Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Opcon Powerbox is a product developed by Opcon together with the underlying company SRM (Svenska Rotor Maskiner) where surplus heat from the industry is used through an Organic Rankine Cycle (ORC)–process to produce electricity. An ORC-process is a thermodynamic circle process in which a refrigerant is used as the working fluid. The refrigerant makes it possible for the circle process to operate at lower temperatures than the conventional Rankine process. In this master’s thesis a data analysis software for the Opcon Powerbox has been developed in which measurement data is retrieved and handled from the Opcon Powerbox. The software performs calculations and analysis on the data with which the system can be evaluated. This thesis has been carried out with SRM.

Liquid-metal Rankine power conversion systems (PCS) coupled with a fission reactor remain an attractive option for space power applications because system specific power and efficiency is very favorable for plant designs of 100 kW(e) or higher. Potential drawbacks to the technology in a reduced gravity environment include two-phase fluid management processes such as liquid-vapor phase separation. The most critical location for phase separation is at the boiler exit where only vapor must be sent to the turbine because blade erosion occurs from high velocity liquid droplets entrained by vapor flow. Previous studies have proposed that rotary separators be used to separate the liquid and vapor from a two phase mixture. However these devices have complex turbo machinery, require kilowatts of power and are untested for high vapor flow conditions. The Interphase Transport Phenomena (ITP) laboratory has developed a low-power, passive microgravity vortex phase separator (MVS) which has already proven to be an essential component of two-phase systems operating in low gravity environments. This thesis presents results from flight experiments where a Rankine cycle was operated in a reduced gravity environment for the first time by utilizing the MVS for liquid and vapor phase separation. The MVS was able to operate under saturated conditions and adjust to system transients as it would in the Rankine cycle by controlling the amount of liquid and vapor within the device. A new model is developed for the MVS to predict separation performance at high vapor flow conditions for sizing the separator at the boiler, condenser, and turbine locations within the cycle by using a volume limiting method. This model factors in the following separator characteristics: mass, pumping power, and available buffer volume for system transients. The study is concluded with overall Rankine efficiency and performance changes due to adding vortex phase separation and a schematic of the Rankine cycle with the integration of the MVS is presented. The results from this thesis indicate the thermal to electric efficiency and specific mass of the cycle can be improved by using the MVS to separate the two phases instead of a rotary separator.

Liquid-metal Rankine power conversion systems (PCS) coupled with a fission reactor remain an attractive option for space power applications because system specific power and efficiency is very favorable for plant designs of 100 kW(e) or higher. Potential drawbacks to the technology in a reduced gravity environment include two-phase fluid management processes such as liquid-vapor phase separation. The most critical location for phase separation is at the boiler exit where only vapor must be sent to the turbine because blade erosion occurs from high velocity liquid droplets entrained by vapor flow. Previous studies have proposed that rotary separators be used to separate the liquid and vapor from a two phase mixture. However these devices have complex turbo machinery, require kilowatts of power and are untested for high vapor flow conditions. The Interphase Transport Phenomena (ITP) laboratory has developed a low-power, passive microgravity vortex phase separator (MVS) which has already proven to be an essential component of two-phase systems operating in low gravity environments. This thesis presents results from flight experiments where a Rankine cycle was operated in a reduced gravity environment for the first time by utilizing the MVS for liquid and vapor phase separation. The MVS was able to operate under saturated conditions and adjust to system transients as it would in the Rankine cycle by controlling the amount of liquid and vapor within the device. A new model is developed for the MVS to predict separation performance at high vapor flow conditions for sizing the separator at the boiler, condenser, and turbine locations within the cycle by using a volume limiting method. This model factors in the following separator characteristics: mass, pumping power, and available buffer volume for system transients. The study is concluded with overall Rankine efficiency and performance changes due to adding vortex phase separation and a schematic of the Rankine cycle with the integration of the MVS is presented. The results from this thesis indicate the thermal to electric efficiency and specific mass of the cycle can be improved by using the MVS to separate the two phases instead of a rotary separator.

