Design and optimization of turbo-expanders for organic rankine cycles

In a world focused on the need to produce energy for a growing population, while reducing atmospheric emissions of carbon dioxide, organic Rankine cycles represent a solution to fulfil this goal. This study focuses on the design and optimization of axial-flow turbines for organic Rankine cycles. From the turbine designer point of view, most of this fluids exhibit some peculiar characteristics, such as small enthalpy drop, low speed of sound, large expansion ratio. A computational model for the prediction of axial-flow turbine performance is developed and validated against experimental data. The model allows to calculate turbine performance within a range of accuracy of ±3%. The design procedure is coupled with an optimization process, performed using a genetic algorithm where the turbine total-to-static efficiency represents the objective function. The computational model is integrated in a wider analysis of thermodynamic cycle units, by providing the turbine optimal design. First, the calculation routine is applied in the context of the Draugen offshore platform, where three heat recovery systems are compared. The turbine performance is investigated for three competing bottoming cycles: organic Rankine cycle (operating cyclopentane), steam Rankine cycle and air bottoming cycle. Findings indicate the air turbine as the most efficient solution (total-to-static efficiency = 0.89), while the cyclopentane turbine results as the most flexible and compact technology (2.45 ton/MW and 0.63 m3/MW). Furthermore, the study shows that, for organic and steam Rankine cycles, the optimal design configurations for the expanders do not coincide with those of the thermodynamic cycles. This suggests the possibility to obtain a more accurate analysis by including the computational model in the simulations of the thermodynamic cycles. Afterwards, the performance analysis is carried out by comparing three organic fluids: cyclopentane, MDM and R245fa. Results suggest MDM as the most effective fluid from the turbine performance viewpoint (total-to-total efficiency = 0.89). On the other hand, cyclopentane guarantees a greater net power output of the organic Rankine cycle (P = 5.35 MW), while R245fa represents the most compact solution (1.63 ton/MW and 0.20 m3/MW). Finally, the influence of the composition of an isopentane/isobutane mixture on both the thermodynamic cycle performance and the expander isentropic efficiency is investigated. Findings show how the mixture composition affects the turbine efficiency and so the cycle performance. Moreover, the analysis demonstrates that the use of binary mixtures leads to an enhancement of the thermodynamic cycle performance.

Analisi sperimentale degli effetti di temperature elevate sul comportamento strutturale dei rinforzi in FRP

In questa tesi si è voluta porre l’attenzione sulla suscettibilità alle alte temperature delle resine che li compongono. Lo studio del comportamento alle alte temperature delle resine utilizzate per l’applicazione dei materiali compositi è risultato un campo di studio ancora non completamente sviluppato, nel quale c’è ancora necessità di ricerche per meglio chiarire alcuni aspetti del comportamento. L’analisi di questi materiali si sviluppa partendo dal contesto storico, e procedendo successivamente ad una accurata classificazione delle varie tipologie di materiali compositi soffermandosi sull’ utilizzo nel campo civile degli FRP (Fiber Reinforced Polymer) e mettendone in risalto le proprietà meccaniche. Considerata l’influenza che il comportamento delle resine riveste nel comportamento alle alte temperature dei materiali compositi si è, per questi elementi, eseguita una classificazione in base alle loro proprietà fisico-chimiche e ne sono state esaminate le principali proprietà meccaniche e termiche quali il modulo elastico, la tensione di rottura, la temperatura di transizione vetrosa e il fenomeno del creep. Sono state successivamente eseguite delle prove sperimentali, effettuate presso il Laboratorio Resistenza Materiali e presso il Laboratorio del Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali, su dei provini confezionati con otto differenti resine epossidiche. Per valutarne il comportamento alle alte temperature, le indagini sperimentali hanno valutato dapprima le temperature di transizione vetrosa delle resine in questione e, in seguito, le loro caratteristiche meccaniche. Dalla correlazione dei dati rilevati si sono cercati possibili legami tra le caratteristiche meccaniche e le proprietà termiche delle resine. Si sono infine valutati gli aspetti dell’applicazione degli FRP che possano influire sul comportamento del materiale composito soggetto alle alte temperature valutando delle possibili precauzioni che possano essere considerate in fase progettuale.

Modelling and analysis of internally BFRP reinforced beams at elevated temperatures

The aim of the work is to conduct a finite element model analysis on a small – size concrete beam and on a full size concrete beam internally reinforced with BFRP exposed at elevated temperatures. Experimental tests performed at Kingston University have been used to compare the results from the numerical analysis for the small – size concrete beam. Once the behavior of the small – size beam at room temperature is investigated and switching to the heating phase reinforced beams are tested at 100°C, 200°C and 300°C in loaded condition. The aim of the finite element analysis is to reflect the three – point bending test adopted into the oven during the exposure of the beam at room temperature and at elevated temperatures. Performance and deformability of reinforced beams are straightly correlated to the material properties and a wide analysis on elastic modulus and coefficient of thermal expansion is given in this work. Develop a good correlation between the numerical model and the experimental test is the main objective of the analysis on the small – size concrete beam, for both modelling the aim is also to estimate which is the deterioration of the material properties due to the heating process and the influence of different parameters on the final result. The focus of the full – size modelling which involved the last part of this work is to evaluate the effect of elevated temperatures, the material deterioration and the deflection trend on a reinforced beam characterized by a different size. A comparison between the results from different modelling has been developed.

