Radiation heat savings in polysilicon production: validation of results through a CVD laboratory prototype

This work aims at a deeper understanding of the energy loss phenomenon in polysilicon production reactors by the so-called Siemens process. Contributions to the energy consumption of the polysilicon deposition step are studied in this paper, focusing on the radiation heat loss phenomenon. A theoretical model for radiation heat loss calculations is experimentally validated with the help of a laboratory CVD prototype. Following the results of the model, relevant parameters that directly affect the amount of radiation heat losses are put forward. Numerical results of the model applied to a state-of-the-art industrial reactor show the influence of these parameters on energy consumption due to radiation per kilogram of silicon produced; the radiation heat loss can be reduced by 3.8% when the reactor inner wall radius is reduced from 0.78 to 0.70 m, by 25% when the wall emissivity is reduced from 0.5 to 0.3, and by 12% when the final rod diameter is increased from 12 to 15 cm.

Study of plutonium oxide heat generation in a wood moderated container /

The generation of heat due to the radioactive decay of plutonium in the form of plutonium dioxide stored in wooden containers is considered. The results of two experiments in which plutonium dioxide is placed inside wooden blocks and the temperature rise measured at various points is reported. Heat transfer calculations are then performed to show that the data obtained are those which would be expected, i.e., that Fourier's Law adequately describes the situation. The heat build up in a proposed wood moderated shipping container is calculated, using some of the assumptions verified in the described experiments.

Economic efficiency of mobile latent heat storages

In a pilot project an optimized mobile latent heat storage based on a system available on the market has been tested at Fraunhofer Institute for Environmental, Safety and Energy Technology. Initially trials were conducted with the aim of optimizing the process of charging and discharging. A specifically constructed test rig at the incineration trials centre at the institute allowed charging and discharging procedures of the mobile latent heat storage with adjustable parameters. In addition an evaluation model was constructed to further optimize the heat exchanger systems. In conclusion the prototype of the mobile latent heat storage was tested in practical operation. The economic and technical feasibility of heat transportation was shown if not utilized waste heat is available. © 2014 The Authors.

Heat dissipation from carbon nano-electronics

The incorporation of graphitic compounds such as carbon nanotubes (CNTs) and graphene into nano-electronic device packaging holds much promise for waste heat management given their high thermal conductivities. However, as these graphitic materials must be used in together with other semiconductor/insulator materials, it is not known how thermal transport is affected by the interaction. Using different simulation techniques, in this thesis, we evaluate the thermal transport properties - thermal boundary conductance (TBC) and thermal conductivity - of CNTs and single-layer graphene in contact with an amorphous SiO2 (a-SiO2) substrate. First, the theoretical methodologies and concepts used in our simulations are presented. In particular, two concepts are described in detail as they are necessary for the understanding of the subsequent chapters. The first is the linear response Green-Kubo (GK) theory of thermal boundary conductance (TBC), which we develop in this thesis, and the second is the spectral energy density method, which we use to directly compute the phonon lifetimes and thermal transport coefficients. After we set the conceptual foundations, the TBC of the CNT-SiO2 interface is computed using non- equilibrium molecular dynamics (MD) simulations and the new Green-Kubo method that we have developed. Its dependence on temperature, the strength of the interaction with the substrate, and tube diameter are evaluated. To gain further insight into the phonon dynamics in supported CNTs, the scattering rates are computed using the spectral energy density (SED) method. With this method, we are able to distinguish the different scattering mechanisms (boundary and CNT-substrate phonon-phonon) and rates. The phonon lifetimes in supported CNTs are found to be reduced by contact with the substrate and we use that lifetime reduction to determine the change in CNT thermal conductivity. Next, we examine thermal transport in graphene supported on SiO2. The phonon contribution to the TBC of the graphene-SiO2 interface is computed from MD simulations and found to agree well with experimentally measured values. We derive the theory of remote phonon scattering of graphene electrons and compute the heat transfer coefficient dependence on doping level and temperature. The thermal boundary conductance from remote phonon scattering is found to be an order of magnitude smaller than that of the phonon contribution. The in-plane thermal conductivity of supported graphene is calculated from MD simulations. The experimentally measured order of magnitude reduction in thermal conductivity is reproduced in our simulations. We show that this reduction is due to the damping of the flexural (ZA) modes. By varying the interaction between graphene and the substrate, the ZA modes hybridize with the substrate Rayleigh modes and the dispersion of the hybridized modes is found to linearize in the strong coupling limit, leading to an increased thermal conductance in the composite structure.

