Numerical modelling of particle deposition in idealized porous channels

This project provides a steppingstone to comprehend the mechanisms that govern particulate fouling in metal foam heat exchangers. The method is based on development of an advanced Computational Fluid Dynamics model in addition to performing analytical validation. This novel method allows an engineer to better optimize heat exchanger designs, thereby mitigating fouling, reducing energy consumption caused by fouling, economize capital expenditure on heat exchanger maintenance, and reduce operation downtime. The robust model leads to the establishment of an alternative heat exchanger configuration that has lower pressure drop and particulate deposition propensity.

Aseptic Processing of Foods Containing Particulates

Aseptic processing involves sterilising the product and package separately, and filling under sterile conditions. Advantages include better product quality compared with canned products, lower transport and storage costs compared with frozen products, and virtually no restriction on package size. Problems include ensuring adequate heat penetration into the particles to ensure sterility, preventing separation of particles from the carrier liquid, and retention of particle structure and shape. Particulate foods can be sterilised in scraped - surface heat exchangers. Other methods involve heating the particles separately, and combining them during filling. Projects will commence at the International Food Institute of Queensland (IFIQ) on aseptic packaging of a meat and vegetable product, and aseptically packaged mango pieces.

Aseptic Processing of Meat Products

Aseptic processing involves sterilising the product (most meat products being low-acid foods containing particulates) and package separately, and filling under sterile conditions. Advantages include better product quality compared with canned products, lower transport and storage costs compared with frozen products, and virtually no restriction on package size. Problems include ensuring adequate heat penetration into the particles to ensure sterility, preventing separation of particles from the carrier liquid, and retention of particle structure and shape. Particulate foods can be sterilised in scraped-surface heat exchangers. Other methods involve heating the particles separately, and combining them during filling. The effects of aseptic processing on meat product quality (colour, flavour, texture, and mutrition) are outlined in this paper.

Studies on helium flow in experimental loops with different impedances operated with fountain effect pumps

An experimental flow loop with He II flow driven by fountain effect pumps (FEPs) is studied with respect to operation at different flow impedances and with thermal loads applied at different positions. The measured values of temperature, flow rate and pressure drop are compared with calculations resulting from a simplified model which assumes ideal performance of the porous plug and of the heat exchangers and which does not take into account Gorter-Mellink (GM) conduction. The main features of the loop are shown to be well described by this model. Refined calculations with a more complex model, including GM conduction of the He II, are only required for predicting the temperature distribution in some discrete regions of the loop.

Effect of cryogenic treatment on thermal conductivity properties of copper

Copper exhibits high thermal conductivity properties and hence it is extensively used in cryogenic applications like cold fingers, heat exchangers, etc. During the realization of such components, copper undergoes various machining operations from the raw material stage to the final component. During these machining processes, stresses are induced within the metal resulting in internal stresses, strains and dislocations. These effects build up resistance paths for the heat carriers which transfer heat from one location to the other. This in turn, results in reduction of thermal conductivity of the conducting metal and as a result the developed component will not perform as per expectations. In the process of cryogenic treatment, the metal samples are exposed to cryogenic temperature for extended duration of time for 24 hours and later tempered. During this process, the internal stresses and strains are reduced with refinement of the atomic structure. These effects are expected to favourably improve thermal conductivity properties of the metal. In this experimental work, OFHC copper samples were cryotreated for 24 hours at 98 K and part of them were tempered at 423K for one hour. Significant enhancement of thermal conductivity values were observed after cryotreating and tempering the copper samples.

Experiments on thermal response of low aspect ratio packed beds at high Reynolds numbers with varying inflow temperature

An experimental study for transient temperature response of low aspect ratio packed beds at high Reynolds numbers for a free stream with varying inlet temperature is presented. The packed bed is used as a compact heat exchanger along with a solid propellant gas-generator, to generate room temperature gases for use in applications such as control actuation and air bottle pressurization. Packed beds of lengths similar to 200 mm and 300 mm were characterized for packing diameter based Reynolds numbers, Re-d ranging from 0.6 x 10(4) to 8.5 x 10(4). The solid packing used in the bed consisted of circle divide 9.5 mm and circle divide 5 mm steel spheres with suitable arrangements to eliminate flow entrance and exit effects. The ratios of packed bed diameter to packing diameter for 9.5 mm and 5 mm sphere packing were similar to 9.5 and 18 respectively, with the average packed bed porosities around 0.4. Gas temperatures were measured at the entry, exit and at three axial locations along centre-line in the packed beds. The solid packing temperature was measured at three axial locations in the packed bed. An average Nusselt number correlation of the form Nu(d) = 3.91Re(d)(05) for Re-d range of 10(4) is proposed. For engineering applications of packed beds such as pebble bed heaters, thermal storage systems, and compact heat exchangers a simple procedure is suggested for calculating unsteady gas temperature at packed bed exit for packing Biot number Bi-d < 0.1. (C) 2012 Elsevier Inc. All rights reserved.

