Virtauslaskentaa ja energia-analyysiä hyödyntävä huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli

Huonetilojen lämpöolosuhteiden hallinta on tärkeä osa talotekniikan suunnittelua. Tavallisesti huonetilan lämpöolosuhteita mallinnetaan menetelmillä, joissa lämpödynamiikkaa lasketaan huoneilmassa yhdessä laskentapisteessä ja rakenteissa seinäkohtaisesti. Tarkastelun kohteena on yleensä vain huoneilman lämpötila. Tämän diplomityön tavoitteena oli kehittää huoneilman lämpöolosuhteiden simulointimalli, jossa rakenteiden lämpödynamiikka lasketaan epästationaarisesti energia-analyysilaskennalla ja huoneilman virtauskenttä mallinnetaan valittuna ajanhetkenä stationaarisesti virtauslaskennalla. Tällöin virtauskentälle saadaan jakaumat suunnittelun kannalta olennaisista suureista, joita tyypillisesti ovat esimerkiksi ilman lämpötila ja nopeus. Simulointimallin laskentatuloksia verrattiin testihuonetiloissa tehtyihin mittauksiin. Tulokset osoittautuivat riittävän tarkoiksi talotekniikan suunnitteluun. Mallilla simuloitiin kaksi huonetilaa, joissa tarvittiin tavallista tarkempaa mallinnusta. Vertailulaskelmia tehtiin eri turbulenssimalleilla, diskretointitarkkuuksilla ja hilatiheyksillä. Simulointitulosten havainnollistamiseksi suunniteltiin asiakastuloste, jossa on esitetty suunnittelun kannalta olennaiset asiat. Simulointimallilla saatiin lisätietoa varsinkin lämpötilakerrostumista, joita tyypillisesti on arvioitu kokemukseen perustuen. Simulointimallin kehityksen taustana käsiteltiin rakennusten sisäilmastoa, lämpöolosuhteita ja laskentamenetelmiä sekä mallinnukseen soveltuvia kaupallisia ohjelmia. Simulointimallilla saadaan entistä tarkempaa ja yksityiskohtaisempaa tietoa lämpöolosuhteiden hallinnan suunnitteluun. Mallin käytön ongelmia ovat vielä virtauslaskennan suuri laskenta-aika, turbulenssin mallinnus, tuloilmalaitteiden reunaehtojen tarkka määritys ja laskennan konvergointi. Kehitetty simulointimalli tarjoaa hyvän perustan virtauslaskenta- ja energia-analyysiohjelmien kehittämiseksi ja yhdistämiseksi käyttäjäystävälliseksi talotekniikan suunnittelutyökaluksi.

Ilmanjaon päätelaitteen virtauskentän mallintaminen

Tässä työssä esitetään tuloilmalaitteen virtausten laskennallinen tarkastelu huonetilassa virtauslaskentaohjelmiston avulla. Tarkastelu suoritetaan kolmiulotteisena sekä isotermisille että termisille tapauksille, jolloin huonetilan joihinkin pintoihin asetetaan lämpövuo ja epäpuhtauslähde. Työn tarkoituksena on arvioida CFX -virtauslaskentaohjelmiston soveltuvuutta huonetilavirtausten mallintamiseen ja tarkastella huonetilan ilmanvaihdon tehokkuutta eri tapauksissa. Arviointi suoritetaan vertaamalla laskentatuloksia mittaustuloksiin. Turbulenssimallien vaikutusta on arvioitu käyttämällä nollan yhtälön ja standardi k-e turbulenssimalleja. CFX:n k-e turbulenssimallilla lasketut nopeuden alenemat eri tilavuusvirroilla vastasivat paremmin mittaustuloksia kuin nollan yhtälön turbulenssimallilla, jolla erot olivat huomattavia. Huonetilan ilmanvaihdon tehokkuus vaihteli suuresti tuloilmalaitteen sijoituspaikan ja lämpövuon mukaan.

