Design of marine generators for alternative diesel-electric power systems

This study compares different electric propulsion systems. Results of the analysis of all the advantages and disadvantages of the different propulsion systems are given. This thesis estimates possibilities to apply different diesel-electric propulsion concepts for different vessel types. Small and medium size vessel’s power ranges are studied. The optimal delivery system is chosen. This choice is made on the base of detailed study of the concepts, electrical equipment market and comparison of mass, volume and efficiency parameters. In this thesis three marine generators are designed. They are: salient pole synchronous generator and two permanent magnet synchronous generators. Their electrical, dimensional, cost and efficiency parameters are compared. To understand all the benefits diagrams with these parameters are prepared. Possible benefits and money savings are estimated. As the result the advantages, disadvantages and boundary conditions for the permanent magnet synchronous generator application in marine electric-power systems are found out.

Numerical study on mixed convection in a horizontal flow past a square porous cavity using UNIFAES scheme

Mixed convection on the flow past a heated length and past a porous cavity located in a horizontal wall bounding a saturated porous medium is numerically simulated. The cavity is heated from below. The steady-state regime is studied for several intensities of the buoyancy effects due to temperature variations. The influences of Péclet and Rayleigh numbers on the flow pattern and the temperature distributions are examined. Local and global Nusselt numbers are reported for the heated surface. The convective-diffusive fluxes at the volume boundaries are represented using the UNIFAES, Unified Finite Approach Exponential-type Scheme, with the Power-Law approximation to reduce the computing time. The conditions established by Rivas for the quadratic order of accuracy of the central differencing to be maintained in irregular grids are shown to be extensible to other quadratic schemes, including UNIFAES, so that accuracy estimates could be obtained.

Two-phase flow measurements with spacer grid in a rod bundle geometry

Heat transfer effectiveness in nuclear rod bundles is of great importance to nuclear reactor safety and economics. An important design parameter is the Critical Heat Flux (CHF), which limits the transferred heat from the fuel to the coolant. The CHF is determined by flow behaviour, especially the turbulence created inside the fuel rod bundle. Adiabatic experiments can be used to characterize the flow behaviour separately from the heat transfer phenomena in diabatic flow. To enhance the turbulence, mixing vanes are attached to spacer grids, which hold the rods in place. The vanes either make the flow swirl around a single sub-channel or induce cross-mixing between adjacent sub-channels. In adiabatic two-phase conditions an important phenomenon that can be investigated is the effect of the spacer on canceling the lift force, which collects the small bubbles to the rod surfaces leading to decreased CHF in diabatic conditions and thus limits the reactor power. Computational Fluid Dynamics (CFD) can be used to simulate the flow numerically and to test how different spacer configurations affect the flow. Experimental data is needed to validate and verify the used CFD models. Especially the modeling of turbulence is challenging even for single-phase flow inside the complex sub-channel geometry. In two-phase flow other factors such as bubble dynamics further complicate the modeling. To investigate the spacer grid effect on two-phase flow, and to provide further experimental data for CFD validation, a series of experiments was run on an adiabatic sub-channel flow loop using a duct-type spacer grid with different configurations. Utilizing the wire-mesh sensor technology, the facility gives high resolution experimental data in both time and space. The experimental results indicate that the duct-type spacer grid is less effective in canceling the lift force effect than the egg-crate type spacer tested earlier.

Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Kaukolämpöverkon käytön optimointi

