Modelling of ORC components and systems for low-medium temperature heat recovery applications with reduced environmental impact

Although its great potential as low to medium temperature waste heat recovery (WHR) solution, the ORC technology presents open challenges that still prevent its diffusion in the market, which are different depending on the application and the size at stake. Focusing on the micro range power size and low temperature heat sources, the ORC technology is still not mature due to the lack of appropriate machines and working fluids. Considering instead the medium to large size, the technology is already available but the investment is still risky. The intention of this thesis is to address some of the topical themes in the ORC field, paying special attention in the development of reliable models based on realistic data and accounting for the off-design performance of the ORC system and of each of its components. Concerning the “Micro-generation” application, this work: i) explores the modelling methodology, the performance and the optimal parameters of reciprocating piston expanders; ii) investigates the performance of such expander and of the whole micro-ORC system when using Hydrofluorocarbons as working fluid or their new low GWP alternatives and mixtures; iii) analyzes the innovative ORC reversible architecture (conceived for the energy storage), its optimal regulation strategy and its potential when inserted in typical small industrial frameworks. Regarding the “Industrial WHR” sector, this thesis examines the WHR opportunity of ORCs, with a focus on the natural gas compressor stations application. This work provides information about all the possible parameters that can influence the optimal sizing, the performance and thus the feasibility of installing an ORC system. New WHR configurations are explored: i) a first one, relying on the replacement of a compressor prime mover with an ORC; ii) a second one, which consists in the use of a supercritical CO2 cycle as heat recovery system.

Graded Meshes In Bio-thermal Problems With Transmission-line Modeling Method.

In this study, the transmission-line modeling (TLM) applied to bio-thermal problems was improved by incorporating several novel computational techniques, which include application of graded meshes which resulted in 9 times faster in computational time and uses only a fraction (16%) of the computational resources used by regular meshes in analyzing heat flow through heterogeneous media. Graded meshes, unlike regular meshes, allow heat sources to be modeled in all segments of the mesh. A new boundary condition that considers thermal properties and thus resulting in a more realistic modeling of complex problems is introduced. Also, a new way of calculating an error parameter is introduced. The calculated temperatures between nodes were compared against the results obtained from the literature and agreed within less than 1% difference. It is reasonable, therefore, to conclude that the improved TLM model described herein has great potential in heat transfer of biological systems.

Study of the one dimensional and transient bioheat transfer equation: Multi-layer solution development and applications

: In this work we derive an analytical solution given by Bessel series to the transient and one-dimensional (1D) bioheat transfer equation in a multi-layer region with spatially dependent heat sources. Each region represents an independent biological tissue characterized by temperature-invariant physiological parameters and a linearly temperature dependent metabolic heat generation. Moreover, 1D Cartesian, cylindrical or spherical coordinates are used to define the geometry and temperature boundary conditions of first, second and third kinds are assumed at the inner and outer surfaces. We present two examples of clinical applications for the developed solution. In the first one, we investigate two different heat source terms to simulate the heating in a tumor and its surrounding tissue, induced during a magnetic fluid hyperthermia technique used for cancer treatment. To obtain an accurate analytical solution, we determine the error associated with the truncated Bessel series that defines the transient solution. In the second application, we explore the potential of this model to study the effect of different environmental conditions in a multi-layered human head model (brain, bone and scalp). The convective heat transfer effect of a large blood vessel located inside the brain is also investigated. The results are further compared with a numerical solution obtained by the Finite Element Method and computed with COMSOL Multi-physics v4.1 (c). (c) 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Potential for ORC application in the Portuguese manufacturing industry

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Gestão e Sistemas Ambientais

Thermal biology, activity, and population parameters of Cnemidophorus vacariensis (Squamata, Teiidae), a lizard endemic to southern Brazil