Comparação de duas metodologias de amostragem atmosférica com ferramenta estatística não paramétrica

In atmospheric aerosol sampling, it is inevitable that the air that carries particles is in motion, as a result of both externally driven wind and the sucking action of the sampler itself. High or low air flow sampling speeds may lead to significant particle size bias. The objective of this work is the validation of measurements enabling the comparison of species concentration from both air flow sampling techniques. The presence of several outliers and increase of residuals with concentration becomes obvious, requiring non-parametric methods, recommended for the handling of data which may not be normally distributed. This way, conversion factors are obtained for each of the various species under study using Kendall regression.

Diagnostiikkamenetelmät höyrykattilan leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi

Diplomityön tavoitteena oli tutkia höyrykattiloiden leijukerrosten käytettävyysongelmia ja kirjallisuudesta löytyvien diagnostiikkamenetelmien toimivuutta leijukerroksen tilan ja käytettävyysongelmien tunnistamiseksi. Diagnostiikkamenetelmien toimivuutta testattiin VTT:n kiertoleijukoelaitteen prosessimittauksiin perustuen. Analysoinnissa käytettiin prosessimittauksia, jotka ovat yleisesti käytössä energiantuotannon leijukerroskattiloissa. Analysoitavina koeajotapauksina olivat kylmäkokeet partikkelikokojakaumaltaan vaihtelevalle leijutusmateriaalille, tuhkapartikkelien aiheuttama petimateriaalin karkeneminen ja agglomeroituminen, sekä vaihtelevien ajoarvojen vaikutus leijukerroksen hydrodynaamiseen käyttäytymiseen. Kokeellisesta osiosta saaduista tuloksista selvisi leijutusilman tilavuusvirran, petimassan ja partikkelikoon vaikutus analysoitavaan prosessimittaukseen. Tuloksista oli havaittavissa myös kiertävän petimateriaalin ja pohjapedin osuuksien vaikutus mitattuun painesignaaliin. Petipartikkelien agglomeroitumisen ja karkenemisen todettiin lisäävän kiertoleijukoelaitteistossa nousuputken pohjapedin määrää suhteessa kiertävään petimateriaaliin, mikä voitiin havaita painemittauksista.

Comparison of a deterministic and a data driven model to describe MBR fouling

Membrane bioreactors (MBRs) are a combination of activated sludge bioreactors and membrane filtration, enabling high quality effluent with a small footprint. However, they can be beset by fouling, which causes an increase in transmembrane pressure (TMP). Modelling and simulation of changes in TMP could be useful to describe fouling through the identification of the most relevant operating conditions. Using experimental data from a MBR pilot plant operated for 462days, two different models were developed: a deterministic model using activated sludge model n°2d (ASM2d) for the biological component and a resistance in-series model for the filtration component as well as a data-driven model based on multivariable regressions. Once validated, these models were used to describe membrane fouling (as changes in TMP over time) under different operating conditions. The deterministic model performed better at higher temperatures (>20°C), constant operating conditions (DO set-point, membrane air-flow, pH and ORP), and high mixed liquor suspended solids (>6.9gL-1) and flux changes. At low pH (<7) or periods with higher pH changes, the data-driven model was more accurate. Changes in the DO set-point of the aerobic reactor that affected the TMP were also better described by the data-driven model. By combining the use of both models, a better description of fouling can be achieved under different operating conditions

Computational and Experimental Investigation of the Grooved Roll in Paper Machine Environment

