ORC-voimalan soveltuvuus hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä, Tekes DrNo 1549/401/98. Loppuraportti

Tässä loppuraportissa esitetään projektin "Kannattavuusanalyysi ORC-voimalan soveltamisesta hyödyntämään dieselvoimalan hukkalämpöä, Tekes DrNo 1549/401/98" tulokset. ORC-prosessilla (Organic Rankine Cycle) tarkoitetaan Rankine-prosessia, jossakiertoaineena veden asemesta on sopiva orgaaninen neste, esimerkiksi tolueeni. ORC-prosessi soveltuu hyvin nimenomaan matalalla lämpötilatasolla vapautuvan hukkalämmön hyödyntämiseen. Tutkimus liittyy vuonna 1981 aloitettuun suurnopeustekniikan tutkimushankkeeseen. Tutkimuksen lähtökohtana oli tropiikin olosuhteissa peruskuormaa ajava raskasöljykäyttöinen Wärtsilä NSD 18V46 voimalaitosmoottori, jonka hukkalämmöistä tuli kyetä tuottamaan sähköä mahdollisimman alhaisilla investointikustannuksilla. Kaukolämmöntuotanto rajattiin tämän selvityksen ulkopuolelle. Edullisimmaksi perustapaukseksi valittiin seitsemän turbogeneraattorin ORC-laitos, joka hyödyntää ainoastaan moottorin pakokaasulämpöä. Kyseisen ORC-laitoksen nettosähköteho on 1142 kW, joten se lisäisi dieselmoottorin tehoa 6,8 %. ORC-laitoksen myyntihinta olisi noin 7,67 Mmk, mikäli lauhdutin voidaan rakentaa ruostumattomasta teräksestä ja noin 9,01 Mmk, mikäli olisi käytettävä titaanilauhdutinta. ORC-laitoksen ominaisinvestointikustannus olisi siten noin 6700 mk/kW - 7900 mk/kW materiaalivalinnoista riippuen. Mainittu hinta sisältää sekä komponenttien valmistajien että systeemi-integraattorin katteet. Koska höyrystimen hinta vaikuttaa olennaisesti ORC-laitoksen hintaan, voidaan puhtailla maakaasupolton savukaasuilla arvioida ominaisinvestoinnin olevan noin 1000 mk/kW alhaisempi. Olettaen 6000 h/a huipun käyttöaika saadaan ORC:llä tuotetun sähkön hinnaksi noin 0,11 mk/kWh. Suomeen rakennettavalle ORC-laitokselle on todennäköisesti lisäksi saatavissa 30 % investointituki ja sähköveron palautus. - Teoriassa voidaan osoittaa, että dieselmoottorin tehoa voidaan ORC:llä lisätä jopa 18 %, mutta ominaisinvestointi on tällöin merkittävästi korkeampi. ORC-laitoksen turbiinin 1D suunnittelua tarkennettiin sekä laitoksen turbiini mallinnettiin CFD-laskennan (numeerisen virtauslaskennan) avulla osana tätä tutkimusta. Näin kyettiin nostamaan turbiinin hyötysuhdetta, ja CFD-laskennan perusteella voidaan nyt aikaisempaa varmemmin ennustaa turbiinin todellinen hyötysuhde. ORC-laitoksen dynaaminen simulointiohjelma saatiin niin ikään valmiiksi tämän projektin puitteissa. Simulointiohjelman avulla voitiin asettaa laitoksen säädinparametrit sekä simuloida voimalan käynnistys-, ajo- sekä häiriötilanteita. Tehtyjen simulointien perusteella tehtiin johtopäätökset laitoksen säätöjärjestelmän toimivuudesta ja tuorehöyryn tilaarvojen valinnasta.

Discription of a New Calculation Method for Determination of Stoichiometric Dissociation Constants of WeakAcid in Salt Solutions from Potentiometric Titration Data

A recently developed calculation method to determine stoichiometric dissociation constants of weak acids from potentiometric titration data is described. The titration data from three different weak acids in aqueous salt solutions at 25 °C were used as examples of the use of the method. The salt alone determined the ionic strength of the solutions considered in this study, and salt molalities up to 0,5 mol kg -1 were used.

