Improving turbomachinery design process management

It is widely acknowledged that a company's ability to aquire market share, and hence its profitability, is very closely linked to the speed with which it can produce a new design. Indeed, a study by the U.K. Department of Trade and Industry has shown that the critical factor which determines profitability is the timely delivery of the new product. Late entry to market or high production costs dramatically reduce profits whilst an overrun on development cost has little significant effect. This paper describes a method which aims to assist the designer in producing higher performance turbomachinery designs more quickly by accelerating the process by which they are produced. The adopted approach combines an enhanced version of the 'Signposting' design process management methodology with industry-standard analysis codes and Computational Fluid Dynamics (CFD). It has been specifically configured to enable process-wide iteration, near instantaneous generation of guidance data for the designer and fully automatic data handling. A successful laboratory experiment based on the design of a large High Pressure Steam Turbine is described and this leads on to current work which incorporates the extension of the proven concept to a full industrial application for the design of Aeroengine Compressors with Rolls-Royce plc.

Trace Metal Sensors for Coastal Monitoring, Seaside, California, April 11-13, 2005: workshop proceedings

The Alliance for Coastal Technologies (ACT) Workshop on Trace Metal Sensors for Coastal Monitoring was convened April 11-13, 2005 at the Embassy Suites in Seaside, California with partnership from Moss Landing Marine Laboratories (MLML) and the Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI). Trace metals play many important roles in marine ecosystems. Due to their extreme toxicity, the effects of copper, cadmium and certain organo-metallinc compounds (such as tributyltin and methylmercury) have received much attention. Lately, the sublethal effects of metals on phytoplankton biochemistry, and in some cases the expression of neurotoxins (Domoic acid), have been shown to be important environmental forcing functions determining the composition and gene expression in some groups. More recently the role of iron in controlling phytoplankton growth has led to an understanding of trace metal limitation in coastal systems. Although metals play an important role at many different levels, few technologies exist to provide rapid assessment of metal concentrations or metal speciation in the coastal zone where metal-induced toxicity or potential stimulation of harmful algal blooms, can have major economic impacts. This workshop focused on the state of on-site and in situ trace element detection technologies, in terms of what is currently working well and what is needed to effectively inform coastal zone managers, as well as guide adaptive scientific sampling of the coastal zone. Specifically the goals of this workshop were to: 1) summarize current regional requirements and future targets for metal monitoring in freshwater, estuarine and coastal environments; 2) evaluate the current status of metal sensors and possibilities for leveraging emerging technologies for expanding detection limits and target elements; and 3) help identify critical steps needed for and limits to operational deployment of metal sensors as part of routine water quality monitoring efforts. Following a series of breakout group discussions and overview talks on metal monitoring regulatory issues, analytical techniques and market requirements, workshop participants made several recommendations for steps needed to foster development of in situ metal monitoring capacities: 1. Increase scientific and public awareness of metals of environmental and biological concern and their impacts in aquatic environments. Inform scientific and public communities regarding actual levels of trace metals in natural and perturbed systems. 2. Identify multiple use applications (e.g., industrial waste steam and drinking water quality monitoring) to support investments in metal sensor development. (pdf contains 27 pages)

水蒸气对氧化钙脱氯效率影响的实验研究

本文采用实验方法,在一个流化床反应器中研究160～750℃下水蒸气的存在对HCl脱除效率(RE)的影响.实验结果表明:在低温区,水蒸气对RE的影响不明显;380℃时水蒸气的存在抑制反应进行;580℃和750℃时,脱除效率先下降,当水蒸气含量达到15%时,又呈现上升趋势.对于水蒸气含量为5%、10%和15%情况下,580℃的脱氯效率最高.最后通过对暴露的反应物表面积和HCl气体穿越产物层扩散过程的分析解释实验得到的规律.

