Transient Momentum and Enthalpy Transfer in Packed Beds at High Reynolds Numbers

An experimental study for transient temperature response and pressure drop in a randomly packed bed at high Reynolds numbers 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 control actuation, air bottle pressurization, etc. Packed beds of lengths 200 and 300 mm were characterized for packing-sphere-based Reynolds numbers ranging from 0.8 x 10(4) to 8.5 x 10(4).The solid packing used in the bed consisted of phi 9.5 mm steel spheres. The bed-to-particle diameter ratio was with the average packed-bed porosity around 0.43. The inlet flow temperature was unsteady and a mesh of spheres was used at either end to eliminate flow entrance and exit effects. Gas temperature and pressure were measured at the entry, exit,and at three axial locations along centerline in the packed beds. The solid packing temperature was measured at three axial locations in the packed bed. A correlation based on the ratio of pressure drop and inlet-flow momentum (Euler number) exhibited an asymptotically decreasing trend with increasing Reynolds number. Axial conduction across the packed bed was found to he negligible in the investigated Reynolds number range. The enthalpy absorption rate to solid packing from hot gases is plotted as a function of a nondimensional time constant for different Reynolds numbers. A longer packed bed had high enthalpy absorption rate at Reynolds number similar to 10(4), which decreased at Reynolds number similar to 10(5). The enthalpy absorption plots can be used for estimating enthalpy drop across packed bed with different material, but for a geometrically similar packing.

Performance of a small solar pond in the tropics

The performance of the 240 m2 solar pond in Bangalore is discussed. The problems of erosion of gradient zone and formation of internal convective zones is highlighted. The technique of passive salt addition is shown to be a viable alternative for salt recycling. Different techniques of heat extraction are discussed and the use of an immersed copper heat exchanger is shown to be most convenient. A two-zone model for prediction of the seasonal structure of the solar pond performance is proposed. The model is shown to simulate the seasonal structure of the observed variation of the temperature in the storage zone.

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.

Simulation study of a two-stage adsorber system

The present study simulates a two-stage silica gel + water adsorption desalination (AD) and chiller system. The adsorber system thermally compresses the low pressure steam generated in the evaporator to the condenser pressure in two stages. Unlike a standalone adsorption chiller unit which operates in a closed cycle the present system is an open cycle wherein the condensed desalinated water is not fed back to the evaporator. The mathematical relations formulated in the current study are based on conservation of mass and energy along with isotherm relation and kinetics for RD-type silica gel + water pair. Various constitutive relations for each component namely the evaporator, adsorber and condenser are integrated in the model. The dynamics of heat exchanger are modeled using LMTD method, and LDF model is used to predict the dynamic characteristic of the adsorber bed. The system performance indicators namely, specific cooling capacity (SCC), specific daily water production (SDWP) and coefficient of performance (COP) are used as objective functions to optimize the system. The novelty of the present work is in introduction of inter-stage pressure as a new parameter for optimizing the two-stage operation of AD chiller system. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved.

DESIGN OF AN EXPERIMENTAL TEST FACILITY FOR SUPERCRITICAL CO2 BRAYTON CYCLE

A supercritical CO2 test facility is currently being developed at Indian Institute of Science, Bangalore, India to analyze the performance of a closed loop Brayton cycle for concentrated solar power (CSP) generation. The loop has been designed for an external heat input of 20 kW a pressure range of 75-135 bar, flow rate of 11 kg/min, and a maximum cycle temperature of 525 degrees C. The operation of the loop and the various parametric tests planned to be performed are discussed in this paper The paper addresses various aspects of the loop design with emphasis on design of various components such as regenerator and expansion device. The regenerator design is critical due to sharp property variations in CO2 occurring during the heat exchange process between the hot and cold streams. Two types of heat exchanger configurations 1) tube-in-tube (TITHE) and 2) printed circuit heat exchanger (PCHE) are analyzed and compared. A PCHE is found to be similar to 5 times compact compared to a TITHE for identical heat transfer and pressure drops. The expansion device is being custom designed to achieve the desired pressure drop for a range of operating temperatures. It is found that capillary of 5.5 mm inner diameter and similar to 2 meter length is sufficient to achieve a pressure drop from 130 to 75 bar at a maximum cycle temperature of 525 degrees C.

GROUND COOLING SYSTEM FOR IMPROVING THE EFFICIENCY OF LOW TEMPERATURE POWER GENERATION

This paper presents an analysis of an organic Rankine cycle (ORC) with dry cooling system aided by an earth-coupled passive cooling system. Several organic fluids were considered as working fluids in the ORC in the temperature range of 125-200 degrees C. An earth-air-heat-exchanger (EMU) is studied for a location in the United States (Las Vegas) and another in India (New Delhi), to pre cool the ambient air before entering an air-cooled condenser (ACC). It was observed that the efficiency of the system improved by 1-3% for the system located in Las Vegas and fluctuations associated with temperature variations of the ambient air were also reduced when the EAHE system was used. A ground-coupled heat pump (GCHP) is also studied for these locations where cooling water is pre cooled in an underground buried pipe before entering a condenser heat exchanger in a closed loop. The area of the buried pipe and the condenser size are calculated per kW of power generation for various working fluids.

