Abstract Heat exchangers are used in industrial processes to transfer energy from one source to another. Heat exchangers improve the energy efficiency of processes and therefore increase the profitability and decrease the environmental impact of production. Effectiveness of heat exchangers may be diminished by fouling, in which unwanted material deposits on the heat transfer surface reducing the heat transfer and increasing the pressure drop of the system. Due to fouling, the energy demand, and the operation and maintenance costs of industrial processes increase significantly. In addition, fouling causes considerable environmental effects due to the increased energy demand and the use of additives and cleaning chemicals. In this thesis, the crystallization fouling of calcium carbonate on heat transfer surfaces was studied using experimental and modeling methods with the aim to reduce fouling by increasing the understanding of the crystallization fouling phenomenon and providing a validated model for studying crystallization fouling on heat transfer surfaces. The fouling experiments were conducted in a laboratory scale set-up to study the crystallization fouling mechanism under controlled conditions. Based on the knowledge and data gained from the experiments, a crystallization fouling model was developed, and validated in various conditions. As a result, the most important parameters affecting crystallization fouling were identified, and the governing sub-processes were determined. The developed model was used to optimize the surface temperature of a heat exchanger to provide the maximum heat transfer rate when the heat exchanger is subject to fouling at various cleaning intervals. In addition, the used methods were applied in the study of the abatement of fouling by surface modifications. Based on the results, the studied crystallization process is governed by the surface integration sub-process. In addition, the residence time of the fluid at the wall affects the mass deposition. The results showed that the surface temperature and the shear stress are the most important parameters affecting fouling in the studied conditions, and therefore, they should be defined accurately. For this purpose, CFD was found to provide a useful tool. The developed models were found to predict reliably the experimental conditions. Therefore, the thesis shows that the developed model facilitates the design of heat exchangers, but also assists in minimizing the fouling of heat exchangers. / Tiivistelmä Lämmönvaihtimia käytetään teollisissa prosesseissa siirtämään energiaa kohteesta toiseen. Lämmönvaihtimet parantavat prosessien energiatehokuutta ja siten lisäävät tuotannon kannattavuutta ja vähentävät ympäristövaikutuksia. Lämmönvaihdinten energiatehokkuutta heikentää kuitenkin likaantuminen, jossa lämmönsiirtopinnalle muodostuu kerrostuma, joka heikentää lämmönsiirtoa ja aiheuttaa virtausvastusta. Likaantuminen lisää lämmönvaihdinten energiankulutusta ja käyttökustannuksia sekä aiheuttaa merkittäviä ympäristöpäästöjä kasvaneen energiantarpeen sekä lisä- ja puhdistusaineiden käytön vuoksi. Tässä työssä tutkittiin kalsium karbonaatin aiheuttamaa lämmönsiirtopintojen kiteytyvää likaantumista käyttäen sekä kokeellisia että mallinnusmenetelmiä. Työn tavoitteena oli lisätä tietoa kiteytyvästä likaantumisesta sekä kehittää validoitu laskentamalli, jolla voidaan tutkia lämmönsiirtopintojen kiteytyvää likaantumista. Likaantumiskokeet tehtiin laboratoriomittakaavan koelaitteessa, jolla voidaan tutkia likaantumismekanismia hallituissa olosuhteissa. Kokeista saadun tiedon ja aineiston perusteella kehitettiin kiteytyvää likaantumista kuvaava malli, joka validoitiin eri olosuhteissa. Tulosten perusteella identifioitiin tärkeimmät kiteytyvään likaantumiseen vaikuttavat parametrit sekä määritettiin rajoittavat osa-prosessit. Kehitettyä mallia käytettiin lämmönsiirtoprosessin optimoinnissa. Lisäksi käytettyjä metodeja sovellettiin tutkimukseen, jossa likaantumista pyrittiin vähentämään pintamodifikaatioiden avulla. Tulosten perusteella tutkittu kiteytymisprosessi on pinta-integraation rajoittama. Lisäksi havaittiin, että fluidin viipymäaika lämmönsiirtopinnalla vaikuttaa likaantumisnopeuteen. Tulokset osoittivat, että pintalämpötila ja leikkausjännitys ovat tärkeimmät kiteytyvään likaantumiseen vaikuttavat tekijät tutkituissa olosuhteissa. Näin ollen niiden tarkka määrittely on erittäin tärkeää likaantumisnopeuden mallintamiseksi luotettavasti. Virtauslaskenta (CFD) osoittautui hyödylliseksi työkaluksi näiden parametrien määrittämisessä. Tulosten perusteella kehitetty malli ennustaa luotettavasti kokeellisia olosuhteita. Näin ollen tämä työ osoittaa, että kehitettyä mallia voidaan käyttää apuna paitsi lämmönvaihtimien suunnittelussa myös lämmönsiirtopintojen kiteytyvän likaantumisen vähentämisessä.