Design support for turbomachinery

From the steam turbines which provide most of our electricity to the jet engines which have shrunk our World, turbomachines undoubtedly play a major role in life today. Competition in the turbomachinery industry is fiercely strong [Wisler, 1998], hence good aerodynamic design is vital. However, with efficiency levels already close to their theoretical maxima, companies are increasingly looking to reduce costs and increase reliability through improved design practice. Computational Fluid Dynamics (CFD) can make a strong contribution to assisting this process as it has the potential to increase performance while reducing cost. The situation is, however, complicated by an ever decreasing number of engineers with sufficient design experience to reap the full benefits offered by CFD. With the large risks involved, novice designers of today are increasingly confined to refining old designs rather than gaining experience, like their forebears, through 'clean sheet' exercises. Hence it is desirable to capture the knowledge and experience of older designers, before it is lost, to assist the engineers of tomorrow. It is therefore the aim of this project to produce a design support tool which will not only store the appropriate CFD codes, but also provide a dynamic signpost (based on elicited knowledge and experience) to advise the engineer in their use. The signposting methodology developed for the aerospace industry [Clarkson and Hamilton, 1997] will provide the basic framework for the tool. This paper reviews current turbomachinery design practice (including an examination of the relevant CFD) in order to establish the important issues which a support tool must address. Current design support methodologies and their propriety are then reviewed, followed by a detailed description of the signposting concept. It then sets out a clear statement of the objectives for the research and the methods proposed to meet them. The paper concludes with a timetable of the work.

Cogeneración con gas natural en una empresa de tratamientos térmicos

[ES]Diseño de una instalación de cogeneración basada en un motor de combustible gas natural para una empresa de tratamientos térmicos y superficiales. Para satisfacer las necesidades energéticas de la planta, la potencia eléctrica la suministrará un alternador conectado al motor y, a su vez, la entalpía de los humos de escape del motor se aprovechará para la producción de vapor de agua, necesario para la actividad industrial de la empresa. Por otro lado, el calor que es necesario disipar de dicho motor se recuperará para el calentamiento de agua de red, con la finalidad de limpiar la taladrina de las piezas tratadas.

Catalisadores à base de platina frente a correntes de H2 contendo acetaldeído geradas via reforma do etanol

Devido ao efeito estufa, a produção de hidrogênio a partir da reação de reforma do bioetanol tem se tornado um assunto de grande interesse em catálise heterogênea. Os catalisadores à base de Pt são empregados nos processos de purificação de H2 e também em eletrocatalisadores das células a combustível do tipo membrana polimérica (PEMFC). O hidrogênio obtido a partir da reforma do etanol contém como contaminante o acetaldeído e pequenas quantidades de CO. Assim, pode-se prever que muitas reações podem ocorrer na presença de catalisadores de Pt durante o processo de purificação do H2 e mesmo no próprio eletrocatalisador. Desta forma, este trabalho tem como objetivo descrever o comportamento do acetaldeído na presença de catalisadores de Pt. Para tanto foram preparados dois catalisadores, Pt/SiO2 e Pt/USY, contendo 1,5% de metal em ambos. Também foi estudado um eletrocatalisador (comercial) de Pt suportado em carvão (Pt/C). Os catalisadores foram caracterizados através das técnicas de análise textural, difração de raios X (DRX), quimissorção de H2, reação de desidrogenação do ciclohexano, espectroscopia no infravermelho de piridina adsorvida, dessorção a temperatura programada de n-butilamina (TPD de n-butilamina), dessorção a temperatura programada de CO2 (TPD-CO2), análise termogravimétrica, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e espectroscopia de dispersão de energia (EDS). Os testes catalíticos foram realizados entre as temperaturas de 50 e 350 C em corrente contendo acetaldeído, H2 e N2. Foi observado que as propriedades ácido-básicas dos suportes promovem as reações de condensação com formação de éter etílico e acetato de etila. O acetaldeído em catalisadores de Pt sofre quebra das ligações C-C e C=O. A primeira ocorre em uma ampla faixa de temperaturas, enquanto a segunda apenas em temperaturas abaixo de 200 C. A quebra da ligação C-C produz metano e CO. Já a quebra da ligação C=O gera carbono residual nos catalisadores, assim como espécies oxigênio, que por sua vez são capazes de eliminar o CO da superfície dos catalisadores. Nota-se que o tipo de suporte utilizado influencia na distribuição de produtos, principalmente a baixas temperaturas. Além disso, constatou-se que a descarbonilação não é uma reação sensível à estrutura do catalisador. Verificou-se também a presença de resíduos sobre os catalisadores, possivelmente oriundos não somente da quebra da ligação C=O, mas também de reações de polimerização

Quantum Mechanics Studies of Fuel Cell Catalysts and Proton Conducting Ceramics with Validation by Experiment

We carried out quantum mechanics (QM) studies aimed at improving the performance of hydrogen fuel cells. This led to predictions of improved materials, some of which were subsequently validated with experiments by our collaborators.