We investigated the following aspects of the biology of a population of Cnemidophorus vacariensis Feltrim & Lema, 2000 during the four seasons: thermal biology, relationship with the thermal environment, daily and seasonal activity, population structure and growth rate. Cnemidophorus vacariensis is restricted to rocky outcrops of the "campos de cima da serra" grasslands on the Araucaria Plateau, southern Brazil, and is currently listed as regionally and nationally threatened with extinction. Data were collected from October 2004 through September 2007 in the state of Rio Grande do Sul. Sampling was conducted randomly from 08:00 a.m. to 6:00 p.m. The capture-mark-recapture method was employed. The lizards were captured by hand, and their cloacal temperature, sex, snout-ventral length (SVL), mass, and the temperature of their microhabitat (substrate temperature and air temperature) were recorded. Individuals were then marked by toe-clipping and released at the site of capture. Body temperatures were obtained for 175 individuals, activity data for 96 individuals, and data on population structure and growth for 59 individuals. All data were obtained monthly, at different times of the day. Cnemidophorus vacariensis average body temperature was 23.84ºC, ranging between 9.6 and 38.2ºC. Temperatures ranged between 21 and 29ºC. The correlation between external heat sources, substrate and air were positive and significant and there was a greater correlation between lizard's temperature and the temperature of the substrate (tigmothermic species). The relatively low body temperatures of individuals are associated with the climate of their environment (altitude up to 1,400 m), with large variations in temperature throughout the day and the year, and low temperatures in winter. The average body temperature observed for C. vacariensis was low when compared with that of phylogenetically related species, suggesting that the thermal biology of this species reflects adaptations to the temperate region where it lives. The monthly rates of activity of lizards were related to monthly variations in the ambient temperatures. Our data suggest that the daily and seasonal activity of C. vacariensis result from the interaction between two factors: changes in the environment temperature and the relationship between individuals and their thermal environment. The population structure of C. vacariensis varied throughout the study period, with maximum biomass in January and maximum density in February (recruitment period). The sex ratio diverged from the expected 1:1. The growth analysis showed a negative relationship between the growth rate of individuals and the SVL, revealing that young individuals grow faster than adults, a typical pattern for short-lived species. The population studied showed a seasonal and cyclical variation associated with the reproductive cycle. The life strategy of C. vacariensis seems to include adaptations to the seasonal variations in temperature, typical of its environment.

Nanotermoparells: heterounions de nanowires

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la University of California a Irvine, EEUU, entre juliol del 2007 i gener del 2008. Els termoparells són actualment els sensors de temperatura més populars i més utilitzats per a un ampli rang d’aplicacions: industrials, domèstiques, etc. Aconseguir miniaturar els dispositius fins a dimensions extremadament petites obra un ampli rang de noves aplicacions per aquests dispositius, per exemple, en el camp de la tecnologia lab-on-a-chip. En aquesta investigació, el concepte de termoparell, és a dir, dos cables de diferent metall connectats per un extrem s’ha extrapolat a l’escala nanomètrica, utilitzant nanowires com a element de construcció. Aquests nanowires s’han sintetitzat a través d’un nou procediment desenvolupat en el grup d’investigació de la Universitat de California, Irvine, que ha permès treballar amb nanowires de diferents dimensions (control independent de l’alçada i amplada) i un major grau d’èxit en la fabricació d’aquests termometres. El mètode també permet dipositar aquestes nanoestructures sobre substractes no conductors de manera controlable, simplificant notablement tot el procés de fabricació. L’obtenció d’aquests dispositius ha permès demostrar que, a part de ser bons sensors de temperatura a nivell macroscòpic (fonts de calor ambientals), també permet la determinació de temperatura a nivell microscòpic (fonts de calor focalitzada, com és el cas de feixos làser). Per a la seva caracterització ha estat necessari l’ús de tecnologia puntera (làsers, amplificadors, microscopis de forces atòmiques) i inclòs el disseny de nous dispositius. Aquests nanotermoparells presenten propietats extraordinàries, com una gran sensitivitat, gran velocitat de resposta a estímuls tèrmics, i un comportament estable vers l’ús i el temps.

