A three dimensional study of heat transfer in a supercritical circulating fluidized bed combustor

From the boiler design point of view, it is imperative to know and understand the operation of the boiler. Since comprehensive measurement of a large furnace is impossible, the furnace can be modeled in order to study its behavior and phenomena. This requires the used model to be validated to correspond with the physical furnace behavior. In this thesis, a three dimensional furnace model is validated to match a bituminous coal utilizing, supercritical once-through circulating fluidized bed combustor based on measurement data. The validated model is used for analyzing the furnace heat transfer. Other heat transfer analysis methods are energy balance method based on tube surface temperature measurements and a method based on measured temperature difference between the tube crest and the fin. The latter method was developed in the thesis using Fluent-software. In the theory part, literature is reviewed and the fundamental aspects of circulating fluidized bed are discussed. These aspects are solid particle behavior in fluidization known as hydrodynamics, behavior of fuel and combustion and heat transfer. Fundamental aspects of modeling are also presented.

Turbulenttisen putkivirtauksen numeerinen mallinnus.

Numeerisella mallinnuksella on tavoitteena täydentää ja korvata kokeellista tutkimusta. Tässä tutkimuksessa on mallinnettu CFX 4.1- ja CFX 4.2-ohjelmien avulla lämmönsiirtoa putken sisäpinnalla. Virtausaineena putkessa on käytetty vettä ja vesi-monopropyleeniglykoliliuosta. Tarkasteltujen virtaustapausten Reynoldsin luku vaihtelee 200 - 30000. Kun glykolipitoisuus on suuri ja liuoksen lämpötila on pieni virtaus on laminaarista ja tällöin lämmönsiirtymiskerroin on pieni. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Työssä on selvitetty edellytyksiä mallintaa hydraulisesti sileässä putkessa tapahtuvaa virtausta. Reynoldsin luvun ollessa alle 2300 mallinnuksessa on käytetty laminaarimallia. Reynoldsin luvuilla 2300-30000, turbulenttisella alueella, on käytetty pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-mallia. Malli vaatii toimiakseen tiheän laskentaverkon putken seinämän läheisyydessä. Tarkastellulla alueella virtauksen ja lämmönsiirron mallinnuksen tulokset ovat vastaavat kuin teorian perusteella lasketut ja kokeellisista mittauksista saatavat tulokset. Lämmönsiirron tehostamiseksi putkeen on asennettu turbulaattorilanka. Tässä työssä on numeerisin menetelmin (pienten Reynoldsin luvun k-ɛ-malli ja k-ɛ-malli) suoritettu laskentaa yhdellä turbulaattorilankarakenteella. Laskennan vertailuaineistona on käytetty aikaisemmasta kokeellisesta tutkimuksesta saatua mittausdataa. Kokeellisessa tutkimuksessa turbulaattorirakenteena on käytetty putken seinämällä kiertyvää turbulaattorilankaa. Todellinen kolmiulotteinen geometria osoittautui vaikeaksi mallintaa. Toimivaa mallia ei ollut mahdollista toteuttaa aikataulun puitteissa ja mallin laskentakapasiteetin tarve kasvoi liian suureksi. Lankarakenne yksinkertaistettiin tasavälein toistuvaksi riparakenteeksi, joka on helpompi mallintaa aksisymmetriaa käyttäen kaksiulotteisena. Mallin tuloksista painehäviö asettuu kirjallisuudesta saatavan vertailuaineiston kanssa samalle tasolle, mutta lämmönsiirtymiskerroin on vertailuaineistoa huomattavasti suurempi.

