AIR SIDE HEAT TRANSFER ENHANCEMENT IN HEAT EXCHANGERS UTILIZING INNOVATIVE DESIGNS AND THE ADDITIVE MANUFACTURING TECHNIQUE

Over the last decade, rapid development of additive manufacturing techniques has allowed the fabrication of innovative and complex designs. One field that can benefit from such technology is heat exchanger fabrication, as heat exchanger design has become more and more complex due to the demand for higher performance particularly on the air side of the heat exchanger. By employing the additive manufacturing, a heat exchanger design was successfully realized, which otherwise would have been very difficult to fabricate using conventional fabrication technologies. In this dissertation, additive manufacturing technique was implemented to fabricate an advanced design which focused on a combination of heat transfer surface and fluid distribution system. Although the application selected in this dissertation is focused on power plant dry cooling applications, the results of this study can directly and indirectly benefit other sectors as well, as the air-side is often the limiting side for in liquid or single phase cooling applications. Two heat exchanger designs were studied. One was an advanced metallic heat exchanger based on manifold-microchannel technology and the other was a polymer heat exchanger based on utilization of prime surface technology. Polymer heat exchangers offer several advantages over metals such as antifouling, anticorrosion, lightweight and often less expensive than comparable metallic heat exchangers. A numerical modeling and optimization were performed to calculate a design that yield an optimum performance. The optimization results show that significant performance enhancement is noted compared to the conventional heat exchangers like wavy fins and plain plate fins. Thereafter, both heat exchangers were scaled down and fabricated using additive manufacturing and experimentally tested. The manifold-micro channel design demonstrated that despite some fabrication inaccuracies, compared to a conventional wavy-fin surface, 15% - 50% increase in heat transfer coefficient was possible for the same pressure drop value. In addition, if the fabrication inaccuracy can be eliminated, an even larger performance enhancement is predicted. Since metal based additive manufacturing is still in the developmental stage, it is anticipated that with further refinement of the manufacturing process in future designs, the fabrication accuracy can be improved. For the polymer heat exchanger, by fabricating a very thin wall heat exchanger (150μm), the wall thermal resistance, which usually becomes the limiting side for polymer heat exchanger, was calculated to account for only up to 3% of the total thermal resistance. A comparison of air-side heat transfer coefficient of the polymer heat exchanger with some of the commercially available plain plate fin surface heat exchangers show that polymer heat exchanger performance is equal or superior to plain plate fin surfaces. This shows the promising potential for polymer heat exchangers to compete with conventional metallic heat exchangers when an additive manufacturing-enabled fabrication is utilized. Major contributions of this study are as follows: (1) For the first time demonstrated the potential of additive manufacturing in metal printing of heat exchangers that benefit from a sophisticated design to yield a performance substantially above the respective conventional systems. Such heat exchangers cannot be fabricated with the conventional fabrication techniques. (2) For the first time demonstrated the potential of additive manufacturing to produce polymer heat exchangers that by design minimize the role of thermal conductivity and deliver a thermal performance equal or better that their respective metallic heat exchangers. In addition of other advantages of polymer over metal like antifouling, anticorrosion, and lightweight. Details of the work are documented in respective chapters of this thesis.

Harmonization of Life Cycle Climate Performance and Its Improvements for Heat Pump Applications