Kasvihuonekaasujen päästökaupan ohjausvaikutus sellutehtaan prosessien ja laitteiden kehityksessä

EU:n päästökaupan ensimmäinen jakso alkoi 1.1.2005. Päästökauppa on aiheuttanut sen piiriin kuuluvalle teollisuudelle monia haasteita ja riskejä kasvavien kustannusten muodossa. Massa- ja paperiteollisuus on päästökaupanpiiriin kuuluva teollisuudenala, johon päästökaupan kustannukset vaikuttavat haitallisesti globaalin hinnoittelun vuoksi. Massa- ja paperiteollisuudelle päästökaupasta voi koitua kustannuksia päästöoikeuksien ostamisesta, sähkön, polttoaineiden ja kemikaalien hinnan noususta sekä raaka-ainehuollon vaikeutumisesta. Toisaalta tehtaat voivat hyötyä päästökaupasta alittaessaan päästöoikeutensa tai myydessään sähköä ulkopuoliseen verkkoon. Massa- ja paperiteollisuudessa sähköä kuluu enimmäkseen pumppauksiin eli massan siirtoon ja mekaanisen massan valmistukseen. Suurimpia sähköenergian kuluttajia sellun valmistuksessa ovat soodakattila, puunkäsittely, valkaisu ja lajittelu. Lämpöä tarvitaan haihdutus-, kuivaus- ja keittoprosesseissa. Kemikaaleista klooridioksidin valmistuksessa käytettävä natriumkloraatti on kustannusten kannalta merkittävin kemikaali. Tässä työssä tutkittiin päästökaupan aiheuttamien kustannusten vähentämismahdollisuuksia kohdetehtaalla. Suurin potentiaali liittyy meesauunissa poltettavan maakaasun korvaamiseen mäntyöljyllä tai biomassan kaasutuskaasulla. Kemikaalikulutuksen osalta happidelignifiointi on merkittävin mahdollisuuskustannusten alentamiseksi. Lisäksi päästökaupan kustannuksia voidaan alentaa muun muassa oikealla mitoituksella ja sekundäärilämpöjen optimaalisella käytöllä.

Lämmönlähteiden aiheuttamien konvektiovirtausten vaikutus vastakkaiseen tuloilmasuihkuun

Huoneen sisäisten lämpölähteiden aiheuttamilla konvektiovirtauksilla eli pluumeilla on huomattava vaikutus ilmastointipalkkijärjestelmäntoimintaan. Tätä vaikutusta ei ole tutkittu kovin paljon. Tässä työssä tutkittiin huoneen päätyseinässä olevan sähkölämmityspatterin vaikutusta aktiivisen ilmastointipalkin toimintaan. Tutkimus kohdistui vastakkaisten suihkujen törmäykseen. Suihkuina olivat pluumit ja tuloilmavirtaus. Tutkimukseen kuului sekä teoreettinen että kokeellinen osio. Teoreettisessa tarkastelussa käytiin läpi ilmastointipalkin teoriaa sekä konvektiovirtausten muodostumisen teoriaa. Lisäksi esitettiin, kuinka suihkuista lasketaan liikemäärävirta. Kokeellisessa osiossa mitattiin huoneen sisäisten lämpölähteiden aiheuttamia pluumeja. Lämpölähteet oli sijoitettuina tutkimushuoneen päätyseinän viereen. Mittauksissa keskityttiin tarkemmin sähkölämmityspatteriin ja sitä mallinnettiin eri tehoilla. Lisäksi mitattiin ilmastointipalkin tuloilmavirtausta eri ilmamäärillä. Pluumien ja tuloilmavirtauksen törmäyskäyttäytymistä selvitettiin savukuvauksella. Analyysiosiossa sähkölämmityspatterin aiheuttaman pluumin ja palkin tuloilmavirtauksen törmäyskäyttäytymiselle kehitettiin malli. Mallissa huomioitiin vastaikkaisten törmäävien suihkujen liikemäärät ja esitettiin kohdat tutkimushuoneen pituussuunnassa, jossa tuloilmavirtaus kääntyy oleskeluvyöhykkeelle. Ilmastointipalkkijärjestelmässä tuloilmavirtauksen tulisi kääntyä oleskeluvyöhykkeelle vasta huoneen seinustalla. Tutkimuksen perusteella näin käy, jos pluumin liikemäärä on noin 10% tai vähemmän tuloilman liikemäärästä. Muulloin palkin tuloilmavirtaus kääntyy oleskeluvyöhykkeelle liian aikaisin ja aiheuttaa mahdollisestivedontunnetta.