Evaluation of carbon dioxide blends with isopentane and propane as working fluids for organic Rankine cycles

The main theme of this paper is to study the flammability suppression of hydrocarbons by blending with carbon dioxide, and to evaluate these mixtures as possible working fluids in organic Rankine cycle for medium temperature concentrated solar power applications. The analysis takes into account inevitable irreversibilities in the turbine, the pump, and heat exchangers. While the isopentane + CO2 mixture suffers from high irreversibility mainly in the regenerator owing to a large temperature glide, the propane + CO2 mixture performs more or less the same as pure propane albeit with high cycle pressures. In general, large temperature glides at condensing pressures extend the heat recovery into the two-phase dome, which is an advantage. However, at the same time, the shift of the pinch point towards the warm end of the regenerator is found to be a major cause of irreversibility. In fact, as the number of carbon atoms in alkanes decreases, their blend with CO2 moves the pinch point to the colder end of the regenerator. This results in lower entropy generation in the regenerator and improved cycle efficiency of propane + CO2 mixtures. With this mixture, real cycle efficiencies of 15-18% are achievable at a moderate source temperature of 573 K. Applicability for a wide range of source temperatures is found to be an added advantage of this mixture.

Comparison of CO2 and steam in transcritical Rankine cycles for concentrated solar power

High temperature, high pressure transcritical condensing CO2 cycle (TC-CO2) is compared with transcritical steam (TC-steam) cycle. Performance indicators such as thermal efficiency, volumetric flow rates and entropy generation are used to analyze the power cycle wherein, irreversibilities in turbo-machinery and heat exchangers are taken into account. Although, both cycles yield comparable thermal efficiencies under identical operating conditions, TC-CO2 plant is significantly compact compared to a TC-steam plant. Large specific volume of steam is responsible for a bulky system. It is also found that the performance of a TC-CO2 cycle is less sensitive to source temperature variations, which is an important requirement of a solar thermal system. In addition, issues like wet expansion in turbine and vacuum in condenser are absent in case of a TC-CO2 cycle. External heat addition to working fluid is assumed to take place through a heat transfer fluid (HTF) which receives heat from a solar receiver. A TC-CO2 system receives heat though a single HTF loop, whereas, for TC-steam cycle two HTF loops in series are proposed to avoid high temperature differential between the steam and HTF. (C) 2013 P. Garg. Published by Elsevier Ltd.

Two-Phase Flow With Phase Change in Porous Channels

Phase change heat transfer in porous media finds applications in various geological flows and modern heat pipes. We present a study to show the effect of phase change on heat transfer in a porous channel. We show that the ratio of Jakob numbers based on wall superheat and inlet fluid subcooling governs the liquid-vapor interface location in the porous channel and below a critical value of the ratio, the liquid penetrates all the way to the extent of the channel in the flow direction. In such cases, the Nusselt number is higher due to the proximity of the liquid-vapor interface to the heat loads. For higher heat loads or lower subcooling of the liquid, the liquid-vapor interface is pushed toward the inlet, and heat transfer occurs through a wider vapor region thus resulting in a lower Nusselt number. This study is relevant in the designing of efficient two-phase heat exchangers such as capillary suction based heat pipes where a prior estimation of the interface location for the maximum heat load is required to ensure that the liquid-vapor interface is always inside the porous block for its operation.

