Pienten biopolttoainevoimalaitosten markkinaselvitys

Tässä diplomityössä kartoitetaan pienten kiinteää biopolttoainetta käyttävien yhteistuotantolaitosten kilpailukykyä kuuden Euroopan maan osalta. Potentiaalisimmiksi arvioidut maat, Alankomaat, Iso-Britannia, Italia, Itävalta, Puola ja Tanska, valittiin aiemmin tehtyjen markkinaselvitysten perusteella. Työ sisältää kootut katsaukset näiden maiden energiamarkkinoihin, energiapolitiikan suuntaviivoihin sekä kussakin maassa käytössä oleviin bioenergian käytön edistämiseen tähtääviin tuki- ja ohjausmuotoihin. Työn yhtenä tavoitteena oli selvittää paljonko kiinteää biopolttoainetta käyttävä 3,5MWth/1MWe -kokoluokan sähkön ja lämmön yhteistuotantolaitos saa asiakkaalle maksaa, kun tarkasteltavan maan energiamarkkinoiden ja asiakkaan energiantarpeen asettamat reunaehdot huomioidaan. Investoinnin kannattavuusrajaa selvitettiin yksinkertaisen takaisinmaksuaikaan perustuvan vertailumallin avulla, jossa asiakkaan energianhankintavaihtoehtona voimalaitoshankinnan lisäksi oli hake- tai maakaasulämpölaitoksen hankinta ja ostosähkö. Selvityksen perusteella otollisimmat markkinat tarkastellulle voimalaitokselle näyttäisivät olevan Itävallassa, Italiassa ja Tanskassa. Pienen kiinteän biopolttoaineen yhteistuotantolaitoksen kannattava maksimi-investointikustannus oli näissä maissa mm. kalliista markkinasähköstä johtuen tasolla, johon jo nykyisillä voimalaitosten rakentamiskustannuksilla on mahdollista päästä. Lisäksi näissä maissa kannustettiin viranomaistoimenpitein kiinteän biopolttoaineen ja yhteistuotannon käyttöön ja energiapolitiikan tavoitteeksi oli asetettu tuotannon merkittävä lisääminen tulevaisuudessa.

Lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli Imatra Steel Oy Ab:n jatkojalostusosaston lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantaminen. Työssä etsittiin lämpökäsittelylaitoksen energiatalouteen haitallisesti vaikuttavia tekijöitä ja pyrittiin löytämään ratkaisuja energiatalouden parantamiseksi.Työtä varten on kerätty tietoa kirjallisista lähteistä, Imatra Steel Oy Ab:n henkilökunnalta, insinööritoimistoilta, lämpökäsittelyuunien valmistajilta ja muilta asiantuntijoilta, jotka ovat olleet tekemisissä lämpökäsittelylaitosten, lämpökäsittelyuunien tai niihin läheisesti liittyvien energiataloudellisien tekijöiden parissa.Imatra Steel Oy Ab:n lämpökäsittelylaitosten suurimmat energiankuluttajat ovat lämpökäsittelyuunit, jotka ovat rakennettu pääosin vuosina 1965 ja 1971, jolloin energiankulutukseen ja sen aiheuttamiin kustannuksiin ei tarvinnut kiinnittää samalla tavoin huomiota kuin nykyisin. Työssä keskitytäänkin pääasiassa uunien energiatalouteen.Lämpökäsittelylaitosten energiatalouden parantamisessa on ensin keskityttävä primäärienergiana käytettävän maakaasun kulutuksen vähentämiseen, jonka jälkeen voidaan keskittyä uuneista syntyvän hukkalämmön hyödyntämiseen. Jotta lämpökäsittelyuunit saataisiin toimimaan energiataloudellisesti tehokkaasti ja nykyisessä markkinatilanteessa kilpailukykyisesti, pitäisi uuneille laatia oma kehitysohjelma. Uunien energiatalouden seuranta ja kehittäminen edellyttää nykyisten jatkuvatoimisesti mitattavien prosessitietojen ja erillisillä mittauksilla kerättävän tiedon nykyistä tehokkaampaa hyödyntämistä sekä uusien ennen mittaamattomien prosessiparametrien hyödyntämistä. Tulevaisuudessa toteutettava prosessitietojen keräysjärjestelmä antaakin aivan uusia mahdollisuuksia uunien kehittämiseen ja seurantaan.