Pientalon teknisen tilan tuotteistus

Diplomityön tavoitteena on selvittää asiakkaiden toiveita ja arvostuksia, joiden avulla voidaan rakentaa silta teknisiin ominaisuuksiin ja niiden variointiin. Rinnakkaisena työnä lähinnä teknisestä näkökulmasta teki Lauri Manninen omaa tutkimustyötä. Tässä raportissa on teknisiä ominaisuuksia käsiteltäessä lainattu Mannisen työtä. Pientaloa suunniteltaessa on valittava mm. lämmitysjärjestelmä ja talotekniikan taso. Suomessa pientaloihin on tarjolla useita lämmitysjärjestelmävaihtoehtoja. Tunnetuimpia päälämmönlähteitä ovat maa, puu, pelletti, öljy, kaasu, sähkö ja kaukolämpö. Lämmitysjärjestelmän lisäksi teknisiin tiloihin sijoitetaan muuta talotekniikkaa. Tässä diplomityössä tarkastellaan eri lämmitysjärjestelmien nykytilannetta sekä mahdollisuuksien mukaan tulevaisuuden näkymiä. Työssä on käytetty lähdeaineistona kirjallisuutta, www-sivuja sekä haastatteluja. Työhön on haastateltu yksityisasiakkaita. Lämmitysjärjestelmien nykytilanteen ja tulevaisuuden näkymien sekä haastatteluissa esiin tulleiden asioiden avulla on pyritty kehittämään talotekniikkamarkkinoille uusia tuote- ja palvelukonsepteja. Diplomityössä on käsitelty lämmitysjärjestelmiä sekä talotekniikkaa markkinatilanteen ja asiakkaiden näkökulmasta. Tuloksena työssä esitetään alustava tuotteistussuunnitelma ja ideoita teknisen tilan kokonaispalvelun tuotteistamiseen.

Vesikiertoisen ja kaapeleilla toteutetun lattialämmityksen teknistaloudellinen vertailu

Lopputyössä vertailtiin vesikiertoisen ja kaapeleilla toteutetun lattialämmityksen erilai-sia ominaisuuksia. Vertailuparametreinä olivat lattialämmitysten mitoitus, säätö, asen-nus, investointikustannukset, käyttökustannukset, vikaantuminen ja korjaus, asumis-viihtyvyys, käyttöön liittyvät tekijät, markkinat ja toimijat sekä lattian päällysteet. Näistä lat-tialämmityksien asumisviihtyvyys, säätö ja kustannukset otettiin tarkempaan vertailuun. Lämmitysjärjestelmien kokonaiskustannuksia vertailtiin 25 vuoden jaksolla ja 4 % ko-rolla. Investointikustannuksiin sisältyi lämmitysjärjestelmien lisäksi lkv-varaajan ja tek-nisen tilan kustannukset sekä liittymismaksut. Käyttökustannusten vertailussa otettiin huomioon lämmityskulujen lisäksi myös lämmityksen hyötysuhde, yö- ja päiväsähköosuudet ja -energian hinnat, taloussähkön kustannukset, perusmaksut sekä huoltokulut. Tutkimuksen mukaan halvin pientalojen lämmitysmuoto on osittain varaava huonekoh-tainen sähkölämmitys, jonka vuosittaisiksi kustannuksiksi tuli 11452 mk. Sähkölämmi-tyksen tekee vertailtavista halvimmaksi lämmitysjärjestelmäksi pientaloille (n. 150 m2) sen pienet pääomakustannukset, lämmityksen hyvä hyötysuhde sekä varsin kilpailuky-kyiset käyttökustannukset. Vertailun kallein oli öljyä energialähteenä käyttävä vesikiertoi-nen lattialämmitys, jonka vuosittaisiksi kustannuksiksi tuli 13080 mk. Öljy on energia-hinnaltaan halpa, mutta öljylämmityksen huono hyötysuhde sekä varsin korkeat pää-omakustannukset tekevät siitä vertailtavista kalleimman lämmitysmuodon. Energian hin-tojen herkkyysanalyysissä huomattiin sähkön säilyttävän kilpailukykynsä, vaikka öljyn ja maakaasun hinnat laskisivatkin huomattavasti. Asumismukavuuden ja säädön kohdalla vertailtiin lämpötilojen tasaisuutta huonetilois-sa. Mittauskohteiden huonelämpötiloja on seurattu eri projekteissa jatkuvatoimisesti jo-pa yli kahden vuoden ajan. Mittaustulosten mukaan vesikiertoisella lattialämmityksellä huonelämpötilat ovat tasaisemmat kuin osittain varaavalla huonekohtaisella sähköläm-mityksellä. Tämä johtuu sähkölämmityksen varaavuudesta. Hyvillä yhdistelmätermostaateilla päästään tosin myös huonekohtaisen sähkölämmityksen yhteydessä tasaisiin huonelämpötiloihin. Molempien lämmitysmuotojen säädön heikkoutena on hidas reagointi sisäisten lämmönlähteiden aiheuttamaan nopeaan sisälämpötilan nousuun.

