- / -

- / -

Στην παρούσα εργασία διερευνάται η καύση των Αστικών Στερεών Αποβλήτων (ΑΣΑ) και η δυνατότητα δημιουργίας Εγκατάστασης Καύσης των ΑΣΑ (ΕΚΑΣΑ) στην Περιφέρεια Δυτικής Ελλάδας (ΠΔΕ). Στο 1ο κεφάλαιο δίνεται η περιγραφή της διαχείρισης των ΑΣΑ σε χώρες του εξωτερικού. Εδώ δίνονται στοιχεία για πρωτοπόρες χώρες στην καύση των ΑΣΑ και η γενικότερη διαχείριση των ΑΣΑ τους. Διερευνάται αρχικά η κατάσταση στην Ευρώπη, στον υπόλοιπο κόσμο και στις αναπτυσσόμενες χώρες. Η καύση των ΑΣΑ είναι μια μέθοδος που χρησιμοποιείται ευρέως σε μεγάλες, βόρειες και πλούσιες χώρες της Ευρώπης. Αυτή η τεχνολογία επεξεργασίας των ΑΣΑ σε πολλές χώρες φτάνει έως και το 50% (π.χ. Ελβετία και Δανία) της συνολικής διαχείρισης των ΑΣΑ. Τέλος παρουσιάζεται η πρόσφατη οδηγία του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου 2008/98/EΚ, η οποία ταξινομεί τους τρόπους διαχείρισης των ΑΣΑ και κατατάσσει την καύση των ΑΣΑ με ενεργειακή ανάκτηση πάνω από την εφαρμοζόμενη στην Ελλάδα ταφή των ΑΣΑ και κάτω από την ανακύκλωση. Επίσης καθορίζεται πότε η καύση των ΑΣΑ θεωρείται ανάκτηση και όχι διάθεση, σύμφωνα με τον συντελεστή R1 που εξετάζεται στο 5ο κεφάλαιο. Τέλος παρουσιάζεται και η οδηγία του Ευρωπαϊκού Κοινοβουλίου 99/31/ΕΚ η οποία προβλέπει την σταδιακή μείωση των βιοαποδομήσιμων αστικών αποβλήτων που οδηγούνται στους ΧΥΤΑ, κάτι που μπορεί να γίνει με την καύση. Στο 2ο κεφάλαιο δίνεται μια σύντομη παρουσίαση της ΠΔΕ. Γίνεται μια ανασκόπηση του πληθυσμού, του τουρισμού, των οικονομικών και των μεταφορών της ΠΔΕ. Επίσης δίνονται στοιχεία για τα φυσικά χαρακτηριστικά της ΠΔΕ (κυρίως ύδατα), του κλίματος και των προστατευόμενων περιοχών της ΠΔΕ. Στο 3ο κεφάλαιο γίνεται πρόβλεψη της ποσότητας και της ποιοτικής σύστασης των ΑΣΑ που παράγονται στην ΠΔΕ για το έτος έναρξης λειτουργίας της ΕΚΑΣΑ, το 2020. Σύμφωνα με στοιχεία των απογραφών του 1991 και του 2001 και τον εποχικό πληθυσμό του 2009 που πάρθηκε από την Ελληνική Στατιστική Αρχή, (ΕΛ.ΣΤΑΤ) υπολογίζεται ο ισοδύναμος πληθυσμός της ΠΔΕ σε περίπου 850.000 κατοίκους. Έπειτα λαμβάνεται ο ρυθμός παραγωγής ΑΣΑ ανά κάτοικο και ημέρα από τον Παναγιωτακόπουλο, [Παναγιωτακόπουλος, 2008] και υπολογίζεται η ετήσια συνολική παραγωγή των ΑΣΑ για την ΠΔΕ το 2020 σε περίπου 372.000 τόνους. Ακολούθως λαμβάνεται η ποιοτική σύσταση των ΑΣΑ από τον Οικονομόπουλο, [Οικονομόπουλος, 2009] καθώς και ότι το 10% της συνολικά παραγόμενης ποσότητας ΑΣΑ ανακυκλώνεται το 2020. Τέλος αφού αφαιρεθεί η ποσότητα των ΑΣΑ που ανακυκλώνεται εκτιμάται η συνολική ποσότητα των ΑΣΑ που δύναται να καεί σε περίπου 335.000 τόνους. Στο 4ο κεφάλαιο επιλέγεται η θέση της ΕΚΑΣΑ στην Βιομηχανική Περιοχή της Πάτρας (ΒΙΠΕ). Η ΕΚΑΣΑ είναι βιομηχανική μονάδα, παράγει ατμό για άλλες βιομηχανίες και είναι σε κοντινή απόσταση από τον κύριο παραγωγό ΑΣΑ της ΠΔΕ, τον Δήμο Πατρέων. Παρουσιάζονται οι Σταθμοί Μεταφόρτωσης Απορριμμάτων (ΣΜΑ) και οι διαφορετικές μέθοδοι σχεδιασμού τους. Με τους ΣΜΑ θεωρείται ότι μπορεί να επιτευχθεί οικονομικότερη μεταφορά και μεταφόρτωση των ΑΣΑ στην ΕΚΑΣΑ σε σχέση με την μεταφορά με απορριμματοφόρα (Α/Φ). Εδώ ελέγχεται η οικονομία που επιτυγχάνουν ανά Καλλικρατικό Δήμο. Ο ΣΜΑ τοποθετείται στο κέντρο του Καλλικρατικού Δήμου και οι Πηγές Παραγωγής ΑΣΑ (ΠΠΑΣΑ) θεωρούνται οι Καποδιστριακοί Δήμοι με ποσότητες που εκτιμώνται στο 3ο κεφάλαιο. Στοιχεία κόστους λαμβάνονται μερικώς από εμπειρικά στοιχεία των Περιφερειών της Δυτικής Μακεδονίας και της Ανατολικής Μακεδονίας και Θράκης καθώς και από βιβλιογραφικές αναφορές. Συμπεραίνεται ότι η χρήση των ΣΜΑ ρίχνει το μεταφορικό κόστος των ΑΣΑ, στους περισσότερους Δήμους της ΠΔΕ, με ελάχιστες εξαιρέσεις. Ελέγχονται επίσης μέθοδοι επιχειρησιακής έρευνας και εκτιμάται αδυναμία εφαρμογής τους αφού προϋποθέτουν σαφείς θέσεις χωροθέτησης των ΣΜΑ, κάτι που είναι δύσκολο και πολύπλοκο να εκτιμηθεί. Στο 5ο κεφάλαιο αρχικά παρουσιάζονται οι τεχνικές καύσης των ΑΣΑ και επιλέγεται ως τεχνική καύσης των ΑΣΑ της ΠΔΕ η μαζική καύση των ΑΣΑ σε εστία με εσχάρες. Η τεχνική αυτή είναι η πιο διαδεδομένη και με πιο αξιόπιστα στοιχεία. Έπειτα εκτιμάται η Κατώτατη Θερμογόνος Δύναμη (ΚΘΔ) των ΑΣΑ βάσει των μετρήσεων του Καραγιαννίδη, [Karagiannidis et al., 2010] για την θερμική αξία των ΑΣΑ της Θεσσαλονίκης και της εκτιμώμενης σύστασης των ΑΣΑ από τον Οικονομόπουλο. Η ΚΘΔ εκτιμάται σε 10,885 Mj/kg ΑΣΑ, τιμή ίση και μεγαλύτερη από αυτή που έχουν τα ΑΣΑ σε μεγάλες ευρωπαϊκές χώρες. Ακόμα λαμβάνεται ένα απλό θερμικό δίκτυο για την ΕΚΑΣΑ από το βιβλίο του Κ.