Performance of pressure control valves and flow meters precision in operational irrigation-water balance accuracy

In pressure irrigation-water distribution networks, pressure regulating devices for controlling the discharged flow rate by irrigation units are needed due to the variability of flow rate. In addition, applied water volume is used controlled operating the valve during a calculated time interval, and assuming constant flow rate. In general, a pressure regulating valve PRV is the commonly used pressure regulating device in a hydrant, which, also, executes the open and close function. A hydrant feeds several irrigation units, requiring a wide range in flow rate. In addition, some flow meters are also available, one as a component of the hydrant and the rest are placed downstream. Every land owner has one flow meter for each group of field plots downstream the hydrant. Its lecture could be used for refining the water balance but its accuracy must be taken into account. Ideal PRV performance would maintain a constant downstream pressure. However, the true performance depends on both upstream pressure and the discharged flow rate. The objective of this work is to asses the influence of the performance on the applied volume during the whole irrigation events in a year. The results of the study have been obtained introducing the flow rate into a PRV model. Variations on flow rate are simulated by taking into account the consequences of variations on climate conditions and also decisions in irrigation operation, such us duration and frequency application. The model comprises continuity, dynamic and energy equations of the components of the PRV.

Comparison of friction models applied to a control valve

Eight different models to represent the effect of friction in control valves are presented: four models based on physical principles and four empirical ones. The physical models, both static and dynamic, have the same structure. The models are implemented in Simulink/Matlab (R) and compared, using different friction coefficients and input signals. Three of the models were able to reproduce the stick-slip phenomenon and passed all the tests, which were applied following ISA standards. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Valve friction and nonlinear process model closed-loop identification

Among several process variability sources, valve friction and inadequate controller tuning are supposed to be two of the most prevalent. Friction quantification methods can be applied to the development of model-based compensators or to diagnose valves that need repair, whereas accurate process models can be used in controller retuning. This paper extends existing methods that jointly estimate the friction and process parameters, so that a nonlinear structure is adopted to represent the process model. The developed estimation algorithm is tested with three different data sources: a simulated first order plus dead time process, a hybrid setup (composed of a real valve and a simulated pH neutralization process) and from three industrial datasets corresponding to real control loops. The results demonstrate that the friction is accurately quantified, as well as ""good"" process models are estimated in several situations. Furthermore, when a nonlinear process model is considered, the proposed extension presents significant advantages: (i) greater accuracy for friction quantification and (ii) reasonable estimates of the nonlinear steady-state characteristics of the process. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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