High temperature direct double side cooled inverter module for hybrid electric vehicle application

In this paper a novel approach to the design and fabrication of a high temperature inverter module for hybrid electrical vehicles is presented. Firstly, SiC power electronic devices are considered in place of the conventional Si devices. Use of SiC raises the maximum practical operating junction temperature to well over 200°C, giving much greater thermal headroom between the chips and the coolant. In the first fabrication, a SiC Schottky barrier diode (SBD) replaces the Si pin diode and is paired with a Si-IGBT. Secondly, double-sided cooling is employed, in which the semiconductor chips are sandwiched between two substrate tiles. The tiles provide electrical connections to the top and the bottom of the chips, thus replacing the conventional wire bonded interconnect. Each tile assembly supports two IGBTs and two SBDs in a half-bridge configuration. Both sides of the assembly are cooled directly using a high-performance liquid impingement system. Specific features of the design ensure that thermo-mechanical stresses are controlled so as to achieve long thermal cycling life. A prototype 10 kW inverter module is described incorporating three half-bridge sandwich assemblies, gate drives, dc-link capacitance and two heat-exchangers. This achieves a volumetric power density of 30W/cm3.

Research progress on high-enthalpy and hypersonic flows

The research progress on high-enthalpy and hypersorlic flows having been achieved in the Institute of Mechanics, Chinese Academy of Sciences, is reported in this paper. The paper consists of three main parts: The first part is on the techniques to develop advanced hypersonic test facilities, in which the detonation-driven shock-reflected tunnel and the detonation-driven shock-expanded tube are introduced. The shock tunnel can be used for generating hypersonic flows of a Mach number ranging from 10 to 20, and the expansion tube is applicable to simulate the flows with a speed of 7 similar to 10km/s. The second part is dedicated to the shock tunnel nozzle flow diagnosis to examine properties of the hypersonic flows thus created. The third part is on experiments and numerical simulations. The experiments include measuring the aerodynamic pitching moment and heat transfer in hypersonic flows, and the numerical work reports nozzle flow simulations and flow non-equilibrium effects on the possible experiments that may be carried out on the above-mentioned hypersonic test facilities.

Modelagem, simulação e otimização operacional de unidades de síntese de metanol

A indústria de processos químicos tem sofrido consideráveis transformações devido ao acirramento da competitividade. Importantes progressos tecnológicos têm sido atingidos através de técnicas de modelagem, simulação e otimização visando o aumento da lucratividade e melhoria contínua nos processos industriais. Neste contexto, as plantas de metanol, um dos mais importantes produtos petroquímicos, podem ser destacadas. Atualmente, a principal matéria-prima para obtenção de metanol é o gás natural. A produção do metanol é caracterizada por três etapas: geração de gás de síntese, conversão do gás de síntese em metanol (unidade de síntese ou loop de síntese) e purificação do produto na especificação requerida. Os custos fixos e variáveis da unidade de síntese são fortemente dependentes das variáveis operacionais, como temperatura, pressão, razão de reciclo e composição da carga. Desta forma, foi desenvolvido um conjunto de modelos e algoritmos computacionais para representar matematicamente unidades de síntese de metanol. O modelo apresenta operações unitárias associadas aos seguintes equipamentos: divisores de correntes, misturadores de correntes, compressores, trocadores de calor, vasos de flash e reatores. Inicialmente, foi proposto um simulador estacionário, que serviu como base para um pseudo-estacionário, o qual contempla a desativação do catalisador por sinterização térmica. Os simuladores foram criados segundo uma arquitetura seqüencial modular e empregou-se o método de substituição sucessiva para a convergência dos reciclos. O estudo envolveu dois fluxogramas típicos, um constituído por reatores adiabáticos em série, enquanto o outro constituído por um reator tipo quench. Uma análise do efeito das principais variáveis operacionais foi realizada para o reator e para o loop de síntese. Estudou-se também o efeito da desativação do catalisador ao longo do tempo. Uma ferramenta de otimização operacional foi empregada para alcançar a máxima produção manipulando as injeções de carga fria na entrada dos leitos catalíticos. Formulou-se também um problema de maximização do lucro em função da otimização de paradas da unidade para troca do catalisador. Os resultados obtidos apontam que a ferramenta desenvolvida é promissora para a compreensão e otimização da unidade objeto deste estudo

Desenvolvimento de técnicas de otimização da programação das limpezas de redes de trocadores de calor