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää mahdollisuuksia Kotkan Energia Oy:n kaukolämpöverkon ja aivan erityisesti sen käytön kehittämiseen. Kaukolämmön optimaalinen toimittaminen on tasapainoilua kaukolämpöveden virtausten ja lämpötilojen välillä. Kaukolämpöverkon käyttöä voidaan parantaa laskemalla syötettävän kaukolämpöveden menolämpötilaa muu tuotanto ja asiakkaiden tarpeet huomioiden. Lämpötiloja laskiessa verkon oikein ajoitettu varaaminen muuttuu entistä tärkeämmäksi tekijäksi, koska sen avulla voidaan vähentää varatehon käyttöä. Alhaisempi menolämpötila laskee kaukolämpöverkon lämpöhäviöitä, mutta lisää kaukolämpöveden virtausta kuluttajien tehontarpeen pysyessä vakiona. Välipumppauksen käyttö sekä matalammat paine-erot laskevat pumppaushäviöitä, mutta työssä tehtyjen havaintojen perusteella selvästi suurin vaikutus kustannuksiin on lämpöhäviöillä. Laitoskäytöstä vastaavat operaattorit ohjaavat myös kaukolämpöverkon käyttöä, mikä tekee heidän toiminnastaan kriittisen tärkeää kaukolämpöverkon käytön optimoinnin kannalta. Kaukolämpöakku havaittiin myös kannattavaksi investoinniksi, joka samalla vähentäisi tuotannon riippuvuutta operaattorien päätöksistä.

Lightweight, liquid-cooled, direct-drive generator for highpower wind turbines: motivation, concept, and performance

Thesis: A liquid-cooled, direct-drive, permanent-magnet, synchronous generator with helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit offers an excellent combination of attributes to reliably provide economic wind power for the coming generation of wind turbines with power ratings between 5 and 20MW. A generator based on the liquid-cooled architecture proposed here will be reliable and cost effective. Its smaller size and mass will reduce build, transport, and installation costs. Summary: Converting wind energy into electricity and transmitting it to an electrical power grid to supply consumers is a relatively new and rapidly developing method of electricity generation. In the most recent decade, the increase in wind energy’s share of overall energy production has been remarkable. Thousands of land-based and offshore wind turbines have been commissioned around the globe, and thousands more are being planned. The technologies have evolved rapidly and are continuing to evolve, and wind turbine sizes and power ratings are continually increasing. Many of the newer wind turbine designs feature drivetrains based on Direct-Drive, Permanent-Magnet, Synchronous Generators (DD-PMSGs). Being low-speed high-torque machines, the diameters of air-cooled DD-PMSGs become very large to generate higher levels of power. The largest direct-drive wind turbine generator in operation today, rated just below 8MW, is 12m in diameter and approximately 220 tonne. To generate higher powers, traditional DD-PMSGs would need to become extraordinarily large. A 15MW air-cooled direct-drive generator would be of colossal size and tremendous mass and no longer economically viable. One alternative to increasing diameter is instead to increase torque density. In a permanent magnet machine, this is best done by increasing the linear current density of the stator windings. However, greater linear current density results in more Joule heating, and the additional heat cannot be removed practically using a traditional air-cooling approach. Direct liquid cooling is more effective, and when applied directly to the stator windings, higher linear current densities can be sustained leading to substantial increases in torque density. The higher torque density, in turn, makes possible significant reductions in DD-PMSG size. Over the past five years, a multidisciplinary team of researchers has applied a holistic approach to explore the application of liquid cooling to permanent-magnet wind turbine generator design. The approach has considered wind energy markets and the economics of wind power, system reliability, electromagnetic behaviors and design, thermal design and performance, mechanical architecture and behaviors, and the performance modeling of installed wind turbines. This dissertation is based on seven publications that chronicle the work. The primary outcomes are the proposal of a novel generator architecture, a multidisciplinary set of analyses to predict the behaviors, and experimentation to demonstrate some of the key principles and validate the analyses. The proposed generator concept is a direct-drive, surface-magnet, synchronous generator with fractional-slot, duplex-helical, double-layer, non-overlapping windings formed from a copper conductor with a coaxial internal coolant conduit to accommodate liquid coolant flow. The novel liquid-cooling architecture is referred to as LC DD-PMSG. The first of the seven publications summarized in this dissertation discusses the technological and economic benefits and limitations of DD-PMSGs as applied to wind energy. The second publication addresses the long-term reliability of the proposed LC DD-PMSG design. Publication 3 examines the machine’s electromagnetic design, and Publication 4 introduces an optimization tool developed to quickly define basic machine parameters. The static and harmonic behaviors of the stator and rotor wheel structures are the subject of Publication 5. And finally, Publications 6 and 7 examine steady-state and transient thermal behaviors. There have been a number of ancillary concrete outcomes associated with the work including the following. X Intellectual Property (IP) for direct liquid cooling of stator windings via an embedded coaxial coolant conduit, IP for a lightweight wheel structure for lowspeed, high-torque electrical machinery, and IP for numerous other details of the LC DD-PMSG design X Analytical demonstrations of the equivalent reliability of the LC DD-PMSG; validated electromagnetic, thermal, structural, and dynamic prediction models; and an analytical demonstration of the superior partial load efficiency and annual energy output of an LC DD-PMSG design X A set of LC DD-PMSG design guidelines and an analytical tool to establish optimal geometries quickly and early on X Proposed 8 MW LC DD-PMSG concepts for both inner and outer rotor configurations Furthermore, three technologies introduced could be relevant across a broader spectrum of applications. 1) The cost optimization methodology developed as part of this work could be further improved to produce a simple tool to establish base geometries for various electromagnetic machine types. 2) The layered sheet-steel element construction technology used for the LC DD-PMSG stator and rotor wheel structures has potential for a wide range of applications. And finally, 3) the direct liquid-cooling technology could be beneficial in higher speed electromotive applications such as vehicular electric drives.