DFM(A)-Aspects of an Advanced Cable Gland Design

Nowadays typical motor junction boxes do not incorporate cable glands, which would provide good electrical performance interms of electromagnetic compatibility. In this paper, a manufacturability and assembly analysis for the new construction of a rigid body feeder cable junction of an electric motor is presented especially for converter drives (practical tests were carried out at LUT during 2007). Although the cable junction should also clamp the cable to provide enough tensile strength, the phase conductors should not get squashed by the groundingconnection. In order to ensure good performance in an electrical mean especially in converter drives, the grounding of the cable should be connected 360 degrees around the cable. In this paper, following manufacturing technologies are discussed: traditional turning, precision and centrifugal casting, and rotation moulding. DFM(A)-aspects are presented in detail.

Calculation of Activity Coefficients of Uni-Univalent Electrolytes by Equations Containing No Adjustable Parameters in Aqueous Solutions at 298.15 K

Normally either the Güntelberg or Davies equation is used to predict activity coefficients of electrolytes in dilute solutions when no better equation is available. The validity of these equations and, additionally, of the parameter-free equations used in the Bates-Guggenheim convention and in the Pitzerformalism for activity coefficients were tested with experimentally determined activity coefficients of HCl, HBr, HI, LiCl, NaCl, KCl, RbCl, CsCl, NH4Cl, LiBr,NaBr and KBr in aqueous solutions at 298.15 K. The experimental activity coefficients of these electrolytes can be usually reproduced within experimental errorby means of a two-parameter equation of the Hückel type. The best Hückel equations were also determined for all electrolytes considered. The data used in the calculations of this study cover almost all reliable galvanic cell results available in the literature for the electrolytes considered. The results of the calculations reveal that the parameter-free activity coefficient equations can only beused for very dilute electrolyte solutions in thermodynamic studies.

Terästankojen vannesahaus

Vannesahausta on tutkittu Suomessa hyvin vähän, ja kirjallista materiaalia on ollut niukasti saatavilla. Tämä oppikirjaksi tarkoitettu raportti on muokattu DI Arto Tanskasen diplomityöstä. Raportti käsittelee vannesahoja ja niiden rakennetta hieman pintapuolisemmin ja syventyy tarkemmin terän ja itse sahausprosessin teoriaan. Terää käsittelevässä osuudessa tehdään katsaus lähes kaikkiin vannesahauksen lastuamisteknisiin parametreihin lähtien terämateriaaleista, läpi käydään terän valmistus, terämateriaalit, terägeometriat, hammasmuodot ja haritus. Noiden lisäksi käsitellään lastuamisparametreja ja lastuamisvoimia vannesahauksessa, ja lopuksi sahauksen kustannuksia tarkastellaan kustannus per katkaisu -periaatteella. Lastuamisen teoria on vannesahauksen osalta perin monimutkaista ja siihen liittyy useita eri tekijöitä, jotka tekevät tarkastelusta haastavan. Raportin lopussa kerrotaan suosituksia ja ohjeistetaan sahauskokeiden teko sekä esitetään kokeelliseen tutkimukseen perustuvia keskeisimpiä havaintoja.

Teknologiaohjelma DENSY -Hajautetun energiantuotannon tulevaisuusskenaariot ja vaikutukset liiketoimintamalleihin

