Leak-proof Heat Sealing of Press-Formed Paperboard Trays

Three-dimensional (3D) forming of paperboard and heat sealing of lidding films to trays manufactured by the press forming process are investigated in this thesis. The aim of the work was to investigate and recognize the factors affecting the quality of heat sealing and the leak resistance (tightness) of press-formed, polymer-coated paperboard trays heatsealed with a multi-layer polymer based lidding film. One target was to achieve a solution that can be used in food packaging using modified atmosphere packaging (MAP). The main challenge in acquiring adequate tightness properties for the use of MAP is creases in the sealing area of the paperboard trays which can act as capillary tubes and prevent leak-proof sealing. Several experiments were made to investigate the effect of different factors and process parameters in the forming and sealing processes. Also different methods of analysis, such as microscopic analysis and 3D-profilometry were used to investigate the structure of the creases in the sealing area, and to analyse the surface characteristics of the tray flange of the formed trays to define quality that can be sealed with satisfactory tightness for the use of MAP. The main factors and parameters that had an effect on the result of leak-proof sealing and must be adjusted accordingly were the tray geometry and dimensions, blank holding force in press forming, surface roughness of the sealing area, the geometry and depth of the creases, and the sealing pressure. The results show that the quality of press-formed, polymer-coated paperboard trays and multi-layer polymer lidding films can be satisfactory for the use of modified atmosphere packaging in food solutions. Suitable tools, materials, and process parameters have to be selected and used during the tray manufacturing process and lid sealing process, however. Utilizing these solutions and results makes it possible for a package that is made mostly from renewable and recyclable sources to be a considerable alternative for packages made completely from oil based polymers, and to achieve a greater market share for fibre-based solutions in food packaging using MAP.

Modification of commercial poly-lactide for extrusion coated food packaging applications

Poly-L-lactide (PLLA) is a widely used sustainable and biodegradable alternative to replace synthetic non-degradable plastic materials in the packaging industry. Conversely, its processing properties are not always optimal, e.g. insufficient melt strength at higher temperatures (necessary in extrusion coating processes). This thesis reports on research to improve properties of commercial PLLA grade (3051D from NatureWorks), to satisfy and extend end-use applications, such as food packaging by blending with modified PLLA. Adjustment of the processability by chain branching of commercial poly-L-lactide initiated by peroxide was evaluated. Several well-defined branched structures with four arms (sPLLA) were synthesized using pentaerythritol as a tetra-functional initiator. Finally, several block copolymers consisting of polyethylene glycol and PLLA (i.e. PEGLA) were produced to obtain a well extruded material with improved heat sealing properties. Reactive extrusion of poly-L-lactide was carried out in the presence of 0.1, 0.3 and 0.5 wt% of various peroxides [tert-butyl-peroxybenzoate (TBPB), 2,5-dimethyl-2,5-(tert-butylperoxy)-hexane (Lupersol 101; LOL1) and benzoyl peroxide (BPO)] at 190C. The peroxide-treated PLLAs showed increased complex viscosity and storage modulus at lower frequencies, indicating the formation of branched/cross linked architectures. The material property changes were dependent on the peroxide, and the used peroxide concentration. Gel fraction analysis showed that the peroxides, afforded different gel contents, and especially 0.5 wt% peroxide, produced both an extremely high molar mass, and a cross linked structure, not perhaps well suited for e.g. further use in a blending step. The thermal behavior was somewhat unexpected as the materials prepared with 0.5 wt% peroxide showed the highest ability for crystallization and cold crystallization, despite substantial cross linking. The peroxide-modified PLLA, i.e. PLLA melt extruded with 0.3 wt% of TBPB and LOL1 and 0.5 wt% BPO was added to linear PLLA in ratios of 5, 15 and 30 wt%. All blends showed increased zero shear viscosity, elastic nature (storage modulus) and shear sensitivity. All blends remained amorphous, though the ability of annealing was improved slightly. Extrusion coating on paperboard was conducted with PLLA, and peroxide-modified PLLA blends (90:10). All blends were processable, but only PLLA with 0.3 wt% of LOL1 afforded a smooth high quality surface with improved line speed. Adhesion levels between fiber and plastic, as well as heat seal performance were marginally reduced compared with pure 3051D. The water vapor transmission measurements (WVTR) of the blends containing LOL1 showed acceptable levels, only slightly lower than for comparable PLLA 3051D. A series of four-arm star-shaped poly-L-lactide (sPLLA) with different branch length was synthesized by ring opening polymerization (ROP) of L-lactide using pentaerythritol as initiator and stannous octoate as catalyst. The star-shaped polymers were further blended with its linear resin and studied for their melt flow and thermal properties. Blends containing 30 wt% of sPLLA with low molecular weight (30 wt%; Mwtotal: 2500 g mol-1 and 15000 g mol-1) showed lower zero shear viscosity and significantly increased shear thinning, while at the same time slightly increased crystallization of the blend. However, the amount of crystallization increased significantly with the higher molecular weight sPLLA, therefore the star-shaped structure may play a role as nucleating agent. PLLA-polyethylene glycol–PLLA triblock copolymers (PEGLA) with different PLLA block length were synthesized and their applicability as blends with linear PLLA (3051D NatureWorks) was investigated with the intention of improving heat-seal and adhesion properties of extrusion-coated paperboard. PLLA-PEG-PLLA was obtained by ring opening polymerization (ROP) of L-lactide using PEG (molecular weight 6000 g mol-1) as an initiator, and stannous octoate as catalyst. The structures of the PEGLAs were characterized by proton nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR). The melt flow and thermal properties of all PEGLAs and their blends were evaluated using dynamic rheology, and differential scanning calorimeter (DSC). All blends containing 30 wt% of PEGLAs showed slightly higher zero shear viscosity, higher shear thinning and increased melt elasticity (based on tan delta). Nevertheless, no significant changes in thermal properties were distinguished. High molecular weight PEGLAs were used in extrusion coating line with 3051D without problems.

