Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Neural network control of a gas turbine

In this paper we explore the practical use of neural networks for controlling complex non-linear systems. The system used to demonstrate this approach is a simulation of a gas turbine engine typical of those used to power commercial aircraft. The novelty of the work lies in the requirement for multiple controllers which are used to maintain system variables in safe operating regions as well as governing the engine thrust.

Creep crack growth in cast steam turbine casing steels

The creep rupture properties of cast ½Cr½Mo¼V and 1Cr1Mo¼V alloy steel used in the manufacture of power station steam generating plant. have been investigated. The effects of constraint and geometry on the creep rupture properties are also considered. The validity of various criteria controlling macroscopic creep crack growth in cast CrMoV alloys has been examined. It is found that neither the stress intensity factor nor reference stress correlate satisfactorily the creep crack growth rates at the test temperature of 550°C. Certain minimum displacements must be achieved for crack initiation and propagation. It is found that this displacement as measured by crack opening displacement or crack aspect ratio, is the same in both compact tension and centre-cracked panel geometries, is invariant with crack length and decreases with increasing constraint. The effect of constraint on creep crack growth rate in the two geometries is less conclusive. A new model describing creep crack growth in cast CrMoV alloy steels has been developed. The model is based on the results from a numerical finite element creep analysis of the relaxation and redistribution of stress ahead of an incubating creep crack . It is found that macroscopic creep crack growth in a material undergoing either plane stress or plane strain deformation can be described by a fracture stress which is based on the Von Mises equivalent stress. It has been shown that this model is capable of rationalising all of the experimental crack velocity data from the cast CrMoV alloys. The resultant degree of data correlation is far superior to that obtained when using the stress intensity factor or reference stress. A cumulative damage creep fracture model based upon the results from the numerical analysis has been developed. It is found that the model is capable of predicting the behaviour of propagating creep cracks in cast CrMoV alloys from smooth bar creep rupture data.

The application of robotics to the turbine blade encapsulation process

A survey of the existing state-of-the-art of turbine blade manufacture highlights two operations that have not been automated namely that of loading of a turbine blade into an encapsulation die, and that of removing a machined blade from the encapsulation block. The automation of blade decapsulation has not been pursued. In order to develop a system to automate the loading of an encapsulation die a prototype mechanical handling robot has been designed together with a computer controlled encapsulation die. The robot has been designed as a mechanical handling robot of cylindrical geometry, suitable for use in a circular work cell. It is the prototype for a production model to be called `The Cybermate'. The prototype robot is mechanically complete but due to unforeseen circumstances the robot control system is not available (the development of the control system did not form a part of this project), hence it has not been possible to fully test and assess the robot mechanical design. Robot loading of the encapsulation die has thus been simulated. The research work with regard to the encapsulation die has focused on the development of computer controlled, hydraulically actuated, location pins. Such pins compensate for the inherent positional inaccuracy of the loading robot and reproduce the dexterity of the human operator. Each pin comprises a miniature hydraulic cylinder, controlled by a standard bidirectional flow control valve. The precision positional control is obtained through pulsing of the valves under software control, with positional feedback from an 8-bit transducer. A test-rig comprising one hydraulic location pin together with an opposing spring loaded pin has demonstrated that such a pin arrangement can be controlled with a repeatability of +/-.00045'. In addition this test-rig has demonstrated that such a pin arrangement can be used to gauge and compensate for the dimensional error of the component held between the pins, by offsetting the pin datum positions to allow for the component error. A gauging repeatability of +/- 0.00015' was demonstrated. This work has led to the design and manufacture of an encapsulation die comprising ten such pins and the associated computer software. All aspects of the control software except blade gauging and positional data storage have been demonstrated. Work is now required to achieve the accuracy of control demonstrated by the single pin test-rig, with each of the ten pins in the encapsulation die. This would allow trials of the complete loading cycle to take place.

