Konversiosähköauton mitoitussuunnitelma

Sähköautojen tulemista on odotettu jo pitkään ja ne ovat potentiaalisia fossiilisilla polttoaineilla toimivien polttomoottoreiden korvaajia. Hybridiautoja on tullut markkinoille entistä enemmän ja ne osaltaan auttavat vähentämään fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Sähköautot ovat toistaiseksi jääneet taka-alalle. Tässä työssä on tehty konversiosähköauton mitoitussuunnitelma museoikäiseen autoon. Työssä on mitoitettu kolme sähköisen voimansiirron pääkomponenttia sähkömoottori, taajuudenmuuttaja ja akusto. Mitoitussuunnitelma toimii hyvänä pohjana, jonka avulla konversiota voidaan alkaa rakentamaan.

Waste-to-Energy Scenarios in the China Context

Waste incineration plants are increasingly established in China. A low heating value and high moisture content, due to a large proportion of biowaste in the municipal solid waste (MSW), can be regarded as typical characteristics of Chinese MSW. Two incineration technologies have been mainly established in China: stoker grate and circular fluidized bed (CFB). Both of them are designed to incinerate mixed MSW. However, there have been difficulties to reach the sufficient temperature in the combustion process due to the low heating value of the MSW. That is contributed to the usage of an auxiliary fossil fuel, which is often used during the whole incineration process. The objective of this study was to design alternative Waste-to-energy (WTE) scenarios for existing WTE plants with the aim to improve the material and energy efficiency as well as the feasibility of the plants. Moreover, the aim of this thesis was to find the key factors that affect to the feasibility of the scenarios. Five different WTE plants were selected as study targets. The necessary data for calculation was gained from literature as well as received from the operators of the target WTE plants. The created scenarios were based on mechanical-biological treatment (MBT) technologies, in which the produced solid recovered fuel (SRF) was fed as an auxiliary fuel into a WTE plant replacing the fossil fuel. The mechanically separated biowaste was treated either in an anaerobic digestion (AD) plant, a biodrying plant, a thermal drying plant, or a combined AD plant + thermal drying plant. An interactive excel spreadsheet based computation tool was designed to estimate the viability of the scenarios in different WTE cases. The key figures of the improved material and energy efficiency, such as additional electricity generated and avoided waste for landfill, were got as results. Furthermore, economic indicators such as annual profits (or costs), payback period, and internal rate of return (IRR) were gained as results. The results show that the AD scenario was the most profitable in most of the cases. The current heating value of MSW and the tipping fee for the received MSW appeared as the most important factor in terms of feasibility.

Arc fusion of self-fluxed nickel alloys

Self-fluxed nickel alloys are usually flame fused after thermal spraying. However, due to the practical aspects of high temperatures reached during flame fusing, large structures such as the hydraulic turbines for power generation, can not be efficiently coated. An alternative is to fuse the sprayed coating with a gas tungsten electric arc. In this case, heating is much more intensive and substrate temperature during and after the fusing operation is much lower, thus reducing the possibility that any problem will occur. In this work, coatings of self-fluxed nickel alloy fused by flame and gas tungsten arc were evaluated as protection of hydraulic turbines against cavitational damage. Several tests were performed, including the ASTM ultrasonically vibration-induced cavitation, optical and scanning electronic microscopic metallography, and hardness tests. The results showed that the arc-fused coating presented better cavitation damage resistance, probably due to its finer microstructure. A field application of this new technique is also described. A self-fluxed Ni alloy was flame sprayed in critical regions of Francis-type hydraulic turbine blades and fused by a gas tungsten arc after spraying. The blades will be inspected during the next two years.

