Analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema micro-ORC

Con l’aumento del consumo mondiale di risorse energetiche del pianeta, è diventato sempre più necessario utilizzare sistemi energetici che sfruttino al meglio la fonte di energia che li alimenta. Una delle soluzioni in questo ambito è quella proposta dagli Organic Rankine Cycle (ORC). Questi sistemi recuperano energia termica altrimenti non utilizzabile per le temperature troppo basse e sfruttano sorgenti termiche con ampi range di temperatura. L’elaborato volge all’analisi sperimentale delle prestazioni di un sistema Micro-ORC di piccola taglia, con rendimento termodinamico massimo dichiarato dal costruttore del 10 %. Inizialmente vengono descritti i fluidi organici e i sistemi che ne fanno uso, descrivendo anche esempi bibliografici di banchi prova per interpretare al meglio i risultati ottenuti con quello disponibile, che viene poi descritto, comprendendo i circuiti di asservimento dell’acqua calda e fredda, i punti di misura e il programma di acquisizione dati. Ci si concentra poi sulla descrizione e l’utilizzo dei codici implementati per l’elaborazione dei dati acquisiti. Questi hanno permesso di osservare gli andamenti temporali delle grandezze fondamentali per il sistema e valutarne la ripetibilità del comportamento nel corso di differenti prove. Vengono proposte infine le mappe di funzionamento per l’intero impianto e per i vari sotto-sistemi, offrendone un’interpretazione e inquadrandone i punti di lavoro ottimali. Attraverso la loro osservazione si sono dedotte le condizioni necessarie per avere un funzionamento ritenuto stabile del sistema ed è stato possibile ottimizzare le procedure svolte durante le fasi di test e di acquisizione dati. Sarà oggetto di studi futuri l’ottimizzazione dell’impianto, prolungando i tempi di esercizio a parità di carico elettrico e frequenza imposta alla pompa, con il fine di ottenere delle curve di prestazioni confrontabili con quelle presenti in bibliografia per altri sistemi ORC.

Analisi sperimentale del funzionamento di un sistema micro-ORC

Questa tesi tratta nello specifico lo studio di un impianto micro-ORC, capace di sfruttare acqua alla temperatura di circa 70-90°C come sorgente termica. Questo sistema presenta una potenza dichiarata dal costruttore pari a 3kW e un rendimento del 9%. In primo luogo, si descrivono le caratteristiche principali dei fluidi organici, in particolare quelle del freon R134a, impiegato nel banco prova. Vengono illustrati dettagliatamente l’impianto e la sensoristica utilizzata per le misurazioni delle varie grandezze fisiche. Tramite esse, con l’utilizzo di un programma di acquisizione dati appositamente relizzato in ambiente LabVIEW, è stato possibile calcolare in tempo reale tutti i parametri di funzionamento, necessari per la caratterizzazione del sistema. Per una veloce ed efficiente elaborazione dei dati registrati durante le prove in laboratorio, è stato realizzato un programma in linguaggio VBA. L’utilizzo di questo codice ha permesso, in primo luogo, di individuare e correggere eventuali errori di calcolo e acquisizione presenti in ambiente LabVIEW e, in secondo luogo, si è reso indispensabile per comprendere il funzionamento dell’impianto nelle varie fasi, come accensione, spegnimento e produzione di potenza. Sono state inoltre identificate le modalità di risposta del sistema al variare dei comandi impostabili dall’utente, quali il numero di giri della pompa e la variazione della temperatura della sorgente calda. Si sono poi osservate le risposte del sistema al variare delle condizioni esterne, come ad esempio la temperatura dell’acqua di condensazione. Una specifica prova è stata analizzata in questo elaborato. Durante tale prova il sistema ha lavorato in forte off-design, erogando una potenza elettrica pari a 255 W, raggiungendo un basso valore del rendimento (pari a 1.8%). L’analisi dei dati ha portato ad identificare nuovi limiti di funzionamento, legati ad esempio alla quantità di fluido interna al sistema.

