TDX/TDR - Departament d'Enginyeria Mecànica

Producción de tableros de fibras sin adición de adhesivos a partir de arundo donax L. Y bagazo de Saccharum officinarum L.

Tue, 15 Jan 2013 08:50:26 GMT

Producción de tableros de fibras sin adición de adhesivos a partir de arundo donax L. Y bagazo de Saccharum officinarum L. Ramos Romero, Diego En este trabajo se estudian los parámetros de obtención de tableros sin aporte de adhesivos, a partir de materiales lignocelulósicoscomo son la caña común (Arundodonax L.) y el bagazo de SaccharumofficinarumL. Los tableros propuestos aportan como ventaja el estar libres de emisiones de formaldehído y el no consumir recursos fósiles. Ambas propiedades son importantes en un mercado cada vez más exigente en aspectos medioambientales. En el caso del “ArundodonaxL” se ha partido de cañas silvestres de Tarragona. El bagazo de Saccharumofficinarum utilizado es el subproducto industrial de una destilería de la Isla de la Palma (Canarias). El material crudo ha sido pretratado realizando una “explosión de vapor” en un reactor “batch” a distintas condiciones de severidad. Este material explosionado se ha triturado y prensado en frío de dos formas (en seco y en húmedo). Posteriormente, los tableros prensados en frío y acondicionados a temperatura y HR constantes se han prensado en caliente a diferentes niveles de presión, temperatura y tiempo de prensado. En el proceso de producción a escala de laboratorio de los tableros, se han mejorado algunas de las fases seguidas como el prensado, introduciendo mallas de evacuación de vapor; y se han innovado otros, como la incorporación del prensado en frío y el tratamiento térmico final después de la conformación en caliente. Todo ello para mejorar la homogeneidad y obtener tableros de altas prestaciones mecánicas con estosmateriales. Se ha podido estudiar el efecto de los distintos factores que intervienen en la producción de tableros (Severidad del pretratamiento, temperatura de prensado, presión de prensado y tiempo de prensado), sobre las características físicas y mecánicas de estos tableros(Densidad, MOE, MOR, IB, TS y WA). Con ello se han obtenido las relaciones matemáticas que vinculan a estos factores de producción con las características físicas y mecánicas de los tableros. Puede ser muy importante para la industria el hecho de que los modelos ajustados definidos nos pueden permitir obtener tableros con características prefijadas. También se ha valorado la utilización de material integro explosionado y no lavado y, por tanto, sin ningún lixiviado ni residuo. Los tableros cumplen sobradamente los requerimientos de las norma EN para uso estructural, en todas las características físico-mecánicas estudiadas. Abreviaturas: HR Humedad relativa MOE Módulo de elasticidad en flexión o Módulo de Young MOR Módulo de rotura o Resistencia a la flexión IB Resistencia a la tracción perpendicular a las caras (Internal Bond) TS Hinchamiento WA Absorción de agua; This work studies the parameters for obtaining binderless fiberboards from lignocelullosic materials such as giant reed (Arundodonax L.) and sugar cane bagasse (Saccharumofficinarum L.) The suggested boards havethe advantage of being free from formaldehyde emissions and of not consuming fossil resources. Both properties are important in a market that is increasingly sensitivetowards environmental issues. Wild reeds from Tarragona were used as the base material to make Arundodonax Lfiberboards. The Saccharumoffinarumsugar cane bagasse was anindustrial byproduct obtained from a plantation on the island ofLa Palma in the Canary Islands (DestileríasAldea SL). The raw material was pre-treated by performing a “steam explosion” in a “batch” reactor. The exploded material was ground and cold-pressed in two ways (wet and dry). Subsequently, the cold-pressed boards, which had beenconditioned at a constant temperature and RH, were hot-pressed at different levels of pressure, temperature and press time. Some of the processes for producing boards on a laboratory-scale,such as pressing withsteam evacuation meshes, have been improved. Others processes were specifically developed in the laboratory, including the incorporation of cold-pressing and the final heat treatment after hot-forming. The aim of all this was to achieve high mechanical performance in boards made from these materials. Different factors involved in the production of the boards were studied (severity of pretreatment, pressing temperature, pressing pressure and pressing time) to determine how they affectthe physical and mechanical properties of these boards (density, MOE, MOR, IB, TS and WA). As a result, the mathematical relationships that link these production factors to the physical and mechanical properties of the boards were obtained. It is very significant for the industry that these adjusted models can produce boards with preset characteristics. The use of material that wascompletely exploded and unwashed and, therefore, without residue has also been studied. In terms of all the physical-mechanical characteristics studied,the boards fully comply with the requirements of the EN standards for structural use. Abbreviations RHRelativehumidity MOE Modulus of elasticity MOR Modulus of rupture IB Internal bond TS Thicknessswelling WA Water absorption

Modelización de sistemas de refrigeración por absorción con captadores solares de concentración

Fri, 21 Sep 2012 11:19:27 GMT

Modelización de sistemas de refrigeración por absorción con captadores solares de concentración Montero Izquierdo, Iván Andrés En esta tesis se analiza de manera detallada los sistemas de refrigeración solar con equipos de absorción de doble efecto con captadores solares de concentración en términos de energía primaria consumida. El análisis de estos sistemas permite compararlos con sistemas de refrigeración por absorción de simple efecto accionados con energía solar térmica de baja temperatura y con sistemas convencionales de compresión. Estos tres tipos de sistemas han sido modelizados mediante el software de simulación TRNSYS para cubrir la demanda frigorífica de un edificio genérico de oficinas localizado en Sevilla (España). Un aspecto importante en esta tesis es la modelización de las enfriadoras de absorción de simple y doble efecto mediante el método de la ecuación característica. Este método permite modelizar las prestaciones térmicas del equipo de absorción de manera sencilla y robusta, además que debido a su estructura puede ser aplicado a cualquier sistema de refrigeración por absorción.; This thesis presents a detailed analysis of solar cooling systems, with double-effect absorption chillers activated by concentrating solar collectors, in terms of primary energy savings. This analysis allows comparing this type of systems with solar assisted air-conditioning installations composed by single-effect absorption chillers and flat plate solar collectors, and conventional compression systems. These three types of systems have been modeled in a TRNSYS simulation environment and applied to a generic building located in the city of Seville (Spain) to cover its cooling demand. An important aspect of this thesis is the modeling of single and double-effect absorption chillers by means of the characteristic equation method (ChEM). This method permits modeling of thermal performance of the absorption machine in a simple and robust manner, and due to its structure, the method can be applied to any absorption refrigeration system.

Particle image velocimetry applications in complex flow systems

Mon, 09 Jul 2012 09:59:36 GMT

Particle image velocimetry applications in complex flow systems Ertürk Düzgün, Nihal El objetivo principal de esta tesis es la mejora y la aplicación de la técnica PIV para analizar diferentes flujos de fluidos complejos en los sistemas que contienen partes sólidos móviles o estacionarias. Las partículas de alginato con/sin compuesto de fluoresceína incrustada se han desarrollado como una serie de elementos alternativos de siembra de nuevas aplicaciones de flujo para el PIV. Se ha encontrado que las micro-partículas de alginato tienen muchas ventajas sobre los tradicionales utilizados en sistemas de PIV. Un estudio amplio sobre el análisis del flujo en tres dimensiones de la bomba de engranajes externa se ha hecho por la técnica tiempo-resuelva PIV para investigar la dinámica y las estadísticas de flujo turbulento. Vorticidad y zonas turbulentas de alta energía cinética se han identificado dentro de la bomba de engranajes externa. La técnica PIV se ha aplicado de manera eficiente para analizar un intercambiador de calor de motor de flujo de bypass en un túnel del viento de bajo velocidad. Las partículas de alginato que contienen fluoresceína se han utilizado eficientemente en los experimentos que conducen a mejorar la calidad de la imagen PIV y analizar las estructuras de pequeña escala de los flujos.; The main objective of the thesis is the improvement and application of the PIV technique to analyse different complex fluid flows in systems that contain solid moving or stationary parts. The alginate particles with/without fluorescein compound imbedded have been developed as a new alternative flow seeding elements for PIV applications. It has been found that the alginate micro particles have many advantages over traditional ones used in PIV systems. A comprehensive study on the three-dimensional flow analysis of the external gear pump has been done by time-resolved PIV technique to investigate its turbulent flow dynamics and statistics. Vorticity and high turbulent kinetic energy areas have been identified inside the external gear pump. The PIV technique has been efficiently applied to analyse an engine bypass flow heat exchanger in a low speed wind tunnel. The alginate particles containing fluorescein have been efficiently used in the experiments that lead to improve the PIV image quality and analyse the small-scale structures of the flows.