Fluid dynamic modelling and simulation of circulating fluidized bed reactors: importance of the interface turbulence transfer

The main objective of this work is to analyze the importance of the gas-solid interface transfer of the kinetic energy of the turbulent motion on the accuracy of prediction of the fluid dynamic of Circulating Fluidized Bed (CFB) reactors. CFB reactors are used in a variety of industrial applications related to combustion, incineration and catalytic cracking. In this work a two-dimensional fluid dynamic model for gas-particle flow has been used to compute the porosity, the pressure, and the velocity fields of both phases in 2-D axisymmetrical cylindrical co-ordinates. The fluid dynamic model is based on the two fluid model approach in which both phases are considered to be continuous and fully interpenetrating. CFB processes are essentially turbulent. The model of effective stress on each phase is that of a Newtonian fluid, where the effective gas viscosity was calculated from the standard k-epsilon turbulence model and the transport coefficients of the particulate phase were calculated from the kinetic theory of granular flow (KTGF). This work shows that the turbulence transfer between the phases is very important for a better representation of the fluid dynamics of CFB reactors, especially for systems with internal recirculation and high gradients of particle concentration. Two systems with different characteristics were analyzed. The results were compared with experimental data available in the literature. The results were obtained by using a computer code developed by the authors. The finite volume method with collocated grid, the hybrid interpolation scheme, the false time step strategy and SIMPLEC (Semi-Implicit Method for Pressure Linked Equations - Consistent) algorithm were used to obtain the numerical solution.

Drop Size Measurements in a Laboratory Scale Venturi Scrubber

Venturi scrubbers are high efficiency gas cleaners in which suspended particles are removed from gas streams by droplets formed by liquid atomisation, usually in the venturi throat. The size of the droplets formed is of fundamental importance to the performance of the equipment, both in terms of pressure drop and collection efficiency. In this study, drop sizes in a cylindrical laboratory scale venturi scrubber were measured using a laser diffraction technique. Gas velocity and liquid to gas ratios varied from 50 to 90 m/s and 0.5 to 2.0 l/m3, respectively. Water was inserted as perpendicular jets at the beginning of the throat. Measurements were performed at three positions: two located along the throat, and the last one at the end of the diffuser. The data presented here are a typical example of pneumatic atomisation and can be relevant to other industrial applications such as combustion and engine technology. Finally, results are compared to available correlations and the validity of these equations is discussed.

Simulation of Active Control Using Fuzzy Logic Applied to a Pulse Combustor

This work analyzes an active fuzzy logic control system in a Rijke type pulse combustor. During the system development, a study of the existing types of control for pulse combustion was carried out and a simulation model was implemented to be used with the package Matlab and Simulink. Blocks which were not available in the simulator library were developed. A fuzzy controller was developed and its membership functions and inference rules were established. The obtained simulation showed that fuzzy logic is viable in the control of combustion instabilities. The obtained results indicated that the control system responded to pulses in an efficient and desirable way. It was verified that the system needed approximately 0.2 s to increase the tube internal pressure from 30 to 90 mbar, with an assumed total delay of 2 ms. The effects of delay variation were studied. Convergence was always obtained and general performance was not affected by the delay. The controller sends a pressure signal in phase with the Rijke tube internal pressure signal, through the speakers, when an increase the oscillations pressure amplitude is desired. On the other hand, when a decrease of the tube internal pressure amplitude is desired, the controller sends a signal 180º out of phase.

Numerical study of wedge supported oblique shock wave-oblique detonation wave transitions

The results of a numerical study of premixed Hydrogen-air flows ignition by an oblique shock wave (OSW) stabilized by a wedge are presented, in situations when initial and boundary conditions are such that transition between the initial OSW and an oblique detonation wave (ODW) is observed. More precisely, the objectives of the paper are: (i) to identify the different possible structures of the transition region that exist between the initial OSW and the resulting ODW and (ii) to evidence the effect on the ODW of an abrupt decrease of the wedge angle in such a way that the final part of the wedge surface becomes parallel to the initial flow. For such a geometrical configuration and for the initial and boundary conditions considered, the overdriven detonation supported by the initial wedge angle is found to relax towards a Chapman-Jouguet detonation in the region where the wedge surface is parallel to the initial flow. Computations are performed using an adaptive, unstructured grid, finite volume computer code previously developed for the sake of the computations of high speed, compressible flows of reactive gas mixtures. Physico-chemical properties are functions of the local mixture composition, temperature and pressure, and they are computed using the CHEMKIN-II subroutines.

