Numerical simulation of combined heat transfer phenomena (conduction, convection, and radiation). Application to he optimisation of thermal systems

Thermal systems interchanging heat and mass by conduction, convection, radiation (solar and thermal ) occur in many engineering applications like energy storage by solar collectors, window glazing in buildings, refrigeration of plastic moulds, air handling units etc. Often these thermal systems are composed of various elements for example a building with wall, windows, rooms, etc. It would be of particular interest to have a modular thermal system which is formed by connecting different modules for the elements, flexibility to use and change models for individual elements, add or remove elements without changing the entire code. A numerical approach to handle the heat transfer and fluid flow in such systems helps in saving the full scale experiment time, cost and also aids optimisation of parameters of the system. In subsequent sections are presented a short summary of the work done until now on the orientation of the thesis in the field of numerical methods for heat transfer and fluid flow applications, the work in process and the future work.

Dynamic whole system testing of combined renewable heating systems : the current state of the art

Objective: For the evaluation of the energetic performance of combined renewable heating systems that supply space heat and domestic hot water for single family houses, dynamic behaviour, component interactions, and control of the system play a crucial role and should be included in test methods. Methods: New dynamic whole system test methods were developed based on “hardware in the loop” concepts. Three similar approaches are described and their differences are discussed. The methods were applied for testing solar thermal systems in combination with fossil fuel boilers (heating oil and natural gas), biomass boilers, and/or heat pumps. Results: All three methods were able to show the performance of combined heating systems under transient operating conditions. The methods often detected unexpected behaviour of the tested system that cannot be detected based on steady state performance tests that are usually applied to single components. Conclusion: Further work will be needed to harmonize the different test methods in order to reach comparable results between the different laboratories. Practice implications: A harmonized approach for whole system tests may lead to new test standards and improve the accuracy of performance prediction as well as reduce the need for field tests.

Thermoeconomic functional analysis applied in cogeneration systems associated to cellulose plants

Thermoeconomic Functional Analysis is a method developed for the analysis and optimal design of improvement of thermal systems (Frangopoulos, 1984). The purpose of this work is to discuss the cogeneration system optimization using a condensing steam turbine with two extractions. This cogeneration system is a rational alternative in pulp and paper plants in regard to the Brazilian conditions. The objective of this optimization consists of minimizing the global cost of the system acquisition and operation, based on the parametrization of actual data from a cellulose plant with a daily production of 1000 tons. Among the several possible decision variables, the pressure and temperature of live steam were selected. These variables significantly affect the energy performance of the cogeneration system. The conditions which determine a lower cost for the system are presented in conclusion.

Domestic hot water consumption vs. solar thermal energy storage: the optimum size of the storage tank

Many efforts have been made in order to adequate the production of a solar thermal collector field to the consumption of domestic hot water of the inhabitants of a building. In that sense, much has been achieved in different domains: research agencies, government policies and manufacturers. However, most of the design rules of the solar plants are based on steady state models, whereas solar irradiance, consumption and thermal accumulation are inherently transient processes. As a result of this lack of physical accuracy, thermal storage tanks are sometimes left to be as large as the designer decides without any aforementioned precise recommendation. This can be a problem if solar thermal systems are meant to be implemented in nowadays buildings, where there is a shortage of space. In addition to that, an excessive storage volume could not result more efficient in many residential applications, but costly, extreme in space consumption and in some cases too heavy. A proprietary transient simulation program has been developed and validated with a detailed measurement campaign in an experimental facility. In situ environmental data have been obtained through a whole year of operation. They have been gathered at intervals of 10 min for a solar plant of 50 m2 with a storage tank of 3 m3, including the equipment for domestic hot water production of a typical apartment building. This program has been used to obtain the design and dimensioning criteria of DHW solar plants under daily transient conditions throughout a year and more specifically the size of the storage tank for a multi storey apartment building. Comparison of the simulation results with the current Spanish regulation applicable, “Código Técnico de la Edificación” (CTE 2006), offers fruitful details and establishes solar facilities dimensioning criteria.