In the paper machine, it is not a desired feature for the boundary layer flows in the fabric and the roll surfaces to travel into the closing nips, creating overpressure. In this thesis, the aerodynamic behavior of the grooved roll and smooth rolls is compared in order to understand the nip flow phenomena, which is the main reason why vacuum and grooved roll constructions are designed. A common method to remove the boundary layer flow from the closing nip is to use the vacuum roll construction. The downside of the use of vacuum rolls is high operational costs due to pressure losses in the vacuum roll shell. The deep grooved roll has the same goal, to create a pressure difference over the paper web and keep the paper attached to the roll or fabric surface in the drying pocket of the paper machine. A literature review revealed that the aerodynamic functionality of the grooved roll is not very well known. In this thesis, the aerodynamic functionality of the grooved roll in interaction with a permeable or impermeable wall is studied by varying the groove properties. Computational fluid dynamics simulations are utilized as the research tool. The simulations have been performed with commercial fluid dynamics software, ANSYS Fluent. Simulation results made with 3- and 2-dimensional fluid dynamics models are compared to laboratory scale measurements. The measurements have been made with a grooved roll simulator designed for the research. The variables in the comparison are the paper or fabric wrap angle, surface velocities, groove geometry and wall permeability. Present-day computational and modeling resources limit grooved roll fluid dynamics simulations in the paper machine scale. Based on the analysis of the aerodynamic functionality of the grooved roll, a grooved roll simulation tool is proposed. The smooth roll simulations show that the closing nip pressure does not depend on the length of boundary layer development. The surface velocity increase affects the pressure distribution in the closing and opening nips. The 3D grooved roll model reveals the aerodynamic functionality of the grooved roll. With the optimal groove size it is possible to avoid closing nip overpressure and keep the web attached to the fabric surface in the area of the wrap angle. The groove flow friction and minor losses play a different role when the wrap angle is changed. The proposed 2D grooved roll simulation tool is able to replicate the grooved aerodynamic behavior with reasonable accuracy. A small wrap angle predicts the pressure distribution correctly with the chosen approach for calculating the groove friction losses. With a large wrap angle, the groove friction loss shows too large pressure gradients, and the way of calculating the air flow friction losses in the groove has to be reconsidered. The aerodynamic functionality of the grooved roll is based on minor and viscous losses in the closing and opening nips as well as in the grooves. The proposed 2D grooved roll model is a simplification in order to reduce computational and modeling efforts. The simulation tool makes it possible to simulate complex paper machine constructions in the paper machine scale. In order to use the grooved roll as a replacement for the vacuum roll, the grooved roll properties have to be considered on the basis of the web handling application.

Development of a flotation method for preconcentration-separation of trace amounts of some metal ions in plant tissues prior to their FAAS determinations

An efficient flotation method based on the combination of flame atomic absorption spectrometry (FAAS) and separation and preconcentration step for determination of Cr3+, Cu 2+, Co2+, Ni2+, Zn2+, Cd 2+, Fe3+ and Pb2+ ions in various real samples by the possibility of applying bis(2-hydroxyacetophenone)-1,4-butanediimine (BHABDI) as a new collector was studied. The influence of pH, amount of BHABDI as collector, sample matrix, type and amount of eluting agent, type and amount of surfactant as floating agent, ionic strength and air flow rates i.e. variables affecting the efficiency of the extraction system was evaluated. It is ascertained that metal ions such as iron can be separated simultaneously from matrix in the presence of 0.012 mM ligand, 0.025% (w/v) of CTAB to a test sample of 750 mL at pH 6.5. These ions can be eluted quantitatively with 6 mL of 1.0 mol L-1 HNO3 in methanol which lead to the enrichment factor of 125. The detection limits for analyte ions were in the range of 1.3-2.4 ng mL-1. The method has been successfully applied for determination of trace amounts of ions in various real samples.

Application of response surface methodology to study the biological removal of nitrogen from effluent of cattle slaughterhouse in a sequencing batch reactor