Χ. Λέφα, [Λέφας, 1982] για παραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας και εκτιμώνται οι βαθμοί απόδοσης της ΕΚΑΣΑ. Τέλος εξετάζεται αν η ΕΚΑΣΑ μπορεί να θεωρηθεί διαχείριση ανάκτησης (ισοδύναμη με την μηχανική και βιολογική επεξεργασία) ή διάθεσης (ισοδύναμη των ΧΥΤΑ) των ΑΣΑ, βάσει του συντελεστή R1 που εισάγει η οδηγία 2008/98/EΚ και στατιστικών στοιχείων της Ευρωπαϊκής Συνομοσπονδίας των ΕΚΑΣΑ (CEWEP). Η ΕΚΑΣΑ πετυχαίνει R1 μεγαλύτερο του 0,65 για παραγωγή μόνο ηλεκτρικής ενέργειας και για συμπαραγωγή ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Στο 6ο κεφάλαιο αρχικά παρουσιάζονται οι αέριες εκπομπές, τα υγρά απόβλητα και τα στερεά υπολείμματα των ΕΚΑΣΑ. Οι αέριες εκπομπές των ΕΚΑΣΑ, με χρήση σύγχρονων συσκευών ελέγχου των αέριων εκπομπών, παραμένουν αρκετά κάτω από την όρια που θέτει η οδηγία 2000/76/ΕΚ. Οι ΕΚΑΣΑ παράγουν τέφρα που είναι αδρανές υλικό και διατίθεται με ασφάλεια σε ΧΥΤΥ. Η ιπτάμενη τέφρα που παράγεται μετά από επεξεργασία σταθεροποιείται και έπειτα μπορεί να διατεθεί σε ΧΥΤΥ. Δίνονται στοιχεία για την μέση σύσταση των παραπάνω καθώς και τα όρια που θέτει η Ευρωπαϊκή Ένωση (ΕΕ) και η Αμερικανική Υπηρεσία Περιβάλλοντος (EPA). Τέλος παρουσιάζονται τα συστήματα ελέγχου των αέριων εκπομπών. Στο 7ο κεφάλαιο εκτιμάται το κόστος κατασκευής της ΕΚΑΣΑ και τα αναμενόμενα έσοδα που μπορούν να προκύψουν από την πώληση της παραγόμενης ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας. Το κόστος εκτιμάται από την βιβλιογραφία. Ένα ποσοστό εσόδων μπορούν να υπολογιστούν βάση της επιδότησης που δίνει ο ν.3851/2010 για το βιοαποδομήσιμο κλάσμα των ΑΣΑ που θεωρείται βιομάζα και η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται από αυτό θεωρείται ανανεώσιμη (ΑΠΕ). Τα υπόλοιπα έσοδα που προκύπτουν από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από το μη βιοαποδομήσιμο κλάσμα δεν δύναται να τιμολογηθούν. Επίσης τα έσοδα από την πώληση θερμότητας, θεωρείται ότι καλύπτουν την κατασκευή συστήματος τηλεθέρμανσης ως ανταποδοτικό όφελος για την τοπική κοινωνία που φιλοξενεί την ΕΚΑΣΑ. Το κόστος της ΕΚΑΣΑ συγκρίνεται με το παρόν κόστος της απόθεσης των ΑΣΑ σε ΧΥΤΑ και προκύπτει μικρότερο. Το κόστος του ΧΥΤΑ εκτιμάται σε 8-35 €/τόνο ΑΣΑ, ενώ της ΕΚΑΣΑ σε 10,5 – 26,125 €/τόνο ΑΣΑ. Καταλήγοντας, σε αυτή την εργασία, προτείνεται για πρώτη φορά η καύση των ΑΣΑ στην ΠΔΕ. Σύμφωνα με την σύγχρονη τεχνολογία, η καύση είναι μια οικονομική λύση με ελάχιστες περιβαλλοντικές επιπτώσεις, οι οποίες περιορίζονται σε τοπικό επίπεδο, σε αντίθεση με την διάθεση σε ΧΥΤΑ, όπου οι επιπτώσεις είναι αφενός τοπικές και αφ’ετέρου παγκόσμιες και ο έλεγχος των εκπομπών περιορισμένος. Η μεγάλη μείωση στον όγκο των ΑΣΑ (90%) που επιτυγχάνεται, ελαχιστοποιεί τις απαιτήσεις μεγάλων χώρων διάθεσης και αμβλύνει τις κοινωνικές και περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Η δυνατότητα ανάκτησης ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας, καθώς και μετάλλων, καθιστούν βιώσιμη την καύση των ΑΣΑ. Τέλος, σημαντικό είναι και το γεγονός ότι η ενέργεια αυτή σε μεγάλο ποσοστό της (55,4%) θεωρείται ΑΠΕ. Επομένως, η ένταξη της καύσης των ΑΣΑ στην ολοκληρωμένη διαχείριση τους θα προσφέρει στην επίτευξη του στόχου της Ελλάδας για 40% ηλεκτρική ενέργεια από ΑΠΕ μέχρι το 2020 (ν.3851/2010). / This paper studies the combustion of municipal solid waste (MSW) and the possible creation of MSW incineration plant (each) in Western Greece (RWG). In the first chapter is to describe the management of MSW in foreign countries. Here are figures for leading countries in the combustion of MSW and the overall management of the MSW. Investigated initially the situation in Europe, the world and developing countries. The combustion of MSW is a method widely used in large and wealthy northern countries of Europe. This technology for processing MSW in many countries at up to 50% (eg Switzerland and Denmark) the overall management of MSW. Finally presents the recent directive of the European Parliament 2008/98/EK, which classifies the management of MSW and ranks MSW incineration with energy recovery over the applied in Greece burial of MSW and bottom of recycling. It also determines when the combustion of MSW is recovery and not disposal, in accordance with the R1 factor considered in chapter 5. Finally presented and Directive 99/31/EC of the European Parliament which provides for the gradual reduction of biodegradable municipal waste going to landfills, which can be done by burning. In the second chapter gives a brief introduction of the EDP. Is an overview of population, tourism, finance and transport of the EDP. Also given of the physical characteristics of the PDE (mainly water), climate and protected areas of the EDP. In the third chapter is predicting the quantity and qualitative composition of MSW produced in the EDP for the initial year of operation of each, in 2020. According to data from the censuses of 1991 and 2001 and the seasonal population of 2009 was taken from the Greek Statistical Authority (EL.STAT) estimated the equivalent population of EDP of 850,000 inhabitants. Then take the production rate of MSW per inhabitant and day by Panagiotakopoulos [Panagiotakopoulos, 2008] and calculate the total annual production of MSW in the EDP in 