Sellutehtaiden höyrytasojen optimaaliset paineet

Sellutehtaiden kannattavuutta pyritään lisäämään parantamalla tehtaiden energiatehokkuutta ja tehostamalla tuotantoa. Yksi keino tehtaan sähkön tuotannon lisäämiseksi on höyrytasojen paineiden alentaminen tehtaan tuotantoprosesseissa. Tällöin höyry voidaan paisuttaa turbiinissa matalampaan paineeseen. Höyryn painetasojen alentaminen kuitenkin lisää tehtaan investointikustannuksia siirtoputkistojen kokojen ja lämmönsiirtopinta-alojen kasvaessa. Tämä diplomityö on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa osana Suomen Soodakattilayhdistyksen projektia ”Skyrec – Soodakattilan sähköenergiatehokkuuden nostaminen uudelle tasolle”. Tässä diplomityössä määritetään 600 000 tonnia sellua vuodessa tuottaville Suomeen sopiville sellutehdastyypeille taloudellisesti optimaaliset höyryn painetasot. Optimaaliset höyryn painetasot määritettiin painetasojen mukaisten energiataseiden sekä investointiarvioiden perusteella. Työn taselaskennat tehtiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Millflow-laskentasovelluksella. Matalapainetason mukaisia investointikustannuksia arvioitiin tehtaiden putkiston, haihduttamon ja kuivauskoneen osalta. Tulosten mukaan höyrytasojen paineet on taloudellisesti kannattavaa valita tehtaan laitteiston ja prosessien mukaan alhaisimmiksi mahdollisiksi. Lisäksi työssä tarkastellaan välipainehöyryn ja nuohoushöyryn paineiden alentamisen vaikutuksia tehtaan sähkön tuotantoon sekä joillekkin tehtaan prosesseille rakennettavan oman matala- tai välipainelinjan käytön kannattavuutta. Diplomityöhön kerättiin tietoa suomalaisilla sellutehtailla käytössä olevista höyryn paineista sekä syistä painetasojen valintaan.

Modeling study of limestone reactions in fluidized bed conditions

Traditionally limestone has been used for the flue gas desulfurization in fluidized bed combustion. Recently, several studies have been carried out to examine the use of limestone in applications which enable the removal of carbon dioxide from the combustion gases, such as calcium looping technology and oxy-fuel combustion. In these processes interlinked limestone reactions occur but the reaction mechanisms and kinetics are not yet fully understood. To examine these phenomena, analytical and numerical models have been created. In this work, the limestone reactions were studied with aid of one-dimensional numerical particle model. The model describes a single limestone particle in the process as a function of time, the progress of the reactions and the mass and energy transfer in the particle. The model-based results were compared with experimental laboratory scale BFB results. It was observed that by increasing the temperature from 850 °C to 950 °C the calcination was enhanced but the sulfate conversion was no more improved. A higher sulfur dioxide concentration accelerated the sulfation reaction and based on the modeling, the sulfation is first order with respect to SO2. The reaction order of O2 seems to become zero at high oxygen concentrations.

Digital surface area assessment of broiler chickens

Surface area (SA) of poultry is an important parameter for heat and mass transfer calculations. Optical approaches, such as the moiré technique (MT), are non-destructive, result in accuracy and speed gains, and preserve the object integrity. The objective of this research was to develop and validate a new protocol for estimating the surface area (SA) of broiler chickens based on the MT. Sixty-six Ross breed broiler chickens (twenty-seven male, thirty-nine female, ages spanning all growth phases) were used in this study. The dimensions (length, width and height) and body mass of randomly selected broiler chickens were evaluated in the laboratory. Chickens were illuminated by a light source, and grids were projected onto the chickens to allow their shape to be determined and recorded. Next, the skin and feathers of the chickens were removed to allow SA to be determined by conventional means. These measurements were then used for calibration and validation. The MT for image analysis was a reliable means of evaluating the three-dimensional shape and SA of broiler chickens. This technique, which is neither invasive nor destructive, is a good alternative to the conventional destructive methods.