Computational and experimental modeling of fluid flow and heat transfer processes in complex geometries

Mon, 07 May 2012 10:58:34 GMT

Computational and experimental modeling of fluid flow and heat transfer processes in complex geometries Varela Ballesta, Sylvana Verónica El objetivo principal de este trabajo es el estudio numérico (caffa3d.MB) y experimental (PIV) de los campos de velocidad y de temperatura en dominios complejos como los encontrados en las computadoras u otros sistemas electrónicos refrigerados que contengan circuitos impresos (PCB, Printed Circuit Board). La refrigeración es uno de los principales desafíos que estos dispositivos se deben tratar. La disipación del calor de los dispositivos de circuitos electrónicos se ha convertido en una cuestión importante a tener en cuenta durante su diseño. Los PCB son circuitos electrónicos que generan calor por efecto Joule y necesitan ser enfriados. Son cada vez más pequeños y por lo tanto los problemas del calentamiento disminuyen su eficiencia y vida útil. El estudio de la velocidad y los campos de temperatura está estrechamente relacionada con el análisis de la evolución espacial y temporal de las estructuras de flujo que se encuentran en las cavidades cerradas que contiene PCB y con el entendimiento de la influencia de la geometría, la velocidad de entrada de fluido y temperatura de la placa en el proceso de enfriamiento del PCB.; The main objective of this work is the numerical (caffa3d.MB) and experimental (PIV) study of the velocity and temperature fields in complex domains like those encountered in computers or other electronic refrigerated systems with printed circuit board (PCB). Cooling is one of the main challenges these devices have to deal with. Heat removal from the electronic circuit devices has become an important issue to take into account during their design. PCB's are electronic circuits that generate heat by Joule effect and need to be cooled down. They are becoming smaller and therefore some warming problems appear that lowers their efficiency and lifespan. The study of the velocity and temperature fields is closely connected with the analysis of the spatial and temporal evolution of the flow structures found in PCB enclosed cavities and with the understanding of the influence of the geometry, the inlet fluid velocity and plate temperature in the cooling process of the PCB.

Numerical and experimental analyses of single and two-phase microfluidic flows with implications in microreactors

Tue, 07 Feb 2012 09:45:17 GMT

Numerical and experimental analyses of single and two-phase microfluidic flows with implications in microreactors Blanch Ojea, Roland Aquesta tesi centra els seus esforços en l'àmbit de la microfluídica, un camp relativament recent dins de la Mecànica de Fluids, amb un futur prometedor i amb un ritme d'investigació intens en les seves diferents especialitzacions. En aquest sentit, la tesi presenta dos aportacions científiques principals. Primer, aporta una eina numèrica d'elaboració pròpia per realitzar simulacions de fluxos reactius en microcanals. Eina que s'aplica satisfactòriament a la identificació dels principals processos de transport involucrats en la oxidació parcial del metà per a produir gas de síntesi, i a l'estudi de l'efecte que tenen alguns paràmetres d'operació en aquest procés reactiu. Segon, estén el coneixement dels fluxos multifàsics en microunions en T, estudiant experimentalment fluxos de dues fases amb fluids principalment miscibles i en condicions supercrítiques, que son portats al seu equilibri vapor-líquid. Durant aquest estudi, a més, reporta un succés inesperat que presenta futurs reptes en l'aplicació d'aquest tipus de fluxos multifàsics.; The present thesis focuses on microfluidics, a relatively recent field of Fluid Mechanics with promising expectations and with an intense scientific interest on its different areas. In this regard, the thesis aims to provide two main scientific contributions. First, it presents an in-house numerical tool to carry out simulations of reactive flows within microchannels. The tool is successfully applied to the identification of the main transport phenomena involved on the partial oxidation of methane to produce synthesis gas, and to the analysis of the effect of several operating parameters on this reactive process. Second, it extends the knowledge on multiphase flows in microfluidic T-junctions with an experimental study of two-phase flows of mixtures of potentially miscible fluids, in supercritical conditions and in vapour-liquid equilibrium. In this study it is also reported an unexpected phenomenon, which brings new challenges to the application of these kind of multiphase flows.

Numerical simulation of oil spills in coastal areas using shallow water equations in generalised coordinates

Thu, 05 Jan 2012 11:48:44 GMT

Numerical simulation of oil spills in coastal areas using shallow water equations in generalised coordinates Novelli, Guillaume The pollution generated by accidental marine oil spills can cause persistent ecological disasters and lead to serious social and economical damages. Numerical simulations are a valuable tool to make proper decisions in emergency situation or to plan response actions beforehand. The main objective of this work was to improve SIMOIL, a computational model developed earlier at URV and capable of predicting the evaporation and spreading of massive oil spills in coastal areas. Specifically, a new coastal current model, based on the resolution of the shallow water equations in generalised coordinates, has been developed and validated and then coupled to SIMOIL. The model was specially designed to describe coastal oceanic flows over topography accounting for Coriolis force, eddy viscosity, seabed friction and to couple with SIMOIL in domain with complex boundaries. The equations have been discretized over generalised domains by means of finite differences of second order accuracy. The code was then implemented in FORTRAN. The code has been validated extensively against numerical and experimental flow studies of the bibliography. Finally, the new complete version of SIMOIL, coupling the shallow water model and the oil slick model, has been applied to the study of two accidental oil spills: • A massive leakage from the Repsol's floating dock in the port of Tarragona • The biggest oil spill ever occurred in the Eastern Mediterranean Sea: the 2006 Lebanon oil spill. In both cases, the new version of SIMOIL, demonstrate more accurate predictions of the behaviour of the oil spill, specially for moderate winds with complex topography.; La contaminación generada por los vertidos accidentales de petróleo puede ser reducida si se actúa y si se toman las decisiones adecuadas a tiempo. Las simulaciones numéricas de vertidos de petróleo permiten predecir la evolución de las manchas de crudo. En este trabajo, el objetivo principal era de mejorar la precisión y el rango de aplicación del código SIMOIL desarrollando e integrando al código un modelo de predicción de corrientes marinas en aguas costeras. Se han derivado las ecuaciones de aguas poco profundas en coordenadas generalizadas. Se han discretizado las ecuaciones y el código se implementó en FORTRAN 90. El modelo así como los métodos numéricos han sido validados con el estudio de flujos experimentales y numéricos de la bibliografía. Finalmente, la nueva versión de SIMOIL se aplicó con éxito a dos casos físicos de vertidos de crudo: • un vertido ficticio desde la monoboya de descarga de Repsol en el puerto de Tarragona • un vertido real, el mas grande ocurrido en el Este del mar Mediterráneo, consecuencia de la guerra en Líbano en julio de 2006. En ambos casos la nueva versión de SIMOIL proporcionó predicciones más precisas, especialmente para vientos moderados y topografías complejas.