A combined infrared/heat pump drying technology applied to a rotary dryer

Selostus: Yrttien ja vihannesten infrapunakuivaus rumpukuivurissa

Product Standardization of Shell and Tube Heat Exchangers

Diplomityön tavoitteena oli selvittää, kuinka kohdeyrityksessä nykyhetkellä pitkältiräätälöitynä tuotetut putkilämmönvaihtimet voitaisiin standardisoida, jotta pystyttäisiin kohdistamaan resursseja oikein ja parantamaan siten yrityksen taloudellista suorituskykyä. Tutkimuksen edetessä määräävimmäksi tekijäksi työn tuloksia ajatellen nousi taloudellinen standardisointiaste, jonka perusteeksi kohdeyrityksen putkilämmönvaihtimissa valittiin standardisoitu suunnitteluohjeisto. Suunnitteluohjeiston lisäksi tuotestandardiin liitettiin ehdotus toimintapojen automatisoimisesta parametrisen valintataulukon sekä sähköisen manuaalin avulla. Työssä tuotestandardisointia tarkastellaan rationalisointi-investointina ja sen kannattavuutta on tarkasteltu investointilaskelmien sekä herkkyys analyysin avulla. Alkuarvot investointilaskelmissa perustuvat työssä yhdelle putkilämmönvaihtimelletoteutettuun tuotestandardisointitapaan, jos tätä tapaa käytettäisiin jatkossa kaikkiin kyseisen yksikön putkilämmönvaihtimiin.

Simulation of Boundary Layers and Heat Transfer in the Entrance Region of Pipes

The study of fluid flow in pipes is one of the main topic of interest for engineers in industries. In this thesis, an effort is made to study the boundary layers formed near the wall of the pipe and how it behaves as a resistance to heat transfer. Before few decades, the scientists used to derive the analytical and empirical results by hand as there were limited means available to solve the complex fluid flow phenomena. Due to the increase in technology, now it has been practically possible to understand and analyze the actual fluid flow in any type of geometry. Several methodologies have been used in the past to analyze the boundary layer equations and to derive the expression for heat transfer. An integral relation approach is used for the analytical solution of the boundary layer equations and is compared with the FLUENT simulations for the laminar case. Law of the wall approach is used to derive the empirical correlation between dimensionless numbers and is then compared with the results from FLUENT for the turbulent case. In this thesis, different approaches like analytical, empirical and numerical are compared for the same set of fluid flow equations.