Modelling and control of refrigeration systems: an account of a pedagogic experiment in a post-secondary technical course

Comunicação apresentada no CYTEF 2016/VIII Congresso Ibérico | VI Congresso Ibero-Americano de Ciências e Técnicas do Frio, 3-6 maio 2016, Coimbra, Portugal

Review and analysis of solar thermal facades

Harnessing solar energy to provide for the thermal needs of buildings is one of the most promising solutions to the global energy issue. Exploiting the additional surface area provided by the building’s façade can significantly increase the solar energy output. Developing a range of integrated and adaptable products that do not significantly affect the building’s aesthetics is vital to enabling the building integrated solar thermal market to expand and prosper. This work reviews and evaluates solar thermal facades in terms of the standard collector type, which they are based on, and their component make-up. Daily efficiency models are presented, based on a combination of the Hottel Whillier Bliss model and finite element simulation. Novel and market available solar thermal systems are also reviewed and evaluated using standard evaluation methods, based on experimentally determined parameters ISO 9806. Solar thermal collectors integrated directly into the facade benefit from the additional wall insulation at the back; displaying higher efficiencies then an identical collector offset from the facade. Unglazed solar thermal facades with high capacitance absorbers (e.g. concrete) experience a shift in peak maximum energy yield and display a lower sensitivity to ambient conditions than the traditional metallic based unglazed collectors. Glazed solar thermal facades, used for high temperature applications (domestic hot water), result in overheating of the building’s interior which can be reduced significantly through the inclusion of high quality wall insulation. For low temperature applications (preheating systems), the cheaper unglazed systems offer the most economic solution. The inclusion of brighter colour for the glazing and darker colour for the absorber shows the lowest efficiency reductions (<4%). Novel solar thermal façade solutions include solar collectors integrated into balcony rails, shading devices, louvers, windows or gutters.

A contribution for thermoeconomic modelling: A methodology proposal

This work presents a thermoeconomic optimization methodology for the analysis and design of energy systems. This methodology involves economic aspects related to the exergy conception, in order to develop a tool to assist the equipment selection, operation mode choice as well as to optimize the thermal plants design. It also presents the concepts related to exergy in a general scope and in thermoeconomics which combines the thermal sciences principles (thermodynamics, heat transfer, and fluid mechanics) and the economic engineering in order to rationalize energy systems investment decisions, development and operation. Even in this paper, it develops a thermoeconomic methodology through the use of a simple mathematical model, involving thermodynamics parameters and costs evaluation, also defining the objective function as the exergetic production cost. The optimization problem evaluation is developed for two energy systems. First is applied to a steam compression refrigeration system and then to a cogeneration system using backpressure steam turbine. (C) 2010 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Execução de um projecto solar térmico para uma instalação de A.Q.S. da Escola Básica Guilherme Stephens

O presente documento tem como principal objectivo efectuar o projecto de dimensionamento de um sistema de águas quentes sanitárias para uma escola. Numa primeira fase foi elaborado uma pesquisa sobre o contexto energético, a nível mundial, europeu e nacional, bem como o seu contexto jurídico a nível europeu e nacional, e uma explicação superficial sobre os fundamentos da energia solar, onde se foca a importância da radiação solar e os vários tipos de sistemas solares térmicos, bem como os seus constituintes. Segue-se a abordagem ao caso de estudo onde foram efectuados inicialmente inquéritos como forma de determinar os consumos de água quente utilizada nessa escola. Continuou-se o estudo efectuando-se a variação de duas características do sistema solar: o tamanho dos depósitos e o tipo de colectores solares a aplicar. Após as simulações efectuadas para a determinação das soluções a aplicar ao sistemasolar e apresentadas ao longo do presente documento, foram efectuadas análises económicas como forma de se verificar a viabilidade do sistema a aplicar. Por último foram elaboradas conclusões sobre o sistema a aplicar e apresentados alguns cenários financeiros do mesmo.

Estudo comparativo de sistemas em aquecimento

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

Micro-generation Evaluation of the Zero Emissions Technologies in the Portuguese Market

Micro-generation is the small scale production of heat and/or electricity from a low carbon source and can be a powerful driver for carbon reduction, behavior change, security of supply and economic value. The energy conversion technologies can include photovoltaic panels, micro combined heat and power, micro wind, heat pumps, solar thermal systems, fuel cells and micro hydro schemes. In this paper, a small research of the availability of the conversion apparatus and the prices for the micro wind turbines and photovoltaic systems is made and a comparison between these two technologies is performed in terms of the availability of the resource and costs. An analysis of the new legal framework published in Portugal is done to realize if the incentives to individualspsila investment in sustainable and local energy production is worth for their point of view. An economic evaluation for these alternatives, accounting with the governmentpsilas incentives should lead, in most cases, into attractive return rates for the investment. Apart from the attractiveness of the investment there are though other aspects that should be taken into account and those are the benefits that these choices have to us all. The idea is that micro-generation will not only make a significant direct contribution to carbon reduction targets, it will also trigger a multiplier effect in behavior change by engaging hearts and minds, and providing more efficient use of energy by householders. The diversified profile of power generation by micro-generators, both in terms of location and timing, should reduce the impact of intermittency or plant failures with significant gains for security of supply.

