Fundamentals of heat transfer

Following over 170+ pages and additional appendixes are formed based on content of Course: Fundamentals of Heat Transfer. Mainly this summarizes relevant parts on Book of Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), but also other references introducing the same concepts are included. Student’s point of view has been consideredwith following highlights: (1) Relevant topics are presented in a nutshell to provide fast digestion of principles of heat transfer. (2) Appendixes include terminology dictionary. (3) Totally 22 illustrating examples are connecting theory to practical applications and quantifying heat transfer to understandable forms as: temperatures, heat transfer rates, heat fluxes, resistances and etc. (4) Most important Learning outcomes are presented for each topic separately. The Book, Fundamentals of Heat and Mass Transfer (Incropera), is certainly recommended for those going beyond basic knowledge of heat transfer. Lecture Notes consists of four primary content-wise objectives: (1) Give understanding to physical mechanisms of heat transfer, (2)Present basic concepts and terminology relevant for conduction, convection and radiation (3) Introduce thermal performance analysis methods for steady state and transient conduction systems. (4) Provide fast-to-digest phenomenological understanding required for basic design of thermal models

Theoretical Analysis and Numerical Simulation of Spectral Radiative Properties of Combustion Gases in Oxy/Air-Fired Combustion Systems

Energy efficiency is one of the major objectives which should be achieved in order to implement the limited energy resources of the world in a sustainable way. Since radiative heat transfer is the dominant heat transfer mechanism in most of fossil fuel combustion systems, more accurate insight and models may cause improvement in the energy efficiency of the new designed combustion systems. The radiative properties of combustion gases are highly wavelength dependent. Better models for calculating the radiative properties of combustion gases are highly required in the modeling of large scale industrial combustion systems. With detailed knowledge of spectral radiative properties of gases, the modeling of combustion processes in the different applications can be more accurate. In order to propose a new method for effective non gray modeling of radiative heat transfer in combustion systems, different models for the spectral properties of gases including SNBM, EWBM, and WSGGM have been studied in this research. Using this detailed analysis of different approaches, the thesis presents new methods for gray and non gray radiative heat transfer modeling in homogeneous and inhomogeneous H2O–CO2 mixtures at atmospheric pressure. The proposed method is able to support the modeling of a wide range of combustion systems including the oxy-fired combustion scenario. The new methods are based on implementing some pre-obtained correlations for the total emissivity and band absorption coefficient of H2O–CO2 mixtures in different temperatures, gas compositions, and optical path lengths. They can be easily used within any commercial CFD software for radiative heat transfer modeling resulting in more accurate, simple, and fast calculations. The new methods were successfully used in CFD modeling by applying them to industrial scale backpass channel under oxy-fired conditions. The developed approaches are more accurate compared with other methods; moreover, they can provide complete explanation and detailed analysis of the radiation heat transfer in different systems under different combustion conditions. The methods were verified by applying them to some benchmarks, and they showed a good level of accuracy and computational speed compared to other methods. Furthermore, the implementation of the suggested banded approach in CFD software is very easy and straightforward.

Mädätys- ja kompostointilaitoshankkeen teknis-taloudellinen vertailu Lakeuden Ympäristöhuollossa

Työssä selvitettiin teknis-taloudellisen vaihtoehto Lakeuden Ympäristöhuollon keräämän biojätteen ja Seinäjoen lähialueella syntyvän hevosenlannan käsittelyyn. Nykyisin Lakeuden Ympäristöhuolto Oy:n keräämä biojäte kuljetetaan paikallisen jätehuoltoyhti-ön biokaasulaitokseen ja hevosenlantaa ei alueelta vielä kerätä olleenkaan. Työn lähtö-kohtana oli vertailla mahdollisesti rakennettavan oman biokaasulaitoksen ja rumpu-kompostointilaitoksen kannattavuutta toisiinsa. Kannattavuuden laskennassa käytettiin annuiteettimenetelmää. Työn kirjallisuusosiossa kerrotaan eloperäisten jätteiden ominaisuuksista mädätyksen ja kompostoinnin kannalta, mädätys- ja kompostointiprosessista, mädätys- ja kompostoin-titekniikoista sekä menetelmien eduista sekä haitoista. Työssä perehdyttiin myös mädä-tyksen ja kompostoinnin lopputuotteiden hyödyntämiseen. Vaihtoehtojen vaertailussa kumpikaan hankkeista ei ollut taloudellisesti kannattava. Vaikka prosesseihin saataisiin nykyään kerättävän biojätteen määrän lisäksi 2000 tonnia hevosenlantaa, se ei tee hankkeista kannattavia. Edes herkkyystarkastelussa laskettu korkeampi hevosenlannan porttimaksun määrä ei vaikuttanut kannattavuuteen. Lakeuden Ympäristöhuollon näin ollen on viisainta olla investoimatta kumpaakaan hankkeeseen.

