Segregation of powder mixtures in silos with particular reference to dry mineral-based construction materials

Segregering eller segregation är ett fenomen som kan förekomma inom olika områden av samhället. Inom samhällsvetenskaperna kan segregering definieras som det rumsliga åtskiljandet av befolkningsgrupper på urval av ras eller etniskt ursprung, kön, social härkomst, religion, ålder, yrke, osv. Segregering av befolkningsgrupper sker ofta mer eller mindre frivilligt och är motsatsen till integration. Inom partikelteknologi definieras segregering oftast som det rumsliga åtskiljandet av beståndsdelarna i en blandning av olika partiklar. Segregering sker då på urval av bl.a. partiklarnas storlek, densitet, form, elektrostatiska eller mekaniska egenskaper, och kan beskrivas som motsatsen till blandning. Segregeringsmekanismer används för att förklara hur och varför en partikelblandning segregerar samt vad slutresultatet i form av den rumsliga fördelningen av partiklarna blir till följd av att blandningen utsetts för en viss behandling. I denna avhandling har segregering av partikelblandningar och speciellt torra mineralbaserade byggmaterial (t.ex. murbruk) till följd av lagring i siloer studerats. Vid industriell produktion av mineralbaserade byggmaterial används siloer för korttidslagring av slutprodukterna precis innan förpackning. Segregering leder till kraftiga variationer i sammansättningen för partikelströmmen ut ur silon, vilket gör att slutprodukterna inte uppfyller kvalitetskraven och kan därmed inte säljas till kunder. Detta leder till arbetsam och dyr bearbetning (återcirkulation) av produkterna med påföljder för produktionsekonomin samt hållbara utvecklingen. I avhandlingen identifierades de väsentligaste segregeringsmekanismerna för torra mineralbaserade byggmaterial i siloer. Dessutom klargjordes effekterna av materialegenskaper, processbetingelser och siloparametrar. Slutligen behandlas möjliga åtgärder för minskning av partikelsegregering i siloer samt tillämpning av matematiska metoder för simulering av partikelflöden med hjälp av datorer.

CFD Modelling of Direct Contact Condensation in Suppression Pools by Applying Condensation Models of Separated Flow

The condensation rate has to be high in the safety pressure suppression pool systems of Boiling Water Reactors (BWR) in order to fulfill their safety function. The phenomena due to such a high direct contact condensation (DCC) rate turn out to be very challenging to be analysed either with experiments or numerical simulations. In this thesis, the suppression pool experiments carried out in the POOLEX facility of Lappeenranta University of Technology were simulated. Two different condensation modes were modelled by using the 2-phase CFD codes NEPTUNE CFD and TransAT. The DCC models applied were the typical ones to be used for separated flows in channels, and their applicability to the rapidly condensing flow in the condensation pool context had not been tested earlier. A low Reynolds number case was the first to be simulated. The POOLEX experiment STB-31 was operated near the conditions between the ’quasi-steady oscillatory interface condensation’ mode and the ’condensation within the blowdown pipe’ mode. The condensation models of Lakehal et al. and Coste & Lavi´eville predicted the condensation rate quite accurately, while the other tested ones overestimated it. It was possible to get the direct phase change solution to settle near to the measured values, but a very high resolution of calculation grid was needed. Secondly, a high Reynolds number case corresponding to the ’chugging’ mode was simulated. The POOLEX experiment STB-28 was chosen, because various standard and highspeed video samples of bubbles were recorded during it. In order to extract numerical information from the video material, a pattern recognition procedure was programmed. The bubble size distributions and the frequencies of chugging were calculated with this procedure. With the statistical data of the bubble sizes and temporal data of the bubble/jet appearance, it was possible to compare the condensation rates between the experiment and the CFD simulations. In the chugging simulations, a spherically curvilinear calculation grid at the blowdown pipe exit improved the convergence and decreased the required cell count. The compressible flow solver with complete steam-tables was beneficial for the numerical success of the simulations. The Hughes-Duffey model and, to some extent, the Coste & Lavi´eville model produced realistic chugging behavior. The initial level of the steam/water interface was an important factor to determine the initiation of the chugging. If the interface was initialized with a water level high enough inside the blowdown pipe, the vigorous penetration of a water plug into the pool created a turbulent wake which invoked the chugging that was self-sustaining. A 3D simulation with a suitable DCC model produced qualitatively very realistic shapes of the chugging bubbles and jets. The comparative FFT analysis of the bubble size data and the pool bottom pressure data gave useful information to distinguish the eigenmodes of chugging, bubbling, and pool structure oscillations.

