Numerical simulations of particle deposition in metal foam heat exchangers

Australia is a high-potential country for geothermal power with reserves currently estimated in the tens of millions of petajoules, enough to power the nation for at least 1000 years at current usage. However, these resources are mainly located in isolated arid regions where water is scarce. Therefore, wet cooling systems for geothermal plants in Australia are the least attractive solution and thus air-cooled heat exchangers are preferred. In order to increase the efficiency of such heat exchangers, metal foams have been used. One issue raised by this solution is the fouling caused by dust deposition. In this case, the heat transfer characteristics of the metal foam heat exchanger can dramatically deteriorate. Exploring the particle deposition property in the metal foam exchanger becomes crucial. This paper is a numerical investigation aimed to address this issue. Two dimensional (2D) numerical simulations of a standard one-row tube bundle wrapped with metal foam in cross-flow are performed and highlight preferential particle deposition areas.

Numerical simulations of particle deposition in metal foam heat exchangers

Australia is a high potential country for geothermal power with reserves currently estimated in the tens of millions of petajoules, enough to power the nation for at least 1000 years at current usage.However, these resources are mainly located in isolated arid regions where water is scarce. Therefore, wet cooling systems for geothermal plants in Australia are the least attractive solution and thus air-cooled heat exchangers are preferred. In order to increase the efficiency of such heat exchangers, metal foams have been used. One issue raised by this solution is the fouling caused by dust deposition. In this case, the heat transfer characteristics of the metal foam heat exchanger can dramatically deteriorate. Exploring the particle deposition property in the metal foam exchanger becomes crucial. This paper is a numerical investigation aimed to address this issue. Two-dimensional(2D numerical simulations of a standard one-row tube bundle wrapped with metal foam in cross-flow are performed and highlight preferential particle deposition areas.

Towards robotic visual and acoustic stealth for outdoor dynamic target tracking

Covertly tracking mobile targets, either animal or human, in previously unmapped outdoor natural environments using off-road robotic platforms requires both visual and acoustic stealth. Whilst the use of robots for stealthy surveillance is not new, the majority only consider navigation for visual covertness. However, most fielded robotic systems have a non-negligible acoustic footprint arising from the onboard sensors, motors, computers and cooling systems, and also from the wheels interacting with the terrain during motion. This time-varying acoustic signature can jeopardise any visual covertness and needs to be addressed in any stealthy navigation strategy. In previous work, we addressed the initial concepts for acoustically masking a tracking robot’s movements as it travels between observation locations selected to minimise its detectability by a dynamic natural target and ensuring con- tinuous visual tracking of the target. This work extends the overall concept by examining the utility of real-time acoustic signature self-assessment and exploiting shadows as hiding locations for use in a combined visual and acoustic stealth framework.

Acoustic Masking of a Stealthy Outdoor Robot Tracking a Dynamic Target

This work is motivated by the desire to covertly track mobile targets, either animal or human, in previously unmapped outdoor natural environments using off-road robotic platforms with a non-negligible acoustic signature. The use of robots for stealthy surveillance is not new. Many studies exist but only consider the navigation problem to maintain visual covertness. However, robotic systems also have a significant acoustic footprint from the onboard sensors, motors, computers and cooling systems, and also from the wheels interacting with the terrain during motion. All these can jepordise any visual covertness. In this work, we experimentally explore the concepts of opportunistically utilizing naturally occurring sounds within outdoor environments to mask the motion of a robot, and being visually covert whilst maintaining constant observation of the target. Our experiments in a constrained outdoor built environment demonstrate the effectiveness of the concept by showing a reduced acoustic signature as perceived by a mobile target allowing the robot to covertly navigate to opportunistic vantage points for observation.

Analytical solutions for heat transfer during cyclic melting and freezing of a phase change material used in electronic or electrical packaging

In this paper we develop an analytical heat transfer model, which is capable of analyzing cyclic melting and solidification processes of a phase change material used in the context of electronics cooling systems. The model is essentially based on conduction heat transfer, with treatments for convection and radiation embedded inside. The whole solution domain is first divided into two main sub-domains, namely, the melting sub-domain and the solidification sub-domain. Each sub-domain is then analyzed for a number of temporal regimes. Accordingly, analytical solutions for temperature distribution within each subdomain are formulated either using a semi-infinity consideration, or employing a method of quasi-steady state, depending on the applicability. The solution modules are subsequently united, leading to a closed-form solution for the entire problem. The analytical solutions are then compared with experimental and numerical solutions for a benchmark problem quoted in the literature, and excellent agreements can be observed.

