Synteesikaasun liukoisuus ja aineensiirto fermentointiliuokseen

Työssä tutkittiin synteesikaasun komponenttien: hiilimonoksidin, vedyn ja hiilidioksidin liukoisuutta ja aineensiirtonopeutta fermentointiliuokseen. Kirjallisuusosassa käsitellään kaasujen liukoisuuksiin ja kaasu-nesteaineensiirtoon vaikuttavia tekijöitä ja esitellään korrelaatioita, jotka on kehitetty volumetrisen aineensiirtokertoimen ennustamiseen sekoitetussa fermentorissa. Kirjallisuus-osassa esitetään myös synteesikaasun komponenttien liukoisuudet veteen, etanoliin ja etikkahappoon 37 ºC lämpötilassa ja esitellään Flowbat-simulointiohjelman MHV2-mallin käyttöä kaasu-neste tasapainojen mallin-nuksessa. Työn kokeellisessa osassa tutkittiin synteesikaasun komponenttien liukoisuuksia veteen ja kasvatusalustaan sekä kehitettiin mittausmenetelmä kaasu-neste tasapainojen mittaukseen. Tasapainomittauksissa tutkittiin etanolin ja etikkahapon konsentraatioiden vaikutusta synteesikaasun liukoisuuteen. Lisäksi mallinnettiin kaasu-neste tasapainoja monikomponenttisysteemeissä MHV2-mallin avulla. Kokeellisen osan aineensiirtomittauksissa tutkittiin sekoitusnopeuden ja kaasun volumetrisen syöttönopeuden vaikutusta hiilimonoksidin ja vedyn volumetriseen aineensiirtokertoimeen kLa kahden litran tilavuuksisessa laboratoriofermentorissa. Mittaustulosten perusteella kasvatusalustan komponentit vaikuttavat merkittävästi hiilidioksidin liukoisuuteen. Lisäys etanolin ja etikkahapon konsentraatioissa parantaa hiilimonoksidin liukoisuutta kasvatusalustaan. Kaasun volumetrinen syöttönopeus ja sekoitusnopeus vaikuttavat voimakkaasti volumetrisen aineensiirtokertoimen arvoon. Tutkitussa systeemissä korkein teoreettinen solutiheys, joka voitiin saavuttaa suurimmalla hiilimonoksidin aineensiirto-nopeudella, oli 3 g/L. Tämä on kaksinkertainen verrattuna aiemmissa VTT:n kokeissa saavutettuihin solutiheyksiin.

Application of the N-alkane molecular alloys to thermally protected containers for catering

A thermally controlled transport device was designed and tested. As hot food needs to be transported at temperatures between 60 and 70ºC in order to avoid contamination by microorganisms, the use of Molecular Alloy Phase Change Materials (MAPCM) can lead to improvements in this field of application. A heat transfer numerical simulation of the box used for transporting the food was conducted. Despite obvious simplifications, a good agreement between numerical simulation and experimental results was obtained. Furthermore, we compared our experimental results with those from other experiments related to the transport of hot food. Here, pizza is taken as the example, and it is shown that delivering time can be increased three-fold.