Utilization of Particle Image velocimetry in PPOOLEX condensation experiments

Particle Image Velocimetry, PIV, is an optical measuring technique to obtain velocity information of a flow in interest. With PIV it is possible to achieve two or three dimensional velocity vector fields from a measurement area instead of a single point in a flow. Measured flow can be either in liquid or in gas form. PIV is nowadays widely applied to flow field studies. The need for PIV is to obtain validation data for Computational Fluid Dynamics calculation programs that has been used to model blow down experiments in PPOOLEX test facility in the Lappeenranta University of Technology. In this thesis PIV and its theoretical background are presented. All the subsystems that can be considered to be part of a PIV system are presented as well with detail. Emphasis is also put to the mathematics behind the image evaluation. The work also included selection and successful testing of a PIV system, as well as the planning of the installation to the PPOOLEX facility. Already in the preliminary testing PIV was found to be good addition to the measuring equipment for Nuclear Safety Research Unit of LUT. The installation to PPOOLEX facility was successful even though there were many restrictions considering it. All parts of the PIV system worked and they were found out to be appropriate for the planned use. Results and observations presented in this thesis are a good background to further PIV use.

Limits of Meritocracy. How Fields of Study and Gender Segregation Affect Social Stratification in Finland

This dissertation critically reviews the idea of meritocracy from both a theoretical and an empirical perspective. Based on a discussion of classical texts of social philosophy and sociology, it is argued that meritocracy as a concept for social stratification is best compatible with the sociological tradition of status attainment research: both frame social inequality in primarily individualistic terms, centring on the role of ascribed (e.g., gender, social background) and achieved (e.g., educational qualifications) characteristics for determining individuals’ socioeconomic rewards. This theoretical argument introduces the research problem at the core of this dissertation: to what extent can the individualistic conception of social stratification be maintained empirically? Fields of study and their interaction with educational attainment levels play a prominent role in the analysis of this question. Drawing on sociological versions of segmented labour market theory, it is assumed that fields of study may channel individuals into heterogeneous political-economic contexts on the labour market, which potentially modify the socioeconomic benefit individuals derive from their qualification levels. The focus on fields of study may also highlight economic differentials between men and women that derive from the persisting segregation of men’s and women’s occupational and educational specializations rather than direct gender discrimination on the labour market. The quantitative analyses in this dissertation consist of three research articles, which are based primarily on Finnish data, but occasionally extend the view to other European countries. The data sources include register-based macro- and microdata as well as survey data. Article I examines the extent and the patterns of gender segregation within the Finnish educational system between 1981 and 2005. The results show that differences between men’s and women’s field specializations have for the most part remained stable during this period, with particularly high levels of gender segregation observed at lower educational levels. The focus in Article II rests on the effects of gender-segregated fields of study on higher education graduates’ occupational status. It is shown that fields of study matter for accessing professional jobs and avoiding low-skilled positions in Finland: at the early career stage, particularly polytechnic graduates from female-dominated fields are less likely to work in professional positions. Finnish university graduates from male-dominated fields were more likely than their peers with different specializations to work as professionals, yet they also faced a greater risk of being sorted into lowskilled jobs if they failed to make use of this advantage. Article III proceeded to analyse the joint impact of educational qualification levels and fields of study on young adults’ median earnings in Finland between 1985 and 2005. The results show that qualification levels do not confer a consistent benefit in the process of earnings stratification. Advanced qualifications raise median earnings most clearly among individuals specializing in the same field of study. When comparing individuals with different field specializations, on the other hand, higher-level qualifications do not necessarily lead to higher median earnings. Overall, the findings of this dissertation reveal a heterogeneous effect of education for achieving social positions, which challenges individual-centred, meritocratic accounts of social stratification and underlines the problematic lack of structural and institutional dimensions in the dominant account of social status attainment.