Effective thermal conductivity of reactive packed beds of hydriding materials

Applications of hydriding materials for solid state hydrogen storage, hydrogen compression, thermal energy storage and sorption heating and cooling systems have been demonstrated successfully. However, the performance of these devices significantly depends upon heat and mass transfer characteristics of the reactive packed beds. One of the important parameters regulating heat and mass transfer in the hydriding bed is its effective thermal conductivity (ETC), which is dependent on several operating parameters such as pressure and temperature. ETC also varies significantly due to the variation of hydrogen concentration during the hydriding and dehydriding processes. Based on the extensive studies done by the authors on ETC of metal hydride beds, a review of experimental methods, mathematical studies and augmentation techniques is presented in this paper, with emphasis on the effects of operating parameters on ETC. (C) 2016 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The mechanical effects of water flow on fish eggs and larvae

The impact of mechanical stresses upon ichthyoplankton entrained in power plant cooling systems has long been considered negligible. Arguments and evidence exist, however, to show that such a supposition is not universally true, especially in nuclear power plants. The mechanisms of mechanical damage can be detailed in terms of pressure change, acceleration, and shear stress with in the fluid flow field. Laboratory efforts to quantify the effects of mechanical stress have been very sparse. A well-planned bioassay is urgently needed. (PDF has 11 pages.)

Effects and impacts of physical stress on entrained organisms.

Environmental studies of power plants have recently shifted their emphasis from examination of the effects of heated discharges to studies of the impacts of entire cooling systems. One of the major impacts arises when planktonic organisms are carried into and through a plant with the cooling water. Because of their relatively immobile, free-floating character, planktonic organisms are highly vulnerable to being "entrained" or passively drawn into the cooling water condenser systems of power plants. More than 70% of estuarine animals have planktonic eggs and larvae. The environmental impact of entrainment is related to the composition and abundance of affected organisms, the numbers of organisms in the adjacent waters, survival rates during entrainment as related to natural survival, the ecological roles of entrained organisms, and their reproductive strategies.

Purgatorio - two rather different views of the same event

Detailed description of plankton entrainment in power plant cooling systems.

Energías renovables en edificación: aplicación al abastecimiento de energía eléctrica y climatización

[ES]Este documento tiene el objeto de presentar el uso de las energías renovables en la edificación actual, para ello se analizaran las energías que hay en el mercado, sus beneficios y sus posibles aplicaciones en viviendas, naves industriales, polideportivos, centro comerciales, etc. Para lograr alcanzar todas estas competencias se hará mayor hincapié en el uso de estas nuevas tecnologías en abastecimientos de energía eléctrica y climatización, teniendo en cuenta que no todas las energías renovables son aplicables a la edificación y que no todas las energías tienen las mismas utilidades. El trabajo se lleva a cabo dentro de los trabajos de fin de grado de la escuela técnica superior de ingeniería de Bilbao (ETSIB), más concretamente se refiere al trabajo tipo TFG.3. El trabajo también consta de los apartados descargo de costes y planificación, donde se analiza el desglose de los gastos empleados para la realización de esta memoria y el tiempo elaboración para el mismo. Para concluir es añaden anexos, en los cuales se explican varias de las Normas que se manejan en la actualidad y también se incluyen algunos catálogos de productos comerciales y sus dispositivos para colocar en el edificio.

Tecnologia mais limpa aplicada ao tratamento de água em sistemas de resfriamento abertos com recirculação