The aim of this study was to evaluate the efficiency of a sequencing batch reactor (SBR) on biological removal of nitrogen from cattle slaughterhouse wastewater by nitrification/denitrification processes. The effects of initial concentration of ammoniacal nitrogen were investigated at 100; 150 and 200 mg L-1 and air flow rate at 0.125; 0.375 and 0.625 L min¹ Lreactor-1 on the nitrogen compounds removal, by a Central Composite Rotational Design (CCRD) configuration. There were variations from 9.2 to 94.9%, 4.0 to 19.6% and 20.8 to 92.0% in the conversion of ammoniacal nitrogen to nitrate and nitrite concentration and removal of total nitrogen, respectively. The increase of air flow rate and decrease of the initial concentration of ammoniacal nitrogen resulted in higher efficiencies of total nitrogen removal, as well as the conversion of ammoniacal nitrogen to nitrate. During the pre-established intervals of this study, the removal and conversion efficiencies of nitrogen compounds above 85% were achieved in air flow rate variations from 0.375 to 0.725 L min-1 Lreactor-1 and initial concentration of ammoniacal nitrogen from 80 to 200 mg L-1. On denitrification process, we obtained efficiencies from 91.5 to 96.9% on the removal of nitrite/nitrate and from 78.3 to 87.9% on the removal of organic matter.

Karbamatsepiinin Haihdutuskiteytys

Haihdutuskiteytyksessä haihdutusolosuhteilla on suuri vaikutus kiteiden muodostumiseen, joten toivottujen kidemuotojen saamiseksi prosessia on hallittava tarkasti. Kandidaatintyön tavoitteena oli tutkia puhtaiden liuottimien ja karbamatsepiiniliuosten haihtumisvuota eri olosuhteissa. Lisäksi tutkittiin kiteytysolosuhteiden vaikutusta karbamatsepiinikiteiden muodostumiseen ja rakenteeseen. Puhtaille liuottimille kokeet suoritettiin ilman virtausnopeudella 0,2 m/s lämpötiloissa 30 ºC, 40 ºC, 50 ºC ja 60 ºC, sekä ilman virtausnopeudella 0,3 m/s lämpötiloissa 40 ºC ja 50 ºC. Karbamatsepiiniliuoksille kokeet suoritettiin ilman virtausnopeudella 0,2 m/s lämpötiloissa 30 ºC ja 60 ºC sekä ilman virtausnopeudella 0,3 m/s lämpötiloissa 40 ºC ja 50 ºC. Haihdutuskiteytys suoritettiin suorakulmaisessa haihdutuskammiossa, jonka toisessa päässä oli tuulettimet virtausnopeuden säätämiseksi. Koehuoneessa vallitsi normaali ilmanpaine, ilman suhteellinen kosteus vaihteli välillä 50–65 % ja huoneen lämpötila välillä 21,2–24,1 ºC. Kuivatut kiteet analysoitiin optisella mikroskoopilla. Kaikista karbamatsepiinin vesiliuoksista kiteytyi dihydraatti-muotoa. Muutokset haihdutusolosuhteissa vaikuttivat selvästi haihtumis-voihin ja muodostuvien kiteiden rakenteeseen.

An artificial neural network model for prediction of quality characteristics of apples during convective dehydration

In this study, the effects of hot-air drying conditions on color, water holding capacity, and total phenolic content of dried apple were investigated using artificial neural network as an intelligent modeling system. After that, a genetic algorithm was used to optimize the drying conditions. Apples were dried at different temperatures (40, 60, and 80 °C) and at three air flow-rates (0.5, 1, and 1.5 m/s). Applying the leave-one-out cross validation methodology, simulated and experimental data were in good agreement presenting an error < 2.4 %. Quality index optimal values were found at 62.9 °C and 1.0 m/s using genetic algorithm.

Drying kinetics of potato pulp waste

Potato pulp waste (PPW) drying was investigated under different experimental conditions (temperatures from 50 to 70 °C and air flow from 0.06 to 0.092 m³ m- 2 s- 1) as a possible way to recover the waste generated by potato chip industries and to select the best-fit model to the experimental results of PPW drying. As a criterion to evaluate the fitting of mathematical models, a method based on the sum of the scores assigned to the four evaluated statistical parameters was used: regression coefficient (R²), relative mean error P (%), root mean square error (RMSE), and reduced chi-square (χ²). The results revealed that temperature and air velocity are important parameters to reduce PPW drying time. The models Midilli and Diffusion had the lowest sum values, i.e., with the best fit to the drying data, satisfactorily representing the drying kinetics of PPW.