Optimization of a dynamic district heating power plant

The purpose of this Thesis is to find the most optimal heat recovery solution for Wärtsilä’s dynamic district heating power plant considering Germany energy markets as in Germany government pays subsidies for CHP plants in order to increase its share of domestic power production to 25 % by 2020. Different heat recovery connections have been simulated dozens to be able to determine the most efficient heat recovery connections. The purpose is also to study feasibility of different heat recovery connections in the dynamic district heating power plant in the Germany markets thus taking into consideration the day ahead electricity prices, district heating network temperatures and CHP subsidies accordingly. The auxiliary cooling, dynamical operation and cost efficiency of the power plant is also investigated.

Integrated energy storage tank for large scale power-to-gas applications

The global interest towards renewable energy production such as wind and solar energy is increasing, which in turn calls for new energy storage concepts due to the larger share of intermittent energy production. Power-to-gas solutions can be utilized to convert surplus electricity to chemical energy which can be stored for extended periods of time. The energy storage concept explored in this thesis is an integrated energy storage tank connected to an oxy-fuel combustion plant. Using this approach, flue gases from the plant could be fed directly into the storage tank and later converted into synthetic natural gas by utilizing electrolysis-methanation route. This work utilizes computational fluid dynamics to model the desublimation of carbon dioxide inside a storage tank containing cryogenic liquid, such as liquefied natural gas. Numerical modelling enables the evaluation of the transient flow patterns caused by the desublimation, as well as general fluid behaviour inside the tank. Based on simulations the stability of the cryogenic storage and the magnitude of the key parameters can be evaluated.

Failure modes of passive decay heat removing safety systems of modern nuclear power plants

The purpose of this master’s thesis is to gain an understanding of passive safety systems’ role in modern nuclear reactors projects and to research the failure modes of passive decay heat removal safety systems which use phenomenon of natural circulation. Another purpose is to identify the main physical principles and phenomena which are used to establish passive safety tools in nuclear power plants. The work describes passive decay heat removal systems used in AES-2006 project and focuses on the behavior of SPOT PG system. The descriptions of the main large-scale research facilities of the passive safety systems of the AES-2006 power plant are also included. The work contains the calculations of the SPOT PG system, which was modeled with thermal-hydraulic system code TRACE. The dimensions of the calculation model are set according to the dimensions of the real SPOT PG system. In these calculations three parameters are investigated as a function of decay heat power: the pressure of the system, the natural circulation mass flow rate around the closed loop, and the level of liquid in the downcomer. The purpose of the calculations is to test the ability of the SPOT PG system to remove the decay heat from the primary side of the nuclear reactor in case of failure of one, two, or three loops out of four. The calculations show that three loops of the SPOT PG system have adequate capacity to provide the necessary level of safety. In conclusion, the work supports the view that passive systems could be widely spread in modern nuclear projects.