2020 to around 372,000 tonnes. Then take the qualitative composition of MSW by Economopoulos, [Economopoulos, 2009] and that 10% of the total produced quantity of MSW recycled in 2020. Finally, subtracting the amount of MSW recycled estimated the total amount of MSW that can be burned to about 335,000 tonnes. In the fourth chapter the chosen position EKAS the Industrial Area of ​​Patras (Industrial Zone). Each being the plant produces steam for other industries and is walking distance from the main MSW producer of the EDP, the Municipality of Patras. Presented the Waste Transfer Station (WTS) and different methods of design. With STDs considered to be achievable economical transport and transfer of MSW to EKAS in relation to transport garbage (M / F). This controlled the economy achieved by Kallikrates City. The STD is placed in the center Kallikaratous Municipality and the sources of MSW (PPASA) are the Kapodistrian Municipalities with quantities estimated in the third chapter. Cost data obtained in part by empirical evidence of the Regions of Western Macedonia and Eastern Macedonia and Thrace as well as bibliographic references. It is concluded that the use of STD throws the transport costs of MSW in most municipalities of EDP, with few exceptions. Also controlled methods of operational research and assess their inapplicability as clear positions require siting of STDs, which are complex and difficult to assess. In the fifth chapter presents the first technical combustion of MSW and selected as a technique of combustion of MSW PIP mass burning of MSW fireplace with grills. This technique is the most widespread and most reliable data. After assessing the Low Calorific Value (KTHD) of MSW based on measurements of Karagiannidis, [Karagiannidis et al., 2010] for the heat value of MSW in Thessaloniki and the estimated composition of MSW by Economopoulos. The KTHD estimated at 10,885 Mj / kg MSW, a price equal to and greater than that which the SMR in major European countries. Even taking a simple thermal network for EKAS from the book of CE Lefas [Lefas, 1982] to produce electricity and thermal energy and the estimated yield of each. Finally considering whether EKAS can be considered administration recovery (equivalent to the mechanical and biological treatment) or disposal (equivalent of landfills) of MSW, the rate R1 introduced by the Directive 2008/98/EK and statistics of the European Confederation of EKAS (CEWEP). The R1 gets EKAS than 0.65 for only electrical energy and combined heat and power. In the sixth chapter first presents the air emissions, effluents and solid residues each. Gaseous emissions from each, using modern equipment to control air emissions remain well below the limits set in Directive 2000/76/EC. The EKAS produce ash is an inert material and safely disposed of in landfills. The fly ash produced after treatment stabilizes and then can be placed in landfills. Given of the average composition of the above and the limits set by the European Union (EU) and the U.S. Environmental Agency (EPA). Finally put the control of gaseous emissions. In chapter 7 the estimated construction cost of each and the expected revenue can be derived from the sale of electricity and thermal energy. The cost is estimated from the literature. A percentage of revenue can be calculated based on the subsidy given by the n.3851/2010 the biodegradable fraction of MSW is biomass and electricity produced from it is renewable (RES). The remaining proceeds from the production of electricity from non-biodegradable fraction can not be billed. Also, revenue from the sale of heat, are deemed to cover the construction of district heating system as a contributory benefit for the local community hosts each. The cost of EKAS compared with the present cost of disposal of MSW in landfills and less apparent. The cost of landfill is estimated at 8-35 € / tonne of MSW, while the EKAS at 10,5 - 26,125 € / tonne of MSW. In conclusion, this work proposed for the first time the combustion of MSW in the EDP. According to modern technology, combustion is a cost effective solution with minimal environmental impacts, which are limited locally, as opposed to disposal in landfills, where the impact is both local and global, and on the other hand the control of emissions limited. The large decrease in the volume of MSW (90%) achieved, minimizing the requirements of large disposal sites and mitigate the social and environmental impacts. The recoverability of electricity and thermal energy and metals, making sustainable combustion of MSW. Finally, important is the fact that energy is a large percentage of (55.4%) is considered renewable. Therefore, the inclusion of the combustion of MSW in the integrated management will provide the objective of Greece's 40% electricity from renewables by 2020 (n.3851/2010).