Symmetristen komponenttien mallinnus

Tässä insinöörityössä suunniteltiin Helsingin ammattikorkeakoululle jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen symmetristen komponenttien laskutavan havainnollistamiseen sopiva sijaiskytkentä. Sijaiskytkennässä tärkeitä huomioitavia asioita olivat mm. jännitetaso, havainnollistavien muuntajien oikosulkukestoisuus, jatkokäyttö laboratoriotyönä ja yleinen havainnollistavuus. Työssä on aluksi perehdytty symmetristen komponenttien ja jakeluverkoissa tapahtuvien oikosulkujen teoriaan. Tämän jälkeen mitoitettiin tarvittavan kytkennän komponenttien jännite- ja virtakestoisuudet mahdolliset lisäkäytöt huomioiden. Näiden rajoitusten mukaan perusteella työtä ruvettiin toteuttamaan. Työssä tilattiin sähkön 40 V:n pääjännitetasolle alentava muuntaja syöttämään oikosulun kestävää muuntajaa, jolla simuloitiin jakeluverkon yleisimpiä vikatyyppejä. Jälkimmäiselle muuntajalle mitoitettiin ja hankittiin sisäistä impedanssia vastaava induktanssi. Tämän avulla rakennettiin kokonaisuus, jonka avulla voidaan simuloida kaikkia tapahtuvia oikosulkuja vastaavat sijaiskytkennät. Työhön jätettiin kehittämisvaraa ja muita laboratoriotyön rakentamismahdollisuuksia tulevien insinööritöiden tekijöille.

Fysiikka kohtaa biologian - biomateriaalien teoria ja mallinnus

Kirjoitus perustuu esitelmään Tieteen päivillä 8.-12.1.2003.

Ydinvoimalan paineakun mallinnus

Tässä työssä on käytetty VTT:n ja Fortumin kehittämääAPROS simulaatio-ohjelmistoa vesi-ilma -täytteisen paineakun käyttäytymisen tutkimiseen. Tavoitteena oli tarkastella APROSin paineakkumallin käyttäytymistä alhaisessa lämpötilassa käyttäen 6-yhtälömallia sekä rakentaa vaihtoehtoiseksi laskentamenetelmäksi kaksi analyyttistä laskentamallia korvaamaan APROSin sisäinen laskenta. Kyseiset analyyttiset mallit ovat isentrooppinen ja isoterminen ja ne on rakennettu kokonaan käyttäen APROSin omia moduuleja. Työ sisältää APROSin version 5.06 sekä työn aikana kehitetyn kehitysversion vertailut eri alkulämpötiloista alkaneissa paisunnoissa, vertailun Pactelin purkaus¬kokeesta saadulla massavirralla sekä osion, jossa analyyttiset mallit on yhdistetty kokonaiseen Pactelin APROS-malliin. Myös purkauksen kulkeutumista primääripiirissä on tarkasteltu. Simulaatiot vahvistavat, että versiolla 5.06 on vaikeuksia paineen laskennassa, kun paisunnan alkulämpötila on alle 30 ºC. Kehitysversiossa painekäyttäytyminen on selvästi parantunut, mutta versio kärsii ongelmista, jotka liittyvät kaasun lämpötilan painumiseen APROSin sisäisten rajoitusten alapuolelleja tätä kautta ongelmiin materiaali¬ominaisuuksien ennustamisessa. Tämän johdosta APROSin kehitysversio päätyy erilaisiin tuloksiin myös tilanteissa, joissa alkuperäinen 5.06 ei kärsi alhaisen lämpötilan ongelmista. Analyyttisistä malleista isentrooppinen malli päätyy antamaan säännönmukaisesti muita malleja ja versioita alempia paineita. Isoterminen malli sen sijaan näyttää päätyvän version 5.06 kanssa melko samankaltaisiin tuloksiin. On kuitenkin muistettava, että kummatkin analyyttiset mallit olettavat kaasun olevan kuivaa ja jättävät massasiirron faasien välillä kokonaan huomiotta.

