CO2 is a natural refrigerant and is well suitable in many cooling applications. It has been used within the refrigeration industry from the 1900s, but got replaced as the synthetic refrigerants got introduced. In 1990 these fluids were proved damaging to the ozone layer and got replaced by a new series of synthetic fluids, which later have shown to be harmful to the global climate and therefore bound with restrictions from the governments. In the early 1990s at Norwegian University of Science and Technology(NTNU), professor Gustav Lorentzen introduced the transcritical refrigeration process and reintroduced CO2 as a refrigerant with favourable properties. Now the use of CO2 in heat pump applications is wide spread, and competitive alternatives within most markets are presented. However, there are still areas of improvement, and at the laboratories of SINTEF and NTNU a rig is being installed meant to do experiments on high effect CO2 cooling systems, with a cooling capacity of 400kW and a compressor capacity of el 100kW. Currently the rig is placed in Lustenau Austria at Obrist Engineerings facility where a 100kW high efficient semi hermetic 6 cylinder single stage piston compressor is being tested. This compressor is a new development and a result of a cooperation between SINTEF and Obrist Engineering. The background for this development was the lack of single stage compressors able to deliver flow rates in the range of 10 to 90m3=h. For experiment purposes the losses in the reciprocating cycle were evaluated, where the overall isentropic efficiency is most defining for the energy efficiency, and also the defining value for the entirety of all losses in the compressor unit. The test campaign was conducted in different test series, where the test points were set by Obrist Engineering with background in a cooling application on a fishing vessel. 3 series were set, where a fixed pressure ratio of 65/30 bar, 110/30 bar and 80/20 bar was tested in experiments with varying motor speed from 800 - 3800 rpm and a constant superheat at 10K. As the executions showed, some of the test points were not able to be tested, because of lack of power supply in the local power grid, and the maximum input power was set to 94kW. Test results revealed a relatively high overall efficiency with values at 73.5% for a pressure ratio of 65/30 bar. Also for the two other pressure ratios the efficiency showed to be satisfying in comparison with on the shelf compressors commercially available to day. However, the test campaign revealed a high volumetric loss in high pressure ranges, which partly can be substantiated with a relatively high clearance volume due to the shear size of the cylinder. In addition, Pindicated for low speeds versus high speeds shows a possible too small valve area at discharge for the highest speeds.

The next generation of subsea process systems will combine the subsea gas compression technology currently under qualification with the previously developed subsea processing technologies, including separation, multiphase pumping and produced water re-injection. These systems will benefit from process cooling. This paper is an evaluation of the use of process cooling in subsea separation, boosting and injection (SSBI) systems including compression. Fouling is the biggest uncertainty, and potentially the biggest problem, in the design and operation of process cooling for SSBI systems when reliability, size, weight and controllability are considered as the most important design parameters. The room for optimization towards fouling reduction in the process cooling was identified to be in the process system design, in the cooling arrangement, in the heat exchanger selection and in the heat exchanger design. In each of these steps the optimization potential was identified and discussed. A case study was performed in which a direct cooling system using a printed circuit heat exchanger was found to be the most compact solution. The rate of fouling will set the reliability and maintainability of a heat exchanger installed under water. The fouling rate, and subsequently the cleaning strategy will change the design of the heat exchanger. The available information on fouling rate in SSBI systems is not complete. To develop a complete picture of fouling in subsea heat exchangers it is suggested that similar heat exchanger technology already field proven is studied for the collection of detailed operation experience and data. This infromation is useful for the design of subsea process coolers to develop the most compact, reliable and controllable solution.