Kiinteistön palautetiedon analysointi

Diplomityö käsittelee kiinteistön palautetiedon analysointia. Tässä diplomityössä palautetiedolla tarkoitetaan kiinteistön talotekniikkaan liittyviä teknisiä ja inhimillisiä tietoja, joiden perusteella rakennuksen ja sen tekniikan toimivuudesta voidaan tehdä päätelmiä. Tiedot kerätään järjestelmistä mittauspisteiden kautta etävalvomoon, josta niitä voidaan tarkastella ja edelleen analysoida. Valvomosta saatavan tiedon rinnalle pyritään suunnitteluvaiheessa kokoamaan valvottavasta kohteesta laskennallisia energiankulutusmalleja. Myös kiinteistön asukkaat, rakennuksen ominaisuudet ja ympäristö muodostavat osan palautetiedosta. Kiinteistön palautetieto voidaankin jakaa tekniseen ja inhimilliseen tietoon, ja edelleen analysoinnin kannalta staattiseen tai dynaamiseen tietoon. Tässä diplomityössä selvitettiin palautetiedon keruuta etävalvomolla yhdistämällä tähän rakentamisen laadunvalvonnan työkaluja ja sumeaa logiikkaa. Työn käytännön osio koostuu kiinteistön ja siihen yhdistetyn etävalvomon välillä kulkevan tiedon käsittelystä, mittauspisteiden määrittämisestä ja tietojen analysoinnista. Työssä esitellään kolme esimerkkikohdetta Helsingin seudulta. Työssä laadittiin arviointimalli, joka sisältää kaiken kiinteistön palautetietoon liittyvän aineiston ja sen analysointitavat, sekä erityisesti uutena asiana myös sumeaa logiikkaa. Tiedon analysointi etenee oletusarvojen muodostamisesta, simuloinnin laatimisesta ja sen vertaamisesta todellisiin tietoihin ja edelleen näistä tehtäviin päätelmiin. Tavanomaisten teknisten tietojen lisäksi sumean logiikan avulla tuotiin esille poikkeamia selittäviä tekijöitä mm. kiinteistön asukkaiden ominaisuuksista.

Kuumahierteen laadun ja energiankulutuksen optimointi

Kuumahierteen menestyksekäs kehitys on vähentänyt kemiallisten massojen käyttöä painopapereiden raaka-aineena. Hiertäminen kuluttaa kuitenkin huomattavasti enemmän energiaa muihin massanvalmistusmenetelmiin verrattuna. Tämän työn tavoitteena oli optimoida Stora Enson Varkauden tehtaiden uuden TMP-linjan massan laatua ja energiankäyttöä. Työ koostui jauhimien monimuuttujakoeajoista, Metso Paperin painekoeajosta sekä koko TMP-linjaa koskevista tarkistusajoista. Monimuuttujakoeajot suoritettiin 600 t vuorokausituotannolla 60 % kuorimohakesuhteella. Jauhatuksen kokonaisenergiankulutuksen rajaksi sovittiin vanhojen jauhinlinjojen perusteella 2,3 MWh/t. Massan laadun kriittisimmäksi tekijäksi osoittautui vetoindeksi, joten optimoinnin tavoitteeksi muodostui vetoindeksin kehittäminen annetun energiankulutuksen puitteissa. Kuumahierteen laadun kehittymisen kannalta merkittävin vaihe oli hakkeen kuituuntuminen. Kuituuntumisen tulee tapahtua riittävän korkeassa lämpötilassa ligniinin pehmenemisen ja kuitujen joustavuuden saavuttamiseksi sekä alhaisella intensiteetillä, jolloin kuituja ei katkota. Ensimmäisen vaiheen jauhatuksen EOK:n on oltava vähintään 1,00 MWh/t, jolloin toisen vaiheen jauhatus vaatii energiaa vähintään 0,70 MWh/t. Rejektijauhimen tuotantotason tulisi olla mahdollisimman suuri ja intensiiviseen jauhatukseen käytettävän ominaisenergian noin 1,00 MWh/t.

