Experimental investigation of transient natural convection cooling of high prandtl number fluid with variable viscosity

Report for the scientific sojourn at the James Cook University, Australia, between June to December 2007. Free convection in enclosed spaces is found widely in natural and industrial systems. It is a topic of primary interest because in many systems it provides the largest resistance to the heat transfer in comparison with other heat transfer modes. In such systems the convection is driven by a density gradient within the fluid, which, usually, is produced by a temperature difference between the fluid and surrounding walls. In the oil industry, the oil, which has High Prandtl, usually is stored and transported in large tanks at temperatures high enough to keep its viscosity and, thus the pumping requirements, to a reasonable level. A temperature difference between the fluid and the walls of the container may give rise to the unsteady buoyancy force and hence the unsteady natural convection. In the initial period of cooling the natural convection regime dominates over the conduction contribution. As the oil cools down it typically becomes more viscous and this increase of viscosity inhibits the convection. At this point the oil viscosity becomes very large and unloading of the tank becomes very difficult. For this reason it is of primary interest to be able to predict the cooling rate of the oil. The general objective of this work is to develop and validate a simulation tool able to predict the cooling rates of high Prandtl fluid considering the variable viscosity effects.

Modelling the cooling of concrete by piped water

Piped water is used to remove hydration heat from concrete blocks during construction. In this paper we develop an approximate model for this process. The problem reduces to solving a one-dimensional heat equation in the concrete, coupled with a first order differential equation for the water temperature. Numerical results are presented and the effect of varying model parameters shown. An analytical solution is also provided for a steady-state constant heat generationmodel. This helps highlight the dependence on certain parameters and can therefore provide an aid in the design of cooling systems.

Cooling and heating by adiabatic magnetization in Ni50Mn34In16 magnetic shape-memory alloy

We report on measurements of the adiabatic temperature change in the inverse magnetocaloric Ni50Mn34In16 alloy. It is shown that this alloy heats up with the application of a magnetic field around the Curie point due to the conventional magnetocaloric effect. In contrast, the inverse magnetocaloric effect associated with the martensitic transition results in the unusual decrease of temperature by adiabatic magnetization. We also provide magnetization and specific heat data which enable to compare the measured temperature changes to the values indirectly computed from thermodynamic relationships. Good agreement is obtained for the conventional effect at the second-order paramagnetic-ferromagnetic phase transition. However, at the first-order structural transition the measured values at high fields are lower than the computed ones. Irreversible thermodynamics arguments are given to show that such a discrepancy is due to the irreversibility of the first-order martensitic transition.

Chaotic, memory, and cooling rate effects in spin glasses: Evaluation of the Edwards-Anderson model

We investigate chaotic, memory, and cooling rate effects in the three-dimensional Edwards-Anderson model by doing thermoremanent (TRM) and ac susceptibility numerical experiments and making a detailed comparison with laboratory experiments on spin glasses. In contrast to the experiments, the Edwards-Anderson model does not show any trace of reinitialization processes in temperature change experiments (TRM or ac). A detailed comparison with ac relaxation experiments in the presence of dc magnetic field or coupling distribution perturbations reveals that the absence of chaotic effects in the Edwards-Anderson model is a consequence of the presence of strong cooling rate effects. We discuss possible solutions to this discrepancy, in particular the smallness of the time scales reached in numerical experiments, but we also question the validity of the Edwards-Anderson model to reproduce the experimental results.

Ecological conflicts and valuation - mangroves vs. shrimp in the late 1990s

Shrimps are produced in two different ways. They are fished in the sea (sometimes at the cost of turtle destruction) or they are "farmed" in ponds in coastal areas. Such aquaculture is increasing around the world as shrimps become a valuable item of world trade. Mangrove forests are sacrificed for commercial shrimp farming. This paper considers the conflict between mangrove conservation and shrimp exports in different countries.Who has title to the mangroves, who wins and who loses in this tragedy of enclosures? Which languages of valuation are used by different actors in order to compare the increase in shrimp exports and the losses in livelihoods and in environmental services? The economic valuation of damages is only one of the possible languages of valuation which are relevant in practice. Who has the power to impose a particular language of valuation?