Effects of maintenance management procedures in sugarcane mechanic harvesting system equipment

ABSTRACT The aim of this study was to evaluate the effects of modifying the maintenance programming of equipment used in sugarcane mechanical harvesting, by transferring actions that can be planned to periods when machines are inactive due to meal breaks and other working shift transitions stoppages. A simulation model was developed to represent the maintenance procedures of combines, haulouts, and other vehicles used by a harvest team. Scenarios were tested using alternatives for interventions such as refueling, lubrication and harvester blade replacement, enabling strategies to be focused towards better utilization of cutting, loading, and transport (CLT) system equipment. As a result, it was possible to remove one combine and two haulouts, while maintaining current daily production. The maintenance time for harvesters, which refers to corrective maintenance and the transfer of remaining interventions for periods of inactivity, was reduced from 10.0% to 3.5% over the useful period. This study indicates that maintenance management in the sugarcane sector enables the expanded use of equipment, leading to the greater productivity of the CLT system.

Teknologiasta liiketoimintaa. Julkisen tutkimuksen kaupallistaminen - Case VTT

Tässä tutkielmassa perehdyttiin julkisen tutkimuksen kaupallistamiseen tutkimusorganisaatio VTT:n tapauksen kautta. Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää, kuinka julkista tutkimusta voidaan yleensä kaupallistaa, mitkä ovat kaupallistamisprosessin vaiheet, haasteet sekä kriittiset onnistumistekijät. Tutkimus on luonteeltaan laadullinen ja se toteutettiin henkilöhaastatteluina, joita täydennettiin kirjallisilla lähteillä. Tutkimuksessa ilmeni, että VTT:llä julkisrahoitteisen tutkimuksen tuloksia kaupallistetaan lisensoimalla, toimeksianto- eli sopimustutkimuksen kautta, spin-off toimilla, allianssien ja erilaisten palvelujen, kuten valmistus-, testaus-, ja analyysipalvelujen kautta. VTT:n näkökulmasta katsottuna merkittävin kaupallistamiskanava on sopimus- eli toimeksiantotutkimus, jota seuraavat lisensointi sekä spin-off toiminta. Kaupallistamistavan valinta riippuu lukuisista tekijöistä, kuten organisaation kaupallistamisstrategiasta, innovaatiotyypistä, teknologian kypsyydestä, tiedon luonteesta, toimialojen ja markkinoiden ominaisuuksista, innovaation hyödynnettävyydestä ja suojauksesta, arvonmuodostuspotentiaalista kuin yksittäisten henkilöiden motivaatiostakin.Valinta onkin tehtävä tapauskohtaisesti. Julkisesta tutkimuksesta lähtöisin olevien teknologioiden tie markkinoille voi olla haastava, sillä teknologiat ovat kehitetty ei-kaupallisessa ympäristössä. Tutkimuksessa kävi ilmi, että kriittisimmiksi koetut kaupallistamisen onnistumistekijät liittyivät organisaatioon, teknologiaan, markkina- ja asiakastarpeeseen, aineettoman omaisuuden suojaukseen sekä markkinoille menon nopeuteen.

Litium-ioniakun tasapainon hallinta

Nykyaikaisen liikkuvan sähkökäytön energianlähteenä voi toimia jopa sadoista yksittäisistä sarjaankytketyistä litium-ionikennoista muodostuva akusto. Luotettaviin mittauksiin perustuva valvonta ja käytönohjaus on erityisen tärkeää litium-ioniakuissa, jotka ovat herkkiä yli- ja alijännitteille sekä korkeille lämpötiloille. Monipuolinen hallintajärjestelmä auttaa hyödyntämään akun koko kapasiteetin sekä säilyttämään akun suorituskyvyn estämällä väärinkäytön. Tässä työssä keskitytään tarkastelemaan monikennoisten litium-ioniakkujen sovelluksissa ilmeneviä haasteita sekä eri julkaisuissa esitettyjä ratkaisumalleja akun tasapainon hallitsemiseksi.