Reduced power output in skeletal muscles devoid of skMLCK: RLC phosphorylation contributes to peak performance

Regulatory light chain (RLC) phosphorylation in fast twitch muscle is catalyzed by skeletal myosin light chain kinase (skMLCK), a reaction known to increase muscle force, work, and power. The purpose of this study was to explore the contribution of RLC phosphorylation on the power of mouse fast muscle during high frequency (100 Hz) concentric contractions. To determine peak power shortening ramps (1.05 to 0.90 Lo) were applied to Wildtype (WT) and skMLCK knockout (skMLCK-/-) EDL muscles at a range of shortening velocities between 0.05-0.65 of maximal shortening velocity (Vmax), before and after a conditioning stimulus (CS). As a result, mean power was increased to 1.28 ± 0.05 and 1.11 ± .05 of pre-CS values, when collapsed for shortening velocity in WT and skMLCK-/-, respectively (n = 10). In addition, fitting each data set to a second order polynomial revealed that WT mice had significantly higher peak power output (27.67 ± 1.12 W/ kg-1) than skMLCK-/- (25.97 ± 1.02 W/ kg-1), (p < .05). No significant differences in optimal velocity for peak power were found between conditions and genotypes (p > .05). Analysis with Urea Glycerol PAGE determined that RLC phosphate content had been elevated in WT muscles from 8 to 63 % while minimal changes were observed in skMLCK-/- muscles: 3 and 8 %, respectively. Therefore, the lack of stimulation induced increase in RLC phosphate content resulted in a ~40 % smaller enhancement of mean power in skMLCK-/-. The increase in power output in WT mice suggests that RLC phosphorylation is a major potentiating component required for achieving peak muscle performance during brief high frequency concentric contractions.

Approche efficace pour la conception des architectures multiprocesseurs sur puce électronique

Les systèmes multiprocesseurs sur puce électronique (On-Chip Multiprocessor [OCM]) sont considérés comme les meilleures structures pour occuper l'espace disponible sur les circuits intégrés actuels. Dans nos travaux, nous nous intéressons à un modèle architectural, appelé architecture isométrique de systèmes multiprocesseurs sur puce, qui permet d'évaluer, de prédire et d'optimiser les systèmes OCM en misant sur une organisation efficace des nœuds (processeurs et mémoires), et à des méthodologies qui permettent d'utiliser efficacement ces architectures. Dans la première partie de la thèse, nous nous intéressons à la topologie du modèle et nous proposons une architecture qui permet d'utiliser efficacement et massivement les mémoires sur la puce. Les processeurs et les mémoires sont organisés selon une approche isométrique qui consiste à rapprocher les données des processus plutôt que d'optimiser les transferts entre les processeurs et les mémoires disposés de manière conventionnelle. L'architecture est un modèle maillé en trois dimensions. La disposition des unités sur ce modèle est inspirée de la structure cristalline du chlorure de sodium (NaCl), où chaque processeur peut accéder à six mémoires à la fois et où chaque mémoire peut communiquer avec autant de processeurs à la fois. Dans la deuxième partie de notre travail, nous nous intéressons à une méthodologie de décomposition où le nombre de nœuds du modèle est idéal et peut être déterminé à partir d'une spécification matricielle de l'application qui est traitée par le modèle proposé. Sachant que la performance d'un modèle dépend de la quantité de flot de données échangées entre ses unités, en l'occurrence leur nombre, et notre but étant de garantir une bonne performance de calcul en fonction de l'application traitée, nous proposons de trouver le nombre idéal de processeurs et de mémoires du système à construire. Aussi, considérons-nous la décomposition de la spécification du modèle à construire ou de l'application à traiter en fonction de l'équilibre de charge des unités. Nous proposons ainsi une approche de décomposition sur trois points : la transformation de la spécification ou de l'application en une matrice d'incidence dont les éléments sont les flots de données entre les processus et les données, une nouvelle méthodologie basée sur le problème de la formation des cellules (Cell Formation Problem [CFP]), et un équilibre de charge de processus dans les processeurs et de données dans les mémoires. Dans la troisième partie, toujours dans le souci de concevoir un système efficace et performant, nous nous intéressons à l'affectation des processeurs et des mémoires par une méthodologie en deux étapes. Dans un premier temps, nous affectons des unités aux nœuds du système, considéré ici comme un graphe non orienté, et dans un deuxième temps, nous affectons des valeurs aux arcs de ce graphe. Pour l'affectation, nous proposons une modélisation des applications décomposées en utilisant une approche matricielle et l'utilisation du problème d'affectation quadratique (Quadratic Assignment Problem [QAP]). Pour l'affectation de valeurs aux arcs, nous proposons une approche de perturbation graduelle, afin de chercher la meilleure combinaison du coût de l'affectation, ceci en respectant certains paramètres comme la température, la dissipation de chaleur, la consommation d'énergie et la surface occupée par la puce. Le but ultime de ce travail est de proposer aux architectes de systèmes multiprocesseurs sur puce une méthodologie non traditionnelle et un outil systématique et efficace d'aide à la conception dès la phase de la spécification fonctionnelle du système.

