Une thermofrigopompe (TFP) est une machine frigorifique qui produit du froid et de la chaleur utiles. L’objectif de ces travaux est de développer le concept de thermofrigopompe pour la production de froid et le dessalement. Le dessalement est réalisé en utilisant la chaleur rejetée au condenseur de la TFP. La technique de dessalement retenue après étude bibliographique est l’AGMD (air gap membrane distillation) pour ses températures de fonctionnement compatibles avec la température de condensation des machines frigorifiques classiques. Ce procédé de distillation a été caractérisé grâce à une installation pilote pour diverses conditions de températures, de débits, d’épaisseurs d’air gap et de compositions de solutions. Une étude de longue durée associée à une observation au MEB a permis évaluer le niveau colmatage des membranes. Un modèle numérique a ensuite été développé à partir des premiers résultats expérimentaux. Des simulations ont permis de dégager des tendances de comportement d’une machine couplée TFPMD. Enfin, un prototype a été construit à partir d’un petit réfrigérateur et d’une cellule d’AGMD fabriquée par impression 3D. Les mesures expérimentales ont permis de valider le concept de TFPMD et d’obtenir de premiers résultats de performance prometteurs. La valorisation de l’énergie thermique perdue par les équipements frigorifiques pour effectuer du dessalement semble donc une solution intéressante au manque d'eau douce qui peut survenir dans de nombreuses régions de la planète. / A heat pump or a refrigerating device produces simultaneously cooling and heating energies. The objective of this research is to develop the concept of heat pump for simultaneous cooling and desalination. Desalination is carried out by recovering the heat rejected by the condenser of the machine. The desalination technique, chosen thanks to the literature review, is AGMD (air gap membrane distillation) because of the compatibility of operating temperatures with the condensing temperature of standard heat pumps. AGMD was characterized using a pilot for different conditions of temperature, flow rate, air gap thickness and solution compositions. A long term study associated to scanning electron microscope images enabled to evaluate the fouling level of the membrane. A numerical model was then developed using the first experimental results. Simulations have revealed patterns of behaviour for a coupled heat pump and AGMD machine. Finally, a prototype was built with a small refrigerator and an AGMD cell manufactured by 3D printing. Experimental measurements were used to validate the concept of heat pump for simultaneous cooling and desalination and to obtain promising performance results. The valorization of the heat lost by refrigeration equipment for desalination seems therefore an interesting solution to overcome the lack of fresh water that can occur in many regions of the planet.

The trend toward ever-expanding variable speed induction motor applications results in the need for reliable condition monitoring and detection schemes for closed-loop motor-drive systems. This research focuses on the detection of air gap eccentricity in induction motors supplied by a vector-controlled drive. The majority of existing eccentricity detection techniques is based on monitoring fault harmonics in the stator current. This research analyzes the distribution of the eccentricity-related fault harmonics between the stator voltage and current, and points out that monitoring only the stator current is insufficient. When the motor is supplied by a vector-controlled drive, both voltage and current become modulated signals and contain fault harmonics. Either stator voltage or current can contain larger fault harmonics due to the influence of the drive controllers and the mechanical load. Therefore, a combination of monitoring both variables is necessary to ensure good detection reliability. Furthermore, with an AC drive, the motor speed and load will change widely, which changes fault harmonics too. A new detection scheme using an artificial neural network is proposed to incorporate the influence of changing operating conditions into the fault detection. This detection scheme is more reliable and cost efficient. In addition, a new off-line non-invasive eccentricity detection method is proposed by using the surge test. Simulation and experiments are conducted to validate the feasibilities of the proposed detection schemes.