It can be shown that for the complete description of all the physical parameters in the flow behind an imtermediate strength unsteady shock, a knowledge of the particle trajectories within the flow is sufficient. This principle has been applied to determine the variation of the physical parameters throughout the length of a conventional shock tube. The particle trajectories were obtained by the high speed photography of cigarette smoke tracers, placed at 10 cm. intervals along the tube. By applying the conservation of mass equation to the particle trajectory data, the density variation was obtained throughout the flow including the rarefaction wave from the end of the compression chamber and behind the first reflected shock from the closed end of the expansion chamber. By means of the Rankine-Hugoniot relation, the pressures immediately behind the incident and reflected shock fronts were calculated, and by assuming isentropic flow between shocks along any particle trajectory, the complete pressure variation was determined. The temperature and local sound speed were subsequently calculated at all points and the particle velocities were determined from the time derivative of the particle trajectories. A complete mapping of all the parameters in the shock tube was thus obtained using a single photographic technique, which is simpler than previous methods. / Graduate / 0605

Este trabalho apresenta um modelamento computacional dos diversos componentes de um ciclo de Rankine regenerativo em operação transiente, utilizando as leis fundamentais de balanço de massa e energia, além de algumas equações constitutivas. O cálculo das propriedades termodinâmicas foi realizado através de rotinas desenvolvidas no Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos (GESTE) da UFRGS. Os componentes com comportamento inercial são o condensador e o tanque de água de alimentação. Os demais respondem instantaneamente. O método de solução das equações algébricas é seqüencial e o avanço no tempo é totalmente implícito. Primeiramente o sistema é colocado em regime permanente, a partir do qual é introduzida uma mudança de carga na turbina em um determinado intervalo de tempo. Algumas variáveis prescritas foram obtidas a partir de dados reais de uma usina termelétrica. A partir desse modelamento foi possível investigar o comportamento dinâmico do condensador e do tanque de alimentação e de que maneira estes efeitos eram percebidos pelos demais componentes. Os resultados obtidos demonstram que ambos possuem um comportamento dinâmico, sendo que o condensador apresenta uma constante de tempo menor que o tanque de alimentação. O condensador, por rejeitar o calor necessário, acaba por perceber rapidamente as oscilações introduzidas no ciclo Além disto é apresentado um método para determinação de coeficientes globais de troca térmica em condensadores e regeneradores. Os resultados obtidos neste trabalho foram utilizados na modelagem desses componentes durante a construção de um simulador em regime permanente da UTE Presidente Médici - Fase B. Também foi realizada uma pesquisa sobre os diversos programas simuladores de plantas de potência, assim como uma discussão das vantagens introduzidas por simuladores dinâmicos e em regime permanente nas decisões de engenharia.

Este trabalho apresenta um modelamento computacional dos diversos componentes de um ciclo de Rankine regenerativo em operação transiente, utilizando as leis fundamentais de balanço de massa e energia, além de algumas equações constitutivas. O cálculo das propriedades termodinâmicas foi realizado através de rotinas desenvolvidas no Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos (GESTE) da UFRGS. Os componentes com comportamento inercial são o condensador e o tanque de água de alimentação. Os demais respondem instantaneamente. O método de solução das equações algébricas é seqüencial e o avanço no tempo é totalmente implícito. Primeiramente o sistema é colocado em regime permanente, a partir do qual é introduzida uma mudança de carga na turbina em um determinado intervalo de tempo. Algumas variáveis prescritas foram obtidas a partir de dados reais de uma usina termelétrica. A partir desse modelamento foi possível investigar o comportamento dinâmico do condensador e do tanque de alimentação e de que maneira estes efeitos eram percebidos pelos demais componentes. Os resultados obtidos demonstram que ambos possuem um comportamento dinâmico, sendo que o condensador apresenta uma constante de tempo menor que o tanque de alimentação. O condensador, por rejeitar o calor necessário, acaba por perceber rapidamente as oscilações introduzidas no ciclo Além disto é apresentado um método para determinação de coeficientes globais de troca térmica em condensadores e regeneradores. Os resultados obtidos neste trabalho foram utilizados na modelagem desses componentes durante a construção de um simulador em regime permanente da UTE Presidente Médici - Fase B. Também foi realizada uma pesquisa sobre os diversos programas simuladores de plantas de potência, assim como uma discussão das vantagens introduzidas por simuladores dinâmicos e em regime permanente nas decisões de engenharia.