ADVANCED NUMERICAL METHODS FOR SIMULATING MICROBUBBLE IN AN AERATED MIXING TANK

Fluid mixing in mechanically agitated tanks is one of the major unit operations in many industries. Bubbly flows have been of interest among researchers in physics, medicine, chemistry and technology over the centuries. The aim of this thesis is to use advanced numerical methods for simulating microbubble in an aerated mixing tank. Main components of the mixing tank are a cylindrical vessel, a rotating Rushton turbine and the air nozzle. The objective of Computational Fluid Dynamics (CFD) is to predict fluid flow, heat transfer, mass transfer and chemical reactions. The CFD simulations of a turbulent bubbly flow are carried out in a cylindrical mixing tank using large eddy simulation (LES) and volume of fluid (VOF) method. The Rushton turbine induced flow is modeled by using a sliding mesh method. Numerical results are used to describe the bubbly flows in highly complex liquid flow. Some of the experimental works related to turbulent bubbly flow in a mixing tank are briefly reported. Numerical simulations are needed to complete and interpret the results of the experimental work. Information given by numerical simulations has a major role in designing and scaling-up mixing tanks. The results of this work have been reported in the following scientific articles: ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Large eddy simulations and PIV experiments of a two-phase air-water mixer, in Proceedings of ASME Fluids Engineering Summer Conference (2005). ·Honkanen M., Koohestany A., Hatunen T., Saarenrinne P., Zamankhan P., Dynamical States of Bubbling in an Aerated Stirring Tank, submitted to J. Computational Physics.

Kiertoleijukattilan tulipesän lämmönsiirtoprofiilien määritys ja mallinnus

Tämä diplomityö on osa projektia, joka tähtää ylikriittisellä painealueella toimivan läpivirtaustekniikkaan perustuvan kiertoleijukattilan toteuttamiseen. Diplomityössä määritetään mittausten perusteella vaaka- ja pystysuuntaisia lämmönsiirtoprofiileja kaupallisen kiertoleijukattilan tulipesässä. Lisäksi samaisen kattilan tulipesä mallinnetaan ja mallin parametrejä säädetään niin, että mallin tulokset saadaan vastaamaan mitattuja tuloksia mahdollisimman hyvin. Työn tavoitteena on antaa lisätietoa tulipesässä vapautuvan lämpötehon jakautumisesta tulipesän eri osien kesken. Diplomityön kirjallisuuskatsauksessa käsitellään kiertoleijukattilan tulipesän perusilmiöitä kuten leijutusta, lämmönsiirtoa, hydrodynamiikkaa ja palamista sekä tutustutaan muutamiin tulipesämalleihin. Lisäksi tarkastellaan ylikriittisen läpivirtauskattilan tarjoamia etuja perinteisiin kattilaratkaisuihin nähden. Diplomityössä on myös esitelty työhön liittyvä mittausprojekti.

Biologisen jätevedenpuhdistuksen ilmastuksen tehostaminen

Työssä tutkittiin, mikä on kustannustehokkain tapa lisätä ilmastuskapasiteettia ja selvitettiin, saostaako vesilaitokselta flotaatioaltaasta poistettava ferrisulfaattisakka jäteveden fosforia esiselkeyttimessä. Työssä määritettiin teoreettinen hapentarve ilmastusaltaassa maksimikuormituksen aikana ja hapensiirtonopeus jäteveteen olemassa olevalla laitteistolla. Hapensiirtonopeuden funktion korjauskertoimet  ja  sekä kokonaishapensiirtokerroin määritettiin laboratorio-olosuhteissa. Lisäksi laskettiin kuinka paljon nykyisten ilmastimien kautta saadaan happea jäteveteen liukenemaan ja verrattiin tätä lukua teoreettiseen hapentarpeeseen. Jälkimmäistä menettelytapaa käyttäen arvioitiin lisähapen tarve. Tulokseksi saatiin, että maksimi BOD-kuormituksen aikana happea tarvitsee saada jäteveteen liuotettua 5200 m³/d lisää. Ilmastuskapasiteetin lisäyksen kustannuslaskelmassa verrattiin neljää vaihtoehtoa: puhdasta happea liuotettuna happimattojen kautta tai OKI-ilmastimen kautta, onsite-happilaitoksen puhdasta happea liuotettuna OKI-ilmastimen kautta tai ilman happea liuotettuna jäteveteen EDI-ilmastimien kautta. Laskelmat osoittivat uusien EDI-ilmastimien hankinnan olevan edullisin vaihtoehto pitkällä aikavälillä. Vaikka EDI-ilmastimien investointikustannukset ovat korkeat, tulevat ne käyttökustannuksiltaan kaikkein edullisimmaksi. Vesilaitokselta tulevan rautasuolasakan fosforia saostavaa vaikutusta tutkittiin laboratoriossa astiakokein. Näytteet otettiin vesilaitokselta jätevesilaitokselle menevästä rautasuolasakasta sekä esiselkeyttimen kirkasteesta. Näitä eri suhteissa keskenään sekoittamalla saatiin selville, että rautasuolasakka ja sakan mukana tuleva reagoimaton rautasuola saostavat liukoista ja kokonaisfosforia esiselkeytyksessä.