Suurnopeus-turbokoneroottoreiden termodynaaminen ja mekaaninen mallinnus sekä rakenneanalyysi

Tässä väitöskirjassa tarkastellaan suurnopeustekniikan eri sovelluksissa ilmeneviä roottoreihin liittyviä rakenteellisia vaatimuksia ja haasteita. Tässä yhteydessä suurnopeustekniikalla tarkoitetaan järjestelyä, jossa sähkökone (moottori, generaattori) ja toimilaite (turbiini, kompressori, puhallin) on kytketty ilman vaihdetta suoraan mekaanisesti yhteen ja jossa yhteisen roottorin pyörimisnopeus on selvästi suurempi kuin 50/60 hertsin verkosta syötetyn kaksinapaisen vaihtovirtasähkökoneen tahtinopeus. Tyypillistä suurnopeuskoneen roottorille on suuri tehotiheys ja suuri mekaaninen kuormitus. Siksi esimerkiksi sähkökoneen jäähdytys on entistä haasteellisempaa kasvavien rautahäviöiden ja pienempien lämmönsiirtopinta-alojen vuoksi. Tämän työn tavoitteet voidaan jakaa kolmeen osaan:  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu, jonka tavoitteena on pienentää lämmönkehitystä ja tehostaa kriittisten kohtien jäähdytystä. Tähän liittyy sähkömagneettisten häviöiden keskittäminen jäähdytyksen kannalta edullisiin kohtiin  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen tarkastelu kriittisten ominaistaajuuksien kannalta  Yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin mekaanisen rakenteen analysointi lujuustekniseltä kannalta. Tähän liittyvät mm. erilaiset ahdistussovitteet ja niiden säilyminen korkeilla pyörimisnopeuksilla sekä niiden roottoria jäykistävä vaikutus ja lämmön johtuminen kyseisissä liitospinnoissa. Tämän työn tieteellinen uutuusarvo on nimenomaan yhdistetyn sähkö- ja turbokoneen roottorin rakenteen analysointi ottamalla samanaikaisesti huomioon kaikki edellä mainitut näkökohdat: jäähtyminen erityisen kuumissa kohdissa, sähköisten häviöiden alentaminen ja niiden jakautuman huomioon ottaminen, roottorin jäykkyyden maksimointi, lujuusrasitusten hallinta ja rakenteen mekaaninen stabiliteetti sekä lämpöteknisten ylimenovastusten tarkastelu.

