Calculations for HRE no.2 heat exchanger /

"Subject category: Physics."--Cover.

The design and development of heat extraction technologies for the utilisation of compost thermal energy

A composting Heat Extraction Unit (HEU) was designed to utilise waste heat from decaying organic matter for a variety of heating application The aim was to construct an insulated small scale, sealed, organic matter filled container. In this vessel a process fluid within embedded pipes would absorb thermal energy from the hot compost and transport it to an external heat exchanger. Experiments were conducted on the constituent parts and the final design comprised of a 2046 litre container insulated with polyurethane foam and kingspan with two arrays of qualpex piping embedded in the compost to extract heat. The thermal energy was used in horticultural trials by heating polytunnels using a radiator system during a winter/spring period. The compost derived energy was compared with conventional and renewable energy in the form of an electric fan heater and solar panel. The compost derived energy was able to raise polytunnel temperatures to 2-3°C above the control, with the solar panel contributing no thermal energy during the winter trial and the electric heater the most efficient maintaining temperature at its preset temperature of 10°C. Plants that were cultivated as performance indicators showed no significant difference in growth rates between the heat sources. A follow on experiment conducted using special growing mats for distributing compost thermal energy directly under the plants (Radish, Cabbage, Spinach and Lettuce) displayed more successful growth patterns than those in the control. The compost HEU was also used for more traditional space heating and hot water heating applications. A test space was successfully heated over two trials with varying insulation levels. Maximum internal temperature increases of 7°C and 13°C were recorded for building U-values of 1.6 and 0.53 W/m2K respectively using the HEU. The HEU successfully heated a 60 litre hot water cylinder for 32 days with maximum water temperature increases of 36.5°C recorded. Total energy recovered from the 435 Kg of compost within the HEU during the polytunnel growth trial was 76 kWh which is 3 kWh/day for the 25 days when the HEU was activated. With a mean coefficient of performance level of 6.8 calculated for the HEU the technology is energy efficient. Therefore the compost HEU developed here could be a useful renewable energy technology particularly for small scale rural dwellers and growers with access to significant quantities of organic matter

Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla

Tämä diplomityö on osa FCEP hankeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on kartoittaa polttomoottorin hukkalämpövirtojen sähköksi muunnon potentiaalia valituilla menetelmillä ja tekniikoilla. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Lämmöntalteenoton tuotteistus, kannattavuus ja riskit vaneriteollisuudessa

Viilunkuivaus vaneriteollisuudessa on energiaintensiivinen prosessi, josta syntyvä hukkalämpö kannattaa ottaa talteen ja hyödyntää. Työ käsittelee erilaisten lämmöntalteenottovariaatioiden tuotteistusta ja kannattavuutta, sekä sisältää laitteiston riskianalyysin. Aiemman asiakaskohtaisen räätälöinnin sijaan, laitteiston modulaarinen tuoterakenne on otettava tuotteistuksen lähtökohdaksi. Modulaarisen tuoterakenteen ansiosta erilaisiin asiakastarpeisiin pystytään vastaamaan aiempaa tehokkaammin, kiitos erilaisten variaatioiden. Standardien ja yhtenäisten rajapintojen myötä muun muassa suunnittelua, projektinhoito ja myyntiä saadaan tehostettua. Lämmöntalteenottoratkaisuille luodaan kolme eri varustelutasoa: perus, korkea ja luksus. Näillä eri varianteilla pystytään vastamaan entistä kattavammin eri markkina-alueiden asiakastarpeisiin. Kannattavuuslaskelmat todistavat, että lämmöntalteenoton avulla saadaan merkittäviä energiasäästöjä ja eri laitteistovariaatiot maksavat itsensä erittäin nopeasti takaisin, vaikka esimerkiksi sähköenergian hinta nousisi radikaalisti. Lämmöntalteenoton voidaankin katsoa olevan aina erittäin kannattavaa. Laitteistosta on tunnistettu myös tekniset riskit, joihin on puututtava välittömästi sekä lukuisia toimenpide-ehdotuksia, joiden avulla laitteiston tuomintaa voidaan tehostaa ja muuttaa turvallisemmaksi. Riskianalyysi antaa myös suuntaviivoja tuotteistukselle sekä laitteiston huolto- ja käyttöohjeistolle.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

