The incorporation of an ejector refrigeration cycle with a high temperature PEM fuel cell (HT-PEMFC) presents a novel approach to combined heat and power (CHP) applications. An ejector refrigeration system (ERS) can enhance the flexibility of a CHP system by providing an additional means of utilizing the fuel cell waste heat besides domestic hot water (DHW) heating. This study looks into the performance gains that can be attained by incorporating ejector refrigeration with HT-PEMFC micro-CHP (mCHP) systems (1 to 5kWe). The effectiveness of the ERS in utilizing fuel cell waste heat is studied as is the relulting enhancement to overall system efficiency. A test rig specially constructed to evaluate an ERS under simulated HT-PEMFC conditions is used to test the concept and verify modeling predictions. In addition, two separate analytical models were constructed to simulate the ERS test rig and a HT-PEMFC/ERS mCHP system. The ERS test rig was simulated using a Matlab based model, while two residential sized HT-PEMFC/ERS mCHP systems were simulated using a Simulink model. Using U.S. Energy Information Administration (EIA) air conditioning and DHW load profiles, as well as data collected from a large residential monitoring study in Florida, the Simulink model provides the results in system efficiency gain associated with supporting residential space cooling and water heating loads. It was found that incorporation of an ERS increased the efficiency of a HT-PEMFC mCHP system by 8 t0 10 percentage points over just using the fuel cell waste heat for DHW. In addition, results from the Matlab ERS test rig model were shown to match well with experimental results. / by Michel Fuchs. / Thesis (Ph.D.)--Florida Atlantic University, 2012. / Includes bibliography. / Mode of access: World Wide Web. / System requirements: Adobe Reader.

Este trabalho visa a utilização de técnicas de otimização para a determinação da melhor configuração para trocadores de calor a placas. A configuração de um trocador a placas define a distribuição das correntes quente e fria ao longo dos seus canais e ela é definida pelo seu número de canais, pelos números de passes em cada lado e pelas localizações dos fluidos e das conexões de alimentação. É utilizado um conjunto de seis parâmetros para a caracterização da configuração. A modelagem estacionária do trocador é desenvolvida na forma de um algoritmo, já que não é possível representá-la como uma função explícita dos seis parâmetros de configuração. O sistema resultante é composto por equações diferenciais ordinárias de valor de contorno e por equações algébricas não-lineares, o qual é resolvido numericamente pelo método de diferenças finitas. Através do estudo de exemplos de simulação, verifica-se que a hipótese de constância do coeficiente global de troca térmica não é limitante para a avaliação global do trocador. A validação experimental da modelagem estacionária é realizada através da estimação de parâmetros de troca térmica para um conjunto de ensaios com diferentes configurações. É ainda apresentada a modelagem dinâmica do trocador a placas para configurações genéricas, visando a análise do seu estado transiente e a simulação de malhas de controle. É proposto um procedimento de screening para a resolução do problema de otimização da configuração do trocador. Neste procedimento, as restrições são aplicadas sucessivamente para a eliminação de elementos inviáveis ou não-ótimos. Através da identificação de configurações equivalentes e da realização de uma busca estruturada, todos os trocadores com a menor área de troca térmica podem ser obtidos com esforço computacional bastante reduzido. O funcionamento e a eficiência do método são analisados em detalhes através de dois casos de otimização. Para o caso dos processos de pasteurização, que usam trocadores com múltiplas seções, é proposto o método de branching para otimização da configuração das seções de aquecimento, resfriamento e regeneração. Este método consiste em um algoritmo de busca muito eficiente, capaz de localizar as configurações que apresentam mínimos custos fixos e operacionais realizando um número extremamente reduzido de avaliações das seções do trocador, em relação às grandes dimensões do problema e sua complexidade. / The aim of this work is to develop optimization techniques for determining the best configuration of gasketed plate heat exchangers. The configuration of a plate heat exchanger defines the distribution of the hot and cold streams inside the plate-pack and it is defined by the number of channels, by the number of passes in each side and by the locations of the fluids and feed connections. A set of six parameters is used for the configuration characterization. The steady-state model of the plate heat exchanger is formulated in an algorithmic form, since it is not possible to represent it explicitly as a function of the six configuration parameters. The resulting system is composed of ordinary differential equations of the boundary value type and non-linear algebraic equations, which is numerically solved with the method of finite differences. The analysis of several simulation examples showed that the assumption of constant overall heat transfer coefficient is not limiting for the overall rating of the heat exchanger. The experimental validation of the steady-state model was accomplished through the estimation of heat transfer parameters for a set of experiments with different configurations. Moreover, the dynamic modeling of the plate heat exchanger is presented intending the simulation of unsteady-state operation and the use of controllers. A screening procedure is proposed for determining the best configuration of the exchanger. In this procedure, the constraints are successively used to eliminate unfeasible and non-optimal cases. Using a structured search method and identifying the equivalent configurations, all the exchangers with the smallest heat exchange area can be obtained employing the proposed method with very reduced computational effort. The performance of the method is studied thoroughly through two optimization example problems. For the case of the pasteurization processes, where the plate heat exchangers have multiple sections, it is proposed a branching method for selecting the best configuration for the heating, cooling and regeneration sections. This method consists of a very efficient search algorithm, able to locate the configurations with minimum fixed and operational costs requiring an extremely reduced number of exchanger evaluations, considering the large dimensions of the problem and its complexity.

