Increasing the value of household appliances by adding a heat pump system

Historically, domestic tasks such as preparing food and washing and drying clothes and dishes were done by hand. In a modern home many of these chores are taken care of by machines such as washing machines, dishwashers and tumble dryers. When the first such machines came on the market customers were happy that they worked at all! Today, the costs of electricity and customers’ environmental awareness are high, so features such as low electricity, water and detergent use strongly influence which household machine the customer will buy. One way to achieve lower electricity usage for the tumble dryer and the dishwasher is to add a heat pump system. The function of a heat pump system is to extract heat from a lower temperature source (heat source) and reject it to a higher temperature sink (heat sink) at a higher temperature level. Heat pump systems have been used for a long time in refrigerators and freezers, and that industry has driven the development of small, high quality, low price heat pump components. The low price of good quality heat pump components, along with an increased willingness to pay extra for lower electricity usage and environmental impact, make it possible to introduce heat pump systems in other household products. However, there is a high risk of failure with new features. A number of household manufacturers no longer exist because they introduced poorly implemented new features, which resulted in low quality and product performance. A manufacturer must predict whether the future value of a feature is high enough for the customer chain to pay for it. The challenge for the manufacturer is to develop and produce a high-performance heat pump feature in a household product with high quality, predict future willingness to pay for it, and launch it at the right moment in order to succeed. Tumble dryers with heat pump systems have been on the market since 2000. Paper I reports on the development of a transient simulation model of a commercial heat pump tumble dryer. The measured and simulated results were compared with good similarity. The influence of the size of the compressor and the condenser was investigated using the validated simulation model. The results from the simulation model show that increasing the cylinder volume of the compressor by 50% decreases the drying time by 14% without using more electricity.  Paper II is a concept study of adding a heat pump system to a dishwasher in order to decrease the total electricity usage. The dishwasher, dishware and water are heated by the condenser, and the evaporator absorbs the heat from a water tank. The majority of the heat transfer to the evaporator occurs when ice is generated in the water tank. An experimental setup and a transient simulation model of a heat pump dishwasher were developed. The simulation results show a 24% reduction in electricity use compared to a conventional dishwasher heated with an electric element. The simulation model was based on an experimental setup that was not optimised. During the study it became apparent that it is possible to decrease electricity usage even more with the next experimental setup.

Valutazione delle potenzialità dell'iniezione d'acqua nei motori GDI di ultima generazione

L'industria automobilistica sta assistendo ad un importante cambiamento verso motorizzazioni con cilindrata unitaria minore, turbocompressi, e con iniezione diretta in camera, a causa delle normative sempre più stringenti sull'emissione di inquinanti allo scarico, inclusa la CO2 per ragioni legate all'effetto serra ed al contenimento dei consumi di fonti energetiche non rinnovabili. I motori turbocompressi lavorano con una pressione media effettiva maggiore, con conseguenti maggiori pressioni e temperature in camera, che di fatto aumentano il rischio di insorgenza di eventi di combustione anomale come pre-accensione e detonazione. Questo porta ad utilizzare il motore con angoli sub-ottimali di anticipo di accensione e con arricchimento della miscela per diminuire le temperature dei gas in ingresso alla turbina. Queste strategie non sono più compatibili con le nuove regolamentazioni, in quanto superano i limiti imposti di emissioni e consumo specifico in cicli reali di utilizzo su strada. Tra le varie possibili soluzioni, l'iniezione d'acqua è una tecnologia già conosciuta, che permette un controllo della tendenza alla detonazione. Il principio consiste nella riduzione della temperatura della carica grazie all'elevato calore latente di vaporizzazione della massa d'acqua iniettata. In questo lavoro sono stati valutati entrambi i layout di iniezione d'acqua, nel condotto e in camera di combustione, in due punti motore: massima potenza e massima coppia. La metodica di ricerca è stata di tipo numerico tramite l'utilizzo di simulazioni tridimensionali CFD a partire da una metodologia basata su modelli fisici solidamente validati. Il software commerciale utilizzato è stato AVL FIRE, che permette di manipolare in modo agevole i risultati sia al suo interno, sia tramite ambienti di calcolo esterno.

Numerical modelling of axially loaded piled foundations with physical tests validation

L'oggetto della tesi è la modellazione numerica di pali di fondazione per turbine eoliche in ambiente offshore. Il metodo di modellazione comprende l'interpretazione di prove CPT per l'estrapolazione dei parametri geotecnici del terreno, la creazione di un modello dell'interazione tra struttura e terreno tramite il software agli elementi finiti Abaqus, la sua verifica, l'ottimizzazione dell'estensione del modello del terreno e della mesh e la simulazione numerica del comportamento di pali caricati assialmente in compressione. Grazie al confronto con i risultati di test su modelli fisici, eseguiti nel laboratorio dell'istituto Fraunhofer IWES di Hannover, di tre pali aventi la stessa geometria ma installati in punti con diverse condizioni di compattazione della sabbia, è stata possibile la messa a punto di una strategia di simulazione più accurata possibile e la sua validazione. A conclusione del lavoro è stato eseguito un esempio di design di una fondazione jacket per una turbina eolica offshore.

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.

