A comparison of thermal condition between pilot- and full-scale furnaces for studying slagging and fouling propensity in PF boilers

The Australian Coal Industry Research Laboratory (ACIRL) furnace is scaled to simulate slagging and fouling in operating boilers. This requires that the gas and target temperatures, the heat flux, and the flow pattern be the same as those in real boilers. The gas and target temperatures are maintained by insulating the wall and cooling the target respectively. The flow pattern of a small burner cannot be the same as a large furnace. However, this flow pattern is partially compensated for by placing the slagging panels in three vertical locations. The paper develops the models of radiant heat transfer from the flame to the deposits both in pilot-scale and full-scale furnaces. They are used to compare the effective radiant heat transfer of the pilot- and full-scale furnaces. The experimental data both from the pilot- and full-scale furnaces are used to verify the incident heat flux and temperature profiles in the pilot- and full-scale furnaces. The results showed that the thermal condition in the pilot-scale furnace meets the requirements for studying the slagging regarding the gas temperature and the incident heat flux, particularly for the panel #1. The gas temperature in the convective section also meets the requirement for studying the fouling.

Western Préalpes Médianes Romandes: Timing and structure. A review.

Between the original position and their present day location as klippen, the Prealpes Medianes underwent a complex history of paleotectonics and alpine tectonics. Due to the opening of the Piemont ocean the Brianconnais sedimentation realm of the Prealpes Medianes evolved as a rim basin of the northern passive margin during Jurassic to Eocene times. Different paleotectonic features (normal faults, synsedimentary growth structures, inversion structures) developed and were active above a basal detachment in evaporitic layers. The tectonic movements were a consequence of thermal events in the crust. Isolated from the Iberic continent at the end of the Late Cretaceous, the Brianconnais exotic terrain was incorporated into the accretionary prism of the closing Piemont ocean and the incipient alpine orogeny during the Lutetian-Bartonian. The Prealpes Medianes were detached from their homeland during the Bartonian-Priabonian and were transported onto the foreland. The tectonic style is one of a thin-skinned foreland fold and thrust belt. Fault associated fold development above a main decollement, together with internal deformation, represent the Prealpes Medianes main structural features. The very low-grade metamorphic conditions have their origin in the heat flux induced by tectonic burial by overriding nappes in the accretionary prism. After having been transported on top of the developing Helvetic nappes the Prealpes were emplaced in their present day position in front of the Alpine mountain belt during Oligocene times. Post-emplacement and out of sequence thrusting, possibly younger than Oligocene, is observed and can be related to thrusting in the sedimentary substratum and the basement.

Geodynamic reconstructions of the South America-Antarctica plate system

The South America-Antarctica plate system shows many oceanic accretionary systems and subduction zones that initiated and then stopped. To better apprehend the evolution of the system, geodynamic reconstructions (global) have been created from Jurassic (165 Ma) to present, following the techniques used at the University of Lausanne. However, additional synthetic magnetic anomalies were used to refine the geodynamics between 33 Ma and present. The reconstructions show the break up of Gondwana with oceanisation between South America (SAM) and Antarctica (ANT), together with the break off of `Andean' geodynamical units (GDUs). We propose that oceanisation occurs also east and south of the Scotian GDUs. Andean GDUs collide with other GDUs crossing the Pacific. The west coast of SAM and ANT undergo a subsequent collision with all those GDUs between 103 Ma and 84 Ma, and the Antarctic Peninsula also collides with Tierra del Fuego. The SAM-ANT plate boundary experienced a series of extension and shortening with large strike-slip component, culminating with intra-oceanic subduction leading to the presence of the `V-' and anomalies in the Weddell Sea. From 84 Ma, a transpressive collision takes place in the Scotia region, with active margin to the east. As subduction propagates northwards into an old and dense oceanic crust, slab roll-back initiates, giving rise to the western Scotia Sea and the Powell Basin opening. The Drake Passage opens. As the Scotian GDUs migrate eastwards, there is enough space for them to spread and allow a north-south divergence with a spreading axis acting simultaneously with the western Scotia ridge. Discovery Bank stops the migration of South Orkney and `collides with' the SAM-ANT spreading axis, while the northern Scotian GDUs are blocked against the Falkland Plateau and the North-East Georgia Rise. The western and central Scotia and the Powell Basin spreading axes must cease, and the ridge jumps to create the South Sandwich Islands Sea. The Tierra del Fuego-Patagonia region has always experienced mid-oceanic ridge subduction since 84 Ma. Slab window location is also presented (57-0 Ma), because of its important implication for heat flux and magmatism. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Second differential of the entropy as a criterion for the stability in low-dimensional climate models