Utilization of non ferrous metals in boiler combustion environment

The made research is focused on possibility of application of non ferrous metals in boiler pressure parts as a substitute of currently used ferrous-base alloys. The main issue was to define resistive ability of some perspective non ferrous metals to chlorine induced corrosion. Experimental study was performed using simultaneous thermal analysis (STA) in the temperature range of 400-700 °C. The chloride induced corrosion was simulated by mixtures of metal samples with potassium chloride treated by synthetic air. The advantage of synergetic effect of non ferrous alloys compare to single metals is shown due to the obtained data from conducted thermal balance tests.

Mädätysjäännöksen rakeistus, terminen kuivaus ja energiahyötykäyttö

Tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa alueellisen jäteyhtiön Kymenlaakson Jäte Oy:n mahdollisuuksia rakeistaa ja termisesti kuivata mekaanisesti kuivattua mädätysjäännöstä sekä mahdollisuuksia toimittaa termisesti kuivattua materiaalia energiahyötykäyttöön. Tutkimuksessa selvitettiin myös kokemuksia lattialämmityksen käyttämisestä mädätysjäännöksen kuivaukseen. Tutkimuksessa perehdyttiin erilaisiin rakeistus- ja kuivausmenetelmiin sekä termisen kuivurin valintaan vaikuttaviin asioihin. Kuvaukset perustuvat kirjallisuudesta ja internetistä saatuihin tietoihin. Tekniikkakuvausten pohjalta lähdettiin kyselemään tarjouksia termisiä kuivauslaitteistoja myyviltä yrityksiltä. Tarjoukset pyydettiin kuiva-ainepitoisuuden muutokselle 30 %:sta 90 %:iin ja oletettiin, että kuivaukseen on käytettävissä lämpöä viideltä kaatopaikkakaasua käyttävältä mikroturbiinilta. Tutkimuksen aikana saatiin tarjous kuudelta yritykseltä. Saadut tarjoukset esiteltiin tiivistetysti raportissa ja kokonaisuudessaan ne sisällytettiin Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Yritykset antoivat hyvin erilaisia tietoja siitä, mitä tarjoukseen sisältyy, joten tarjoukset eivät olleet suoraan vertailukelpoisia. Tarjouksista myös havaittiin, että jos Mäkikylän biokaasulaitokselta vastaanotettaisiin enimmäismäärä (19 500 t/a) mädätysjäännöstä, mikroturbiineilta saatava lämpömäärä ei riittäisi kuivaamaan kaikkea mädätysjäännöstä 90 % kuiva-ainepitoisuuteen. Tutkimuksen aikana huomattiin myös, että sitovan tarjouksen saamiseksi mädätysjäännös tulee toimittaa testattavaksi, jolloin saadaan vahvistus kuivausmenetelmän soveltuvuudesta kyseiselle materiaalille. Tutkimuksessa selvitettiin myös, minkälaisia kokemuksia löytyy lattialämmityksen käyttämisestä kuivaukseen niin Suomesta kuin maailmalta ja voiko menetelmää käyttää mädätysjäännöksen kuivaukseen. Kyseistä menetelmää on käytetty tehostamaan aurinkokuivausta, joten tutkimuksen aikana perehdyttiin erityisesti aurinkokuivaukseen liittyviin tieteellisiin artikkeleihin. Lattialämmityksen käytöstä löytyi niin heikkouksia kuin vahvuuksia. Suomessa aurinkokuivauksen ja lattialämmityksen yhdistelmä ei ole kuitenkaan päätynyt laajaan käyttöön ja syynä voidaan nähdä muun muassa kylmät ja pimeät vuodenajat sekä suuri pinta-alan tarve. Tutkimusraportissa selvitettiin lisäksi polttolaitosten edustajien kiinnostusta ja rajoituksia ottaa vastaan termisesti kuivattua mädätysjäännöstä. Tutkimuksen aikana otettiin yhteyttä alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä sijaitsevien jätteenpolttoluvan omaavien yritysten edustajiin. Saatuja vastauksia käsiteltiin tiivistetysti raportissa ja vastaukset sisällytettiin kokonaisuudessaan Kymenlaakson Jäte Oy:n laajempaan raporttiin, joka ei ole julkinen. Puhelinhaastattelujen pohjalta nähtiin, että yrityksillä on kiinnostusta materiaalia kohtaan, mutta samalla vastauksiin vaikuttavat mädätysjäännöksen analyysitulokset. Poltto-ominaisuuksiin liittyvät analyysit tullaan toteuttamaan vuoden 2012 aikana. Laitoksilla oli myös vaihtelevia rajoituksia materiaalia kohtaan, mutta analyysituloksista riippuen materiaalia voidaan hyödyntää energiana tuhansia tai jopa kymmeniä tuhansia tonneja vuodessa alle 100 km etäisyydellä Kymenlaakson Jäte Oy:stä.