Höyrykattiloiden säilöntä

Tässä työssäon tarkasteltu yleisesti höyrykattiloiden säilöntää. Erilaisten säilöntämenetelmien perustietojen lisäksi työssä on pyritty selvittämään eri kattilatyypeille ominaiset säilöntätavat. Märkäsäilönnän jälkeistä käyttöönottoa on pohdittu selvittämällä laskennallisesti, onko tarpeen vaihtaa kattilaan vahvasti kemikaloidun säilöntäliuoksen tilalle puhtaampaa syöttövettä. Esimerkkinä on käytetty Voikkaan paperitehtaan höyryvoimalaitoksen kattila K13:ta. Työtä tehdessä on käytetty apuna aihetta käsittelevää kirjallisuutta, jota on saatu höyrykattiloita säilöviltä voimalaitoksilta, kemikaalitoimittajilta sekä asiantuntijoiden tekemistä luentomonisteista. Lieriökattiloiden höyrypuoli säilötään lähes poikkeuksetta märkänä, sillä se on vaikea tyhjentää täysin kosteudesta. Läpivirtauskattilalaitoksella käytetään usein sekä kuiva- että märkäsäilöntää. Savukaasupuolen korroosio ehkäistään useinmiten pitämällä kattila niin lämpimänä, että kastepistealituksia ei tapahdu.

Vortex-putken ominaisuudetkuivaussovellutuksessa

Työssä tarkastellaan vortex-putken soveltuvuutta kostean ilman kuivatukseen ja vapautuvan latenttilämmön hyödyntämiseen. Soveltuvuutta arvioidaan veden ja ilman massataseita hyväksi käyttäen ja stationaarisen systeemin energiataseen avulla. Työn mittauksia varten rakennettiin koelaitteisto, jonka avulla mitattiin miten lämpötilaerot kuumassa ja kylmässä päässä käyttäytyivät mitattaessa kuivalla ilmalla ja ilmalla, jota oli kostutettu. Mitattavia suureita olivat syöttöpaine- ja lämpötila, lämpötilat kuumassa ja kylmässä päässä, kuuman pään paine ja tilavuusvirta tai virtausnopeus ja kuuman pään suhteellinen kosteus. Mittaustulosten avulla laskettiin lämpötilan muutokset kummassakin päässä ja verrattiin kuivan ja kostean ilman mittauksien tuloksia toisiinsa. Lisäksi laskettiin tiivistyneen veden määrä ja veden ja ilman massavirrat molemmissa päissä. Näin voitiin laskea tiivistymisessä vapautuva energia ja tarkastella mihin se siirtyy. Tulosten perusteella vortex-putki soveltuu hyvin huonosti ilman kuivatukseen. Tiivistyneen veden määrä ja sitä kautta tiivistymisessä vapautunut energia, olivat pieniä. Suurin osa kosteudesta meni kuuman pään virtauksen mukana. Tiivistymisessä vapautunut energia siirtyi kylmään päähän.

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.

Oxygen adsorption on Cu(211) and structurally and chemically modified Cu(100)

Kuparipinnan hapettuminen on viimevuosina ollut suosittu tutkimuskohde materiaalitieteissä kuparin laajan teollisuuskäytön vuoksi. Teollisuussovellusten, kuten suojaavien pintaoksidien kehittäminen vaatii kuitenkin syvällistä tuntemusta hapettumisprosessista ja toisaalta myös normaaliolosuhteissa materiaalissa esiintyvien hilavirheiden vaikutuksesta siihen. Tässä työssä keskitytäänkin tutkimaan juuri niitä mekanismeja, joilla erilaiset pintavirheet ja porrastettu pintarakenne vaikuttavathapen adsorptioprosessiin kuparipinnalla. Tutkimus on tehty käyttämällä laskennallisia menetelmiä sekä VASP- ja SIESTA-ohjelmistoja. Työssätutkittiin kemiallisia ja rakenteellisia virheitä Cu(100)-pinnalla, joka on reaktiivisin matalanMillerin indeksin pinta ja porrastetun pinnan tutkimuksessa käytettiin Cu(211)-pintaa, joka puolestaan on yksinkertainen, stabiili ja aiemmissa tutkimuksissa usein käytetty pintarakenne. Työssä tutkitut hilavirheet, adatomit, vähentävät molekyylin dissosiaatiota kuparipinnalla, kun taas vakanssit toimivat dissosiaation keskuksina. Kemiallisena epäpuhtautena käytetty hopeakerros ei estä kuparin hapettumista, sillä happi aiheuttaa mielenkiintoisen segregaatioilmiön, jossa hopeatyöntyy syvemmälle pinnassa jättäen kuparipinnan suojaamattomaksi. Porrastetulla pinnalla (100)-hollow on todennäköisin paikka molekyylin dissosiaatiolle, kun taas portaan bridge-paikka on suotuisin molekulaariselle adsorptiolle. Lisäksi kuparin steppipinnan todettiin olevan reaktiivisempi kuin tasaiset kuparipinnat.

