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.  

Changes in the thermal growing season in Nordic countries during the past century and prospects for the future

Selostus: Termisen kasvukauden muutokset Pohjoismaissa viimeisen vuosisadan aikana ja tulevaisuudessa

Thermal conductivity of low-decomposed Sphagnum peat used as growth medium

Kasvualustana käytetyn heikosti maatuneen rahkaturpeen lämmönjohtavuus

Experimental thermal hydraulic studies on the enhancement of safety of LWRs

The safe use of nuclear power plants (NPPs) requires a deep understanding of the functioning of physical processes and systems involved. Studies on thermal hydraulics have been carried out in various separate effects and integral test facilities at Lappeenranta University of Technology (LUT) either to ensure the functioning of safety systems of light water reactors (LWR) or to produce validation data for the computer codes used in safety analyses of NPPs. Several examples of safety studies on thermal hydraulics of the nuclear power plants are discussed. Studies are related to the physical phenomena existing in different processes in NPPs, such as rewetting of the fuel rods, emergency core cooling (ECC), natural circulation, small break loss-of-coolant accidents (SBLOCA), non-condensable gas release and transport, and passive safety systems. Studies on both VVER and advanced light water reactor (ALWR) systems are included. The set of cases include separate effects tests for understanding and modeling a single physical phenomenon, separate effects tests to study the behavior of a NPP component or a single system, and integral tests to study the behavior of the whole system. In the studies following steps can be found, not necessarily in the same study. Experimental studies as such have provided solutions to existing design problems. Experimental data have been created to validate a single model in a computer code. Validated models are used in various transient analyses of scaled facilities or NPPs. Integral test data are used to validate the computer codes as whole, to see how the implemented models work together in a code. In the final stage test results from the facilities are transferred to the NPP scale using computer codes. Some of the experiments have confirmed the expected behavior of the system or procedure to be studied; in some experiments there have been certain unexpected phenomena that have caused changes to the original design to avoid the recognized problems. This is the main motivation for experimental studies on thermal hydraulics of the NPP safety systems. Naturally the behavior of the new system designs have to be checked with experiments, but also the existing designs, if they are applied in the conditions that differ from what they were originally designed for. New procedures for existing reactors and new safety related systems have been developed for new nuclear power plant concepts. New experiments have been continuously needed.

Modeling of Pressurizer Using APROS and TRACE Thermal Hydraulic Codes

Diplomityön tavoitteena on paineistimen yksityiskohtainen mallintaminen APROS- ja TRACE- termohydrauliikkaohjelmistoja käyttäen. Rakennetut paineistinmallit testattiin vertaamalla laskentatuloksia paineistimen täyttymistä, tyhjentymistä ja ruiskutusta käsittelevistä erilliskokeista saatuun mittausdataan. Tutkimuksen päätavoitteena on APROSin paineistinmallin validoiminen käyttäen vertailuaineistona PACTEL ATWS-koesarjan sopivia paineistinkokeita sekä MIT Pressurizer- ja Neptunus- erilliskokeita. Lisäksi rakennettiin malli Loviisan ydinvoimalaitoksen paineistimesta, jota käytettiin turbiinitrippitransientin simulointiin tarkoituksena selvittää mahdolliset voimalaitoksen ja koelaitteistojen mittakaavaerosta johtuvat vaikutukset APROSin paineistinlaskentaan. Kokeiden simuloinnissa testattiin erilaisia noodituksia ja mallinnusvaihtoehtoja, kuten entalpian ensimmäisen ja toisen kertaluvun diskretisointia, ja APROSin sekä TRACEn antamia tuloksia vertailtiin kattavasti toisiinsa. APROSin paineistinmallin lämmönsiirtokorrelaatioissa havaittiin merkittävä puute ja laskentatuloksiin saatiin huomattava parannus ottamalla käyttöön uusi seinämälauhtumismalli. Työssä tehdyt TRACE-simulaatiot ovat osa United States Nuclear Regulatory Commissionin kansainvälistä CAMP-koodinkehitys-ja validointiohjelmaa.