Thesis (MSc (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2011. / ENGLISH ABSTRACT: Knowledge of the magnetic fields in the domain of electrical machines is required in order to model machines accurately. It is difficult to solve these fields analytically because of the complex geometries of electrical machines and the non-linear characteristics of the materials used to build them. Thus, finite element analysis, which can be used to solve the magnetic field accurately, plays an important part in the design of electrical machines. When designing electrical machines, the task of finding an optimal design is not simple because the performance of the machine has a non-linear dependence on many variables. In these circumstances, numerical optimisation using finite element analysis is the most powerful method of finding optimal designs. In this thesis, the work of improving an existing finite element simulation package, formerly known as the Cambridge package among its users, and the use of this package in the optimisation of electrical machine designs, is presented. The work involved restructuring the original package, expanding its capabilities and coupling it to numerical optimisers. The developed finite element package has been dubbed SEMFEM: the Stellenbosch Electrical Machines Finite Element Method. The Cambridge package employed the air-gap element method, first proposed by Razek et. al. [2], to solve the magnetic field for different positions of the moving component in a time-stepped finite element simulation. Because many new machine topologies have more than one air-gap, the ability to model machines with multiple air-gaps is important. The Cambridge package was not capable of this, but during the course of this work, the ability to model machines with multiple air-gaps using the air-gap element method was implemented. Many linear electrical machines have tubular, axisymmetric topologies. The functionality to simulate these machines was newly implemented because the original program was not capable of analysing these machines. Amongst other things, this involved the derivation of the coefficients of an axisymmetric air-gap element’s stiffness matrix. This derivation, along with the original air-gap element derived by Razek et. al. [2] and the extension of the method to the Cartesian coordinate system by Wang et. al. [29, 30], completes the derivation of all two-dimensional air-gap elements. In order to speed the numerical optimisation process, which is computationally expensive, parallelisation was introduced in two areas: at the level of the finite element simulation and at the level of the optimisation program. The final product is a more powerful, more usable package, geared for the optimisation of electrical machines. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Kennis van die magnetiese velde in die gebied van elektriese masjiene word benodig om masjiene akkuraat te modelleer. Dit is moeilik om hierdie velde analities op te los as gevolg die komplekse geometrieë van elektriese masjiene en die nie-lineêre karakteristieke van die materiale wat gebruik word om hulle te bou. Dus speel eindige element analise ’n belangrike rol in die ontwerp van elektriese masjiene omdat dit gebruik kan word om die magnetiese veld akkuraat te bepaal. Wanneer elektriese masjiene ontwerp word, is dit nie ’n eenvoudige taak om ’n optimale ontwerp te vind nie omdat die werkverrigting van die masjien nie-lineêr afhanklik is van baie veranderlikes. Onder hierdie omstandighede is numeriese optimering, tesame met eindige element analise, die kragtigste metode om optimale ontwerpe te vind. In hierdie tesis word die verbetering van ’n bestaande eindige element simulasie pakket, wat onder gebruikers van die pakket as die Cambridge pakket bekend staan, en die gebruik van hierdie pakket vir die optimering van elektriese masjiene, voorgelê. Die werk het die herstrukturering van die oorspronklike pakket, die uitbreiding van die pakket se vermoëns en die koppeling van die pakket aan numeriese optimeerders behels. Die ontwikkelde eindige element pakket word SEMFEM genoem: die Stellenbosch Elektriese Masjiene Finite Element Method. Die Cambridge pakket het van die lugspleet element metode, soos oorspronlik deur Razek et. al. [2] voorgestel, gebruik gemaak om die magnetiese veld vir verskillende posisies van die bewegende komponent in ’n tyd-stapsgewyse eindige element simulasie op te los. Omdat baie nuwe masjien topologieë meer as een lugspleet het, is die vermoë om masjiene met meer as een lugspleet te kan modelleer belangrik. Die Cambridge pakket was nie hier toe in staat nie, maar die vermoë om masjiene met meervoudige lugsplete te modelleer is gedurende hierdie werk geïmplementeer. Baie lineêre masjiene het tubulêre, assimmetriese topologieë. Die funksionaliteit om hierdie masjiene te simuleer is nuut geïmplementeer omdat die oorspronlike program nie in staat was om hierdie masjiene te analiseer nie. Dit het onder andere behels dat die koeffisiënte van ’n assimmetriese lugspleetelement se styfheidsmatriks afgelei moes word. Hierdie afleiding, tesame met die oorspronlike lugspleetelement afgelei deur Razek et. al. [2] en die uitbreiding na die Cartesiese koördinaatstelsel deur Wang et. al. [29, 30], voltooi die afleiding van alle twee-dimensionele lugspleet elemente. Om die numeriese optimeringsproses, wat tipies tydsgewys duur is, te versnel, is parallellisering op twee vlakke ingebring: op die vlak van die eindige element simulasie en op die vlak van die optimeringsprogram. Die finale produk is ’n kragtiger, meer bruikbare pakket, goed aangepas vir die optimering van elektriese masjiene.

