Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation:

Modeling of water/steam circulation in Circulating Fluidized Bed boiler

A distinctive design feature of steam boiler with natural circulation is the presence of the steam drum which plays a role of the separator of vapor from the flow of water-and-steam mixture coming into steam drum from the furnace tubes. Steam drum with unheated downcomer tubes, deducing from it, and riser (screen/furnace tubes) inside the furnace is a closed circulation loop in which movement of water (downcomer tubes) and water-and-steam mixture (riser tubes) is organized. The movement of the working fluid is appears due to occurrence of the natural pressure, determined by the difference in hydrostatic pressure and the mass of water and water-and-steam mixtures in downcomer and riser tubes and called the driving pressure of the natural circulation: S drive = H steam (ρ down + ρ mix) g where: ρ down - density of water in downcomer tubes; ρ mix - density of water in riser tubes; H steam - height of steam content section; g - acceleration of gravity. In steam boilers with natural circulation the circulation rate is usually between 10 and 30. Thus, consumption of water in the circulation circuit “circulation rate times” more than steam output of the boiler. There are two aspects of the design of natural water circulation loops. One is to ensure a sufficient mass flux of circulating water to avoid burnout of evaporator tubes. The other is to avoid tube wall temperature fluctuation and tube vibration due to oscillation of circulation velocity. The design criteria are therefore reduced, in principle, to those of critical heat flux, critical flow rate for burnout, and flow instability. In practical design, however, the circulation velocity and the void fraction at the evaporator tube outlet are used as the design criteria (Seikan I., et. al., 1999). This study has been made with assumption that the heat flux in the furnace of the boiler even all the time. The target of the study was to define the circulation rate of the boiler, thus average heat flux do not change it. I would like to acknowledge professionals from “Foster Wheeler” company for good and comfortable cooperation.

Automatization of feeding the heat flux data to water circulation simulations of recovery boilers

Tässä työssä perehdytään soodakattiloiden vesikiertomallin rakentamiseen. Työn päätavoitteena on kehittää simulointimallia varten taulukkolaskentapohja, jonka avulla soodakattilan lämpövuotietoja on yksinkertaista ja nopeaa käsitellä ja siirtää Apros 6 -simulointiohjelmaan. Lisäksi tarkoituksena on pyrkiä automatisoimaan työvaiheet mahdollisimman pitkälle, jolloin vesikiertolaskennan tekeminen yksinkertaistuisi, yhtenäistyisi ja tarkentuisi. Tämä on mahdollista Excel- makrojen ja Apros 6:n uusien toimintojen avulla. Apros 6:ssa on nyt mahdollista hyödyntää SCL- komentotiedostoja, joiden avulla sujuva tiedonsiirto Aproksen ja Excelin välillä vodaan toteuttaa. Vesikiertolaskentaan käytettävän datan käsittely on aikaisemmin ollut työlästä ja sen tarkkuus on pitkälti riippunut mallintajasta. Tässä diplomityössä päästään hyödyntämään uusimpia ja realistisempia soodakattiloiden CFD- malleja, joiden avulla pystytään luomaan aikaisempaa tarkemmat lämpövuojakaumat soodakattilan lämpöpinnoille. Tämä muutos parantaa vesikiertolaskennan tarkkuutta. Työn kokeellisessa osassa uutta Excel laskentatyökalua ja uusia lämpövuoarvoja testataan käytännössä. Eräs vanha Apros- vesikiertomalli päivitetään uusilla lämpövuoarvoilla ja sen rakenteeseen tehdään muutoksia tarkkuuden parantamiseksi. Uuden mallin toimivuutta testataan myös 115 %:n kapasiteetilla ja tutkitaan kuinka kyseinen vesikiertopiiri reagoi suurempaan lämpötehoon. Näitä kolmea eri tilannetta vertaillaan toisiinsa ja tarkastellaan eroavaisuuksia niiden vesi-höyrypiireissä.

