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.

This diploma thesis deals with an optimization of Rankine-Clausius steam cycle. The theoretical information about the Optimization and the Rankine-Clausius cycle are described at the beginning of the thesis. These theoretical findings are later used to create simulation models in MATLAB. Individual simulation models are variants of the ideal R-C cycle. Simulation models include the basic cycle model, the supercritical cycle and the cycle with reheat. For these models the optimal configurations are found and their t-s diagrams are plotted.

Depuis plus de 10 ans, l'étude de microsystèmes (MEMS : MicroElectroMechanical Systems) permettant la génération de puissance à petite échelle a fait l'objet d'une multitude de recherches dans le but d'offrir une meilleure alternative par rapport aux piles électrochimiques. Les premières études portant sur les microturbines à gaz ont permis de révéler le potentiel des micromachines rotatives pour l'implantation de micro centrales d'énergie sur une puce. La conception et la fabrication d'une première génération de microturbopompe ont permis d'établir les lignes directrices pour la conception d'une microturbine à cycle Rankine. Pour le bon fonctionnement d'un tel dispositif et pour en améliorer ses performances, il est important de mieux comprendre le comportement des écoulements internes influant sur le mouvement du rotor puisqu'ils ont été très peu étudiés. Le but de la présente recherche est d'effectuer une étude détaillée des composantes secondaires de la microturbopompe précédemment développée afin d'approfondir la compréhension des phénomènes en jeu lors de son opération. Dans la présente étude, des investigations expérimentales et des modèles approfondis ont été faits sur les joints d'étanchéité hydrodynamiques, le palier axial hydrostatique, le palier radial hydrostatique et l'écoulement radial secondaire. Combinée avec la modélisation de la turbine multiétage et de la pompe hydrodynamique, l'intégration simultanée de toutes les composantes a mis en évidence les interactions possibles entre les composantes. Ainsi, une nouvelle configuration d'opération a été proposée permettant d'atteindre un niveau de performance similaire aux essais antérieurs (295 kRPM), mais avec une pression d'alimentation du palier axial réduite considérablement ([environ]50%). Cette réduction de pression permet de se rapprocher davantage de l'opération avec des paliers autosuffisants qui a même été expérimentée, pour une première fois, à basse vitesse (77 kRPM). L'étude des joints d'étanchéité a démontré leur performance à haute vitesse (50 kPa à 190 kRPM) et l'importance bénéfique des effets de tension de surface. La pompe hydrodynamique a été caractérisée expérimentalement pour la première fois avec un écoulement externe, montrant que sa performance est limitée par le joint d'étanchéité. Pour la pompe avec un écoulement interne, un débit massique de 12 mg/s a été pompé à une vitesse de 180 kRPM. Une différence notable a été mesurée entre les deux types pompes implantés confirmant, pour une première fois, l'effet des forces centrifuges sur les performances de la pompe hydrodynamique. L'amélioration de la modélisation du palier axial a permis d'évaluer la position axiale du rotor en utilisant les pertes de pression et les débits massiques mesurés expérimentalement dans le palier axial. La forte rigidité angulaire du palier axial a également été mise en évidence. Finalement, les écoulements et le comportement dynamique du palier radial ont été étudiés analytiquement et expérimentalement, permettant de définir de nouveaux critères de conception afin d'éviter l'apparition d'instabilités dynamiques. L'étude plus approfondie des composantes secondaires de la microturbopompe a permis d'améliorer la compréhension des phénomènes dominants lors de son opération. Une base de compréhension supplémentaire a donc été établie pour le développement de micromachines rotatives telles que la microturbine à cycle Rankine et les microturbines à gaz.

A turbina de Tesla originalmente construída por Nikola Tesla em 1913 é uma turbina sem lâminas, passiva e de impulsão. Essas características chamaram a atenção para a sua potencial aplicação em ciclos térmicos que funcionem no espaço aumentando sua eficiência.o O primeiro estudo desta turbina realizado dentro do projeto TERRA foi realizado pelo autor desta dissertação como projeto de Iniciação Científica no ano de 2008. E desde então o projeto TERRA vem estudando novas técnicas de desenvolvimento de turbinas de Tesla. Em 2012 iniciou um estudo do comportamento de uma turbina de Tesla operando em um ciclo térmico fechado. Os resultados deste estudo são apresentados e discutidos nesta dissertação. Ainda em 2012 foi desenvolvido um novo modelo de turbina de Tesla pelo autor. Esse modelo foi denominado de Turbina Passiva Multi Fluidos - TPMF. Um pedido de patente foi depositado junto ao INPI para esse novo modelo de turbina. Esse novo modelo também é apresentado e discutido nessa dissertação.