Porous materials for thermal management under extreme conditions

A brief analysis is presented of how heat transfer takes place in porous materials of various types. The emphasis is on materials able to withstand extremes of temperature, gas pressure, irradiation, etc., i.e. metals and ceramics, rather than polymers. A primary aim is commonly to maximize either the thermal resistance (i.e. provide insulation) or the rate of thermal equilibration between the material and a fluid passing through it (i.e. to facilitate heat exchange). The main structural characteristics concern porosity (void content), anisotropy, pore connectivity and scale. The effect of scale is complex, since the permeability decreases as the structure is refined, but the interfacial area for fluid-solid heat exchange is, thereby, raised. The durability of the pore structure may also be an issue, with a possible disadvantage of finer scale structures being poor microstructural stability under service conditions. Finally, good mechanical properties may be required, since the development of thermal gradients, high fluid fluxes, etc. can generate substantial levels of stress. There are, thus, some complex interplays between service conditions, pore architecture/scale, fluid permeation characteristics, convective heat flow, thermal conduction and radiative heat transfer. Such interplays are illustrated with reference to three examples: (i) a thermal barrier coating in a gas turbine engine; (ii) a Space Shuttle tile; and (iii) a Stirling engine heat exchanger. Highly porous, permeable materials are often made by bonding fibres together into a network structure and much of the analysis presented here is oriented towards such materials. © 2005 The Royal Society.

Erosion-corrosion of mild steel in a temperature gradient

Thinning of heat-exchanger tubes by erosion-corrosion has been a problem in fluidized bed combustors (FBCs), particularly at lower metal temperatures where thicker, mechanically protective oxide scales are unable to form. Many laboratory-scale tests have shown a decrease in material loss at higher temperatures, in a similar manner to FBC boilers, but also show a decrease in wastage at low temperatures (e.g. 200°C) which has not been detected in boilers. It has been suggested that this difference is due to laboratory tests being carried out isothermally whereas in a FBC boiler the fluidized bed is considerably hotter than the metal heat exchanger tubing. In this laboratory study the simulation was therefore improved by internally cooling one of the two low carbon steel specimens. These were rotated in a horizontal plane within a lightly fluidized bed with relative particle velocities of 1.3-2.5 m s-1. Tests were carried out over a range of bed temperatures (200-500°C) and cooled specimen surface temperatures (115-500°C), with a maximum temperature difference between the two of 320°C. Although specimens exposed isothermally still showed maximum wastage at intermediate temperatures (about 350°C), those which were cooled showed high levels of wastage at temperatures as low as 200°C in a similar manner to FBC boilers. Cooling may modify the isothermal erosion-corrosion curve, causing it to broaden and the maximum wastage rate to shift to lower temperatures. © 1995.

Laboratory-scale fluidized bed rig for high-temperature tube wastage studies

As part of a study of the wear of candidate heat exchanger tube materials for use in fluidized bed combustors, two similar laboratory-scale rigs have been built and characterized. Specimens of selected alloys are carried on counter-rotating rotors immersed in a fluidized bed, and are exposed to particle impact velocities of up to approximately 3 ms-1 at temperatures up to 1000°C. The performance of this design of apparatus has been investigated in detail. The effects of several experimental variables have been studied, including angle of particle impact, specimen speed, position of the rotor within the fluidized bed, duration of exposure, bed material particle size, degradation of the bed material, degree of fluidization of the bed, and size of specimen. In many cases the results obtained with steel specimens at elevated temperatures are similar to those observed with polymeric specimens at low temperatures.

Análisis y mejora de un sistema de refrigeración en el laboratorio LCCE en Vitoria-Gasteiz

[ES]El objetivo de este proyecto es el análisis y mejora de un sistema de refrigeración en el Laboratorio de Control de Calidad en la Edificación (LCCE) del Gobierno Vasco/Eusko Jaurlaritza en Vitoria-Gasteiz. Dicho equipo, después de un uso continuado, sufre una colmatación por la formación de hielo en el intercambiador de calor. Por ello, en el siguiente texto se proponen alternativas para acabar con la formación del hielo y poder seguir con el funcionamiento normal del equipo. Se va a proceder a modificar el control de la instalación y también parte de la instalación eléctrica y sensórica. Para ello, se han usado las instalaciones del laboratorio LCCE así como la ayuda de los trabajadores del mismo. Todos los datos del sistema de refrigeración (temperaturas, caudal, humedad, etc...) se toman de un documento Excel que es guardado automáticamente al realizar los ensayos. El trabajo se ha estructurado de la siguiente manera: Introducción y descripción del sistema Análisis de las alternativas y la metodología utilizada Conclusiones, fuentes de información y anexos