Leijukerroslämmönsiirtimen leijutusjärjestelyjen säätö ja optimointi

Energiantuotantoa koskeva jatkuvasti tiukentuva lainsäädäntö ja yleinen tarve polttaa yhä vaativampia polttoaineita asettaa leijukerroskattiloille suuria haasteita. Eräs käyttökelpoinen työkalu tulevaisuuden haasteisiin vastaamisessa on säädettävä leijukerroslämmönsiirrin. Tiheässä leijukerroksessa toimiva lämmönsiirrin on vähemmän alttiina korroosiolle kuin savukaasukanavistossa sijaitsevat rakenteet. Rakenne tuo tarpeellista säädettävyyttä koko kattilalle, mikäli lämmönsiirtimen antamaa tehoa voidaan säätää tehokkaasti. Erityisen hyvä tilanne saavutetaan, jos lämmönsiirrin kykenee käyttämään hyväkseen tulipesän sisäistä kiintoainekiertoa. Tässä työssä tutkitaan kiertoleijukattilaan sijoitettavan leijukerroslämmönsiirtimen säädön toteuttamista leijutusjärjestelyjen avulla. Teoreettinen tarkastelu keskittyy leijukerroslämmönsiirtimen toimintaolosuhteisiin ja kiintoainevirtauksen säätömahdollisuuksiin. Kokeellisessa osuudessa etsitään käytännössä toimivaa säätöperiaatetta tutkimuksen kohteena olevalle leijukerroslämmönsiirrinrakenteelle.

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.

Meesauunin polttovyöhykkeen lämmönsiirron ja palamisen mallinnus

Tälle diplomityölle on antanut alkusysäyksen tarve kehittää käytössä olevaa meesauunin simulointiohjelmaa. Simulointiohjelma mallintaa meesauunin stationaaritilan toimintaa. Sillä voidaan tutkia uunin konstruktion muutosten vaikutuksia uunin toimintaan. Ohjelma on tehty 1980-luvun alkupuolella. Sen aikaisten tietokoneiden laskentatehojen vuoksi ohjelman käyttämään laskentamalliin on jouduttu tekemään joukko erilaisia yksinkertaistuksia laskenta-ajan lyhentämiseksi. Tässä diplomityössä keskityttiin tutkimaan meesauunin polttovyöhykkeen lämmönsiirron ja palamisen mallinnusta. Työssä luotiin aluksi tarvittavat massa- ja energiataseet sekä esitettiin tarvittavat lämmönsiirtoyhtälöt. Sen jälkeen kehitettiin uusi polttoaineen 1D-palamismalli. Palamismalli tehtiin VTT:n tekemien 3D-mallinnusten perusteella. Polttoaineina käytettiin maakaasua ja polttoöljyä. Uusi palamismalli lisättiin simulointiohjelmaan. Lisäksi simulointiohjelmasta muutettiin savukaasun emissiviteetin laskenta ja lämmönsiirto uunin ulkopinnasta ympäristöön. Tuloksena saatiin aikaan uusi tarkempi kuvaus lämmönsiirrosta ja palamisesta meesauunissa.