Performance modelling and validation of biomass gasifiers for trigeneration plants

Wed, 30 Nov 2011 12:04:24 GMT

Performance modelling and validation of biomass gasifiers for trigeneration plants Puig Arnavat, Maria Esta tesis desarrolla un modelo sencillo pero riguroso de plantas de trigeneración con gasificación de biomasa para su simulación, diseño y evaluación preliminar. Incluye una revisión y estudio de diferentes modelos propuestos para el proceso de gasificación de biomasa.Desarrolla un modelo modificado de equilibrio termodinámico para su aplicación a procesos reales que no alcanzan el equilibrio así comodos modelos de redes neuronales basados en datos experimentales publicados: uno para gasificadores BFB y otro para gasificadores CFB. Ambos modelos, ofrecen la oportunidad de evaluar la influencia de las variaciones de la biomasa y las condiciones de operación en la calidad del gas producido. Estos modelos se integran en el modelo de la planta de trigeneración con gasificación de biomasa de pequeña-mediana escala y se proponen tres configuraciones para la generación de electricidad, frío y calor. Estas configuraciones se aplican a la planta de poligeneración ST-2 prevista en Cerdanyola del Vallés.; This thesis develops a simple but rigorous model for simulation, design and preliminary evaluation of trigeneration plants based on biomass gasification. It includes a review and study of various models proposed for the biomass gasification process and different plant configurations. A modified thermodynamic equilibrium model is developed for application to real processes that do not reach equilibrium. In addition, two artificial neural network models, based on experimental published data, are also developed: one for BFB gasifiers and one for CFB gasifiers. Both models offer the opportunity to evaluate the influence of variations of biomass and operating conditions on the quality of gas produced. The different models are integrated into the global model of a small-medium scale biomass gasification trigeneration plant proposing three different configurations for the generation of electricity, heat and cold. These configurations are applied to a case study of the ST-2 polygeneration plant foreseen inCerdanyola del Valles.

Modelling of small capacity absorption chillers driven by solar thermal energy or waste heat

Wed, 30 Nov 2011 11:10:58 GMT

Modelling of small capacity absorption chillers driven by solar thermal energy or waste heat Labus, Jerko Aquesta recerca es centra en el desenvolupament de models en règim estacionari de màquines d’absorció de petita potència, els quals estan basats en dades altament fiables obtingudes en un banc d’assajos d’última tecnologia. Aquests models podran ser utilitzats en aplicacions de simulació, o bé per a desenvolupar estratègies de control de supervisió dels sistemes d’aire condicionat amb màquines d’absorció. Per tant, l’objectiu principal d’aquesta investigació és desenvolupar i descriure una metodologia comprensible i que englobi el procés sencer: tant els assajos, com la modelització, com també el desenvolupament d’una estratègia de control per a les màquines d’absorció de petita potència. Basant-se en la informació obtinguda de forma experimental en el banc d’assajos, s’han desenvolupat cinc models, cadascun amb una base teòrica diferent. Els resultats mostren que és possible obtenir models empírics summament precisos utilitzant únicament com a paràmetres d’entrada les variables dels circuits externs d’aigua. Aquest treball finalitza amb la proposta de dues estratègies òptimes de control i el seu ús per al control on-line de sistemes basats en refredadores tèrmiques d’absorció.; This research deals with the development of the simple, yet accurate steady-state models of small capacity absorption machines which are based on highly reliable data obtained in the state-of-the-art test bench. These models can further be used in simulation tools or to develop supervisory control strategies for air-conditioning systems with absorption machines. Therefore, the main aim of this research is to develop and to describe a comprehensive methodology which encloses entire process which consists of testing, modelling and control strategy development of small capacity absorption machines. Five different models are developed based on the experimental data obtained in the test bench. The results show that it is possible to develop highly accurate empirical models by using only the variables of external water circuits as input parameters. Finally, two optimal control strategies are developed to demonstrate how these models can be used for on-line control of absorption systems.

Numerical study of isothermal two-phase flow dispersion in the packed bed of a hydrodesulfurization reactor

Mon, 28 Nov 2011 12:00:21 GMT

Numerical study of isothermal two-phase flow dispersion in the packed bed of a hydrodesulfurization reactor Martínez del Álamo, Manuel El objetivo principal de este trabajo es predecir la dispersión de un flujo bifásico en el lecho de un reactor de hidrodesulfuración. Se consideran propiedades físicas constantes, sin incluir reacciones químicas ni procesos de transferencia de calor ni materia. Dos herramientas de simulación diferentes se han utilizado en este estudio. Una de ellas es el software comercial Fluent, ampliamente utilizado en el campo de la Computación en Dinámica de Fluidos, en el que se han introducido nuevos modelos de arrastre y capilaridad no incluidos en la versión comercial del software. La segunda herramienta utilizada es el código doméstico Multiphase Flow Solver, escrito en lenguaje de programación Fortran, que ha sido desarrollado durante esta tesis doctoral, constituyendo un importante objetivo de la misma. Este código incorpora los modelos necesarios para describir los procesos físicos que describen el comportamiento de este tipo de flujos multifásicos y su dispersión en medios porosos.; The main objective of this work is to predict the two-phase flow dispersion in the bed of a hydrodesulfurization reactor. Physical properties are considered to remain constant, without including chemical reactions nor heat and mass transfer processes. Two different simulation tools have been used in this study. One of them is the commercial software Fluent, widely used in the field of Computational Fluid Dynamics, in which new drag and capillarity models not included in the commercial version of the software have been implemented. The second tool used is the domestic code Multiphase Flow Solver, written in Fortran programming language, which has been developed during this doctoral thesis, being one important goal of it. This code includes the models needed to describe the physical processes which describe the behavior of this type of multiphase flows and their dispersion in porous media.

Modelización y análisis energético de configuraciones de trigeneración en edificios

Thu, 15 Sep 2011 10:53:17 GMT

Modelización y análisis energético de configuraciones de trigeneración en edificios Marimón Sarmiento, Miguel Angel La actual situación energética estimula el uso de las tecnologías de cogeneración y trigeneración como posibles soluciones para alcanzar el ahorro de energía primaria deseado. Estas tecnologías pueden ser una alternativa atractiva a los sistemas convencionales para el suministro energético en edificios. En esta tesis se identifican y modelan diferentes configuraciones de trigeneración avanzadas que potencialmente pueden ofrecer una mayor eficiencia energética en comparación con los sistemas convencionales para aplicaciones en edificios.

Sistemas avanzados de microtrigeneración con microturbinas de gas y enfriadoras por absorción con disipación por aire

Thu, 04 Aug 2011 10:11:53 GMT

Sistemas avanzados de microtrigeneración con microturbinas de gas y enfriadoras por absorción con disipación por aire Moya Arévalo, Marta En esta tesis se caracteriza un sistema de microtrigeneración integrado por una microturbina de gas con enfriadoras por absorción de amoníaco/agua con disipación por aire y una caldera de recuperación de agua caliente, con el objeto de analizar el cumplimiento de alta eficiencia para aplicaciones en el sector residencial y terciario. El sistema consiste en una microturbina de gas de 28 kW cuyo calor residual se utiliza para calentar aceite térmico para la producción de agua fría y/o agua caliente para calefacción y ACS. Este sistema se ha caracterizado en un banco de ensayos y en una aplicación real en el edificio central de una red de distrito de frío y calor en Barcelona. Con esta configuración se puede conseguir un ahorro de energía primaria de un 10,5% según la Directiva Europea (2004/8/EC) con pay-backs de 6 años y una reducción de emisiones de 17 tCO2/año respecto a sistemas convencionales.

Integración de sistemas de refrigeración solar en redes de distrito de frío y de calor

Tue, 12 Apr 2011 18:00:45 GMT

Integración de sistemas de refrigeración solar en redes de distrito de frío y de calor López Villada, Jesús En esta tesis se ha desarrollado una metodología para el análisis energético de diferentes configuraciones de integración de sistemas térmicos de refrigeración solar en redes urbanas de distrito de frío y calor. Para ello, en primer lugar se ha desarrollado un método relativamente simple capaz de estimar las demandas de frío y calor de los edificios a partir de sus datos constructivos básicos y los datos meteorológicos. También se han comparado y desarrollado modelos para la predicción del comportamiento térmico de las enfriadoras térmicas. Seguidamente se han identificado las diferentes configuraciones de integración de sistemas de refrigeración solar en sistemas provistos con sólo redes de calor y en sistemas con redes de frío y calor. Por último, se han comparado desde el punto vista energético las diferentes opciones de integración para el caso específico de la futura instalación en el parque tecnológico de Cerdanyola del Vallès, utilizando para ello los modelos de enfriadoras térmicas y captadores solares validados con los datos experimentales de la instalación de refrigeración solar de la empresa FESTO en Alemania.; In this thesis we have developed a methodology for the energy analysis of different integration configurations of thermal solar thermal cooling systems in district heating and cooling networks. To do this, first we have developed a relatively simple method able to estimate the heating and cooling demands of buildings from their basic design data and the meteorological data. We have also compared and developed some models to predict the thermal performance of thermal chillers and identified the different integration configurations of solar cooling systems in heating and cooling networks. Finally, we have compared, from the energy point of view, the different integration options for the specific case of the future solar cooling system at Cerdanyola del Vallès chiller, using the thermal chiller and solar collector models validated with experimental data of the solar cooling system of the company FESTO in Germany.