Uso Sustentável de Vapor

Em 2006, a IEA (Agência Internacional de Energia), publicou alguns estudos de consumos mundiais de energia. Naquela altura, apontava na fabricação de produtos, um consumo mundial de energia elétrica, de origem fóssil de cerca 86,16 EJ/ano (86,16×018 J) e um consumo de energia nos sistemas de vapor de 32,75 EJ/ano. Evidenciou também nesses estudos que o potencial de poupança de energia nos sistemas de vapor era de 3,27 EJ/ano. Ou seja, quase tanto como a energia consumida nos sistemas de vapor da U.E. Não se encontraram números relativamente a Portugal, mas comparativamente com outros Países publicitados com alguma similaridade, o consumo de energia em vapor rondará 0,2 EJ/ano e por conseguinte um potencial de poupança de cerca 0,02 EJ/ano, ou 5,6 × 106 MWh/ano ou uma potência de 646 MW, mais do que a potência de cinco barragens Crestuma/Lever! Trata-se efetivamente de muita energia; interessa por isso perceber o onde e o porquê deste desperdício. De um modo muito modesto, pretende-se com este trabalho dar algum contributo neste sentido. Procurou-se evidenciar as possibilidades reais de os utilizadores de vapor de água na indústria reduzirem os consumos de energia associados à sua produção. Não estão em causa as diferentes formas de energia para a geração de vapor, sejam de origem fóssil ou renovável; interessou neste trabalho estudar o modo de como é manuseado o vapor na sua função de transporte de energia térmica, e de como este poderá ser melhorado na sua eficiência de cedência de calor, idealmente com menor consumo de energia. Com efeito, de que servirá se se optou por substituir o tipo de queima para uma mais sustentável se a jusante se continuarem a verificarem desperdícios, descarga exagerada nas purgas das caldeiras com perda de calor associada, emissões permanentes de vapor para a atmosfera em tanques de condensado, perdas por válvulas nos vedantes, purgadores avariados abertos, pressão de vapor exageradamente alta atendendo às temperaturas necessárias, “layouts” do sistema de distribuição mal desenhados, inexistência de registos de produção e consumos de vapor, etc. A base de organização deste estudo foi o ciclo de vapor: produção, distribuição, consumo e recuperação de condensado. Pareceu importante incluir também o tratamento de água, atendendo às implicações na transferência de calor das superfícies com incrustações. Na produção de vapor, verifica-se que os maiores problemas de perda de energia têm a ver com a falta de controlo, no excesso de ar e purgas das caldeiras em exagero. Na distribuição de vapor aborda-se o dimensionamento das tubagens, necessidade de purgas a v montante das válvulas de controlo, a redução de pressão com válvulas redutoras tradicionais; será de destacar a experiência americana no uso de micro turbinas para a redução de pressão com produção simultânea de eletricidade. Em Portugal não se conhecem instalações com esta opção. Fabricantes da República Checa e Áustria, têm tido sucesso em algumas dezenas de instalações de redução de pressão em diversos países europeus (UK, Alemanha, R. Checa, França, etc.). Para determinação de consumos de vapor, para projeto ou mesmo para estimativa em máquinas existentes, disponibiliza-se uma série de equações para os casos mais comuns. Dá-se especial relevo ao problema que se verifica numa grande percentagem de permutadores de calor, que é a estagnação de condensado - “stalled conditions”. Tenta-se também evidenciar as vantagens da recuperação de vapor de flash (infelizmente de pouca tradição em Portugal), e a aplicação de termocompressores. Finalmente aborda-se o benchmarking e monitorização, quer dos custos de vapor quer dos consumos específicos dos produtos. Esta abordagem é algo ligeira, por manifesta falta de estudos publicados. Como trabalhos práticos, foram efetuados levantamentos a instalações de vapor em diversos sectores de atividades; 1. ISEP - Laboratório de Química. Porto, 2. Prio Energy - Fábrica de Biocombustíveis. Porto de Aveiro. 3. Inapal Plásticos. Componentes de Automóvel. Leça do Balio, 4. Malhas Sonix. Tinturaria Têxtil. Barcelos, 5. Uma instalação de cartão canelado e uma instalação de alimentos derivados de soja. Também se inclui um estudo comparativo de custos de vapor usado nos hospitais: quando produzido por geradores de vapor com queima de combustível e quando é produzido por pequenos geradores elétricos. Os resultados estão resumidos em tabelas e conclui-se que se o potencial de poupança se aproxima do referido no início deste trabalho.

Projeto de uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico pela via supercrítica

A concretização deste estágio na INCBIO teve como principal objetivo o projeto e dimensionamento de uma unidade de produção de biodiesel por transesterificação nãocatalítica num reator ultrassónico com condições supercríticas de pressão e temperatura. Com vista à concretização do trabalho, iniciou-se a realização do estudo do estado da arte relativo à produção de biodiesel, com particular enfoque na produção de biodiesel por via catalítica e por via supercrítica e na produção de biodiesel com uso de tecnologia ultrassónica. Conclui-se que nenhum estudo contempla a combinação simultânea da produção de biodiesel por via supercrítica através da tecnologia ultrassónica. Este estudo do estado da arte permitiu ainda definir as condições de temperatura, pressão e rácio mássico (250 °C, 95 bar e 1:1 respetivamente) a considerar no projeto da unidade de produção de biodiesel deste trabalho. Com base no estudo do estado da arte efetuado e com base nas características da matéria procedeu-se à definição do processo de produção de biodiesel. Para a definição do processo começou-se por elaborar o diagrama de blocos do processo (BFD) e o diagrama de fluxo do processo (PFD). Com base nos diagramas e na composição da matéria-prima, procedeu-se à quantificação dos reagentes (metanol) com base na estequiometria das reações envolvidas e ao cálculo do balanço de massa. O balanço de massa foi calculado com base na estequiometria das reações envolvidas e foi também calculado através do software de simulação ASPEN PLUS. Após o cálculo do balanço de massa elaborou-se o diagrama de tubulação e instrumentação (P&ID), que contém todos os equipamentos, válvulas, instrumentação e tubagens existentes na unidade. Após a definição do processo e cálculo do balanço de massa procedeu-se ao dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico dos tanques, tubagem, bombas, permutador de calor, reator ultrassónico, válvulas de controlo e instrumentação de acordo com as normas ASME. Nesta fase do trabalho foram consultados diversos fornecedores possíveis para a compra de todo o material necessário. O dimensionamento mecânico e cálculo hidráulico efetuados permitiram, entre outras informações relevantes, obter as dimensões necessárias à construção do layout e à elaboração do desenho 3D. Com os resultados obtidos e desenhos elaborados, é possível avançar com a construção da unidade, pelo que pode-se inferir que o objetivo de projetar uma unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas foi alcançado. Por fim, efetuou-se uma análise económica detalhada que possibilita a comparação de uma unidade de produção de biodiesel por via catalítica (unidade de produção da INCBIO) com a unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas (unidade projetada neste trabalho). Por questões de confidencialidade, não foram revelados maior parte dos resultados da análise económica efetuada. No entanto, conclui-se que os custos de construção da unidade de produção de biodiesel num reator ultrassónico com condições supercríticas são mais baixos cerca de 35 a 40%, quando comparados com os custos de construção da unidade de produção de biodiesel por via catalítica, evidenciando assim que a combinação em simultâneo das condições supercríticas com a tecnologia ultrassónica possibilita a diminuição dos custos de produção.