Soodakattilan vesi-höyryjärjestelmän vuodonvalvonta

Työn tavoitteena oli kehittää Kaukaan sellutehtaalle luotettava vesi-höyrypiirin vuodonvalvontajärjestelmä. Vesi-höyrypiirin vuodonvalvontajärjestelmällä pystytään ehkäisemään soodakattilassa mahdollisen putkivaurion aiheuttama sulavesiräjähdys. Työn teoreettisessa osassa käsitellään soodakattilan turvallisuutta sekätutustutaan kaupallisilla markkinoilla oleviin vuodonvalvontajärjestelmiin. Vuodonvalvontajärjestelmän kehityksessä käytetään hyväksi prosessitietoa noin vuoden ajalta sekä yhden vakavan vesi-höyrypiirin putkirikon aikaisia mittaustietoja.Työssä testataan käytännössä Kaukaan soodakattilaan rakennettu järjestelmä. Työn tuloksena Kaukaan sellutehtaan soodakattilan on rakennettu vuodonvalvontajärjestelmä, joka havaitsee vesi-höyrypiirin putkirikon aiheuttaman vuodon, määrittää sen suuruuden sekä pystyy paikantamaan vuodon sijainnin.

Soodakattilan vesi-höyrykierron simulointi

Työssä tutkitaan soodakattilan vesi-höyrykierron laskentaa APROS-simulointiohjelman avulla sekä mahdollisuutta rakentaa soodakattilalle oma mallikirjasto. Lisäksi tarkasteltiin mahdollisuuksia räätälöidä APROS:ista yrityksen omaa tarvetta vastaava simulointiohjelma. Kirjallisuusosuudessa esitellään soodakattilan rakenne pääpiirteittäin sekä APROS-simulointiohjelman ja Nowa-kiertolaskuohjelman laskentaperusteet. Tässä osuudessa kerrotaan myös yleisesti ohjelmien sisällöstä, rakenteesta sekä niiden käytöstä. Työn kokeellisessa osassa on kerrottu soodakattilan vesi-höyrykierron mallinnuksesta APROS:in avulla sekä mallikirjaston luomisen perusteet. Lisäksi tässä osuudessa kerrotaan alimallien tekemisestä ja niiden tarpeellisuudesta sekä simuloinnin ongelmakohdista. Työstä saatujen tulosten perusteella dynaamisen simuloinnin ja mallikirjaston avulla saadaan kiertolaskuja laskettua helposti ja luotettavasti. Alimallikirjastoa ylläpitämällä nopeutetaan kiertolaskuvariaatioden tekoa huomattavasti.

Soodakattilan energiatehokkuuden ja -taseen laskenta

Tämä diplomityö on tehty UPM-Kymmene Oy:n Tervasaaren tehtaalle. Työn tavoitteena oli määrittää soodakattilan energiatase. Määritellyn taseen avulla voitiin tutkia kattilan energiatehokkuutta. Soodakattilan savukaasupuolen ja vesihöyrypiirin energiataseet mallinnettiin taulukkolaskentaohjelmaan. Lähtöarvojen selvittämiseksi suoritettiin yksi mittausjakso. Laskettujen savukaasupuolen ja vesihöyrypiirin tasetulosten ero oli vain 0,4 % hyödyksi saatavien lämpöenergioiden suhteen. Savukaasupuolen energiataseessa käytettiin polttoaineiden tehollisia lämpöarvoja. Lisäksi lipeän määritettyä tehollista lämpöarvoa korjattiin erillisellä kertoimella. Kattilan energiatehokkuuden tarkasteluun valittiin muuttujiksi poltettavan lipeän laatu ja lipeän kuiva-aine sekä nuohoushöyrymäärä ja ilmakerroin. Lasketuista tuloksista voitiin havaita, että siirryttäessä nykyisestä polttolipeän poltosta pelkään sulfaattipohjaisen lipeän polttoon, saavutetaan säästöjä 2,33…3,10 milj.€/a. Myös nuohoushöyrymäärän ja ilmakertoimen muutoksilla todettiin saavutettavan säästöjä.