Este trabalho apresenta um modelamento computacional dos diversos componentes de um ciclo de Rankine regenerativo em operação transiente, utilizando as leis fundamentais de balanço de massa e energia, além de algumas equações constitutivas. O cálculo das propriedades termodinâmicas foi realizado através de rotinas desenvolvidas no Grupo de Estudos Térmicos e Energéticos (GESTE) da UFRGS. Os componentes com comportamento inercial são o condensador e o tanque de água de alimentação. Os demais respondem instantaneamente. O método de solução das equações algébricas é seqüencial e o avanço no tempo é totalmente implícito. Primeiramente o sistema é colocado em regime permanente, a partir do qual é introduzida uma mudança de carga na turbina em um determinado intervalo de tempo. Algumas variáveis prescritas foram obtidas a partir de dados reais de uma usina termelétrica. A partir desse modelamento foi possível investigar o comportamento dinâmico do condensador e do tanque de alimentação e de que maneira estes efeitos eram percebidos pelos demais componentes. Os resultados obtidos demonstram que ambos possuem um comportamento dinâmico, sendo que o condensador apresenta uma constante de tempo menor que o tanque de alimentação. O condensador, por rejeitar o calor necessário, acaba por perceber rapidamente as oscilações introduzidas no ciclo Além disto é apresentado um método para determinação de coeficientes globais de troca térmica em condensadores e regeneradores. Os resultados obtidos neste trabalho foram utilizados na modelagem desses componentes durante a construção de um simulador em regime permanente da UTE Presidente Médici - Fase B. Também foi realizada uma pesquisa sobre os diversos programas simuladores de plantas de potência, assim como uma discussão das vantagens introduzidas por simuladores dinâmicos e em regime permanente nas decisões de engenharia.

Organisk Rankine cykel är en förångningscykel med användningen av en organisk fluid för att få bättre lågtempererade egenskaper än vid användningen av vattenånga. Naturgas är ett bränsle som används inom industrin och sjöfarten, den förvaras mycket kallt i vätskeform för att spara utrymme. Detta bränsle förångas antingen naturligt eller med syftet att förbränna den i gasform. Detta för att minska behovet av kryogenisk teknik. Förångningen sker med att tillföra värme till bränslet. Genom att förgrena ångcykelns behov av kondensering och bränslets behov av värme kommer massflödet för kondenskylningen att minska. Det ger i sin tur en stadigare drift i varma miljöer. Frågeställningen var hur mycket effekt som kunde hämtas ur denna konfiguration. Hur mycket mindre kondenseringsanläggningen blir och den möjliga systemkonfigurationen utifrån aspekten av säkerhet, effekt och goda möjligheter till reglering. Tillvägagången var först att studera systemen ingående, hur de funkar och för att ta fram de fysikaliska data. Sedan teoretiskt bygga samman systemen och göra beräkningar. Resultatet påvisade låg effekt men med ett behov av en 11 gånger mindre kondensor jämfört med vattenkylning. Slutsatsen är att denna konfiguration begränsar den potentiella effekten mycket men minskar effektbehovet för att driva ångprocessen och att kondenseringsanläggningen blir mindre. / Organic Rankine cycle is a vaporization cycle where an organic fluid is used toobtain better low-temperature properties than when using water vapor. Natural gasis a fuel used in industry and shipping it is stored very cold in liquid form to savespace. This fuel is either vaporized naturally or with the aim of burning it in gaseousform. This is to reduce the need for cryogenic technology. Vaporization takes placeby adding heat to the fuel. By branching the steam cycle's need for condensation andthe fuel's need for heat, the mass flow for condensation cooling will decrease. Thisin turn provides a more stable operation in warm environments. The question washow much power could be extracted from this configuration. How much smaller thecondensing plant will be and the possible system configuration from the aspect ofsafety, power, and good solutions for control. The approach was to first study thesystems in detail, how they work and to produce the physical data that was required.Then theoretically build the systems together and make calculations. The resultshowed low power but with a need for an 11 times smaller condenser compared towater cooling. The conclusion is that this configuration greatly limits the potentialpower but reduces the power requirement to drive the steam process and thecondensing plant becomes smaller.