Analisi del rendimento di sistemi micro ORC di tipo sperimentale

In questo lavoro si analizza il rendimento isoentropico di diversi espansori adottati all’interno di sistemi micro-ORC (Organic Rankine Cycle). Si parte da una descrizione generale dei sistemi ORC, mettendone in evidenza le principali caratteristiche, il layout tipico, le differenze rispetto ad un ciclo Rankine tradizionale, e gli ambiti di utilizzo. Si procede ad una trattazione teorica del rendimento isoentropico del compressore e dell’espansore, specificando le ipotesi adottate nei calcoli e mettendo in luce la relazione tra rendimento isoentropico e politropico nell’uno e nell’altro apparato. Si passa poi alla descrizione delle quattro principali tipologie di espansori presenti in letteratura: scroll, screw, vane e piston, e si prosegue con l'analisi nel dettaglio della letteratura relativa alla valutazione dell’efficienza di questi quando utilizzati all’interno di un sistema micro-ORC. Infine, dopo aver descritto il sistema ORC del laboratorio di via Terracini del DIN, illustrandone layout, componenti principali, potenza scambiata all’interno dei componenti e modalità di calcolo adottata per la valutazione del rendimento isoentropico dell’espansore e del sistema complessivo, si confrontano i dati di efficienza di questo con quelli reperiti in letteratura. Il confronto del rendimento, dell'espansore e complessivo, del sistema del DIN, 33.8% e 1,818% rispettivamente, con quelli degli altri sistemi, è risultato di difficilmente valutazione a causa delle condizioni di forte off-design del sistema stesso. Dalla ricerca è inoltre emerso che i fluidi più utilizzati nella sperimentazione, e dunque capaci di migliori prestazioni, sono R245fa, R134a e R123. Per quel che riguarda infine gli espansori, nel range di potenza di 1-10 kW, lo scroll risulta essere il migliore.

Layout e confronto prestazioni di banchi prova di micro-ORC

Nell’elaborato presentato è stato analizzato il sistema ORC, presente nel laboratorio DIN della Facoltà di Ingegneria, e confrontato con alcuni banchi prova estratti dalla letteratura. Sono stati studiati gli elementi caratterizzanti del sistema, definendone le loro caratteristiche, le loro dimensioni e la loro collocazione all’interno dell’impianto. Inseguito è stato fatto un confronto con degli impianti di simile taglia che sfruttano fonti di calore differenti. Infine è stato esaminato nel dettaglio il layout del sistema ORC definendone la sua struttura 3D per avere una maggiore chiarezza sulla composizione di questo impianto e sul posizionamento reciproco dei suoi elementi.

Mikro ORC-voimalan potentiaaliset sovelluskohteet

Tavoitteet energiatehokkuuden parantamisesta ja energiantuotannon ympäristövaikutusten vähentämisestä ovat nostaneet kiinnostusta hajautettua energiantuotantoa kohtaan. Pienissä kokoluokissa ei kuitenkaan sähköntuottaminen ole kannattavaa perinteisillä menetelmillä kuten vesihöyryprosessilla. Mikrokokoluokassa (alle 50 kWe) yksi varteenotettavimmista keinoista sähköntuotantoon on mikro ORC-prosessi. Tässä kandidaatintyössä on tavoitteena löytää mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ja ratkaisuja niiden hyödyntämiseen. Selvitystyön perusteella mikro ORC-voimaloiden potentiaalisimpia sovelluskohteita ovat hukkalämpöjen hyödyntäminen teollisuus- ja energiantuotantoprosesseissa, pienet CHP-laitokset, pienet lämpölaitokset, ajoneuvojen polttomoottorit, syrjäisten kohteiden sähköntuotanto sekä aurinkokeräimien ja kaukolämpöverkon hyödyntäminen rakennusten energiaomavaraisuuden parantamisessa.

Mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyvyn todentaminen ja kaupallistaminen

Tässä työssä esitellään yleisesti ORC-prosessi, sen toimintaperiaate ja käyttökohteet. Työn tavoitteena oli todentaa diesel-moottorin savukaasujen lämpöenergian sähköenergiaksi muuntavan mikro-ORC-energianmuuntimen suorituskyky. Suorituskyky pyrittiin toteamaan laskemalla laboratoriomittauksista saadusta datasta koelaitoksen sähköntuotannon hyötysuhde ja vertaamalla sitä mallinnuksessa laskettuun hyötysuhteeseen. Esitys käytännöstä suorituskyvyn todentamiseen kuuluu työn sisältöön. Koelaitoksen suorituskykyä ei pystytty toteamaan turbogeneraattoriin liittyvien ongelmien vuoksi. Tarkasteltavaksi tähän työhön jäi koelaitoksen suorituskykyyn olennaisesti liittyvien laitoskomponenttien toiminta niille tyypillisten mittausdatasta laskettujen tunnuslukujen kautta. Koelaitoksella käytettyjen lämmönsiirrinten todettiin olevan kykeneviä siirtämään tarpeeksi lämpöenergiaa 130 kW jarruteholla toimivan diesel-moottorin savukaasujen lämmöstä sähköenergian tuotantoon. Laitoksen kaupallistamista tarkasteltiin asiakkaan ja valmistajan näkökulmasta. Tarkasteluun sisältyi katsaus kaupalliseen versioon kuuluvista ominaisuuksista, alihankinnasta ja säädöksistä, jotka laitoksen on täytettävä markkinoille päästäkseen.