O presente trabalho é dedicado ao estudo de métodos de simulação para ciclos de Rankine. O trabalho é iniciado com a modelagem de um ciclo de Rankine simples e segue evoluindo para configurações mais complexas tal como o ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração. São adotadas as considerações mais convencionais da prática de projeto de centrais termelétricas cujos sistema térmicos baseiam-se no ciclo de Rankine, incluindo-se queda de pressão em tubulações do circuito além de outras perdas. Em seguida, são estabelecidas as expressões matemáticas que possibilitam a determinação das propriedades termodinâmicas da água em seus mais diversos estados ao longo do ciclo. Por último, são desenvolvidos métodos de simulação, chamados neste trabalho de Substituição Sucessiva e Bloco Único, que caracterizam-se pela resolução simultânea do conjunto de equações algébricas dos ciclos elaborados. As simulações são efetuadas através de programas escritos na linguagem Fortran. Os métodos de simulação são aplicados para a obtenção dos resultados considerados mais importantes na análise de sistemas térmicos de potência, tais como rendimento térmico do ciclo, título na saída da turbina, vazões mássicas pelo sistema, potência nas bombas e calor trocado no gerador de vapor e no condensador Na maioria das simulações, estes resultados apresentam-se como funções da: (1) potência elétrica requerida, eficiência isentrópica e pressões na turbina; (2) eficiência térmica, pressão e temperatura no gerador de vapor; (3) pressão e grau de subresfriamento do líquido saturado no condensador e (4) eficiência isentrópica das bombas. São obtidos os mesmos resultados para os métodos de simulação utilizados. O método da Substituição Sucessiva apresentou menor tempo computacional, principalmente para configurações de ciclo mais complexas. Uma aplicação alternativa do método de Bloco Único demonstrou ser inconveniente para ciclos de configurações mais complexas devido ao elevado tempo computacional, quando todas as equações de cálculo das propriedades termodinâmicas são incluídas no sistema de equações a ser resolvido. Melhores rendimentos térmicos e título na saída da turbina foram obtidos para configurações de ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Mecânica. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

This thesis contributes to the knowledge and the characterization of scroll machines and their systems. It is based on experimental and modeling works carried out on: a) A hermetic scroll compressor used inside an air-cooled water chiller. b) An oil-free open-drive scroll expander integrated into an Organic Rankine Cycle (ORC) power system. c) Open-drive scroll compressor and expander used in a Liquid Flooded Ericsson Cycle Cooler (LFEC). Such a system uses the liquid flooding of the compressor and of the expander to approach isothermal compression and expansion processes. New semi-empirical models of the scroll compressor and expander were proposed and existing models improved. A deterministic model of the scroll expander was established. The model associates a geometrical description of the machine with a thermodynamic description of the expansion process. This model was validated for the two expanders investigated experimentally. The model validation revealed that the performance of the expanders is mainly affected by the supply pressure drop and by the internal leakages. Using the validated model, parametric studies were carried out to investigate the variation of the performance of both expanders with modification of their design and with the operating parameters. The thesis also investigated the scroll machines from the point of view of their integration into thermal systems. A first experimental investigation was carried out on an air-cooled chiller. The scroll compressor semi-empirical model, with its parameters identified on the basis of published manufacturer data, was used as a refrigerant flow meter. The analysis of the experimental data allowed a better understanding of the chiller operation and a better identification of its model parameters (such as the fan and the hot gas bypass control models). A second experimental investigation was carried out on an ORC power system, working with R123. In order to select the most appropriate fluid, the performances achieved with four different fluids were compared by simulation. The experimental study confirmed that the scroll expander is a good candidate for an ORC system: the tested prototype presented a good performance (the maximum global isentropic effectiveness achieved was 68%). Using an ORC simulation model, parametric studies were carried out to investigate the effects of the expander characteristics and operating conditions on the cycle performance. The latter is mainly affected by the expander internal leakage and by the liquid subcooling at the condenser exhaust. A third experimental investigation was performed on a LFEC working with nitrogen as refrigerant and alkyl-benzene oil as flooding liquid. Experimental data was used to identify the parameters of the scroll compressor and expander semi-empirical models. Parametric studies were performed to identify the different factors affecting their performance. One of the undesirable features of the machines is the increase of the supply and exhaust pressure drops with the increase of oil quantity.