Life Cycle Climate Performance (LCCP) is an evaluation method by which heating, ventilation, air conditioning and refrigeration systems can be evaluated for their global warming impact over the course of their complete life cycle. LCCP is more inclusive than previous metrics such as Total Equivalent Warming Impact. It is calculated as the sum of direct and indirect emissions generated over the lifetime of the system “from cradle to grave”. Direct emissions include all effects from the release of refrigerants into the atmosphere during the lifetime of the system. This includes annual leakage and losses during the disposal of the unit. The indirect emissions include emissions from the energy consumption during manufacturing process, lifetime operation, and disposal of the system. This thesis proposes a standardized approach to the use of LCCP and traceable data sources for all aspects of the calculation. An equation is proposed that unifies the efforts of previous researchers. Data sources are recommended for average values for all LCCP inputs. A residential heat pump sample problem is presented illustrating the methodology. The heat pump is evaluated at five U.S. locations in different climate zones. An excel tool was developed for residential heat pumps using the proposed method. The primary factor in the LCCP calculation is the energy consumption of the system. The effects of advanced vapor compression cycles are then investigated for heat pump applications. Advanced cycle options attempt to reduce the energy consumption in various ways. There are three categories of advanced cycle options: subcooling cycles, expansion loss recovery cycles and multi-stage cycles. The cycles selected for research are the suction line heat exchanger cycle, the expander cycle, the ejector cycle, and the vapor injection cycle. The cycles are modeled using Engineering Equation Solver and the results are applied to the LCCP methodology. The expander cycle, ejector cycle and vapor injection cycle are effective in reducing LCCP of a residential heat pump by 5.6%, 8.2% and 10.5%, respectively in Phoenix, AZ. The advanced cycles are evaluated with the use of low GWP refrigerants and are capable of reducing the LCCP of a residential heat by 13.7%, 16.3% and 18.6% using a refrigerant with a GWP of 10. To meet the U.S. Department of Energy’s goal of reducing residential energy use by 40% by 2025 with a proportional reduction in all other categories of residential energy consumption, a reduction in the energy consumption of a residential heat pump of 34.8% with a refrigerant GWP of 10 for Phoenix, AZ is necessary. A combination of advanced cycle, control options and low GWP refrigerants are necessary to meet this goal.

Novel Automotive Waste Heat Recovery Techniques

The United States transportation industry is predicted to consume approximately 13 million barrels of liquid fuel per day by 2025. If one percent of the fuel energy were salvaged through waste heat recovery, there would be a reduction of 130 thousand barrels of liquid fuel per day. This dissertation focuses on automotive waste heat recovery techniques with an emphasis on two novel techniques. The first technique investigated was a combination coolant and exhaust-based Rankine cycle system, which utilized a patented piston-in-piston engine technology. The research scope included a simulation of the maximum mass flow rate of steam (700 K and 5.5 MPa) from two heat exchangers, the potential power generation from the secondary piston steam chambers, and the resulting steam quality within the steam chamber. The secondary piston chamber provided supplemental steam power strokes during the engine's compression and exhaust strokes to reduce the pumping work of the engine. A Class-8 diesel engine, operating at 1,500 RPM at full load, had a maximum increase in the brake fuel conversion efficiency of 3.1%. The second technique investigated the implementation of thermoelectric generators on the outer cylinder walls of a liquid-cooled internal combustion engine. The research scope focused on the energy generation, fuel energy distribution, and cylinder wall temperatures. The analysis was conducted over a range of engine speeds and loads in a two cylinder, 19.4 kW, liquid-cooled, spark-ignition engine. The cylinder wall temperatures increased by 17% to 44% which correlated well to the 4.3% to 9.5% decrease in coolant heat transfer. Only 23.3% to 28.2% of the heat transfer to the coolant was transferred through the TEG and TEG surrogate material. The gross indicated work decreased by 0.4% to 1.0%. The exhaust gas energy decreased by 0.8% to 5.9%. Due to coolant contamination, the TEG output was not able to be obtained. TEG output was predicted from cylinder wall temperatures and manufacturer documentation, which was less than 0.1% of the cumulative heat release. Higher TEG conversion efficiencies, combined with greater control of heat transfer paths, would be needed to improve energy output and make this a viable waste heat recovery technique.

Integrated analysis of cooling water systems: Modeling and experimental validation

Cooling towers are widely used in many industrial and utility plants as a cooling medium, whose thermal performance is of vital importance. Despite the wide interest in cooling tower design, rating and its importance in energy conservation, there are few investigations concerning the integrated analysis of cooling systems. This work presents an approach for the systemic performance analysis of a cooling water system. The approach combines experimental design with mathematical modeling. An experimental investigation was carried out to characterize the mass transfer in the packing of the cooling tower as a function of the liquid and gas flow rates, whose results were within the range of the measurement accuracy. Then, an integrated model was developed that relies on the mass and heat transfer of the cooling tower, as well as on the hydraulic and thermal interactions with a heat exchanger network. The integrated model for the cooling water system was simulated and the temperature results agree with the experimental data of the real operation of the pilot plant. A case study illustrates the interaction in the system and the need for a systemic analysis of cooling water system. The proposed mathematical and experimental analysis should be useful for performance analysis of real-world cooling water systems. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Auditoria e optimização energética à secção de impregnação de uma indústria têxtil

Mestrado em Engenharia Química

Análise e optimização dos consumos de utilidades (vapor e energia eléctrica) na Petibol – Embalagens de Plásticos, S.A.