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.

Vesihöyrypiirin kiertolaskenta kuplapetikattilassa

Työssä selvitetään kiertolaskennan periaatteita kuplapetikattilassa, esitetään lyhyesti kattilan toimintaperiaate ja paneudutaan alan laskentaohjelmistoihin. Luonnonkierto kattilan vesihöyrypiirissä on seurausta hydrostaattisesta paineesta, joka aiheutuu tiheyserosta nousu- ja laskuputkien välillä. Kiertolaskennassa on huomioitava kaksifaasivirtauksen ominaispiirteet. Höyry ja neste virtaavat putkistossa eri nopeuksilla, jolloin esimerkiksi painehäviön määrityksessä käytetään erilaisia korrelaatioita ja käyrästöjä. Kaksifaasivirtauksen laskennassa tarvitaan kolmea eri taseyhtälöä: energiatasetta, massatasetta ja liikemäärätasetta. Luonnonkiertokattiloissa höyrykierron suunnittelussa on kaksi pääasiallista ehtoa. Ensimmäiseksi tulee varmistaa riittävä kiertoveden massavirta, jotta vältetään höyrystinputkien puhki palaminen. Toiseksi tulee välttää höyrystinputken pinnan lämpötilavaihteluita ja värähtelyitä. Alustavassa luonnonkierron mitoituksessa turvaudutaan kokemusperäiseen tietoon. Myöhemmässä tarkemmassa mitoituksessa käytettäviä ohjelmistoja ovat NOWA sekä kaupalliset PPSD ja Apros. Laskenta lähtee liikkeelle siitä, että lasketaan ensin vesihöyrykierron massavirrat erilaisilla lämpökuormilla ja höyryntuotanto määritellään painehäviöiden perusteella. NOWA- ja PPSD- ohjelmistoilla tehtyjen esimerkkilaskelmien perusteella voidaan sanoa, että tulokset riippuvat käytetystä laskentamallista.

Sähkögeneraattoriosien hitsauksen tuottavuuden kehittäminen

Hitsauksen tuottavuuteen vaikuttavat hitsausmäärä, käytetyt prosessit ja laatu. Työn teoriaosuudessa tutustutaan hitsauksen tuottavuuteen sekä suunnittelullisesta että valmistuksellisesta näkökulmasta. Hitsauksen laadulliset asiat, kuten laatustandardit ja vaatimukset käydään läpi keskittyen standardin SFS-EN ISO 3834 kattaviin laatuvaatimuksiin. Rikkomaton ja rikkova aineenkoetus ja yleisimmät hitsausvirheet esitetään yleisellä tasolla. Hitsausprosesseista esitetään MIG/MAG- ja MAG-täytelankahitsauksen sekä pulssihitsauksen perusteet. Tässä diplomityössä tutkitaan pulssihitsauksen soveltuvuutta sähkögeneraattorin staattoripaketin eripariliitoksen hitsaukseen ja kykyä parantaa sekä tuottavuutta että laatua. Tutkimus perustuu koehitsauksiin ja niiden perusteella tehtyihin johtopäätöksiin. Lisäksi pohditaan sisätuulettimien hitsauksen kehittämistä ja annetaan kehitysehdotus valmistusprosessista. Koehitsauksien perusteella pulssihitsaus on hyvä prosessiparannus staattoripakettien hitsaukseen. Kohdistettu valokaari ja alhaisempi lämmöntuonti verrattuna perinteiseen MAG-hitsaukseen sekä hitsauksen yksinkertaisuus tuovat etuja eripariliitoksen hitsauksen laatuun. Kustannuslaskelmien myötä hitsausprosessin muutoksen odotetaan tuovan kustannussäästöjä. Hitsauslaadun parantuessa ja jälkityöstön määrän vähentyessä hitsausprosessin muutos on kannattava.