Energy efficiency and moisture diffusivity of apple slices during convective drying

Abstract The present study aimed at investigating the influences of drying air temperature and flow rate on energy parameters and dehydration behaviour of apple slices. For this purpose, apple slices were dried in a convective dryer at air temperatures of 50, 60 and 70 °C, and air velocities of 1, 1.5 and 2 m s–1. Dehydration rate increased as the air temperature and flow rate increased from 50 to 70 °C and 1 to 2 m s–1, respectively. The effective moisture diffusivity was determined to be in the range of 6.75×10–10-1.28×10–9 m2 s–1. Results of data analysis showed that the maximum energy consumption (23.94 kW h) belonged to 50 °C and 2 m s–1 and the minimum (13.89 kW h) belonged to 70 °C and 1 m s–1 treatment. Energy efficiency values were in the range of 2.87-9.11%. Moreover, the results indicated that any increment in the air temperature increases thermal and drying efficiencies while any increment in the air flow rate decreases both of them.

Dynamic modeling and simulation of the airflow cleaning device

The objective of the work is to study the flow behavior and to support the design of air cleaner by dynamic simulation.In a paper printing industry, it is necessary to monitor the quality of paper when the paper is being produced. During the production, the quality of the paper can be monitored by camera. Therefore, it is necessary to keep the camera lens clean as wood particles may fall from the paper and lie on the camera lens. In this work, the behavior of the air flow and effect of the airflow on the particles at different inlet angles are simulated. Geometries of a different inlet angles of single-channel and double-channel case were constructed using ANSYS CFD Software. All the simulations were performed in ANSYS Fluent. The simulation results of single-channel and double-channel case revealed significant differences in the behavior of the flow and the particle velocity. The main conclusion from this work are in following. 1) For the single channel case the best angle was 0 degree because in that case, the air flow can keep 60% of the particles away from the lens which would otherwise stay on lens. 2) For the double channel case, the best solution was found when the angle of the first inlet was 0 degree and the angle of second inlet was 45 degree . In that case, the airflow can keep 91% of particles away from the lens which would otherwise stay on lens.

Hakeperävaunun aerodynamiikan parantaminen

Raskaankaluston ajoneuvojen aerodynaaminen kehitys on kulkenut väärään suuntaan jo vuosisadan verran ja niiden muodon määräävä tekijä on kuljetustilan maksimointi ja toi-minnallisuus. Lähiaikoina on astumassa EU:ssa uusi direktiivi voimaan, joka sallii lisämas-san käyttämisen aerodynaamisiin lisäosiin. Työn tarkoituksena on tutkia mahdollisuuksia parantaa hakeperävaunun aerodynamiikkaa yksinkertaisilla lisäosilla. Työ on rajattu koskemaan perävaununetuosaan, -sivuosaan ja -pohjaan. Lisäksi rajoitteita asettaa Suomenlainsäädäntö ja EU:n direktiivit. Työssä perehdytään ilmanvastusvoiman syntymekanismeihin raskaankaluston ajoneuvojen kannalta ja käydään läpi merkittävimmät vaikuttavat tekijät ilmanvastusvoimiin sekä kuorma-auton perävaunun eri muotojen ja osien vaikutus. Perävaunuun asetettavien il-manohjaimien vaikutukset ja toiminta selvitetään. Avainasemassa hakeperävaunun aerodynamiikan parantamisessa on ilmavirtauksen estä-minen perävaunun alle sekä etupuolelta. Lisäksi virtausten muuttamien perävaunun takana on hyödyllistä. Merkittävimmät hyödyt saadaan niistä ratkaisuista, jotka estävät ilman virtausta perävau-nun alle sekä renkaisiin. Näitä ratkaisuja olivat sivuhelmat ja pohjan sekä renkaiden kote-lointi. Lisäksi ilmavirtauksen estäminen perävaunun edestä tuotti merkittävää hyötyä. Levy perävaunun välissä tai koko välin peittämällä saadaan aikaan huomattavaa vähenemistä ilmanvastuksessa.