Στην παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζονται και συζητούνται τα χαρακτηριστικά τυρβωδών φλογών μερικής προανάμιξης. Οι φλόγες που εξετάζονται προέρχονται από ένα επίπεδο καυστήρα-σταθεροποιητή ορθογωνικής διατομής, δύο επάλληλων κοιλοτήτων, που σχηματίζονται κατά μήκος τριών παραλλήλων επιπέδων. Οι φλόγες σταθεροποιούνται στην ανακυκλοφορία των καπναερίων που δημιουργείτε κατάντη του φλογοσταθεροποιητή. Στόχος της έρευνας ήταν να διερευνηθεί η συγκεκριμένη διάταξη ως προς το θερμοκρασιακό της πεδίο και την σταθεροποίηση της συγκεκριμένης φλόγας που προκαλεί η καύση της βαθμιαίας διαστρωμάτωσης προπανίου- αέρα. Για να επιτευχθεί ο στόχος αυτός πραγματοποιήθηκαν διαφορετικά είδη μετρήσεων σε διαφορετικές παροχές καυσίμου και καταγράφηκαν τα αποτελέσματα, τα οποία στη συνέχεια συγκρίθηκαν και με διερευνήσεις που πήραμε από ειδικευμένο υπολογιστικό πρόγραμμα υπό τις ίδιες οριακές συνθήκες. Τέλος, μετά τη σύγκριση των αποτελεσμάτων μεταξύ πειράματος και προσομοίωσης έγινε προσπάθεια να εξηγηθούν οι διαφορές που παρατηρήθηκαν και τα χαρακτηριστικά δομικά στοιχεία που συντέλεσαν στην περιγραφή της λειτουργικής συμπεριφοράς των χρησιμοποιηθέντων στρωματοποιημένων φλογών ώστε να δοθούν ιδέες για την περαιτέρω εξέλιξη της έρευνας. / In this study the characteristics of partially premixed turbulent flames are presented and discussed. The investigated flames come from a planar stabilization burner of two superimposed cavities formed along three parallel planes. The flames are stabilized within the downstream vortex region of the afterbody. The aim of this study was to investigate the specific experimental arrangement as for the temperature field and the stabilization of these stratified propane- air flames. To achieve this goal different types of measurements have been made at different fuel supplies and the results have been recorded and compared with computational investigations which have been carried out using a specialized commercial simulation package under the same boundary conditions. Finally, after comparing the experimental and computational results effort has been made to explain the differences observed and the characteristic structural elements that contributed to the description of the functional behavior of stratified flames in order to provide ideas for further investigation.

Η διδακτορική διατριβή με τίτλο «Μελέτη Διατάξεων Σταδιακής Καύσης» έχει ως αντικείμενο την περιγραφή και την ανάλυση του ροϊκού πεδίου της αλληλεπίδρασης αξονοσυμμετρικών δεσμών διαφορετικού αριθμού Reynolds. Ο έλεγχος των μηχανισμών που διέπουν το ροϊκό αυτό πεδίο είναι σημαντικό εργαλείο για την βελτιστοποίηση της ανάμιξης ρευμάτων οξειδωτικού και καυσίμου και αποτελεί τον κρισιμότερο τεχνολογικό στόχο κατά τη διερεύνηση της αποδοτικότητας σε ένα ευρύ φάσμα σχημάτων σταδιακής καύσης. Στόχος της διατριβής είναι ο χαρακτηρισμός και ο έλεγχος της μίξης κατά την διαδικασία της σύγκλισης των δεσμών, συνεισφέροντας στην κατανόηση των βασικών μηχανισμών που αναπτύσσονται στο μέσο και τυρβώδες πεδίο, αλλά και στη βελτιστοποίηση της μίξης από την οποία εξαρτάται η μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων και η αύξηση της απόδοσης της καύσης, τόσο σε συστήματα παραγωγής ενέργειας όσο και σε θαλάμους καύσης κινητήρων αεροσκαφών, τα οποία αποτελούν τις πιο «φιλικές» ως προς το περιβάλλον αλλά και τις πιο αποδοτικές πρακτικές σε συστήματα καύσης. Παρά το γεγονός αυτό, η γνώση των επιμέρους φαινομένων και μηχανισμών που κυριαρχούν στο πεδίο της αλληλεπίδρασης αξονοσυμμετρικών δεσμών χαρακτηρίζεται από σημαντικές ελλείψεις, όσο αφορά την λεπτομερή καταγραφή του μέσου και τυρβώδους πεδίου ταχυτήτων. Η Ανεμομετρία Laser Doppler αποτελεί τα βασική μετρητική διάταξη που χρησιμοποιήθηκε για την καταγραφή των μέσων και τυρβωδών όρων του πεδίου της ταχύτητας. Το πλεονέκτημα της μεθόδου, που αποτελεί ένα από τα βασικά εργαλεία για τη μέτρηση τυρβωδών χαρακτηριστικών, είναι το γεγονός ότι δεν παρεμβαίνει στη ροή, καθώς στηρίζεται στην καταγραφή της συχνότητας του φωτός που σκεδάζεται από τροχιοδεικτικά σωματίδια, τα οποία ακολουθούν πιστά τη ροή. Η μελέτη στηρίζεται στην ανάλυση των μηχανισμών που αναπτύσσονται στο μέσο και τυρβώδες πεδίο και στον χαρακτηρισμό της μίξης των συστατικών των δεσμών, όπως αυτή αντικατοπτρίζεται στις πρώτης, δεύτερης και τρίτης τάξης ροπές της ταχύτητας, αλλά και στους αδιάστατους συντελεστές λοξότητας και επιπεδότητας. Σε αυτήν την κατεύθυνση, η παρούσα εργασία έχει σαν στόχο την ανάδειξη της ανάλυσης του ροϊκού πεδίου ως την πιο κρίσιμη παράμετρο ανάπτυξης σχημάτων καύσης, καθώς τα μεγέθη και η εξέλιξή τους έτσι όπως καταγράφονται μπορούν να χρησιμοποιηθούν άμεσα ως κριτήρια για την απόδοση τέτοιων σχημάτων, προσφέροντας την δυνατότητα της επιλογής των καλύτερων λειτουργικών παραμέτρων πριν ακόμα δοκιμαστούν σε περιβάλλον καύσης. Η τυρβώδης δομή και τα ανώτερα στατιστικά των ροπών της ταχύτητας κατά την αλληλεπίδραση των δεσμών χρησιμοποιούνται αρχικά ως βασικό εργαλείο της μελέτης των συγκεκριμένων διατάξεων σταδιακής καύσης και επιπλέον χρησιμοποιούνται για να χαρακτηρίσουν τη μίξη των συστατικών των δεσμών στις διαφορετικές περιοχές της αλληλεπίδρασης, πριν, κατά τη διάρκεια και μετά την σύγκλισή τους. Τα αποτελέσματα της εργασίας δείχνουν ότι δέσμες σχετικά μικρού αριθμού Reynolds (της τάξης των λίγων