The second differential of the entropy is used for analysing the stability of a thermodynamic climatic model. A delay time for the heat flux is introduced whereby it becomes an independent variable. Two different expressions for the second differential of the entropy are used: one follows classical irreversible thermodynamics theory; the second is related to the introduction of response time and is due to the extended irreversible thermodynamics theory. the second differential of the classical entropy leads to unstable solutions for high values of delay times. the extended expression always implies stable states for an ice-free earth. When the ice-albedo feedback is included, a discontinuous distribution of stable states is found for high response times. Following the thermodynamic analysis of the model, the maximum rates of entropy production at the steady state are obtained. A latitudinally isothermal earth produces the extremum in global entropy production. the material contribution to entropy production (by which we mean the production of entropy by material transport of heat) is a maximum when the latitudinal distribution of temperatures becomes less homogeneous than present values

New experimental apparatus for the study of the Bénard-Rayleigh problem

A new experimental system to measure the equivalent thermal conductivity of a liquid with regard to the Bénard-Rayleigh problem was constructed. The liquid is enclosed within walls of polymethylmethacrylate between two copper plates in which there are thermocouples to measure the difference in temperature between the lower and upper surfaces of the layer of liquid. Heat flux is measured by means of a linear heat fluxmeter consisting of 204 thermocouples in series. The fluxmeter was calibrated and the linear relationship that exists between the heat flux and the emf generated was verified. The thermal conductivity of the polymethylmethacrylate employed was measured and measurements of the equivalent conductivity in cylindrical boundaries of two silicone oils were made. The critical value of the temperature difference and the contribution of the convective process to the transmission of heat were determined.

Estimation of soil moisture in the root-zone from remote sensing data

Field-based soil moisture measurements are cumbersome. Thus, remote sensing techniques are needed because allows field and landscape-scale mapping of soil moisture depth-averaged through the root zone of existing vegetation. The objective of the study was to evaluate the accuracy of an empirical relationship to calculate soil moisture from remote sensing data of irrigated soils of the Apodi Plateau, in the Brazilian semiarid region. The empirical relationship had previously been tested for irrigated soils in Mexico, Egypt, and Pakistan, with promising results. In this study, the relationship was evaluated from experimental data collected from a cotton field. The experiment was carried out in an area of 5 ha with irrigated cotton. The energy balance and evaporative fraction (Λ) were measured by the Bowen ratio method. Soil moisture (θ) data were collected using a PR2 - Profile Probe (Delta-T Devices Ltd). The empirical relationship was tested using experimentally collected Λ and θ values and was applied using the Λ values obtained from the Surface Energy Balance Algorithm for Land (SEBAL) and three TM - Landsat 5 images. There was a close correlation between measured and estimated θ values (p<0.05, R² = 0.84) and there were no significant differences according to the Student t-test (p<0.01). The statistical analyses showed that the empirical relationship can be applied to estimate the root-zone soil moisture of irrigated soils, i.e. when the evaporative fraction is greater than 0.45.