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten hajautettu energiantuotanto ja siihen liittyvä liiketoiminta tulee muuttumaan tulevaisuudessaja mitä mahdollisuuksia se voisi tarjota suomalaiselle osaamiselle. Työssä käydään läpi lyhyesti hajautetun energiantuotannon teknologian nykytilaa ja tehdään teknis-taloudellista vertailua eri tuotantoteknologioiden välillä. Tämän jälkeenon muodostettu asiantuntijoiden ja aktoreiden kanssa liiketoimin-taympäristöskenaarioita, jotka kuvaavat tulevaisuuden muutossuuntia hajautetun energian-tuotannon liiketoiminnassa. Skenaarioistunnoissa löydettiin muutosta ajavat voimat ja pohdittiin niiden vaikutusta alan kehitykseen. Työn tuloksena määriteltiin skenaarioiden kehitystä vahvimmin ohjaaviksi tekijöiksi infrastruktuurin kehittyneisyys ja toisaalta myös yhteiskunnan ohjaustoimet. Niiden pohjalta luotiin lopulliset neljä skenaariota ja niille kaikille liiketoimintakuvaukset. Skenaarioiden avulla suomalaisen toimijan näkökulmasta arvioitiin houkuttelevimmiksi markkina-alueiksi EU-15, Venäjä, Intia ja Kiina. Moninaisista liiketoimintaa estävistä te-kijöistä huolimatta markkinoilta löytyi suuri potentiaali hajautetun energiantuotannon jär-jestelmille. Potentiaalisimmiksi teknologioiksi suomalaisten yritysten kannalta nähtiin puolestaan diesel- ja kaasumoottorit, tuulivoima, pienvesivoima sekä bioenergia. Yhdessä markkina- ja teknologiatutkimuksien sekä skenaariotyön avulla luotiin uusia liiketoimin-takonseptikuvauksia tulevaisuuden hajautetun energiantuotannon markkinoille suomalai-sen toimijan näkökulmasta.

Calculation of Activity Coefficients of Electrolytes of Other Charge Types than 1-1 by Equations Containing No Adjustable Parameters in Aqueous Solutions at 25 0C

Normally either the Güntelberg or Davies equation is used to predict activity coefficients of electrolytes in dilute solutions when no betterequation is available. The validity of these equations and, additionally, of the parameter-free equation used in the Bates-Guggenheim convention for activity coefficients were tested with experimentally determined activity coefficients of LaCl3, CaCl2, SrCl2 and BaCl2 in aqueous solutions at 298.15 K. The experimentalactivity coefficients of these electrolytes can be usually reproduced within experimental error by means of a two-parameter equation of the Hückel type. The best Hückel equations were also determined for all electrolytes considered. The data used in the calculations of this study cover almost all reliable galvanic cell results available in the literature for the electrolytes considered. The results of the calculations reveal that the parameter-free activity coefficient equations can only be used for very dilute electrolyte solutions in thermodynamic studies

Freezing Point Depressions of Dilute Solutions of Alkali Metal Chlorides and Bromides

Freezing point depressions (¿Tf) of dilute solutions of several alkali metal chlorides and bromides were calculated by means of the best activity coefficient equations. In the calculations, Hückel, Hamer and Pitzer equationswere used for activity coefficients. The experimental ¿Tf values available in the literature for dilute LiCl, NaCl and KBr solutions can be predicted within experimental error by the Hückel equations used. The experimental ¿Tf values for dilute LiCl and KBr solutions can also be accurately calculated by corresponding Pitzer equations and those for dilute NaCl solutions by the Hamer equation for this salt. Neither Hamer nor Pitzer equations predict accurately the freezing points reported in the literature for LiBr and NaBr solutions. The ¿Tf values available for dilute solutions of RbCl, CsCl or CsBr are not known at the moment accurately because the existing data for these solutions are not precise. The freezing point depressions are tabulated in the present study for LiCl, NaCl and KBr solutions at several rounded molalities. The ¿Tf values in this table can be highly recommended. The activity coefficient equations used in the calculation of these values have been tested with almost allhigh-precision electrochemical data measured at 298.15 K.

A novel procedure for establishing clinching parameters for high strength steel sheet