Säätöventtiilin virtaustekniset ominaisuudet

Virtauslaskennan käyttö jokapäiväisessä insinöörityössä on lisääntynyt viime vuosina nopeaa vauhtia. Virtauslaskennan avulla voidaan tutkia säätöventtiilin virtauskenttää, mikä antaa suunnittelijalle mahdollisuuden korjata virtauskanavan ongelmakohtia jo tuotekehityksen alkuvaiheessa. Tämändiplomityön tavoitteena on määrittää uuden säätöventtiilin mitoituskertoimet jatutkia virtauslaskennan käytettävyyttä säätöventtiilisuunnittelussa. Teoreettisessa tarkastelussa on käsitelty venttiilivirtaukselle ominaisia virtausteknisiä yhtälöitä ja ilmiöitä, säätöventtiilin standardin määräämiä mitoitusyhtälöitä sekä neste- että kaasumelua. Lisäksi kerrotaan yleisimmistä säätöventtiilisovellutuksista ja esitellään suunnitteilla oleva uusi säätöventtiili. Virtauslaskennan avulla tutkittiin venttiilin kapasiteettiaja virtauskenttää. Alustavaa laskentaa tehtiin venttiilin paineenpalautumiskertoimen ja alkavan kavitaation määrittämiseksi. Virtauslaskenta tehtiin Fluent ja Cfdesign -virtauslaskentaohjelmilla. Virtauslaskennan antamia tuloksia verrattiin laboratoriossa saatuihin mittaustuloksiin. Laboratoriokokeiden avulla määritettiin uuden säätöventtiilin mitoituskertoimet. Lisäksi mitattiin säätöventtiilin aiheuttamaa neste- ja kaasumelua.

Improving Dynamic Characteristics of Open-loop Controlled Log Crane

The improvement of the dynamics of flexible manipulators like log cranes often requires advanced control methods. This thesis discusses the vibration problems in the cranes used in commercial forestry machines. Two control methods, adaptive filtering and semi-active damping, are presented. The adaptive filter uses a part of the lowest natural frequency of the crane as a filtering frequency. The payload estimation algorithm, filtering of control signal and algorithm for calculation of the lowest natural frequency of the crane are presented. The semi-active damping method is basedon pressure feedback. The pressure vibration, scaled with suitable gain, is added to the control signal of the valve of the lift cylinder to suppress vibrations. The adaptive filter cuts off high frequency impulses coming from the operatorand semi-active damping suppresses the crane?s oscillation, which is often caused by some external disturbance. In field tests performed on the crane, a correctly tuned (25 % tuning) adaptive filter reduced pressure vibration by 14-17 % and semi-active damping correspondingly by 21-43%. Applying of these methods require auxiliary transducers, installed in specific points in the crane, and electronically controlled directional control valves.