Transiente motstrøms tyngdekrafts-drevne olje-vann strømningsforsøk ble gjort i en to meter lang lukket plexiglass sylinder. Et enkelt eksperimentelt oppsett baser på visuelle observasjoner ble laget med formål for disse forsøkene. Eksperimenter ble gjort for et stort utvalg av inklinasjoner mellom 0 og 90 grader fra horisontalen. Effektene av ulike eksperimentelle parametere ble undersøkt ved å bruke to typer olje, Exxsol D80 og Marcol 52, to sylindere med ulik indre diameter, 50mm og 90mm, i tillegg til tre ulike vannkutt; 0,25, 0,5 og 0,75. For å simulere et bredt utvalg av strømnings situasjoner ble det brukt tre ulike start kondisjoner med varierende grad av miksing av innholdet. Totalt ble det gjort 755 eksperimenter i løpet av denne oppgaven. Resultatene fra observasjonene har blitt brukt til å danne slip relasjoner som skal bli implementert i en slug-tracking simulator som blir utviklet ved NTNU. Fire ulike strømningsmønster har blitt identifisert for denne type strømning. Kun små forskjeller i strømningsmønster ble observert for ulike olje faser og sylinder diametere. Helninger mellom 15 og 30 grader ble funnet til å gi høyest slip hastighet mellom olje og vann fasene.

Oppgaven tar utgangspunkt i anleggskonfigurasjonen til dampkjelkonseptet utviklet av Energos AS. Dampkjelen er en nøkkelkomponent i avfallsforbrenningsanlegg og har som oppgave å overføre termisk energi (varme) fra varm røykgass og til vann/damp under høyt trykk. Følgende hovedtemaer er jobbet med i oppgaven, hvor hovedvekten av besvarelsen er lagt til skjevfordelingsanalysen: Beregningsprogram: • Det er ferdigstilt et beregningsverktøy (Excel) for termisk-hydraulisk ytelse av en sammensatt dampkjel (fallkammer, røykrørskjel og ekonomiser). • Beregningsprogrammet viser akseptabel gyldighet da resultatverdiene viser god overenstemmelse med verdier fra tilsvarende beregningsresultater. Litteraturstudie – Rør med serraterte finner: • Brukes som varmeoverflate i rørbuntene hvor en kompakt design ønskes, siden finnene innehar et større varmeovergangsareal enn et glatt rør uten finner. • Serrateringene resulterer i en høy varmeovergangskoeffisient siden kuttgeometrien fører til en mer turbulent strømning på grunn av en hyppig oppbrytning av strømningens grensesjikt. I midlertidig vil trykktapet over enheten øke sammenliknet med bruk av rør uten finner. • Et litteraturstudie av publisert data etter 1995 på varmeovergang og trykktap for slike rørsatser er gjort, samt en databasestruktur for innsamlet forsøksdata er utarbeidet. Litteraturstudie – Kritisk varmefluks (CHF) ved koking i horisontale rør: • Asymmetrisk fordeling av vann- og dampfasen grunnet gravitasjonseffekten påvirker kokeprosessen siden lagdeling kan oppstå ved lave masseflukser og kan føre til overoppheting av rørets overside ved forholdsvis lave varmeflukser. • Orienteringseffekten for et rør, horisontalt kontra vertikalt, vil ha liten betydning for rørets CHF ved masseflukser over 3500 - 4000 kg/m2s. • CHF-korrelasjonene baseres på ulike definisjoner av CHF-fenomenet: 1) Lokalt fenomen: De lokale parameterne samsvarer med de kritiske verdiene. 2) Globalt fenomen: Et resultat av en helhetlig prosess som inkluderer kokelengden og strømningens historie i sin funksjon. Effekten av bølgeforstyrrelser, oppstrøms rørsvingninger og ujevn varmefluks, må tas hensyn til. Analyse - Skjevfordeling i fordamperpakker: Ujevn beleggdannelse (fouling) og fortetninger på røykgassiden i fallkammeret medfører skjevfordelt strømning på vannsiden i fordamperpakkene og mellom de ulike fordamperpakker-seksjonene, så lenge forebyggende tiltak (robustifiseringer) av systemet ikke er implementert. Skjevfordelingen er et resultat av en utligning av trykktapsdifferansen mellom rørene som hovedsakelig oppstår grunnet ulike fordampningsrater, massetettheter, og dermed ulike friksjon, - akselerasjon- og gravitasjonstrykktap. Et beregningsgrunnlag for vanndistribusjonen i en fordamperpakke er utviklet med utgangspunkt i Minzer sin seksjonsmetode, og innflytelsen av gjengroingen og skjevfordelingen er blitt kartlagt gjennom simuleringer med forskjellige temperatur- og foulingsituasjoner. Skjevfordelingen uttrykkes