Análise custo-benefício da integração de painéis solares térmicos na reabilitação de um edifício

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Geochemical and geothermal study of springs in the Ossola-Simplon Region

Geological, hydrogeological and geochemical surveys were carried out in the Piedilago area (Ossola-Simplon region) in order to investigate the geothermal resources present in this area. Following these surface exploration efforts an exploratory geothermal well of 248 m was drilled in 1991. It discharges a thermal water with temperatures up to 43 degrees C and calcium (sodium) sulphate composition with a TDS close to 1350 mg/l. Chemical geothermometers suggest a reservoir temperature close to 45 degrees C indicating that the well virtually produces the pure uncooled thermal water. The Piedilago ex-ample is here considered as the departure point to establish both general criteria for further geothermal investigations in young mountains chains and taking into consideration all the available data on geology and fluid geochemistry of thermal systems in the Ossola-Simplon region, to constrain a geothermal model for the Lower Pennine Zone.

Computer tools applied to analysis of solar water heaters

The simulation programs are important tools to analyze the different energetic alternatives, including the use of renewable energy. The objective of this study was to analyze comparatively the different computer tools available for modeling of solar water heaters. Among the main simulation software of solar thermal systems, there are: RETScreen International, EnergyPlus, TRNSYS, SolDesigner, SolarPro, e T*SOL. Among the tools mentioned, only EnergyPlus and RETScreen International are free, but they allow obtaining interesting results when applied together. The first one has a detailed module of energy analysis of solar water heaters, while the second one provides an detailed economic feasibility study and an assessment of emissions of greenhouse gases. RETScreen International and EnergyPlus programs are aimed at a diverse audience, including designers, researchers and energy planners.

Ein Beitrag zur Modellierung und Simulation von elektromechanischen Systemen

Die in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen zeigen, daß es möglich ist, komplexe thermische Systeme, unter Verwendung der thermisch-, elektrischen Analogien, mit PSpice zu simulieren. Im Mittelpunkt der Untersuchungen standen hierbei Strangkühlkörper zur Kühlung von elektronischen Bauelementen. Es konnte gezeigt werden,daß alle Wärmeübertragungsarten, (Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung) in der Simulation berücksichtigt werden können. Für die Berechnung der Konvektion wurden verschiedene Methoden hergeleitet. Diese gelten zum einen für verschiedene Kühlkörpergeometrien, wie z.B. ebene Flächen und Kühlrippenzwischenräume, andererseits unterscheiden sie sich, je nachdem, ob freie oder erzwungene Konvektion betrachtet wird. Für die Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen wurden verschiedenen Berechnungsmethoden entwickelt. Für die Simulation mit PSpice wurde die Berechnung der Wärmestrahlung zwischen den Kühlrippen vereinfacht. Es konnte gezeigt werden, daß die Fehler, die durch die Vereinfachung entstehen, vernachlässigbar klein sind. Für das thermische Verhalten einer zu kühlenden Wärmequelle wurde ein allgemeines Modell entworfen. Zur Bestimmung der Modellparameter wurden verschiedene Meßverfahren entwickelt. Für eine im Fachgebiet Elektromechanik entwickelte Wärmequelle zum Test von Kühlvorrichtungen wurde mit Hilfe dieser Meßverfahren eine Parameterbestimmung durchgeführt. Die Erstellung des thermischen Modells eines Kühlkörpers für die Simulation in PSpice erfordert die Analyse der Kühlkörpergeometrie. Damit diese Analyse weitestgehend automatisiert werden kann, wurden verschiedene Algorithmen unter Matlab entwickelt. Es wurde ein Algorithmus entwickelt, der es ermöglicht, den Kühlkörper in Elementarzellen zu zerlegen, die für die Erstellung des Simulationsmodells benötigt werden. Desweiteren ist es für die Simulation notwendig zu wissen, welche der Elementarzellen am Rand des Kühlkörpers liegen, welche der Elementarzellen an einem Kühlrippenzwischenraum liegen und welche Kühlkörperkanten schräg verlaufen. Auch zur Lösung dieser Aufgaben wurden verschiedene Algorithmen entwickelt. Diese Algorithmen wurden zu einem Programm zusammengefaßt, das es gestattet, unterschiedliche Strangkühlkörper zu simulieren und die Simulationsergebnisse in Form der Temperaturverteilung auf der Montagefläche des Kühlkörpers grafisch darzustellen. Es können stationäre und transiente Simulationen durchgeführt werden. Desweiteren kann der thermische Widerstand des Kühlkörpers RthK als Funktion der Verlustleistung der Wärmequelle dargestellt werden. Zur Verifikation der Simulationsergebnisse wurden Temperaturmessungen an Kühlkörpern durchgeführt und mit den Simulationsergebnissen verglichen. Diese Vergleiche zeigen, daß die Abweichungen im Bereich der Streuung der Temperaturmessung liegen. Das hier entwickelte Verfahren zur thermischen Simulation von Strangkühlkörpern kann somit als gut bewertet werden.