Thickening of phase change materials (PCM) to avoid segregation

Estudi elaborat a partir d’una estada a Çukurova University, Turquia, al juliol del 2006. L’emmagatzematge d’energia tèrmica ha atret interès en aplicacions tèrmiques com l’aigua calenta, la calefacció i l’aire condicionat. Aquests sistemes són útils per corregir la no coincidència entre la oferta i la demanda d’energia. Principalment hi ha dos tipus de sistemes d’emmagatzematge d’energia tèrmica, emmagatzematge amb calor sensible i amb calor latent. L’emmagatzematge amb calor latent és particularment atractiu degut a la seva habilitat de donar una densitat d’emmagatzematge d’energia més alt i la seva característica d’emmagatzemar calor a una temperatura constant corresponent a la temperatura de transició de fase de la substància emmagatzemadora de calor. Les salts hidratades orgàniques tenen certes avantatges com a materials d’emmagatzematge de calor latent sobre els materials orgànics. En canvi, quan les salts hidratades s’utilitzen com a materials de canvi de fase (PCM) apareixen alguns problemes en les aplicacions d’emmagatzematge de calor latent. Aquests són el subrefredament de les salts hidratades quan es congelen degut a les seves dèbils propietats de nucleació, i la separació de fase que hi apareix degut a una fusió incongruent. En aquest estudi, s’estabilitza sal de Glauber (Na2SO4.10H2O) amb diferents concentracions de poliacrilamida i gelatina per prevenir la fusió incongruent. Per prevenir el subrefredament s’utilitza un agent nucleant amb una estructura cristal•lina semblant a la de la sal de Glauber. La capacitat d’emmagatzematge de calor de les mostres de PCM estabilitzades amb diferents concentracions de gels polimèrics es determinen amb DCS i amb el mètode T-history.

Tomato response to a high light transmission greenhouse film

Increasing greenhouse light transmission has a positive effect not only in Northern latitudes but in Mediterranean countries as well. A greenhouse, H2, with a tetrafluoroethylene copolymer 60 microns film, (Asahi Glass company, Aflex) characterised by its high light transmission and durability was compared to another greenhouse with a co-extruded film considered as a control, H1. Tomato crop response to the increase in light during winter and summer with high temperature and light was evaluated. Light transmission in H2 remained very high in spite of the observed dust accumulation and the low angle of incidence of the winter solar radiation. Transmissivity was clearly higher for H2 (81 to 83 % throughout the season) than in the control (around 63 %). The rest of the climatic parameters were similar in both greenhouses, either in the winter or in the summer evaluations. In spite of the high solar radiation in H2, the summer temperature could be maintained at the desired levels by using evaporative cooling. Accumulated tomato yield and quality was better in the H2 greenhouse (15 % more for the winter crop and 27% more for the summer crop). Fruit size was bigger in the winter crop. As an overall conclusion, the use of high light transmissive films in Mediterranean areas is very convenient for many vegetable crops. This is valid not only in winter but in summer, provided the greenhouse has good ventilation or evaporative cooling to overcome the increase in sensible heat caused by this increase in light..

Estudi de la bassa de l'institut com un ecosistema

Treball de recerca realitzat per un alumne d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit cientí­fic del Jovent l'any 2009. L'IES Sant Andreu té una bassa que fa tres anys es va omplir i que s'ha anat poblant de vegetals aquàtics provinents de Banyoles i altres basses naturals a part de la colonització natural pròpia de qualsevol ecosistema. L'estudi de la bassa com un ecosistema és un tema molt interessant ja que es fonamenta bàsicament en l'observació. El treball està estructurat en dues parts. La primera part s'encarrega de l'estudi de les característiques de l'aigua, aquesta part del treball és més experimental. La segona part consisteix en l'observació dels habitants de la bassa. En general el treball tracta de l'ecologia de la bassa de al llarg del semestre Juliol- Desembre 2009. S'han estudiat les característiques físico-químiques de l'aigua i els organismes aquàtics que l'habiten. També s'ha confeccionat un DVD que recull les observacions en viu dels microorganismes més representatius.