Optimization of environmentally friendly solar assisted absorption cooling systems

Tue, 12 Apr 2011 18:00:44 GMT

Optimization of environmentally friendly solar assisted absorption cooling systems Gebreslassie, Berhane Hagos La optimización de los sistemas de conversión de energía gana cada vez más importancia debido a su impacto ambiental y los limitados recursos de combustibles fósiles. Entre estos sistemas los de refrigeración tienen una contribución creciente en el consumo total de energía y en las emisiones de CO2. Los sistemas de absorción operados con energía solar son una de las alternativas más sostenibles frente a los sistemas de refrigeración convencionales. Por lo tanto, este trabajo se centra en su mejora siguiendo los métodos de optimización termo-económica y de programación matemática. El análisis exergético y la optimización termo-económica basada en el método estructural se han realizado para distintas configuraciones de ciclos de refrigeración por absorción con las mezclas de trabajo agua-LiBr y amoniaco-agua. En la sección de programación matemática se incluye la optimización multi-objetivo (frontera de Pareto), la optimización bajo incertidumbre de los precios de la energía, el uso de varios indicadores de impacto ambiental y el efecto del impuesto sobre las emisiones de CO2. Los resultados demuestran que se pueden obtener reducciones importantes del impacto ambiental frente a los sistemas convencionales. Los sistemas de refrigeración solar no sólo son atractivos para reducir el impacto ambiental, sino también pueden ser económicamente competitivos. Su implantación dependerá, en gran medida, del impuesto sobre las emisiones de CO2 y del coste de la energía.; Optimizations of energy conversion systems become more important because of their environmental impact and the limitations of the fossil fuel resources. Among these systems cooling and refrigeration machines have an increasing share in the total energy consumption and contribution to CO2 emissions. Solar assisted absorption cooling systems are sustainable alternatives compared to the conventional cooling systems. Hence, this work is focused on improving the sustainability of cooling systems following the thermoeconomic optimization and mathematical programming approaches. In the first approach the energy, exergy and structural analysis are performed for different configurations of water/LiBr and ammonia/water absorption cooling cycles. In the second approach multi-objective optimization (Pareto frontier), optimization under uncertainty of energy prices, different environmental impact indicators, and the effect of CO2 emissions tax to reduce the global warming are discussed. The results of the multi-objective optimization show that a significant environmental impact reduction can be obtained. Results indicate that these systems are attractive not only to reduce the environmental impact but also in incurring the economic benefits. However, its practical impact largely depends on the CO2 emissions tax and the increase in the energy price.

Modelling environment for the design and optimisation of energy polygeneration systems

Tue, 12 Apr 2011 18:00:43 GMT

Modelling environment for the design and optimisation of energy polygeneration systems Ortiga Guillén, Jordi The optimal design and operation of an energy supply system is very important for the matching of the energy production and consumption especially in the residential-tertiary sector characterized by an energy demand with a high variability. The main objective of this thesis is to develop an optimisation environment for the preliminary design and analysis of polygeneration plants. The optimisation models are organized in different units represented by blocks that can be connected between each other to create the flowsheet of the polygeneration system. To characterize the energy demand in the residential and tertiary sector a graphic methodology has been developed to select typical energy demand days from a yearly energy demand profile. The environment developed has been applied to two case studies: a small scale polygeneration plant using a liquid desiccant system for air conditioning and a polygeneration plant connected to a district heating and cooling network.

Refrigeración por absorción con nh3/h2o/hidróxidos

Tue, 12 Apr 2011 18:00:41 GMT

Refrigeración por absorción con nh3/h2o/hidróxidos Steiu, Marieta Simona En esta tesis doctoral se estudia el uso de las mezclas ternarias NH3/H2O/XOH (X: NaOH, KOH, LiOH) en ciclos de refrigeración por absorción activados con energía solar térmica o calor residual. La adición de hidróxidos alcalinos NaOH, KOH o LiOH a la mezcla amoníaco/agua disminuye la temperatura de ebullición de la mezcla y favorece la separación del amoniaco al desplazar el equilibrio de disolución del amoniaco en agua hacia la separación del amoniaco en fase gas, con la consiguiente reducción de las etapas de rectificación y un aumento del COP y de la capacidad frigorífica del equipo. Sin embargo, la presencia del hidróxido en el absorbedor es perjudicial ya que reduce la capacidad de absorción del amoníaco por el absorbente. Este efecto puede contrarrestarse limitando la presencia del OH- en el absorbedor para lo cual el ciclo básico ha de modificarse incluyendo una etapa de separación que confine el OH- en el generador.; The use of ammonia-water absorption refrigeration cycles driven by low temperature heat sources such as thermal solar energy or waste heat from some new energy distributed generation technologies is so far not feasible due to the low temperature of some of these heat sources. To overcome this problem over the past several years, it has been proposed the addition of hydroxides to the ammonia-water mixture.
The objective of this thesis is to study the effect of the NaOH, KOH and LiOH in the liquid vapour equilibrium of NH3/H2O mixture in order to reduce the boiling temperature, to select the hydroxide that presents more advantages for the operation of the absorption cycle and perform several simulations with the selected hydroxide to evaluate the overall performance of the cycle using the new ternary mixture.

Numerical and experimental study of transient laminar natural convection of high prandtl number fluids in a cubical cavity

Tue, 12 Apr 2011 18:00:38 GMT

Numerical and experimental study of transient laminar natural convection of high prandtl number fluids in a cubical cavity Younis Taha Elamin, Obai NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF TRANSIENT LAMINAR NATURAL CONVECTION OF HIGH PRANDTL NUMBER FLUIDS IN A CUBICAL CAVITY
Obai Younis Taha Elamin

La convección natural en espacios cerrados, se encuentra ampliamente en sistemas naturales e industriales. El objetivo general de este trabajo es desarrollar y validar una herramienta de simulación capaz de predecir las tasas de enfriamiento de aceite en un tanque. Esta herramienta ha de tener en cuenta la variación de la viscosidad del aceite para dar información detallada de las tasas de enfriamiento del aceite bajo diferentes condiciones de contorno térmicas realisticas.
En primer lugar, la influencia de diferentes condiciones de contorno térmicas en las paredes, la variación de la viscosidad y la conductividad de la pared en la convección natural del flujo laminar transitorio en una cavidad cúbica con seis paredes térmicamente activo están analizadas.
Para analizar el efecto individual de las paredes laterales de la cavidad en el proceso de enfriamiento, la segunda parte de este estudio considera que, tanto numéricamente como experimentalmente, la transición de la convección natural laminar en una cavidad cúbica con dos paredes opuestas frías y verticales.
Nuevas relaciones de escala que tengan en cuenta la variación de la viscosidad con la temperatura, no publicadas anteriormente en la literatura, se derivan de las velocidades de la capa límite, por el tiempo necesario para la capa límite para alcanzar el estado estacionario y para la velocidad y el espesor de las intrusiones horizontales.
NUMERICAL AND EXPERIMENTAL STUDY OF TRANSIENT LAMINAR NATURAL CONVECTION OF HIGH PRANDTL NUMBER FLUIDS IN A CUBICAL CAVITY
Obai Younis Taha Elamin

Free convection in enclosed spaces is found widely in natural and industrial systems. The general objective of this work is to develop and validate a simulation tool able to predict the cooling rates of oil in a tank. This tool has to take into account the variation of the oil viscosity to give detailed information of the cooling rates of the oil under different realistic thermal boundary conditions.
First, the influence of different thermal wall boundary conditions, the variation of the viscosity and the wall conductivity on the transient laminar natural convection flow in a cubical cavity with the six walls thermally active is studied numerically.
To analyze the individual effect of the side walls of the cavity on the cooling process, the second part of this study considers, numerically and experimentally, the transient laminar natural convection in a cubical cavity with two cold opposite vertical walls. The shadowgraph technique is employed to visualize the development of the transient convective flow. New scaling relations that take into account the viscosity variation with temperature, not reported previously in the literature, are derived for the boundary layer velocities, for the time needed for the boundary layer to reach the steady state and for the velocity and thickness of the horizontal intrusions.