A finite-element method for the solution of turbine-generation end-zone fields

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Exploration of a simple, low cost, micro gas turbine recuperator solution for a domestic combined heat and power unit

For micro gas turbines (MGT) of around 1 kW or less, a commercially suitable recuperator must be used to produce a thermal efficiency suitable for use in UK Domestic Combined Heat and Power (DCHP). This paper uses computational fluid dynamics (CFD) to investigate a recuperator design based on a helically coiled pipe-in-pipe heat exchanger which utilises industry standard stock materials and manufacturing techniques. A suitable mesh strategy was established by geometrically modelling separate boundary layer volumes to satisfy y + near wall conditions. A higher mesh density was then used to resolve the core flow. A coiled pipe-in-pipe recuperator solution for a 1 kW MGT DCHP unit was established within the volume envelope suitable for a domestic wall-hung boiler. Using a low MGT pressure ratio (necessitated by using a turbocharger oil cooled journal bearing platform) meant unit size was larger than anticipated. Raising MGT pressure ratio from 2.15 to 2.5 could significantly reduce recuperator volume. Dimensional reasoning confirmed the existence of optimum pipe diameter combinations for minimum pressure drop. Maximum heat exchanger effectiveness was achieved using an optimum or minimum pressure drop pipe combination with large pipe length as opposed to a large pressure drop pipe combination with shorter pipe length. © 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

On the role of surface roughness in the aerodynamic performance and energy conversion of horizontal wind turbine blades:a review

Summary: Renewable energy is one of the main pillars of sustainable development, especially in developing economies. Increasing energy demand and the limitation of fossil fuel reserves make the use of renewable energy essential for sustainable development. Wind energy is considered to be one of the most important resources of renewable energy. In North African countries, such as Egypt, wind energy has an enormous potential; however, it faces quite a number of technical challenges related to the performance of wind turbines in the Saharan environment. Seasonal sand storms affect the performance of wind turbines in many ways, one of which is increasing the wind turbine aerodynamic resistance through the increase of blade surface roughness. The power loss because of blade surface deterioration is significant in wind turbines. The surface roughness of wind turbine blades deteriorates because of several environmental conditions such as ice or sand. This paper is the first review on the topic of surface roughness effects on the performance of horizontal-axis wind turbines. The review covers the numerical simulation and experimental studies as well as discussing the present research trends to develop a roadmap for better understanding and improvement of wind turbine performance in deleterious environments.

Radially rotating miniature heat pipes for turbine blade cooling applications

Aerospace turboengines present a demanding challenge to many heat transfer scientists and engineers. Designers in this field are seeking the best design to transform the chemical energy of the fuel into the useful work of propulsive thrust at maximum efficiency. To this aim, aerospace turboengines must operate at very high temperatures and pressures with very little heat losses. These requirements are often in conflict with the ability to protect the turboengine blades from this hostile thermal environment. Heat pipe technology provides a potential cooling means for the structure exposed to high heat fluxes. Therefore, the objective of this dissertation is to develop a new radially rotating miniature heat pipe, which would combine the traditional air-cooling technology with the heat pipe for more effective turboengine blade cooling. ^ In this dissertation, radially rotating miniature heat pipes are analyzed and studied by employing appropriate flow and heat transfer modeling as well as experimental tests. The analytical solutions for the flows of condensate film and vapor, film thickness, and vapor temperature distribution along the heat pipe length are derived. The diffuse effects of non-condensable gases on the temperature distribution along the heat pipe length are also studied, and the analytical solutions for the temperature distributions with the diffuse effects of non-condensable gases are obtained. Extensive experimental tests on radially rotating miniature heat pipes with different influential parameters are undertaken, and various effects of these parameters on the operation of the heat pipe performance are researched. These analytical solutions are in good agreement with the experimental data. ^ The theoretical and experimental studies have proven that the radially rotating miniature heat pipe has a very large heat transfer capability and a very high effective thermal conductance that is 60–100 times higher than the thermal conductivity of copper. At the same time, the heat pipe has a simple structure and low manufacturing cost, and can withstand strong vibrations and work in a high-temperature environment. Therefore, the combination of the traditional air-cooling technology with the radially rotating miniature heat pipe is a feasible and effective cooling means for high-temperature turbine blades. ^