Structural and operational optimisation : applications in energy systems

In this work mathematical programming models for structural and operational optimisation of energy systems are developed and applied to a selection of energy technology problems. The studied cases are taken from industrial processes and from large regional energy distribution systems. The models are based on Mixed Integer Linear Programming (MILP), Mixed Integer Non-Linear Programming (MINLP) and on a hybrid approach of a combination of Non-Linear Programming (NLP) and Genetic Algorithms (GA). The optimisation of the structure and operation of energy systems in urban regions is treated in the work. Firstly, distributed energy systems (DES) with different energy conversion units and annual variations of consumer heating and electricity demands are considered. Secondly, district cooling systems (DCS) with cooling demands for a large number of consumers are studied, with respect to a long term planning perspective regarding to given predictions of the consumer cooling demand development in a region. The work comprises also the development of applications for heat recovery systems (HRS), where paper machine dryer section HRS is taken as an illustrative example. The heat sources in these systems are moist air streams. Models are developed for different types of equipment price functions. The approach is based on partitioning of the overall temperature range of the system into a number of temperature intervals in order to take into account the strong nonlinearities due to condensation in the heat recovery exchangers. The influence of parameter variations on the solutions of heat recovery systems is analysed firstly by varying cost factors and secondly by varying process parameters. Point-optimal solutions by a fixed parameter approach are compared to robust solutions with given parameter variation ranges. In the work enhanced utilisation of excess heat in heat recovery systems with impingement drying, electricity generation with low grade excess heat and the use of absorption heat transformers to elevate a stream temperature above the excess heat temperature are also studied.

Lasivillatehtaan energiatehokkuus

Diplomityön tavoitteena oli tuottaa toimenpidesuunnitelma energiatehokkuuden parantamiseksi sekä tilannekatsaus tehtaan energiankäytöstä Saint-Gobain Raken-nustuotteet Oy:n Hyvinkään lasivillatehtaalla. Diplomityön ensisijaiseksi tutki-mustavoitteeksi asetettiin energiankäytön tehostamisen tutkiminen sekä energian-käytön analysointi ja jatkotoimenpidesuunnitelman laatiminen. Diplomityössä osoitettiin että lämmöntalteenotolla poistoilmasta voidaan saavut-taa 2000 MWh lämpöenergiansäästö. Yhteensä hyödynnettävää lämpöenergiaa selvitettiin syntyvän vuodessa 10 600 MWh. WCM- konseptilla, eli tuotannonte-hostamisohjelmalla pyritään energiankäytön systemaattiseen pienentämiseen. Täs-sä diplomityössä on esitetty energiankäytön tehostamisratkaisuja sekä energiate-hokkuuden liittämistä WCM- konseptiin. Diplomityön tuloksia voidaan hyödyntää järjestelmällisen energiatehokkuuden parantamisohjelman kehittämisessä sekä konkreettisten energiansäästötoimenpiteiden toteuttamisessa.

Asuinkerrostalon lämmöntuottojärjestelmän optimointi elinkaarikustannusten perusteella hyödynnettäessä lämpöpumpulla useita lämmönlähteitä

The basis of this thesis was to optimize heat pump that uses multiple heat sources to get competitive heating system for residential building when life cycle costs are considered. The objectives were to compile necessary information to calculate life cycle costs for heating system of residential building and start to compose of designing program for heat pump based heating systems. Examinations were made for the purchase energy need of residential building. Features of heat pump, considered refrigerant and potential heat sources were examined to find out heat production potential of heat pumps. Necessary information for life cycle cost calculation was also examined. Collected data was used in two case analyses to design selected heat production systems and calculate their life cycle costs. On the basis of case analyses heat pump based hybrid heat production systems are very competitive on life cycle cost comparison against district heating when residential building uses a lot of energy. New buildings use considerably less energy and achieved energy cost savings with heat pump systems may not be enough to cover the relatively high investment cost in reasonable time period compared to district heating system. The calculation method was found to require further development to at least include the cooling energy need of the building. Cooling demand will continue to grow in the future, which improves the heat pump based heat production systems competitiveness compared to other systems.

Numerical simulation of tunnel fires using preconditioned finite volume schemes

This article is concerned with the numerical simulation of flows at low Mach numbers which are subject to the gravitational force and strong heat sources. As a specific example for such flows, a fire event in a car tunnel will be considered in detail. The low Mach flow is treated with a preconditioning technique allowing the computation of unsteady flows, while the source terms for gravitation and heat are incorporated via operator splitting. It is shown that a first order discretization in space is not able to compute the buoyancy forces properly on reasonable grids. The feasibility of the method is demonstrated on several test cases.