Improvements in full field techniques for the measurement, simulation and analysis of confined flows in complex geometry

Tue, 12 Apr 2011 18:00:36 GMT

Improvements in full field techniques for the measurement, simulation and analysis of confined flows in complex geometry Usera Velasco, Gabriel Esta tesis trata sobre algunos avances en técnicas para el análisis, la medición experimental y la simulación numérica de flujos confinados en geometrías complejas. Se han desarrollado e implementado algoritmos de interrogación para PIV de alta velocidad. Especial atención se ha puesto en el tratamiento de la interrogación cerca de las fronteras de la imagen. Para realizar las simulaciones numéricas se ha desarrollado un modelo para flujos 3D que trabaja con mallas curvilíneas estructuradas por bloques. Este modelo ha sido paralelizado utilizando OpenMP. La trilogía de técnicas se ha completado desarrollando una novedosa técnica de premediación condicional basada en fuzzy clustering. Esta técnica permite generar un conjunto de medias condicionadas y analizar a partir de ellas la evolución temporal del flujo. Las tres técnicas se han aplicado en forma integrada al estudio de un caso seleccionado, correspondiente al flujo dentro de un alojamiento de componentes electrónicos.
Palabras clave: PIV, Volúmenes Finitos, Fuzzy Clustering, flujos confinados.; This thesis deals with the improvement of techniques for the detailed analysis, experimental measurement and numerical simulation of flows confined within complex geometry. Interrogation algorithms for time resolved PIV were designed and implemented. Special attention was given to the treatment of the near wall portions of the images to ensure appropriate resolution of the boundary layer by proper placement of the displacement vector when the interrogation area overlaps the image boundary. A 3D finite volume solver for the Navier Stokes equations was created. This numerical model works with block structured grids and sliding interfaces, allowing the treatment of rather complex geometries. This solver has been fully parallelised using OpenMP. The set of techniques was completed devising a novel conditional sampling method based on fuzzy clustering for the analysis of large scale dynamics in turbulent flows. A set of ensemble averages is produced and the time evolution of the flow can be analysed through the most probable sequence in time of the conditionally sampled averages. A case study was selected to drive the evolution of these techniques, concerning the flow inside a printed circuit board (PCB) enclosure.
Keywords: PIV, Finite Volume, Fuzzy Clustering, confined flows

Binderless fiberboard production from Cynara cardunculus and Vitis vinifera

Tue, 12 Apr 2011 18:00:34 GMT

Binderless fiberboard production from Cynara cardunculus and Vitis vinifera Mancera Arias, Camilo Binderless fiberboard production from Cynara cardunculus and Vitis vinifera
Two lignocellulosic materials, Cynara cardunculus and Vitis vinifera, were pretreated and used to produce fiberboards without synthetic adhesives. The lignocellulosic materials were steam exploded through a thermo-mechanical vapor process in a batch reactor. After pretreatment the materials were dried, ground and pressed to produce the boards. The effects of pretreatment factors and pressing conditions on the chemical and physicomechanical properties of the fiberboards were evaluated and the conditions that optimize these properties were found. Response surface methodology based on a central composite design and multiple response optimization were used. The variables studied were: pretreatment temperature, pretreatment time, pressing temperature, pressing pressure, and pressing time.
Binderless fiberboards produced from Cynara cardunculus stalks at the optimum conditions found fulfilled the European standards for boards of internal use. Nevertheless, binderless fiberboards produced from Vitis vinifera prunings at the optimum conditions found for this material did not completely met the European standards; modulus of rupture and internal bond values for these boards were lower than required minimums.
Simultaneously, commercial Kraft lignin was reacted in an alkaline medium to enhance its adhesive properties. Chemical changes in reacted Kraft lignins that include ash content, Klason lignin, acid-soluble lignin and sugars were determined, as well as, structural characteristics of these lignins in terms of phenolic hydroxyl, aliphatic hydroxyl, methoxyl, carbonyl, Mw, Mn and polydispersity. The effects of reaction temperature and reaction time on lignin properties were studied using response surface methodology, and optimal reaction conditions were found.
Two different types of Kraft lignin were used, alkali treated Kraft lignin and crude acid-washed Kraft lignin, as additives to enhance the physicomechanical properties of binderless fiberboards produced from Vitis vinifera to reach and overcome the European standards completely. At the end fiberboards produced with 20% of Vitis vinifera fibers replaced by crude acid-washed Kraft lignin were able to meet the European standards completely.
This research work was an effort to reduce our dependency upon petroleum derivates, to diminish deforestation and to increase the use of renewable and biodegradable materials with the intention of preserving the environment and to encourage a sustainable development of our society.; Producción de Tableros de Fibras a partir de Cynara cardunculus y Vitis vinifera
En el presente estudio trozos Cynara cardunculus y Vitis vinifera fueron pretratados, y usados para producir tableros de fibras sin adhesivos sintéticos. Estos materiales lignocelulósicos se explotaron con vapor a través de un proceso termomecánico de vapor en un reactor por lotes. Después del pretratamiento el material fue secado, molido y prensado en caliente para producir los tableros. Se evaluaron los efectos de los factores del pretratamiento (temperatura de reacción y tiempo de reacción) y las condiciones de prensado (presión de prensado, temperatura y tiempo) sobre las propiedades químicas y físico-mecánicas de los tableros de fibras y se establecieron las condiciones que optimizan dichas propiedades. Las propiedades físico-mecánicas de los tableros de fibras que fueron estudiadas son: densidad, módulo de elasticidad (MOE), módulo de ruptura (MOR), enlace interno (IB), absorción de agua (WA) y hinchazón en hinchazón (TS) y las propiedades químicas estudiadas de la materia prima y el material pretratado fueron las siguientes: Cenizas, contenido de lignina Klason, contenido de celulosa y contenido de hemicelulosas. Se uso una metodología de superficie de respuesta basada en un diseño de experimentos del tipo central compuesto y una metodología de optimización de respuesta múltiple.
Los tableros de fibras sin adhesivos sintéticos producidos a partir de tallos de Cynara cardunculus a las condiciones óptimas encontradas cumplieron con las normas europeas para los tableros de uso interno. Sin embargo, los tableros de fibras sin adhesivos sintéticos producidos a partir de podas de Vitis vinifera a las condiciones óptimas encontradas para este material no cumplieron totalmente las normas europeas; los valores del módulo de ruptura y del enlace interno para estos tableros fueron inferiores a los mínimos requeridos.
Una lignina Kraft comercial fue sometida a reacción en un medio alcalino para mejorar sus propiedades adhesivas. Se determinaron los cambios químicos en las ligninas Kraft tratadas, las propiedades medidas fueron: contenido en cenizas, lignina Klason, lignina soluble en ácido y azúcares, también se determinaron las características estructurales de estas ligninas en términos de hidroxilos fenólicos, hidroxilos alifáticos, metóxilos, carbonilos, Mw, Mn y polidispersidad. Se estudiaron los efectos de la temperatura de reacción y el tiempo de reacción sobre las propiedades de la lignina con una metodología de superficie de respuesta, y se encontraron la condiciones óptimas de reacción.
Se usaron dos tipos diferentes de lignina Kraft, lignina Kraft tratada en medio alcalino y lignina Kraft cruda lavada con ácido, como aditivos para mejorar las propiedades físico-mecánicas de los tableros de fibras sin adhesivos sintéticos producidos a partir de Vitis vinifera, para alcanzar y superar las normas europeas completamente. Al final los tableros de fibras producidos con una substitución del 20% de fibras de Vitis vinifera por lignina Kraft cruda lavada con ácido fueron capaces de satisfacer las normas europeas por completo.Este trabajo de investigación fue un esfuerzo para reducir nuestra dependencia de los derivados del petróleo, para disminuir la deforestación y para aumentar el uso de materiales renovables y biodegradables con la intención de preservar el medio ambiente y fomentar un desarrollo sostenible de nuestra sociedad.