In part I, the challenge was to find a replacement for the Pt cathode that would lead to improved performance for the Oxygen Reduction Reaction (ORR) while remaining stable under operational conditions and decreasing cost. Our design strategy was to find an alloy with composition Pt3M that would lead to surface segregation such that the top layer would be pure Pt, with the second and subsequent layers richer in M. Under operating conditions we expect the surface to have significant O and/or OH chemisorbed on the surface, and hence we searched for M that would remain segregated under these conditions. Using QM we examined surface segregation for 28 Pt₃M alloys, where M is a transition metal. We found that only Pt₃Os and Pt₃Ir showed significant surface segregation when O and OH are chemisorbed on the catalyst surfaces. This result indicates that Pt₃Os and Pt3Ir favor formation of a Pt-skin surface layer structure that would resist the acidic electrolyte corrosion during fuel cell operation environments. We chose to focus on Os because the phase diagram for Pt-Ir indicated that Pt-Ir could not form a homogeneous alloy at lower temperature. To determine the performance for ORR, we used QM to examine all intermediates, reaction pathways, and reaction barriers involved in the processes for which protons from the anode reactions react with O₂ to form H₂O. These QM calculations used our Poisson-Boltzmann implicit solvation model include the effects of the solvent (water with dielectric constant 78 with pH 7 at 298K). We found that the rate determination step (RDS) was the O_ad hydration reaction (O_ad + H₂O_ad -> OH_ad + OH_ad) in both cases, but that the barrier for pure Pt of 0.50 eV is reduced to 0.48 eV for Pt₃Os, which at 80 degrees C would increase the rate by 218%. We collaborated with the Pu-Wei Wu’s group to carry out experiments, where we found that the dealloying process-treated Pt2Os catalyst showed two-fold higher activity at 25 degrees C than pure Pt and that the alloy had 272% improved stability, validating our theoretical predictions.

We also carried out similar QM studies followed by experimental validation for the Os/Pt core-shell catalyst fabricated by the underpotential deposition (UPD) method. The QM results indicated that the RDS for ORR is a compromise between the OOH formation step (0.37 eV for Pt, 0.23 eV for Pt_2ML/Os core-shell) and H₂O formation steps (0.32 eV for Pt, 0.22 eV for Pt_2ML/Os core-shell). We found that Pt_2ML/Os has the highest activity (compared to pure Pt and to the Pt₃Os alloy) because the 0.37 eV barrier decreases to 0.23 eV. To understand what aspects of the core shell structure lead to this improved performance, we considered the effect on ORR of compressing the alloy slab to the dimensions of pure Pt. However this had little effect, with the same RDS barrier 0.37 eV. This shows that the ligand effect (the electronic structure modification resulting from the Os substrate) plays a more important role than the strain effect, and is responsible for the improved activity of the core- shell catalyst. Experimental materials characterization proves the core-shell feature of our catalyst. The electrochemical experiment for Pt_2ML/Os/C showed 3.5 to 5 times better ORR activity at 0.9V (vs. NHE) in 0.1M HClO₄ solution at 25 degrees C as compared to those of commercially available Pt/C. The excellent correlation between experimental half potential and the OH binding energies and RDS barriers validate the feasibility of predicting catalyst activity using QM calculation and a simple Langmuir–Hinshelwood model.

In part II, we used QM calculations to study methane stream reforming on a Ni-alloy catalyst surfaces for solid oxide fuel cell (SOFC) application. SOFC has wide fuel adaptability but the coking and sulfur poisoning will reduce its stability. Experimental results suggested that the Ni4Fe alloy improves both its activity and stability compared to pure Ni. To understand the atomistic origin of this, we carried out QM calculations on surface segregation and found that the most stable configuration for Ni₄Fe has a Fe atom distribution of (0%, 50%, 25%, 25%, 0%) starting at the bottom layer. We calculated that the binding of C atoms on the Ni4Fe surface is 142.9 Kcal/mol, which is about 10 Kcal/mol weaker compared to the pure Ni surface. This weaker C binding energy is expected to make coke formation less favorable, explaining why Ni₄Fe has better coking resistance. This result confirms the experimental observation. The reaction energy barriers for CHx decomposition and C binding on various alloy surface, Ni₄X (X=Fe, Co, Mn, and Mo), showed Ni₄Fe, Ni₄Co, and Fe₄Mn all have better coking resistance than pure Ni, but that only Ni₄Fe and Fe₄Mn have (slightly) improved activity compared to pure Ni.

