Kiertoleijupetikattilateknologia ja sen matemaattinen mallinnus energiantuotantoprosessissa

Työn teoreettisessa osuudessa tehdään katsaus kiertoleijupetiteknologian eri osa-alueisiin: leijupedin virtausdynamiikkaan, hiukkaserottimeen ja kiintoaineen palautusmekanismiin. Myös teknologian historiaa ja muita käyttötarkoituksia energiantuotannon ohella käydään läpi. Termodynamiikkaa sekä lämmönsiirron ja voimalaitosprosessien teoriaa käsitellään mallinnuksessa tarvittavilta osin. Mallinnusosiossa käydään läpi kiertoleijupetihöyrykattilan matemaattisen mallin tekoprosessia. Malli perustuu yleisesti saatavilla oleviin yhtälöihin ja korrelaatioihin. Mallintaminen koostuu höyrykattilan jakamisesta lämpöpintoihin ja niiden mitoittamisesta. Mallissa esitetään myös näkemys siitä, miten lämpö siirtyy savukaasuun ja miten petimateriaalin kierto tapahtuu tulipesässä.

1000 V sähkönjakelujärjestelmän teknistaloudellisen kannattavuuden tarkastelu

Tässä työssä tutkitaan 1000 V pienjännitejakelun taloudellista kannattavuutta. Tutkimus perustuu teoreettiseen tarkasteluun, jossa noudatetaan yleisiä verkostosuunnittelun periaatteita. EU-lainsäädäntö mahdollistaa 1000 V pienjänniteportaan sijoittamisen nykyisen keskijänniteverkon ja pienjänniteverkon väliin lisäten kolmannen jakelujänniteportaan nykyään käytettävien 20 kV ja 0,4 kV väliin. Jakeluverkkojen kehittämiseksi on etsittävä ratkaisu, joka on taloudellinen sekä asiakkaiden että verkonhaltijoiden kannalta. Tällaiset ratkaisut pienentävät verkon käytön kokonaiskustannuksia ja parantavat sähkön laatua. Lisättäessä jakeluverkkoon kolmas jänniteporras, keskijänniteverkon johtopituus lyhenee ja varsinkin lyhyiden haarajohtojen määrä vähenee. Tämä vähentää keskijänniteverkossa esiintyvien keskeytysten määrää ja pienentää keskeytyskustannuksia. Kilovoltin järjestelmä on kannattava korvattaessa sillä osa keskijänniteverkkoa, tai estettäessä perinteisellä järjestelmällä tarvittava muuntopiirin jakaminen. Osana varsinaista pienjänniteverkkoa ei kilovoltinjärjestelmä ole kannattava. Tässä työssä kolmijänniteportaista jakeluverkkoa tutkitaan teoreettisilla verkkosuunnitelmilla, joita tehdään muutamille perusverkkotopologioille. Taloudellista kannattavuutta tutkitaan vertaamalla perinteistä kaksijänniteportaista ja kolmijänniteportaista verkkoratkaisua kustannusten suhteen teknisten reunaehtojen puitteissa. 1000 V pienjännitejakelu vaatii uudenlaisia verkostokomponentteja. Näistä on erityisesti käsitelty 1/0,4 kV pienjännitemuuntajaa. Muuntajasuunnittelun lähtökohtana on 1000 V verkon käyttäminen keskijänniteverkon jatkeena maasta erotettuna verkkona.

Kinetics of selective oxidation of lactose to lactobionic acid over Pd-active carbon catalyst

Laktoosi eli maitosokeri on tärkein ainesosa useimpien nisäkkäiden tuottamassa maidossa. Sitä erotetaan herasta, juustosta ja maidosta. Laktoosia käytetään elintarvike- ja lääketeollisuuden raaka-aineena monissaeri tuotteissa. Lääketeollisuudessa laktoosia käytetään esimerkiksi tablettien täyteaineena. Hapettamalla laktoosia voidaan valmistaa laktobionihappoa, 2-keto-laktobionihappoa ja laktuloosia. Laktobionihappoa käytetään biohajoavien pintojen ja kosmetiikkatuotteiden valmistuksessa, sekä sisäelinten säilöntäliuoksissa, joissa laktobionihappo estää happiradikaalien aiheuttamien kudosvaurioiden syntymistä. Tässä työssä laktoosia hapetettiin laktobionihapoksi sekoittimella varustetussa laboratoriomittakaavaisessa panosreaktorissa käyttäenkatalyyttinä palladiumia aktiivihiilellä. Muutamissa kokeissa katalyytin promoottorina käytettiin vismuttia, joka hidastaa katalyytin deaktivoitumista. Työn tarkoituksena oli saada lisää tietoa laktoosin hapettamisen kinetiikasta. Laktoosin hapettumisessa laktobionihapoksi havaittiin selektiivisyyteen vaikuttavan muunmuassa reaktiolämpötila, paine, pH ja käytetyn katalyytin määrä. Katalyyttiä kierrättämällä eri kokeiden välillä saatiin paremmat konversiot, selektiivisyydet ja saannot. Parhaat koetulokset saatiin hapetettaessa synteettisellä ilmalla 60 oC lämpötilassa ja 1 bar paineessa. Tehdyissä kokeissa pH:n säätö tehtiin manuaalisesti, joten pH ei pysynyt koko ajan haluttuna. Laktoosin konversio oli parhaimmillaan 95 %. Laktobionihapon suhteellinen selektiivisyys oli 100% ja suhteellinen saanto 100 %. Kinetiikan matemaattinen mallinnus tehtiin Modest-ohjelmalla käyttäen kokeista saatuja mittaustuloksia.Ohjelman avulla estimoitiin parametreja ja saatiin matemaattinen malli reaktorille. Tässä työssä tehtiin kineettinen mallinnus myös ravistelureaktorissa tehdyille laktoosin hapetuskokeille, missä pH pysyi koko ajan haluttuna 'in-situ' titrauksen avulla. Työn yhteydessä selvitettiin myös mahdollisuutta käyttää monoliittikatalyyttejä laktoosin hapetusreaktiossa.