Un problema d'excés: l'eutrofització

Treball de recerca realitzat per un alumne d'ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l'any 2009. L’objectiu del treball era el de comprovar si era possible provocar un procés d'eutrofització en unes peixeres, com a simulació del procés que es dóna de forma natural en alguns llacs i basses del nostre país. Mantenint una peixera de control, en les altres dues hi provocàvem un excés de nutrients abocant fertilitzant sintètic en diferents concentracions per tal de comprovar les diferències causades per aquest procés de contaminació ambiental. Una vegada fet l'experiment, tot i que no s’ha aconseguit un alt grau d’eutrofització i per tant, no s’ha pogut demostrar moltes de les conseqüències d’aquest procés, sí que s’ha aconseguit dur a terme una contaminació i s’ha pogut observar com evoluciona un medi alterat per l’home respecte un ecosistema amb òptimes condicions. Al comparar aquest experiment amb la realitat actual s’observa que tots els canvis que han succeït a petita escala en aquests ecosistemes, en la natura, es produeixen en un major grau i amb unes conseqüències molt més adverses pels organismes.

Simulació numèrica de fenòmens de transferència de calor i dinàmics de fluids transitoris

The work carried out during the 4 year research activity can be barely classified in two main lines. On the one hand, a considerable effort is taken to address issues related with the verification of multi-dimensional and transient solutions that are obtained by numerical simulations. Within the studied cases, we can consider cases of piston-cylinder ows within geometries similar to those of hermetic reciprocating compressors.This issue is mentioned in Part I. On the other hand, numerical simulations of different phenomena have been performed. More emphasis has been given to the natural convection ow within enclosures. This is explained in Part II. The case extensively studied has been the natural convection ow. The natural convection ow within enclosures has attracted the attention of many researchers due to its potential to model numerous applications of engineering interest, such as cooling of electronic devices, air ow in buildings, heat transfer in solar collectors, among others. The natural convection studies corresponding to the parallelepipedic enclosures can be classified into two elementary classes: i) heating from a horizontal wall (heating from below); ii) heating from a vertical wall. The characteristic example of the former case is the Rayleigh-B_enard ow, however this research is on the cavities heated from the side. This configuration is referred commonly as the differentially heated cavity.

Influència del context geològic i hidrogeològic en l'eficiència energètica dels sistemes geotèrmics de molt baixa entalpia

L’elevat consum energètic de les societats actuals, així com la impossibilitat de sostenir-lo a llarg termini implica la cerca de noves fonts d’energia. D’aquesta manera, en el camp de la climatització residencial, l’energia geotèrmica de molt baixa entalpia es posiciona com una alternativa als recursos energètics actuals. Així, els primers metres de subsòl presenten una temperatura adequada per al seu aprofitament calorífic, mitjançant els sistemes geotèrmics de bomba de calor. Si bé a nivell energètic, són sistemes, intrínsecament, molt eficients, el seu rendiment pot patir importants variacions davant dels canvis en les condicions del medi geològic i hidrogeològic. Especialment, els col·lectors de calor verticals, treballen, amb freqüència, en el si de les formacions hidrogeològiques. En aquest sentit, els canvis del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua de l’aqüífer es manifesten amb variacions de la conductivitat tèrmica equivalent i del flux subterrani d’aigua, que alhora, aquestes, es tradueixen en alteracions del flux subterrani de calor. Davant d’aquest fet, l’avaluació quantitativa de l’efecte d’aquestes fluctuacions que es presenta en aquest treball mostra petites variacions del nivell hidràulic i de la temperatura de l’aigua comporten canvis molt notables en l’eficiència dels sistemes verticals de bomba de calor geotèrmica.