The building industry has a particular interest in using clinching as a joining method for frame constructions of light-frame housing. Normally many clinch joints are required in joining of frames.In order to maximise the strength of the complete assembly, each clinch joint must be as sound as possible. Experimental testing is the main means of optimising a particular clinch joint. This includes shear strength testing and visual observation of joint cross-sections. The manufacturers of clinching equipment normally perform such experimental trials. Finite element analysis can also be used to optimise the tool geometry and the process parameter, X, which represents the thickness of the base of the joint. However, such procedures require dedicated software, a skilled operator, and test specimens in order to verify the finite element model. In addition, when using current technology several hours' computing time may be necessary. The objective of the study was to develop a simple calculation procedure for rapidly establishing an optimum value for the parameter X for a given tool combination. It should be possible to use the procedure on a daily basis, without stringent demands on the skill of the operator or the equipment. It is also desirable that the procedure would significantly decrease thenumber of shear strength tests required for verification. The experimental workinvolved tests in order to obtain an understanding of the behaviour of the sheets during clinching. The most notable observation concerned the stage of the process in which the upper sheet was initially bent, after which the deformation mechanism changed to shearing and elongation. The amount of deformation was measured relative to the original location of the upper sheet, and characterised as the C-measure. By understanding in detail the behaviour of the upper sheet, it waspossible to estimate a bending line function for the surface of the upper sheet. A procedure was developed, which makes it possible to estimate the process parameter X for each tool combination with a fixed die. The procedure is based on equating the volume of material on the punch side with the volume of the die. Detailed information concerning the behaviour of material on the punch side is required, assuming that the volume of die does not change during the process. The procedure was applied to shear strength testing of a sample material. The sample material was continuously hot-dip zinc-coated high-strength constructional steel,with a nominal thickness of 1.0 mm. The minimum Rp0.2 proof stress was 637 N/mm2. Such material has not yet been used extensively in light-frame housing, and little has been published on clinching of the material. The performance of the material is therefore of particular interest. Companies that use clinching on a daily basis stand to gain the greatest benefit from the procedure. By understanding the behaviour of sheets in different cases, it is possible to use data at an early stage for adjusting and optimising the process. In particular, the functionality of common tools can be increased since it is possible to characterise the complete range of existing tools. The study increases and broadens the amount ofbasic information concerning the clinching process. New approaches and points of view are presented and used for generating new knowledge.

Organisaatiokenttä vai paikallisyhteisö: OP-ryhmän strategiat institutionaalisten ja kilpailullisten paineiden ristitulessa

Tässä johtaminen ja organisaatiot -oppialaan kuuluvassa väitöstutkimuksessa selvitetään, miten asiakasomisteisten osuuskuntien johtajat sekä hallintohenkilöt vastaavat organisaatioidensa kohtaamiin institutionaalisiin ja kilpailullisiin paineisiin sekä kuinka he pyrkivät vaikuttamaan organisaatiokenttänsä instituutioihin yritystensä kilpailuaseman parantamiseksi pankkisektorilla. Asiakasomisteisten osuuskuntien päätöksentekoa tarkastellaan kolmen kriittisen tapauksen kautta. Tapauksia analysoidaan hyödyntäen institutionaalista organisaatioteoriaa. Kyseisen teoriapohjan soveltaminen strategisen päätöksenteon tutkimiseksi antaa mahdollisuuden tarkastella asiakasomisteisten osuuskuntien eri toimijoiden ja instituutioiden välistä dialogia aiempaa laajemmin. Pitkittäisaineisto (v. 1939 - 2005) koostuu kaikkiaan 57 haastattelusta sekä laaja-alaisesta historiallisesta arkistomateriaalista. Työn keskeinen kontribuutio on asiakasomisteisten osuuskuntien päätöksenteon kytkeminen institutionaaliseen organisaatioteoriaan, erityisesti legitimiteettiin sekä instituutioihin vaikuttamiseen liittyviin kysymyksiin. Työssä esitetään väite, jonka mukaan pankkisektorilla ryhmänä toimiva asiakasomisteinen osuuskunta hakee legitimiteettiä organisaatiokentän lisäksi paikallisyhteisöstä, mikä tuottaa jännitteen liiketoiminnan harjoittamiseen sekä strategiseen johtamiseen.