Abstract The qualitative and quantitative characteristics of each component layer constituting the structure of organic bulk heterojunction solar cells (OSC-BHJ) contribute significantly towards its overall performance. One of the prevalent issues resulting in reduced device efficiency is due to the conformational inhomogeneities in the active and buffer layers. The mechanical stress, extended thermal exposure and presence of mutually reactive component layers etc., affects negatively on the device stability. Effective methods to address these issues will be extensively benefited by the industry since the current commercialisation of the technology is hindered owing to the lower efficiency and stability of these devices. This dissertation focuses on methods to coherently enhance the performance and longevity of the OSC-BHJ devices. The efficiency enhancements of the devices in this work were achieved through two main routes. The first route was through morphological improvement of the active layer. The second route was through boosting the electrical characteristics of hole transporting conducting polymer layer (HTL) by controlled annealing conditions. The introduction of a suitable additive in the active layer was found to reduce unfavourable phase segregation thus resulting in enhanced morphology. Further, the annealing conditions in different atmospheres (air, nitrogen and vacuum) were found to have a clear influence on the optimum functioning of the HTL in the device. Regarding the stability improvement study done in this work, a method of employing suitable interlayer was developed to effectively abate the internal degradation occurring in the device due to etching reaction on the indium tin oxide (ITO) anode by the HTL. Moreover, experimental investigations were carried out for drawing fundamental understanding of stability degenerating issues such as the influence of mechanical defects on transparent conducting metal oxide (ITO) anode on the performance of the device and heat induced degradations in the low band gap polymer-fullerene active layer. The highlight of this research is that the discovered methods are inexpensive, efficient, and easy to adopt. The results of the study could help the technology to overcome some of its limitations and accelerate its progress towards commercialisation. / Tiivistelmä Orgaanisten heteroliitosaurinkokennojen kerrosrakenteen ominaisuudet ja laatu vaikuttavat merkittävästi aurinkokennojen toiminnallisuuteen. Erityisesti rakenteelliset epähomogeenisuudet aktiivi- ja puskurikerroksissa heikentävät kennon hyötysuhdetta. Kennojen stabiilisuutta tarkasteltaessa myös mekaanisella rasituksella, pitkittyneellä lämpöaltistuksella ja materiaalien reagoinneilla keskenään kerrosten välillä, on selkeä negatiivinen vaikutus kennojen stabiilisuuteen. Orgaanisen aurinkokennoteknologian kaupallistamisen rajoitteina ovat kennojen heikko hyötysuhde ja stabiilisuus, joten menetelmät jotka tarjoavat ratkaisuja edellä mainittuihin ongelmiin, ovat erittäin tärkeitä teknologiaa kaupallistavalle teollisuudelle. Tämä väitöskirja keskittyy johdonmukaisesti selvittämään tapoja, joilla voidaan parantaa heteroliitosaurinkokennojen hyötysuhdetta ja elinikää. Hyötysuhteen tehostamiseksi valittiin kaksi eri lähestymistapaa, joista ensimmäisessä keskityttiin aktiivikerroksen morfologian parantamiseen ja toisessa aukkoja kuljettavan kerroksen sähköisten ominaisuuksien parantamiseen lämpökäsittelyprosessin avulla. Sopivan lisäaineen avulla aktiivikerroksen ei-toivottua kiteytymistä voidaan pienentää ja parantaa näin kerroksen morfologiaa. Lisäksi työssä todettiin, että lämpökäsittelyn aikaisella ympäristöolosuhteella (ilma, typpi, tyhjiö) on merkittävä vaikutus puskurikerroksen optimaaliseen toimintaan aurinkokennossa. Stabiilisuuden parantamiseksi kehitettiin välikerroksen hyödyntämiseen perustuva menetelmä, jolla voidaan tehokkaasti vähentää kennojen sisäisessä rakenteessa tapahtuvaa toiminnallisuuden heikkenemistä, joka aiheutuu aukkoja kuljettavan kerroksen syövyttävästä vaikutuksesta indiumtinaoksidi (ITO) pohjaiseen anodiin. Tämän lisäksi työssä tutkittiin kokeellisesti stabiilisuuteen heikentävästi vaikuttavia tekijöitä, kuten mekaanisen rasituksen aiheuttamia vaurioita metallioksidi (ITO) anodissa ja lämpöaltistuksesta aiheutuvia vikoja polymeeri-fullereeni rakenteeseen perustuvassa aktiivikerroksessa. Tutkimuksen keskeisin tulos on, että esitellyt keinot aurinkokennojen hyötysuhteen ja stabiilisuuden parantamiseen ovat edullisia, tehokkaita ja helppoja hyödyntää. Tulokset voivat merkittävästi edistää orgaanisten aurinkokennojen teknistä kehitystä ja kiihdyttää niiden tuloa kaupallisiksi tuotteiksi.