Mestrado em Engenharia Química. Ramo optimização energética na indústria química.

Recuperação do calor de um efluente primário para aquecimento de lamas de um reactor anaeróbio

O presente trabalho tem como principal objectivo o estudo da possibilidade de recuperação de calor de um efluente proveniente do tratamento primário da fábrica do grupo Portucel Soporcel (fábrica produtora de pasta de papel), para o aquecimento da corrente de lamas do digestor anaeróbio da SimRia S.A. – ETAR Norte, (ambas localizadas em Cacia, distrito de Aveiro). A solução consiste na implementação de um sistema de permuta térmica entre estas duas correntes, constituído fundamentalmente por dois permutadores de placas em espiral, montados em paralelo que operam em contra-corrente. Segundo este novo sistema de aquecimento, as lamas abandonam o digestor anaeróbio da mesma ETAR a um caudal de 110 m3/h, que se dividirá em duas linhas, sendo admitidas em cada permutador a 55 m3/h e a uma temperatura de 32 ºC regressando ao digestor a uma temperatura de 37 ºC (temperatura óptima a que ocorre a digestão anaeróbia das lamas). O efluente disponível, abandona o tratamento primário da Portucel, a 45 ºC e é encaminhado até aos permutadores da SimRia S.A., onde vai trocar calor com as lamas e regressa à Portucel a 40ºC, sendo admitido nas torres de arrefecimento da fábrica de papel. A nova instalação proposta pretende substituir a actual existente na ETAR em causa, em que a corrente de água que aquece as lamas, circula num circuito fechado entre um único permutador e uma caldeira, alimentada com o biogás que se produz no digestor anaeróbio, e que é responsável pelo controlo da temperatura da corrente de água. Pretende-se que a implementação deste novo método de aquecimento de lamas seja uma alternativa económica relativamente ao actual sistema, uma vez que vai substituir a corrente de biogás alimentada à caldeira podendo este recurso ser transformado em energia eléctrica e posteriormente comercializada. A análise financeira realizada ao projecto demonstrou que o projecto é rentável, uma vez que, a diferença entre todos ganhos e custos ao fim dos 10 anos de vida útil estimados é de cerca de 150 000,0 €. O período de retorno do investimento é alcançado no final dos primeiros 6 anos e a taxa interna de rentabilidade obtida foi de 36 %. Posteriormente incluiu-se neste estudo a possibilidade de tratamento das lamas geradas na fábrica da Portucel na ETAR da SimRia recorrendo a um terceiro digestor. Conclui-se que se trata duma opção vantajosa, uma vez que permite obter um caudal de biogás 44 m3/h, que convertido em potência permite obter 150 kW que poderá ser aproveitado para produção de energia ou comercializado gerando uma receita adicional de 130 000,0 €/ano para as entidades envolvidas.