Validation Studies of Thermal-hydraulic Code for Safety Analysis of Nuclear Power Plants

This thesis gives an overview of the validation process for thermal hydraulic system codes and it presents in more detail the assessment and validation of the French code CATHARE for VVER calculations. Three assessment cases are presented: loop seal clearing, core reflooding and flow in a horizontal steam generator. The experience gained during these assessment and validation calculations has been used to analyze the behavior of the horizontal steam generator and the natural circulation in the geometry of the Loviisa nuclear power plant. The cases presented are not exhaustive, but they give a good overview of the work performed by the personnel of Lappeenranta University of Technology (LUT). Large part of the work has been performed in co-operation with the CATHARE-team in Grenoble, France. The design of a Russian type pressurized water reactor, VVER, differs from that of a Western-type PWR. Most of thermal-hydraulic system codes are validated only for the Western-type PWRs. Thus, the codes should be assessed and validated also for VVER design in order to establish any weaknesses in the models. This information is needed before codes can be used for the safety analysis. Theresults of the assessment and validation calculations presented here show that the CATHARE code can be used also for the thermal-hydraulic safety studies for VVER type plants. However, some areas have been indicated which need to be reassessed after further experimental data become available. These areas are mostly connected to the horizontal stem generators, like condensation and phase separation in primary side tubes. The work presented in this thesis covers a large numberof the phenomena included in the CSNI code validation matrices for small and intermediate leaks and for transients. Also some of the phenomena included in the matrix for large break LOCAs are covered. The matrices for code validation for VVER applications should be used when future experimental programs are planned for code validation.

Development of rotating drum under mechanical and thermal load

A variable temperature field sets exacting demands to the structure under mechanical load. Most of all the lifetime of the rotating drum structure depends on temperature differences between parts inside the drum. The temperature difference was known because of the measurements made before. The list of demands was created based on customers’ needs. The limits of this paper were set to the inner structure of the drum. Creation of ideas for the inner structure was started open minded. The main principle in the creation process was to create new ideas for the function of the product with the help of sub-functions. The sub-functions were created as independent as possible. The best sub-functions were combined together and the new working principles were created based on them. Every working principle was calculated separately and criticized at the end of the calculation process. The main objective was to create the new kind of structure, which is not based too much to the old, inoperative structure. The affect of own weight of the inner structure to the stress values was quite small but it was also taken into consideration when calculating the maximum stress value of the structure. Because of very complex structures all of the calculations were made with the help of the ProE – Mechanica software. The fatigue analyze was made also for the best structure solution.

Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Vesikiertoisen ja kaapeleilla toteutetun lattialämmityksen teknistaloudellinen vertailu

Lopputyössä vertailtiin vesikiertoisen ja kaapeleilla toteutetun lattialämmityksen erilai-sia ominaisuuksia. Vertailuparametreinä olivat lattialämmitysten mitoitus, säätö, asen-nus, investointikustannukset, käyttökustannukset, vikaantuminen ja korjaus, asumis-viihtyvyys, käyttöön liittyvät tekijät, markkinat ja toimijat sekä lattian päällysteet. Näistä lat-tialämmityksien asumisviihtyvyys, säätö ja kustannukset otettiin tarkempaan vertailuun. Lämmitysjärjestelmien kokonaiskustannuksia vertailtiin 25 vuoden jaksolla ja 4 % ko-rolla. Investointikustannuksiin sisältyi lämmitysjärjestelmien lisäksi lkv-varaajan ja tek-nisen tilan kustannukset sekä liittymismaksut. Käyttökustannusten vertailussa otettiin huomioon lämmityskulujen lisäksi myös lämmityksen hyötysuhde, yö- ja päiväsähköosuudet ja -energian hinnat, taloussähkön kustannukset, perusmaksut sekä huoltokulut. Tutkimuksen mukaan halvin pientalojen lämmitysmuoto on osittain varaava huonekoh-tainen sähkölämmitys, jonka vuosittaisiksi kustannuksiksi tuli 11452 mk. Sähkölämmi-tyksen tekee vertailtavista halvimmaksi lämmitysjärjestelmäksi pientaloille (n. 150 m2) sen pienet pääomakustannukset, lämmityksen hyvä hyötysuhde sekä varsin kilpailuky-kyiset käyttökustannukset. Vertailun kallein oli öljyä energialähteenä käyttävä vesikiertoi-nen lattialämmitys, jonka vuosittaisiksi kustannuksiksi tuli 13080 mk. Öljy on energia-hinnaltaan halpa, mutta öljylämmityksen huono hyötysuhde sekä varsin korkeat pää-omakustannukset tekevät siitä vertailtavista kalleimman lämmitysmuodon. Energian hin-tojen herkkyysanalyysissä huomattiin sähkön säilyttävän kilpailukykynsä, vaikka öljyn ja maakaasun hinnat laskisivatkin huomattavasti. Asumismukavuuden ja säädön kohdalla vertailtiin lämpötilojen tasaisuutta huonetilois-sa. Mittauskohteiden huonelämpötiloja on seurattu eri projekteissa jatkuvatoimisesti jo-pa yli kahden vuoden ajan. Mittaustulosten mukaan vesikiertoisella lattialämmityksellä huonelämpötilat ovat tasaisemmat kuin osittain varaavalla huonekohtaisella sähköläm-mityksellä. Tämä johtuu sähkölämmityksen varaavuudesta. Hyvillä yhdistelmätermostaateilla päästään tosin myös huonekohtaisen sähkölämmityksen yhteydessä tasaisiin huonelämpötiloihin. Molempien lämmitysmuotojen säädön heikkoutena on hidas reagointi sisäisten lämmönlähteiden aiheuttamaan nopeaan sisälämpötilan nousuun.