Copyright is an Impediment to the Free Flow of Ideas

"Sur un ton humoristique, les auteurs avouent être des voleurs… d’idées. À quoi riment les lois sur le droit d’auteur demandent-ils ? À l’origine, ce ne sont pas les droits des créateurs que le souverain ou l’État voulait protéger, mais bien les privilèges des éditeurs. Et d’où vient qu’on ait ainsi accordé à ces derniers le droit exclusif de publier ? C’est que dès l’invention de l’imprimerie, les hommes de pouvoir ont bien vu la menace que représentait pour eux la dissémination des idées : le calcul qu’ils ont fait a profité aux imprimeurs. Le phénomène n’est pas étranger à l’existence des permis de radiodiffusion / télévision existant de nos jours dans nos États démocratiques ; et l’histoire se répète comme on l’observe aujourd’hui quant à la régulation du réseau Internet. Quand les éditeurs se rendirent compte qu’ils ne pouvaient plus avoir la main haute sur tout ce qui se publiait, ils ont pris prétexte du droit des créateurs pour protéger leurs propres intérêts. Ni l’éthique ni l’esthétique ne motivaient les éditeurs , mais bien leurs seuls intérêts commerciaux, légitimes au demeurant. Deux factions s’opposent aujourd’hui quant à la question du droit des auteurs à l’ère numérique. La vieille garde se bat pour préserver à peu de choses près le statu quo tandis que ses vis-à-vis proclament la mort du droit d’auteur tel qu’il a existé. Et quel modèle nouveau préconisent ces derniers ? En fait, ils ne s’opposent pas à toute forme de protection pour ceux qui traditionnellement en ont bénéficié, mais songent à des mécanismes nouveaux …, de sorte que la vieille garde n’a pas à s’en faire outre mesure. Le fond du problème est ailleurs soutiennent MM. Benyekhlef et Tresvant : même si les avocats plaideront que ce ne sont pas les idées, mais bien la forme particulière qu’un créateur a choisie pour les exprimer qu’on protège par les lois sur le droit d’auteur, cela ne change rien. Dès qu’une idée est exprimée et fixée d’une certaine manière, il devient plus difficile de l’exprimer à nouveau puisqu’une partie du champ virtuel qu’elle pouvait occuper est déjà conquise, à bon droit selon le droit actuel. Il faut en conclure que le droit d’auteur nouveau, comme le droit d’auteur traditionnel, est une entrave à la libre circulation des idées."