Matalalämpötilaisen hukkalämmön hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa

Työ käsittelee tekniikoita, joilla voidaan hyödyntää matalalämpötilaisia hukkalämpöjä kaukolämmöntuotannossa. Työ esittelee lämpöpumpputekniikkaa, jolla hukkalämmön lähteestä tulevaa lämpöä voidaan lämpötilaltaan nostaa kaukolämpöverkon tarpeita vastaavaksi. Työssä käsitellään lämpöpumppujen kylmäaineita ja niiden soveltuvuutta eri lämpötila-alueisiin. Lisäksi käsitellään hyödyntämisen taloudellisuutta ja ympäristövaikutuksia. Taloudellisuudessa käsitellään investointi- ja käyttökustannukset ja pohditaan niiden pohjalta tuotteiden kaukolämpö- ja kaukokylmähinnoittelua asiakkaille. Työ myös tarkastelee hankkeen kokonaiskannattavuutta Mäntsälän Sähkölle. Kannattavuuslaskelmissa toteutetaan herkkyystarkastelu suurimpien muuttujien osalta. Työ tarkastelee yhdistetyn kylmän- ja lämmöntuotannon soveltuvuutta Mäntsälän keskustan kaukolämpöverkon ja Kapulin kaukolämpöverkon alueelle. Soveltuvuutta tarkastellaan Suomessa ja maailmalla toteutettujen referenssien pohjalta.

Työkoneiden dieselmoottoreiden hyötysuhteen parantaminen lämmöntalteenoton avulla

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisessa. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on muodostaa näkemys Mikro-ORC energiamuuntimen mahdollisuuksista ja reunaehdoista osana työkoneluokan (150 kW… 400 kW) dieselmoottorikokonaisuutta, erityisesti maataloussektorilla. Työssä tarkasteltaviksi moottoreiksi valittiin kaksi eri AGCO Sisu Powerin dieselmoottoria. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli tutkia ORC-prosessin tuottamaa lisäsähkötehoa hyödyntämällä pakokaasujen lämpöenergiaa korkea-, keski- ja matalalämpötiloissa. Työssä vertailtiin kahden eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatava sähkötehoa sekä prosessin sisäisiä parametreja. Lisäksi työssä tutkittiin ORC-prosessin laskentaa suunnittelupisteessä (design) ja suunnittelupisteen ulkopuolella (off-design), prosessisuureiden optimointia ja lämmönsiirtimien mitoitusta. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin energiataseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavan tehoon. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi ORC:lla sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Vedyn käytön tarkastelu Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla

Kemira Chemicals Oy:n Joutsenon tehtailla valmistetaan lipeää, suolahappoa, natriumhypokloriittia sekä natriumkloraattia. Lipeää, suolahappoa ja natriumhypokloriittia valmistetaan lipeätehtaassa. Natriumkloraattia valmistetaan kloraattitehtaassa. Kloraatti- ja lipeätehtaan tuotteet valmistetaan elektrolyysimenetelmällä. Elektrolyysien sivutuotteena syntyy vetykaasua, joka voidaan käyttää suolahapon valmistukseen, vetyvoimalaitoksen polttoaineena tai myydä asiakkaalle. Työn tavoitteena oli tarkastella vedyn käyttöä Joutsenon tehtailla. Tarkastelun tavoitteena oli löytää mahdollisia kehitys- tai jatkotutkimuskohteita vety- ja höyryjärjestelmästä. Koska vetyä käytetään myös vetyvoimalaitoksen polttoaineena, joka tuottaa tehtailla tarvittavan prosessihöyryn, tarkasteltiin työssä myös höyryn käyttöä tehtailla. Tarkastelua varten tehtiin Microsoft Excel-pohjainen taselaskentamalli, jolla simuloitiin vedyn ja höyryn käyttöä tehtailla. Työn tuloksena saatiin Excel-pohjainen simulointimalli, jolla pystyttiin tutkimaan vedyn ja höyryn käyttöä. Vedyn ja höyryn käyttöä tutkittiin viidessä eri skenaariossa. Skenaariossa yksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla tehtaita on turvallista käyttää. Skenaariossa kaksi määritettiin pienimmät mahdolliset elektrolyysiin syötettävät sähkövirran arvot, joilla voimalaitoksen turbiini pysyisi ajossa. Skenaariossa kolme määritettiin tehtaiden tämän hetkinen maksimi kapasiteetti. Skenaarioissa neljä ja viisi tutkittiin, miten mahdollinen tehtaiden tuotantojen kasvattaminen vaikuttaisi vety- ja höyryjärjestelmään. Työn tuloksien perusteella kehitys- ja jatkotutkimuskohteita olisivat lipeän haihdutuksen höyryn kulutuksen pienentäminen, turbiinin käyttöajan kasvattaminen sekä eri lähteistä saatavan hukkalämmön parempi hyödyntäminen kaukolämmön tuotannossa. Tehtaiden tuotantoja kasvatettaessa on syytä kiinnittää huomioita myös voimalaitoksen pääkattilan ja turbiinin kapasiteettiin.