Lämmöntalteenotto kosteasta poistoilmasta prosessiteollisuudessa

Tämän diplomityön päämääränä on tehdä prosessiteollisuuden tarpeisiin Excel-taulukkolaskentaohjelmassa toimiva putkilämmönsiirtimen mitoitusohjelma. Prosessiteollisuudessa lämmönvaihtimien toimintaympäristöt ja olosuhteet vaihtelevat merkittävästi ja niinpä jokaisen vaihtimen suunnittelu ja mitoitus on toteutettava tapauskohtaisesti. Työssä käsitellään rekuperatiivisen ristivirtaputkilämmönvaihtimen yleinen lämpötekninen mitoitus sisältäen putken sisäpinnalle tapahtuvan mahdollisen lauhtumisen. Mitoitettava vaihdinkoostuu pystysuorista putkista, joissa lämmin ja kostea ilma virtaa putkien sisäpuolella ja kylmä kuiva ilma vaippapuolella vaakasuoraan. Vaihdinmateriaalina käytetään ruostumatonta AISI 304 -tai haponkestävää AISI 316 terästä. Kuuman ilman tila vaihtelee tarkasteltavan kohteen mukaan. Paperiteollisuuden kuivausyksiköiltä poistuva ilma on usein lämmintä ja kosteaa, ja infrakuivaimilta poistuva ilma on kuumaa. Mitoitettavalle lämmönvaihtimelle tulevan kuuman ilman lämpötila tapauksesta riippuen voi vaihdella 30°C, maksimissaan +300°C:een saakka, vesisisällön ollessa välillä 0,010...0,200 kg/kg ki tai jopa tämän ylikin. Vaihtimen mitoitus perustuu energiataseyhtälöiden käyttöön. Laskennassa määritetään vaihtimen pintalämpötila sekä mahdollinen kostean ilman lauhtuminen putken sisäpinnalle. Lisäksi teoria käsittää molempien virtausten tilanmuutosten laskennan. Työssä on esitetty esimerkkilaskelma, jossa on laskettu ilma- kostea ilma lämmönsiirrinkonstruktio. Esimerkissä on tarkasteltu vaihtimen hyötysuhdetta, virtausten lämpö- ja kosteuskäyttäytymistä ulkoilman lämpötilan funktiona. Ohjelmasta saadaan tulostettua mitoitettavanvaihtimen dimensiot; putkien lukumäärät syvyys- ja pituussuunnassa sekä kokonaisputkilukumäärä, putkien väliset etäisyydet toisiinsa nähden sekä syvyys, että pituussuunnassa, putkipituus ja putken sisä- ja ulkohalkaisijat. Nämä tiedot suunnittelija itse syöttää ohjelmalle alkuarvoina. Laskettuna tietona ohjelma antaa molempien virtausten poistolämpötilat, kuuman ilman poistuvan absoluuttisen kosteuden, kondenssivesimäärän, vaihtimen tehon ja painehäviöt vaippa- ja putkipuolelle. Lisäksi ohjelma laskee kuuman ilman ominaisentalpiat vaihtimen sisään- ja ulostulossa. Tämä mahdollistaa ilman tilapisteiden piirtämisen Mollier-piirrokseen.