Laskentasovelluksen kehittäminen modulaariselle vesiputkikattilalle

Modulaarisella vesiputkikattilalla tarkoitetaan täysin konepajalla valmistettavissa olevaa kattilaa, joka voidaan kuljettaa yhtenä tai muutamana suurena moduulina työmaalle. Tässä diplomityössä käsiteltiin modulaarisen vesiputkikattilan laskentasovelluksen ke-hittämistä KPA Unicon Oy:lle. Työn tavoitteena oli tarkastella modulaarisen vesiputkikattilan lämpöteknistä mitoitusta ja suunnittelua sekä kehittää laskentasovellus, jonka avulla voidaan arvioida kattilan mittoja ja painoa. Laskentasovellus laadittiin Microsoftin Excel-alustalle, josta se on myöhemmin mahdollista siirtää muille ohjelma-alustoille. Laskentasovelluksessa hyödynnetään lämmönsiirron ja virtaustekniikan laskentayhtälöitä sekä -menetelmiä. Sovellukseen valitut laskentayhtälöt sekä -menetelmät ovat yleisesti hyväksyttyjä ja käytännössä testattuja. Diplomityön tuloksena valmistui laskentasovellus, joka kykenee modulaarisen vesiputkikattilan lämpötekniseen mitoittamiseen. Sovelluksen avulla voidaan mitoittaa kattilan tulipesä, tulistimet, höyrystinpinnat sekä ekonomaiseri. Laskentasovellusta on tarkoitus hyödyntää yrityksen tarjousvaiheen projekteissa sekä mahdollisesti kattiloiden esisuunnittelussa. Laskentasovelluksen laatimista varten ei ollut mahdollista hyödyntää toiminnassa olevien kattiloiden prosessitietoja, koska ensimmäiset tämän tyyppiset kattilat ovat asenteilla. Sen sijaan sovelluksen antamia laskentatuloksia verrattiin toisen mitoitusohjelman antamiin tuloksiin, joiden perusteella laskentasovelluksen voidaan olettaa antavan oikeita tuloksia.

Suurnopeus-turbokoneroottoreiden termodynaaminen ja mekaaninen mallinnus sekä rakenneanalyysi

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviä roottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikalla tarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) ja toimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisesti yhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus. Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus. Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavien rautahäviöiden ja pienempien lämmönsiirtopinta-alojen vuoksi. Tämän työn tavoitteet voidaan jakaa kolmeen osaan:  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu, jonka tavoitteena on pienentää lämmönkehitystä ja tehostaa kriittisten kohtien jäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksen kannalta edullisiin kohtiin  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu kriittisten ominaistaajuuksien kannalta  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltä kannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niiden säilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutus ja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa. Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitut näkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminen ja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi, lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastusten tarkastelu.

Kommunikaatio ja tiedonsiirto etätyössä

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää etätyönteon vaikutuksia kommunikaatioon ja tiedonsiirtoon. Teoriaosuudessa tutkitaan akateemista keskustelua aiemmin mainittujen aiheiden parissa. Tutkimus on laadultaan kvalitatiivinen ja se toteutettiin puolistrukturoiduilla teemahaastatteluilla. Tutkimuksen havainnot noudattivat pitkälti teoriaosuudessa esiin nousseita linjoja, mutta muun muassa inhimillisten tekijöiden merkitys kommunikaatiohalukkuuteen nousi vahvasti esiin. Tämän lisäksi etätyön ajallisella määrällä, etätyönteon sijainnilla sekä yleisellä organisaatiotasoisella suhtautumisella etätyöhön todettiin olevan merkitystä kommunikaation ja siten myös tiedonsiirron laatuun, tiheyteen ja määrään.

Validation of a 3D model for oxygen combustion in a circulating fluidized bed

In this thesis, a model called CFB3D is validated for oxygen combustion in circulating fluidized bed boiler. The first part of the work consists of literature review in which circulating fluidized bed and oxygen combustion technologies are studied. In addition, the modeling of circulating fluidized bed furnaces is discussed and currently available industrial scale three-dimensional furnace models are presented. The main features of CFB3D model are presented along with the theories and equations related to the model parameters used in this work. The second part of this work consists of the actual research and modeling work including measurements, model setup, and modeling results. The objectives of this thesis is to study how well CFB3D model works with oxygen combustion compared to air combustion in circulating fluidized bed boiler and what model parameters need to be adjusted when changing from air to oxygen combustion. The study is performed by modeling two air combustion cases and two oxygen combustion cases with comparable boiler loads. The cases are measured at Ciuden 30 MWth Flexi-Burn demonstration plant in April 2012. The modeled furnace temperatures match with the measurements as well in oxygen combustion cases as in air combustion cases but the modeled gas concentrations differ from the measurements clearly more in oxygen combustion cases. However, the same model parameters are optimal for both air and oxygen combustion cases. When the boiler load is changed, some combustion and heat transfer related model parameters need to be adjusted. To improve the accuracy of modeling results, better flow dynamics model should be developed in the CFB3D model. Additionally, more measurements are needed from the lower furnace to find the best model parameters for each case. The validation work needs to be continued in order to improve the modeling results and model predictability.