Turbiinin testilaitteen alustava suunnittelu

Tässä työssä esitellään aluksi aksiaaliturbiinia ja sen ominaisuuksia. Turbiinista kerrotaan yleisesti sen käyttökohteista, rakenteesta ja eri toteutustavoista. Ominaisuuksissa on keskitytty aksiaaliturbiinin häviöihin ja hyötysuhteen laskentaan. Työssä kerrotaan myös lineaarikaskadeista, kuvaillaan niiden rakennetta ja käyttökohteita ja esitellään muutamia eri yliopistojen kaskadeja. Kaskadien yhteydessä esitellään myös Schlierenin kuvausmenetelmä. Työn lopussa suunnitellaan alustavasti Lappeenrannan yliopistolle tuleva lineaarikaskadi. Suunnittelussa lähtökohtana ovat annetut lähtöarvot ja muiden yliopistojen kaskadit. Suunnittelussa mitoitetaan kaskadin kanavan koko, siihen tuleva siivekemalli ja mittalaitteiden paikat.

Työkoneiden dieselmoottoreiden hyötysuhteen parantaminen lämmöntalteenoton avulla

Tämä diplomityö on osa Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisessa. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on muodostaa näkemys Mikro-ORC energiamuuntimen mahdollisuuksista ja reunaehdoista osana työkoneluokan (150 kW… 400 kW) dieselmoottorikokonaisuutta, erityisesti maataloussektorilla. Työssä tarkasteltaviksi moottoreiksi valittiin kaksi eri AGCO Sisu Powerin dieselmoottoria. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli tutkia ORC-prosessin tuottamaa lisäsähkötehoa hyödyntämällä pakokaasujen lämpöenergiaa korkea-, keski- ja matalalämpötiloissa. Työssä vertailtiin kahden eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatava sähkötehoa sekä prosessin sisäisiä parametreja. Lisäksi työssä tutkittiin ORC-prosessin laskentaa suunnittelupisteessä (design) ja suunnittelupisteen ulkopuolella (off-design), prosessisuureiden optimointia ja lämmönsiirtimien mitoitusta. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin energiataseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavan tehoon. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi ORC:lla sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Soodakattilalaitosten energiantuotannon lisääminen

The aim of this thesis is to study different methods to increase the energy production of recovery boilers. This improvement is encouraged by the current energy policy and the rapid rise in energy prices, especially in electricity. In addition, the energy efficiency of the power plants is intended to be improved. There are several methods to increase the energy production. The methods taken into more accurate study are lower pressure steam for soot blowing and flue gas coolers. Energy balances are made for these two cases to check a plausible addition of power generation of turbo-generator of the steam turbine. Also, the viability issues are studied. Solvo Power Plant Simulation program is used for the energy balance research. Two case power plants are simulated to solve the balances. To solve the addition of power generation with the flue gas coolers, basic balance calculation is performed. The viabilities are also taken into account, especially the payback times of these alternatives. On the basis of the results, installing the system to the process is viable in both cases. By installing the lowest possible pressure steam system for the soot blowing, the advantages are the most significant. The investment costs are the highest but the payback time is less than 1,5 years and the profit in the next 20 years is the greatest. In the case of flue gas coolers, the results did not entirely agree with past studies. Nevertheless, installing the flue gas coolers into the process also seems to be significant and profitable.