Radiation and energy balance of lettuce culture inside a polyethylene greenhouse

The objective of this paper was to describe the radiation and energy balance, during the lettuce (Lactuca sativa, L. cv. Verônica) crop cycle inside a polyethylene greenhouse. The radiation and energy balance was made inside a tunnel greenhouse with polyethylene cover (100 mum) and in an external area, both areas with 35 m². Global, reflected and net radiation, soil heat flux and air temperature (dry and humid) were measured during the crop cycle. A Datalogger, which operated at 1 Hz frequency, storing 5 minutes averages was utilized. The global (K¯) and reflected (K­) radiations showed that the average transmission of global radiation (K¯in / K¯ex) was almost constant, near to 79.59%, while the average ratio of reflected radiation (K­in / K­ex) was 69.21% with 8.47% standard-deviation. The normalized curves of short-wave net radiation, in relation to the global radiation (K*/ K¯), found for both environments, were almost constant at the beginning of cycle; this relation decreased in the final stage of culture. The normalized relation (Rn/ K¯) was bigger in the external area, about 12%, when the green culture covered the soil surface. The long-wave radiation balance average (L*) was bigger outside, about 50%. The energy balance, estimated in terms of vertical fluxes, showed that, for the external area, in average, 83.07% of total net radiation was converted in latent heat evaporation (LE), and 18% in soil heat flux (G), and 9.96% in sensible heat (H), while inside of the greenhouse, 58.71% of total net radiation was converted in LE, 42.68% in H, and 28.79% in G.

Energy balance measurements over a banana orchard in the Semiarid region in the Northeast of Brazil

The objective of this work was to evaluate the reliability of eddy covariance measurements, analyzing the energy balance components, evapotranspiration and energy balance closure in dry and wet growing seasons, in a banana orchard. The experiment was carried out at a farm located within the irrigation district of Quixeré, in the Lower Jaguaribe basin, in Ceará state, Brazil. An eddy covariance system was used to measure the turbulent flux. An automatic weather station was installed in a grass field to obtain the reference evapotranspiration (ET0) from the combined FAO-Penman-Monteith method. Wind speed and vapor pressure deficit are the most important variables on the evaporative process in both growing seasons. In the dry season, the heat fluxes have a similar order of magnitude, and during the wet season the latent heat flux is the largest. The eddy covariance system had acceptable reliability in measuring heat flux, with actual evapotranspiration results comparing well with those obtained by using the water balance method. The energy balance closure had good results for the study area, with mean values of 0.93 and 0.86 for the dry and wet growing seasons respectively.

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.

Analysis of thermal properties of phase change materials (PCM) using differential scanning calorimeter (DSC)

Commercially available PCM RT 20, RT 27, SP 22, A17 and SP 25 A8. Were analyzed using dynamic and step method of heat flux DSC. The results of the dinamic and step method were compared with commercial valures. It was found that RT 20 & RT 27 showed good conforming of results with commercial values while SP 22 A17 & SP 25 A8 did not show conformity.

Parametrización de kB-1 para estimar el flujo de calor sensible con imágenes AVHRR

La necesidad de evaluar la evapotranspiración a escala regional para la gestión de regadíos ha hecho que sean innumerables los intentos por aplicar imágenes AVHRR-NOAA en la determinación el flujo de calor sensible. La principal limitación de estos métodos es la estimación de la resistencia aerodinámica. El parámetro crítico en la expresión de la resistencia aerodinámica es kB-1. La parametrización de kB-1 ha sido infructuosa a escala regional por no disponer hasta ahora de medidas de flujo de calor sensible a escala del píxel AVHRR en superficies heterogéneas y durante toda una temporada de riegos. Para resolver esta medida de flujo se ha desarrollado el cintilómetro. En la primera parte de este trabajo se estudia la representatividad espacial de las medidas del cintilómetro. El núcleo de esta aportación consiste en la correlación entre el parámetro kB-1, el NDVI y la altura solar. Los buenos resultados obtenidos (r2=0.81) ofrecen una nueva metodología para determinar el flujo de calor sensible. La estimación de kB-1, las imágenes AVHRR y los datos meteorológicos permiten calcular el flujo de calor sensible durante toda la temporada de riegos con errores inferiores al 20%.

Lämmönsiirron numeerinen laskenta profiloidulle kanavalle.