Substitution-Newton-Raphson method applied to the modeling of a vapour compression refrigeration system using different representations of the thermodynamic properties of R-134a

This paper gives a detailed presentation of the Substitution-Newton-Raphson method, suitable for large sparse non-linear systems. It combines the Successive Substitution method and the Newton-Raphson method in such way as to take the best advantages of both, keeping the convergence features of the Newton-Raphson with the low requirements of memory and time of the Successive Substitution schemes. The large system is solved employing few effective variables, using the greatest possible part of the model equations in substitution fashion to fix the remaining variables, but maintaining the convergence characteristics of the Newton-Raphson. The methodology is exemplified through a simple algebraic system, and applied to a simple thermodynamic, mechanical and heat transfer modeling of a single-stage vapor compression refrigeration system. Three distinct approaches for reproducing the thermodynamic properties of the refrigerant R-134a are compared: the linear interpolation from tabulated data, the use of polynomial fitted curves and the use of functions derived from the Helmholtz free energy.

Development of a process for the direct synthesis of hydrogen peroxide in a novel microstructured reactor

Microreactors have proven to be versatile tools for process intensification. Over recent decades, they have increasingly been used for product and process development in chemical industries. Enhanced heat and mass transfer in the reactors due to the extremely high surfacearea- to-volume ratio and interfacial area allow chemical processes to be operated at extreme conditions. Safety is improved by the small holdup volume of the reactors and effective control of pressure and temperature. Hydrogen peroxide is a powerful green oxidant that is used in a wide range of industries. Reduction and auto-oxidation of anthraquinones is currently the main process for hydrogen peroxide production. Direct synthesis is a green alternative and has potential for on-site production. However, there are two limitations: safety concerns because of the explosive gas mixture produced and low selectivity of the process. The aim of this thesis was to develop a process for direct synthesis of hydrogen peroxide utilizing microreactor technology. Experimental and numerical approaches were applied for development of the microreactor. Development of a novel microreactor was commenced by studying the hydrodynamics and mass transfer in prototype microreactor plates. The prototypes were designed and fabricated with the assistance of CFD modeling to optimize the shape and size of the microstructure. Empirical correlations for the mass transfer coefficient were derived. The pressure drop in micro T-mixers was investigated experimentally and numerically. Correlations describing the friction factor for different flow regimes were developed and predicted values were in good agreement with experimental results. Experimental studies were conducted to develop a highly active and selective catalyst with a proper form for the microreactor. Pd catalysts supported on activated carbon cloths were prepared by different treatments during the catalyst preparation. A variety of characterization methods were used for catalyst investigation. The surface chemistry of the support and the oxidation state of the metallic phase in the catalyst play important roles in catalyst activity and selectivity for the direct synthesis. The direct synthesis of hydrogen peroxide was investigated in a bench-scale continuous process using the novel microreactor developed. The microreactor was fabricated based on the hydrodynamic and mass transfer studies and provided a high interfacial area and high mass transfer coefficient. The catalysts were prepared under optimum treatment conditions. The direct synthesis was conducted at various conditions. The thesis represents a step towards a commercially viable direct synthesis. The focus is on the two main challenges: mitigating the safety problem by utilization of microprocess technology and improving the selectivity by catalyst development.

Tietojohtaminen projektissa: hankevastaavan ja projektipäällikön näkökulmia

Tutkimuksen tavoitteena oli selvittää miten tietojohtamisen eri osatekijät näkyvät projektin läpiviemisen aikana. Teoreettinen viitekehys kokoaa projektijohtamisen osatekijät ja tietojohtamisen kolme pääelementtiä (tiedon hankinta, tiedon säilyttäminen ja tiedon siirto) yhteen projektin elinkaaren ympärille. Tutkimus toteutettiin laadullisena tutkimuksena, jonka empiirinen osuus suoritettiin haastattelemalla projektin asiakkaan vastuuhenkilöitä sekä toimittajan vastuuhenkilöitä yksi kerrallaan. Näiden lisäksi suoritettiin ryhmähaastattelu kohderyhmän portfoliohallitsijoiden kesken. Empiriasta saadut tulokset mallinnettiin viitekehyksen mukaisesti tietojohtamisen pääelementeille. Tiedon hankinnassa projektijohtamisen kentästä korostui sidosryhmät ja riskit, tiedon säilyttämisessä korostui integrointi ja viestintä sekä tiedon siirtämisessä korostui aika ja HR. Projektin aikana luodun ja hankitun osaamisen ja oppien säilyttäminen koettiin haastateltavien mukaan tietojohtamisen osatekijöistä haastavimmaksi. Alatutkimuskysymyksenä selvitetyt esteet ja hidasteet tietojohtamisen menetelmille kulminoituivat haastatteluissa prosesseihin, vastuisiin ja systemaattisuuden puuttumiseen. Haastatteluiden ja kirjallisuustutkimuksen tuloksena tehtiin kohdeyritykseen suosituksia tietojohtamisen elementtien hyödyntämisessä projekteissa.