i prosent masseenheter, av den totale massestrømmen til fordamperpakken, som sendes til rørseksjonen med lav fouling (høy varmefluks), og rørseksjonen med høy fouling (lav eller ingen varmefluks). Rørpakkene nederst i fallkammeret har en lav risiko for skjevfordeling siden området domineres av moderate røykgasstemperaturer (ca. 500 °C) og varmeflukser, og den lave trykktaps-differansen mellom et gjengrodd rør og et utsatt rør resulterer derfor i en mindre kritisk skjevfordeling enn ved høyere temperaturer, ca. 35/65 %. Dette siden friksjonstrykktapet i røret med koking ikke er betydelig mye høyere sammenliknet med gravitasjonstrykktapet til det gjengrodde røret med enfase. Fallkammerets mest kritiske område er lokalisert og satt til de øverste rørene i den øverste fordamperpakken i fallkammeret, hvor røykgasstemperaturen varierer mellom 900 – 950 °C og de horisontalliggende rørene er utsatt for et ekstra stort strålingsbidrag og foulingpotensiale. I dette området registreres en skjevfordeling på 10/90 %, som resulterer i et strømningsmønster i det utsatte røret som gir en uakseptabel liten margin for CHF, tørrkoking og en mulig burnout. Fra litteraturstudiet av CHF ble Groeneveld sin beregningsmodell valgt og anvendt i CHF-analyser som funksjon av skjevfordelingsgraden i systemet. Robustifisering av systemet gjøres ved å påtvinge ytterligere trykktap i rørene i fordamper-pakkene, som da utjevner skjevfordelingen og gir større margin for CHF. Dette innebærer innsetting av innsnevringsdyser (hullboringer) fra innløpsmanifolden til de mange rørene internt i rørpakken, samt innsetting av innsnevringsdyser (metalldisker) i overgangen fra stigerøret og inn på innløpsmanifolden til rørpakkene. Med det kritiske området som utgangspunkt ble det funnet at med dyser (9 mm) vil marginen for CHF økes betraktelig, der den virkelige varmefluksen er ca. 40 % ifra å nå CHF-verdien til systemet, og med dyser (5 mm) økes marginen til ca. 50 %. Begge dysediameterne ansees som motstandsdyktige for en mulig oppnåelse av CHF i rørene, selv med en antatt usikkerhetsmargin på ± 30 % grunnet grovheten av beregningsgrunnlaget. Men med økt trykktap følger også økt nødvendig pumpekraft for vannkretsen, noe som må sees i sammenheng med robustheten oppnådd og det totale energibehovet til anlegget i en avveiing av endelig robustifiserings-strategi. Dyser på 9 mm resulterer i en 6 % økning av pumpekraften (0,2 bar), mens dyser på 5 mm resulterer i et ekstra pumpearbeid på 47 % (1,5 bar), med utgangspunkt i en typisk sirkulasjonspumpe anvendt for vannkretsen.

Start and stop procedures affect pressure oscillations throughout a hydropower plant. A desire to study how pressure oscillations behave during these dynamic conditions was the basis of this report. Instrumentation, experimentation and measurement analysis was conducted on a Francis model turbine in the Waterpower Laboratory at NTNU. Eight pressure transducers were calibrated and used during the experiments. Two transducers were installed in the draft tube below the turbine. One was placed in the vaneless space between the guide vanes and the impeller vanes. Three pressure transducers on an impeller vane and two transducers located at the inlet were also included in the experiments. Frequency analysis (PSD) was carried out for all the measurements to explore various pressure oscillations. Except for the low frequent oscillations (< 30 Hz), definite frequencies repeatedly dominated the frequency domain during start/stop as well as for steady state operation. The impeller vane oscillation showed an increase in pressure amplitude during guide vane closing. A bigger amplitude increase was registered for BEP than for part load and full load operation. The guide vane frequency was located in and only in the runner. The amplitude of the guide vane frequency was significant and was located for all studied operational points. The power of this oscillation decreased during guide vane closing. One specific frequency arose the question of an overtone phenomenon for the water hammer oscillation, a phenomenon, were the fundamental frequency is three times higher than the customary water hammer frequency.