Passiivisten turvallisuusjärjestelmien luontaiset virhetoiminnot ydinvoimalaitoksessa

Uusissa ydinvoimalaitostyypeissä aiotaan käyttää aiempaa enemmän passiivisia turvallisuusjärjestelmiä. Näistä järjestelmistä on vielä vähän käyttökokemusta aktiivisiin turvallisuusjärjestelmiin verrattuna. Työssä tarkastellaan passiivisten turvallisuusjärjestelmien toimintaa sekä etsitään niiden mahdollisia luontaisia vikatilanteita. Luontaisten vikatilanteiden seurauksia järjestelmän suorituskykyyn arvioitiin yksinkertaisilla laskuilla ja mallintamalla RELAP5/MOD3.2.2 beta -termohydrauliikkaohjelmalla. Tarkastelu rajattiin kahden erityyppisen ydinvoimalaitoksen passiivisiin turvallisuusjärjestelmiin. Turvallisuusjärjestelmien suuntaa antavat mitat ja käyttötilanteiden parametrit saatiin laitosvalmistajien laitoskuvauksista. Osoittautui, että vikatilanteissa passiivisissa turvallisuusjärjestelmissä geometrialla on merkittävä vaikutus järjestelmän kapasiteettiin. Tarkasteluissa saatiin myös selville, että laitosmittakaavassa painovoimaisen hätälisävesijärjestelmän turvallisuustoiminto voi toteutua vaikka esiintyisi lyhytaikaisia toimintahäiriöitä, kuten lauhtumista hätälisävesisäiliössä. Sen sijaan lämmönsiirtopiirin virtausreittien tukkeutuminen voi olla fysikaalisesti merkittävä toimintaa haittaava tekijä.

Voimalaitoskattilan pyörivän regeneratiivisen ilman esilämmittimen suorituskyky ja mitoitus

Diplomityön tarkoituksena oli kehittää laskentaohjelma pyörivälle regeneratiiviselle lämmönsiirtimelle. Työ tehtiin Foster Wheeler Energia Oy:n Varkauden toimipisteessä. Työn ensimmäisessä osuudessa tutkittiin kirjallisuuden avulla regeneraattoreihin liittyvää teoriaa. Tämä osuus sisältää regeneratiivisen lämmönsiirron perusteita, regeneraattoreiden luokittelua, sektorijakoja, vuotoja, lämpöpintojen geometriaa ja likaantumista. Soveltavassa osassa tehtiin laskentaohjelma, jonka avulla voidaan laskea pyörivän regeneraattorin mitoitus- ja suorituskykylaskuja. Lisäksi ohjelman avulla voidaan laskea regeneraattorin lämpötilaprofiili.

Development of Furnace Model for Bubbling Fluidized Bed Boiler

The aim of this thesis was to develop a model, which can predict heat transfer, heat release distribution and vertical temperature profile of gas phase in the furnace of a bubbling fluidized bed (BFB) boiler. The model is based on three separate model components that take care of heat transfer, heat release distribution and mass and energy balance calculations taking into account the boiler design and operating conditions. The model was successfully validated by solving the model parameters on the basis of commercial size BFB boiler test run information and by performing parametric studies with the model. Implementation of the developed model for the Foster Wheeler BFB design procedures will require model validation with existing BFB database and possibly more detailed measurements at the commercial size BFB boilers.

Characterization Method for Comminution Behavior of Limestone and Fuel Ash in a Circulating Fluidized Bed Boiler

Työn tavoite oli kehittää karakterisointimenetelmät kalkkikiven ja polttoaineen tuhkan jauhautumisen ennustamiselle kiertoleijukattilan tulipesässä. Kiintoainekäyttäytymisen karakterisoinnilla ja mallintamisella voidaan tarkentaa tulipesän lämmönsiirron ja tuhkajaon ennustamista. Osittain kokeelliset karakterisointimenetelmät perustuvat kalkkikiven jauhautumiseen laboratoriokokoluokan leijutetussa kvartsiputkireaktorissa ja tuhkan jauhatumiseen rotaatiomyllyssä. Karakterisointimenetelmät ottavat huomioon eri-laiset toimintaolosuhteet kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloissa. Menetelmät kelpoistettiin kaupallisen kokoluokan kiertoleijukattiloista mitattujen ja fraktioittaisella kiintoainemallilla mallinnettujen taseiden avulla. Kelpoistamistaseiden vähäisyydestä huolimatta karakterisointimenetelmät arvioitiin virhetarkastelujen perusteella järkeviksi. Karakterisointimenetelmien kehittämistä ja tarkentamista tullaan jatkamaan.

