttövaiheessa ja kul-keutuu liuenneena käytettävän jäähdytysveden mukana. Muodostuva ylikylläinen seos synnyttää veden sekaan ilmakuplia, jotka aiheuttavat korroosiota kemiallisesti ja kuluttamalla. Lisäksi kaasukuplat vievät tilavuutta nesteeltä. Tämä pienentää järjestelmän jäähdytystehoa merkittävästi, koska kaasun lämmönsiirtokyky verrat-tuna veden lämmönsiirtokykyyn on pieni. Työssä esitellään myös muita mahdolli-sia suljetun järjestelmän kaasulähteitä ja niiden aiheuttamia ongelmia. Alipainekaasunpoistimen kaasunerotustehokkuutta mitattiin jäähdytysvesinäyttei-den selkeytymisnopeudella ja lämmönsiirtimien tehon paranemisella. Kahden viikon tarkastelujaksolla selkeytymisajat paranivat 36–60 % eri mittauspaikoissa ja lämmönsiirtimien tehot paranivat 6–29 %. Järjestelmään kuitenkin jäi merkittävä määrä kaasua, vaikka laitteen käyttöä jatkettiin tarkastelujakson jälkeen, joten tavoitteisiin ei päästy. Tutkitun alipainekaasunpoistolaitteen ei todettu soveltuvan tehdasympäristöön kestämättömyyden, hankalakäyttöisyyden ja tehottomuuden takia. Tulokset kuitenkin osoittavat, että kaasunerotuksella on merkittävä vaikutus suljetun jäähdytysjärjestelmän toimivuuteen ja saavutettavaan jäähdytystehoon.

Design Aspects of Megawatt-Range Direct-Driven Permanent MagnetWind Generators

Direct-driven permanent magnet synchronous generator is one of the most promising topologies for megawatt-range wind power applications. The rotational speed of the direct-driven generator is very low compared with the traditional electrical machines. The low rotational speed requires high torque to produce megawatt-range power. The special features of the direct-driven generators caused by the low speed and high torque are discussed in this doctoral thesis. Low speed and high torque set high demands on the torque quality. The cogging torque and the load torque ripple must be as low as possible to prevent mechanical failures. In this doctoral thesis, various methods to improve the torque quality are compared with each other. The rotor surface shaping, magnet skew, magnet shaping, and the asymmetrical placement of magnets and stator slots are studied not only by means of torque quality, but also the effects on the electromagnetic performance and manufacturability of the machine are discussed. The heat transfer of the direct-driven generator must be designed to handle the copper losses of the stator winding carrying high current density and to keep the temperature of the magnets low enough. The cooling system of the direct-driven generator applying the doubly radial air cooling with numerous radial cooling ducts was modeled with a lumped-parameter-based thermal network. The performance of the cooling system was discussed during the steady and transient states. The effect of the number and width of radial cooling ducts was explored. The large number of radial cooling ducts drastically increases the impact of the stack end area effects, because the stator stack consists of numerous substacks. The effects of the radial cooling ducts on the effective axial length of the machine were studied by analyzing the crosssection of the machine in the axial direction. The method to compensate the magnet end area leakage was considered. The effect of the cooling ducts and the stack end area effects on the no-load voltages and inductances of the machine were explored by using numerical analysis tools based on the three-dimensional finite element method. The electrical efficiency of the permanent magnet machine with different control methods was estimated analytically over the whole speed and torque range. The electrical efficiencies achieved with the most common control methods were compared with each other. The stator voltage increase caused by the armature reaction was analyzed. The effect of inductance saturation as a function of load current was implemented to the analytical efficiency calculation.