Vector flow mapping using plane wave ultrasound imaging

Les diagnostics cliniques des maladies cardio-vasculaires sont principalement effectués à l’aide d’échographies Doppler-couleur malgré ses restrictions : mesures de vélocité dépendantes de l’angle ainsi qu’une fréquence d’images plus faible à cause de focalisation traditionnelle. Deux études, utilisant des approches différentes, adressent ces restrictions en utilisant l’imagerie à onde-plane, post-traitée avec des méthodes de délai et sommation et d’autocorrélation. L’objectif de la présente étude est de ré-implémenté ces méthodes pour analyser certains paramètres qui affecte la précision des estimations de la vélocité du flux sanguin en utilisant le Doppler vectoriel 2D. À l’aide d’expériences in vitro sur des flux paraboliques stationnaires effectuées avec un système Verasonics, l’impact de quatre paramètres sur la précision de la cartographie a été évalué : le nombre d’inclinaisons par orientation, la longueur d’ensemble pour les images à orientation unique, le nombre de cycles par pulsation, ainsi que l’angle de l’orientation pour différents flux. Les valeurs optimales sont de 7 inclinaisons par orientation, une orientation de ±15° avec 6 cycles par pulsation. La précision de la reconstruction est comparable à l’échographie Doppler conventionnelle, tout en ayant une fréquence d’image 10 à 20 fois supérieure, permettant une meilleure caractérisation des transitions rapides qui requiert une résolution temporelle élevée.

Visible-light-mediated synthesis of helicenes in batch and continuous flow systems

Le présent mémoire décrit le développement d’une méthode de synthèse des hélicènes catalysée par la lumière visible. Les conditions pour la formation de [5]hélicène ont été établies par une optimisation du photocatalyseur, du solvant, du système d’oxydation et du temps réactionnel. Suite aux études mécanistiques préliminaires, un mécanisme oxydatif est proposé. Les conditions optimisées ont été appliquées à la synthèse de [6]hélicènes pour laquelle la régiosélectivité a été améliorée en ajoutant des substituants sur la colonne hélicale. La synthèse de thiohélicènes a aussi été testée en utilisant les mêmes conditions sous irradiation par la lumière visible. La méthode a été inefficace pour la formation de benzodithiophènes et de naphtothiophènes, par contre elle permet la formation du phenanthro[3,4-b]thiophène avec un rendement acceptable. En prolongeant la surface-π de la colonne hélicale, le pyrène a été fusionné aux motifs de [4]- et [5]hélicène. Trois dérivés de pyrène-hélicène ont été synthétisés en utilisant les conditions optimisées pour la photocyclisation et leurs caractéristiques physiques ont été étudiées. La méthode de cyclisation sous l’action de la lumière visible a aussi été étudiée en flux continu. Une optimisation du montage expérimental ainsi que de la source lumineuse a été effectuée et les meilleures conditions ont été appliquées à la formation de [5]hélicène et des trois dérivés du pyrène-hélicène. Une amélioration ou conservation des rendements a été observée pour la plupart des produits formés en flux continu comparativement à la synthèse en batch. La concentration de la réaction a aussi été conservée et le temps réactionnel a été réduit par un facteur de dix toujours en comparaison avec la synthèse en batch.

Qualitative Air Flow Modelling and Analysis of Data Centre Air Conditioning as Multiple Jet Array

Data centre is a centralized repository,either physical or virtual,for the storage,management and dissemination of data and information organized around a particular body and nerve centre of the present IT revolution.Data centre are expected to serve uniinterruptedly round the year enabling them to perform their functions,it consumes enormous energy in the present scenario.Tremendous growth in the demand from IT Industry made it customary to develop newer technologies for the better operation of data centre.Energy conservation activities in data centre mainly concentrate on the air conditioning system since it is the major mechanical sub-system which consumes considerable share of the total power consumption of the data centre.The data centre energy matrix is best represented by power utilization efficiency(PUE),which is defined as the ratio of the total facility power to the IT equipment power.Its value will be greater than one and a large value of PUE indicates that the sub-systems draw more power from the facility and the performance of the data will be poor from the stand point of energy conservation. PUE values of 1.4 to 1.6 are acievable by proper design and management techniques.Optimizing the air conditioning systems brings enormous opportunity in bringing down the PUE value.The air conditioning system can be optimized by two approaches namely,thermal management and air flow management.thermal management systems are now introduced by some companies but they are highly sophisticated and costly and do not catch much attention in the thumb rules.