Voimalaitoksen toiminnallinen suunnittelu

Diplomityön tavoitteena oli antaa kuva vastapainevoimalaitoksen automaation toiminnallisesta suunnittelusta ja soveltaa teoriaa suunnittelemalla toiminnallisuus vesihöyrypiirin tärkeimmille osuuksille. Työssä on esitelty tyypillinen EPCM-voimalaitosprojekti, joka toteutetaan ulkopuolisen avustajan kanssa tehdyllä yhteistyöllä. Projektin koostuu laitoksen suunnittelu-, rakennus-, asennus- sekä käyttöönottovaiheista. Huomioitavia asioita ovat mm. projektin budjetti sekä aikataulu. Valvonnalla on suuri merkitys projektin onnistumiseen. Lisäksi työssä esitellään vastapainevoimalaitoksen vesihöyrypiirin prosessi, pääsäädöt sekä automaatiojärjestelmä. Vesihöyrypiirillä tarkoitetaan syöttövesi-, höyry- ja kaukolämpöjärjestelmää. Pääsäädöillä pyritään saamaan tuotanto vastaamaan kulutusta. Voimalaitoksen painopiste on kaukolämmön tuottaminen. Automaatiojärjestelmän toiminnoilla tarkoitetaan järjestelmän suorittamia ohjauksia, säätöjä sekä hälytyksiä. Toiminnallisessa suunnittelussa tehdään toimilaitteille niin yksittäisohjaukset, säädöt kuin hälytysluettelot. Työssä tehty toiminnallinen suunnittelu keskittyy erityisesti toimilaitteiden säätöpiireihin. Säätöpiirit koostuvat tärkeimmistä prosessiin liittyvistä komponenteista ja säätömerkeistä. Toiminnallisen suunnittelun dokumentaatioita käytetään automaatiojärjestelmän sovellusohjelmoinnin pohjana.

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.

Stable Water Isotopologue data collected during HCCT-2010

Cloud samples for the isotopic analysis were collected in the framework of the Hill Cap Cloud Thuringia 2010 (HCCT-2010) campaign on Schmücke (50° 39'N/ 10° 46'E, 937 m a.s.l.; Germany) in September and October 2010 with a three-stage Caltech Active Strand Cloudwater Collector (CASCC) during 13 different cloud events with a temporal resolution of 1 to 3 hours. In a first step, we ensured that no additional fractionation occurred during sampling with the CASCC. The d values of the three sizes classes of the CASCC (4 µm to 16 µm, 16 µm to 22 µm and >22 µm) did not differ significantly, revealing that the cloud droplets of different sizes quickly equilibrate their delta value with the one of the surrounding vapor. delta values in the cloud droplets varied from -77 per mil to -15 per mil in d2H and from -12.1 per mil to -3.9 per mil in d18O and were fitted by d2H =7.8*d18O +13*10**-3. delta values decreased with temperature as well as towards the end of the campaign, representing a seasonal trend which is known from d values in precipitation. The deuterium excess of the cloud samples was generally higher than the Local Meteoric Water Line of the closest GNIP (Global Network of Isotopes in Precipitation) station. Rain decreases its deuterium excess during falling through an unsaturated air column, while the cloud droplets conserve the deuterium excess of the initial evaporation and thus have been found to be a good indicator for the airmass source region: higher deuterium excess was measured for polar air masses and lower deuterium excess for Mediterranean air masses. Changes in d values during one cloud event were up to 3.6 per mil (d2H) and 0.23 per mil (d18O), except for frontal passages, which were associated with increases of ~6 per mil per hour (d2H) and ~0.6 per mil per hour (d18O). Using a box model, we showed that the influence of condensation only was able to explain the variation in the isotope signal of two cloud passages. Consequently, we deduced that the water vapor "feeding" the cloud advected the measured changes. A trajectory analysis and moisture source diagnostic revealed that it is very likely that the variations were either related to rain out along the trajectories or to meteorological changes in the moisture source region. This was the first study using stable water isotopologues in cloud water manifesting their potential in the context of atmospheric water vapor circulation.

Water mass evolution of the Greenland Sea since late glacial times

Four sediment cores from the central and northern Greenland Sea basin, a crucial area for the renewal of North Atlantic deep water, were analyzed for planktic foraminiferal fauna, planktic and benthic stable oxygen and carbon iso- topes as well as ice-rafted debris to reconstruct the environ- mental variability in the last 23 kyr. During the Last Glacial Maximum, the Greenland Sea was dominated by cold and sea-ice bearing surface water masses. Meltwater discharges from the surrounding ice sheets affected the area during the deglaciation, influencing the water mass circulation. During the Younger Dryas interval the last major freshwater event occurred in the region. The onset of the Holocene interglacial was marked by an increase in the advection of Atlantic Wa- ter and a rise in sea surface temperatures (SST). Although the thermal maximum was not reached simultaneously across the basin, benthic isotope data indicate that the rate of overturn- ing circulation reached a maximum in the central Greenland Sea around 7ka. After 6-5ka a SST cooling and increas- ing sea-ice cover is noted. Conditions during this so-called "Neoglacial" cooling, however, changed after 3 ka, probably due to enhanced sea-ice expansion, which limited the deep convection. As a result, a well stratified upper water column amplified the warming of the subsurface waters in the central Greenland Sea, which were fed by increased inflow of At- lantic Water from the eastern Nordic Seas. Our data reveal that the Holocene oceanographic conditions in the Green- land Sea did not develop uniformly. These variations were a response to a complex interplay between the Atlantic and Polar water masses, the rate of sea-ice formation and melting and its effect on vertical convection intensity during times of Northern Hemisphere insolation changes.

Development of fundamental equations for vapor and liquid water /

AD 253 800.

(Table 2) Radiocarbon dating on cold-water corals collected in the Mediterranean Sea

This study presents newly obtained coral ages of the cold-water corals Lophelia pertusa and Madrepora oculata collected in the Alboran Sea and the Strait of Sicily (Urania Bank). These data were combined with all available Mediterranean Lophelia and Madrepora ages compiled from literature to conduct a basin-wide assessment of the spatial and temporal occurrence of these prominent framework-forming scleractinian species in the Mediterranean realm and to unravel the palaeo-environmental conditions that controlled their proliferation or decline. For the first time special focus was placed on a closer examination of potential differences occurring between the eastern and western Mediterranean sub-basins. Our results clearly demonstrate that cold-water corals occurred sparsely in the entire Mediterranean during the last glacial before becoming abundant during the Bølling-Allerød warm interval, pointing to a basin-wide, almost concurrent onset in (re-)colonisation after ~13.5 ka. This time coincides with a peak in meltwater discharge originating from the northern Mediterranean borderlands which caused a major reorganisation of the Mediterranean thermohaline circulation. During the Younger Dryas and Holocene, some striking differences in coral proliferation were identified between the sub-basins such as periods of highly prolific coral growth in the eastern Mediterranean Sea during the Younger Dryas and in the western basin during the Early Holocene, whereas a temporary pronounced coral decline during the Younger Dryas was exclusively affecting coral sites in the Alboran Sea. Comparison with environmental and oceanographic data revealed that the proliferation of the Mediterranean corals is linked with enhanced productivity conditions. Moreover, corals thrived in intermediate depths and showed a close relationship with intermediate water mass circulation in the Mediterranean sub-basins. For instance, reduced Levantine Intermediate Water formation hampered coral growth in the eastern Mediterranean Sea during sapropel S1 event as reduced Winter Intermediate Water formation did in the westernmost part of the Mediterranean (Alboran Sea) during the Mid-Holocene. Overall, this study clearly demonstrates the importance to consider region-specific environmental changes as well as species-specific environmental preferences in interpreting coral chronologies. Moreover, it highlights that the occurrence or decline of cold-water corals is not controlled by one key parameter but rather by a complex interplay of various environmental variables.

Développement et caractérisation de nouveaux nanocomposites polymères électriquement conductueurs pour plaques bipolaires de piles à combustible à membrane échangeuse de protons, PEMFC

Face à la diminution des ressources énergétiques et à l’augmentation de la pollution des énergies fossiles, de très nombreuses recherches sont actuellement menées pour produire de l’énergie propre et durable et pour réduire l’utilisation des sources d’énergies fossiles caractérisées par leur production intrinsèque des gaz à effet de serre. La pile à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC) est une technologie qui prend de plus en plus d’ampleur pour produire l’énergie qui s’inscrit dans un contexte de développement durable. La PEMFC est un dispositif électrochimique qui fonctionne selon le principe inverse de l’électrolyse de l’eau. Elle convertit l’énergie de la réaction chimique entre l’hydrogène et l’oxygène (ou l’air) en puissance électrique, chaleur et eau; son seul rejet dans l’atmosphère est de la vapeur d’eau. Une pile de type PEMFC est constituée d’un empilement Électrode-Membrane-Électrode (EME) où la membrane consiste en un électrolyte polymère solide séparant les deux électrodes (l’anode et la cathode). Cet ensemble est intégré entre deux plaques bipolaires (BP) qui permettent de collecter le courant électrique et de distribuer les gaz grâce à des chemins de circulation gravés sur chacune de ses deux faces. La plupart des recherches focalisent sur la PEMFC afin d’améliorer ses performances électriques et sa durabilité et aussi de réduire son coût de production. Ces recherches portent sur le développement et la caractérisation des divers éléments de ce type de pile; y compris les éléments les plus coûteux et les plus massifs, tels que les plaques bipolaires. La conception de ces plaques doit tenir compte de plusieurs paramètres : elles doivent posséder une bonne perméabilité aux gaz et doivent combiner les propriétés de résistance mécanique, de stabilité chimique et thermique ainsi qu’une conductivité électrique élevée. Elles doivent aussi permettre d’évacuer adéquatement la chaleur générée dans le cœur de la cellule. Les plaques bipolaires métalliques sont pénalisées par leur faible résistance à la corrosion et celles en graphite sont fragiles et leur coût de fabrication est élevé (dû aux phases d’usinage des canaux de cheminement des gaz). C’est pourquoi de nombreuses recherches sont orientées vers le développement d’un nouveau concept de plaques bipolaires. La voie la plus prometteuse est de remplacer les matériaux métalliques et le graphite par des composites à matrice polymère. Les plaques bipolaires composites apparaissent attrayantes en raison de leur facilité de mise en œuvre et leur faible coût de production mais nécessitent une amélioration de leurs propriétés électriques et mécaniques, d’où l’objectif principal de cette thèse dans laquelle on propose: i) un matériau nanocomposite développé par extrusion bi-vis qui est à base de polymères chargés d’additifs solides conducteurs, incluant des nanotubes de carbone. ii) fabriquer un prototype de plaque bipolaire à partir de ces matériaux en utilisant le procédé de compression à chaud avec un refroidissement contrôlé. Dans ce projet, deux polymères thermoplastiques ont été utilisés, le polyfluorure de vinylidène (PVDF) et le polyéthylène téréphtalate (PET). Les charges électriquement conductrices sélectionnées sont: le noir de carbone, le graphite et les nanotubes de carbones. La combinaison de ces charges conductrices a été aussi étudiée visant à obtenir des formulations optimisées. La conductivité électrique à travers l’épaisseur des échantillons développés ainsi que leurs propriétés mécaniques ont été soigneusement caractérisées. Les résultats ont montré que non seulement la combinaison entre les charges conductrices influence les propriétés électriques et mécaniques des prototypes développés, mais aussi la distribution de ces charges (qui de son côté dépend de leur nature, leur taille et leurs propriétés de surface), avait aidé à améliorer les propriétés visées. Il a été observé que le traitement de surface des nanotubes de carbone avait aidé à l’amélioration de la conductivité électrique et la résistance mécanique des prototypes. Le taux de cristallinité généré durant le procédé de moulage par compression des prototypes de plaques bipolaires ainsi que la cinétique de cristallisation jouent un rôle important pour l’optimisation des propriétés électriques et mécaniques visées.

Middle Pleistocene sea surface temperature in the Brazil-Malvinas Confluence Zone: Paleoceanographic implications based on planktonic foraminifera

We reconstructed Middle Pleistocene surface hydrography in the western South Atlantic based on planktonic foraminiferal assemblages, modern analog technique and Globorotalia truncatulinoides isotopic ratios of core SP1251 (38 degrees 29.7`S / 53 degrees 40.7`W / 3400 m water depth). Biostratigraphic analysis suggests that sediments were deposited between 0.3 and 0.12 Ma and therefore correlate to Marine Isotopic Stage 6 or 8. Faunal assemblage-based winter and summer SST estimates suggest that the western South Atlantic at 38 degrees S was 4-6 degrees C colder than at present, within the expected range for a glacial interval. High relative abundances of subantarctic species, particularly the dominance of Neogloboquadrina pachyderma (left), support lower than present SSTs throughout the recorded period. The oxygen isotopic composition of G. truncatulinoides suggests a northward shift of the Brazil-Malvinas Confluence Zone and of the associated mid-latitude frontal system during this Middle Pleistocene cold period, and a stronger than present influence of superficial subantarctic waters and lowering in SSTs at our core site during the recorded Middle Pleistocene glacial.