I denne oppgaven beskrives de aerodynamiske ustabilitetene kalt stall og surge. Oppgaven består hovedsakelig av tre deler. I første del gjennomgås noe fundamental teori på aerodynamikken i sentrifugalkompressorer, før funn gjort i tidligere eksperiment på ustabilitetene presenteres. I litteraturen er det bevist at stall og surge forekommer i flere former og med flere karakteristikker. Med tørrgass som arbeidsmedium kan disse karakteristikkene identifiseres ved hjelp av trykksensorer. Karakteristikkene har vist seg å være svært avhengig av kompressorens geometri.Visualiseringsmetoder som tidligere har vist seg å fungere godt på turbomaskineri gjennomgåes og det diskuteres rundt applikasjonen med våtgass. Laser Doppler Velocimetry ble prøvet ut, men det viste seg at denne måleteknikken er for ømfintelig til at den kan brukes med våtgasstrømning. En spesialløsning med pitot-prober er en mulig metode for fremtidige visualiseringsforsøk. Til slutt presenteres et eget eksperiment hvor en industriell kompressor utsettes for tørr- og våtgass. Formålet med eksperimentet var å dokumentere ustabiliteter, med hovedfokus på frekvens og størrelse. Karakteristikken til tørrgassustabilitetene ble kartlagt ved hjelp av dynamiske trykksensorer plassert i diffusoren. Resultatene ble sammenligning med resultat fra tidliger eksperiment funnet i litteraturen. Funnene stemte godt med tidligere forsøk gjort med tørrgass. Karakteristikken til våtgass lot seg ikke identifisere like lett. De dynamiske sensorene plukket ikke opp noen stallfrekvenser eller størrelser, selv om ustabiliteter var observert visuelt ved testkjøring. Det ble heller ikke funnet noe bevis på at maskinen gikk i surge.

The Höegh LNG FPSO is designed for a CO2 removal of a gas stream containing 12.3% CO, but has a desire to add discuss alternative CO2 compositions.The thesis aims to give an introduction of some CO2 removal technologies. The work of this thesis is comprised of a literature study and evaluation of different aspects of these technologies. The evaluation includes discussing the aspects of the technologies and also collecting comparative data.There are three main technologies for CO2 removal; amine, membrane and molecular sieve. These were chosen from the literature study to be most suitable for removal of CO2 for LNG production. Two combinations are most relevant, the amine-membrane, and the amine-molecular sieve.Both the molecular sieve and the membrane have certain issues with regards to hydrocarbon losses. The best solution is to use both of these losses as fuel for the turbine. This however requires the turbine design to be adjusted accordingly.The molecular sieve is suggested used for CO2 compositions of less than 0.1%. The amine solution is suggested used for CO2 compositions between 0.1% and 6%. The membrane-amine solution is suggested for CO2 compositions above 6% because of the high bulk removal capability of the membrane and the ability for the amine process to remove CO2 on the lower part of the scale.