Ilmavirtausten laskennallinen mallinnus

Diplomityössä tutkitaan kolmea erilaista virtausongelmaa CFD-mallinnuksella. Yhteistä näille ongelmille on virtaavana aineena oleva ilma. Lisäksi tapausten perinteinen mittaus on erittäin vaikeaa tai mahdotonta. Ensimmäinen tutkimusongelma on tarrapaperirainan kuivain, jonka tuotantomäärä halutaan nostaa kaksinkertaiseksi. Tämä vaatii kuivatustehon kaksinkertaistamista, koska rainan viipymäaika kuivausalueella puolittuu. Laskentayhtälöillä ja CFD-mallinnuksella tutkitaan puhallussuihkun nopeuden ja lämpötilan muutoksien vaikutusta rainan pinnan lämmön- ja massansiirtokertoimiin. Tuloksena saadaan varioitujen suureiden sekä massan- ja lämmönsiirtokertoimien välille riippuvuuskäyrät, joiden perusteella kuivain voidaan säätää parhaallamahdollisella tavalla. Toinen ongelma käsittelee suunnitteilla olevan kuparikonvertterin sekundaarihuuvan sieppausasteen optimointia. Ilman parannustoimenpiteitä käännetyn konvertterin päästöistä suurin osa karkaa ohi sekundaarihuuvan. Tilannetta tutkitaan konvertterissa syntyvän konvektiivisen nostevirtauksen eli päästöpluumin sekä erilaisten puhallussuihkuratkaisujen CFD-mallinnuksella. Tuloksena saadaan puhallussuihkuilla päästöpluumia poikkeuttava ilmaverho. Suurin osa nousevasta päästöpluumista indusoituu ilmaverhoon ja kulkeutuu poistokanavaan. Kolmas tutkittava kohde on suunnitteilla oleva kuparielektrolyysihalli, jossa ilmanvaihtoperiaatteena on luonnollinen ilmanvaihto ja mekaaninen happosumun keräysjärjestelmä. Ilmanvaihtosysteemin tehokkuus ja sisäilman virtaukset halutaan selvittää ennen hallin rakentamista. CFD-mallinnuksella ja laskentayhtälöillä tutkitaan lämpötila- ja virtauskentät sekä hallin läpi virtaava ilmamäärä ja ilmanvaihtoaste. Tulo- ja poistoilma-aukkojen mitoitukseen ja sijoitukseen liittyvät suunnitteluarvot varmennetaan sekä löydetään ilmanvaihdon ongelmakohdat. Ongelmakohtia tutkitaan ja niille esitetään parannusehdotukset.

Optinen kolmiulotteinen mittaus ohutlevytuotteiden laadunvalvonnassa

Ohutlevyteollisuuden markkinatilanne on muuttunut, kun tuotantomäärät ovat kasvaneet, laatuvaatimukset tiukentuneet ja markkinat globalisoituneet. Konenäön avulla on mahdollista tehostaa laadunvalvontaa, jolloin virheet voidaan havaita nopeammin ja siten säästää tuotantokustannuksissa. Muotoiltujen ohutlevyosien tarkastamiseksi tarvitaan kolmiulotteisia mittausmenetelmiä, joilla pystytään varsin nopeasti ja tarkasti analysoimaan kappaleita. Erityisesti fotogrammetriaan perustuvaa rakenteista valoa on sovellettu erilaisissa mittalaitteissa, ja menetelmä on myös varsin joustava sekä edullinen käyttää. Fotogrammetriaan ja rakenteiseen valoon perustuvista mittalaitteista valittiin arvioitavaksi Mapvision 4D. Testeissä tutkittiin laitteen tarkkuutta, nopeutta ja soveltuvuutta teollisuusympäristöön sekä erityisesti taivutuskulmien, reikien halkaisijoidenja etäisyyksien mittaamista. Sovittamalla mitattu data CAD-malliin pystytään kappaleen mitoitus tarkastamaan vaaditulla 0,1 millimetrin tarkkuudella. Testitulosten perusteella voidaan todeta sekä mittalaitteen että mittausmenetelmän soveltuvan ohutlevykappaleiden laadunvalvontaan, kunhan reunojen määrityksessä esiintyvä säännöllinen epätarkkuus otetaan huomioon.