Työn tavoitteena oli tutkia aaltomaisen profiloinnin vaikutusta suorien jäähdytyskanavien lämmönsiirtoon ja painehäviöön. Erilaisia profiileja oli kymmenen kappaletta ja ne olivat 5mm leveitä ja 30cm pitkiä kukin. Ne laskettiin kolmeulotteisina tapauksina FINFLO-virtausratkaisijalla kolmella eri Reynoldsin luvulla, jotka vastasivat laminaarista, osittain turbulenttista ja lähes kokonaan turbulenttista virtausta. Lämmönsiirtoaine oli kuiva +30°C ilma ja profiloinnin toteutustapa oli toisiaan sivuavat ympyräkaaret kolmella erilaisella säteen arvolla ja kolmella erilaisella aallonpituuden arvolla. Lisäksi laskettiin saman levyisen tasokanavan arvot jokaisella Reynoldsin luvulla kaksiulotteisina tapauksina. Näitä profiloimattomia kanavia pidettiin referenssitapauksina. Tuloksena havaittiin että profiloimalla saadaan yksiselitteisesti suurempi lämpöteho ulos samasta tilavuudesta. Lämmönsiirtokerroin kasvaa profiloinnin avulla parhaimmillaan n. 20% käytetystä turbulenssimallista tai lämmönsiirtokertoimen määritelmästä riippumatta. Painehäviö kasvaa myös aina, mutta kitkakerroin voi hieman pienentyä. Profiilin varsinaisena hyvyyskriteerinä pidettiin lämmönsiirtokertoimen ja kitkakertoimen suhdetta h/f. Se osoittautui riippuvaksi Reynoldsin luvusta ja turbulenssimallista; ASM ja Chien k-έ -mallit ennustavat transitioetäisyyden eri tavalla. Laminaarisilla virtauksilla h/f :n vaihtelu oli vähäistä; suhde vaihteli vain ±5% eri profiilien kesken. ASM-mallilla havaittiin sekundääripyörteilyä, ehkä siksi että se mallintaa anisotrooppisen turbulenssin. Chien k-έ malli ennusti suuremman ja aikaisemmin alkavan turbulenttisuuden kuin ASM. Lisäksi havaittiin mm. että tietyillä profiileilla muodostuu kanavan kapeimpaan kohtaan selvä virtausnopeuden paikallinen minimi seinämän läheisyyden takia.

Maalämpöpumpun mitoitusjärjestelmän kehittäminen

Työn tavoitteena oli kehittää maalämpöpumppujärjestelmään kuuluvien komponenttien mitoitusta. Työ tehtiin Alufer Oy nimiselle yritykselle, joka on työskennellyt jo kolme vuotta maalämpöpumppujärjestelmän tuotekehityksen parissa. Maalämpöpumppujärjestelmä tullaan suunnittelemaan mahdollisimman suorituskykyiseksi ja joustavaksi. Suunnittelun lähtökohtana on, että lämmitysjärjestelmä on ns. matalalämpö-järjestelmä, joka käytännössä usein toteutetaan lattialämmityksenä. Ensimmäiseksi työssä on selvitetty mitä maalämpö on ja mitkä ovat yleisimmät maalämpöpumppujärjestelmän lämmönkeruuputkistojen asennustavat. Tällä hetkellä käytössä on joko vaakaan (maa, vesi) tai pystyyn asennettava lämmönkeruuputkisto (porakaivo). Seuraavaksi työssä on lähdetty selvittämään maalämpöpumppumarkkinoita Suomessa sekä selvitetty kolmen suurimman valmistajan Geopro Systemsin, Suomen Lämpöpumpputekniikan ja Ekowellin tuotteita sekä tekniikkaa. Työssä selvitetään myös muutamien Eurooppalaisten maiden markkinat. Mitoitusjärjestelmässä tarkastelu on aloitettu uudisrakennuksen lämmitystehon tarpeesta ja käyttöveden lämmityksen tarvitsemasta tehosta. Tarvittavan lämmitysenergian perusteella määriteltiin lämpöpumppujärjestelmään kuuluvat komponentit. Maalämpöpumppujärjestelmä koostuu seuraavista pääkomponenteista: höyrystin, kompressori, lauhdutin ja paisuntaventtiili. Höyrystimen tehon mitoituksessa on huomioitu lämmönkeruuputkistossa kulkevan nesteen aineominaisuudet, massavirta ja lämpötilaero höyrystimen nesteen ulostulon sekä sisään menon välillä. Kompressorin teho on määritetty valitun kylmäaineen (R407C) lg p-h piirroksesta tai määritetty teoreettisesti kompressorivalmistajien omista valintaohjelmista. Lauhduttimen teho on määritelty höyrystimen sekä kompressorin tehon summasta. Samalla määräytyy myös uudisrakennuksen lämmitystehontarve. Lopuksi työssä on käsitelty maalämpöpumppujärjestelmän kehitysmahdollisuuksia. Vaihtoehtoina on huomioitu tulistin, alijäähdytin ja varaaja, joilla voidaan huomattavasti parantaa maalämpöpumpun lämpökerrointa.