A capacidade de prever os movimentos de uma plataforma de petróleo sujeita a ondas é bastante importante no contexto da engenharia naval e oceânica, já que esses movimentos terão diversas implicações no projeto deste sistema, com impactos diretos nos custos de produção e tempo de retorno do investimento. Esse trabalho apresenta os fundamentos teóricos sobre o problema de comportamento no mar de corpos flutuantes sujeitos a ondas de gravidades e um método numérico para solução do problema 2D no domínio do tempo. A hipótese básica adotada é a de escoamento potencial, que permitiu a utilização do método de elementos de contorno para descrever a região fluida. Optou-se pela utilização de fontes de Rankine como função de Green no desenvolvimento do método, o qual será abordado somente no contexto linear do problema matemático, delimitado através de um procedimento combinado entre expansão de Stokes e série de Taylor. As simulações são realizadas no domínio do tempo sendo, portanto, resolvido o problema de valor inicial com relação às equações do movimento e equações que descrevem a superfície-livre combinadas com dois problemas de valor de contorno, um para o potencial de velocidades e outro para o potencial de aceleração do escoamento. As equações integrais de contorno permitem transformar o sistema de equações diferenciais parciais da superfície livre num sistema de equações diferenciais ordinárias, as quais são resolvidas através do método de Runge-Kutta de 4a. ordem. As equações integrais são tratadas de forma singularizada e o método utilizado para discretizar as mesmas é de ordem baixa tanto para a função potencial quanto para a aproximação geométrica, sendo as integrações necessárias realizadas numericamente através de quadratura Gauss-Legendre. O algoritmo numérico é testado e validado através de comparações com soluções analíticas, numéricas e experimentais presentes na literatura, considerando os problemas de geração de ondas, cálculo de massa adicional e amortecimento potencial através de ensaios de oscilação forçada, testes de decaimento e, por último, resposta em ondas. Os resultados obtiveram boa concordância com aqueles adotados como paradigma. / The ability to predict the seakeeping characteristics of an offshore structure (such as an oil platform) is very important in offshore engineering since these motions have important consequences regarding its design and therefore its cost and payback period. This work presents the theoretical and numerical aspects concerning the evaluation of the 2D seakeeping problem under the potential flow hypothesis, which allows the use a Boundary Elements Method to describe the fluid region with Rankine sources as Green function. The linearized version of the mathematical problem is built by a combined Stokes expansion and Taylor series procedure and solved in time domain. The initial value problem concerning the motion and free surface equations are solved combined to the boundary value problems considering the velocity and acceleration flow potentials, which transform the partial differential equations of the free surface into ordinary differential equations, that are solved using the 4th order Runge-Kutta method. The integral equations are solved in its singularized version using a low order method both for the potential function and the geometrical approximation, with the terms of the linear system evaluated using Gauss Legendre quadrature. The numerical scheme is tested and validated considering analytical, numerical and experimental results obtained in the literature, concerning wave generation, added mass and potential damping evaluation, decay tests and response to waves. The results achieved good agreement with respect to those used as paradigm.