Os estudos destinados à aplicação de uma tecnologia mais limpa ao tratamento de águas em sistemas de resfriamento abertos com recirculação resultaram no desenvolvimento de uma filosofia de tratamento baseada na busca de uma operação com ciclo de concentração ideal. Assim, por meio do controle do balanço material no sistema de resfriamento, seria alcançado um nível de concentração em que a água de circulação apresentaria, naturalmente e ao mesmo tempo, baixa tendência à corrosão do ferro e baixa tendência à formação de incrustação de carbonato de cálcio. O tratamento com inibidores de corrosão e de formação de depósitos seria apenas complementar e, conseqüentemente, reduzido o emprego de produtos químicos para o condicionamento da água. O presente trabalho procura demonstrar que o critério de tratamento baseado apenas no índice de estabilidade não leva em conta o fato de que as espécies solúveis em água não se concentram de uma mesma forma, principalmente como decorrência de reações de conversão envolvendo o íon bicarbonato e de precipitação do íon cálcio. Como suporte desse trabalho, foram realizados ensaios de campo em um sistema de resfriamento aberto com recirculação em operação normal, porém sem tratamento químico da água. Foi possível, desse modo, observar a variação da concentração de cada espécie crítica presente na água com a vazão de descarga efetuada. Os resultados obtidos e o estudo realizado mostram que a metodologia tradicional pode apresentar desvios da realidade que podem comprometer a qualidade do tratamento, obrigando o emprego de maiores concentrações de produtos químicos para condicionamento da água, contrariando, assim, o próprio propósito original de execução de um tratamento dentro dos princípios de uma produção mais limpa. Este trabalho procura, ainda, salientar a importância qualitativa e quantitativa das espécies presentes, na água de reposição, na qualidade do tratamento, alertando que o emprego de reúso de água, como reposição de um sistema de resfriamento, deve ser criteriosamente analisado, pois uma água de má qualidade pode tornar o tratamento interno impraticável, exigindo a execução de um tratamento prévio muitas vezes inviável do ponto de vista econômico e causador de impacto ambiental

Turbomachinery computational fluid dynamics: asymptotes and paradigm shifts.

This paper reviews the development of computational fluid dynamics (CFD) specifically for turbomachinery simulations and with a particular focus on application to problems with complex geometry. The review is structured by considering this development as a series of paradigm shifts, followed by asymptotes. The original S1-S2 blade-blade-throughflow model is briefly described, followed by the development of two-dimensional then three-dimensional blade-blade analysis. This in turn evolved from inviscid to viscous analysis and then from steady to unsteady flow simulations. This development trajectory led over a surprisingly small number of years to an accepted approach-a 'CFD orthodoxy'. A very important current area of intense interest and activity in turbomachinery simulation is in accounting for real geometry effects, not just in the secondary air and turbine cooling systems but also associated with the primary path. The requirements here are threefold: capturing and representing these geometries in a computer model; making rapid design changes to these complex geometries; and managing the very large associated computational models on PC clusters. Accordingly, the challenges in the application of the current CFD orthodoxy to complex geometries are described in some detail. The main aim of this paper is to argue that the current CFD orthodoxy is on a new asymptote and is not in fact suited for application to complex geometries and that a paradigm shift must be sought. In particular, the new paradigm must be geometry centric and inherently parallel without serial bottlenecks. The main contribution of this paper is to describe such a potential paradigm shift, inspired by the animation industry, based on a fundamental shift in perspective from explicit to implicit geometry and then illustrate this with a number of applications to turbomachinery.

A novel TRNSYS type for short-term borehole heat exchanger simulation: B2G model

Models of ground source heat pump (GSHP) systems are used as an aid for the correct design and optimization of the system. For this purpose, it is necessary to develop models which correctly reproduce the dynamic thermal behavior of each component in a short-term basis. Since the borehole heat exchanger (BHE) is one of the main components, special attention should be paid to ensuring a good accuracy on the prediction of the short-term response of the boreholes. The BHE models found in literature which are suitable for short-term simulations usually present high computational costs. In this work, a novel TRNSYS type implementing a borehole-to-ground (B2G) model, developed for modeling the short-term dynamic performance of a BHE with low computational cost, is presented. The model has been validated against experimental data from a GSHP system located at Universitat Politècnica de València, Spain. Validation results show the ability of the model to reproduce the short-term behavior of the borehole, both for a step-test and under normal operating conditions.

Estudo comparativo entre o sistema convencional de arrefecimento e o arrefecedor evaporativo para os edifícios industriais portugueses