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.

Heat Transfer Analysis of the EPR Core Catcher Test Facility Volley

Uusi EPR-reaktorikonsepti on suunniteltu selviytymään tapauksista, joissa reaktorinsydän sulaa ja sula puhkaisee paineastian. Suojarakennuksen sisälle on suunniteltu alue, jolle sula passiivisesti kerätään, pidätetään ja jäähdytetään. Alueelle laaditaan valurautaelementeistä ns.sydänsieppari, joka tulvitetaan vedellä. Sydänsulan tuottama jälkilämpö siirtyyveteen, mistä se poistetaan suojarakennuksen jälkilämmönpoistojärjestelmän kautta. Suuri osa lämmöstä poistuu sydänsulasta sen yläpuolella olevaan veteen, mutta lämmönsiirron tehostamiseksi myös sydänsiepparin alapuolelle on sijoitettu vedellä täytettävät jäähdytyskanavat. Jotta sydänsiepparin toiminta voitaisiin todentaa, on Lappeenrannan Teknillisellä Yliopistolla rakennettu Volley-koelaitteisto tätä tarkoitusta varten. Koelaitteisto koostuu kahdesta täysimittaisesta valuraudasta tehdystä jäähdytyskanavasta. Sydänsulan tuottamaa jälkilämpöä simuloidaan koelaitteistossa sähkövastuksilla. Tässä työssä kuvataan simulaatioiden suorittaminen ja vertaillaan saatuja arvoja mittaustuloksiin. Työ keskittyy sydänsiepparista jäähdytyskanaviin tapahtuvan lämmönsiirron teoriaan jamekanismeihin. Työssä esitetään kolme erilaista korrelaatiota lämmönsiirtokertoimille allaskiehumisen tapauksessa. Nämä korrelaatiot soveltuvat erityisesti tapauksiin, joissa vain muutamia mittausparametreja on tiedossa. Työn toinen osa onVolley 04 -kokeiden simulointi. Ensin käytettyä simulointitapaa on kelpoistettuvertaamalla tuloksia Volley 04 ja 05 -kokeisiin, joissa koetta voitiin jatkaa tasapainotilaan ja joissa jäähdytteen käyttäytyminen jäähdytyskanavassa on tallennettu myös videokameralla. Näiden simulaatioiden tulokset ovat hyvin samanlaisiakuin mittaustulokset. Korkeammilla lämmitystehoilla kokeissa esiintyi vesi-iskuja, jotka rikkoivat videoinnin mahdollistavia ikkunoita. Tämän johdosta osassa Volley 04 -kokeita ikkunat peitettiin metallilevyillä. Joitakin kokeita jouduttiin keskeyttämään laitteiston suurten lämpöjännitysten johdosta. Tällaisten testien simulaatiot eivät ole yksinkertaisia suorittaa. Veden pinnan korkeudesta ei ole visuaalista havaintoa. Myöskään jäähdytteen tasapainotilanlämpötiloista ei ole tarkkaa tietoa, mutta joitakin oletuksia voidaan tehdä samoilla parametreilla tehtyjen Volley 05 -kokeiden perusteella. Mittaustulokset Volley 04 ja 05 -kokeista, jotka on videoitu ja voitu ajaa tasapainotilaan saakka, antoivat simulaatioiden kanssa hyvin samankaltaisia lämpötilojen arvoja. Keskeytettyjen kokeiden ekstrapolointi tasapainotilaan ei onnistunut kovin hyvin. Kokeet jouduttiin keskeyttämään niin paljon ennen termohydraulista tasapainoa, ettei tasapainotilan reunaehtoja voitu ennustaa. Videonauhoituksen puuttuessa ei veden pinnan korkeudesta saatu lisätietoa. Tuloksista voidaan lähinnä esittää arvioita siitä, mitä suuruusluokkaa mittapisteiden lämpötilat tulevat olemaan. Nämä lämpötilat ovat kuitenkin selvästi alle sydänsiepparissa käytettävän valuraudan sulamislämpötilan. Joten simulaatioiden perusteella voidaan sanoa, etteivät jäähdytyskanavien rakenteet sula, mikäli niissä on pienikin jäähdytevirtaus, eikä useampia kuin muutama vierekkäinen kanava ole täysin kuivana.