Modelling of ORC components and systems for low-medium temperature heat recovery applications with reduced environmental impact

Although its great potential as low to medium temperature waste heat recovery (WHR) solution, the ORC technology presents open challenges that still prevent its diffusion in the market, which are different depending on the application and the size at stake. Focusing on the micro range power size and low temperature heat sources, the ORC technology is still not mature due to the lack of appropriate machines and working fluids. Considering instead the medium to large size, the technology is already available but the investment is still risky. The intention of this thesis is to address some of the topical themes in the ORC field, paying special attention in the development of reliable models based on realistic data and accounting for the off-design performance of the ORC system and of each of its components. Concerning the “Micro-generation” application, this work: i) explores the modelling methodology, the performance and the optimal parameters of reciprocating piston expanders; ii) investigates the performance of such expander and of the whole micro-ORC system when using Hydrofluorocarbons as working fluid or their new low GWP alternatives and mixtures; iii) analyzes the innovative ORC reversible architecture (conceived for the energy storage), its optimal regulation strategy and its potential when inserted in typical small industrial frameworks. Regarding the “Industrial WHR” sector, this thesis examines the WHR opportunity of ORCs, with a focus on the natural gas compressor stations application. This work provides information about all the possible parameters that can influence the optimal sizing, the performance and thus the feasibility of installing an ORC system. New WHR configurations are explored: i) a first one, relying on the replacement of a compressor prime mover with an ORC; ii) a second one, which consists in the use of a supercritical CO2 cycle as heat recovery system.

Ihwg-μnir: A Miniaturised Near-infrared Gas Sensor Based On Substrate-integrated Hollow Waveguides Coupled To A Micro-nir-spectrophotometer.

A miniaturised gas analyser is described and evaluated based on the use of a substrate-integrated hollow waveguide (iHWG) coupled to a microsized near-infrared spectrophotometer comprising a linear variable filter and an array of InGaAs detectors. This gas sensing system was applied to analyse surrogate samples of natural fuel gas containing methane, ethane, propane and butane, quantified by using multivariate regression models based on partial least square (PLS) algorithms and Savitzky-Golay 1(st) derivative data preprocessing. The external validation of the obtained models reveals root mean square errors of prediction of 0.37, 0.36, 0.67 and 0.37% (v/v), for methane, ethane, propane and butane, respectively. The developed sensing system provides particularly rapid response times upon composition changes of the gaseous sample (approximately 2 s) due the minute volume of the iHWG-based measurement cell. The sensing system developed in this study is fully portable with a hand-held sized analyser footprint, and thus ideally suited for field analysis. Last but not least, the obtained results corroborate the potential of NIR-iHWG analysers for monitoring the quality of natural gas and petrochemical gaseous products.

Estudo por espectroscopia micro-Raman dos mecanismos de separação de fase em vidros fosfatos de metais de transição

Glass-ceramics are prepared by controlled separation of crystal phases in glasses, leading to uniform and dense grain structures. On the other hand, chemical leaching of soluble crystal phases yields porous glass-ceramics with important applications. Here, glass/ceramic interfaces of niobo-, vanado- and titano-phosphate glasses were studied by micro-Raman spectroscopy, whose spatial resolution revealed the multiphase structures. Phase-separation mechanisms were also determined by this technique, revealing that interface composition remained unchanged as the crystallization front advanced for niobo- and vanadophosphate glasses (interface-controlled crystallization). For titanophosphate glasses, phase composition changed continuously with time up to the equilibrium composition, indicating a spinodal-type phase separation.

Determinação espectrofotométrica de hexametilenotetramina (HMT) em medicamentos, utilizando ácido cromotrópico e forno de micro-ondas

This paper proposes a methodology for spectrophotometric determination of hexamethylenetetramine (HMT) by using chromotropic acid in a phosphoric acid media employing a domestic microwave oven as a source of heating. The reddish-purple soluble product is quantitatively formed after 30 s of irradiation and obeys the Beer´s law in the range between 0.1-1.2 mg L-1 HMT (r = 0.99925). The method was applied successfully in commercial pharmaceutical preparations containing dyes in their composition. The results showed that the method proposed is feasible for simplicity, speed, low cost, precision and accuracy when compared with United States Pharmacopeia official method.

The Rg1 allele as a valuable tool for genetic transformation of the tomato 'Micro-Tom' model system

Background: The cultivar Micro-Tom (MT) is regarded as a model system for tomato genetics due to its short life cycle and miniature size. However, efforts to improve tomato genetic transformation have led to protocols dependent on the costly hormone zeatin, combined with an excessive number of steps. Results: Here we report the development of a MT near-isogenic genotype harboring the allele Rg1 (MT-Rg1), which greatly improves tomato in vitro regeneration. Regeneration was further improved in MT by including a two-day incubation of cotyledonary explants onto medium containing 0.4 mu M 1-naphthaleneacetic acid (NAA) before cytokinin treatment. Both strategies allowed the use of 5 mu M 6-benzylaminopurine (BAP), a cytokinin 100 times less expensive than zeatin. The use of MT-Rg1 and NAA pre-incubation, followed by BAP regeneration, resulted in high transformation frequencies (near 40%), in a shorter protocol with fewer steps, spanning approximately 40 days from Agrobacterium infection to transgenic plant acclimatization. Conclusions: The genetic resource and the protocol presented here represent invaluable tools for routine gene expression manipulation and high throughput functional genomics by insertional mutagenesis in tomato.