Conversion of a scroll compressor to an expander for organic Rankine Cycle: modeling and analysis / UOIT

O presente trabalho é dedicado ao estudo de métodos de simulação para ciclos de Rankine. O trabalho é iniciado com a modelagem de um ciclo de Rankine simples e segue evoluindo para configurações mais complexas tal como o ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração. São adotadas as considerações mais convencionais da prática de projeto de centrais termelétricas cujos sistema térmicos baseiam-se no ciclo de Rankine, incluindo-se queda de pressão em tubulações do circuito além de outras perdas. Em seguida, são estabelecidas as expressões matemáticas que possibilitam a determinação das propriedades termodinâmicas da água em seus mais diversos estados ao longo do ciclo. Por último, são desenvolvidos métodos de simulação, chamados neste trabalho de Substituição Sucessiva e Bloco Único, que caracterizam-se pela resolução simultânea do conjunto de equações algébricas dos ciclos elaborados. As simulações são efetuadas através de programas escritos na linguagem Fortran. Os métodos de simulação são aplicados para a obtenção dos resultados considerados mais importantes na análise de sistemas térmicos de potência, tais como rendimento térmico do ciclo, título na saída da turbina, vazões mássicas pelo sistema, potência nas bombas e calor trocado no gerador de vapor e no condensador Na maioria das simulações, estes resultados apresentam-se como funções da: (1) potência elétrica requerida, eficiência isentrópica e pressões na turbina; (2) eficiência térmica, pressão e temperatura no gerador de vapor; (3) pressão e grau de subresfriamento do líquido saturado no condensador e (4) eficiência isentrópica das bombas. São obtidos os mesmos resultados para os métodos de simulação utilizados. O método da Substituição Sucessiva apresentou menor tempo computacional, principalmente para configurações de ciclo mais complexas. Uma aplicação alternativa do método de Bloco Único demonstrou ser inconveniente para ciclos de configurações mais complexas devido ao elevado tempo computacional, quando todas as equações de cálculo das propriedades termodinâmicas são incluídas no sistema de equações a ser resolvido. Melhores rendimentos térmicos e título na saída da turbina foram obtidos para configurações de ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração.

O presente trabalho é dedicado ao estudo de métodos de simulação para ciclos de Rankine. O trabalho é iniciado com a modelagem de um ciclo de Rankine simples e segue evoluindo para configurações mais complexas tal como o ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração. São adotadas as considerações mais convencionais da prática de projeto de centrais termelétricas cujos sistema térmicos baseiam-se no ciclo de Rankine, incluindo-se queda de pressão em tubulações do circuito além de outras perdas. Em seguida, são estabelecidas as expressões matemáticas que possibilitam a determinação das propriedades termodinâmicas da água em seus mais diversos estados ao longo do ciclo. Por último, são desenvolvidos métodos de simulação, chamados neste trabalho de Substituição Sucessiva e Bloco Único, que caracterizam-se pela resolução simultânea do conjunto de equações algébricas dos ciclos elaborados. As simulações são efetuadas através de programas escritos na linguagem Fortran. Os métodos de simulação são aplicados para a obtenção dos resultados considerados mais importantes na análise de sistemas térmicos de potência, tais como rendimento térmico do ciclo, título na saída da turbina, vazões mássicas pelo sistema, potência nas bombas e calor trocado no gerador de vapor e no condensador Na maioria das simulações, estes resultados apresentam-se como funções da: (1) potência elétrica requerida, eficiência isentrópica e pressões na turbina; (2) eficiência térmica, pressão e temperatura no gerador de vapor; (3) pressão e grau de subresfriamento do líquido saturado no condensador e (4) eficiência isentrópica das bombas. São obtidos os mesmos resultados para os métodos de simulação utilizados. O método da Substituição Sucessiva apresentou menor tempo computacional, principalmente para configurações de ciclo mais complexas. Uma aplicação alternativa do método de Bloco Único demonstrou ser inconveniente para ciclos de configurações mais complexas devido ao elevado tempo computacional, quando todas as equações de cálculo das propriedades termodinâmicas são incluídas no sistema de equações a ser resolvido. Melhores rendimentos térmicos e título na saída da turbina foram obtidos para configurações de ciclo de Rankine com reaquecimento e regeneração.