Caratterizzazione flessionale del rinforzo di pavimentazioni bituminose con interstrati sintetici

Uno degli aspetti fondamentali della circolazione stradale è rappresentato dalla conservazione della qualità, in termini di comfort e sicurezza trasmessa all’utente, della sovrastruttura stradale. L’obiettivo della manutenzione stradale è di garantire un livello soddisfacente delle caratteristiche funzionali lungo tutto l’arco della vita utile dell’infrastruttura. Le ridotte disponibilità economiche di enti ed amministrazioni pubbliche, spingono i ricercatori ed i tecnici del settore ad individuare soluzioni tecniche e progettuali, in grado di coniugare economicità e durabilità degli interventi. Negli ultimi decenni, si è cercato di studiare l’effetto prodotto dall’eventuale inserimento di un interstrato di rinforzo all’interno della sovrastruttura. Lo studio, sviluppato e descritto nel presente documento, ha l’obiettivo di migliorare la comprensione dell’effettivo contributo che i materiali di rinforzo possono produrre all’interno degli strati legati di una pavimentazione flessibile. Gli obiettivi dell’indagine sperimentale, descritta nel presente documento, possono essere sintetizzati in tre punti fondamentali: - caratterizzazione flessionale di pavimentazioni bituminose con interstrati sintetici, in particolare lo scopo dell’indagine verte a quantificare il miglioramento del comportamento meccanico della pavimentazione dotata di rinforzo; - analisi del comportamento a fessurazione della pavimentazione, rinforzata e non, con particolare attenzione nei confronti del reflective cracking; - valutazione del collegamento tra i due strati bituminosi in presenza di interstrato sintetico. Per raggiungere tali obiettivi sono state eseguite due serie di prove di flessione su 3 punti (3PB) e prove di taglio Leutner.

Analisi e caratterizzazione dei materiali di rinforzo nelle sovrastrutture stradali

Nel presente elaborato è stato studiato l'effetto prodotto dall'inserimento di interstrati di rinforzo tra strati legati di una pavimentazione. Si è realizzato un confronto tra due pavimentazioni, una rinforzata e l'altra di controllo, mediante il software di calcolo OLCRACK, aventi le medesime caratteristiche geometriche e gli stessi materiali. In questo modo è stato possibile osservare l'effetto della griglia di rinforzo nel contrastare e ritardare il fenomeno del reflective cracking. Parallelamente è stata effettuata un'indagine sperimentale in laboratorio su travetti bi-strato rinforzati con due tipologie differenti di griglie. I risultati hanno evidenziato l'importanza del ricoprimento sulla griglia, poiché i travetti più spessi hanno dato una risposta migliore alla vita a fatica. In più è stata osservata l'importanza della resistenza a trazione della griglia nell'incremento dei cicli a rottura dei provini.

Optimisation of chemical lysis protocol for point-of-care leukocyte differentiation

The full blood cell (FBC) count is the most common indicator of diseases. At present hematology analyzers are used for the blood cell characterization, but, recently, there has been interest in using techniques that take advantage of microscale devices and intrinsic properties of cells for increased automation and decreased cost. Microfluidic technologies offer solutions to handling and processing small volumes of blood (2-50 uL taken by finger prick) for point-of-care(PoC) applications. Several PoC blood analyzers are in use and may have applications in the fields of telemedicine, out patient monitoring and medical care in resource limited settings. They have the advantage to be easy to move and much cheaper than traditional analyzers, which require bulky instruments and consume large amount of reagents. The development of miniaturized point-of-care diagnostic tests may be enabled by chip-based technologies for cell separation and sorting. Many current diagnostic tests depend on fractionated blood components: plasma, red blood cells (RBCs), white blood cells (WBCs), and platelets. Specifically, white blood cell differentiation and counting provide valuable information for diagnostic purposes. For example, a low number of WBCs, called leukopenia, may be an indicator of bone marrow deficiency or failure, collagen- vascular diseases, disease of the liver or spleen. The leukocytosis, a high number of WBCs, may be due to anemia, infectious diseases, leukemia or tissue damage. In the laboratory of hybrid biodevices, at the University of Southampton,it was developed a functioning micro impedance cytometer technology for WBC differentiation and counting. It is capable to classify cells and particles on the base of their dielectric properties, in addition to their size, without the need of labeling, in a flow format similar to that of a traditional flow cytometer. It was demonstrated that the micro impedance cytometer system can detect and differentiate monocytes, neutrophils and lymphocytes, which are the three major human leukocyte populations. The simplicity and portability of the microfluidic impedance chip offer a range of potential applications in cell analysis including point-of-care diagnostic systems. The microfluidic device has been integrated into a sample preparation cartridge that semi-automatically performs erythrocyte lysis before leukocyte analysis. Generally erythrocytes are manually lysed according to a specific chemical lysis protocol, but this process has been automated in the cartridge. In this research work the chemical lysis protocol, defined in the patent US 5155044 A, was optimized in order to improve white blood cell differentiation and count performed by the integrated cartridge.