Due to the increasing demand for LNG, more environmental friendly regasification solutions are of interest. Aker Solutions has developed a concept for zero emission regasification of LNG, where the regasification train is heat integrated with an oxy-fuel power and steam plant. The oxy-fuel combustor burns part of the send-out gas in an oxygen enriched environment. The flue gas produced is CO2 rich, making CO2 capture feasible. 95mol% pure oxygen is produced by cryogenic distillation in an ASU. Today, oxy-fuel combustion is not economical feasible, mainly due to the significant power demand in the ASU and the CO2 Compression and Purification Unit (CPU). This thesis investigates opportunities of reducing the power consumption in the plant. Pinch analysis is used to evaluate the heat integration in the Aker Solutions’ concept. Simulation models are created in Aspen Hysys to investigate possibilities of integrating the ASU with the power and steam plant, and to find the impact of changing the oxygen purity. In addition the use of membranes to separate air is discussed. The heat integration was evaluated in terms of sequence of the pair matches, and placement of Heat Transfer Fluids (HTFs). The sequence of the streams was found acceptable. However, changing the HTF in LNG heater 2 and 3 from MEG/Water to Methanol could be beneficial. The freezing point of Methanol is lower than that of MEG/Water; hence the HTF can be shifted to a lower temperature. Because LNG has a higher h-value than the hot streams, ∆T between the LNG and the HTF should be lower than that of the hot fluid and the HTF. If the oxygen purity was set to 90mol%, the load of the CO2 CPU and the condenser duty of the N2/CO2 distillation were increased by 10% and 65% respectively. If the purity was increased to 97mol% the opposite results were obtained. Although increasing the purity leads to savings in the CO2 CPU, this unit only accounts for a small part of the overall power consumption compared to the ASU, hence the impact on the ASU is of greater concern. For the ASU, decreasing the purity would lead to some energy savings. However, the required equipment size of the unit would increase. If the purity is increased, the separation of Argon is required in the distillation column, thus a significant increase in energy of separation is experienced. In addition the capital expenses of the ASU are increased, due to implementation of a supplementary distillation column. Based on the previous facts, it was recommended to keep the oxygen purity at 95mol%. If integrating the ASU, cryogenic LNG should be used to cool the air upstream and downstream the air compressor. Results from Hysys showed that this would lead to 18 % reduction in external utility consumptions. In addition the compressor work of the ASU would be decrease by 14%, and the yield of the LP turbine would increase with 2MW. Today, membranes are not capable of producing large quantities of oxygen. However, there exist some membranes with great potential. The most promising membranes are found to be MIECs with a perovskite structure, especially Ba0.5Sr0.5Co0.8Fe0.2O3-δ. At 800ºC the oxygen flux of these membranes are found to be approximately 1.56∙10-6 mol/scm2, and the oxygen purity obtained is above 99mol%. The thickness of one of these membrane were found to be 1.8mm, hence more than 1∙109 membranes are required to produce enough oxygen for the oxy-combustion plant. Although these membranes have a great potential, they need to be further evolved before implemented to oxy-fuel power plants.

Sperre AS produserer i stor grad hele ROV konstruksjonen sin i aluminiumslegeringen AA6082-T6. Dette er et velegnet materiale for oppgava, men med noen mangler.Denne oppgava fokuserer på elektronikksylindrene til ROV-en, disse er per idag produsert i den ovennevnte aluminiumslegeringa. Man vil i framtida ned på store havdyp, ned mot 6000 meter. Når man skal så dypt vil disse elektronikksylindrene påføre konstruksjonen mye vekt og volum, både direkte pga større masse aluminium og indirekte ved at man trenger mye oppdriftsmateriale.Ved å benytte seg av kompositt og egna produksjonsmetode vil man kunne produsere samme tanken, med svært mye bedre egenskaper. I denne oppgava er det sett på metall-innerforing for spinning av kompositt på utsida og derfor oppnå ønska styrke, samt generelt design av sylinderen. Det er også foreslått design uten innerforing, men da produsert ved hjelp av kompositt-duk. Hvilket materiale som er best egna til innerforing og hvilken kompositt som har de beste egenskapene er også vurdert.Som deloppgave er det utført mekanisk testing på sveist aluminiumslegering for å verifisere DNV standardencite{DNV271}, samt vurdere om man ved forenkla varmebehandling kan gjenopprette noe av styrken til metallet.