A common technique to improve the performance of shell and tube heat exchangers (STHE) is by redirecting the flow in the shell side with a series of baffles. A key aspect in this technique is to understand the interaction of the fluid dynamics and heat transfer. Computational fluid dynamics simulations and experiments were performed to analysis the 3-dimensional flow and heat transfer on the shell side of an STHE with and without baffles. Although, it was found that there was a small difference in the average exit temperature between the two cases, the heat transfer coefficient was locally enhanced in the baffled case due to flow structures. The flow in the unbaffled case was highly streamed, while for the baffled case the flow was a highly complex flow with vortex structures formed by the tip of the baffles, the tubes, and the interaction of flow with the shell wall. / Includes bibliography. / Thesis (M.S.)--Florida Atlantic University, 2016. / FAU Electronic Theses and Dissertations Collection

Em sistemas frigoríficos de compressão a vapor, o evaporador é o equipamento responsável direto pela retirada de calor de ambientes refrigerados. Por esta razão, este componente é a fonte de investigação do presente estudo, o qual teve por objetivo principal a busca por alternativas para a melhoria de desempenho térmico em sistema frigoríficos. Isto posto, o trabalho foi desenvolvido em três frentes de estudo, as quais encontram-se interligadas entre si: desenvolvimento de programa de simulação de serpentinas resfriadoras; realização de ensaios para determinação das capacidades de trocadores de calor; e revisão bibliográfica circunstanciada do coeficiente de transferência de calor do lado do ar. O programa de simulação desenvolvido, o qual tomou como base o modelo proposto por Rich, mostrou-se ser uma ótima ferramenta de trabalho, tanto no meio acadêmico como no industrial. Como conseqüência da elaboração do programa, fez-se uso de correlações já existentes para determinação dos coeficientes de transferência de calor do lado do refrigerante, Bo Pierre, e do lado do ar, McQuiston, sendo esta última escolhida a partir de um sumário de correlações levantadas quando no estudo dos coeficientes de transferência de calor descritos acima. Para que o programa fosse validado como ferramenta de trabalho, foram realizadas simulações dos ensaios das serpentinas testadas e seus resultados confrontados. Tais resultados apresentam uma adequada concordância,possibilitando validar o programa. Os ensaios foram realizados segundo recomendações da norma ASHRAE 25/1992. Dos dados obtidos nos testes, também foi proposto uma correlação para o fator j-Colburn para superfícies secas; no entanto, tratou-se apenas de especular acerca de seu comportamento com as demais correlações, as quais obtiveram boa concordância. / In refrigerating systems of compression to vapour, the evaporator is the direct responsible equipment for remove of heat of cooling environments. In this way, the component is the source of investigation of the present study, which had for main objective the search for alternatives to improvement the performance thermal in refrigeration systems. The research was developed in three studies fronts, that are connected each other: development of program of simulation of cooling coils; tests to find the performance of heat exchange; and revision bibliographical of the coefficient of heat transfer of air. The developed simulation program, based in the Rich\'s model, it showed to be a good work tool, as in the academic, as in the industrial behaviour. As consequence of the elaboration the program, it was used existents correlations to calculation the coefficients of refrigerant heat transfer, Bo Pierre, and to air, McQuiston, the last one was choose from a correlation\'s summary. Same simulations were made to validated the program of the tested serpentines and the results were confronted. Such results presented an appropriate agreement that contributed to validate the program. The tests were accomplished according to recommendations of the norm ASHRAE 25/1992. One correlation was proposed for the factor j-Colburn for dry surfaces in base of the testes results; however, the purpose was to speculated its behaviour with the other correlations, which obtained good agreement.