Turbulenttisen putkivirtauksen numeerinen mallinnus.

Numeerisella mallinnuksella on tavoitteena täydentää ja korvata kokeellista tutkimusta. Tässä tutkimuksessa on mallinnettu CFX 4.1- ja CFX 4.2-ohjelmien avulla lämmönsiirtoa putken sisäpinnalla. Virtausaineena putkessa on käytetty vettä ja vesi-monopropyleeniglykoliliuosta. Tarkasteltujen virtaustapausten Reynoldsin luku vaihtelee 200 - 30000. Kun glykolipitoisuus on suuri ja liuoksen lämpötila on pieni virtaus on laminaarista ja tällöin lämmönsiirtymiskerroin on pieni. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Työssä on selvitetty edellytyksiä mallintaa hydraulisesti sileässä putkessa tapahtuvaa virtausta. Reynoldsin luvun ollessa alle 2300 mallinnuksessa on käytetty laminaarimallia. Reynoldsin luvuilla 2300-30000, turbulenttisella alueella, on käytetty pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-mallia. Malli vaatii toimiakseen tiheän laskentaverkon putken seinämän läheisyydessä. Tarkastellulla alueella virtauksen ja lämmönsiirron mallinnuksen tulokset ovat vastaavat kuin teorian perusteella lasketut ja kokeellisista mittauksista saatavat tulokset. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Tässä työssä on numeerisin menetelmin (pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-malli ja k-ɛ-malli) suoritettu laskentaa yhdellä turbulaattorilankarakenteella. Laskennan vertailuaineistona on käytetty aikaisemmasta kokeellisesta tutkimuksesta saatua mittausdataa. Kokeellisessa tutkimuksessa turbulaattorirakenteena on käytetty putken seinämällä kiertyvää turbulaattorilankaa. Todellinen kolmiulotteinen geometria osoittautui vaikeaksi mallintaa. Toimivaa mallia ei ollut mahdollista toteuttaa aikataulun puitteissa ja mallin laskentakapasiteetin tarve kasvoi liian suureksi. Lankarakenne yksinkertaistettiin tasavälein toistuvaksi riparakenteeksi, joka on helpompi mallintaa aksisymmetriaa käyttäen kaksiulotteisena. Mallin tuloksista painehäviö asettuu kirjallisuudesta saatavan vertailuaineiston kanssa samalle tasolle, mutta lämmönsiirtymiskerroin on vertailuaineistoa huomattavasti suurempi.

Polttoaineseoksen ja prosessiolosuhteiden vaikutus kerrosleijukattilan tulistinalueen likaantumiseen