Em Portugal existem muitos espaços comerciais e industriais em que as necessidades térmicas de arrefecimento são muito superiores às necessidades de aquecimento devido aos ganhos internos que advêm da existência de equipamentos e da iluminação dos edifícios, assim como, da presença das pessoas. A instalação de sistemas convencionais de ar condicionado para espaços comerciais e industriais de grande dimensão está geralmente associada ao transporte de grandes caudais de ar, e consequentemente, a elevados consumos de energia primária, e também, elevados custos de investimento, de manutenção e de operação. O arrefecedor evaporativo é uma solução de climatização com elevada eficiência energética, cujo princípio de funcionamento promove a redução do consumo de energia primária nos edifícios. A metodologia utilizada baseou-se na criação de uma ferramenta informática de simulação do funcionamento de um protótipo de um arrefecedor evaporativo. Foi efetuada a modelação matemática das variáveis dinâmicas envolvidas, dos processos de transferência de calor e de massa, assim como dos balanços de energia que ocorrem no arrefecedor evaporativo. A ferramenta informática desenvolvida permite o dimensionamento do protótipo do arrefecedor evaporativo, sendo determinadas as caraterísticas técnicas (potência térmica, caudal, eficiência energética, consumo energético e consumo e água) de acordo com o tipo de edifício e com as condições climatéricas do ar exterior. Foram selecionados três dimensionamentos de arrefecedores evaporativos, representativos de condições reais de uma gama baixa, média e elevada de caudais de ar. Os resultados obtidos nas simulações mostram que a potência de arrefecimento (5,6 kW, 16,0 kW e 32,8 kW) e o consumo de água (8 l/h, 23,9 l/h e 48,96 l/h) aumentam com o caudal de ar do arrefecedor, 5.000 m3/h, 15.000 m3/h e 30.000 m3/h, respetivamente. A eficácia de permuta destes arrefecedores evaporativos, foi de 69%, 66% e 67%, respetivamente. Verificou-se que a alteração de zona climática de V1 para V2 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 20% no consumo de água, e que, a alteração de zona climática de V2 para V3 implicou um aumento de 39% na potência de arrefecimento e de 39% no consumo de água. O arrefecedor evaporativo apresenta valores de consumo de energia elétrica entre 40% a 80% inferiores aos dos sistemas de arrefecimento convencionais, sendo este efeito mais intenso quando a zona climática de verão se torna mais severa.

Avaliação das melhores técnicas disponíveis relativas à refrigeração industrial e às emissões resultantes da armazenagem

Esta dissertação foi realizada em colaboração com o grupo empresarial Monteiro, Ribas e teve como principais objetivos efetuar uma avaliação das melhores técnicas disponíveis relativas à refrigeração industrial e às emissões resultantes da armazenagem. O primeiro objetivo teve como alvo todas as instalações da Monteiro, Ribas enquanto que o segundo objetivo se debruçou sobre Monteiro, Ribas, Embalagens Flexíveis, S.A.. Para cumprir estes objetivos, inicialmente efetuou-se um levantamento das melhores técnicas disponíveis apresentadas nos respetivos documentos de referência. Em seguida selecionaram-se as técnicas que se adequavam às condições e às instalações em estudo e procedeu-se a uma avaliação de forma a verificar o grau de implementação das medidas sugeridas no BREF (Best Available Techniques Reference Document). Relativamente aos sistemas de refrigeração industrial verificou-se que estão implementadas quase todas as medidas referenciadas no respetivo documento de referência. Isto prende-se com o facto dos sistemas de refrigeração existentes no complexo industrial Monteiro, Ribas serem relativamente recentes. Foram implementados no ano de 2012, e são caracterizados por apresentarem uma conceção moderna com elevada eficiência. No que diz respeito à armazenagem de produtos químicos perigosos, a instalação em estudo, apresenta algumas inconformidades, uma vez que a maioria das técnicas mencionadas no BREF não se encontram implementadas, pelo que foi necessário efetuar uma avaliação de riscos ambientais, com recurso à metodologia proposta pela Norma Espanhola UNE 150008:2008 – Análise e Avaliação do Risco Ambiental. Para isso procedeu-se então à formulação de vários cenários de riscos e à quantificação de riscos para à Monteiro, Ribas Embalagens Flexíveis S.A., tendo-se apurado que os riscos estavam avaliados como moderados a altos. Por fim foram sugeridas algumas medidas de prevenção e de minimização do risco que a instalação deve aplicar, como por exemplo, o parque de resíduos perigosos deve ser equipado com kits de contenção de derrames (material absorvente), procedimentos a realizar em caso de emergência, fichas de dados de segurança e o extintor deve ser colocado num local de fácil visualização. No transporte de resíduos perigosos, para o respetivo parque, é aconselhável utilizar bacias de contenção de derrames portáteis e kits de contenção de derrames. Relativamente ao armazém de produtos químicos perigosos é recomendado que se proceda a sua reformulação tendo em conta as MTD apresentadas no subcapítulo 5.2.3 desta dissertação.