Tubular and sector heat pipes with interconnected branches for gas turbine and/or compressor cooling

Designing turbines for either aerospace or power production is a daunting task for any heat transfer scientist or engineer. Turbine designers are continuously pursuing better ways to convert the stored chemical energy in the fuel into useful work with maximum efficiency. Based on thermodynamic principles, one way to improve thermal efficiency is to increase the turbine inlet pressure and temperature. Generally, the inlet temperature may exceed the capabilities of standard materials for safe and long-life operation of the turbine. Next generation propulsion systems, whether for new supersonic transport or for improving existing aviation transport, will require more aggressive cooling system for many hot-gas-path components of the turbine. Heat pipe technology offers a possible cooling technique for the structures exposed to the high heat fluxes. Hence, the objective of this dissertation is to develop new radially rotating heat pipe systems that integrate multiple rotating miniature heat pipes with a common reservoir for a more effective and practical solution to turbine or compressor cooling. In this dissertation, two radially rotating miniature heat pipes and two sector heat pipes are analyzed and studied by utilizing suitable fluid flow and heat transfer modeling along with experimental tests. Analytical solutions for the film thickness and the lengthwise vapor temperature distribution for a single heat pipe are derived. Experimental tests on single radially rotating miniature heat pipes and sector heat pipes are undertaken with different important parameters and the manner in which these parameters affect heat pipe operation. Analytical and experimental studies have proven that the radially rotating miniature heat pipes have an incredibly high effective thermal conductance and an enormous heat transfer capability. Concurrently, the heat pipe has an uncomplicated structure and relatively low manufacturing costs. The heat pipe can also resist strong vibrations and is well suited for a high temperature environment. Hence, the heat pipes with a common reservoir make incorporation of heat pipes into turbo-machinery much more feasible and cost effective.

Ottimizzazione di mix design di geopolimeri a base di metacaolino e studio dei relativi processi di formatura

Il seguente lavoro di tesi si pone come obiettivo di ottimizzare il mix design di materiali geopolimerici a base di metacaolino in modo da ottimizzare il procedimento di formatura tramite pressatura tipico delle piastrelle ceramiche. La parte iniziale del lavoro sperimentale è stata incentrata sullo studio dell’ottimizzazione delle formulazioni per ottenere impasti geopolimerici a base di metacaolino idonei per la pressatura e il colaggio; sono stati quindi preparate diverse formulazioni ottenute variando diversi parametri di processo, quali il contenuto totale di acqua dell’impasto e la concentrazione di quarzo utilizzato come filler inerte. Su tali mix è stato individuato il processo di formatura più idoneo dal punto di vista di temperatura di consolidamento, modalità e tempi di cottura ed è stato messo a punto il procedimento ottimale per la preparazione dei materiali, procedimento che è stato poi mantenuto per l’intero decorso dello studio. Nella produzione degli impasti si è deciso di eliminare sistematicamente quelle formulazioni che avevano prodotto materiali con peggiori prestazioni fisiche, come alcune formulazioni testate per il colaggio. Successivamente, dopo avere preparato i campioni, su di essi sono state eseguite le prove di assorbimento d’acqua e porosimetria ad intrusione di mercurio, per valutare le caratteristiche fisiche dei vari impasti prodotti, osservazioni al microscopio ottico e al microscopio a scansione elettronica, per analizzare i campioni selezionati dal punto di vista microstrutturale e morfologico e prove al microscopio riscaldante, per studiarne il comportamento alle alte temperature. I risultati ottenuti sono stati messi a confronto con quelli dei materiali ceramici tradizionali, per avere indicazioni sulla potenzialità dei prodotti a base geopolimerica come alternativa alla produzione di piastrelle ceramiche.