Direct Numerical Simulation of Turbulent Dispersion of Buoyant Plumes in a Pressure-Driven channel flow.

Tue, 12 Apr 2011 18:00:30 GMT

Direct Numerical Simulation of Turbulent Dispersion of Buoyant Plumes in a Pressure-Driven channel flow. Fabregat Tomàs, Alexandre Simulacó numérica directa de la dispersió turbulenta de plomalls amb flotació en un flux en un canal Alexandre Fabregat Tomás, Tarragona, octubre del 2006
1 Introducció
L'objectiu d'aquest treball és estudiar la dispersió turbulenta de calor en diferents configuracions basades en el canal desenvolupat mitjançant DNS (Direct Numerical Simulations). Aquesta eina ha demostrat ser de gran utilitat a l'hora d'estudiar fluxos turbulents ja que permet, donada una malla computacional capaç de capturar totes les estructures del flux i un esquema que minimitzi els errors i la dissipació numérica, descriure acuradament l'evolució temporal del flux. Permet a més, donada la descripció tridimensional i temporal del flux, determinar amb precisió qualsevol quantitat que seria impossible d'obtenir experimentalment.
En el flux en un canal, el fluid esmou entre dues parets planes, llises i paral·leles separades una distància 2d impulsat per un gradient constant mitjà de pressió. El flux s'anomena desenvolupat quan ja no hi ha efectes de regió d'entrada i la única inhomogeneïtat es troba en la direcció normal a la paret. Sota aquestes condicions, les quantitats promitjades esdevenen estacionàries en el temps.
En aquest treball s'ha validat el codi computacional mitjançant la reproducció d'algunes configuracions de flux prèviament estudiades per altres autors. Els nous coneixements en l'estudi de la dispersió turbulenta de calor s'han obtingut a l'incloure, en un flux totalment desenvolupat en un canal, una font lineal centrada verticalment que provoca l'aparició d'un plomall amb una temperatura més alta que la del flux del fons i que per tant, al tenir una menor densitat, experimenta flotació i es deflecteix. L'amitjanament temporal del flux permet estudiar les diferents contribucions dels diferents termes rellevants en les equacions de transport.
És d'especial interés la comparativa d'aquests resultats amb els corresponents a la formació d'un plomall a partir d'una font lineal d'un escalar passiu.
Per altra banda també s'ha estudiat l'eficiència en paral·lel dels mètodes multigrid en la resolució d'equacions de Poisson. Aquestes equacions són d'especial interés ja que apareixen en el càlcul de la pressió i representen un coll d'ampolla en termes de costos computacionals. Aquest mètode numèric ha estat comparat amb els mètodes de gradient conjugat (anteriorment emprats en el codi 3DINAMICS) en la resolució de diferents problemes comparant els costos en termes de temps de CPU i la seua escalabilitat en la màquina multiprocessador de memòria distribuïda del grup de recerca de Mecànica de Fluids de Tarragona.
2 Descripció matemàtica
Un cop adimensionalitzades mitjançant les escales adequades, les equacions de transport de quantitat de moviment i energia han estat discretitzades sobre una malla desplaçada mitjançant el mètode de volums finits emprant un esquema centrat de segon ordre. La discretització dels termes advectius en els casos amb fonts lineals ha requerit, però, d'un cura especial ja que la no-linealitat d'aquests termes pot provocar oscil·lacions artificials en el camp dels escalars. La difusió numèrica dels mètodes upwind, com el QUICK, ha estat quantificada i comparada amb resultats obtinguts per a esquemes centrats de segon ordre. Les equacions han estat integrades en el temps mitjançant un esquema implícit de segon ordre tipus Crank-Nicholson. També ha estat necessari implementar condicions de sortida per a la temperatura en els casos A i C del tipus no reflectant per tal de garantir la conservació i evitar l'aparició d'estructures artificials en el flux.
3 Descripció física
La figura 1 presenta un esquema del domini computacional corresponent al canal desenvolupat. De l'esquema es desprén que x, y i z corresponen a les direccions principal del flux, la perpendicular i la normal a les parets respectivament. Les configuracions del flux estudiades es troben resumides a la taula 1 on s'indica la resolució de la xarxa computacional, el nombre de Reynolds (basat en la velocitat de fricció ut) i en el casos amb flotació, el nombre de Grashof, la temperatura de referència i la direcció de flotació (la direcció del vector gravetat).
Les dimensions del canal s´on 8pd×2pd×2d en les direccions x, y i z respectivament.
En el cas A la temperatura representa un escalar de manera que el plomall format és passiu, és a dir, no hi ha acoblament entre les equacions de quantitat de moviment i energia. A diferència d'aquest, en els casos B i C totes dues equacions queden acoblades pel terme de flotació. Aquest terme apareix quan les diferències de temperatura en el si del fluid generen diferències de densitat. En el cas B, el canal vertical amb convecció mixta, cada paret del canal es troba a una temperatura constant però diferent. El vector gravetat i la direcció del corrent estan alineades de manera que aquesta direcció continua sent homogènia. En la zona propera a la paret calenta la flotació actua en la direcció del corrent imposada pel gradient mitjà de pressió. En canvi, en la zona propera a la paret freda, la flotació s'oposa al moviment del flux.
El cas C és similar al cas A però en aquesta ocasió la temperatura no es considera un escalar passiu i per tant la flotació acobla el camp dinàmic amb el de temperatures. El vector gravetat actua en aquest cas en la direcció normal. La inhomogeneïtat en la direcció del flux no permet continuar emprant condicions de contorn periòdiques i per tant, al domini presentat en la figura 1, se li ha acoblat una regió auxiliar a l'entrada on es resolen únicament les equacions de quantitat de moviment. Els camps de velocitat i pressió per a un canal totalment desenvolupat obtinguts en aquest domini auxiliar s'empraran com a condició de contorn a l'entrada del domini de computació. No és necessari cap tipus d'interpolació ja que la resolució del a xarxa d'aquest domini auxiliar és la mateixa que l'emprada en el domini de computació.
4 Resultats
Els resultats per a les simulacions presentades en la taula 1 contenen, principalment, els perfils de velocitat i temperatura mitjans així com la intensitat de les fluctuacions. A més, es presenten els perfils de les diferents contribucions dels termes relevants de les equacions de transport amitjanades. Per al cas C, els camps dinàmics i de temperatura no estan desenvolupats. Els perfils mitjans a diferents posicions aigües avall permeten estudiar l'evolució del plomall ascendent a més d'analitzar com la flotació afecta al balanç de les diferents contribucions. La figure 2 presenta el camp mitjà de temperatures per al cas C amb les tres posicions en la direcció principal del flux per a les quals s'han inclòs els perfils.
Finalment, es presenten els resultats corresponents a la comparativa entre els diferents solvers per a una equació de Poisson. Tots els mètodes numèrics han es-
3
Figura 2: Camp mitjà de temperatures per al cas C tat paral·lelitzats mitjançant les llibreries Message Passing Interface. En la figura 3 es presenten com a exemple els resultats (en termes de temps de CPU i speedup) per a la resolució de l'equació de Poisson per al desacoblament de pressió i velocitat en el cas del flux desenvolupat en un canal.
Els resultats de speed-up per als diferents mètodes mostren la baixa escalabilitat del solver multigrid comparat amb els altres mètodes del tipus gradient conjugat. La raó radica en les grans necessitats de comunicació d'un algoritme construït sobre un esquema de relaxació tipus SOR. Tanmateix, multigrid és el mètode numèric que requereix menys temps de CPU per concloure la tasca. El factor respecte als mètodes de gradient conjugat pot arribar a ser de 30 i per tant és el millor candidat per a la resolució d'aquests tipus de problemes.; The main goal of this work is to study the turbulent heat transfer in a developed channel flow using Direct Numerical Simulations (DNS). These simulations solve explicitly all the scales present in the turbulent flow so, even for moderate Reynolds numbers, the discretization grids need to be fine enough to capture the smallest structures of the flow and, consequently, DNS demands large computational resources. The flow, driven by a mean constant pressure gradient in the streamwise direction, is confined between two smooth, parallel and infinite walls separated a distance 2d.
The turbulent heat transport is studied for three different flow configurations.
Some of them are used as benchmark results for this work. The three cases reported can be summarized as:
· case A: Scalar plume from a line source in a horizontal channel.
· case B:Mixed convection with the gravity vector aligned with the streamwise direction (vertical channel).
· case C: Buoyant plume from a line source in a horizontal channel.
In addition, preliminary results for a turbulent reacting flow in a fully developed channel are also presented.
In the case B heat flux results from a temperature difference between the channel walls. The gravity vector is aligned with the streamwise direction and the Grashof, Reynolds and Prandtl numbers are Gr = 9.6 · 106, Ret = 150 and Pr = 0.71 respectively. Close to the hot wall, buoyancy acts aligned to the flow direction imposed by the mean pressure gradient so velocities are generally increased in comparison with a purely forced convection flow. Oppositely, near the cold wall, buoyancy is opposed to the flow and consequently velocities are decreased.
Cases A and C are similar because in both cases a hot fluid is released within a cold background flow through a line source vertically centered in the wall-normal direction located at the inlet. The height of the source is 0.054d. The injected hot fluid disperses forming a hot plume that is convected downstream between the two adiabatic walls of the channel.
The difference between cases A and C lies in the fact that for case A heat and momentum are decoupled and temperature acts as an scalar. Advection and diffusion are the only phenomena responsible for the evolution of the plume. On the other hand, in case C, buoyancy couples heat and momentum and, consequently, the plume floats drifting upward as it advances in the channel due to its lower density. In case C, the streamwise direction is not homogenous because of the coupling between heat and momentum. To guarantee developed conditions at the inlet of the channel it has been necessary to attach a buffer domain just before the computational domain. In this buffer domain, the momentum transport equations for a fully developed channel are solved with the same resolution used in the main domain.
The results of cases A and B have been used to validate the 3DINAMICS CFD code by comparison with data reported in the literature. This code is written in FORTRAN 90 and parallelized using the Message Passing Interface (MPI-CH
library). It uses the second order in time Crank-Nicholson scheme to integrate numerically the transport equations which are discretized spatially using the centered second-order finite volume approach.
The analysis of averaged turbulent quantities and the contributions of the different terms of the time-averaged transport equations is used to show how buoyancy affects the turbulent transport of momentum and heat along the channel.
Finally, following a similar configuration than that of case A, a chemical reactant
A released through line source reacts with a background reactant B following a second order chemical reaction with Damkh¨oler number of 1. Preliminary results for turbulent species transport are also included in this work.
Special attention have been devoted to the discretization of the advective terms to avoid non-realistic values of the variables because of the non-linearities of the transport equations. The conservative non-reflecting boundary conditions have been implemented at the outlet to simulate the convected outflow when the streamwise direction can not be considered homogeneous, as in case C. For homogeneous directions, periodic boundary conditions have been used.
Large grid resolutions (up to 8 million grid nodes for case C including the buffer region) demand important computational resources. A parallel Multigrid solver has substituted the previous conjugate gradient method to solve the Poisson equation in the pressure calculation. This step was the most expensive in terms of CPU costs. The Multigrid method efficiency has been compared with two different versions of the conjugate gradient approach and it has been demonstrated that this method is the most efficient in terms of CPU time although the current algorithmcan be improved to enhance the scalability inmultiprocessor computers.