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

Otimização da programação das limpezas em redes de trocadores de calor utilizando técnicas de programação matemática

Redes de trocadores de calor são bastante utilizadas na indústria química para promover a integração energética do processo, recuperando calor de correntes quentes para aquecer correntes frias. Estas redes estão sujeitas à deposição, o que causa um aumento na resistência à transferência de calor, prejudicando-a. Uma das principais formas de diminuir o prejuízo causado por este fenômeno é a realização periódica de limpezas nos trocadores de calor. O presente trabalho tem como objetivo desenvolver um novo método para encontrar a programação ótima das limpezas em uma rede de trocadores de calor. O método desenvolvido utiliza o conceito de horizonte deslizante associado a um problema de programação linear inteira mista (MILP). Este problema MILP é capaz de definir o conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos em um determinado instante de tempo (primeiro instante do horizonte deslizante), levando em conta sua influência nos instantes futuros (restante do horizonte deslizante). O problema MILP utiliza restrições referentes aos balanços de energia, equações de trocadores de calor e número máximo de limpezas simultâneas, com o objetivo de minimizar o consumo de energia da planta. A programação ótima das limpezas é composta pela combinação dos resultados obtidos em cada um dos instantes de tempo.O desempenho desta abordagem foi analisado através de sua aplicação em diversos exemplos típicos apresentados na literatura, inclusive um exemplo de grande porte de uma refinaria brasileira. Os resultados mostraram que a abordagem aplicada foi capaz de prover ganhos semelhantes e, algumas vezes, superiores aos da literatura, indicando que o método desenvolvido é capaz de fornecer bons resultados com um baixo esforço computacional

Utilização de coletor de composto parabólico de concentração solar na indústria de asfalto.

Esta dissertação apresenta a avaliação térmica, econômica e ambiental de um sistema de aquecimento solar (SHS) que é usado em uma usina de asfalto, através de simulação computacional com TRNSYS. O processo escolhido é o aquecimento do betume a partir da temperatura de armazenamento até a temperatura de mistura, usando óleo mineral como fluido de transferência de calor (HTF). Os componentes do sistema são o trocador de calor HTF-betume, o coletor concentrador solar parabólico composto (CPC), o aquecedor auxiliar e a bomba de circulação. A simulação no TRNSYS calcula os balanços de massa e energia no circuito fechado do HTF a cada hora. Dados horários do Ano Meteorológico Típico (TMY) do Rio de Janeiro foram utilizados para executar este trabalho. Em muitos casos, a temperatura do HTF ultrapassou 238C, mostrando que o CPC é apropriado para esta aplicação. Economia de combustível e emissões evitadas foram consideradas para as análises economica e ambiental. Este trabalho descreve as fontes renováveis de energia, os tipos de usinas de asfalto e de aquecedores de betume. Ele também mostra a fração brasileira de algumas destas fontes. Os resultados, portanto, mostram ser possível encorajar políticas públicas ambientalmente corretas para incentivar o uso de energia solar na indústria de asfalto. Além disso, este trabalho pode ajudar na redução da elevada emissão dos gases de efeito estufa a partir da utilização dos combustíveis fósseis nesta indústria.

Aplicação de técnicas de otimização no gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor

Deposição é um fenômeno indesejável que ocorre na superfície dos trocadores de calor ao longo de sua operação, ocasionando redução na efetividade térmica e aumento da resistência ao escoamento nestes equipamentos. Estes efeitos trazem grandes consequências econômicas e ambientais, devido ao aumento dos custos operacionais (energia adicional é requerida), aumento dos custos de projeto (demanda por equipamentos de maior área de troca térmica), limitações hidráulicas (que pode levar a uma diminuição da carga processada) e aumento das emissões (aumento da queima de combustíveis fósseis para suprir a energia adicional requerida). Neste contexto, o presente trabalho tem por objetivo fornecer ferramentas computacionais robustas que apliquem técnicas de otimização para o gerenciamento da deposição em redes de trocadores de calor, visando minimizar os seus efeitos negativos. Estas ferramentas foram desenvolvidas utilizando programação matemática no ambiente computacional GAMS, e três abordagens distintas para a resolução do problema da deposição foram pesquisadas. Uma delas consiste na identificação do conjunto ótimo de trocadores de calor a serem limpos durante uma parada para manutenção da planta, visando restaurar a carga térmica nesses equipamentos através da remoção dos depósitos existentes. Já as duas outras abordagens consistem em otimizar a distribuição das vazões das correntes ao longo de ramais paralelos, uma de forma estacionária e a outra de forma dinâmica, visando maximizar a recuperação de energia ao longo da rede. O desempenho destas três abordagens é ilustrado através de um conjunto de exemplos de redes de trocadores de calor, onde os ganhos reais obtidos com estas ferramentas de otimização desenvolvidas são demonstrados