Optimização energética da olaria de uma cerâmica

Na indústria cerâmica o consumo de energia é elevado, fazendo com que este custo represente uma parte significativa dos custos totais de produção das peças. De forma a diminuir esta dependência, a energia deve ser gerida de forma contínua e eficazmente. O presente trabalho consistiu na análise da situação energética e na elaboração de propostas de optimização da etapa de conformação que ocorre na Olaria número quatro da Fábrica Cerâmica de Valadares, S.A. Determinou-se o rendimento efectivo da Olaria, tendo-se obtido um valor de 24,7%. As perdas térmicas ocorrem na Olaria, a nível da envolvente, da ventilação, da exaustão de gases e da inércia térmica, representando, respectivamente, 18122 MJ, 50222 MJ, 39228 MJ e 4338 MJ por semana de trabalho. Numa última fase sugeriram-se algumas medidas de optimização energética. A primeira medida visa uma melhoria na manutenção dos geradores, um aumento na gama de temperaturas de funcionamento dos geradores e uma minimização dos tempos de abertura dos portões. Na segunda medida propõe-se a diminuição da percentagem de excesso de ar para 10%, equivalendo a uma poupança de 8839 €/ano. Na terceira medida avaliou-se a possibilidade da aplicação de um permutador de calor de modo a aproveitar os gases de combustão. Esta permitiria uma poupança de 119 €/ano, no entanto, devido ao elevado tempo de retorno do investimento (12,6 anos) considerou-se que esta medida não era viável. A quarta proposta relaciona-se com a optimização da ventilação da Olaria por aumento do ciclo de renovação de ar para 5 h, promovendo uma poupança de 8583 € anuais. Como última sugestão de optimização, aconselhou-se a diminuição do volume da olaria em 6935 m3. Com esta proposta é possível obter uma poupança de 4993 €/ano. Esta medida envolve um investimento de 12000 €, sendo o tempo de retorno do investimento de 2,4 anos. Das cinco propostas estudadas concluiu-se que quatro são viáveis permitindo uma melhoria do funcionamento da Olaria e uma poupança significativa na factura energética.

Estudo de optimização energética da unidade 1400

O estudo de optimização energética da Unidade 1400 da Fábrica de Combustíveis da Refinaria de Matosinhos da Galp Energia foi realizado com base no projecto de revamping elaborado pela AXENS, devido à existência de dúvidas (Galp Energia) de que aquele projecto não estivesse, do ponto de vista energético, totalmente rentabilizado. Para a consecução deste estudo, foi aplicado o conceito Pinch (Ponto de Estrangulamento), recorrendo-se quer a software dedicado disponível (ASPEN Energy Analyser), quer ao cálculo da Cascata de Calor. Os resultados obtidos em definitivo foram-no através deste último, tendo servido o primeiro apenas como indicador, devido à existência de incoerências (pelo menos aparentes). Foram considerados três cenários, tendo apenas como elemento diferenciador o valor de ΔTmin: 10, 15 e 20 oC. Foi detectado, somente para este último (20 oC), um ponto de estrangulamento. Os três cenários concordam na necessidade de inclusão de um novo permutador de calor entre a corrente de gasóleo após sofrer reacção de hidrogenação (fundo do reactor) e após dois estágios de arrefecimento e a corrente de gasóleo à entrada da Unidade e após recepção do reciclo de hidrogénio, constituindo assim a sua fonte inicial de aquecimento. Como consequência, também são reduzidas as necessidades de serviço da fornalha pré-reactor e das utilidades de arrefecimento. Para o cálculo do novo permutador de calor, seguiram-se duas vias: carcaça e tubos convencional e carcaça e tubos com disposição helicoidal das chicanas (Helixchanger®). Para o primeiro tipo, recorreu-se ao software ASPEN Exchanger Design & Rating, sendo, para o segundo, a empresa detentora da tecnologia (Lummus Technology) a fornecer a solução pretendida. Procedeu-se a um breve estudo de rentabilidade económica do investimento em causa, considerando o seu maior valor (Helixchanger®), sendo o resultado favorável à sua aplicação.