Metsäteollisuusintegraatin energiaraportoinnin kehittäminen

Työn tavoitteena on Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaiden energiaraportoinnin luotettavuuden parantaminen. Raportoinnissa esiintyvää tase-eroa lämmön tuotannon ja kulutuksen välillä on erilaisten selvitysten perusteella pyritty pienentämään. Höyryn ja lauhteen mittausten virheellisyyttä on tutkittu erilaisten osasto- ja höyrylinja- kohtaisten lämpötaseiden avulla. Taseiden lisäksi mittauksen oikeellisuutta selvitettäessä on käytetty tunnuslukuina lämmön ominaiskulutuksia, joita on verrattu Suomen metsäteollisuuden keskimääräisiin arvoihin. Työssä on tarkistettu myös raportointijärjestelmän laskenta ja päivitetty tarvittavat muutokset. Osa raportoinnin tase-erosta johtuu höyryn virtausmittauksen epävarmuudesta. Tässä työssä on esitetty erilaisia vaihtoehtoja sille, mistä mittauksen epävarmuus johtuu. Samalla on selvitetty virtausmittauksen periaatetta ja siihen tarvittavaa laitteistoa.

Pienten päivittäistavarakauppojen energiatalouden parantaminen

Työn tavoitteena oli löytää keinoja, joiden avulla kylmälaite- ja ilmanvaihtojärjestelmien toimintaa voitaisiin kehittää ja myymälöiden energiataloutta parantaa. Johtopäätökset sekä jatkotoimenpide-ehdotukset tehtiin koekohteista saatujen mittaustulosten sekä laskennallisten tavoitekulutusten perusteella. Tutkimus koski alle 400 m2 päivittäistavarakauppoja, joita Suomessa oli vuoden 2002 lopussa 3 011 kappaletta. Tutkimuksessa koekohteina toimineet kaksi Siwa-myymälää kuuluvat yli 450 Suomessa toimivan Siwan myymäläketjuun. Koekohteista saatujen tutkimustulosten pohjalta energiansäästötoimenpiteitä voidaan kohdistaa myös muihin Siwa-myymälöihin, jolloin energiansäästöt kasvavat huomattaviksi. Koekohteissa kylmälaitteiden osuus sähköenergiankulutuksesta oli merkittävin. Lämmönkulutuksissa suurten erojen syynä olivat koekohteiden erilaiset lauhdelämmöntalteenottojärjestelmät. Tehokkaalla lauhdelämmön talteenotolla onkin suuri merkitys myymälöiden energiatalouteen. Tulevaisuudessa elektronisten ohjausjärjestelmien käyttö tulee lisääntymään pienissä päivittäistavarakaupoissa. Ohjausjärjestelmällä saavutettavia etuja ovat energiankulutuksen minimointi, lämpötilojen tarkempi säätö- ja valvonta, lämpötilojen rekisteröinti ja kaukovalvonta. Muita myymälän energiatalouden kannalta tärkeitä tekijöitä ovat lauhdelämmön talteenotto, määräajoin tapahtuvat laitehuollot, kylmäntarpeen minimointi, energiatehokkaiden kylmäkalusteiden käyttö sekä kylmäkalusteet huomioiva myymäläsuunnittelu.

Kaukolämpöakun kannattavuus teollisuuden ja yhdyskunnan energian yhteistuotannossa

Työn tavoitteena oli selvittää UPM-Kymmenen Rauman voimalaitokselle soveltuvan kaukolämpöakun prosessikytkentä, optimaalinen koko ja investoinnin kannattavuus. Lisäksi ratkaistiin funktio, jolla voidaan määrittää optimaalinen kaukolämpöakun koko kaukolämpöverkon koon perusteella. Teoriaosassa käsiteltiin investointien ja lämmön varastoinnin perusteita käyttämällä hyväksi kirjallisuutta. Soveltavassa osassa tietoa kerättiin kirjallisuuden lisäksi asiantuntijoiden haastatteluilla. Teorian ja kannattavuuslaskelmien perusteella toteutettavaksi ratkaisuksi valittiin suorakytkentäinen paineistettu kaukolämpöakku. Valitun akun purkaus- ja latustehoiksi saatiin 40 MW, akun tilavuudeksi 1 700 m³, korkeudeksi 33 m ja halkaisijaksi 8 m. Investonnin sisäinen korko on 16,6 prosenttia. Kannattavuuslaskelmien ja herkkyystarkastelun perusteella investointi on kannattava. Kaukolämpöverkkoon rakennattavan akun optimaalinen koko voidaan määrittää funktiolla: y = -0,0102x² +9,6605x +68,395 , jossa y on akun tilavuus ja x verkon kaukolämpöenergian vuosittainen kulutus.

Nestepakkauskartongin runkokerroksen rakenteen optimointi

Diplomityön tavoitteena oli optimoida KA4:n nestepakkauskartongin runkokerroksen massakoostumus ja rakenne kartonkikoneen uusinnan jälkeen. Työssä tutkittiin Natura 285 –laatua, jota käytetään yhden litran vetoisissa maitopurkeissa. Pääasiallisena tavoitteena oli lisätä CTMP:n osuutta ja vähentää mäntysellun osuutta rungossa siten, että kartongin laatu ei heikkene. Työn kirjallisuusosassa perehdyttiin nestepakkauskartongin kriittisiin ominaisuuksiin ja CTMP:n vaikutuksiin runkokerroksessa. Rainanmuodostusta ja kuituverkoston lujuuden syntymistä käsiteltiin omina kokonaisuuksinaan. CTMP:n freeness-tason huomattava vähentäminen kasvattaa kartongin z-lujuutta ja palstautumislujuutta merkittävästi. Samalla höyrynkulutus kuitenkin kasvaa ja kartongin jäykkyys laskee jonkin verran paksuuden vähenemisen seurauksena. CTMP:n freeness-tason alentaminen arvosta 420 ml CSF arvoon 380 ml CSF ei alenna bulkkia merkittävästi. CTMP:n määrän kasvattaminen yli 60 %:in keskikerroksessa alentaa palstautumislujuutta ja z-lujuutta merkittävästi. Runkokerroksen mäntysellun korvaaminen koivusellulla parantaa kartongin sileyttä merkittävästi vakiopaksuudessa. Runkokerroksen massakomponenttien jauhatuksen lisäämisestä huolimatta z-lujuus ja palstautumislujuus laskevat vastaavasti huomattavan paljon. Koivusellun käytöllä valmiin pakkauksen ominaisuudet eivät heikkene, mutta painatusominaisuudet paranevat. CTMP-laitoksen pääjauhinten uudella LE-terämallilla saavutetaan huomattava energian säästö vanhaan terämalliin verrattuna. Kuidun keskipituus laskee jonkin verran LE-terien ikääntyessä ja samalla kuitujen sitoutumiskyky heikkenee.

Hiomon AI-järjestelmän toimivuuden arviointi

Työn tavoitteena oli uudentyyppisen hiontaprosessin ohjausjärjestelmän kehittäminen ja testaaminen UPM-Kymmene Kaukaan hiomossa. Uuden ohjausjärjestelmän perusajatuksena oli pitää yksittäistä hiomakiveä jatkuvasti optimaalisessa toimintapisteessä, ja hiomon kaikilla koneilla pyrittiin samaan kivenalusmassan laatuun. Uutta ohjaustapaa kutsuttiin Optimum operating point -strategiaksi (OOPS). Hiomakiven pitäminen optimaalisessa toimintapisteessä tapahtui pääosin vesiteräyskäsittelyllä, jonka intensiteettiä ohjasi asiantuntijajärjestelmä (AI-järjestelmä). Lisäksi testattiin ohjelmoidun anturan nopeussäädön vaikutusta hiomakoneen resurssien käyttöön. AI-järjestelmä päätteli vesiteräyskäsittelyn tarpeellisuuden CSF-mallin ja hiomakoneen resurssien perusteella. Seurannasta saatujen tulosten perusteella AI-järjestelmän käyttöönotto vesiteräyskäsittelyssä paransi tuotannon ja massan laadun tasaisuutta. Hiomakoneiden resurssien havaittiin pienenevän puunsyöttölinjan mukaisesti. Paksummat pöllit kerääntyvät linjan päähän, jolloin varsinkin hydrauliikkapaineiden tarve lisääntyy linjan päässä olevilla hiomakoneilla. Hiomakoneen resurssit saatiin paremmin käyttöön kuormittamalla konetta ohjelmoidulla anturan nopeussäädöllä (ONS) kuin vakioidulla anturan nopeussäädöllä (VNS). Kuitenkin hydraulipaineresurssien puutteellisuus rajoitti koeajon aikana ONS:n toimintaa. Resursseja ei optimoitu koeajon aikana, koska kiven pinnan haluttiin pysyvän mahdollisimman stabiilina. Kivelle ei suoritettu mekaanista käsittelyä, vaikka kivenpinnan massan kuljetuskapasiteetin havaittiin olevan huono. AI-järjestelmä otettiin ohjaamaan vesiteräyskäsittelyä vasta ONS - VNS -koeajon jälkeen. Mekaanisen rullateräyksen jälkeen massan ominaisuudet muuttuivat, koska kiven pinnan terävät särmät katkoivat kuituja alentaen massan sitoutumiskykyä. Heti rullakäsittelyn jälkeen mitattu CSF saattoi jopa alentua huomattavasti, mutta AI-järjestelmän laskema CSF nousi selvästi indikoiden energian ominaiskulutuksen (EOK) laskua. Muutaman päivän hionnan jälkeen mitattu ja laskettu CSF saavuttivat saman tason.

Energiansäästäminen, sen toteutus ja vaikutukset lannoitteita valmistavalla tehtaalla

Suomen täytyy vähentää kasvihuonekaasupäästöt vuoden 1990 tasolle vuosien 2008–2012 velvoitekauden aikana. Suomen kansallisen ilmasto-ohjelman mukaan noin puolet vaadittavasta vähennystavoitteesta voidaan saavuttaa lisäämällä biopolttoaineiden käyttöä ja säästämällä energiaa. Kemira Agro Oy:n Uudenkaupungin tehtaiden energiansäästäminen on alkanut sen liityttyä teollisuuden vapaaehtoiseen energiansäästösopimukseen vuonna 1999. Sopimus velvoittaa vähentämään energian ja veden kulutusta sekä raportoimaan vuosittaisista kulutuksista. Työssä on esitelty energiansäästämisen eteneminen yrityksessä sopimuksen hyväksymisestä energiansäästöanalyysin toteutukseen asti. Työssä on etsitty energiaa säästäviä ratkaisuja lannoitetehtaan käyttöön tehtaan tuotantoprosesseissa. Tuotanto-osastoille on laskettu energiataseet, joiden avulla on piirretty energiavirtoja kuvaavat sankey – diagrammit. Työssä on esitetty perusidea energiansäästön toteuttamiseksi ja alustavat kustannusarviot. Löydetyillä kohteilla voidaan säästää tehtaan sähkönkulutusta yhteensä 19 GWh/a ja lisätä tuotantoa. Ionivaihdettua vettä voidaan säästää noin 6000 m3/a. Laskelmat on esitetty cd-romilla liitteessä 31.

Paperinvalmistuslinjan energiankulutuksen mittaaminen paperitehtaassa

Tämän diplomityön tarkoituksena on selvittää paperinvalmistuslinjan energiankulutusmittaus paperitehtaalla ja kehittää sen perusteella mittausmenetelmä. Tavoitteena on tutkia ja ohjeistaa mittaustapahtuma, kun apuna käytetään prosessimittauksia. Diplomityön teoriaosassa käsitellään paperinvalmistuslinjaa ja sen osaprosesseja sekä paperitehtaan prosessiohjausjärjestelmiä. Lisäksi työssä kerrotaan kirjallisuudesta löytyvistä paperitehtaan energiankulutusmittauksista, taseiden soveltamisesta paperinvalmistuslinjaan, osaprosessien energiankulutuskohteista ja energiakäytön arvioinnista. Näiden tietojen perusteella kehitetään mittausmenetelmä, joka soveltuu normaalituotannossa oleviin LWC-, SC-, sanomalehti-, kartonki- ja hienopaperinvalmistuslinjoihin sekä näiden osaprosesseille. Kehitettyä mittausmenetelmää testattiin case-tapauksiin ja kokemuksia kirjattiin ylös. Mittausmenetelmän suurin rajoite on prosessin paperitehdaskohtaisuus. Menetelmästä rajataan pois ilmanvaihto-, lämminvesi- ja jäähdytysvesijärjestelmien energiavirrat, koska näistä ei yleensä ole riittävästi mittauksia. LTO:ssa poistoilmasta talteen otettu energiavirta kuitenkin otetaan huomioon. Se vähentää korvausilman lämmittämiseen tarvittavaa energiaa. Diplomityössä selvisi, että paperivalmistuslinjan energiankulutusmittaus voidaan tehdä kustannustehokkaasti ja kattavasti hyödyntäen olemassa olevia prosessimittauksia. Mittaustuloksista on mahdollista laskea ominaisenergiankulutus, jota voidaan verrata toisiin linjoihin kun mittauksissa otetaan huomioon prosessin parametrit, mittalaitteiden mittausalue, ajankohta, mittapisteiden määrä ja sijainti.