Caracterització i revaloració de la fracció plasmàtica de la sang de porc procedent d'escorxadors industrials

La tesi s'ha estructurat en tres apartats que, en conjunt, han de permetre determinar les possibilitats d'aprofitament dins la mateixa indústria alimentària de la fracció plasmàtica de la sang de porc generada per escorxadors que utilitzen sistemes oberts de recollida higiènica. 1. En la primera part s'analitza la composició de la sang higiènica que s'està recollint actualment i s'estudien les característiques tant físico-químiques com microbiològiques que determinen la seva qualitat. La caracterització s'ha realitzat amb sang recollida en diferents escorxadors industrials de les comarques de Girona i s'ha centrat principalment en l'estudi de la contaminació microbiològica i el nivell d'hemòlisi de la sang. S'ha fet un disseny experimental que ha permès alhora valorar l'efecte d'alguns factors sobre la qualitat de la sang: possibles diferències relacionades amb (1) la climatologia del període de l'any en el qual es fa la recollida, (2) particularitats dels escorxadors (grandària, sistemes de dessagnat, tipus, dosi i sistema de dosificació de l'anticoagulant, condicions de processament, maneig i emmagatzematge després de la recollida, etc.). Els resultats obtinguts ens permeten constatar que, en les condicions actuals, la sang que s'està recollint en els escorxadors estudiats no es pot considerar adequada per a una matèria primera de productes destinats a alimentació humana. La major part de la microbiota contaminant s'adquireix en el propi sagnador. S'ha constatat que el sistema de dessagnat en posició horitzontal podria ser una mesura útil per minimitzar la contaminació d'origen fecal o provinent de la pell de l'animal sacrificat i que la separació immediata de les fraccions en el propi escorxador també pot contribuir a reduir la contaminació. Així doncs, en el benentès que l'efectivitat pot obtenir-se del conjunt de mesures preses, més que de l'aplicació d'una sola d'elles, es suggereix la introducció d'una sèrie d'actuacions que potser permetrien reduir els nivells de contaminació que s'obtenen actualment. El tractament mecànic de la sang, el sistema d'addició d'anticoagulant, el volum i concentració de la solució anticoagulant afegida i el període d'emmagatzematge són els factors responsables de l'hemòlisi; mentre que nivells elevats de contaminació microbiològica i el tipus d'anticoagulant utilitzat deterrminen la velocitat d'increment de l'hemòlisi de sang refrigerada. S'ha constatat que quan la sang no pot ser processada immediatament i s'ha d'emmagatzemar en refrigeració és millor utilitzar citrat sòdic enlloc de polifosfat com a anticoagulant ja que l'increment d'hemòlisi es dóna més lentament. 2. El segon apartat s'ha centrat en la fracció plasmàtica de la sang. S'ha utilitzat la deshidratació per atomització com a tecnologia de conservació del plasma i s'ha fet una caracterització del producte en pols resultant des del punt de vista de composició i qualitat. A més de la contaminació microbiològica, que determina la qualitat higiènico-sanitària del producte, s'ha realitzat un estudi de les propietats funcionals que podrien fer del plasma un producte útil en la formulació d'aliments (capacitat escumant, emulsionant, gelificant). S'ha fet especial incidència en (1) determinar l'efecte del procés tecnològic de deshidratació sobre la funcionalitat del producte i (2) estudiar l'estabilitat del plasma deshidratat durant el període d'emmagatzematge. En les condicions de deshidratació per atomització aplicades no es provoca desnaturalització de la fracció proteica i s'obté un producte suficientment deshidratat, amb una aw<0,4 per permetre suposar una bona estabilitat. Algunes mostres de plasma deshidratat analitzades presenten nivells detectables de determinats residus (sulfonamides i corticosteroides). La qualitat microbiològica del producte en pols reflecteix l'elevada contaminació que contenia la matèria primera utilitzada, tot i que la deshidratació per atomització ha comportat la reducció en una unitat logarítmica de la càrrega contaminant. Els recomptes generals de microorganismes són encara preocupants i més tenint en compte que s'ha evidenciat la presència de toxines estafilocòciques en algunes mostres. L'avaluació de les propietats funcionals del producte deshidratat en relació a les que presentava el plasma líquid ens ha permès comprovar que: (1) El procés de deshidratació no ha afectat la solubilitat de les proteïnes. Això, junt amb el fet que no s'obtinguin diferències