Transferência de calor em fluidos Não-Newtonianos

Foi realizado um estudo sobre o efeito do tipo de fluidos na transferência de calor. Pretende-se determinar a influência da concentração da solução de Goma de Xantano, do número de Reynolds, do número de Weissenberg, da temperatura e do tempo de escoamento no coeficiente de transferência de calor, jH. O estudo da transferência de calor foi feito num permutador de tubos duplos concêntricos. Já o estudo da reologia foi realizado num reómetro. Na caracterização reológica das soluções de XG, a viscosidade aumenta com a concentração das soluções, diminui para taxas de deformação crescentes e com o aumento da temperatura para ambas as soluções. Os dados mostram um aumento da intensidade da pseudoplasticidade com a concentração do polímero, sendo os valores representados pelo modelo de Sisco. A degradação da solução de 0,20% de goma de xantano a 25 ºC, com o escoamento, é muito acelerada. Os resultados dos ensaios apresentam uma diminuição da viscosidade de 9,4% a 22,9%, para tempos de escoamento de 12 a 47 horas, respectivamente. Num escoamento turbulento em conduta de secção circular constante os resultados mostram uma redução de arrasto total de 18 para 33%. Para a solução de 0,10 % de XG, verifica-se um aumento do calor transferido de 115% e de 130%, quando a temperatura aumenta de 25 ºC para 36 ºC, respectivamente. A água apresenta valores de calor transferido superiores, cerca de 170%, aos da solução de 0,1 %XG. O factor de correlação empírico de Colbourn (jH), utilizado neste trabalho apresenta valores de acordo com a relação de Cho and Hartnett (1985): jH<2/f. Quando o caudal do fluido quente aumenta verifica-se uma diminuição do factor jH. Em relação ao tempo de escoamento verifica-se uma diminuição de cerca de 70% do coeficiente de transferência de calor ao fim de 47 horas. Finalmente verificamos uma diminuição do factor de transferência de calor com o aumento da temperatura do fluido quente, para ambas as concentrações de goma de xantano. Para as soluções de 0,10 e 0,20% de XG essa diminuição variou entre 38 e 15% e entre 34 e 3%, respectivamente.

Recuperação de calor dos efluentes da tinturaria

Foram utilizados como elemento principal de estudo, os efluentes líquidos dos processos industriais da ENDUTEX, Tinturaria e Acabamento de Malhas, S. A. localizada no município de Caldas de Vizela, distrito de Braga. O estudo foi realizado na empresa devido ao interesse da mesma em poder reaproveitar o calor libertado nos efluentes para aquecimento de parte da água captada no rio de Vizela. O objectivo do trabalho consiste no dimensionamento de um permutador de calor que permita satisfazer o interesse da empresa, assim como, um estudo económico relativo aos custos envolventes. Com o intuito de concretizar os objectivos propostos foram realizadas visitas semanais à empresa para se proceder ao levantamento de dados e para a realização de amostragens do efluente para posterior caracterização. Depois de efectuado o dimensionamento do permutador de placas para diferentes caudais e temperaturas dos fluidos, frio (água do rio) e quente (efluentes), concluiu-se que as condições mais rentáveis correspondiam a um caudal de fluido frio de 17 m3/h em que a temperatura de entrada e de saída no permutador seria de 14 ºC e 48 ºC, respectivamente. O caudal de fluido quente seria de 20 m3/h, sendo a temperatura de entrada e de saída no permutador de 62 ºC e 33,1 ºC, respectivamente. Como resultado do dimensionamento obteve-se um permutador de placas com 167 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 726,9 W/m2ºC, a área projectada de 55,7 m2 e a queda de pressão de 0,904 KPa. Foi consultada a empresa ARSOPI-THERMAL para verificação das características dos permutadores existentes no mercado. No entanto, para as mesmas condições foi sugerido um permutador com 31 placas em que o coeficiente global de transferência de calor (U) é de 6267 W/m2ºC, a área projectada de 7,39 m2 e a queda de pressão de 76 KPa. A diferença verificada nos resultados apresentados pode ter origem na utilização de diferentes expressões no cálculo do coeficiente pelicular de transferência de calor (h) e pelo facto da ARSOPI desprezar o factor de sujamento no seu dimensionamento Na análise económica do projecto é de referir que para o arranque do projecto foi feito o levantamento das necessidades de investimento, situando-se este num valor total de 9640€, sendo o investimento financiado apenas por capitais próprios. O prazo de recuperação do investimento (Pay Back Period) é de cerca de 2 meses.

Integração energética unidades 0300 e 0400 da Fábrica de Aromáticos Refinaria de Matosinhos

Mestrado em Engenharia Química - Ramo optimização energética na indústria química

Melhoria da eficiência energética do processo de produção de molas para a indústria automóvel

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química e Biológica

Análise das condições de utilização de permutadores de calor de modo a serem economicamente rentáveis

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica Perfil Energia, Refrigeração e Climatização

Aplicação de redes neuronais artificiais à deteção e isolamento de falhas em processos industriais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica