Polttomoottorivoimalan energiatehokkuuden parantaminen hukkalämpövirtojen sähköksi muunnolla

Tämä diplomityö on osa FCEP hankeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen hyödyntämisestä sähköntuotannossa. Tavoitteena on kartoittaa polttomoottorin hukkalämpövirtojen sähköksi muunnon potentiaalia valituilla menetelmillä ja tekniikoilla. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin DF- monipolttoainemoottori. DF-moottorin polttoaineena voidaan käyttää joko kaasua tai polttoöljyä. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien hukkalämpövirtojen arvojen ja moottorin lämpötaseen avulla. Laskennan perusperiaatteena oli vesihöyryprosessin ja ORC-prosessien vertailu pakokaasulämmön hyödyntämisessä sekä matalalämpöisten hukkalämpövirtojen hyödyntäminen ORC-prosesseilla. Lisäksi työssä tutkittiin korkealla painesuhteella ja korkealla hyötysuhteella toimivan turboahtimen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Diplomityössä tarkasteltiin moottorin lämpötaseen mukaisten arvojen lisäksi moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta hukkalämpövirroista saatavaan tehoon. Moottorin parametrien muuttamisen vaikutusta moottorin akselitehoon tai moottorin lämpötaseeseen ei kuitenkaan tämän tutkimuksen puitteissa tarkasteltu. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottoreiden hukkalämpövirtojen muuntamisesta sähköksi eri menetelmillä sekä moottorin energiatehokkuuden parantamisesta.

Sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutukset

Euroopan unionin energiapolitiikka on luonut paineen parantaa energiatehokkuutta kaikilla energiankäytön aloilla. Merkittävä osa energiasta kulutetaan liikenteessä, joten sähköautojen käyttöönotolla voidaan parantaa energiatehokkuutta merkittävästi. Tämän vuoksi on tarkasteltava sähköautojen laajamittaisen levinneisyyden aiheuttamia vaikutuksia sähköverkolle. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköautojen pikalatauksen verkkovaikutuksia. Tarkastelu painottuu kotilatauksen tarkasteluun taajamissa ja maaseudulla. Kuormituksen kasvu simuloidaan hyödyntäen sähköauton lataukselle laskettua kuormituskäyrää, jonka laskenta perustuu keskimääräiseen henkilöauton liikkumiseen, joka on saatavilla Suomen henkilöliikennetutkimuksesta. Simuloinnin tulosten perusteella sähköauton pikalatauksen verkkovaikutukset ovat merkittäviä keskijänniteverkossa ja pienjänniteverkossa. Suuremmat vaikutukset kohdistuvat pienjänniteverkkoon.

Energiavarastojen mitoitus laivasähköjärjestelmään

Jatkuvasti kiristyvät päästörajoitukset ajavat eri alojen energiatuottajia kehittämään uusia ratkaisuja päästöjen pienentämiseksi. Viime aikoina myös laivojen päästörajoituksia on tiukennettu ja tulevaisuudessa niitä tullaan tiukentamaan lisää. Nämä tiukentuvat päästörajoitukset asettavat myös laivan dieselmoottoreiden valmistajat uusien haasteiden eteen. Yhtenä vaihtoehtona on lisätä dieselmoottorin rinnalle energiavarasto, joka vähentää dieselmoottorin päästöjä varsinkin nopeissa kuormituksen muutoksissa. Tässä diplomityössä tarkastellaan sähköisten energiavarastojen mitoitusta laivan sähköjärjestelmään. Energiavarastot mitoitetaan useaan eri toimintatilanteeseen. Mitoituksen lisäksi pohditaan energiavarastoilla saatavaa mahdollista rahallista hyötyä sekä päästöjen vähenemistä.

Liiketoimintamahdollisuudet sähköisessä liikkumisessa

Tässä työssä tarkastellaan pk-yrityksen kohtaamaa monimutkaista ja alati muuttuvaa toimintaympäristöä. Ympäristöään tarkkailemalla yritys pystyy varautumaan ja vastaamaan muutoksiin nopeasti ja toimintakykyään heikentämättä. Työssä käydään läpi tapoja, joilla toimintaympäristöä ja tulevaisuudessa mahdollisti tapahtuvia muutoksia tarkkaillaan sekä miten yritys voi strategiallaan vaikuttaa omaan ketteryyteensä. Työssä tutustutaan myös sähköisen liikkumisen toimialaan ja siinä odotettavissa oleviin muutoksiin. Liikkumisen sähköistymiseen on useita syitä. Sähköenergiaa voidaan tuottaa kulloinkin parhaasta käytettävissä olevasta vaihtoehdosta, eikä liikenteen energian käyttö ole enää vain öljystä riippuvainen. Sähköajoneuvoja käytettäessä energian kulutus myös pienenee, sillä energiaketjun kokonaishyötysuhde paranee sähkömoottoreiden paremman hyötysuhteen ansiosta. Lisäksi sähköajoneuvot eivät tuota käytössä lainkaan paikallisia ilmapäästöjä ja niissä on polttomoottoreita huomattavasti alhaisempi melutaso. Palvelusektorilla on entistä merkittävämpi rooli yhteiskunnassa, sillä jopa kaksi kolmasosaa Euroopan työpaikoista ja bruttokansantuotteesta tulee erilaisista palveluista. Palvelut ovat enenevästi muodostumassa tuottavuuden ja kasvun tekijäksi, lisäksi se on ainoa osa-alue Euroopan taloudessa, jolla on onnistuttu luomaan uusia työpaikkoja kahden viime vuosikymmenen aikana. Elmotion Oy onkin tarttumassa vapaa-ajalla tapahtuvaan palveluliiketoimintaan. Työssä tutustutaan muutamiin vaihtoehtoihin, joissa yritys voi tuottaa mielenkiintoista ja hauskaa tekemistä ympäristömyönteisellä teknologialla.

Dieselmoottorin analogisen kierrosnopeusmittauksen digitalisointi

Työssä suunnitellaan kierrosnopeusmittauksen toteutus vanhaan Ford -teollisuusdieseliin käyttäen moottorin alkuperäistä kierrosnopeusanturia. Anturi kunnostetaan vaihtamalla vanha, palanut käämi uuteen digitaaliseen järjestelmään soveltuvaan käämiin. Sen toimin-ta halutulla kierrosnopeusalueella varmistetaan mittauksin ja tämän perusteella suunnitel-laan kytkentä sen liittämiseksi kierrosnopeuden laskevaan mikrokontrolleriin. Kytkennän toimivuutta testataan simuloimalla ennen prototyypin rakentamista. Erilaisia vaihtoehtoja analogisen näytön toteuttamiseksi tutkitaan ja niistä valitaan yksi ve-nekäyttöön soveltuva, joka toteutetaan järjestelmän näyttöratkaisuksi. Järjestelmälle suunnitellaan piirilevy, jolle prototyyppi kasataan. Mikrokontrollerille koodataan C -ohjelmointikielellä ohjelma, joka laskee dieselmoottorin kierrosnopeuden anturipulssien perusteella ja ohjaa näyttöä.

Multifrequency VLBI Observations of Selected Active Galactic Nuclei

In this dissertation, active galactic nuclei (AGN) are discussed, as they are seen with the high-resolution radio-astronomical technique called Very Long Baseline Interferometry (VLBI). This observational technique provides very high angular resolution (_ 10−300 = 1 milliarcsecond). VLBI observations, performed at different radio frequencies (multi-frequency VLBI), allow to penetrate deep into the core of an AGN to reveal an otherwise obscured inner part of the jet and the vicinity of the AGN’s central engine. Multi-frequency VLBI data are used to scrutinize the structure and evolution of the jet, as well as the distribution of the polarized emission. These data can help to derive the properties of the plasma and the magnetic field, and to provide constraints to the jet composition and the parameters of emission mechanisms. Also VLBI data can be used for testing the possible physical processes in the jet by comparing observational results with results of numerical simulations. The work presented in this thesis contributes to different aspects of AGN physics studies, as well as to the methodology of VLBI data reduction. In particular, Paper I reports evidence of optical and radio emission of AGN coming from the same region in the inner jet. This result was obtained via simultaneous observations of linear polarization in the optical and in radio using VLBI technique of a sample of AGN. Papers II and III describe, in detail, the jet kinematics of the blazar 0716+714, based on multi-frequency data, and reveal a peculiar kinematic pattern: plasma in the inner jet appears to move substantially faster that that in the large-scale jet. This peculiarity is explained by the jet bending, in Paper III. Also, Paper III presents a test of the new imaging technique for VLBI data, the Generalized Maximum Entropy Method (GMEM), with the observed (not simulated) data and compares its results with the conventional imaging. Papers IV and V report the results of observations of the circularly polarized (CP) emission in AGN at small spatial scales. In particular, Paper IV presents values of the core CP for 41 AGN at 15, 22 and 43 GHz, obtained with the help of the standard Gain transfer (GT) method, which was previously developed by D. Homan and J.Wardle for the calibration of multi-source VLBI observations. This method was developed for long multi-source observations, when many AGN are observed in a single VLBI run. In contrast, in Paper V, an attempt is made to apply the GT method to single-source VLBI observations. In such observations, the object list would include only a few sources: a target source and two or three calibrators, and it lasts much shorter than the multi-source experiment. For the CP calibration of a single-source observation, it is necessary to have a source with zero or known CP as one of the calibrators. If the archival observations included such a source to the list of calibrators, the GT could also be used for the archival data, increasing a list of known AGN with the CP at small spatial scale. Paper V contains also calculation of contributions of different sourced of errors to the uncertainty of the final result, and presents the first results for the blazar 0716+714.