Utilisation of Statistics in Intelligent Web Applications

Web-portaalien aiheenmukaista luokittelua voidaan hyödyntää tunnistamaan käyttäjän kiinnostuksen kohteet keräämällä tilastotietoa hänen selaustottumuksistaan eri kategorioissa. Tämä diplomityö käsittelee web-sovelluksien osa-alueita, joissa kerättyä tilastotietoa voidaan hyödyntää personalisoinnissa. Yleisperiaatteet sisällön personalisoinnista, Internet-mainostamisesta ja tiedonhausta selitetään matemaattisia malleja käyttäen. Lisäksi työssä kuvaillaan yleisluontoiset ominaisuudet web-portaaleista sekä tilastotiedon keräämiseen liittyvät seikat.

Kalman Filtering in Online Paper Quality Assessment

Controlling the quality variables (such as basis weight, moisture etc.) is a vital part of making top quality paper or board. In this thesis, an advanced data assimilation tool is applied to the quality control system (QCS) of a paper or board machine. The functionality of the QCS is based on quality observations that are measured with a traversing scanner making a zigzag path. The basic idea is the following: The measured quality variable has to be separated into its machine direction (MD) and cross direction (CD) variations due to the fact that the QCS works separately in MD and CD. Traditionally this is done simply by assuming one scan of the zigzag path to be the CD profile and its mean value to be one point of the MD trend. In this thesis, a more advanced method is introduced. The fundamental idea is to use the signals’ frequency components to represent the variation in both CD and MD. To be able to get to the frequency domain, the Fourier transform is utilized. The frequency domain, that is, the Fourier components are then used as a state vector in a Kalman filter. The Kalman filter is a widely used data assimilation tool to combine noisy observations with a model. The observations here refer to the quality measurements and the model to the Fourier frequency components. By implementing the two dimensional Fourier transform into the Kalman filter, we get an advanced tool for the separation of CD and MD components in total variation or, to be more general, for data assimilation. A piece of a paper roll is analyzed and this tool is applied to model the dataset. As a result, it is clear that the Kalman filter algorithm is able to reconstruct the main features of the dataset from a zigzag path. Although the results are made with a very short sample of paper roll, it seems that this method has great potential to be used later on as a part of the quality control system.

[Uusia kirjoja]

Kirjallisuusarvostelu

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.

Jätevesilaitosten mallinnus

TäTässä työssä tarkastellaan jäteveden biologiseen puhdistukseen käytettävän aktiiviliete-prosessin kuvaamista matemaattisen mallintamisen avulla. Jäteveden puhdistus on jo vanha keksintö ja aktiivilieteprosessikin on otettu ensimmäisen kerran pilot- käyttöön vuonna 1914. Myös jätevesilaitosten matemaattinen mallintaminen on ollut pitkään tunnettu tekniikka ja ensimmäiset dynaamiset mallit kehitettiin 1950–luvulla. Työn alkuosassa on tarkasteltu jätevesilaitosten matemaattista mallintamista kirjallisuus-lähteiden pohjalta. Tarkastelun painopiste on suunnattu erilaisiin matemaattisiin malleihin ja mallintamisen kehitykseen. Mallintamisen ohessa on kiinnitetty huomiota aktiiviliete-prosessiin ja siihen vaikuttaviin tekijöihin. Mallintamiseen vaikuttavista tekijöistä erityistä huomiota on kiinnitetty ilmastukseen, bakteerien kasvuun ja selkeytykseen sekä niiden vaikutuksiin prosessin kannalta. Matemaattisen mallintamisen tarkastelun jälkeen työssä on pohdittu CFD–mallintamisen hyödyntämismahdollisuuksia aktiivilieteprosessien kuvaamisessa. Mallintamisosiossa on tarkasteltu Activated Sludge Model No. 3 (ASM 3) mallin rakennetta ja sisältöä sekä sen eri tekijöiden vaikutuksia malliin. Työn tässä osassa on tarkasteltu myös hapensiirtoa ilmastuksessa ilmakuplista veteen ja selkeytystä osana aktiivilieteprosessia. Tässä osiossa on käyty läpi myös kaikki prosessin kannalta oleelliset yhtälöt, esimerkiksi reaktionopeus- ja massataseyhtälöt.

Jatkuvatoimisen natriumhypokloriittireaktorin mallinnus

Natriumhypokloriittia voidaan valmistaa kloorista ja lipeästä jatkuvatoimisessa absorberissa. Tässä työssä tutkittiin kokeellisesti, miten kaasun ja nesteen virtausnopeudet vaikuttavat täytekappalekolonnin tulvimiseen ja painehäviöön, kuinka nopeasti kloori absorboituu lipeään ja kuinka suuri hypokloriittiliuoksen kierrätys tarvitaan, ettei hypokloriitti ala hajota. Lisäksi luotiin matemaattinen malli, jolla voidaan mitoittaa jatkuvatoiminen vastavirtaperiaatteella toimiva natriumhypokloriittireaktori. Kloori–lipeäsysteemin havaittiin tulvivan suuremmilla virtausnopeuksilla kuin ilma–vesisysteemin. Tosin osa kloorista absorboituu jo ennen täytekappalekerrosta, minkä vuoksi kaasun todellinen virtausnopeus täytekappalekerroksen alaosassa on pienempi kuin mitattu arvo. Kolonnin painehäviö nousee erittäin jyrkästi tulvimispisteen läheisyydessä. Koska kloori absorboituu lähes täydellisesti ja vain kolonnin alaosa tulvii, voidaan kolonnia painehäviön kannalta operoida lähellä tulvimispistettä. Sekä mallinnuksen että koetulosten perusteella yli 99,99 % kloorista absorboituu koeolosuhteissa kahden metrin täytekappalekerroksessa. Nopea absorptio johtuu erittäin nopeasta, irreversiibelistä kloorin reaktiosta ja prosessille tyypillisestä natriumhydroksidikonversion rajoittamisesta alle 94 %:iin. Jotta varmistetaan, ettei hypokloriitti ala hajota, valmista hypokloriittiliuosta täytyy kierrättää kolonniin vähintään noin 4-kertainen määrä tuoreen lipeän syöttömäärän nähden.

Ensihoito: ambulanssien kiinteiden sijoituspaikkojen optimointitehtävän mallinnus

Kun ihminen joutuu onnettomuuteen tai sairastuu vakavasti, toivoo hän saavansa luotettavan hoidon riittävän nopeasti. Ensihoito pyrkii tarjoamaan tämän palvelun. Työssä aloitetaan tutkimusta ensihoidon mallinnuksesta ja autetaan vastauksen saamisessa kysymykseen, kuinka monta prosenttia sairaanhoitopiirin kullakin alueella asuvista ihmisistä tavoitetaan määräajassa. Pohjustusta tämän määrittämiseen on tässä pro gradu -työssä tehty laatimalla optimointimalli ensihoidon ambulanssien kiinteille sijoituspaikoille. Mallin avulla kyetään arvioimaan ambulanssien saavutettavuudeltaan ja kustannuksiltaan optimaalisia kiinteitä sijoituspaikkoja. Tuloksena saadaan tietyllä tavoittamisviiveellä Pareto-tehokas ratkaisu palvelutason ja kustannusten suhteen. Tässä työssä selvitetään mallinnuksen matemaattista pohjaa eivätkä reaaliset parametrit ole vielä olennaisen tärkeässä osassa. Esimerkiksi tieverkosto ei ole mukana ja keliominaisuudet on mallinnettu yksinkertaisella kertoimella. Prototyyppimallia voidaan jatkossa muunnella muihin vastaavanlaisiin ongelmiin sekä tarkentaa ottamalla mukaan reaalisia karttapohjia ja keli- ym. olosuhteita. Valtakunnallisesti ollaan ehdottamassa siirtymistä pienemmistä ensihoidon sopimusalueista pinta-alaltaan ja väestömäärältään laajemman asiakaskannan kattaviin, esimerkiksi sairaanhoitopiirikohtaisiin, palvelualueisiin. Tämä uudistus tarjoaa mahdollisuuden suunnitella ambulanssien määrät ja sijoituspaikat uudelleen, jotta saavutetaan mahdollisimman hyvä tasapaino sekä kustannusten että palvelun peiton osalta. Työssä kehitetty ensihoidon optimointiin käytettävä matemaattinen malli toimii lähtökohtana reaaliselle optimaalisen kustannusten ja palvelun peiton tuottavalle ambulanssien sijoituspaikkojen ratkaisulle. Tässä Pareto-optimaalisessa tilanteessa kumpaakaan parametreista – kustannusta tai palveluprosenttia - ei voida parantaa huonontamatta toista.

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.