Gjennom dette arbeidet, er nanomekaniske kompresjonsegenskaper undersøkt for tre forskjellige materialer: To stål legeringer og et renjern. Pillarer av varierende størrelse, fra diameter 100nm til 2um, er fabrikkert ved bruk av FIB (Focused Ion Beam) i NTNU nanolab, etterfulgt av kompresjonstesting. Hvorvidt størrelsen til pilarene påvirker de mekaniske egenskapene, er gjennomgående undersøkt for alle tre materialene, med spesielt hovedvekt på en-krystall renjern. «Small is stronger» er et velkjent utsagn i micro skala verden, og er diskutert videre her for hvert materiale. F70 er en arktisk multifase ståltype, hvorpå lokale egenskaper i korngrense og matrix er undersøkt. Lokale soner i dette stålet er korngrenser bestående av MA-partikler (Martensitt og rest-Austenitt) og matriksen som består av fraksjoner av bainitt, martensitt, feritt og rest-austenitt. Stålet er varmebehandlet i to sykluser for å simulere ICCGHAZ i sveisesoner, hvorpå avkjølingshastigheten i temperatureintervallet fra T=800 - 500°C er satt til 5 sekund for en prøve, og 10 sekund for en annen prøve. Avkjølingshastigheten avgjører således de bruddmekaniske egenskapene, som er undersøkt ved nanomekanisk kompresjons testing. Pilar størrelsen er 250nm, 450nm og 1um. Resultatet indikerer at 5 sekunds prøven utviser høyere styrke og seighet. Størrelseseffekten er ikke fremtredende før en kritisk pilar diameter på 250nm er nådd. Dette stålet er undersøkt som en del av prosjektet Arctic Materials Group på SINTEF.Et to-fase stål bestående av martensitt korn i en matriks av feritt er undersøkt som en del av EU-prosjektet ved NTNU. To forskjellige prøver er undersøkt, hvorpå forskjellen skyldes legeringsinnhold av 0.05wt% Nb i den ene prøven, og ingenting i den andre. Legeringselementet øker både duktile egenskaper og styrken, på grunn av finfordelte utfellinger av karbider og redusering av kornvekst. Single-slip orienteringen (5 2 11) i feritt fasen er i hovedfokus, men martensitt fasen er også undersøkt. Fra resultatene kan det konkluderes med at innhold av Nb hever styrken og duktiliteten til materialet markant. Pillar diameter testet er 500nm og 1um. Størrelseseffekten kan ikke påvises eller avkreftes, da det ikke er undersøkt nok pillar størrelser til å trekke en absolutt konklusjon. Tre forskjellige orienteringer av 99.998% rent bcc-Jern er undersøkt: Multi-slip orientering (111) og (110), sammen med en single-slip orientering (235). Hovedfokuset ligger i å undersøke størrelseseffekten av en-krystall bcc-Fe, og om effekten av single-slip i forhold til multi-slip systemer påvirker resultatene. Kompresjons testing avslører at det er en fremtredende størrelseseffekt tilstede i alle tre orienteringer. Styrken til (111) orienteringen er høyere jevnt over sammenlignet med de to andre orienteringene, selv om størrelseseffekten er mest fremtredende i (235). Den økte styrken som de minste pillarene utviser, er således ikke påvirket av mengden av tilgjengelige slip-systemer. En beskrivende ligning for størrelses-effekt sensitiviteten er τ = D-n, hvor størrelsen på n indikerer sensitiviteten. For dette renjernet ligger verdien av n i samme området som for fcc metaller, altså en markant størrelseseffekt. Skjønt, er deformasjons mekanismen i fcc og bcc grunnleggende forskjellige. Den observerte styrke økningen, konkluderes å være forårsaket av atermale prosesser, eller ved skru-dislokasjoners grad av mobilitet. Pillar størrelsen varierer fra 100nm, 500nm, 1um og 2um. Det kan derfor konkluderes med at det er en sterk størrelse effekt i bcc-Fe. For å kunne forstå de lokale egenskapene i komplekse mikrostrukturer, er det først og fremst avgjørende å forstå deformasjonsmekanismen i rene en-krystaller. En god teori for plastisk deformasion på sub-mikro nivå er fremdeles ikke fremkommet og validert både eksperimentelt og data simulert. Når dette skjer, kan man være i stand til å forstå effekten av komplekse gitterstrukturer og legeringsinnhold, på nanomekaniske plastiske egenskaper. Med andre ord, man må tilnærme seg problemet fra en bottom-up perspektiv. Koblingen mellom datasimuleringer og eksperimentell testing på sub-mikronivå, må gjøres sterkere. Inntil dags dato, er mye av dette universet fremdeles uutforsket, og kun mindre forstått. Derfor kan du bruke denne oppgaven som ditt springbrett inn i verden av nanoskalerte materialeventyr!