Rasvaisten ja öljyisten jätevesien biologisen puhdistuksen mallinnus

Työn kirjallisuusosassa on tarkasteltu rasvaistenjätevesien puhdistuksessa käytettyjä perinteisiä käsittelymenetelmiä ja ultrasuodatusta. Perinteisiä rasvaisten jätevesien käsittelymenetelmiä ovat muun muassalaskeutus, flotaatio, hydrosykloni, pisarakoon kasvattaminen suodatus sekä biologinen käsittely. Lisäksi happohydrolyysia voidaan soveltaa edellä mainittujen menetelmien esikäsittelynä. Perinteisten puhdistusmenetelmien käyttöä rajoittavatniiden tehottomuus emulgoituneen ja liukoisen öljyn poistossa. Tämä sekä kiristyneet päästövaatimukset ja kalvotekniikan nopea kehittyminen ovat lisänneet kiinnostusta kalvotekniikkaan. Työn soveltavassa osassa on tarkasteltu rasvojen mahdollisesti aiheuttamia ongelmia Porvoon jalostamon kemiallisessa ja biologisessa puhdistuksessa. Rasvaisia jätevesiä muodostuu biodieselin valmistuksessa, jossa rasvoja käytetään syöttöaineena. Vertailtaessa jalostamon vesilaitoksen nykyisiä olosuhteita ja rasvojen käsittelyn vaatimia olosuhteita havaitaan, että optimiolosuhteet ovat melko lähellä toisiaan ja rasvaisten jätevesien mukana tulevat fosfori-, typpi- ja COD-kuormat melko pieniä. Suurimmat mahdolliset rasvojen aiheuttamat ongelmat syntyvät aktiivilietelaitoksella, jossa kevyt pinnalle nouseva rasva nostaa mukanaan lietettä. Rasvat ja rasvahapot myös lisäävät rihmamaisten bakteerien kasvua, joiden runsas esiintyminen aiheuttaa huonosti laskeutuvaa lietettä, eli paisuntalietettä. Rasvaisten vesien aiheuttamaa kuormitusta aktiivilieteprosessiin on tarkasteltu Activated sludge Model No. 3:n ja bio-P fosforin poisto moduuliin pohjautuvan Excel-taulukkolaskentamallin avulla. Pohjana työssä on käytetty Tuomo Hillin vuonna 2002 diplomityönä tekemää taulukkolaskentamallia. Työssä on esitelty kaikki mallin kannalta oleelliset yhtälöt ja parametrit. Tämän tutkimuksen perusteella mallin käytettävyyttä rajoittaa se, että sitä ei ole kalibroitu Porvoon jalostamolle. Kalibroimattomalla mallilla voidaan saada vain suuntaa antavia tuloksia.

Aktiivisten magneettilaakereiden tilasäädön mallinnus ja simulointi

Aktiivisten magneettilaakereiden avulla on mahdollista kannatella ferromagneettisia kappaleita, kuten sähkökoneiden roottoreita, ilman fyysistä kontaktia. Magneettilaakerit tarjoavat monia etuja, kuten esimerkiksi kitkattomuuden, verrattuina perinteisiin mekaanisiin laakereihin. Nämä edut vielä korostuvat suurnopeuskäytöissä, jotka ovat magneettilaakereiden pääasiallisia käyttökohteita. Tässä työssä esitellään magneettilaakereihin liittyvät erusteoriat ja niiden sovellustavat. Tämän jälkeen tarkastellaanmagneettilaakereiden kanssa käytettäviä säätöratkaisuja ja esitetään niille soveltuvat viritysmenetelmät. Teorioiden pohjalta rakennetaan täydellinen magneettilaakerijärjestelmän simulointimalli säätöratkaisuineen ja suoritetaan järjestelmän toimintaa kuvaavia simulointeja. Simuloinneissa saadut tulokset pyritään vielä varmentamaan suorittamalla mittauksia koelaitteistolla ja vertaamalla saatuja tuloksia keskenään.

Modelling the Knowledge Interface between Sales and Production Functions of a Company. Case: New Service Development Process.