Kylmälaitekoneikon runkorakenteen kehittäminen

Kylmälaitekoneikot ovat kylmäkomponentteja sisältäviä rakenteita, joiden avulla toteutetaan suurten tilojen, kuten elintarvikemyymälöiden sisäilman jäähdytys. Lisäksi koneikkojen avulla jäähdytetään matalampiin lämpötiloihin pienempiä kylmähuoneita. Osa koneikoista ottaa talteen kylmäprosessissa syntyvän lämmön, jota hyödynnetään tilojen lämmityksessä. Tämän diplomityön tavoitteena oli suunnitella ja mitoittaa kahdeksalle eri kylmälaitekoneikolle entistä kustannustehokkaammat runkorakenteet, jotka ovat niin kestäviä, että koneikkoja on mahdollista pinota tilan säästämiseksi kolme päällekkäin. Lisäksi runkorakenteilta vaadittiin helppoa kuljetettavuutta, hyviä kiinnitysominaisuuksia ja korroosionkestävyyttä. Aluksi työssä selvitettiin runkorakenteisiin kohdistuvat vaatimukset, jonka jälkeen materiaalin valinta tehtiin materiaaliin kohdistuvien vaatimusten perusteella. Rakenteiden palkit mitoitettiin tarvittavan taivutusvastuksen ja kiepahduksen mukaan. Pilarit puolestaan mitoitettiin nurjahduksen ja kaksiaksiaalisen taivutustilan perusteella. Tämän jälkeen mitoitettiin eri sauvojen väliset hitsi- ja ruuviliitokset siten, että rakenne hajoaa ylikuormitustilanteessa mahdollisimman turvallisesti. Työssä tehdyt laskelmat varmennettiin elementtimenetelmän avulla ja lopullisille rakenteille tehtiin elementtimenetelmällä vielä ominaistaajuusanalyysejä. Lopuksi työssä suunniteltiin runkorakenteille sopiva korroosionsuojaus.