Cooling system optimization in medium-speed engines

Tässä työssä optimoidaan keskinopean Wärtsilä 32 -dieselmoottorin jäähdytysjärjestelmää ja tutkitaan taajuusmuuttajien käyttömahdollisuutta kiertopumppujen yhteydessä niin, että järjestelmässä saataisiin kiertämään vain kulloinkin tarvittava määrä vettä. Tutkimuksen mallinnus on toteutettu laatimalla aiemmin käytössä olleista yksinkertaisista simulointimalleista yksi malli, johon on sisällytetty sekä virtauksen että lämmönsiirron laskenta, jotka on aiemmin mallinnettu erillisillä ohjelmilla. Diplomityö on osa projektia, joka on tehty Sähkötekniikan osaston tutkijan Mikko Pääkkösen kanssa yhteistyössä. Tämän diplomityö keskittyy lähinnä virtausteknisiin ja lämmönsiirtoon liittyviin asioihin, kun taas sähkötekniikan osuus on esitetty Mikko Pääkkösen raportissa. Tulosten perustella voidaan sanoa, että taajuusmuuttajakäyttö kannattaa kiertopumppujen yhteydessä. Käyttämällä pumppujen virtaussäätöä voidaan jäähdytysjärjestelmästä jättää monia komponentteja, kuten termostaattiventtiilejä pois. Mallinnetut yksinkertaiset piiriratkaisut näyttävät toimivan ainakin yleisellä tasolla. Tutkimusta pumppujen säädöstä ja tässä projektissa luoduista jäähdytysjärjestelmäkonfiguraatioista kannattaa jatkaa.

Letkuventtiilin mitoitus säätökäyttöön

Tässä diplomityössä käydään läpi IEC-60534 -standardin mukainen säätöventtiilin mitoitus kokoonpuristumattomille ja –puristuville virtauksille laskennassa tarvittavine yhtälöineen. Teoreettisessa osassa esitellään RF-letkuventtiilien rakennetta ja ominaisuuksia. Lisäksi käydään läpi putkivirtauksen perusperiaatteita. Koska letkuventtiilissä virtaavana fluidina on usein jokin liete, on työssä esitelty menetelmä lietevirtauksen aiheuttaman paine-eron laskentaan. Työssä on käsitelty myös kavitaation syntyä, laskennalliset mahdollisuudet kavitaation ennustamiseen sekä keinoja kavitaation estämiseksi. Kokeellisessa osassa suoritettiin mittauksia kolmella erikokoisella RF-letkuventtiilillä, joissa kussakin käytettiin kolmea erityyppistä letkua. Mittausten perusteella pystyttiin laskemaan kapasiteettikertoimet sekä määrittämään säätökäyrät mitatuille venttiileille ja letkutyypeille. Näistä tuloksista säätökäyrille sovitettiin yhtälöt, joiden perusteella saatiin laskettua kapasiteettikertoimien arvot myös muille venttiilikoille.

Hydraulisen puomin avoimen piirin koordinaattiohjaus paine-ero-tilavuusvirta-approksimaation avulla

Diplomityön tavoitteena oli kehittää mahdollisimman hyvä koordinaattiohjaus. Sen tuli olla jälkiasennettavissa perinteisen ohjauksen rinnalle työkoneisiin, joissa on käytetty sähköohjattuja proportionaaliventtiileitä. Työssä keskityttiin tutkimaan suuntaventtiilin yli vallitsevasta paine-erosta saatavan tilavuusvirtatiedon hyödyntämistä ohjauksessa. Työn ensimmäisessä vaiheessa koordinaattiohjaus toteutettiin käyttäen 0-peittoisilla karoilla ja karan asematakaisinkytkennällä varustettuja suuntaventtiileitä. Hydrauliseen kuristukseen perustuen saatiin paine-erosta käyttökelpoista tilavuusvirtasignaalia ja koordinaattiohjauksen liikeradan seurannassa oli parhaimmillaan vain 3 cm:n virhe koenosturin työliikkeen pituudella. Toisessa vaiheessa käytettiin työkoneissa yleisesti esiintyvää positiivisin karapeitoin varustettua mobiiliventtiilistöä, jossa oli karakohtaiset painekompensaattorit. Painekompensaattoreiden takia ei paine-eron mittaaminen puhtaasti suuntaventtiilin karan yli ollut mahdollista, jonka takia tyydyttiin koordinaattiohjaus toteuttamaan ilman paineen mittausta luottaen painekompensaattoreiden toimintaan. Käytetyn venttiilistön kavitoinninestotoiminnon huomiointi ohjauksessa jäi ratkaisematta ja se ohitettiin vastusvastaventtiileiden avulla. Koordinaattiohjauksen tarkkuus mobiiliventtiileillä oli vaatimaton ja tulosten toistettavuus heikko. Tulosten perusteella todettiin avoimellakin koordinaattiohjauksella olevan mahdollista saavuttaa lupaava tarkkuus ammattikuljettajiin verrattuna. Mobiiliventtiilistöön liittyvät, työn aikana esiinnousseet epäkohdat olisi ratkaistava ennen käytettyjen menetelmien soveltamista käytännön kohteisiin.