Modelling of ORC components and systems for low-medium temperature heat recovery applications with reduced environmental impact

Although its great potential as low to medium temperature waste heat recovery (WHR) solution, the ORC technology presents open challenges that still prevent its diffusion in the market, which are different depending on the application and the size at stake. Focusing on the micro range power size and low temperature heat sources, the ORC technology is still not mature due to the lack of appropriate machines and working fluids. Considering instead the medium to large size, the technology is already available but the investment is still risky. The intention of this thesis is to address some of the topical themes in the ORC field, paying special attention in the development of reliable models based on realistic data and accounting for the off-design performance of the ORC system and of each of its components. Concerning the “Micro-generation” application, this work: i) explores the modelling methodology, the performance and the optimal parameters of reciprocating piston expanders; ii) investigates the performance of such expander and of the whole micro-ORC system when using Hydrofluorocarbons as working fluid or their new low GWP alternatives and mixtures; iii) analyzes the innovative ORC reversible architecture (conceived for the energy storage), its optimal regulation strategy and its potential when inserted in typical small industrial frameworks. Regarding the “Industrial WHR” sector, this thesis examines the WHR opportunity of ORCs, with a focus on the natural gas compressor stations application. This work provides information about all the possible parameters that can influence the optimal sizing, the performance and thus the feasibility of installing an ORC system. New WHR configurations are explored: i) a first one, relying on the replacement of a compressor prime mover with an ORC; ii) a second one, which consists in the use of a supercritical CO2 cycle as heat recovery system.

Thermal diffusivity of polymers by modified angstrom method

The nature of the molecular structure of plastics makes the properties of such materials markedly temperature dependent. In addition, the continuous increase in the utilization of polymeric materials in many specific applications has demanded knowledge of their physical properties, both during their processing as raw material, as well as over the working temperature range of the final polymer product. Thermal conductivity, thermal diffusivity and specific heat, namely the thermal properties, are the three most important physical properties of a material that are needed for heat transfer calculations. Recently, among several different methods for the determination of the thermal diffusivity and thermal conductivity, transient techniques have become the preferable way for measuring thermal properties of materials. In this work, a very simple and low cost variation of the well known Angstrom method is employed in the experimental determination of the thermal diffusivity of some selected polymers. Cylindrical shaped samples 3 cm diameter and 7 cm high were prepared by cutting from long cylindrical commercial bars. The reproducibility is very good, and the results obtained were checked against results obtained by the hot wire technique, laser flash technique, and when possible, they were also compared with data found in the literature. Thermal conductivity may be then derived from the thermal diffusivity with the knowledge of the bulk density and the specific heat, easily obtained by differential scanning calorimetry. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Potential for ORC application in the Portuguese manufacturing industry

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Gestão e Sistemas Ambientais

Iowa Power Fund Board Project Report Update, July 29, 2009

Amana Farms is using an anaerobic digestion, which is a two-stage digester that converts manure and other organic wastes into three valuable by-products: 1) Biogas – to fuel an engine/generator set to create electricity; 2) Biosolids - used as a livestock bedding material or as a soil amendment; 3) Liquid stream - will be applied as a low-odor fertilizer to growing crops. (see Business Plan appendix H) The methane biogas will be collected from the two stages of the anaerobic digestion vessel and used for fuel in the combined heat and power engine/generator sets. The engine/generator sets are natural gasfueled reciprocating engines modified to burn biogas. The electricity produced by the engine/generator sets will be used to offset on-farm power consumption and the excess power will be sold directly to Amana Society Service Company as a source of green power. The waste heat, in the form of hot water, will be collected from both the engine jacket liquid cooling system and from the engine exhaust (air) system. Approximately 30 to 60% of this waste heat will be used to heat the digester. The remaining waste heat will be used to heat other farm buildings and may provide heat for future use for drying corn or biosolids. The digester effluent will be pumped from the effluent pit at the end of the anaerobic digestion vessel to a manure solids separator. The mechanical manure separator will separate the effluent digested waste stream into solid and liquid fractions. The solids will be dewatered to approximately a 35% solid material. Some of the separated solids will be used by the farm for a livestock bedding replacement. The remaining separated solids may be sold to other farms for livestock bedding purposes or sold to after-markets, such as nurseries and composters for soil amendment material. The liquid from the manure separator, now with the majority of the large solids removed, will be pumped into the farm’s storage lagoon. A significant advantage of the effluent from the anaerobic digestion treatment process is that the viscosity of the effluent is such that the liquid effluent can now be pumped through an irrigation nozzle for field spreading.