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.

Mekanisoidun hitsauksen käyttö ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä päätavoitteena oli selvittää kuinka mekanisointia voitaisiin hyödyntää Fortum Power & Heat Oy:n Loviisan voimalaitoksen hitsauksissa. Työn osatavoitteisiin kuului mm. tutkia saadaanko mekanisoinnin käytön seurauksena parannettua laatua pienennettyä säteilyannoksia tai kustannuksia. Käytännön esimerkkinä oli pääkiertopumpun pesän tiivistepinnan korjaushitsaus. Teoriaosuus käsittelee nykyaikaisia hitsausmenetelmiä sekä hitsauksen mekanisoinnista ja automatisoinnista saatavia etuja. Käytännön osuudessa käytiin läpi Loviisan voimalaitoksen mekanisoidun hitsauksen historia ja hitsauksen nykytila ja tulevaisuus. Tulevaisuuden tarkastelussa kartoitettiin kohteita missä mekanisoinnin käytöstä saataisiin hyötyä ja mietittiin miten kyseinen kohteen mekanisointi voitaisiin toteuttaa. Tarkastelujen perusteella Loviisan voimalaitokselta löytyi kolme kohdetta, jossa hitsauksen mekanisointi olisi järkevä toteuttaa tavoitteiden puitteissa. Mekanisoitavissa olevat kohteet olivat putkiston hitsaus, suurien säiliöiden vuorauksien hitsaus ja suurien tiivistepintojen pinnoitushitsaus. Pääkiertopumpun pesän tiivistepinnan hitsaukselle löydettiin kolme laitteistovaihtoehtoa, joiden pohjalta lopullinen päätös voidaan tehdä.

Hermetic sealing of food packaging trays

Suojakaasupakkaaminen on lisääntynyt voimakkaasti viime vuosina elintarvikkeiden pakkaamisessa sillä pakkaamalla elintarvike suojakaasuun voidaan sen hyllyikää pidentää ilman säilöntäaineita. Tällainen pakkaaminen vaatii kuitenkin täysin kaasutiiviin pakkauksen, jonka kaasunläpäisevyys on myös alhainen. Yleisimmin käytetyt pakkausmateriaalit suojakaasupakkaamisessa ovat monikerroksiset muovimateriaalit, joissa yhdistyy monen eri muovin parhaimmat ominaisuudet. Yleisimmin käytettyjä muovilaatuja näissä monikerrosrakenteissa ovat PE, PET, PA ja EVOH polymeerit. Myös muita perinteisiä polymeerejä käytetään jonkin verran näissä rakenteissa. Uudemmat muovilaadut, kuten biohajoavat muovit, eivät ole vielä yleistyneet kaupallisessa käytössä pääasiallisesti niiden korkean hinnan vuoksi. Muovisten pakkausten korvaamista esimerkiksi muovipäällystetyillä kartonkipakkauksilla on viime vuosien aikana tutkittu enenevissä määrin. Muovipakkausten korvaamista helpommin kierrätettävillä ja mahdollisesti biohajoavilla materiaaleilla edistävät EU:n direktiivit, jotka käsittelevät pakkausjätteen käsittelyä. Kartonkivuokien saumaamista kaasutiiviisti tutkittiin myös tässä työssä. Tavoitteena oli löytää pakkaus, joka soveltuisi kanasuikaleiden pakkaamiseen suojakaasuun. Kana on herkkä mikrobiologiselle hajoamiselle, minkä johdosta se tulee pakata suojakaasuun jossa happipitoisuuden tulee olla alle 1 % pakkauspäivästä viimeiseen käyttöpäivään saakka. Suorittamalla erilaisia tiiveystutkimuksia voitiin osoittaa, että kartonkivuoka on mahdollista saumata kaasutiiviisti luotettavalla tavalla. Tämä vaatii kuitenkin kartonkivuokien valmistuksen optimoimista päällystemuovikerroksen ja kartongin paksuuden mukaan sekä kannen saumaamista optimoiduilla saumausparametreilla. Tiivein vuoka saavutettiin muovifilmikannella, jonka saumaus perustui samaan muoviin kuin vuoan saumaus. Polyeteenillä saavutettiin tiivein ja kestävin saumaustulos.