Painehiomon tuotantokapasiteetin lisäyksen vaikutus painehiokkeen laatuominaisuuksiin

Diplomityön keskeisenä tavoitteena oli selvittää painehiomon tuotantokapasiteetin lisäyksen vaikutus painehiokkeen laatuominaisuuksiin. Tarkasteltavina painehiomon tuotanto-kapasiteettiin vaikuttavina tekijöinä olivat painehiomakoneen suihkuveden lämpötilan lasku sekä uuden rejektijauhimen käyttöönotto. Painehiomakoneen suihkuveden lämpötilan lasku 95 ºC:sta 70 ºC:een toteutettiin kahden viikon mittaisena koeajona. Tarkoituksena oli selvittää painehiontaprosessissa ja painehiokkeen sekä paperin laadussa tapahtuva muutos. PGW70-koeajolla saavutettiin mahdollisuus nostaa tuotantonopeutta hiomakivillä silti kuormittamatta liiaksi lajittelua ja rejektinkäsittelyä. Tarkasteltaessa painehiokkeen laatua PGW70-koeajossa kiteytyi tapahtunut laatumuutos lyhentyneestä kuidun pituudesta aiheutu-neeksi. Havaittiin, että alentamalla hiontalämpötilaa on mahdollista saavuttaa paremmat painehiokkeen pinta- ja optiset ominaisuudet lujuusominaisuuksien heiketessä hieman. Rejektijauhimen käyttöönottoon liittyvien tarkasteluiden tavoitteena oli selvittää uuden rejektijauhimen käyttöönoton myötä painehiokkeessa mahdollisesti tapahtuva laatumuutos. Lisäksi haluttiin tarkastella jauhetun rejektin laatuominaisuuksia rejektijauhimen energian ominaiskulutuksen eri tasoilla ja mahdollisuutta siirtää kuidutuksen painopistettä hiomakiviltä rejektijauhatukseen nostamalla kivenalusfreenestä. Varsinaisessa rejektijauhimen käyttöönottovaiheessa ei painehiokkeen laatumuutosta ollut havaittavissa. Rejektijauhimen kuormituskoeajossa ajettiin rejektijauhimella 2 koesarjaa, matalalla ja korkealla kivenalusfreeneksellä, kasvattaen rejektijauhimen EOK:a. Lisä-muuttujaksi koeajossa muodostui tahattomasti jauhatussakeus. Koejossa paras kuidun muokkau-tuvuus saavutettiin alhaisemmalla kivenalusfreeneksellä (130-140 ml) ja jauhatussakeudella (alle 40 %) korkeimmalla saavutetulla EOK:lla eli 0,80 MWh/t. Korkealla kivenalusfreeneksellä ja jauhatussakeudella tapahtunut jauhatus osoittautui kuituja katkovaksi. Karkeaan painehiokerejektiin tulisi kohdistaa huomattavasti enemmän jauhatusenergiaa kuin koeajossa oli mahdollista. Ongelmaksi siis muodostui rejektijauhimen heikko kuormitettavuus, jota tulee parantaa esimerkiksi terävalinnoin.

Sähkölieden paistouunin energiatalouden analysointi ja parannusehdotusten kehittäminen

Diplomityön tavoitteena oli selvittää nykyisen sähkölieden paistouunin energiankulutuksen kriittisimmät kohteet sekä pohtia tulevaisuuden liesissä mahdollisesti käyttöön otettavia uusia, lieden energiatalouden kannalta edullisia ratkaisuja. Työn keskeisenä osana oli tutustua kotitalousliesien energiankulutuksen CENELEC:n EN 50304 standardiin, jonka perusteella uuneja tullaan tulevaisuudessa testaamaan energiamerkkiä varten. Standardin mukaisia kokeita tehtiin useilla nykytuotannossa olevilla sähköliesillä sekä lisäksi joillakin protomalleilla. Lisäksi diplomityössä määritettiin kokeellisesti uunin luukun osuus energiankulutuksesta, uunin lämpökapasiteetin pienentämisen vaikutus energiankulutukseen sekä vertailtiin eri eristemateriaaleja. Sähköliesien kilpailutilanne markkinoilla on kiristynyt vuosi vuodelta. Näin ollen pienet valmistuskustannukset ovat liesien kannattavan tuotannon edellytys. Onkin vaikea tehtävä määrittää uunin energiataloutta parantavia kehitysratkaisuja, jotka olisivat myös taloudellisesti kannattavia.