Rankine-prosessin mallinnus keskilämpötila-alueessa

Tämä diplomityö on osa FCEP hankkeen Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa tehtävää tutkimusta polttomoottoreiden energiatehokkuuden parantamisesta. Työn tavoitteena on saada tutkimustietoa polttomoottoreiden ahtoilman hukkalämmön hyödyntämisestä sähköntuotannossa Rankine-prosessilla. Tavoitteena on myös suorittaa ahtoilman hukkalämpöä hyödyntävän koelaitteiston prosessitekninen mitoitus. Työssä kartoitetaan sovelluskohteeseen sopivimmat kiertoaineet sekä suoritetaan prosessin lämmönsiirtimien ja putkiston lämpö- ja virtaustekninen päämitoitus. Työssä tarkasteltavaksi moottoriksi valittiin Wärtsilä 4R32 – moottori. Laskennat suoritettiin moottorin valmistajan antamien arvojen perusteella. Laskennan perusperiaatteena oli vertailla vesihöyryprosessia ja ORC-prosessia keskilämpötilaisen ahtoilman hyödyntämisessä. Työssä vertailtiin 12 eri kiertoaineen prosessihyötysuhdetta, saatavaa sähkötehoa sekä prosessin painetasoja. Kiertoainevertailun perusteella koelaitteeseen valittiin neljä kohteeseen parhaiten soveltuvinta kiertoainetta, joille mitoitettiin höyrystin, lauhdutin, rekuperaattori ja putkisto. Diplomityön laskennan perusteella tutkimuksen kohteena olleen moottorin sähköntuotannon lisäykseksi saatiin 1,77 %, kun ahtoilman hukkalämpö muunnetaan Rankine-prosessilla sähköksi. Työssä saatiin arvokasta tietoa polttomoottorin ahtoilman hukkalämmön sähköksi muuntamisesta sekä vesihöyryprosessilla, että ORC-prosessilla.

Dieselsähköisen laivan pyörimisnopeussäädettyjen voimansiirtokonseptien mallinnus ja vertailu

Tässä työssä tutkitaan eri voimansiirtokonseptien vaikutusta referenssitapauksen polttomoottorivoimalaitoksen energiatehokkuuteen ja polttoaineenkulutukseen staattisessa tilan-teessa. Referenssitapaukseksi on valittu ulkomerellä toimiva huoltoalus. Työssä esitellään dieselsähköisen laivan voimansiirtokonseptien toteutusvaihtoehtoja ja luodaan katsaus valittuihin generaattoreihin sekä taajuusmuuttajiin. Voimansiirtokonseptien hankintahintaa arvioidaan saatujen hintatietojen ja aikaisempien tutkimusten avulla. Lisäksi konseptien energian- ja polttoaineenkulutusta arvioidaan vuositasolla staattisessa tilanteessa. Perinteiselle kiinteän pyörimisnopeuden toteutukselle löydettiin haastajia sekä konseptien kuluttaman energian, että polttoaineen kannalta tarkasteltuna. Lisäksi työssä muodostetaan referenssialusta vastaava yksinkertainen simulointimalli, jolla voidaan arvioida voimalaitoksen tehohäviöitä sekä polttoaineenkulutusta eri ajotavoilla. Simulointimallilla tutkitaan myös energiavaraston tuomia etuja lisäämällä energiavarasto malliin. Mallia simuloitiin paikoitusajossa ilman energiavarastoa, sekä sen kanssa. Energiavaraston avulla saavutettiin merkittävät polttoainesäästöt.

Control system for forced-air cooling of horticultural products

This work is a study of the implementation of a classical controller using a tuning method referred to as IMC (Internal Model Control) and aimed at the reduction of electrical energy consumption by the appropriate relation between energy consumption and the cooling time with forced air. The supervisory system installed was able to manipulate the variable of frequency of the signal power of the exhaust fan engine (forced air module), to accelerate or decelerate the loss of heat from the product to be cooled by airflow variation that passes through the mass of the produce. The results demonstrated a reduction in energy consumption from 64% and an increase of only 8% in the cooling time to the system using PI/IMC (Proportional - Integral with IMC) tuning method compared with the system in its operating nominal condition. This PI/IMC control may be implemented directly in a frequency converter, without the need to purchase a computer or PLC (programmable logic controller) to run the dedicated application, increasing its economical viability.