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.

Supplier Energy Audits in Thermal Power Plants

This master’s thesis handles an operating model for an electric equipment supplier conducted sale oriented energy audit for pumping, fan and other motor applications at power plants. The study goes through the largest factors affecting internal electricity use at a power plant, finds an energy audit –like approach for the basis of information gathering and presents the information needed for conducting the analysis. The model is tested in practice at a kraft recovery boiler of a chemical pulping mill. Targets chosen represent some of the largest electric motor applications in the boiler itself and in its fuel handling. The energy saving potential of the chosen targets is calculated by simulating the energy consumption of the alternatives for controlling the targets, and thereafter combining the information with the volume flow duration curve. Results of the research are somewhat divaricated, as all the information needed is not available in the automation system. Some of the targets could be simulated and their energy saving potential calculated quite easily. At some of the targets chosen the monitoring was not sufficient enough for this and additional measurements would have been needed to base the calculations on. In traditional energy audits, energy efficiency of pump and fan applications is not necessarily examined. This means that there are good possibilities for developing the now presented targeted energy audit procedure basis further.

The evaluation of hazardous gas components caused by the thermal degradation of plant oils and animal fats

Neste Oil has introduced plant oils and animal fats for the production of NExBTL renewable diesel, and these raw materials differ from the conventional mineral based oils. One subject of new raw materials study is thermal degradation, or in another name pyrolysis, of these organic oils and fats. The aim of this master’s thesis is to increase knowledge on thermal degradation of these new raw materials, and to identify possible gaseous harmful thermal degradation compounds. Another aim is to de-termine the health and environmental hazards of identified compounds. One objective is also to examine the formation possibilities of hazardous compounds in the produc-tion of NExBTL-diesel. Plant oils and animal fats consist mostly of triglycerides. Pyrolysis of triglycerides is a complex phenomenon, and many degradation products can be formed. Based on the literature studies, 13 hazardous degradation products were identified, one of which was acrolein. This compound is very toxic and dangerous to the environment. Own pyrolysis experiments were carried out with rapeseed and palm oils, and with a mix-ture of palm oil and animal fat. At least 12 hazardous compounds, including acrolein, were analysed from the gas phase. According to the experiments, the factors which influence on acrolein formation are the time of the experiment, the sphere (air/hydrogen) in which the experiment is carried out, and the characteristics of the used oil. The production of NExBTL-diesel is not based on pyrolysis. This is why thermal degradation is possible only when abnormal process conditions prevail.

Thermal-Hydraulic Studies on the Safety Of VVER-440 Type Nuclear Power Plants

This thesis includes several thermal hydraulic analyses related to the Loviisa WER 440 nuclear power plant units. The work consists of experimental studies, analysis of the experiments, analysis of some plant transits and development of a calculational model for calculation of boric acid concentrations in the reactor. In the first part of the thesis, in the case of won of boric acid solution behaviour during long term cooling period of LOCAs, experiments were performed in scaled down test facilities. The experimental data together with the results of RELAPS/MOD3 simulations were used to develop a model for calculations of boric acid concentrations in the reactor during LOCAs. The results of calculations showed that margins to critical concentrations that would lead to boric acid crystallization were large, both in the reactor core and in the lower plenum. This was mainly caused by the fact that water in the primary cooling circuit includes borax (Na)BsO,.IOHZO), which enters the reactor when ECC water is taken from the sump and greatly increases boric acid solubility in water. In the second part, in the case of simulation of horizontal steam generators, experiments were performed with PACTEL integral test loop to simulate loss of feedwater transients. The PACTEL experiments, as well as earlier REWET III natural circulation tests, were analyzed with RELAPS/MOD3 Version Sm5 code. The analysis showed that the code was capable of simulating the main events during the experiments. However, in the case of loss of secondary side feedwater the code was not completely capable to simulate steam superheating in the secondary side of the steam generators. The third part of the work consists of simulations of Loviisa VVER reactor pump trip transients with RELAPSlMODI Eur, RELAPS/MOD3 and CATHARE codes. All three codes were capable to simulate the two selected pump trip transients and no significant differences were found between the results of different codes. Comparison of the calculated results with the data measured in the Loviisa plant also showed good agreement.