Design for repair: ottimizzazione metodologie e caso di studio sottogruppo meccanico

Negli ultimi anni si è visto un forte segnale di cambiamento culturale indirizzato verso la sostenibilità affermando sempre più efficacemente i concetti di riciclaggio, riduzione e riutilizzo. Finora il design dei prodotti si è concentrato su aspetti che sfavorivano tale approccio e piuttosto si ponevano come specifica quella di definire a priori la vita del prodotto. Infatti, si sono sempre più sviluppate tecniche di accoppiamento delle parti che una volta accoppiate non consentivano più il disassemblaggio di queste. L’obiettivo di tale elaborato è stato quello di definire, nella famiglia di metodologie chiamata Design for X, un criterio che possa valutare e guidare la progettazione in ottica più mirata verso la riparabilità del prodotto “Design for Repair”. Aumentare la riparabilità del prodotto vuol dire poter aumentare la sua longevità, così da non avere la necessità di sostituirlo con un componente nuovo causando un impatto ambientale doppio, ossia la mancata necessità sia di sfruttare risorse per la realizzazione del sostituto sia di non dover occuparsi del processo di smaltimento del prodotto sostituito.

Numerical Analysis and Redesign of a High Speed Linear Cascade Wind Tunnel for Aircraft Gas Turbine Engines Testing

Linear cascade testing serves a fundamental role in the research, development, and design of turbomachines as it is a simple yet very effective way to compute the performance of a generic blade geometry. These kinds of experiments are usually carried out in specialized wind tunnel facilities. This thesis deals with the numerical characterization and subsequent partial redesign of the S-1/C Continuous High Speed Wind Tunnel of the Von Karman Institute for Fluid Dynamics. The current facility is powered by a 13-stage axial compressor that is not powerful enough to balance the energy loss experienced when testing low turning airfoils. In order to address this issue a performance assessment of the wind tunnel was performed under several flow regimes via numerical simulations. After that, a redesign proposal aimed at reducing the pressure loss was investigated. This consists of a linear cascade of turning blades to be placed downstream of the test section and designed specifically for the type of linear cascade being tested. An automatic design procedure was created taking as input parameters those measured at the outlet of the cascade. The parametrization method employed Bézier curves to produce an airfoil geometry that could be imported into a CAD software so that a cascade could be designed. The proposal was simulated via CFD analysis and proved to be effective in reducing pressure losses up to 41%. The same tool developed in this thesis could be adopted to design similar apparatuses and could also be optimized and specialized for the design of turbomachines components.

Applicazione del paradigma Digital Twin nell'ambito della gestione di sale operatorie per AUSL Romagna: Dashboard per la visualizzazione dei dati

Oggigiorno, il termine Digital Twin è ampiamente diffuso. Questo concetto si riferisce a un paradigma utilizzato per la prima volta nel 1970, in una missione spaziale statunitense. Un Digital Twin è un gemello digitale, un modello che simula e raccoglie i dati di un oggetto o essere vivente del mondo reale. I Digital Twin sono sviluppati in molti settori e aziende. Tra queste troviamo Fameccanica, la quale ha costruito dei modelli digitali dei propri macchinari per migliorare la formazione dei manutentori e la produzione, Chevron che ha ridotto i costi di manutenzione, General Elettric che associa a ogni turbina venduta un Digital Twin per mantenerla controllata grazie a dei sensori posti sulla turbina stessa. Risulta importante utilizzare i Digital Twin in ambito medico per tracciare la salute del paziente, simulare eventuali interventi e gestire gli ospedali. In particolare, le strutture ospedaliere dell’Emilia Romagna non sono ottimizzate dal punto di vista economico. Infatti, la sala operatoria rappresenta la principale spesa che AUSL Romagna deve affrontare ma, attualmente, l’organizzazione degli interventi non è efficiente. Pertanto, in seguito a problemi sollevati dai referenti di AUSL Romagna, è stato deciso di realizzare un progetto per la tesi riguardante questo ambito. Per risolvere i problemi riscontrati si realizzerà un prototipo di un Digital Twin delle sale operatorie per poter minimizzare i costi. Grazie alla raccolta, in real-time, dei dati memorizzati nel gemello digitale, si possono pianificare al meglio gli interventi in base alla disponibilità delle sale operatorie. Il progetto assume dimensioni considerevoli per questo motivo è stato suddiviso in tre moduli: una componente che si occupa di standardizzare i dati, un Digital Twin che mantiene i dati relativi allo stato attuale delle sale operatorie e un’interfaccia utente che si occupa di visualizzare i dati ai medici.

Caratterizzazione e simulazione di un generatore eolico di piccole dimensioni

Durante gli ultimi anni sta avendo sempre più rilevanza il problema del cambiamento climatico, dovuto principalmente all’emissione in atmosfera di gas serra. Una delle soluzioni da adottare è una transizione energetica verso fonti di energia rinnovabili e una progressiva elettrificazione di tutte le tecnologie che utilizzano ancora combustibili fossili. L’obiettivo di questa tesi di Laurea è analizzare e implementare un semplice modello in MATLAB/Simulink di una turbina eolica, conoscendo solo i dati di targa del generatore, la curva di potenza della turbina e avendo a disposizione dei dati reali di velocità del vento, potenza prodotta e velocità di rotore. Il progetto quindi consiste in un lavoro di reverse engineering in cui, partendo dai componenti reali, si cerca di ricavare, in maniera empirica e sperimentale, i parametri che ne caratterizzano il modello matematico. Successivamente è stato implementato un modello su Simulink, partendo da un modello già esistente, in cui si è simulato il comportamento della macchina, ottenendo una stima della potenza prodotta.