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.

Compact thermal storage: a-state-of-the-art review of experimental results

Thermal energy storage (TES) can increase the thermal energy effieresa, of a process by reusing the waste heat from industrial process, solar energy or other sources. There are different ways to store thermal energy: by sensible heat, by latest heat, by sorption process or by chemical reaction. This thesrs provides a-state-of-the-art review of the experimental performance of TES systems based on solid gas sorption process and chemical reactions. The importance of theses processes is that provides a heat loss free storage system with a high energy density.

SC HIOMON JA PAPERIKONEEN LÄMPÖTASAPAINON HALLINTA

Kivihiokkeen valmistus on energiaintensiivistä. Käytetystä energiasta muuttuu yli 90 prosenttia lämmöksi. Hiomolla käytetystä lämmöksi muuttuneesta tehosta voidaan paperikoneelle siirtää noin puolet. Mekaanisen massan valmistuksen ja paperikoneen vesikierrot erotetaan toisistaan häiriöaineiden kulkeutumisen estämiseksi. Vesikiertojen erottamisella katkaistaan myös lämmön siirtyminen hiomolta paperikoneelle massojen mukana. Käyttämällä lämmönsiirtimiä hiomon vesien jäähdytyksessä, voidaan hiomon hiomakoneiden suihkuvesivesilämpötilaa alentaa. Lämmönsiirto vaikuttaa paperikoneella annostelumassojen laimennusten kautta perälaatikkolämpötilaa kohottavasti. Työn tehtäväksi määritettiin kesäkuukausina esiintyvä hiomakoneiden suihkuveden raakavesijäähdytyksen tarpeen poistaminen ensisijaisesti niin, että ylimäärälämpö hyödynnetään tehtaalla. Työn muiksi tavoitteiksi muodostui annostelumassojen lämpötilan hallinta, etenkin muutokset, joilla voidaan nostaa hylkymassan annostelulämpötilaa. Työn kokeellinen osa tehtiin UPM Kymmene Oyj Kajaanin tehtailla syksyn 2004 aikana. Työssä tutkittiin WinGEMS simulointiohjelmalla tehtyjen mallien avulla lämmön siirtymistä hiomon ja paperikone 2:n välillä, sekä lämmönsiirtoa pois tasealueelta. Simulointimalli nykytilanteesta rakennettiin yksityiskohtaisesti nykyisen tuotantoprosessin kaltaiseksi ja siitä muokattiin eri vaihtoehtoja, joilla ratkaistiin tutkimukselle asetetut tehtävät. Kytkentämuutoksilla pystyttiin siirtämään hiomolta yli 85 % hiomakoneiden suihkuveden ylimäärälämmöstä ilman uusia laitehankintoja. Asentamalla lopuksi lämmönsiirrin hiomon puhdassuodoslinjaan, hiomakoneiden suihkuveden jäähdytystarve poistettiin kokonaan. Samalla alennettiin valkaisuun menevän massan lämpötilaa, jolloin peroksidivalkaisun kemikaalikulutus väheni yli 10 %. Lämmönsiirrinverkostosta tehtiin kesätilanteen pinch-analyysi, jolla selvitettiin prosessin lämmitys ja jäähdytystarpeet. Analyysin perusteella selvisi, että kytkennöissä ei rikota pinch sääntöjä ja, että prosessissa esiintyy kynnysongelma, jossa prosessi tarvitsee ainoastaan jäähdytystä.