Prediction of heat transfer on kraft recovery boiler

Työssä tutkittiin Andritz-Ahlstrom toimittamien soodakattiloiden lämmönsiirtoa ANITA 2.20- suunnitteluohjelmalla feedback- laskentaa apuna käyttäen. Data laskentaan saatiin kattiloiden takuukokeissa mitatuista arvoista. Mittaukset on suoritettiin Andritz-Ahlstromin henkilökunnan toimesta tehdashenkilökunnan avustuksella. Feedback -laskenta tapahtui mittaustulosten perusteella, joten tiettyä virhettä luonnollisesti esiintyi. Aluksi laskettiin taseet molempien ekojen yli erikseen sekä molemmat yhdessä Excel-taulukkolaskentaohjelmalla. Täältä saatiin oletettu savukaasuvirtaus kattilassa. Tämän jälkeen lämpöpintoja muokattiin todellisuutta vastaaviksi yleislikaisuuskerrointa muuttamalla (overall fouling factor). Kertoimet ovat liikkuivat noin 0.4 ja 1.6 välillä riipuen kattilan tyypistä ja ANITAn oletuksesta lämpöpintojen likaisuudelle. Havaittin että yhtä varsinaista syytä lämpöpintojen eroavaisuuteen oletetusta ei saatu. Syitä toiminnan poikkeamiseen oli monia. Mm. etukammion koolla havaittiin olevan suurtakin vaikutusta tulistimien, etenkin savukaasuvirrassa ensimmäisen tulistimen toimintaan. Yleisesti todettiin muiden tulistimien vastaavan oletettua toimintaa. Keittopinnan ja ekonomiserien toimintaa tutkittiin hivenen suppeammin ja havaittiin niiden toimivan huomattavasti stabiilimmin kuin tulistimien. Likaisuus kertoimet oletetusta vaihtelivat noin ±20 %.

Hydrodynamics and Heat Transfer in an Airlift Reactor

Työn teoriaosassa esitetään kirjallisuudessa esiintyviä teoreettisia ja kokeellisia yhtälöitä nesteen nopeuden, kaasun tilavuusosuuden, painehäviön ja lämmönsiirron laskemiseksi. Lisäksi käsitellään airlift-reaktoreiden toimintaa, rakennetta ja teollisia sovelluksia, sekä sekoitusta ja geometrian vaikutusta airlift-reaktoreiden hydrodynaamisiin ominaisuuksiin. Kokeellisessa osassa kuvataan käytetty koelaitteisto ja mittausmenetelmät sekä esitetään saadut koetulokset. Koelaitteisto on viidellä nousuputkella varustettu ulkoisen kierron airlift-reaktori. Kokeellisessa osassa pyritään ratkaisemaan tällaisessa reaktorissa mahdollisesti esiintyviä ongelmia, kuten "slug flown" muodostuminen nousuputkissa sekä fluidien epätasainen jakautuminen nousuputkiin. Lisäksi tutkitaan erilaisten muuttujien, kuten kaasun tilavuusvirran, nesteen viskositeetin, suutinkoon ja nesteen jakoputken rakenteen, vaikutusta kaasun tilavuusosuuteen ja nesteen nopeuteen nousuputkissa. Nesteen nopeudet mitataan merkkiainemenetelmällä ja kaasun tilavuusosuudet manometrimenetelmällä. Lämmönsiirtoa tutkitaan mittaamalla lämpötilaeroja nousuputkissa NiCr-Ni –termoelementeillä. Mittaustulosten perusteella muokataan korrelaatiot kaasun tilavuusosuudelle ja nesteen tyhjäputkinopeudelle. Korrelaatioista lasketut tulokset sopivat kohtuullisen hyvin yhteen mitattujen tulosten kanssa. "Slug flown" ei todettu muodostuvan ongelmaksi 2.5 mPa s pienemmillä viskositeetin arvoilla 2 metriä pitkissä ja 19 mm halkaisijaltaan olevissa putkissa. Lisäksi todettiin, että kaasu- ja nestefaasien jakautumisongelmat voidaan ratkaista rakenteellisesti.

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.