Muutosilmiöt soodakattilakeossa

Soodakattilan sulakeon epästationaarinen käyttäytyminen sekä keon pitkä jäähtymisaika alasajon jälkeen ovat aiheuttaneet ongelmia kattilan taloudellisessa käytettävyydessä. Keon käyttäytymisestä on luotu CFD-malleja, joiden tavoitteena on havainnollistaa keon lämpötilajakaumaa ja rakennetta. Mallien ongelmana on se, että niissä huomioidaan vain keon aktiivinen pintakerros. Keon sisäosan rakennetta ja siinä tapahtuvia prosesseja ei toistaiseksi tunneta kunnolla luotettavan, koko keon kattavan mallin luomiseen. Tässä työssä tutkittiin sulakeon käytön aikana havaittuja muutosilmiöitä, jotka vaikuttavat keon rakenteeseen ja ominaisuuksiin sekä tutkittiin ilmiöiden taustalla olevia tekijöitä. Näitä tekijöitä ovat keon sisässä tapahtuvat kemialliset ja fyysiset prosessit, jotka aiheuttavat muutoksia niin lämpöteknisesti kuin fyysisesti sekä ulkoapäin tulevat tekijät, jotka aiheutuvat ajotilanteiden seurauksena tapahtuvista muutoksista. Työn kokeellisena osana luotiin sulakeon jäähtymismalli käyttäen 1-dimensionaalista ADL-mallia. Mallin pohjana käytettiin StoraEnso Oy:ltä Oulun soodakattilan sulakeosta saatua mittausraporttia. ADL-mallin avulla luotiin keon jäähtymiskäyrät lämpötilan ja syvyyden funktiona. Saadut käyrät täsmäsivät hyvin mittausraportin tuloksiin. Mallin avulla keolle saatiin muodostettua energiatase, jonka tuloksena keosta 12 tunnin aikana poistuva lämpövirta pinnalla oli noin 9.8kW/m2 ja pinnan lämmönsiirtokerroin 58.3W/m²°C. Pohjan poistuvaksi lämpövirraksi saatiin 14.1kW/m2 ja lämmönsiirtokertoimeksi 75.4W/m²°C. Termiseksi diffuusiokertoimeksi saatiin 3.9•10-7m²/s.

Arinakattilan lämmönsiirron laskentamallin kehittäminen

Kattilalaitosten polttoaineen syötössä ilmenevät häiriöt ja biopolttoaineiden laatuvaihtelut aiheuttavat epävakaata palamista ja tekevät prosessin hallinnasta vaikeampaa. Polttoaineen laatuvaihtelut vaikuttavat koko prosessiin ja näkyvät lopulta myös höyryntuotannossa. Kompensoinnilla pyritään estämään häiriöiden suuret vaikutukset höyryn tuotantoon. Tarkoituksena on saada kattilan toiminta ja tehon tuotanto tasaisemmaksi ja helpommin hallittavaksi. Tässä diplomityössä tarkastellaan polttoaineen ominaisuuksien, säteilylämmönsiirron sekä säätöjen vaikutusta toisiinsa ja merkitystä kattilan toiminnan kannalta. Työssä muodostetaan säteilylämmönsiirron laskentamalli arinakattilan tulipesälle käyttäen hyväksi hyvin sekoittuneen tulipesän menetelmää. Menetelmällä voidaan määrittääsavukaasujen keskimääräinen lämpötila tulipesässä, lämpövirta tulipesän seiniin tai poltossa vapautuva lämpöteho. Mallin avulla voidaan paremmin ymmärtää prosessin käyttäytymistä polttoaineen laadun muuttuessa sekä helpottaa ja nopeuttaa kattilan käyttäytymisen ennustamista. Laskentamalli tehtiin Excel –laskentaohjelmaan, jossa se testataan. Verifioinnin jälkeen malli on tarkoitus siirtää toimimaan apros –simulointiympäristöön.