O mexilhão-dourado é um organismo invasor que tem causado grandes prejuízos a sistemas de captação de água e usinas hidroelétricas (UHEs). Existem diversos métodos de controle da incrustação destes organismos em tubulações de usinas hidroelétricas, porém o impacto da aplicação desses métodos ainda não é amplamente conhecido. Este trabalho visa desenvolver uma metodologia para avaliar a degradação dos sistemas de resfriamento de UHEs submetidas a tratamentos químicos para o controle da incrustação por mexilhão-dourado. Neste trabalho é usado, como caso exemplo, o sistema de resfriamento do ar do núcleo do gerador e do óleo dos mancais de uma UHE com turbina Kaplan de potência aproximada de 150 MW. A análise proposta baseia-se na aplicação de ensaios acelerados de corrosão, a fim de determinar a taxa de corrosão nas condições normais de operação. Os ensaios executados neste estudo simulam condições operacionais mais severas do que as usualmente enfrentadas pelo sistema, visando reduzir o tempo de execução dos ensaios. Os ensaios acelerados de corrosão baseiam-se no aumento da solicitação térmica e da concentração das substâncias químicas injetadas no fluxo de água que são a adição de gás ozônio e de hipoclorito de sódio. Para realização dos ensaios foi construído um circuito experimental capaz de impor condições de temperatura e concentrações das substâncias químicas. Os resultados dos ensaios acelerados fornecem subsídios para aplicação dos conceitos de confiabilidade estrutural para determinação da probabilidade de falha dos equipamentos em estudo em função do tempo de aplicação do tratamento químico. Verificou-se entre os produtos químicos utilizados neste estudo, que o hipoclorito de sódio é 50% mais agressivo para a liga de cobre níquel e 700% mais agressivo para o aço inoxidável em relação a degradação observada pela ação do ozônio. / The golden mussel (Limnoperna fortunei) is an invader organism that has caused great damage to water catchment systems and hydroelectric power plants. There are various methods of fouling control of these organisms in hydroelectric power plants pipelines, but the impact of the application of these methods is not yet widely known. This work aims at developing a methodology to evaluate the degradation of hydroelectric power plants cooling systems pieces of equipment subjected to chemical treatments for control of golden mussel fouling. This work uses as a case example, the cooling system inside generator and oil bearing of Kaplan hydroelectric turbine with 150MW nominal power output. The analysis is based on the application of accelerated corrosion tests in order to determine the rate of corrosion under normal operation conditions given the rates of corrosion under various accelerated conditions. The tests run on this thesis simulate operating conditions more severe than those usually experienced by the system, to reduce the runtime of the tests. The proposed accelerated corrosion tests are based on increased thermal loading and concentration of chemical substances injected into water flow. The chemical treatments tested in this work are the addition of ozone and sodium hypochlorite. For carrying out the tests an experimental circuit capable of imposing different conditions of temperature and concentration levels was built. The results of accelerated tests provide subsidies for the implementation of structural reliability concepts for determining the failure probability of equipment under consideration. Among the chemical products used in the analysis, the sodium hypochlorite is 50% more aggressive for copper-nickel 90/10 alloy and 700% more aggressive for stainless steel in relation to degradation observed for ozone.