System for studies of control strategies applied in the refrigerated chambers

The process of cold storage chambers contributes largely to the quality and longevity of stored products. In recent years, it has been intensified the study of control strategies in order to decrease the temperature change inside the storage chamber and to reduce the electric power consumption. This study has developed a system for data acquisition and process control, in LabVIEW language, to be applied in the cooling system of a refrigerating chamber of 30m³. The use of instrumentation and the application developed fostered the development of scientific experiments, which aimed to study the dynamic behavior of the refrigeration system, compare the performance of control strategies and the heat engine, even due to the controlled temperature, or to the electricity consumption. This system tested the strategies for on-off control, PID and fuzzy. Regarding power consumption, the fuzzy controller showed the best result, saving 10% when compared with other tested strategies.

Microgeneration of electricity with producer gas in dual fuel mode operation

Among the alternatives to meet the increasing of world demand for energy, the use of biomass as energy source is one of the most promising as it contributes to reducing emissions of carbon dioxide in the atmosphere. Gasification is a technological process of biomass energy production of a gaseous biofuel. The fuel gas has a low calorific value that can be used in Diesel engine in dual mode for power generation in isolated communities. This study aimed to evaluate the reduction in the consumption of oil Diesel an engine generator, using gas from gasification of wood. The engine generator brand used was a BRANCO, with direct injection power of 7.36 kW (10 HP) coupled to an electric generator 5.5 kW. Diesel oil mixed with intake air was injected, as the oil was injected via an injector of the engine (dual mode). The fuel gas was produced in a downdraft gasifier. The engine generator was put on load system from 0.5 kW to 3.5 kW through a set of electrical resistances. Diesel oil consumption was measured with a precision scale. It was concluded that the engine converted to dual mode when using the gas for the gasification of wood decreased Diesel consumption by up to 57%.

Fuel consumption of a tractor in function of wear, of ballasting and tire inflation pressure

When using appropriate inflation pressures and load capacity (ballast), it may obtain a higher yield and prolongation of the life of the tire, besides it may minimize the problems of loss of traction, increased slippage and fuel consumption. This study aimed to evaluate the fuel consumption of a tractor operating with new and worn tires in three conditions of ballasting and three inflation pressures, when driving on compacted soil with vegetation cover. The experiment was conducted at the experimental unit from the Department of Animal Science, Federal University of Lavras, state of Minas Gerais, Brazil, in an agricultural soil compacted by cattle trampling and with vegetation cover. It was used a tractor 4x2 with front wheel assist, of a 65.62 kW engine power. The tires were of R1 type, diagonal (front: 12.4 to 24; and rear: 18.4 to 30), the average height of the clutches of the new tires were 0.3 and 0.35 m for front and rear tires, respectively, and for the worn tires were 0.018 and 0.0045 m, for the front and the rear tires, respectively. The results showed advantages for the tractor equipped with new tires.

Energetic efficiency of an agricultural tractor in function of tire inflation pressure

The tire inflation pressure, among other factors, determines the efficiency in which a tractor can exert traction. It was studied the effect of using two tire inflation pressures, 110.4 kPa in the front and rear wheels, 124.2 kPa in the front wheel and 138 kPa in the rear wheels, the energetic efficiency of an agricultural tractor of 147 kW of engine power, in the displacement speed of 6.0 km.h-1, on track with firm surface, with the tractor engine speed of 2000 rpm. For each condition of the tire pressure, the tested tractor was subjected to constant forces in the drawbar of 45 kN and 50 kN, covering 30 meters. It was used a randomized complete block with a 2x2 factorial arrangement (tire pressure and drawbar power) with four replications, totaling 16 experimental units. Data were subjected to analysis of variance, using the Tukey test at 5% probability for comparison averages. The lowest hourly and specific fuel consumption, the lowest slippage of the wheelsets and the highest efficiency in the drawbar was obtained with the tire inflation pressure of 110.4 kPa in the front and rear tires of the tractor, highlighting that lower pressures improve energetic and operational performance of the tractor.

Performance impact of the application of castor oil biodiesel in diesel engines

The use of renewable fuels, such as the biodiesel, can ease the demand of fossil fuel for the power generation and transportation fields in rural area. In this work, the performance impact of the application of castor oil biodiesel is evaluated with an automotive and a stationary diesel engine. The application of B20 and B10 biodiesel blends and pre-heated net biodiesel is considered. The viability of the employment of B10 and B20 blends to mobility and power generation was observed from dynamometric bench tests, where this blends performed similar to fossil diesel. With the pre-heated net biodiesel, however, a brake torque loss and a specific consumption increase were observed with relation to diesel fuel.

Motores de reacción modernos por turbinas de gas

This Bachelor’s thesis investigates the different types of jet engines used nowadays, their performance and applications. The thesis includes a general study of dynamics of fly, engine thermodynamics and contamination.