Tutkimuskattilan taselaskenta

Diplomityön tavoitteena oli luoda Varkauden energiatutkimuskeskuksen tutkimuskäyttöön tarkoitetun kuplapetikattilan tase- ja säätölaskenta. Työssä on esitelty yleisesti kuplapetikattiloiden teoriaa ja tarkasteltu lyhyesti kuplapetikattilan muodostamaa kokonaisuutta energiantuotannossa. Työssä käsitelty tutkimuskattila ei ehtinyt valmistua ennen tätä diplomityötä, joten mittauksia käytön ajalta ei voitu suorittaa ja sisällyttää tähän työhön. Lisäksi mahdolliset käytössä havaittavat korjaukset ja parannukset taselaskentaan jäivät tämän työn tarkastelun ulkopuolelle. Taselaskennan muodostamisessa hyödynnettiin kattilan suunnitteluvaiheessa luotuja säätö- ja PI-kaavioita. Säätömekaniikkaa luodessa huomioitiin mahdollisimman tarkasti automaatiojärjestelmän vaatimukset ja suorituskyky. Työssä on esitetty suuri määrä kattilalaskennan kannalta keskeisiä yhtälöitä. Prosessia ja säätömekaniikkaa mallinnettiin laskentaperusteisesti, työssä on esitetty yhtälöistä saatavat tulokset kattilaa ajettaessa tyypillisillä arvoilla 100 %:n teholla. Työn tuloksena tutkimuskattilalle saatiin säätömekaniikka, jolla pystytään arvioimaan viipymäaikaa kattilassa. Lasketun viipymäajan avulla polttoprosessi kattilassa voidaan suunnitella ja suorittaa tutkimuskäyttöön vaaditulla tarkkuudella ja laissa säädettyjen määräyksien mukaan, mikäli kierrätyspolttoainetta käytetään yli 50 tonnia vuodessa.

The interplay of metal-atom ordering, Fermi leveltuning and thermoelectric properties in cobalt shandites Co3M2S2 (M = Sn, In)

A combination of structural, physical and computational techniques including powder X-ray and neutron diffraction, SQUID magnetometry, electrical and thermal transport measurements, DFT calculations and 119Sn Mössbauer and X-ray photoelec-tron spectroscopies has been applied to Co3Sn2-xInxS2 (0 ≤ x ≤ 2) in an effort to understand the relationship between metal-atom ordering and physical properties as the Fermi level is systematically varied. Whilst solid solution behavior is found throughout the composition region, powder neutron diffraction reveals that indium preferentially occupies an inter-layer site over an alternative kagome-like intra-layer site. DFT calculations indicate that this ordering, which leads to a lowering of energy, is related to the dif-fering bonding properties of tin and indium. Spectroscopic data suggest that throughout the composition range 0 ≤ x ≤ 2, all ele-ments adopt oxidation states that are significantly reduced from expectations based on formal charges. Chemical substitution ena-bles the electrical transport properties to be controlled through tuning of the Fermi level within a region of the density of states, which comprises narrow bands of predominantly Co d-character. This leads to a compositionally-induced double metal-to-semiconductor-to-metal transition. The marked increase in the Seebeck coefficient as the semiconducting region is approached leads to a substantial improvement in the thermoelectric figure of merit, ZT, which exhibits a maximum of ZT = 0.32 at 673 K. At 425 K, the figure of merit for phases in the region 0.8 ≤ x ≤ 0.85 is amongst the highest reported for sulphide phases, suggesting these materials may have applications in low-grade waste heat recovery.

Experimental analysis of heat recoveries with heat pipes operating in low inclination angle

Heat recovery devices are important in the optimization of thermal systems, since they can be used to reduce thermal losses to the environment. The use of heat pipes in these types of equipment can provide heat recoveries of higher efficiency, since both fluid flows are external and there are less contamination risks between the hot and cold fluids. The objective of this work is to study a heat recovery unit constructed with heat pipes and mainly, to analyze the influence of the inclination of the heat pipes on the performance of the equipment. For this analysis, a heat recovery unit was constructed which possesses 48 finned heat pipes in triangular geometry, the evaporator and condenser being of the same length. This unit was tested in an air-air system simulating a heat recovery process in which heat was supplied to the hot fluid by electrical resistances. The results have shown that there exists an inclination at which the system has a better performance, but for higher inclinations there is no significant increase of the efficiency of the system. This paper also presents the influence of inclination of heat pipes on effectiveness and NTU parameters which are important in heat exchanger design.