In part III, we used QM to examine the proton transport in doped perovskite-ceramics. Here we used a 2x2x2 supercell of perovskite with composition Ba₈X₇M₁(OH)₁O₂₃ where X=Ce or Zr and M=Y, Gd, or Dy. Thus in each case a 4⁺ X is replace by a 3⁺ M plus a proton on one O. Here we predicted the barriers for proton diffusion allowing both includes intra-octahedron and inter-octahedra proton transfer. Without any restriction, we only observed the inter-octahedra proton transfer with similar energy barrier as previous computational work but 0.2 eV higher than experimental result for Y doped zirconate. For one restriction in our calculations is that the O_donor-O_acceptor atoms were kept at fixed distances, we found that the barrier difference between cerates/zirconates with various dopants are only 0.02~0.03 eV. To fully address performance one would need to examine proton transfer at grain boundaries, which will require larger scale ReaxFF reactive dynamics for systems with millions of atoms. The QM calculations used here will be used to train the ReaxFF force field.

Estratégia para validação de processos de esterilização por vapor saturado em autoclaves nas indústrias farmacêuticas

O objetivo deste trabalho foi criar uma metodologia de validação e revalidação dos processos de esterilização por calor úmido em autoclaves horizontais, destacando os pontos críticos do processo e concentrando esforços onde são realmente necessários. Foram realizados estudos de distribuição térmica, de penetração de calor e de desafio microbiológico na validação da autoclave STERIS FINNAQUA 6912. Com o objetivo de avaliar o impacto de uma mudança e compreender a relação entre os fatores e suas interações para o processo de esterilização, foi utilizado o planejamento fatorial 23 dos fatores densidade da carga (quantidade de itens), embalagem do produto e localização na câmara interna. Os estudos de distribuição térmica confirmaram a distribuição homogênea de calor na câmara interna durante o tempo de exposição a 121C. As temperaturas variaram entre 120,35C e 120,92C com desvio padrão máximo de 0,12C. Os estudos de penetração de calor confirmaram exposições equivalentes a 121C por 24 minutos em todos os itens da carga (F0 > 24 minutos). Em todos os estudos para cargas secas, os índices de capacidade do processo (Cpk) foram maiores que 1,33. Os ensaios de desafio microbiológico garantiram níveis de esterilidade (S.A.L.) maiores que 12 reduções logarítmicas em relação aos indicadores biológicos Geobacillus stearothermophilus. Não foi detectada a presença de endosporos sobreviventes nos 132 indicadores biológicos utilizados nos quatro ciclos desafiados. Com base no planejamento experimental verificou-se que, para o nível de significância de 95% , as mudanças nos fatores posição, embalagem e quantidade da carga não são significativas para o processo de esterilização, em autoclave com remoção forçada de ar. Já para o nível de significância de 90%, a interação Posição x Embalagem apresentou significância estatística no processo de esterilização com valor P de 0,080

Forced convection film boiling of subcooled water around a sphere

An experimental investigation was made of forced convection film boiling of subcooled water around a sphere at atmospheric pressure. The water was sufficiently cool that the vapor condensed before leaving the film with the result that no vapor bubbles left the film. The experimental runs were made using inductively heated spheres at temperatures above 740°C. and using inlet water temperatures between 15°C. and 27°C. The spheres used had diameters of 1/2 inch, 9/16 inch, and 3/8 inch and were supported by the liquid flow. Reynolds numbers between 60 and 700 were used.

Analysis of the collected non-condensables indicated that oxygen and nitrogen dissolved in the water accumulated within the vapor film and that hetrogeneous chemical reactions occurred at the sphere surface. An iron-steam reaction resulted in more than 20% by volume hydrogen in the film at wall temperatures above 900°C. At temperatures near 1100°C. more than 80% by volume of the film was composed of hydrogen. It was found that gold plating of the sphere could eliminate this reaction.