Trocadores de calor são equipamentos muito utilizados na indústria de processos com o objetivo de modificar a temperatura e/ou o estado físico de correntes materiais. Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados, a fim de reduzir as necessidades de energia de um sistema. No entanto, durante a operação de uma rede, a eficiência térmica dos trocadores de calor diminui devido à deposição. Esse efeito promove o aumento dos custos de combustível e das emissões de carbono. Uma alternativa para mitigar este problema baseia-se no estabelecimento de uma programação das limpezas dos trocadores de calor durante a operação de rede. Este tipo de abordagem ocasiona uma situação na qual ocorre um conflito de escolha: a limpeza de um trocador de calor pode recuperar a sua eficiência térmica, mas implica custos adicionais, tais como, mão-de-obra, produtos químicos, etc. Além disso, durante a limpeza, o trocador de calor tem de ser contornado por uma corrente de by-pass, o que aumenta temporariamente o consumo de energia. Neste contexto, o presente trabalho tem como objetivo explorar diferentes técnicas de otimização envolvendo métodos estocásticos e heurísticos. Com este objetivo foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados que envolvem a simulação pseudo-estacionária do comportamento da rede relacionado com incrustações e a otimização da programação das limpezas deste tipo de sistema. A solução do problema indica os períodos de tempo para a limpeza de cada trocador de calor. Na abordagem estocástica empregada, os parâmetros do algoritmo genético, como probabilidade de crossover e probabilidade de mutação, foram calibrados para o presente problema. A abordagem heurística desenvolvida se deu através da sequência do conjunto de movimentos zero, um e dois. De forma alternativa, desenvolveu-se a metodologia heurística recursiva na qual os conjuntos de movimentos um e dois foram empregados recursivamente. Também foi desenvolvida a abordagem híbrida que consistiu em diferentes combinações da metodologia estocástica e heurística. A análise comparativa entre as metodologias empregadas teve como objetivo avaliar a abordagem mais adequada para o presente problema da programação das limpezas em termos de função objetivo e esforço computacional. O desempenho da abordagem proposta foi explorado através de uma série de exemplos, incluindo uma refinaria real brasileira. Os resultados foram promissores, indicando que as técnicas de otimização analisadas neste trabalho podem ser abordagens interessantes para operações que envolvam redes de trocadores de calor. Dentre as abordagens de otimização analisadas, a metodologia heurística desenvolvida no presente trabalho apresentou os melhores resultados se mostrando competitiva frente às abordagens comparadas da literatura

Uma abordagem matricial para modelagem e simulação de redes de trocadores de calor com aplicações para o gerenciamento da deposição

Uma rede de trocadores de calor pode ser definida como um grupo de trocadores de calor interligados com o objetivo de reduzir a necessidade de energia de um sistema, sendo largamente usada nas indústrias de processos. Entretanto, uma rede está sujeita à deposição, a qual causa um decréscimo na efetividade térmica dos trocadores. Este fenômeno é provocado pelo acúmulo de materiais indesejáveis sobre a superfície de troca térmica. Para compensar a redução de efetividade térmica causada pela deposição, torna-se necessário um aumento no consumo de utilidades. Isto eleva os custos de operação, assim como os custos de manutenção. Estima-se que os custos associados à deposição atinjam bilhões de dólares anualmente. Em face a este problema, vários trabalhos de pesquisa têm investigado métodos para prevenir a deposição e/ou gerenciar as operações em uma rede. Estudos envolvem desde a otimização de trocadores de calor individuais, simulação e monitoramento de redes, até a otimização da programação das paradas para limpeza de trocadores de calor em uma rede. O presente trabalho apresenta a proposição de um modelo para simulação de redes de trocadores de calor com aplicações no gerenciamento da deposição. Como conseqüência, foi desenvolvido um conjunto de códigos computacionais integrados, envolvendo a simulação estacionária de redes, a simulação pseudo-estacionária do comportamento de redes em relação à evolução da deposição, a estimação de parâmetros para diagnóstico do problema da deposição e a otimização operacional deste tipo de sistema. Com relação ao simulador estacionário, o modelo da rede foi formulado matricialmente e os balanços de massa e energia são resolvidos como sistemas de equações lineares. Do ponto de vista da otimização, o procedimento proposto redistribui as vazões, visando um melhor aproveitamento térmico dos trocadores da rede, como, por exemplo, buscando as vazões da rede que maximizem a temperatura da corrente de entrada no forno em unidades de destilação atmosférica de óleo cru. Os algoritmos foram implementados em alguns exemplos da literatura e em um problema de uma refinaria real. Os resultados foram promissores, o que sugere que a proposta deste trabalho pode vir a ser uma abordagem interessante para operações envolvendo redes de trocadores de calor