Improving mechanical and thermal design of new energy production systems

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Kuosmanen, Petri, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.contributor.author Salminen, Pauli
dc.date.accessioned 2017-12-07T10:02:52Z
dc.date.available 2017-12-07T10:02:52Z
dc.date.issued 2017
dc.identifier.isbn 978-952-60-7750-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-7749-9 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/29058
dc.description.abstract The global trend for the machine design is energy efficiency and it can be achieved by using novel technologies with the improved design. In practice, this means lightweight structures, integrated functions of components and smaller size overall. In many cases the power-to-weight ratio is increased which engender new challenges for the design engineers. The thermal expansion of materials is well known phenomena, but when the operational temperature is high, up to 800 °C, the thermo-mechanical design of systems becomes indispensable and thermal effects sets many requirements for the design. Not only thermal expansion sets challenges, but also creep, heat loss and corrosion should be addressed. This thesis presents six cases where these challenges are studied. The first four investigates the Solid Oxide Fuel Cell (SOFC) systems. System design, theoretical conceptual studies and concept selection methods for thermal insulation are investigated first. Then research proceeds to interdisciplinary fields such as corrosion experiments at high temperature and component design. The fifth and sixth cases present medium and low temperature technologies, where the thermal design has a major effect to the system performance. The friction stir channeling is a novel manufacturing technology that enables the manufacturing of thermal management channels into structural components. The empirical calorimeter experiments were used to measure heat transfer properties and results were compared to results from the numerical analysis. During the entire design and research work, the computer aided design tools and numerical calculation methods were used. Especially the sixth case analyses the dimensional errors caused by gravity and thermal expansion during the manufacturing and inspection process. As a result, the system design for the high temperature applications has progressed, and lower cost and increased system lifetime can be achieved. Novel thermal insulation method, component supports and components were designed and tested offering new possibilities for new energy systems. The results from the friction stir channel experiments prove that this new technology is suitable for built-in thermal management of the structural components. Furthermore, with the detailed numerical analysis of the end plate of the wind power gearbox, the manufacturing and inspection procedures achieve higher accuracy, thus leading to products with higher quality. As a conclusion, thermo-mechanical design of new energy systems has been studied and improved. However, further investigations will benefit from the swiftly developing calculation power of computers and enhanced software making the system design more straightforward. Nonetheless, there are still many challenges remaining, especially in the field of materials for the high operational temperatures. en
dc.description.abstract Koneiden ja laitteiden energiatehokkuus on ollut tämän vuosikymmenen tärkein suunnittelua ohjaava tekijä. Kevyet rakenteet, laitteen toimintojen integrointi, pienempi koko ja kasvanut tehon ja painon suhde vaatii aiempaa tehokkaampia ratkaisuja lämmönhallinnalle. Uusissa energiantuottoprosesseissa lämpötilat voivat nousta korkeiksi, jopa 800 °C asteeseen, jolloin lämpötekninen suunnittelu on erityisen tärkeää. Lämpölaajeneminen voidaan ottaa suunnittelussa yhä paremmin huomioon nykyisillä tehokkailla numeerisilla laskentamenetelmillä, mutta tämän lisäksi myös viruminen, lämpöhäviöt ja kuumissa olosuhteissa tapahtuva korroosio tulee huomioida uusien laitteistojen suunnittelussa. Tämä väitöskirja esittelee kuusi tapausta, jotka liittyvät uusiin energiatekniikoihin ja joissa kehitetään koneiden suunnittelua ja rakennetta tieteellisiä menetelmiä käyttäen. Neljä ensimmäistä tapausta liittyvät kiinteäoksidipolttokennojärjestelmien (SOFC) suunnitteluun. Väitöstyön alussa laitteistoa kehitettiin systeemi- ja konseptisuunnittelun menetelmin sekä numeerisen laskennan avulla, joilla pyrittiin löytämään paras mahdollinen ratkaisu. Laitteiston rakentamisen jälkeen empiiristen mittauksien tuloksia verrattiin teoreettisiin laskentatuloksiin. Painopiste neljässä ensimmäisessä tapauksessa oli laitteiston, lämmöneristyksen ja komponenttien suunnittelussa sekä korroosiotutkimuksessa. Viidennessä tapauksessa tutkittiin kitkatyöstetyn kanavan (FSC) lämmönsiirtokykyä. FSC on ainutlaatuinen menetelmä, jolla voidaan valmistaa kappaleeseen sisäisiä kanavia. Näiden kanavien lämmönsiirtokykyä tutkittiin sekä numeerisen laskennan, että empiiristen kokeiden avulla. Kuudes tapaus käsittelee suurten koneenosien valmistustarkkuuden ja tarkastusmenetelmien kehittämistä, erityisesti lämpölaajenemisen osalta. Väitöskirjan aikana saavutettujen tulosten johdosta SOFC-järjestelmien rakennetta ja erityisesti lämmöneristystä on pystytty edistämään. Laitteistojen rakennetta on kehitetty yksinkertaisemmaksi, edullisemmaksi ja luotettavammaksi. Työn tuloksia on otettu käyttöön sekä tutkimuslaitoksissa että teollisuudessa. Viidennessä tapauksessa suoritettujen empiiristen kalorimetrikokeiden ja numeerisen laskennan avulla saatujen tulosten mukaan kitkatyöstettyä kanavaa voidaan käyttää lämmönsiirron hallintaan monissa eri sovelluskohteissa, ja kanavan lämmönsiirtokyky pystytään laskemaan entistä tarkemmin jo suunnitteluvaiheessa. Kuudennen tapauksen tutkimustulosten avulla osien valmistustarkkuutta ja laadunvalvontaa on kehitetty selvittämällä valmistuksen ja mittauksen virhelähteet numeerisen laskennan avulla. Yhteenvetona voidaan todeta, että väitöskirjan lämpömekaniikkaan liittyvän tutkimuksen avulla uusien energiantuotantomenetelmien suunnittelua, valmistusta ja laadunhallintaa on edistetty. Laitteistoista voidaan nyt suunnitella tehokkaampia, edullisempia, luotettavampia ja pitkäikäisiä. fi
dc.format.extent 176
dc.format.mimetype application/pdf en
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 238/2017
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.subject.other Energy en
dc.title Improving mechanical and thermal design of new energy production systems en
dc.title Uusien energiantuotantojärjestelmien mekaniikan ja lämmönhallinnan kehittäminen fi
dc.type G4 Monografiaväitöskirja fi
dc.contributor.school Insinööritieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan laitos fi
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.subject.keyword thermal expansion en
dc.subject.keyword SOFC en
dc.subject.keyword fuel cell en
dc.subject.keyword FSC en
dc.subject.keyword wind power en
dc.subject.keyword quality control en
dc.subject.keyword kiinteäoksidipolttokenno fi
dc.subject.keyword lämmöneristys fi
dc.subject.keyword koneenrakennus fi
dc.subject.keyword laadunvalvonta fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-7750-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (monograph) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (monografia) fi
dc.contributor.supervisor Kuosmanen, Petri, Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland
dc.opn Braghin, Francesco, Prof., Politecnico Di Milano, Italy
dc.opn Keskinen, Erno, Prof., Tampere University of Technology, Finland
dc.rev Braghin, Francesco, Prof., Politecnico Di Milano, Italy
dc.rev Noponen, Matti, Dr., Elcogen Oy, Finland
dc.date.defence 2017-12-15


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account