Lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli Imatra Steel Oy Ab:n jatkojalostusosaston lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantaminen. Työssä etsittiin lämpökäsittelylaitoksen energiatalouteen haitallisesti vaikuttavia tekijöitä ja pyrittiin löytämään ratkaisuja energiatalouden parantamiseksi.Työtä varten on kerätty tietoa kirjallisista lähteistä, Imatra Steel Oy Ab:n henkilökunnalta, insinööritoimistoilta, lämpökäsittelyuunien valmistajilta ja muilta asiantuntijoilta, jotka ovat olleet tekemisissä lämpökäsittelylaitosten, lämpökäsittelyuunien tai niihin läheisesti liittyvien energiataloudellisien tekijöiden parissa.Imatra Steel Oy Ab:n lämpökäsittelylaitosten suurimmat energiankuluttajat ovat lämpökäsittelyuunit, jotka ovat rakennettu pääosin vuosina 1965 ja 1971, jolloin energiankulutukseen ja sen aiheuttamiin kustannuksiin ei tarvinnut kiinnittää samalla tavoin huomiota kuin nykyisin. Työssä keskitytäänkin pääasiassa uunien energiatalouteen.Lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantamisessa on ensin keskityttävä primäärienergiana käytettävän maakaasun kulutuksen vähentämiseen, jonka jälkeen voidaan keskittyä uuneista syntyvän hukkalämmön hyödyntämiseen. Jotta lämpökäsittelyuunit saataisiin toimimaan energiataloudellisesti tehokkaasti ja nykyisessä markkinatilanteessa kilpailukykyisesti, pitäisi uuneille laatia oma kehitysohjelma. Uunien energiatalouden seuranta ja kehittäminen edellyttää nykyisten jatkuvatoimisesti mitattavien prosessitietojen ja erillisillä mittauksilla kerättävän tiedon nykyistä tehokkaampaa hyödyntämistä sekä uusien ennen mittaamattomien prosessiparametrien hyödyntämistä. Tulevaisuudessa toteutettava prosessitietojen keräysjärjestelmä antaakin aivan uusia mahdollisuuksia uunien kehittämiseen ja seurantaan.

Liiketoimintamalli teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntämisestä kaukolämpöverkoissa

Tässä työssä tarkastellaan teollisuuden ylijäämälämmön hyödyntämistä kaukolämpöverkoissa liiketoimintamallin näkökulmasta. Työn tilaaja on YIT Teollisuus Oy, joka haluaa osaltaan olla mukana ratkaisemassa ilmastonmuutoksesta ja hiilidioksidipäästöjen vähentämistarpeista aiheutuvia yhteiskunnan kehitystarpeita. Energiatehokkuuden parantaminen on yksi nopeimmista keinoista vähentää päästöjä. Teollisuuden energiatehokkuutta voidaan parantaa ottamalla talteen sähköntuotannossa ja tuotantoprosesseissa syntyvää ylijäämälämpöä. Aikaisempien tutkimusten perusteella tiedetään, että Suomessa syntyy vuosittain noin 4–6 TWh ylijäämälämpöä, joka voitaisiin hyödyntää jo olemassa olevien kaukolämpöverkkojen välityksellä rakennusten lämmittämiseen. Kuitenkin vuonna 2008 teollisuus myi ylijäämälämpöä kaukolämpöverkkoihin yhteensä vain 770 GWh, mikä vastaa noin 2,5 prosenttia kokonaiskaukolämmön tarpeesta. Tämän työn tuloksena syntyi liiketoimintamalli, joka esittelee ne palvelut, jotka YIT tuottaa asiakkailleen tilanteissa, joissa teollisuudessa syntyvää ylijäämälämpöä hyödynnetään kaukolämpöverkoissa. Jotta liiketoimintamalli toimisi käytännössä, on siitä oltava hyötyä kaikille osapuolille. Asiakkaan on siis voitava kattaa palvelusta ja sen rahoituksesta syntyvät kustannukset myydyn ylijäämälämmön tuotolla (teollisuuslaitos) tai säästyneistä energian hankintakustannuksista (kaukolämpöyhtiö). Eniten ylijäämälämmön käytöstä voivat hyötyä kaukolämpöyhtiöt, joiden tuotannosta korkeintaan pieni osa tulee yhteistuotannosta ja joilla uusiutuvien energialähteiden osuus on vähäinen. Lisäksi kaukolämpöverkon koon vuotuisena kulutuksena mitattuna on oltava riittävän suuri ja kaukolämmön hinnan suhteellisen korkea. Myös alueen ennustettu väestönkasvu ja uudet suunnitteilla olevat asuinalueet saattavat parantaa ylijäämälämmön hyödyntämisen houkuttelevuutta. YIT:n näkökulmasta ylijäämälämmön talteenottoprojektit ovat hyvä lisä sen nykyiseen palvelutarjontaan. Myös yhteiskunnallisella tasolla aihe on merkittävä. Vaikka nykytietämyksen mukaan energian käytön tehostaminen ja päästöttömän tuotannon lisääminen ovat molemmat yhtä merkittäviä keinoja ilmastotavoitteiden saavuttamisen kannalta, panostetaan Suomessa tällä hetkellä lähinnä tuotannon tukemiseen. Lähivuosien poliittiset ratkaisut vaikuttavatkin vahvasti siihen, kuinka paljon tulevaisuudessa ylijäämälämpöä hyödynnetään rakennusten lämmittämisessä.

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.

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.

Coolant Flow and Heat Transfer in Pebble-Bed Reactor Core

This thesis gathers knowledge about ongoing high-temperature reactor projects around the world. Methods for calculating coolant flow and heat transfer inside a pebble-bed reactor core are also developed. The thesis begins with the introduction of high-temperature reactors including the current state of the technology. Process heat applications that could use the heat from a high-temperature reactor are also introduced. A suitable reactor design with data available in literature is selected for the calculation part of the thesis. Commercial computational fluid dynamics software Fluent is used for the calculations. The pebble-bed is approximated as a packed-bed, which causes sink terms to the momentum equations of the gas flowing through it. A position dependent value is used for the packing fraction. Two different models are used to calculate heat transfer. First a local thermal equilibrium is assumed between the gas and solid phases and a single energy equation is used. In the second approach, separate energy equations are used for the phases. Information about steady state flow behavior, pressure loss, and temperature distribution in the core is obtained as results of the calculations. The effect of inlet mass flow rate to pressure loss is also investigated. Data found in literature and the results correspond each other quite well, considered the amount of simplifications in the calculations. The models developed in this thesis can be used to solve coolant flow and heat transfer in a pebble-bed reactor, although additional development and model validation is needed for better accuracy and reliability.