Anàlisi de la qualitat de l'aigua: estudi dels impactes humans sobre la qualitat de l'aigua en pous i basses del Parc del Garraf i rodalies

Amb la finalitat de conèixer l’estat de qualitat de les aigües de les basses i pous del Parc del Garraf, s’analitzen una sèrie de paràmetres fisico-químics en 17 estacions de mostreig prèviament seleccionades, distribuïdes en zones amb diferents tipologies d’ús del sòl. La base de l’anàlisi ha estat la integració d’informació provinent de diferents fonts. Mitjançant l’elaboració de taules i gràfics, la generació de cartografia i el tractament estadístic de les dades, s’ha procedit a la tria de punts de mostreig i s’ha obtingut un inventari que ha permès la interpretació global dels resultats, facilitant la diagnosi. El procés de tractament de dades inclou la confecció d’un índex de qualitat de les aigües (ICA) propi, no vinculant, a partir de fórmules genèriques de normalització i ponderació de valors. Durant la realització de la diagnosi s’han detectat pertorbacions puntuals en determinats paràmetres corresponents a contaminacions locals, en diferents estacions de mostreig. Aquestes pertorbacions s’han relacionat amb la situació dels pous i les basses al Garraf i les tipologies d’ús del sòl de cada zona. El diagnòstic de pertorbacions ha orientat les propostes de millora aplicables que s’han dividit en tres classes segons el nivell d’actuació. Aquestes incideixen principalment, en la millora de la informació disponible, l’aplicació de l’agricultura ecològica, l’explotació sostenible dels aqüífers i la realització d’estudis globals i/o locals, més complets i exhaustius.

Anàlisi del sistema agroecològic de Vila-seca: proposta de guia per a la descoberta del medi

S’ha elaborat una anàlisi del sistema agroecològic del municipi de Vila-seca (Tarragonès) per tal de realitzar en segon lloc, una proposta de guia per a la descoberta del medi per a infants d’entre 8 i 10 anys. A partir del treball de camp realitzat a la zona d’estudi s’han inventariat diferents elements del patrimoni socioecològic que es consideren de rellevada importància al terme. Entre ells destaquen oliveres, garrofers, avellaners, arbres singulars, masos, basses, marges de pedra seca i trones, els quals s’integren en el medi formant un veritable sistema agroecològic, fruit de la interacció entre vectors biofísics i socioeconòmics. D’altra banda, per tal de donar a conèixer aquest sistema s’ha realitzat una proposta de descoberta del medi agrícola a partir d’un itinerari d’educació ambiental per la zona estudiada, on s’engloben tots aquells elements d’especial interès en un recorregut de 2,9 quilòmetres. La guia disposa a més d’una sèrie d’activitats a realitzar a l’entorn per tal de motivar el sentiment de descoberta d’aquest sistema. D’aquesta manera, considerant les fortes pressions que aquest territori pateix per part de les infraestructures i les urbanitzacions és destriable la necessitat de conservació i l’addició dels elements inventariats al catàleg del Patrimoni del municipi.

Improving the accuracy of heat balance integral methods applied to thermal problems with time dependent boundary conditions

In this paper the two main drawbacks of the heat balance integral methods are examined. Firstly we investigate the choice of approximating function. For a standard polynomial form it is shown that combining the Heat Balance and Refined Integral methods to determine the power of the highest order term will either lead to the same, or more often, greatly improved accuracy on standard methods. Secondly we examine thermal problems with a time-dependent boundary condition. In doing so we develop a logarithmic approximating function. This new function allows us to model moving peaks in the temperature profile, a feature that previous heat balance methods cannot capture. If the boundary temperature varies so that at some time t & 0 it equals the far-field temperature, then standard methods predict that the temperature is everywhere at this constant value. The new method predicts the correct behaviour. It is also shown that this function provides even more accurate results, when coupled with the new CIM, than the polynomial profile. Analysis primarily focuses on a specified constant boundary temperature and is then extended to constant flux, Newton cooling and time dependent boundary conditions.

An approximate solution method for boundary layer flow of a power law fluid over a flat plate

The work in this paper deals with the development of momentum and thermal boundary layers when a power law fluid flows over a flat plate. At the plate we impose either constant temperature, constant flux or a Newton cooling condition. The problem is analysed using similarity solutions, integral momentum and energy equations and an approximation technique which is a form of the Heat Balance Integral Method. The fluid properties are assumed to be independent of temperature, hence the momentum equation uncouples from the thermal problem. We first derive the similarity equations for the velocity and present exact solutions for the case where the power law index n = 2. The similarity solutions are used to validate the new approximation method. This new technique is then applied to the thermal boundary layer, where a similarity solution can only be obtained for the case n = 1.