Työn tavoitteena oli löytää yhteys kerrosleijukattilaan syötetyn polttoaineseoksen sekä kattilan likaantumisen välille. Tulistinalueen likaantumista tutkittiin kahden kerrostumasondin avulla 28 päivää kestäneellä mittausjaksolla. Mittausten aikana otettiin näytteitä polttoaineseoksesta, lentotuhkasta sekä nuohouksen aikaisesta tuhkavirrasta. Mittausjakson jälkeen myös sondien tuhkakerrostumien pitoisuudet määritettiin. Mittausjakson aikana sondien jättöpinnoille muodostui tuhkakerrostumaa, joka voitiin poistaa nuohouksella, kun taas tulopinnalle syntyi pysyvää kerrostumaa. Nuohouksella irtoavan tuhkakerrostuman havaittiin sisältävän suuremmat pitoisuudet piitä, alumiinia, natriumia ja kaliumia kuin kattilan läpi jatkuvasti kulkevan lentotuhkan. Tuhkakerrostuma, jota ei nuohouksella saatu poistettua, sisälsi enemmän natriumia, rikkiä, kaliumia ja lyijyä kuin muut tuhkanäytteet. Polttoaineista turpeella oli merkittävin vaikutus likaantumiseen. Turpeen osuuden ollessa suurimmillaan jäivät jättöpinnan tuhkakerrostuman lämpövastukset pienemmiksi kuin muulloin eli lyhytaikaista kerrostumaa syntyi tällöin vähemmän. Pysyvän kerrostuman kasvu hidastui, kun turpeen osuus oli suuri, ja jopa pysähtyi, kun turpeen osuus oli 42-51 %. Prosessiolosuhteista tutkittiin kattilan kuorman vaikutusta likaantumiseen. Havaittiin, että ajettaessa kattilaa isommilla kuormilla, syntyi lyhytaikaista kerrostumaa vähemmän kuin muulloin.

Kipsin kiteytymiseen vaikuttavat tekijät ammoniumsulfaattikiteyttämön lämmönvaihtimissa

Työssä pyrittiin selvittämään syitä kipsin saostumiseen ammoniumsulfaattikiteyttämön putkilämmönvaihtimien pinnalle ja miten epätoivottua saostumista voitaisiin estää. Lämmönvaihtimissa virtaa ammoniumsulfaattia, jossa on epäpuhtautena kalsiumia, joka saostuu pinnoille kalsiumsulfaattina. Kirjallisuusosassa tarkasteltiin kiteytymisen mekanismia ja kipsin kiteytymiseen vaikuttavia tekijöitä. Saostumien estoaineita ja niiden vaikutusta kipsin kiteytymiseen sekä kipsin liukoisuutta ammoniumsulfaattiliuoksessa käsiteltiin myös kirjallisuusosassa. Kipsin kiteytymiseen vaikuttavia tekijöitä selvitettiin laboratoriokokeilla, joissa pyrittiin simuloimaan lämmönvaihdinta lämpövastuksella. Laboratoriokokeissa kokeiltiin erilaisia saostuman estoaineita ja pyrittiin löytämään prosessiin mahdollisimman tehokas kipsin kiteytymisen estoaine. Lämmönvaihtimien toiminnan tehokkuutta eli muodostuneen saostuman vaikutusta lämmönsiirtymiseen tutkittiin veden luovuttaman lämpövirran avulla. Lämmönvaihtimien tukkeutumista selvitettiin putkien vaihdon tarpeen perusteella. Kalsiumpitoisuuden vaihteluja prosessivirroissa selvitettiin kalsiumtaseen avulla. Saostumiseen vaikuttavien tekijöiden lisäksi selvitettiin mistä ja kuinka paljon kalsiumia kulkeutuu prosessiin ja poistuu sieltä. Työn tarkoituksena oli löytää ratkaisu, jolla epätoivottua saostumista lämmönvaihdin-ten pinnoille pystyttäisiin vähentämään joko kemiallisesti tai muuttamalla prosessi-muuttujia. Kalsiumia havaittiin olevan eniten pelkistämön sisäisissä ammoniumsul-faattiliuoskierroissa. Kalsiumtaseen perusteella kalsiumia poistuu pelkistämöltä eniten kipsinä ammoniumsulfaattituotteen mukana. Laboratoriokokeissa havaittiin polykar-boksylaattien estävän kipsin kasvua parhaiten, joskin estoaineen oikealla annostuksel-la havaittiin olevan suuri vaikutus. Lämmönvaihtimien saostuman havaittiin olevan kipsin ja glauberiitin seos. Vaippapuolen luovuttamien lämpövirran arvojen perusteel-la pystyttiin seuraamaan putkien tukkeutumista.