Analysis of the tip roundness effects on the micro- and macroindentation response of elastic-plastic materials

In this work, the effects of indenter tip roundness oil the load-depth indentation curves were analyzed using finite element modeling. The tip roundness level was Studied based on the ratio between tip radius and maximum penetration depth (R/h(max)), which varied from 0.02 to 1. The proportional Curvature constant (C), the exponent of depth during loading (alpha), the initial unloading slope (S), the correction factor (beta), the level of piling-up or sinking-in (h(c)/h(max)), and the ratio h(max)/h(f) are shown to be strongly influenced by the ratio R/h(max). The hardness (H) was found to be independent of R/h(max) in the range studied. The Oliver and Pharr method was successful in following the variation of h(c)/h(max) with the ratio R/h(max) through the variation of S with the ratio R/h(max). However, this work confirmed the differences between the hardness values calculated using the Oliver-Pharr method and those obtained directly from finite element calculations; differences which derive from the error in area calculation that Occurs when given combinations of indented material properties are present. The ratio of plastic work to total work (W(p)/W(t)) was found to be independent of the ratio R/h(max), which demonstrates that the methods for the Calculation of mechanical properties based on the *indentation energy are potentially not Susceptible to errors caused by tip roundness.

Importance of considering a material micro-failure criterion in the numerical modelling of the shot peening process applied to parabolic leaf springs

Shot peening is a cold-working mechanical process in which a shot stream is propelled against a component surface. Its purpose is to introduce compressive residual stresses on component surfaces for increasing the fatigue resistance. This process is widely applied in springs due to the cyclical loads requirements. This paper presents a numerical modelling of shot peening process using the finite element method. The results are compared with experimental measurements of the residual stresses, obtained by the X-rays diffraction technique, in leaf springs submitted to this process. Furthermore, the results are compared with empirical and numerical correlations developed by other authors.

Convergence of developmental mutants into a single tomato model system: 'Micro-Tom' as an effective toolkit for plant development research

Background: The tomato (Solanum lycopersicum L.) plant is both an economically important food crop and an ideal dicot model to investigate various physiological phenomena not possible in Arabidopsis thaliana. Due to the great diversity of tomato cultivars used by the research community, it is often difficult to reliably compare phenotypes. The lack of tomato developmental mutants in a single genetic background prevents the stacking of mutations to facilitate analysis of double and multiple mutants, often required for elucidating developmental pathways. Results: We took advantage of the small size and rapid life cycle of the tomato cultivar Micro-Tom (MT) to create near-isogenic lines (NILs) by introgressing a suite of hormonal and photomorphogenetic mutations (altered sensitivity or endogenous levels of auxin, ethylene, abscisic acid, gibberellin, brassinosteroid, and light response) into this genetic background. To demonstrate the usefulness of this collection, we compared developmental traits between the produced NILs. All expected mutant phenotypes were expressed in the NILs. We also created NILs harboring the wild type alleles for dwarf, self-pruning and uniform fruit, which are mutations characteristic of MT. This amplified both the applications of the mutant collection presented here and of MT as a genetic model system. Conclusions: The community resource presented here is a useful toolkit for plant research, particularly for future studies in plant development, which will require the simultaneous observation of the effect of various hormones, signaling pathways and crosstalk.

A flow injection procedure based on solenoid micro-pumps for spectrophotometric determination of free glycerol in biodiesel

A flow system designed with solenoid micro-pumps is proposed for fast and greener spectrophotometric determination of free glycerol in biodiesel. Glycerol was extracted from samples without using organic solvents. The determination involves glycerol oxidation by periodate, yielding formaldehyde followed by formation of the colored (3,5-diacetil-1,4-dihidrolutidine) product upon reaction with acetylacetone. The coefficient of variation, sampling rate and detection limit were estimated as 1.5% (20.0 mg L(-1) glycerol, n =10), 34 h(-1), and 1.0 mg L(-1) (99.7% confidence level), respectively. A linear response was observed from 5 to 50 mg L(-1), with reagent consumption estimated as 345 mu g of KIO(4) and 15 mg of acetylacetone per determination. The procedure was successfully applied to the analysis of biodiesel samples and the results agreed with the batch reference method at the 95% confidence level. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.