χιλιάδων) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή τυρβωδών δομών, όπου η μίξη ενισχύεται μέσω της αλληλεπίδρασής τους, γεγονός που μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη παρόμοιων εφαρμογών σε πραγματικής κλίμακας εγκαταστάσεις. / Τhis study aims to the assessment and analysis of the flow field produced by the interaction between two axisymmetric jets with different Reynolds numbers. The scheme is considered as a generic staged combustion configuration. In this frame, the identification and control of the mechanisms that dominate the flow field is one of the most significant issues towards the enhancement of mixing, thus the increasing of combustion operational and environmental efficiency. The scope of the study is to characterize and control the mixing process during the interaction and merging of the jets. The study contributes to the understanding of the dominating mechanisms occurring in the flow, through the assessment of the mean and turbulent flow features. The initial conditions used in the experiments diverge from the marginal conditions that refer to the interaction of equal momentum jets and the combining of a “strong” and a “weak” jet. In addition, due to the particularly low, although turbulent, Reynolds numbers used at jets’ exits, the capability of the jets to produce and maintain strongly turbulent structures during and after their interaction is also evaluated. During the experiments included in this thesis, a two dimensional Laser Doppler Anemometry (LDA) was used to measure the main components of the velocity vector (i.e. in the axial and the radial or horizontal directions). A pair of similar optical systems were used to produce two ellipsoidal control volumes and collect the light scattered by tracer particles, that faithfully represent the flow. Axisymmetric turbulent jets constitute the main component regarding the realization of staged combustion configurations based on multiple jets arrangements. Jet flow fields have been extensively studied during the last decades, mainly focusing on the self-similar region, i.e. the region where the mean and turbulent features are dynamically preserved. Recently, most of the studies are related to the identification of divergences arising from the different initial conditions and specific parameters, such as the shape of the orifice, the type of the confinement imposed at the exit, the jet density etc. The effects of these features are briefly summarized within the context of the thesis. In particular, the low Reynolds number effect is under consideration, as the jets recorded in the experiments are compared to typical previous studies devoted to the self-similarity region of jets with significantly higher Reynolds numbers. In the first part of the experiments, a jet of reference is monitored within an area covering the initial development and extends to the boundaries of the self-similarity region. Measurements include axial and radial distributions of the mean and turbulent axial and radial velocity components, turbulent shear stresses and terms that represent the turbulent transport of the Reynolds stresses. The budget of the turbulent kinetic energy is presented at the final measurement station, showing the particular mechanisms occurring in the flow. Measurements on the jets’ interaction field are presented afterwards. The distributions are systematically presented in comparison to the distributions recorded during the sole action of the primary jet Characteristic profiles are presented at locations within the merging and the mixing zones. In the early stages of development, the patterns of both jets can be identified. Within the merging region, besides the absorption of the secondary jet, the measurements indicate a spatial suppression of primary jet’s characteristics. Further downstream, the profiles resemble to those of a standalone jet. Higher values of the mean and turbulent terms are observed while the profiles extend over a wider region, in accordance with the secondary jet’s Reynolds number. Results of the present study demonstrate that skewness and flatness factors can be used as indicators of small scale mixing. The field of the interaction is further analyzed and discussed for a third pair of initial conditions and the proper decomposition of the mean and turbulent profiles using three different types of seeding conditions. In the early stages, the measurements confirm the independent action of the jets, although the tendency of the secondary jets’ pattern to be deformed. Within the merging zone, the distributions referring to the different types of seeding are characterized by humps and increased turbulent features in the secondary jet’s development region. The shape, the intensity and the extent of the humps depends on the seeding type. Most of the characteristics observed in this region are related to the probability density function distributions, which are composed by samples that correspond to tracers emanating from the individual sources. However, within the mixing zone, the profiles are nearly similar for the individual types of seeding, leading to the conclusion that all the samples contributing to measurements have been adapted by the flow field due to the small scale mixing, which is continuously improved further downstream.