Yrityksen sisäisten rajapintojen tunteminen mahdollistaa tiedonvaihdon hallinnan läpi organisaation. Idean muokkaaminen kannattavaksi innovaatioksi edellyttää organisaation eri osien läpi kulkevaa saumatonta prosessiketjua sekä tietovirtaa. Tutkielman tavoitteena oli mallintaa organisaation kahden toiminnallisesti erilaisen osan välinen tiedon vaihto. Tiedon vaihto kuvattiin rajapintana, tietoliittymänä. Kolmiulotteinen organisaatiomalli muodosti tutkimuksen pääteorian. Se kytkettiin yrityksen tuotanto- ja myyntiosiin, kuten myös BestServ-projektin kehittämään uuteen palvelujen kehittämisen prosessiin. Uutta palvelujen kehittämisen prosessia laajennettiin ISO/IEC 15288 standardin kuvaamalla prosessimallilla. Yritysarkkitehtuurikehikoita käytettiin mallintamisen perustana. Tietoliittymä nimenä kuvastaa näkemystä siitä, että tieto [tietämys] on olemukseltaan yksilöiden tai ryhmien välistä. Mallinnusmenetelmät eivät kuitenkaan vielä mahdollista tietoon [tietämykseen] liittyvien kaikkien ominaisuuksien mallintamista. Tietoliittymän malli koostuu kolmesta osasta, joista kaksi esitetään graafisessa muodossa ja yksi taulukkona. Mallia voidaan käyttää itsenäisesti tai osana yritysarkkitehtuuria. Teollisessa palveluliiketoiminnassa sekä tietoliittymän mallinnusmenetelmä että sillä luotu malli voivat auttaa konepajateollisuuden yritystä ymmärtämään yrityksen kehittämistarpeet ja -kohteet, kun se haluaa palvelujen tuottamisella suuremman roolin asiakasyrityksen liiketoiminnassa. Tietoliittymän mallia voidaan käyttää apuna organisaation tietovarannon ja tietämyksen mallintamisessa sekä hallinnassa ja näin pyrkiä yhdistämään ne yrityksen strategiaa palvelevaksi kokonaisuudeksi. Tietoliittymän mallinnus tarjoaa tietojohtamisen kauppatieteelliselle tutkimukselle menetelmällisyyden tutkia innovaatioiden hallintaa sekä organisaation uudistumiskykyä. Kumpikin tutkimusalue tarvitsevat tarkempaa tietoa ja mahdollisuuksia hallita tietovirtoja, tiedon vaihtoa sekä organisaation tietovarannon käyttöä.

Rullaussylinterin ja painotelan mallinnus kiinnirullaimen simulointiin

Diplomityössä tutkitaan kaupallisen simulointiohjelmiston soveltuvuutta nykyaikaisen kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kiinnostuksen kohteena on erityisesti kahden telan välinen nippi, sekä siinä tapahtuvat värähtelyt. Työssä mallinnetaan rullaussylinterin ja telapainolaitteen simulointimallit. Rullaussylinterin simulointimalli yhdistetään Lappeenrannan teknillisessä korkeakoulussa mallinnettuun tampuuritelan simulointimalliin, jolloin nippikontaktin tutkiminen on mahdollista. Simuloituja tuloksia verrataan todellisella laitteella tehtyihin mittauksiin sekä elementtimenetelmällä laskettuihin tuloksiin. Diplomityön mekaniikka mallinnetaan ADAMS-ohjelmistossa monikappaledynamiikan keinoin. Toimilaitteiden sekä säätöjärjestelmien kuvaukseen käytetään MATLAB Simulink-ohjelmistoa. Telojen joustavuuden mallinnuksessa käytetään hyväksi keskittyneiden massojen periaatetta. Järjestelmän hydraulipiirit mallinnetaan keskittyneiden paineiden teorian mukaisesti ja toimilaitteiden mallinnuksessa käytetään puoliempiiristä mallinnustekniikkaa. Työssä havaitaan monikappaledynamiikan soveltuvan kiinnirullaimen dynamiikan tutkimiseen. Kahden diplomityön tuloksena laaditun nippimallin avulla voidaan kuvata rullaustapahtumassa vaikuttavat voimat oikein. Värähtelymittausten perusteella voidaan tehdä karkeita johtopäätöksiä, mallin toimivuuden arvioimiseksi värähtelyjen kuvaamisessa, joskin mallin havaitaan vaativan lisätutkimusta ja kehitystyötä.