Hitsaustuotannon kehittäminen tuulivoimalan tornin valmistuksessa

Tuulivoima on Euroopassa nopeimmin kasvava energian tuotantomuoto. Tuulivoimateollisuuden arvioidaan kasvavan Suomessa huomattavasti lähivuosien aikana ennakoidun syöttötariffipäätöksen myötä, jolloin kilpailu alalla tulee kasvamaan. Tavoitteena oli kehittää tuulivoimalan tornin valmistusta Levator Oy:ssä hitsaustuotantoa tehostamalla ja tuotannon ohjattavuutta parantamalla. Kehitystyöhön kuului toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelu ja ohjeiston laatiminen työnjohdolle. Toisen hitsauslinjan käyttöönoton suunnittelun tarkoituksena oli suunnitella muutokset nykyiseen tuotantoon uuden linjan käyttöönoton mahdollistamiseksi. Suunnittelu aloitettiin valitsemalla hitsausprosessit, jonka jälkeen suunniteltiin laitetarpeet työvaihe-analyysien pohjalta. Tuotantolayout muutettiin nykyisestä funktionaalisesta tuotannosta tuotantosoluista koostuvaksi tuotantolinjaksi, jolloin materiaalien virtautus parani huomattavasti. Tuotannon ohjaustavaksi valittiin kapeikko-ohjaus. Ohjeiston laatimisen tarkoituksena oli kerätä ja dokumentoida kaikki tuotannossa tarvittava tieto. Ohjeiston sisältää laadunohjaus, materiaalivirtojen ohjaus ja työnohjaus osiot, joiden tarkoituksena on helpottaa työnjohtamista. Ohjeisto määrittelee yhtenäiset tuotannon toimintatavat, jolloin tuotannon ohjattavuus helpottuu. Tavoitteet täyttyivät, kun toisen tuotantolinjan käyttöönoton vaatimat muutokset aloitettiin suunnitelmien mukaisesti syyskuussa 2009. Ohjeiston sisältö saatiin määriteltyä ja eri osioiden pilotit saatiin valmiiksi joulukuun aikana. Tuotannon ohjattavuus kehittyi huomattavasti ja samalla tuottavuus parani merkittävästi.

Tuulivoimalan lapojen huolto ja tarkastukset

Uusiutuva energia elää voimakasta kasvukautta ja hallituksen tekemien tukipäätösten vuoksi tuulivoimaa tullaan rakentamaan huomattavasti lisää tulevien vuosien aikana. Tuuligeneraattorin siipien huolto- ja tarkastustoiminta on uusi ja kehittyvä toimiala. Tämä diplomityö onkin tehty oppaaksi helpottamaan tuulivoimaa omistavien, rakentavien, tai tuulivoimapuiston perustamista harkitsevien tahojen huoltosuunnitelmien tekemistä varten. Diplomityössä käydään läpi yleisimmät tuulivoimaloiden lapojen vikaantu-miset, sekä työskentelytavat ja käytettävät laitteistot voimaloiden lapojen huoltoja ja tarkastuksia tehtäessä.

The role of potassium in the corrosion of superheater materials in boilers firing biomass

Inhibition of global warming has become one of the major goals for the coming decades. A key strategy is to replace fossil fuels with more sustainable fuels, which has generated growing interest in the use of waste-derived fuels and of biomass fuels. However, from the chemical point of view, biomass is an inhomogeneous fuel, usually with a high concentration of water and considerable amounts of potassium and chlorine, all of which are known to affect the durability of superheater tubes. To slow down or reduce corrosion, power plants using biomass as fuel have been forced to operate at lower steam temperatures as compared to fossil fuel power plants. This reduces power production efficiency: every 10°C rise in the steam temperature results in an approximate increase of 2% in power production efficiency. More efficient ways to prevent corrosion are needed so that power plants using biomass and waste-derived fuels can operate at higher steam temperatures. The aim of this work was to shed more light on the alkali-induced corrosion of superheater steels at elevated temperatures, focusing on potassium chloride, the alkali salt most frequently encountered in biomass combustion, and on potassium carbonate, another potassium salt occasionally found in fly ash. The mechanisms of the reactions between various corrosive compounds and steels were investigated. Based on the results, the potassium-induced accelerated oxidation of chromia protected steels appears to occur in two consecutive stages. In the first, the protective chromium oxide layer is destroyed through a reaction with potassium leading to the formation of intermediates such as potassium chromate (K2CrO4) and depleting the chromium in the protective oxide layer. As the chromium is depleted, chromium from the bulk steel diffuses into the oxide layer to replenish it. In this stage, the ability of the material to withstand corrosion depends on the chromium content (which affects how long it takes the chromium in the oxide layer to be depleted) and on external factors such as temperature (which affects how fast the chromium diffuses into the protective oxide from the bulk steel). For accelerated oxidation to continue, the presence of chloride appears to be essential.