Αυτή η διπλωματική εργασία παραθέτει όλα τα στοιχεία που χρειάζονται για την εξέλιξη ενός συμβατικού κινητήρα εσωτερικής καύσης σε υβριδικό κινητήρα καύσης υδρογόνου. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η λειτουργία ενός συμβατικού βενζινοκινητήρα. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφονται οι ιδιότητες του υδρογόνου και η λειτουργία ενός ηλεκτρικού υβριδικού οχήματος και η τοπολογία που θα χρησιμοποιηθεί στην μοντελοποίηση. Στο τέταρτο κεφάλαιο αναλύονται τα επιμέρους στοιχεία που πρέπει να μεταβληθούν σε έναν βενζινοκινητήρα για να γίνει καύσης υδρογόνου. Τέλος στο πέμπτο κεφάλαιο παρατίθεται το μοντέλο του υβριδικού κινητήρα σε Simulink και εξηγείται η λειτουργία του. / This diploma thesis indicates all the structural elements that are needed for the development of a conventional internal combustion engine into a hybrid electric vehicle with a hydrogen combustion engine.The second chapter is about description and main functions of a conventional gasoline engine.In the third chapter are discribed the properties of hydrogen for use in a combustion engine, the main function of a hybrid electric vehicle and the structure that will be used into the modelling.In the forth chapter are analysed the further structural elements that have to be changed in an internal combustion engine in order to be fueled with hydrogen.Finally in the fifth chapter a model of a hybrid electric vehicle with a hydrogen combustion engine in Simulink is described and the main functions of it are described along with certain results.

- / -

Atmospheric aerosol contains a variety of both inorganic and organic species and plays a significant role in atmospheric chemistry and physics. Organic compounds are usually the dominant component of the submicrometer particles contributing around 50% of its mass. One of the most important physical properties of organic aerosol is volatility which determines its gas-to particle partitioning and provides both direct information about its origin and indirect information about its chemical composition and age. The objectives of the Thesis are to measure the volatility distributions of OA produced from olive tree branches burning and of ambient organic aerosol mainly attributed to residential wood burning in Athens. A thermodenuder system operating in a range of residence times was used to measure the aerosol fraction that remains after partial heating. The operation of the thermodenuder system was tested with ammonium sulfate model aerosol. Ammonium sulfate particles are easily produced and behave as non-volatile at lower temperature (25-75oC), as semivolatile at intermediate temperatures (75-120o) and evaporate completely at higher temperatures (T≥ 150oC). Thermodenuder wall losses were determined for our system using sodium chloride particles which are non-volatile even at 500oC. These results are used to post correct the thermodenuder measurements. Fifty percent of the OA produced during olive tree branches burning evaporated at 113oC at 15.8 s in our thermodenuder. For temperatures higher than 150oC no evaporation occurred. This was attributed to reactions that probably took place inside the thermodenuder at such high temperatures. The post correction of measurement resulted on average in 15-20% increase of the Mass Fraction Remaining values. Fitting our measurements with a thermodenuder dynamic model resulted in a wide volatility distribution including OA with effective saturation concentrations from 10-2-102 μg m-3, vaporization enthalpy of 68±18 kJ mol-1 and mass accommodation coefficient in the range 0.01-0.14. The gas-to-particle partitioning behavior of the produced aerosol from olive tree branches burning was consistent with recent studies for a range of fuels. Ambient organic aerosol volatility was also determined for wood burning periods in Athens. The estimated volatility distribution of ambient organic aerosol from the thermodenuder dynamic model showed that almost 80% of ambient organic aerosol during the burning periods can be characterized as semivolatile while the other 20% has low volatility. The gas-to-particle partitioning determination showed that the ambient organic aerosol during burning periods in Athens is a little more volatile than both the organic aerosol of wild fires of recent studies in the US and the organic aerosol of olive tree branches burning. The volatility distributions and enthalpies of vaporization obtained in this study can be used as inputs to Chemical Transport Models simulating the emission, dispersion, and chemical evolution of OA from wood burning. / Το ατμοσφαιρικό αεροζόλ περιέχει πληθώρα τόσο ανόργανων όσο και οργανικών στοιχείων παίζοντας σημαντικό ρόλο στην χημεία και την φυσική της Ατμόσφαιρας.Οι οργανικές ενώσεις αποτελούν συνήθως το κυρίαρχο συστατικό των σωματιδίων διαμέτρου μικρότερης της τάξεως του μm, συνεισφέροντας περίπου το 50% της συνολικής τους μάζας. Μια από τις σημαντικότερες φυσικές ιδιότητες των οργανικών αεροζόλ είναι η πτητικότητά τους , η οποία καθορίζει την κατανομή τους στην αέρια και τη σωματιδιακή φάση καθώς επίσης παρέχει τόσο άμεσες πληροφορίες για την πηγή προέλευσής τους όσο και έμμεσες πληροφορίες σχετικά με τη χημική σύσταση και την ηλικία τους. Οι στόχοι της Μεταπτυχιακής αυτής διατριβής είναι η μέτρηση της πτητικότητας οργανικών αεροζόλ προερχόμενων από την καύση ελαιοκλάδων καθώς και ατμοσφαιρικών οργανικών αεροζόλ κυριώς προερχόμενων από καύση ξύλων για οικιακή θέρμανση στην Αθήνα. Ένα σύστημα θερμοαπογυμνωτή που μπορεί να λειτουργεί σε ένα εύρος χρόνων παραμονής χρησιμοποιήθηκε για τη μέτρηση του κλάσματος των οργανικών αεροζόλ που παραμένουν στη σωματιδιακή φάση μετά από μερική θέρμανσή τους. Η λειτουργία του