Putkilämmönsiirtimien mitoitustyökalujen kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on kehittää tietokoneohjelma putkilämmönsiirtimen vaippapuolen painehäviön laskemiseksi. Ohjelmalla voidaan varmistaa lämmönsiirtimen mitoitusvaiheessa, että vaippapuolen painehäviö ei ylitä sallittuja rajoja. Ohjelmatäydentää olemassa olevia mitoitusohjelmia. Tässä diplomityössä käsitellään ainoastaan höyryvoimalaitosprosesseissa käytettäviä putkilämmönsiirtimiä. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty periaate höyryvoimalaitosprosessista ja siinä käytettävistä putkilämmönsiirtimistä sekä esitetty putkilämmönsiirtimien rakenne, yleinen suunnittelu ja lämpö- ja virtaustekninen mitoitus. Painehäviön laskennassa käytetyt ja lämpö- ja virtausteknistä mitoitusta käsittelevässä kappaleessa esitetyt yhtälöt perustuvat Bell-Delawaren menetelmään. Painehäviönlaskentaohjelma on toteutettu hyväksikäyttäen Microsoft Excel taulukkolaskentaa ja Visual Basic -ohjelmointikieltä. Painehäviön laskenta perustuu segmenttivälilevyillä varustetun putkilämmönsiirtimen vaippapuolen yksifaasivirtaukseen. Lämmönsiirtimen lauhdutinosan painehäviö oletetaan merkityksettömäksi, joten kokonaispainehäviö muodostuu höyryn- ja lauhteenjäähdyttimessä. Kehitetty ohjelma on suunniteltu erityisesti lauhteenjäähdyttimessä muodostuvan painehäviön laskentaan. Ohjelmalla laskettuja painehäviön arvoja on verrattu todellisesta lämmönsiirtimestä mitattuihin arvoihin. Lasketut arvotvastaavat hyvin mittaamalla saatuja, eikä tuloksissa ilmene mitään systemaattista virhettä. Ohjelma on valmis käytettäväksi putkilämmönsiirtimien mitoitustyökaluna. Diplomityön pohjalta on tehty ehdotukset ohjelman edelleen kehittämiseksi.

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.

Effect of Noncondensable Gases on Circulation of Primary Coolant in Nuclear Power Plants in Abnormal Situations

The present study focuses on two effects of the presence of a noncondensable gas on the thermal-hydraulic behavior of thecoolant of the primary circuit of a nuclear reactor in the VVER-440 geometry inabnormal situations. First, steam condensation with the presence of air was studied in the horizontal tubes of the steam generator (SG) of the PACTEL test facility. The French thermal-hydraulic CATHARE code was used to study the heat transfer between the primary and secondary side in conditions derived from preliminary experiments performed by VTT using PACTEL. In natural circulation and single-phase vapor conditions, the injection of a volume of air, equivalent to the totalvolume of the primary side of the SG at the entrance of the hot collector, did not stop the heat transfer from the primary to the secondary side. The calculated results indicate that air is located in the second half-length (from the mid-length of the tubes to the cold collector) in all the tubes of the steam generator The hot collector remained full of steam during the transient. Secondly, the potential release of the nitrogen gas dissolved in the water of the accumulators of the emergency core coolant system of the Loviisa nuclear power plant (NPP) was investigated. The author implemented a model of the dissolution and release ofnitrogen gas in the CATHARE code; the model created by the CATHARE developers. In collaboration with VTT, an analytical experiment was performed with some components of PACTEL to determine, in particular, the value of the release time constant of the nitrogen gas in the depressurization conditions representative of the small and intermediate break transients postulated for the Loviisa NPP. Such transients, with simplified operating procedures, were calculated using the modified CATHARE code for various values of the release time constant used in the dissolution and release model. For the small breaks, nitrogen gas is trapped in thecollectors of the SGs in rather large proportions. There, the levels oscillate until the actuation of the low-pressure injection pumps (LPIS) that refill the primary circuit. In the case of the intermediate breaks, most of the nitrogen gas is expelled at the break and almost no nitrogen gas is trapped in the SGs. In comparison with the cases calculated without taking into account the release of nitrogen gas, the start of the LPIS is delayed by between 1 and 1.75 h. Applicability of the obtained results to the real safety conditions must take into accountthe real operating procedures used in the nuclear power plant.