Estudio del proceso de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción.

Tue, 12 Apr 2011 18:00:29 GMT

Estudio del proceso de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción. Taboas Touceda, Francisco En los últimos años ha aparecido una demanda de equipos de refrigeración por absorción de pequeña potencia con accionamiento térmico a baja temperatura, fundamentalmente por las posibilidades de aprovechar energía solar térmica. Los equipos de absorción de amoniaco/agua se postulan como una alternativa a los sistemas típicos de acondicionamiento de aire con energía solar (sean de adsorción, o de absorción con agua bromuro de litio), debido a que son adecuados para un equipo de pequeña potencia por sus grandes posibilidades de reducción de su tamaño. Además estos sistemas pueden operar sin torres de refrigeración, lo que es adecuado en un equipo de pequeña potencia.
El centro de innovación tecnológica CREVER, con la colaboración de la Universidad de Vigo, propuso un proyecto de investigación titulado "Desarrollo de componentes avanzados para el diseño y fabricación de máquinas de refrigeración por absorción con NH3-H2O de pequeña potencia y activación térmica a baja temperatura". Este proyecto se centró en el desarrollo de modelos de cálculo de los tres equipos que se identificaron como críticos en su diseño: absorbedor, generador y rectificador. En el desarrollo de este proyecto se identificaron los intercambiadores de placas como la solución adecuada para reducir al máximo el tamaño del absorbedor y el generador, reducir la carga de los equipos, y aprovechar al máximo las temperaturas de las fuentes de energía.
Esta tesis se ha realizado en el marco de dicho proyecto y tiene como principal objetivo el estudio experimental del proceso de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en un canal de un intercambiador de placas. La experimentación se ha realizado en las condiciones de operación de un generador de un equipo de absorción de amoniaco/agua y se ha estudiado el efecto en los coeficientes de transferencia de calor del flujo másico en el intercambiador, flujo de calor, presión y concentración de la mezcla. Las condiciones de los ensayos experimentales han variado desde 0.33 hasta 0.65 en fracción másica de amoniaco, siendo la generación máxima de vapor del un 30%. El intervalo de presiones es desde 7 hasta 15 bar, los flujos de calor entre 20 kW/m2 hasta 70 kW/m2 y los flujos másicos desde 50 a 170 kg/m2s.
Los datos experimentales obtenidos muestran un predominio de la ebullición convectiva frente a los fenómenos de nucleación. El factor de aumento de la ebullición convectiva es inferior a la obtenida en tubos, reflejando que el efecto de la corrugación es más importante en flujo en simple fase que en ebullición. Se han apreciado fenómenos de aparente nucleación en los experimentos, pero en esta zona el coeficiente de transferencia de calor depende del flujo másico. La influencia de la presión y la concentración de la mezcla en los coeficientes de ebullición en los rangos estudiados, son despreciables frente a los efectos del flujo másico y el flujo de calor.
Los datos experimentales obtenidos en el intercambiador de placas se han comparado con las correlaciones propuestas en la bibliografía para su aplicación a intercambiadores de placas. A partir de las conclusiones obtenidas en este análisis se ha propuesto una correlación para el cálculo del coeficiente de ebullición forzada de la mezcla amoniaco/agua en el intercambiador de placas ensayado. Esta correlación predice el 95 % de los datos experimentales con un 20 % de error.; In the last years, a demand of small power cooling refrigeration equipment driven by thermal low temperature has appeared, pushed by the possibilities of taking advantage of thermal solar energy or waste heat. The ammonia/water absorption technology is postulated as an alternative to the typical air conditioning systems driven solar energy (like adsorption with silica-gel, or absorption with water lithium bromide). This is because they can be adapted for a small power equipment, due to it's great possibilities of size reduction, and does not need cooling towers to operate.
The centre of technological innovation CREVER, with the collaboration of the University of Vigo, proposed an investigation project titled "Development of advanced components for the design and manufacture of small power refrigeration cooling machines working with the NH3-H2O pair and driven by low temperature sources". This project was focused in the development of tools for the three devices identified as critical in its design: absorber, desorber and the distillation column. In the development of this project the plate heat exchangers were identified as a suitable solution because they can reduce the load of refrigerant, and can work with low temperature gradients.
This thesis has been made within the framework of this project and has as its main objective an experimental study of the process of boiling ammonia/water mixture in a channel of a plate heat exchanger. This study was made in the conditions of operation of a desorber of an ammonia/water absorption machine, showing the effect in the heat transfer boiling coefficients of the mass flux, heat flux, pressure and concentration of the mixture. The conditions of the experimental tests have varied from 0.33 to 0.65 of the ammonia mass fraction, being 30% the maximum generation of vapor quality. The interval range of pressures are from 7 to 15 bar, the heat flux between 20 kW/m2 to 70 kW/m2 and mass flux from 50 to 170 kg/m2s. The obtained experimental data has shown that convective boiling predominates than the nucleation phenomena. The observed convective enhancement factor was less than the obtained in tubes, reflecting that the effect of the corrugation is more important in single phase than in two phase flow. Apparent nucleation in the experiments has been observed, but in this zone the coefficient heat transfer depends on the mass flux. The influence of pressure and concentration of the mixture in the studied ranks, are negligible compared with the effects of the mass and heat flux.
The experimental data obtained was compared with the correlations proposed in the literature to calculate the boiling heat transfer coefficient in plate heat exchangers. This analysis was used to propose a correlation that can predict 95 % of data within a 20% of error.