Material and energy balances were used to derive equations which may be used to predict the overall average heat transfer coefficients for subcooled film boiling around a sphere. These equations include the effect of dissolved gases in the water. Equations also were derived which may be used to predict the composition of the film for cases in which an equilibrium exists between the dissolved gases and the gases in the film.

The derived equations were compared to the experimental results. It was found that a correlation existed between the Nusselt number for heat transfer from the vapor-liquid interface into the liquid and the Reynolds number, liquid Prandtl number product. In addition, it was found that the percentage of dissolved oxygen removed during the film boiling could be predicted to within 10%.

Estudio del proceso de valorización energética de los residuos sólidos urbanos en una planta de incineración.

[ES]El objetivo de este Trabajo Fin de Grado consiste en estudiar el proceso desarrollado en la planta de incineración de residuos sólidos urbanos de Zabalgarbi (Bizkaia). La planta consiste en un ciclo combinado basado en una turbina de gas de 43 MW y una turbina de vapor de 56,5 MW. La importancia de su diseño recae en la adaptación de la tecnología de ciclo combinado de gas a la tecnología propia de una planta de valorización energética de residuos municipales. Es decir, se trata de un diseño innovador, del que surge un nuevo proceso industrial que permite dar solución a la problemática generada por los residuos producidos a la vez que se genera energía eléctrica. Gracias a este diseño, se consigue una mejora cualitativa y cuantitativa del rendimiento de la planta, ya que se obtiene energía eléctrica en dos etapas, además de un mejor aprovechamiento de los recursos. La tecnología utilizada para la incineración es el horno-caldera de parrilla deslizante. En este trabajo se analizarán los procesos integrados en la planta y se realizará el estudio energético de los equipos más significativos. Una vez realizada esta parte, se considerarán ciertas mejoras a incorporar en la instalación. Además, se desarrollará la metodología seguida para la realización del estudio así como la planificación y el presupuesto.

D. Rodrigo de Souza Coutinho e o reformismo ilustrado: manutenção e exploração da América portuguesa no final do século XVIII

A dissertação busca demonstrar como o final do século XVIII português foi marcado por tentativas de estabelecimento de programas de reformas pautadas em estratégias reformistas, no sentido de salvar Portugal da difícil situação social, política econômica em que o mesmo se encontrava. Nesse sentido, destaca a administração de D. Rodrigo de Souza Coutinho, ministro da marinha e do ultramar e teórico da Ilustração luso-brasileira, que teve como proposta manter e explorar a América portuguesa, baseado no mercantilismo ilustrado. A dissertação destaca, ainda, o papel da Academia Real das Ciências de Lisboa, reduto da intelectualidade luso-brasileira, cujo auxílio permitiu que fosse colocada em prática uma exploração renovada e útil das riquezas do Brasil, calcada no ideal de reforma das Luzes.

Avaliação do possível impacto das técnicas de MEOR (Microbial Enhanced Oil Recovery) no fator de recuperação das reservas de petróleo e gás do Brasil

Os métodos tradicionais de estimular a produção de petróleo, envolvendo a injeção de água, vapor, gás ou outros produtos, estabeleceram a base conceitual para novos métodos de extração de óleo, utilizando micro-organismos e processos biológicos. As tecnologias que empregam os processos de bioestimulação e bioaumentação já são amplamente utilizadas em inúmeras aplicações industriais, farmacêuticas e agroindustriais, e mais recentemente, na indústria do petróleo. Dada a enorme dimensão econômica da indústria do petróleo, qualquer tecnologia que possa aumentar a produção ou o fator de recuperação de um campo petrolífero gera a expectativa de grandes benefícios técnicos, econômicos e estratégicos. Buscando avaliar o possível impacto de MEOR (microbial enhanced oil recovery) no fator de recuperação das reservas de óleo e gás no Brasil, e quais técnicas poderiam ser mais indicadas, foi feito um amplo estudo dessas técnicas e de diversos aspectos da geologia no Brasil. Também foram realizados estudos preliminares de uma técnica de MEOR (bioacidificação) com possível aplicabilidade em reservatórios brasileiros. Os resultados demonstram que as técnicas de MEOR podem ser eficazes na produção, solubilização, emulsificação ou transformação de diversos compostos, e que podem promover outros efeitos físicos no óleo ou na matriz da rocha reservatório. Também foram identificadas bacias petrolíferas brasileiras e recursos não convencionais com maior potencial para utilização de determinadas técnicas de MEOR. Finalmente, foram identificadas algumas técnicas de MEOR que merecem maiores estudos, entre as técnicas mais consolidadas (como a produção de biossurfatantes e biopolímeros, e o controle da biocorrosão), e as que ainda não foram completamente viabilizadas (como a gaseificação de carvão, óleo e matéria orgânica; a dissociação microbiana de hidratos de gás; a bioconversão de CO2 em metano; e a bioacidificação). Apesar de seu potencial ainda não ser amplamente reconhecido, as técnicas de MEOR representam o limiar de uma nova era na estimulação da produção de recursos petrolíferos existentes, e até mesmo para os planos de desenvolvimento de novas áreas petrolíferas e recursos energéticos. Este trabalho fornece o embasamento técnico para sugerir novas iniciativas, reconhecer o potencial estratégico de MEOR, e para ajudar a realizar seu pleno potencial e seus benefícios.