Automated formulation of optimisation models for steel beam structures

Over 70% of the total costs of an end product are consequences of decisions that are made during the design process. A search for optimal cross-sections will often have only a marginal effect on the amount of material used if the geometry of a structure is fixed and if the cross-sectional characteristics of its elements are property designed by conventional methods. In recent years, optimalgeometry has become a central area of research in the automated design of structures. It is generally accepted that no single optimisation algorithm is suitable for all engineering design problems. An appropriate algorithm, therefore, mustbe selected individually for each optimisation situation. Modelling is the mosttime consuming phase in the optimisation of steel and metal structures. In thisresearch, the goal was to develop a method and computer program, which reduces the modelling and optimisation time for structural design. The program needed anoptimisation algorithm that is suitable for various engineering design problems. Because Finite Element modelling is commonly used in the design of steel and metal structures, the interaction between a finite element tool and optimisation tool needed a practical solution. The developed method and computer programs were tested with standard optimisation tests and practical design optimisation cases. Three generations of computer programs are developed. The programs combine anoptimisation problem modelling tool and FE-modelling program using three alternate methdos. The modelling and optimisation was demonstrated in the design of a new boom construction and steel structures of flat and ridge roofs. This thesis demonstrates that the most time consuming modelling time is significantly reduced. Modelling errors are reduced and the results are more reliable. A new selection rule for the evolution algorithm, which eliminates the need for constraint weight factors is tested with optimisation cases of the steel structures that include hundreds of constraints. It is seen that the tested algorithm can be used nearly as a black box without parameter settings and penalty factors of the constraints.

Procurement in Project Implementation

Tutkimus keskittyy hankintatoimen kehittämiseen osana laitosprojektien toteutusta. Työ pohjautuu empiiriseltä taustaltaan Pöyry Oyj:n projektiliiketoimintaan ja työn tarkastelunäkökulmaksi onvalittu projektihallinnosta vastaavan yrityksen näkökulma. Tutkimus on hyvin käytännönläheinen ¿ se lähtee hankinnan ja sen seurannan ongelmista ja pyrkii tarjoamaan niihin uudenlaisia ratkaisuja. Pohjimmiltaan tutkimus kuuluu teollisuustalouden piiriin, vaikka tietojärjestelmätieteellä on vahva tukirooli. Työn tavoitteet ja tulokset liittyvät teollisuustaloudelle ominaisesti yrityksen toiminnan kehittämiseen, käytetyt välineet ja ratkaisut puolestaan hyödyntävät tietojärjestelmätieteen antamia mahdollisuuksia. Tutkimuksessa on käytetty konstruktiivista tutkimusotetta, jonka mukaisesti on luotu innovatiivisia konstruktioita ratkaisemaan aitoja reaalimaailman ongelmia ja tätä kautta tuotettu kontribuutioita teollisuustaloudelle. Tavoitteena oli järjestää hankintatoimi ja sen seuranta suurissa laitosprojekteissa tehokkaammin. Tätä varten uudistettiin ensin projektihallinnon ja hankintatoimen toimintaohjeet vastaamaan paremmin nykyajan vaatimuksia. Toimintaohjeiden perusteella ryhdyttiin toteuttamaan hankintaohjelmistoa, joka pystyisi kattamaan kaikki toimintaohjeissa kuvatut piirteet. Lopulta hankintaohjelmisto toi mukanaan uusia piirteitä projektihallintoon ja hankintatoimeen ja nämä sisällytettiin toimintaohjeisiin. Tähän kehitystyöhön ryhdyttiin, jotta laitosprojektien projektihallinto ja hankintatoimi toimisivat paremmin, eli pienemmin kustannuksin tuottaen projekteissa tarvittavat tulokset nopeammin, tarkemmin ja laadukkaammin. Tutkimuksella on kolmenlaisia tuloksia: hankintatoimen parannetut metodit, hankintaohjelmiston pohjana olevat toiminta- ja laskentamallit sekä implementaationa hankintasovellus. Uudistetut projekti- ja hankintaohjeet kuvaavat hankintatoiminnan parannettuja metodeja. Hankintaohjelmistoasuunnitellessa ja kehitettäessä tehdyt kuvaukset sisältävät uusia malleja niin hankintaprosessille kuin hankinnan seuraamiseksi suurissa laitosprojekteissa. Itse ohjelmisto on tuloksena implementaatio, joka perustuu parannettuihin hankintametodeihin ja uusiin toiminta- ja laskentamalleihin. Uudistetut projekti- ja hankintaohjeet ovat olleet käytössä Pöyry Oyj:ssä vuodesta 1991. Vuosien varrella nämä toimintaohjeet ovat auttaneet ja tukeneet satojen laitosprojektientoteutusta ja ylläpitäneet Pöyry Oyj:n kilpailukykyä kansainvälisenä projektitalona. Hankintasovellus puolestaan on ollut käytössä useissa projekteissa ja sen on havaittu pienentävän hankintatoimen suoria työkustannuksia laitosprojekteissa. Sovelluksen katsotaan myös tuovan epäsuoria kustannussäästöjä parempien hankintapäätösten muodossa, mutta näiden säästöjen suuruutta ei pystytä luotettavasti arvioimaan.