θερμοαπογυμνωτή δοκιμάστηκε αρχικά χρησιμοποιώντας αεροζόλ προερχόμενο από διάλυμα Θειϊκού Αμμωνίου. Τα σωματίδια Θειϊκού Αμμωνίου δημιουργούνται έυκολα και συμπεριφέρονται ως μη πτητκά σε χαμηλότερες θερμοκαρασίες (25-75oC), ως ημι-πτητικά σε ενδιάμεσες θερμοκρασίες (75-120oC) και εξατμίζονται πλήρως σε υψηλότερες θερμοκρασίες (T≥150οC). Οι απώλειες σωματιδίων στα τοιχώματα του θερμοαπογυμνωτή καθορίστηκαν χρησιμοποιώντας σωματίδια παραγόμενα από διάλυμα Χλωριούχου Νατρίου τα οποία είναι μη πτητικά ακόμη και σε θερμοκρασίες που αγγίζουν τους 500οC. Τα αποτελέσματα των απωλειών σωματιδίων στα τοιχώματα του θερμοαπογυμνωτή χρησιμοποιούνται για διόρθωση των πειραματικών αποτελεσμάρων του θερμοαπογυμνωτή. Το 50% του παραγόμενου οργανικού αεροζόλ λόγω καύσης ελαιοκλάδων εξατμίστηκε στους 113οC για χρόνο παραμονής στο θερμοαπογυμνωτή 15.8 s. Σε θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 150οC δεν παρατηρήθηκε επιπλέον εξάτμιση. Αυτό αποδόθηκε σε αντιδράσεις που πιθανόν να λαμβάνουν χώρα μέσα στον θερμοαπογυμνωτή σε τόσο υψηλές θερμοκρασίες. Η διόρθωση των μετρήσεων του θερμοαπογυμνωτή για απώλειες σωματιδίων επάνω στα τοιχώματα του είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση του απομένωντος κλάσματος μάζας των οργανικών αεροζόλ στην σωματιδιακή φάση κατά μέσο όρο 15-20%. Προσαρμόζοντας τις μετρήσεις μας σε ένα δυναμικό μοντέλο για τον θερμοαπογυμνωτή είχε ως αποτέλεσμα μια ευρεία κατανομή πτητικότητας η οποία περιείχε οργανικό αεροζόλ με εύρος ενεργών συγκεντρώσεων κορεσμού από 10-2-102 μg m-3, ενθαλπία εξάτμισης 68±18 kJ mol-1 και συντελεστή διαμονής εύρους 0.01-0.14. Ο διαχωρισμός του παραγόμενου οργανικού αεροζόλ από την καύση ελαιοκλάδων σε αέρια και σωματιδική φάση είναι συνεπής με συγχρονες έρευνες που έχουν γίνει για διάφορους τύπους ξύλων που χρησιμοποιούνται ως κάυσιμο. Καθορισμός πτητικότητας ατμοσφαιρικών οργανικών αεροζόλ έγινε επίσης για περιόδους που χαρακτηρίστηκαν ως περίοδοι καύσης ξύλων για οικιακή θέρμαση κατά τη διάρκεια εντατικών μετρήσεων στην Αθήνα το χειμώνα του 2013. Η εκτιμώμενη κατανομή πτητικότητας του ατμοσφαιρικού οργανικού αεροζόλ από το δυναμικό μοντέλο του θερμοαπογυμνωτή έδειξε ότι περίπου ένα ποσοστό 80% του παραγόμενου ατμοσφαιρικού οργανικού αεροζόλ κατά τις περιόδους κάυσης μπορεί να χαρακτηριστεί ως ημι-πτητικό ενώ το υπόλοιπο 20% έχει χαμηλή πτητικότητα. Ο διαχωρισμός του ατμοσφαιρικού οργανικού αεροζόλ κατά τις περιόδους καύσης σε αέρια και σωματιδιακή φάση εμφανίζει το ατμοσφαιρικό οργανικό αεροζόλ ως ελάχιστα πιο πτητικό από τα οργανικά αεροζόλ προερχόμενα από τις έρευνες με τους διάφορους τύπους ξύλων ως καύσιμα που πραγματοποιήθηκαν στις Η.Π.Α καθώς και από το παραγόμενο οργανικό αεροζόλ προερχόμενο από την καύση ελαιοκλάδων. Οι κατανομές πτητικότητας καθώς και οι ενθαλπίες εξάτμισης που βρέθηκαν στην παρούσα εργασία μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως δεδομένα εισαγωγής σε μοντέλα χημικής μεταφοράς προσομοιώνοντας τις εκπομπές, τη διασπορά και τη χημική εξέλιξη του οργανικού αεροζόλ προερχόμενο από καύση ξύλων.

Atmospheric aerosol is an important component of our atmosphere influencing human health, regional and global atmospheric chemistry and climate. The organic component of submicron aerosol contributes around 50% of its mass and is a complex mixture of tens of thousands of compounds. Real-time aerosol mass spectrometry was the major measurement tool used in this work. The Aerodyne High Resolution Time of Flight Aerosol Mass Spectrometer (HR-ToF-AMS) can quantitatively measure the chemical composition and size distribution of non-refractory submicron aerosol (NR-PM1). The mass spectra provided by the instrument every few minutes contain information about aerosol sources and processes. This thesis uses the HR-ToF-AMS measurements in two areas of Greece to quantify the contributions of organic aerosol sources to the corresponding organic aerosol levels. Local and regional air pollution sources were monitored and characterized in two sites during intensive campaigns. The first campaign took place during the fall of 2011 (September 24 to October 23) in Finokalia, Crete, a remote-background coastal site without any major human activity. The aim of the study was to quantify the extent of oxidation of the organic aerosol (OA) during autumn, a season neither too hot nor cold, with reduced solar radiation in comparison to summer. The second one took place during the winter of 2012 (February 26 to March 5), in the third major city of Greece, Patras. The measurements were conducted in the campus of the Technological Educational Institute of Patras (TEI), in order to quantify the severity of the wintertime air pollution problem in the area and its sources. The contributions of traffic and residential wood burning were the foci of that study. The Finokalia site is isolated and far away from anthropogenic sources of pollution, making it ideal for the study of organic aerosol coming from different directions, usually exposed to high levels of atmospheric oxidants. The fine PM measured during the Finokalia Atmospheric Measurement Experiment (FAME-11) by the AMS and a Multi Angle Absorption Photometer (MAAP) was mostly ammonium sulfate and bisulfate (60%), organic compounds (34%), and BC (5%). The aerosol sampled originated mainly from Turkey during the first days of the study, but also from Athens and Northern Greece during the last days of the campaign. By performing Positive Matrix Factorization (PMF) analysis on the AMS organic spectra for the whole dataset the organic aerosol (OA) composition could be explained by two components: a low volatility factor (LV-OOA) and a semi-volatile one (SV-OOA). Hydrocarbon-like organic aerosol (HOA) was not present, consistent