O objetivo deste trabalho é realizar uma análise paramétrica do processo de desumidificação de ar comprimido em trocadores de calor compactos com superfícies intensificadoras do tipo aletas deslocadas. A umidade contida no ar comprimido precisa ser retirada do sistema para evitar a formação de condensado nas linhas de distribuição, nos atuadores ou nos dispositivos finais. Utiliza-se o processo de desumidificação por resfriamento onde a temperatura do ar é diminuída até alcançar o ponto de orvalho, resultando em formação de condensado. O desumidificador é constituído por dois trocadores de calor (recuperador e evaporador), sendo cada um deles dividido em duas regiões. Realizou-se a modelagem do processo de transferência de calor para cada um dos trocadores. Utilizou-se o método do potencial de entalpias para determinar os coeficientes globais de transferência de calor de cada trocador. Para a realização da simulação numérica, foi implementado um programa utilizando como ferramenta computacional o programa “Engineering Equation Solver" (EES). O estudo foi feito variando-se os parâmetros geométricos do trocador de calor e verificando sua influência nos coeficientes de transferência de calor, nos calores trocados e nas condições de saída do ar. Primeiramente, cada parâmetro foi analisado individualmente e depois com algumas combinações. Concluiu-se que as dimensões das aletas no recuperador e os comprimentos do recuperador e do evaporador são os parâmetros que mais influenciam nas propriedades do ar comprimido na saída do desumidificador. / The objective of this work is to conduct a parametric analysis of the dehumidification process of compressed air in compact heat exchangers with Offset Strip Fins. The humidity carried by the compressed air should be removed from the system to prevent the condensation in the distribution lines and in the actuators or the final devices. The dehumidification process by cooling occurs when the temperature of the air is diminished until reaching the dew point, resulting in condensation of water vapor. The dehumidifier is constituted by two heat exchangers (recuperator and evaporator), each one of them being divided in two regions. A modeling of the heat and mass transfer process for each heat exchangers, was performed. The enthalpy driving potential method was used to determine the overall heat transfer coefficients of each heat exchanger. The numerical simulation was implemented by using the computational software "Engineering Equation Solver"(EES). The study was made varying the geometric parameters of the heat exchanger and verifying its influences on the heat transfer coefficients, the heat transfer and pressure drop, and the air exit conditions. First, each parameter was analyzed individually and then with some combinations. Its was concluded that the fins dimensions in both regions of the lengths of the recuperator and the evaporator are the parameters that have larger influence on the exit compressed air properties.

Um novo método numérico, para o cálculo da performance térmica de trocadores de calor com fluxos cruzados é apresentado. Dados referentes a efetividade - número de unidades de transferência (\'épsilon\' - NUT) para vários arranjos de escoamento, padronizados e complexos, foram obtidos usando esta metodologia. Os resultados foram validados através da comparação dos resultados com soluções analíticas conhecidas, para trocadores de calor de fluxos cruzados com um ou múltiplos passes, possuindo de uma até várias fileiras de tubos, e com soluções aproximadas utilizando séries infinitas, para trocadores com ambos os fluidos não misturados. Todos os resultados obtidos apresentaram erros muito pequenos, em relação às soluções analíticas e aproximadas. Dados para efetividade, para arranjos complexos de escoamento são apresentados. / A new numerical methodology for thermal performance calculation in cross-flow heat exchangers is developed. Data related to effectiveness - number of transfer units (\'épsilon\' - NTU) for several standard and complex flow arrangements are obtained using this methodology. The results are validated through comparison with analytical solutions for one or more pass cross-flow heat exchangers with one to four rows and with approximate series solution for an unmixed-unmixed heat exchanger, obtaining in all cases very small errors. New effectiveness data for some complex configurations are provided.