Estudio del proceso de absorción con amoniaco-agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción.

Tue, 12 Apr 2011 18:00:26 GMT

Estudio del proceso de absorción con amoniaco-agua en intercambiadores de placas para equipos de refrigeración por absorción. Cerezo Román, Jesús En los últimos años ha aumentado la demanda de equipos de refrigeración por absorción de pequeña potencia con accionamiento térmico a baja temperatura. El desarrollo de estos equipos requiere altas prestaciones en los procesos de transferencia de calor y de materia en los componentes más críticos: absorbedor, generador y rectificador. Este trabajo forma parte del proyecto de investigación "Desarrollo de componentes avanzados para el diseño y fabricación de máquinas de refrigeración por absorción con NH3-H2O de pequeña potencia y activación térmica a baja temperatura", coordinado por el Centro de Innovación Tecnológica CREVER de la URV y subvencionado por el Plan Nacional de I&D del Ministerio de Ciencia y Tecnología.
Esta tesis está dedicada al estudio teórico-experimental del proceso de absorción en burbujas en un intercambiador de calor de placas utilizando la mezcla amoniaco-agua. En primer lugar se ha desarrollado un modelo de un absorbedor de burbujas unidimensional basado en la discretización de un intercambiador de placas corrugadas de tres canales, en cuyo canal central tiene lugar la absorción. La formulación matemática del modelo se basa en los balances de materia y energía para cada volumen de control, las ecuaciones de transferencia de calor y masa, así como consideraciones de equilibrio. Los coeficientes de transferencia y otros parámetros físicos del modelo han sido estimados a partir de correlaciones empíricas de la bibliografía. La simulación proporciona, entre otros resultados, los perfiles longitudinales de la temperatura, concentración de la disolución y caudal másico de cada corriente, el flujo de vapor absorbido y la carga térmica del absorbedor. Además se realiza una comparación de las predicciones del modelo con los obtenidos para la mezcla NH3-LiNO3. El interés de esta mezcla es que su uso no requiere la rectificación de los vapores después del generador y permite asimismo reducir la temperatura de la fuente de calor de accionamiento.
Para llevar a cabo el estudio experimental se ha diseñado y construido un banco de ensayos que permite caracterizar el absorbedor en distintas condiciones de operación y configuraciones de flujo, y generar una base de datos experimentales. Los ensayos fueron realizados en un intercambiador de placas corrugadas tipo L, Alfa Laval modelo NB51, de tres canales. Las condiciones de los ensayos son: presión del absorbedor de unos 2 bar, temperatura de absorción entre 32.4 y 38.4ºC, concentraciones másicas en NH3 de la solución a la entrada entre 29 y 33%, y diferentes condiciones térmicas de la solución a la entrada. Los resultados obtenidos en las distintas experiencias para el flujo de absorción se sitúan entre 0.002 y 0.007 kg/m2 s, el coeficiente de transferencia de calor de la solución entre 2.7 y 6.8 kW/m2 K, la carga térmica del absorbedor entre 0.46 y 1.32 kW, y la eficiencia másica del absorbedor entre 0.30 y 0.62.
La base de datos experimentales obtenida ha permitido establecer la capacidad predictiva del modelo elaborado. A pesar de su simplicidad, el modelo es capaz de interpretar correctamente la influencia de las distintas variables sobre los parámetros de eficacia del absorbedor, si bien las desviaciones en los resultados para el flujo de absorción y la carga térmica del absorbedor pueden llegar al 50%. La capacidad predictiva del modelo podrá mejorarse si se adoptan correlaciones para los coeficientes de transferencia, específicas al fluido de trabajo y de configuración de flujos.
Basándose en los datos experimentales del coeficiente de transferencia de calor y del flujo de absorción obtenidos en el presente trabajo, se ha realizado el diseño preliminar de un absorbedor de burbujas utilizando un intercambiador de placas para un equipo de refrigeración por absorción de NH3-H2O de 6 kW.; The interest in low capacity absorption chillers driven by low temperature heat sources has increased in the last years. The development of these machines requires high efficiencies of heat and mass transfer processes taking place in the main components, namely, the absorber, generator, and rectifier. This work was carried out in the framework of a research project entitled "Development of advanced component for the design and manufacturing of low capacity absorption refrigeration machines with NH3-H2O", funded by the Spanish Ministry of Science and Technology.
The subject of this thesis deals with a theoretical and experimental study of the bubble absorption process in a plate heat exchanger using the working fluid ammonia-water. A one-dimensional model of a bubble absorber was developed, based on the discretization of a corrugated plate heat exchanger of three channels, where absorption takes place in the central one. The mathematical formulation is based on heat and mass balances, heat and mass transfer equations, as well as equilibrium conditions for each control volume. Heat and mass transfer coefficients and other physical parameters of the model were estimated from empirical correlations available in the open literature. The results provide mainly longitudinal profiles of temperature, concentration and flow rate of each stream, vapor absorption rate, and absorber thermal load. Besides, a comparison of the model predictions was performed for the working fluid NH3-LiNO3, which permits to eliminate rectification in the absorption machine and decrease the heat source temperature.
An experimental test bench was layout and set-up to characterize the real behavior of the absorber at different operating conditions and flow configurations, and to generate an experimental database of the absorption process. Experiments were carried out using a corrugated plate heat exchanger with three channels (model NB51, type L), provided by Alfa Laval. The operating conditions considered were: absorber pressure about 2 bar, absorption temperature range from 32.4 to 38.4 °C, inlet solution mass concentration from 29 to 33 %, and different temperatures of the solution entering the absorber. The results achieved for the absorption flux were in the range 0.002 - 0.007 kg/m2 s, the solution heat transfer coefficient varied between 2.7 and 6.8 kW/m2 K, the absorber thermal load from 0.46 to 1.32 kW, while the absorber mass efficiency was in the range 0.30 - 0.62.
The experimental data were used to evaluate the predictive capacity of the theoretical model developed. In spite of its simplicity, the model is able to well interpret the effect of the different operation variables on the absorber performance parameters; though the deviation in the results for absorption flux and absorber thermal load can reach 50%. The predictive capacity of the model can be improved if the correlations used for heat and mass transfer coefficients are specific for the working fluid and flow configuration.
Using the experimental data achieved in this work for heat transfer coefficient and absorption flux, a preliminary thermal design of a bubble absorber with a plate heat exchanger was performed for a 6 kW ammonia-water absorption chiller.