Recuperação do íon amônio gerado durante a evaporação de lixiviados de aterros utilizando resinas poliméricas de troca iônica

O lixiviado gerado em aterro sanitário possui substâncias de difícil degradação e amônia, que dificulta o tratamento biológico. O tratamento do lixiviado gerado em aterros sanitários requer uma série de processos de elevado custo e, outras técnicas de tratamento têm sido investigadas no intuito de reduzir custos e aumentar a eficiência do tratamento. A evaporação do lixiviado é uma técnica que aproveita o gás de aterro como fonte de calor, e é utilizada na redução do volume a tratar; porém as emissões atmosféricas geradas durante essa evaporação indicam a presença de amônia, o que pode causar impactos negativos em torno do aterro. Desta forma, é importante a realização de estudos que aprimorem esta técnica, para que a evaporação torne-se ambientalmente e economicamente viável. A amônia presente em amostras com pH em torno de 8,0 e temperatura em torno de 25C, está na forma de íon amônio, o que favorece ao processo de troca iônica. A troca iônica é um processo que tem sido estudado por muitos pesquisadores e consiste na troca de um ou mais constituintes de uma fase fluida para a superfície de uma fase sólida (resinas poliméricas). Este trabalho apresenta a eficiência de quatro tipos diferentes de resinas poliméricas: Amberlyst 15 Wet, Lewatit VPOC 1800, Dowex Mac-3 e Purolite MN250 na remoção e posterior, recuperação do íon amônio presente nos vapores condensados da evaporação de lixiviados. A princípio foi investigado a quantidade e o momento em que o amônio é lançado durante o processo de evaporação. Em seguida, caracterizaram-se as resinas quanto à eficiência de remoção, o tempo de contato e a quantidade ideal da resina. Estão apresentadas neste estudo as isotermas de adsorção de Langmuir, Freundlich e Temkin em diferentes temperaturas (298-318 K) e as condições ideais do processo. Os resultados apontaram duas resinas com eficiência de remoção, em torno de 40%, para concentrações acima de 1000 mg dm-3 de amônio, utilizando 0,5 g de resina e um tempo de contato de 20 minutos. Diferentes modelos cinéticos foram aplicados: Pseudo-Primeira Ordem, Pseudo-Segunda Ordem, difusão intrapartícula, Elovich e o modelo cinético de difusão externa e os resultados discutidos. Foi possível tratar Através da condensação dos vapores emitidos durante a evaporação do lixiviado, foi possível tratar foi possível obter uma recuperação em torno de 70% do íon amônio contido no vapor condensado proveniente da evaporação do lixiviado.

My Days on the Albatross

Navigation and surveying formed a connecting link, as it were, between what was getting to be called the “Old Navy” and what was soon to take shape as a “New Navy.” Seamanship, as an art of special character, was beginning to change its form with the passing of sail power and its supersession by the steam engine; while requiring in its new form no less ability and practiced judgment in the handling of large ships, it offered a diminished field for expertness in craft of only moderate size and speed among officers doing simple watch duty not in company with other ships; and, therefore, it was threatened with a materially lessened regard.