with the lack of strong local sources. The second field campaign took place in the suburbs of the city of Patras, 4 km away from the city center during the winter of 2012. During this 10-day campaign, organics were responsible for 70% during the day and 80% during the evening of the total PM1. The OA mean concentration during that period was approximately 20 μg m-3 and reaching hourly maximum values as high as 85 μg m-3. Sulfate ions and black carbon followed with 10% and 7% of the PM1. PMF analysis of the organic mass spectra of PM1 explained the OA observations with four sources: cooking (COA), traffic (HOA), biomass burning (BBOA), and oxygenated aerosol (OOA), related to secondary formation and long range transport. On average, BBOA represented 58% of the total OM, followed by OOA with 18%, COA and HOA, with the last two contributing of the same percentage (12%). / --

Τα τελευταία χρόνια, η φασματοσκοπία πλάσματος επαγόμενο από λέιζερ (LIBS) έχει προσελκύσει μεγάλο ερευνητικό ενδιαφέρον καθώς αποτελεί μία πειραματικά απλή και αποτελεσματική τεχνική, η οποία παρέχει τη δυνατότητα λήψης μετρήσεων για απευθείας ποιοτική και ποσοτική στοιχειακή ανάλυση. Η τεχνική LIBS στηρίζεται στη δημιουργία σπινθήρα/πλάσματος μέσω ισχυρά εστιασμένης δέσμης λέιζερ στην επιφάνεια ή στο εσωτερικό του δείγματος, στην ακόλουθη διέγερση και ατομοποίηση των στοιχείων του στόχου και στην τελική καταγραφή και φασματοσκοπική ανάλυση της εκπεμπόμενης ακτινοβολίας του πλάσματος. Λόγω των πολλών πλεονεκτημάτων που συγκεντρώνει η τεχνική, το LIBS έχει προταθεί για πληθώρα πρακτικών, τεχνικών και τεχνολογικών εφαρμογών σε ένα ευρύ φάσμα ερευνητικών πεδίων. Από την άλλη μεριά, στον τομέα της καύσης, η ποσότητα καυσίμου σε ένα εύφλεκτο μίγμα είναι αντικείμενο μείζονος σημασίας καθώς επηρεάζει σημαντικά την απόδοση των χημικών διεργασιών και την παραγωγή και εκπομπή ρύπων. Επομένως, δημιουργείται η ανάγκη ανάπτυξης μίας γρήγορης και μη παρεμβατικής διαγνωστικής τεχνικής για τη μέτρηση της περιεκτικότητας του καυσίμου τοπικά στη φλόγα με καλή τόσο χωρική όσο και χρονική ανάλυση. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής, η τεχνική LIBS η οποία συγκεντρώνει όλα αυτά τα πλεονεκτήματα χρησιμοποιήθηκε για αυτό το σκοπό. Κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, χρησιμοποιήθηκαν πηγές λέιζερ διάρκειας παλμών ns και fs, ενώ τα συστήματα καύσης που μελετήθηκαν ήταν φλόγες υδρογονανθράκων-αέρα, στρωτής και τυρβώδους ροής, απλής και συνθετότερης γεωμετρίας. Από τα LIBS φάσματα φλογών διαφορετικής σύστασης, προέκυψε λοιπόν ότι υπάρχει μία ισχυρή εξάρτηση μεταξύ των εντάσεων διαφόρων φασματικών γραμμών με το λόγο ισοδυναμίας. Επομένως, μέσω της συσχέτισης αυτής μπορεί να επιτευχθεί με μεγάλη ακρίβεια τόσο η μέτρηση της περιεκτικότητα σε καύσιμο φλογών άγνωστης σύστασης όπως επίσης και η μέτρηση της κατανομής του καυσίμου τοπικά μέσα σε όλη την έκταση της φλόγας παρέχοντας σημαντικές πληροφορίες για την δομή της. Τέλος, εφαρμόστηκε μία παραπλήσια διαγνωστική τεχνική, κατά την οποία η διηλεκτρική κατάρρευση του μέσου ήταν αποτέλεσμα ενός ηλεκτρικού σπινθήρα: electrical Spark Induced Breakdown Spectroscopy (SIBS) όπου και πραγματοποιήθηκε η συγκριτική μελέτη της ακτινοβολίας του πλάσματος επαγόμενο μέσω οπτικής και ηλεκτρικής διέγερσης. / Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) has attracted a lot of scientific interest during the last two decades as it is generally considered to be an experimentally simple and efficient laser-based technique which can perform real-time, qualitative and quantitative elemental analysis. The basic idea of LIBS is the creation of spark/plasma through tight focusing of a laser beam on the surface or into a sample, the subsequent excitation and atomization of the species of the sample at the location where the spark is formed and the final detection and spectroscopic analysis of the emitted radiation from the decaying plasma. Seeing the numerous advantages holding the technique, LIBS has been proposed for many practical, technical and technological applications in various scientific areas. On the other hand, in the field of combustion, the proportion of fuel in a combustible mixture is of great importance as it strongly affects the efficiency of the chemical processes and the production of soot emissions. Therefore, there is a continuously increasing need for the development of a rapid and non-perturbative diagnostic technique for the determination of the fuel content locally in the flame structure with good spatial and temporal resolution. Ιn the present dissertation, LIBS technique which offers such advantages has been applied for combustion diagnostics purposes. During the experiments, laser systems with pulse duration in the scale of ns and fs have been applied as excitation sources, while the combustible mixtures under investigation were hydrocarbon-air flames, of laminar and turbulent flow with simple and more complicated structures. From the LIBS spectra in flames of different compositions, it was exhibited that there is a strong dependence of the intensities of various spectral lines on the equivalence ratio, which demonstrates that the precise determination of the amount of fuel can be performed. Also based on this correlation, the determination of the equivalence ratio locally everywhere within the flame can be achieved giving useful information about its structure. Finally, a similar diagnostic technique has been employed. The dielectric breakdown is held using a spark generator and the technique is called electrical Spark Induced Breakdown Spectroscopy (SIBS). The emitted light of the two plasmas induced by optical and electrical excitation was collected and a comparative study was performed.