Control and Simulation of Batch Crystallization

Concerning process control of batch cooling crystallization the present work focused on the cooling profile and seeding technique. Secondly, the influence of additives on batch-wise precipitation process was investigated. Moreover, a Computational Fluid Dynamics (CFD) model for simulation of controlled batch cooling crystallization was developed. A novel cooling model to control supersaturation level during batch-wise cooling crystallization was introduced. The crystallization kinetics together with operating conditions, i.e. seed loading, cooling rate and batch time, were taken into account in the model. Especially, the supersaturation- and suspension density- dependent secondary nucleation was included in the model. The interaction between the operating conditions and their influence on the control target, i.e. the constant level of supersaturation, were studied with the aid of a numerical solution for the cooling model. Further, the batch cooling crystallization was simulated with the ideal mixing model and CFD model. The moment transformation of the population balance, together with the mass and heat balances, were solved numerically in the simulation. In order to clarify a relationship betweenthe operating conditions and product sizes, a system chart was developed for anideal mixing condition. The utilization of the system chart to determine the appropriate operating condition to meet a required product size was introduced. With CFD simulation, batch crystallization, operated following a specified coolingmode, was studied in the crystallizers having different geometries and scales. The introduced cooling model and simulation results were verified experimentallyfor potassium dihydrogen phosphate (KDP) and the novelties of the proposed control policies were demonstrated using potassium sulfate by comparing with the published results in the literature. The study on the batch-wise precipitation showed that immiscible additives could promote the agglomeration of a derivative of benzoic acid, which facilitated the filterability of the crystal product.

Comprehensive Study of Crystal Growth from Solution

Crystal growth is an essential phase in crystallization kinetics. The rate of crystal growth provides significant information for the design and control of crystallization processes; nevertheless, obtaining accurate growth rate data is still challenging due to a number of factors that prevail in crystal growth. In industrial crystallization, crystals are generally grown from multi-componentand multi-particle solutions under complicated hydrodynamic conditions; thus, it is crucial to increase the general understanding of the growth kinetics in these systems. The aim of this work is to develop a model of the crystal growth rate from solution. An extensive literature review of crystal growth focuses on themodelling of growth kinetics and thermodynamics, and new measuring techniques that have been introduced in the field of crystallization. The growth of a singlecrystal is investigated in binary and ternary systems. The binary system consists of potassium dihydrogen phosphate (KDP, crystallizing solute) and water (solvent), and the ternary system includes KDP, water and an organic admixture. The studied admixtures, urea, ethanol and 1-propanol, are employed at relatively highconcentrations (of up to 5.0 molal). The influence of the admixtures on the solution thermodynamics is studied using the Pitzer activity coefficient model. Theprediction method of the ternary solubility in the studied systems is introduced and verified. The growth rate of the KDP (101) face in the studied systems aremeasured in the growth cell as a function of supersaturation, the admixture concentration, the solution velocity over a crystal and temperature. In addition, the surface morphology of the KDP (101) face is studied using ex situ atomic force microscopy (AFM). The crystal growth rate in the ternary systems is modelled on the basis of the two-step growth model that contains the Maxwell-Stefan (MS) equations and a surface-reaction model. This model is used together with measuredcrystal growth rate data to develop a new method for the evaluation of the model parameters. The validation of the model is justified with experiments. The crystal growth rate in an imperfectly mixed suspension crystallizer is investigatedusing computational fluid dynamics (CFD). A solid-liquid suspension flow that includes multi-sized particles is described by the multi-fluid model as well as by a standard k-epsilon turbulence model and an interface momentum transfer model. The local crystal growth rate is determined from calculated flow information in a diffusion-controlled crystal growth regime. The calculated results are evaluated experimentally.