[pt] Desenvolveu-se um modelo de simulação para trocadores de calor de placas soldadas (BPHE – Brazed Plate Heat Exchanger) operando em regime permanente em um sistema de refrigeração em cascata por compressão de vapor, ou seja, condensador, trocador de calor intermediário (ou condensador em cascata) e evaporador. O modelo adota o método de análise local, onde o trocador de calor é dividido em uma série de pequenos volumes de controle, para os quais as equações de troca de calor e de conservação de massa e de energia são aplicadas. Para o calculo dos coeficientes locais de transferência de calor e fator de atrito foram utilizadas correlações disponíveis na literatura, considerando as regiões de escoamento monofásico ou bifásico em cada um dos trocadores, Estas correlações cobrem valores de fluxo de calor entre 2,5 kW/m2 e 185 kW/m2, temperaturas de saturação entre 5 graus Celsius e 30 graus Celsius, e aplicam-se a geometrias com ângulos de corrugação entre 20 e 60 graus. Um programa computacional foi desenvolvido em FORTRAN para o cálculo do desempenho térmico dos trocadores de calor e das correlações de asida dos dois fluidos. Na simulação foram consideradas conhecidas as condições de entrada dos fluidos e a geometria do trocador. As propriedades termo-físicas dos fluidos foram calculadas utilizandose a mais recente versão do padrão NIST de referência de propriedades termodinâmicas e de transporte (REFPROP 9.0), permitindo a simulação dos trocadores de calor operando com uma vasta gama de refrigerantes. Os resultados da simulação foram comparados com os dados experimentais (condensador e evaporador) levantados por outros autores para os refrigerantes R22 e R290, tendose obtido boa concordância. Uma analise de sensibilidade para os trocadores de calor, utilizando os novos refrigerantes R1234yf e R1234ze, foi também realizada. / [en] A simulation model of brazed plate heat exchangers (BPHE) operating in steady-state in a cascade vapor compression refrigeration system has been developed. For this system the heat exchangers were the condenser, intermediate heat exchanger or cascade-condenser and evaporator. The model adopts a local analysis method, where the heat exchanger is divided into a series of small control volumes, to which the heat transfer rate equations and the fundamental of conservation of mass and energy equation. Local heat exchanger coefficients and friction factor are calculated using correlations available in literature, considering regions of single-phase or twophase flow for each one of the heat exchangers. These correlations have heat flux values ranging from 2,5kW/m2 to 185kW/m2, saturation temperatures from 5 degrees Celsius to 35 degrees Celsius and were applied to geometries with corrugation angle ranging from 20 degrees to 60 degrees. In order to calculate the thermal performance of the heat exchangers and the output conditions of the two fluids a computational program was developed in FORTRAN. This simulation considers known inlet conditions of the fluids and the geometry of the heat exchanger. The thermophysical properties of the refrigerants fluids were calculated using the version 7 of REFPROP, a package by NIST (National Institute of Standards and Technology), that allow for the simulation of heat exchangers with a wide operating range of refrigerants. The simulation results were compared with experimental data (condenser and evaporator) for R22 and R290 refrigerants, obtaining a good agreement. A sensibility analysis for heat exchangers, using the new R1234yf and R1234ze has also been carried out.

Solar power tower technology can achieve higher temperatures than the most common commercial technology using parabolic troughs. In order to take advantage of higher temperatures, new power cycles are needed for generating power at higher efficiencies. Supercritical carbon dioxide (S-CO2) power cycle is one of the alternatives that have been proposed for the future concentrated solar power (CSP) plants due to its high efficiency. On the other hand, carbon dioxide can also be a replacement for current heat transfer fluids (HTFs), i.e. oil, molten salt, and steam. The main disadvantages of the current HTFs are maximum operating temperature limit, required freeze protection units, and complex control systems. However, the main challenge about utilizing s-CO2 as the HTF is to design a receiver that can operate at high operating pressure (about 20 MPa) while maintaining excellent thermal performance. The existing tubular and windowed receivers are not suitable for this application; therefore, an innovative design is required to provide appropriate performance as well as mechanical strength. This research investigates the application of s-CO2 in solar power tower plants. First, a computationally efficient method is developed for designing the heliostat field in a solar power tower plant. Then, an innovative numerical approach is introduced to distribute the heat flux uniformly on the receiver surface. Next, different power cycles utilizing s-CO2 as the working fluid are analyzed. It is shown that including an appropriate bottoming cycle can further increase the power cycle efficiency. In the next step, a thermal receiver is designed based on compact heat exchanger (CHE) technology utilizing s-CO2 as the HTF. Finally, a 3MWth cavity receiver is designed using the CHE receivers as individual panels receiving solar flux from the heliostat field. Convective and radiative heat transfer models are employed to calculate bulk fluid and surface temperatures. The receiver efficiency is obtained as 80%, which can be further improved by optimizing the geometry of the cavity.

No description available.