Häiriöanalyysejä tehonkorotetun kiehutusvesivoimalaitoksen käytettävyyden varmistamiseksi

TVO suunnittelee reaktoritehon 10 %:n korotusta Olkiluoto 1 ja 2 -voimalaitoksille. Reaktoriteho nostetaan 2500 MW:sta 2750 MW:iin polttoaineen rikastusastetta nostamalla ja pääkiertovirtausta kasvattamalla. Samalla syöttövesivirtaus reaktoriin ja tuorehöyryvirtaus turpiineille kasvaa. Lauhteenpuhdistusjärjestelmän kapasiteettia ei voida kuitenkaan kasvattaa, joten massavirran lisäys toteutetaan ottamalla käyttöön korkeapainesivulauhteen eteenpäinpumppaus. Lauhteen esilämmityslinjojen, lauhteenpuhdistuksen ja syöttövesipumppujen massavirta säilyy siten nykyisellään. Muita merkittäviä tehonkorotukseen liittyviä laitosmuutoksia ovat pääkiertopumppujen uusinta ja korkeapaineturpiinin muutokset. Tehonkorotetun prosessin käytettävyyden varmistamiseksi tehdään häiriöanalyysejä Apros-prosessisimulointiohjelmistoa käyttäen. OL1 ja OL2 -laitoksista on olemassa validoitu 2500 MW:n laitosmalli, josta muokatulla 2750 MW:n laitosmallilla simuloinnit tehdään. Häiriöanalyysien avulla selvitetään säätöjärjestelmien kyky pitää prosessin tila hallinnassa ilman suojausautomaation laukeamista. Simuloituihin tapauksiin kuuluu pumppujen ja venttiilien vikaantumistapauksia sekä turpiini- ja reaktoripuolen pikasulku- ja osittaispikasulkutapauksia. Myös meriveden lämpötilan vaikutusta häiriötilanteisiin tarkastellaan. Analyysien perusteella voimalaitosten ohjaus- ja suojausautomaatio toimivat hyvin myös korotetulla teholla. Tehonkorotuksen jälkeiset suuremmat massavirrat aiheuttavat kuitenkin voimakkaampia reaktoripaineen ja -tehon vaihteluita varsinkin venttiilien sulkeutumistapauksissa. Simuloinnit osoittivat, että tehonkorotus 2500 MW:sta 2750 MW:iin on mahdollinen, mutta aiheuttaa pieniä muutoksia laitoksen suojausjärjestelmien laukaisurajoihin.

Hiilidioksidin talteenoton mahdollistavat polttotekniikat

Kandidaatintyössä esitellään eri teknologioita hiilidioksidin talteenottamiseksi. Teknologioista esitellään niiden toimintaperiaate, pääpiirteet, heikkoudet ja vahvuudet, sekä nykytila. Työssä käsiteltiin kuutta teknologiaa: hiilidioksidin erotus polton jälkeen, hiilidioksidin erotus ennen polttoa, hiilidioksidin erotus happipoltolla, kemikaalikiertopoltto, kalsiumkiertoprosessi ja yhdistetty kolmen reaktorin kalsium- ja kemikaali kiertopolttoprosessia. Polton jälkeinen hiilidioksidin talteenotto sopii hyvin käytössä olevien laitoksien muuntamiseen niin kuin happipolttokin, mutta erotus ja talteenotto ennen polttoa ei sovellu kun vain uusiin laitoksiin. Kolme viimeisintä käsiteltyä teknologiaa ovat nuoria, kypsymättömiä, niissä paljon etuja ja niiden voi olettaa kehittyvän hyviksi teknologioiksi.