Ottimizzazione stocastica di una microrete con tecnologia "vehicle-to-grid"

La presente tesi ha come obiettivo quello di sviluppare un modello per la gestione ottimizzata delle unità di generazione e di accumulo di una microrete elettrica. La tesi analizza, come caso studio di riferimento, una microrete contenente impianti di generazione da fonti rinnovabili, sistemi di accumulo a batteria (BES:Battery Energy System) e stazioni di ricarica per veicoli elettrici. In particolare le stazioni di ricarica sono a flusso bidirezionale, in grado di fornire servizi di tipo "grid-to-vehicle"(G2V) e "vehicle-to-grid" (V2G). Il modello consente di definire, come sistema di dispacciamento centrale, le potenze che le varie risorse distribuite devono erogare o assorbire nella rete nelle 24 ore successive. Il dispacciamento avviene mediante risoluzione di un problema di minimizzazione dei costi operativi e dell'energia prelevata dalla rete esterna. Il problema è stato formulato tramite l'approccio di programmazione stocastica lineare dove i parametri incerti del modello sono modellizzati tramite processi stocastici. L'implementazione del modello è stata effettuata tramite il software AIMMS, un programma di ottimizzazione che prevede al suo interno delle funzionalità specifiche per la programmazione stocastica

Optimal selection of autoregressive model coefficients for early damage detectability with an application to wind turbine blades

Piotr Omenzetter and Simon Hoell's work within the Lloyd's Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Optimal selection of autoregressive model coefficients for early damage detectability with an application to wind turbine blades

Piotr Omenzetter and Simon Hoell's work within the Lloyd's Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Improved damage detectability in a wind turbine blade by optimal selection of vibration signal correlation coefficients

Piotr Omenzetter and Simon Hoell’s work within the Lloyd’s Register Foundation Centre for Safety and Reliability Engineering at the University of Aberdeen is supported by Lloyd’s Register Foundation. The Foundation helps to protect life and property by supporting engineering-related education, public engagement and the application of research.

Physical Insights, Steady Aerodynamic Effects, and a Design Tool for Low-Pressure Turbine Flutter

The successful, efficient, and safe turbine design requires a thorough understanding of the underlying physical phenomena. This research investigates the physical understanding and parameters highly correlated to flutter, an aeroelastic instability prevalent among low pressure turbine (LPT) blades in both aircraft engines and power turbines. The modern way of determining whether a certain cascade of LPT blades is susceptible to flutter is through time-expensive computational fluid dynamics (CFD) codes. These codes converge to solution satisfying the Eulerian conservation equations subject to the boundary conditions of a nodal domain consisting fluid and solid wall particles. Most detailed CFD codes are accompanied by cryptic turbulence models, meticulous grid constructions, and elegant boundary condition enforcements all with one goal in mind: determine the sign (and therefore stability) of the aerodynamic damping. The main question being asked by the aeroelastician, ``is it positive or negative?'' This type of thought-process eventually gives rise to a black-box effect, leaving physical understanding behind. Therefore, the first part of this research aims to understand and reveal the physics behind LPT flutter in addition to several related topics including acoustic resonance effects. A percentage of this initial numerical investigation is completed using an influence coefficient approach to study the variation the work-per-cycle contributions of neighboring cascade blades to a reference airfoil. The second part of this research introduces new discoveries regarding the relationship between steady aerodynamic loading and negative aerodynamic damping. Using validated CFD codes as computational wind tunnels, a multitude of low-pressure turbine flutter parameters, such as reduced frequency, mode shape, and interblade phase angle, will be scrutinized across various airfoil geometries and steady operating conditions to reach new design guidelines regarding the influence of steady aerodynamic loading and LPT flutter. Many pressing topics influencing LPT flutter including shocks, their nonlinearity, and three-dimensionality are also addressed along the way. The work is concluded by introducing a useful preliminary design tool that can estimate within seconds the entire aerodynamic damping versus nodal diameter curve for a given three-dimensional cascade.