significatives en l'anàlisi calorimètrica de mostres líquides o deshidratades, permet concloure que el procés no provoca desnaturalització proteica. (2) No s'observen efectes negatius del procés tecnològic sobre la capacitat escumant ni en l'activitat emulsionant de les proteïnes plasmàtiques, dues propietats funcionals que possibiliten l'aplicació del plasma amb aquestes finalitats en l'elaboració d'alguns aliments. (3) La deshidratació tampoc perjudica de manera important les característiques dels gels que s'obtenen per escalfament, ja que els gels obtinguts a partir del plasma líquid i del plasma deshidratat presenten la mateixa capacitat de retenció d'aigua i no s'observen diferències en la microestructura de la xarxa proteica d'ambdós tipus de gel. Tanmateix, els que s'obtenen a partir del producte en pols mostren una menor resistència a la penetració. L'estudi d'estabilitat ens ha permès comprovar que la mostra de plasma deshidratat per atomització perd algunes de les seves propietats funcionals (facilitat de rehidratació, capacitat de retenció d'aigua i fermesa dels gels) si s'emmagatzema a temperatura ambient, mentre que aquestes característiques es mantenen un mínim de sis mesos quan el producte en pols es conserva a temperatura de refrigeració. 3. En l'última part, tenint en compte les conclusions derivades dels resultats dels apartats anteriors, s'han assajat tres possibles sistemes de reducció de la contaminació aplicables a la fracció plasmàtica com a pas previ a la deshidratació, per tal de millorar les característiques de qualitat microbiològica i les perspectives d'estabilitat del producte durant l'emmagatzematge. S'ha determinat l'eficàcia, i l'efecte sobre les propietats del plasma deshidratat, que poden tenir tractaments d'higienització basats en la centrifugació, la microfiltració tangencial i l'aplicació d'altes pressions. Els tractaments de bactofugació aplicats permeten reduir entre el 96 i el 98% la contaminació microbiana del plasma. Aquesta reducció s'aconsegueix tant amb un sistema discontinu com amb un sistema continu treballant a una velocitat de 12 L/h, fet que permetria adaptar el tractament de bactofugació a un procés de producció industrial. Un sistema combinat de bactofugació en continu i microfiltració tangencial permet incrementar l'eficàcia fins a un 99,9 % de reducció. Cal tenir present, però, que aquest tractament provoca també una disminució de l'extracte sec que afecta negativament les propietats funcionals del plasma líquid. Malgrat suposar una pèrdua pel que fa al rendiment, aquest efecte negatiu sobre la funcionalitat no suposaria cap inconvenient si s'utilitzés la deshidratació com a tecnologia de conservació del plasma, ja que es podria corregir l'extracte sec durant la reconstitució del producte. Caldria avaluar si la millora en la qualitat higiènico-sanitària del producte compensa o no les pèrdues que suposa aquest sistema d'higienització combinat. Amb relació als tractaments d'alta pressió, de totes les condicions de tractament assajades, les pressions de fins 450 MPa permeten obtenir plasma sense modificacions importants que impedeixin la seva deshidratació per atomització. Així doncs, les condicions de procés que s'han aplicat són pressuritzacions a 450 MPa de 15 minuts de durada. La temperatura de tractament que s'ha mostrat més eficaç en la reducció dels recomptes de microorganismes ha estat de 40ºC. Els tractaments a aquesta temperatura permeten assolir reduccions del 99,97% i disminuir en un 80% la capacitat de creixement dels microorganismes supervivents a la pressurització en relació a la que presentava la població contaminant del plasma abans del tractament. L'estudi de l'efecte d'aquest tractament (450 MPa, 15 min i 40ºC) sobre les propietats funcionals del plasma ha permès observar que la pressurització comporta una disminució en la solubilitat del producte però una millora en les propietats de superfície -estabilitat de l'escuma i activitat emulsionant- i un increment de la capacitat de retenció d'aigua i de la duresa dels gels obtinguts per escalfament. Calen més estudis per confirmar i caracteritzar aquesta millora en la funcionalitat, així com per establir si el tractament de pressurització afecta també l'estabilitat del producte durant l'emmagatzematge. De totes les tecnologies d'higienització assajades, l'alta pressió és la que permet obtenir millors resultats en el sentit de poder garantir un producte de bona qualitat microbiològica i segur, des del punt de vista sanitari i tecnològic, per a la seva utilització com a ingredient alimentari.