TMP- laitoksen mallinnus ja simulointi

Diplomityössä tehtiin Balas- simulointimalli Stora Enso Publication Papers Oy Ltd Varkauden tehtaiden kuumahierrelaitoksesta, johon sovitettiin tehtaan lämpö-, kuitu- ja kiertovesivirtaukset sekä kiertovesissä olevien liuenneiden ja kolloidisten aineiden virtaukset. Kirjallisuusosassa perehdyttiin simulaattorimallin luontiin ja käyttötarkoituksiin. Siinä käsitellään Balas- simulaattorin ominaisuuksia ja laiteparametrointia. Tarkastellaan kuumahierreprosessin eri vaiheita, olosuhteita ja laitteiden toimintaa. Perehdytään prosessin energian kulutukseen ja talteenottoon sekä kiertovesien liuenneiden ja kolloidisten aineiden mittaussuureisiin ja vaikutuksiin prosessissa. Simulaattorimallin tekemiseen kuului tehtaan virtauskaavion ja simulaattorimallin tekeminen, mittauskoesuunnittelu, tehdasmittaukset, simulaattorin parametrointi, mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittaminen sekä mallin kelpoistaminen. Tehtaan virtauskaavion piirtämisessä käytettiin apuna tehtaan prosessi- ja instrumentointikaavioita, joiden pohjalta mittauskoesuunnitelma ja simulaattorimalli tehtiin. Koesuunnitelman mittaussuureiksi valittiin virtaukset, sakeudet, lämpötilat sekä kiertovesien kiintoaineen-, kokonaisorgaanisen hiilen- ja liuenneen orgaanisen aineen pitoisuuksien määritykset. Mittauksilla saatiin tietoja prosessivirtausten taseista, joita käytettiin simulaattorimallin keskeisempien laiteparametriarvojen määrityksessä. Exceliä hyödynnettiin mittaus- ja simulaattoritulosten taulukoinnissa, laiteparametrien laskemisessa sekä arvojen syötössä ja vastaanotossa Excelin ja simulaattorin välillä. Sitä käytettiin myös graafisessa mittaus- ja simulaattoritulosten yhteensovittamisessa, jolla pystyttiin havainnollisesti näkemään eri syöttöparametrien muutoksien vaikutukset simulaattorin laskemissa virtaustuloksissa. Mallin antamien arvojen ja todellisten prosessimittausarvojen yhteensovittamisen ja mallista varmistumisen tuloksista voidaan todeta mallin korreloivan todellista prosessia melko hyvin.

Cardan Gear Mechanism versus Slider-Crank Mechanism in Pumps and Engines

In machine design we always want to save space, save energy and produce as much power as possible. We can often reduce accelerations, inertial loads and energy consumption by changing construction. In this study the old cardan gear mechanism (hypocycloid mechanism) has been compared with the conventional slider-crank mechanism in air pumps and four-stroke engines. Comprehensive Newtonian dynamics has been derived for the both mechanisms. First the slidercrank and the cardan gear machines have been studied as lossless systems. Then the friction losses have been added to the calculations. The calculation results show that the cardan gear machines can be more efficient than the slider-crank machines. The smooth running, low mass inertia, high pressures and small frictional power losses make the cardan gear machines clearly better than the slider-crank machines. The dynamic tooth loads of the original cardan gear construction do not rise very high when the tooth clearances are kept tight. On the other hand the half-size crank length causes high bearing forces in the cardan gear machines. The friction losses of the cardan gear machines are generally quite small. The mechanical efficiencies are much higher in the cardan gear machines than in the slider-crank machines in normal use. Crankshaft torques and power needs are smaller in the cardan gear air pumps than in the equal slider-crank air pumps. The mean crankshaft torque and the mean output power are higher in the cardan gear four-stroke engines than in the slider-crank four-stroke engines in normal use. The cardan gear mechanism is at its best, when we want to build a pump or an engine with a long connecting rod (≈ 5⋅crank length) and a thin piston (≈ 1.5⋅crank length) rotating at high angular velocity and intermittently high angular acceleration. The cardan gear machines can be designed also as slide constructions without gears. Suitable applications of the cardan gear machines are three-cylinder half-radial engines for motorcycles, sixcylinder radial engines for airplanes and six-cylinder double half-radial engines for sport cars. The applied equations of Newtonian dynamics, comparative calculations, calculation results (tables, curves and surface plots) and recommendations presented in this study hold novelty value and are unpublished before. They have been made and written by the author first time in this study.