Projeto de um sistema emulador de escoamentos e vaso de separação primária

The purpose of this study was to develop a pilot plant which the main goal is to emulate a flow peak pressure in a separation vessel. Effect similar that is caused by the production in a slug flow in production wells equipped with the artificial lift method plunger lift. The motivation for its development was the need to test in a plant on a smaller scale, a new technique developed to estimate the gas flow in production wells equipped with plunger lift. To develop it, studies about multiphase flow effects, operation methods of artificial lift in plunger lift wells, industrial instrumentation elements, control valves, vessel sizing separators and measurement systems were done. The methodology used was the definition of process flowcharts, its parameters and how the effects needed would be generated for the success of the experiments. Therefore, control valves, the design and construction of vessels and the acquisition of other equipment used were defined. One of the vessels works as a tank of compressed air that is connected to the separation vessel and generates pulses of gas controlled by a on/off valve. With the emulator system ready, several control experiments were made, being the control of peak flow pressure generation and the flow meter the main experiments, this way, it was confirmed the efficiency of the plant usage in the problem that motivated it. It was concluded that the system is capable of generate effects of flow with peak pressure in a primary separation vessel. Studies such as the estimation of gas flow at the exit of the vessel and several academic studies can be done and tested on a smaller scale and then applied in real plants, avoiding waste of time and money.

Utilização da lógica difusa no controle inteligente de sistemas eletro-hidráulicos

Electro-hydraulic servo-systems are widely employed in industrial applications such as robotic manipulators, active suspensions, precision machine tools and aerospace systems. They provide many advantages over electric motors, including high force to weight ratio, fast response time and compact size. However, precise control of electro-hydraulic systems, due to their inherent nonlinear characteristics, cannot be easily obtained with conventional linear controllers. Most flow control valves can also exhibit some hard nonlinearities such as deadzone due to valve spool overlap on the passage´s orifice of the fluid. This work describes the development of a nonlinear controller based on the feedback linearization method and including a fuzzy compensation scheme for an electro-hydraulic actuated system with unknown dead-band. Numerical results are presented in order to demonstrate the control system performance

Uma técnica de linearização por realimentação para compensação de agarramento em válvulas de controle pneumáticas

In control loops valve stiction is a very common problem. Generally, it is one of main causes of poor performance of industrial systems. Its most commonly observed effect is oscillation in the process variables. To circumvent the undesirable effects, friction compensators have been proposed in order to reduce the variability in the output. This work analyzes the friction compensation in pneumatic control valves by using feedback linearization technique. The valve model includes both dead zone and jump. Simulations show that the use of this more complete model results in controllers with superior performance. The method is also compared through simulations with the method known as Constant Reinforcement (CR), widely used in this problem.

Development of variable displacement oil pump for internal combustion engines

In the last years the need to develop more environmentally friendly and efficient cars as led to the development of several technologies to improve the performance of internal combustion engines, a large part of the innovations are focused in the auxiliary systems of the engine, including, the oil pump, this is an element of great importance in the dynamics of the engine as well a considerable energy consumer. Most solutions for oil pumps to this day are fixed displacement, for medium and high speeds, the pump flow rate is higher than the needs of the engine, this excess flow leads to the need for recirculation of the fluid which represents a waste of energy. Recently, technological advances in this area have led to the creation of variable displacement oil pumps, these have become a 'must have' due to the numerous advantages they bring, although the working principle of vane or piston pumps is relatively well known, the application of this technology for the automotive industry is new and brings new challenges. The focus of this dissertation is to develop a new concept of variable displacement system for automotive oil pumps. The main objective is to obtain a concept that is totally adaptable to existing solutions on the market (engines), both dimensionally as in performance specifications, having at the same time an innovative mechanical system for obtaining variable displacement. The developed design is a vane pump with variable displacement going in line with existing commercial solutions, however, the variation of the eccentricity commonly used to provide an variable displacement delivery is not used, the variable displacement is achieved without varying the eccentricity of the system but with a variation of the length of the pumping chamber. The principle of operation of the pump is different to existing solutions while maintaining the ability to integrate standard parts such as control valves and mechanical safety valves, the pump is compatible with commercial solutions in terms of interfaces for connection between engine systems and pump. A concept prototype of the product was obtained in order to better evaluate the validity of the concept. The developed concept represents an innovation in oil pumps design, being unique in its mechanical system for variable displacement delivery.