Tahtikoneen magnetointijärjestelmän mallinnus

Sähköisesti magnetoidut tahtikoneet voidaan jakaa magnetointimenetelmiensä perusteella hiiliharjallisiin ja -harjattomiin. Magnetointitavan määrää sovelluskohde. Hiiliharjallinen magnetointi soveltuu dynaamisesti vaativiin käyttöihin, kun taas harjaton magnetointi puolestaan vaatii vähemmän huoltoa. Hiiliharjallinen magnetointijärjestelmä koostuu syöttävästä verkosta, kolmivaiheisesta tasasuuntaavasta tyristorisillasta ja hiiliharjoista sekä napakäämivirran säätöjärjestelmästä. Harjaton järjestelmä koostuu syöttävästä verkosta, magnetointikonetta ohjaavasta tehoasteesta, magnetointikoneesta ja tasasuuntaavasta diodisillasta sekä napakäämivirran säätöjärjestelmästä. Tehoasteena käytetään vastarinnankytkettyjä tyristoripareja ja magnetointikoneena tahtikoneen akselille liitettyä epätahtikonetta. Työssä on laadittu mallit sekä harjalliselle että harjattomalle järjestelmälle. Malleissa on käytetty tilakoneita kuvaamaan järjestelmien epälineaaristen osien toimintaa. Magnetointijärjestelmien mallit on liitetty osiksi laajempaa tahtikoneen toimintaa kuvaavaa mallia.

Päällystävän paperikoneen vesikiertojen mallinnus

Työssä mallinnettiin kevyesti päällystettyjä aikakauslehtipapereita valmistavan paperikoneen vesikierrot Balas-ohjelman avulla. Mallin avulla selvitettiin paperikoneelle suunniteltujen muutosten vaikutuksia haitallisten aineiden tasoihin, muihin mallinnettuihin parametreihin ja vedenkulutukseen. Mallin luotettavuutta testattiin käytännössä tehdyillä muutoksilla. Vesinäytteistä haitallisina aineina tarkasteltiin lipofiilisten uuteaineiden, kalsiumin, alumiinin, raudan, piin ja sulfaatin pitoisuuksia. Pohjapaperinäytteistä määritettiin lipofiilisten uuteaineiden sekä kalsiumin ja alumiinin pitoisuudet. Paperikoneelle suunniteltuja muutoksia olivat kiekkosuodattimien kirkkaan suodoksen käyttö viiraosan suihkuvetenä ja päällystyksen yhteydessä syntyvän pastajätteen käyttö pohjapaperin täyteaineena. Kirkkaan suodoksen käytön lisäämisellä pyrittiin vähentämään raakaveden käyttöä. Pastajäte sisältää arvokkaita raaka-aineita, jotka kannattaisi hyödyntää paperitehtaalla. Nykyisin pastajäte kuljetetaan läjitysalueelle. Balas-mallin todettiin mallintavan melko luotettavasti liuenneiden haitallisten aineiden pitoisuuksien sekä muista parametreista muun muassa sakeuden ja tuhkapitoisuuden muutoksia. Pastajätteen palautuksen mallinnuksessa haitallisten aineiden pitoisuudet laskivat prosessissa. Tämä toteutui koeajossa, koska jätepastasta suurin osa oli vettä, joka huuhtoi prosessia. Kirkkaan suodoksen käyttö suihkuvetenä ei nostanut epäorgaanisten haitallisten aineiden pitoisuuksia niin paljon kuin malli ennusti. Todennäköisesti haitalliset aineet saostuivat tai poistuivat tuotteen mukana prosessista. Kirkassuodos-koeajon aikana otetussa pohjapaperinäytteessä kiinteän kalsiumin pitoisuus oli 40 % ja kiinteän alumiinin pitoisuus 11 % korkeampi mutta uuteaineiden pitoisuus 20 % alhaisempi kuin referenssipohjapaperissa.