Redução de consumo de energia eletrica a partir de reaproveitamento de energia termica com uso de ciclo rankine orgânico

This paper is proposed the usage of an Organic Rankine Cycle (ORC) along with waste heat recovery from an inconstant heat source. This method of waste heat recovery with intermittent heat source is part of a technical viability study. This paper also brings up the usage of thermal energy storage as heat source for the ORC. This paper is based on a heat treatment company study in which a natural gas furnace is explored. Data such as mass flow, temperature and specific waste gas heat from this furnace are used through calculations. Calculations are made also based on furnace cycles. This viability study considers a series of working fluids such as ammonia, benzene, R113 and R134a. Results point out that ORC with out thermal storage and using refrigerant fluid ammonia is the best alternative

Advanced Waste-To-Energy Cycles

The increase in environmental and healthy concerns, combined with the possibility to exploit waste as a valuable energy resource, has led to explore alternative methods for waste final disposal. In this context, the energy conversion of Municipal Solid Waste (MSW) in Waste-To-Energy (WTE) power plant is increasing throughout Europe, both in terms of plants number and capacity, furthered by legislative directives. Due to the heterogeneous nature of waste, some differences with respect to a conventional fossil fuel power plant have to be considered in the energy conversion process. In fact, as a consequence of the well-known corrosion problems, the thermodynamic efficiency of WTE power plants typically ranging in the interval 25% ÷ 30%. The new Waste Framework Directive 2008/98/EC promotes production of energy from waste introducing an energy efficiency criteria (the so-called “R1 formula”) to evaluate plant recovery status. The aim of the Directive is to drive WTE facilities to maximize energy recovery and utilization of waste heat, in order to substitute energy produced with conventional fossil fuels fired power plants. This calls for novel approaches and possibilities to maximize the conversion of MSW into energy. In particular, the idea of an integrated configuration made up of a WTE and a Gas Turbine (GT) originates, driven by the desire to eliminate or, at least, mitigate limitations affecting the WTE conversion process bounding the thermodynamic efficiency of the cycle. The aim of this Ph.D thesis is to investigate, from a thermodynamic point of view, the integrated WTE-GT system sharing the steam cycle, sharing the flue gas paths or combining both ways. The carried out analysis investigates and defines the logic governing plants match in terms of steam production and steam turbine power output as function of the thermal powers introduced.

Aplicación del ciclo orgánico de Rankine para el aprovechamiento de calor residual en una refinería

Este proyecto tiene por objeto el aprovechamiento de calor residual de corrientes de refinería, con bajo nivel térmico y su transformación en energía eléctrica, mediante el ciclo orgánico de Rankine (ORC). Este proceso es similar al ciclo básico de Rankine pero en vez de agua utiliza un fluido orgánico de elevado peso molecular. Este tipo de ciclos se puede utilizar para recuperar calor de fuentes de baja temperatura. Este calor se convierte en trabajo útil que se transforma en electricidad. El principio de trabajo del ciclo orgánico de Rankine es un fluido de trabajo en fase líquida que se bombea a una caldera, donde se evapora y tras pasar a través de una turbina, se condensa de nuevo para iniciar el ciclo. Para la elección de las tecnologías ORC se realizó un estudio de las disponibles en el mercado y se llevó a cabo un análisis de las corrientes con calor residual disponibles en la refinería. Seleccionadas las tecnologías, se realizó un análisis de viabilidad del uso de ciclos ORC para el aprovechamiento de la energía residual en la refinería. Los resultados confirmaron que la aplicación de estos ciclos ORC es rentable, desde el punto de vista económico, técnico y medioambiental. ABSTRACT The objective of the project is the utilization of waste heat from low thermal refinery streams and its subsequent transformation into electrical energy through the application of Organic Rankine Cycle (ORC). This process is similar to Rankine’s basic cycle but instead of water it uses a heavier molecular organic fluid. This type of cycles can be put into use to recover heat from low temperature sources. The heat transforms into useful energy that is converted into electricity. The working principle of the Organic Rankine Cycle is an active fluid in liquid phase which is pumped into a boiler where it evaporates and, after passing through a turbine, it condenses once more restarting the whole cycle over again. Before choosing the ORC technologies, a study was conducted on those products available in the market and an analysis of the waste streams in the refinery was also carried out. Having chosen the technologies, a feasibility study was performed on the use of ORC cycles for the re-utilization of waste energy in the refinery. The results confirmed that the use of ORC cycles is profitable, making it attractive from an economical, technical and environmental point of view.