Aineominaisuuksien mallinnustarkkuuden vaikutukset lämmönsiirtimien lämpöteknisessä simuloinnissa

Työssä on käsitelty fluidien aineominaisuuksien vaikutuksia paperikoneiden kuivatusosissa käytettävien lämmönsiirtimien lämpöteknisessä simuloinnissa. Pääkohteena selvitettiin kostean ilman ja veden fysikaalisien aineominaisuuksien mallinnustarkkuuden vaikutuksia lämpövirtaan lauhduttamattomissa ja lauhduttavissa tapauksissa. Asiaa tutkittiin tekemällä herkkyysanalyysi työssä kehitetyille termodynaamisille malleille. Perinteisen herkkyysanalyysin lisäksi herkkyyksiä tutkittiin myös Bayesiläisellä tilastoanalyysillä. Työssä käsiteltiin myös aineominaisuuksien käyttäytymistä ja mallintamista lämmönsiirtimissä. Kirjallisuudesta etsittiin aineominaisuusmallit, joilla kostean ilman ja veden fysikaalisia aineominaisuuksia voidaan kuvata riittävän tarkasti. Työssä havaittiin, että yksittäisistä aineominaisuuksista selkeästi suurimmat vaikutukset on ominaisentalpioiden mallinnuksen epätarkkuuksilla. Myös kaikkien aineominaisuuksien epätarkkuuksilla havaittiin olevan huomattavan suuret yhteisvaikutukset lämpövirran laskentatarkkuuteen. Viiden prosentin epätarkkuus kaikkien aineominaisuuksien mallinnuksessa johtaa 3 - 7 %:n epätarkkuuteen lämpövirran laskennassa. Näin ollen kaikkien aineominaisuuksien mallintamiseen tulee kiinnittää huomiota.

Laivan ilmastointijärjestelmän perussuunnittelu ja mitoitus

Diplomityön tavoitteena on tarkastella risteilyaluksen ilmastointijärjestelmän suunnittelua ilmamäärien mitoituksen kannalta esisuunnitteluvaiheessa ja lopullisia laskelmia tehtäessä. Teoriaosassa tutustutaan hyvän sisäilmaston tekijöihin ja tarkastellaan ilmankäsittelyä laivoissa yleensä. Tilakohtaisia mitoituksia varten työssä esitellään perusteita, joita suunnittelijan on tunnettava ja huomioitava. Työn tuloksena esitellään laskentaohjelma, joka luo pohjaa tarkempaan ilmamäärälaskentaan standardin ISO 7547 mukaisesti. Ohjelman avulla ilmastoitavaan tilaan saadaan raitisilmamäärään, ilmanvaihtokertoimeen tai lämpökuormiin perustuva ilmamäärä. Esisuunnitteluvaiheessa alustavia ilmamäärälaskelmia tarvitaan tilavarausten riittävyyden tarkasteluun sekä tarjouskeskustelujen aloittamiseen toimittajien kanssa. Ilmamäärän arviointi perustuu vertailulaivoista määritettyihin eri tilatyyppien ja tilojen keskimääräisiin ilmanvaihtokertoimiin. Tilatyyppeihin perustuvilla kertoimilla saadaan tietokoneen avulla nopeasti karkea kuva ilmamäärien suuruusluokasta, tilabudjetin nimityksiin perustuvalla menetelmällä saadaan tarkempia arvioita ilmamääristä.

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.

Fast pyrolysis in circulating fluidized bed: feasibility study

Today the limitedness of fossil fuel resources is clearly realized. For this reason there is a strong focus throughout the world on shifting from fossil fuel based energy system to biofuel based energy system. In this respect Finland with its proven excellent forestry capabilities has a great potential to accomplish this goal. It is regarded that one of the most efficient ways of wood biomass utilization is to use it as a feedstock for fast pyrolysis process. By means of this process solid biomass is converted into liquid fuel called bio-oil which can be burnt at power plants, used for hydrogen generation through a catalytic steam reforming process and as a source of valuable chemical compounds. Nowadays different configurations of this process have found their applications in several pilot plants worldwide. However the circulating fluidized bed configuration is regarded as the one with the highest potential to be commercialized. In the current Master’s Thesis a feasibility study of circulating fluidized bed fast pyrolysis process utilizing Scots pine logs as a raw material was conducted. The production capacity of the process is 100 000 tonne/year of bio-oil. The feasibility study is divided into two phases: a process design phase and economic feasibility analysis phase. The process design phase consists of mass and heat balance calculations, equipment sizing, estimation of pressure drops in the pipelines and development of plant layout. This phase resulted in creation of process flow diagrams, equipment list and Microsoft Excel spreadsheet that calculates the process mass and heat balances depending on the bio-oil production capacity which can be set by a user. These documents are presented in the current report as appendices. In the economic feasibility analysis phase there were at first calculated investment and operating costs of the process. Then using these costs there was calculated the price of bio-oil which is required to reach the values of internal rate of return of 5%, 10%, 20%, 30%, 40%, and 50%.