Particle model for simulating limestone reactions in novel fluidised bed energy applications

The development of carbon capture and storage (CCS) has raised interest towards novel fluidised bed (FB) energy applications. In these applications, limestone can be utilized for S02 and/or CO2 capture. The conditions in the new applications differ from the traditional atmospheric and pressurised circulating fluidised bed (CFB) combustion conditions in which the limestone is successfully used for SO2 capture. In this work, a detailed physical single particle model with a description of the mass and energy transfer inside the particle for limestone was developed. The novelty of this model was to take into account the simultaneous reactions, changing conditions, and the effect of advection. Especially, the capability to study the cyclic behaviour of limestone on both sides of the calcination-carbonation equilibrium curve is important in the novel conditions. The significances of including advection or assuming diffusion control were studied in calcination. Especially, the effect of advection in calcination reaction in the novel combustion atmosphere was shown. The model was tested against experimental data; sulphur capture was studied in a laboratory reactor in different fluidised bed conditions. Different Conversion levels and sulphation patterns were examined in different atmospheres for one limestone type. The Conversion curves were well predicted with the model, and the mechanisms leading to the Conversion patterns were explained with the model simulations. In this work, it was also evaluated whether the transient environment has an effect on the limestone behaviour compared to the averaged conditions and in which conditions the effect is the largest. The difference between the averaged and transient conditions was notable only in the conditions which were close to the calcination-carbonation equilibrium curve. The results of this study suggest that the development of a simplified particle model requires a proper understanding of physical and chemical processes taking place in the particle during the reactions. The results of the study will be required when analysing complex limestone reaction phenomena or when developing the description of limestone behaviour in comprehensive 3D process models. In order to transfer the experimental observations to furnace conditions, the relevant mechanisms that take place need to be understood before the important ones can be selected for 3D process model. This study revealed the sulphur capture behaviour under transient oxy-fuel conditions, which is important when the oxy-fuel CFB process and process model are developed.

Siiderin ja long drink -juomien sekoitusprosessin kehittäminen

Diplomityössä perehdytään Hartwall Lahden tuotantolaitoksen juomanvalmistuksen osaston siiderin ja long drink –juomien valmistusprosessin kehittämiseen. Diplomityön tavoitteena oli löytää prosessin ongelma- ja poikkeamakohtia, tutkia mahdollisia hävikkikohteita ja suorittaa laadun osalta ajoseurantamittauksia. Ongelmakohtien pohjalta laadittiin parannusehdotuksia ja niitä toteutettiin jo tämän projektin aikana. Ongelma- ja poikkeamakohtia tutkittiin ajoprosessin aikana. Hävikkitutkimus kohdennettiin aromiliuoksen annostelulinjaan, nestesokerin an-nostelulinjaan ja tuotteiden alku- ja lopputyönnöille painetankkeihin. Painetankkien osalta mahdollisia hävikkikohteita tutkittiin kokeellisen toiminnan avulla ajo-prosessin aikana. Ajoprosessin käynnistyksen jälkeen selvitettiin milloin valmis tuote on painetankkien venttiilimatriisilla. Uudet parametrit alku- ja lopputyönnöille määritettiin tuoteputken, painetankkien pohjaputkien ja venttiilimatriisin tilavuuksien avulla. Hävikkitutkimuksen tuloksena saatiin pienennettyä hävikkiä ja näin ollen syntyi kustannussäästöjä. Hiilidioksidin sitoutuvuutta tutkittiin mittauksien avulla valmistusprosessin aikana. Mittauksien perusteella havaittiin, että hiilidioksidipitoisuus laskee painetankissa. Tämä johtuu valmiin tuotteen lämpötilamuutoksista. Tuotteen lämpötilaa voidaan tasata esimerkiksi levylämmönvaihtimen avulla.