Le travail de cette thèse constitue une contribution à l'étude des capteurs solaires thermiques. Ainsi, nous cherchons à comprendre les mécanismes d'écoulement et de transfert en convection naturelle interne, en géométrie tridimensionnelle dans la lame d'air d'un capteur solaire dans le but de trouver la conception optimale qui permet un contrôle thermique adéquat et une performance énergétique.Une partie de cette thèse est donc consacrée à une simulation numérique basée sur la mise au point d'un modèle de la convection naturelle dans la lame d'air de forme parallélépipédique fermée contenant de l'air et inclinée d'un angle α. Les simulations ont été faites afin de déterminer les champs de température et de vitesse sous l'influence de la variation de l'épaisseur de la lame d'air, le flux de chaleur apporté à l'absorbeur et la présence d'obstacles dans la lame d'air. Ces simulations ont été effectuées avec et sans rayonnement dans la lame d'air. Le logiciel de calcul utilisé pour cette étude est le CFD fluent, basé sur la méthode des volumes finis Les résultats obtenus montrent l'influence de l'épaisseur de lame d'air sur le régime d'écoulement ; ce dernier peut être stationnaire stable ou instationnaire. Les valeurs du coefficient du transfert thermique ont été calculées pour tous les cas étudiés et une comparaison de l'écoulement avec et sans rayonnement a été faite. / This thesis aims to study the solar thermal collectors. Thus, we seek to understand the mechanisms of natural convective heat transfer in the air gap of a solar collector, in order to find an optimal design which allows adequate thermal control and energy performance.Part of this thesis is devoted to the numerical simulation using fluent, based on the development of natural convection model in an inclined parallelepiped air gap of solar collector. Fluent CFD software is based on the finite volume method. The simulations were carried out to determine the velocity and temperature fields under the effect of the air gap thicknesses, the heat flux provided to the absorber and the presence of obstacles in the air gap. The results show the effect of the air gap thickness on the flow regime, which can be steady or unsteady. These simulations were performed with and without the coupling of convection-radiation in the air gap. Values of the coefficient of heat transfer was calculated for different cases and a comparison for both cases with and without taking into account radiation was made. The numerical study was followed by an experimental work based on the study of solar collector. To reduce heat losses, experiments were carried out to evaluate the thermal behavior of solar collector under external conditions (sunshine, temperature...etc) and the coolant flow rate for various gap air thicknesses. The results show the effect of the air gap thickness on the thermal performance and the importance of having an optimum thickness for better performance. Similarly, the introduction of barriers also contributes to improve the performance of the solar collector.

This thesis presents investigations on air-cooled air gap membrane distillation for desalination and the application of radial waveguides based on total internal reflection for solar thermal desalination. Using an air-cooled design for an air gap membrane distillation (AGMD) process may result in significantly lower energy requirements for desalination. Experiments were conducted on AGMD module to study the effect of air gap, support mesh conductivity and hydrophobicity, condensing surface hydrophobicity. A novel modular design was used in which modules could be used in a series configuration to increase the flux value for the distillate. The output from the series configuration was found to have about three times the production from a single pass water-cooled system with the same temperature difference between the saline and clear water streams. The results also indicated that the mesh conductivity had a favorable effect on the flux value whereas the hydrophobicity of the mesh had no significant effect. The hydrophobicity of the condensing surface was favorable on two accounts: first, it led to an increase in the flux of the distillate at temperatures below 60 °C and second, the temperature difference of the saline feed when it enters and leaves the module is lower which can lead to energy savings and higher yields when used in a series configuration. The second part of the thesis considers use of low-cost radial waveguides to collect and concentrate solar energy for use in thermal desalination processes. The optical-waveguide-based solar energy concentrators are based on total internal reflection and minimize/eliminate moving parts, tracking structures and cost. The use of optical waveguides for thermal desalination is explored using an analytical closed-form solution for the coupled optical and thermal transport of solar irradiation through a radial planar waveguide concentrator integrated with a central receiver. The analytical model is verified against and supported by computational optical ray tracing simulations. The effects of various design and operating parameters are systematically investigated on the system performance, which is quantified in terms of net thermal power delivered, aperture area required and collection efficiency. Design constraints like thermal stress, maximum continuous operation temperature and structural constraints have been considered to identify realistic waveguide configurations which are suitable for real world applications. The study provides realistic estimates for the performance achievable with radial planar waveguide concentrator-receiver configuration. In addition to this, a cost analysis has been conducted to determine the preferred design configurations that minimize the cost per unit area of the planar waveguide concentrator coupled to the receiver. Considering applications to thermal desalination which is a low temperature application, optimal design configuration of waveguide concentrator-receiver system is identified that result in the minimum levelized cost of power (LCOP). / Master of Science

Le transfert de masse et de chaleur dans les vêtements est un phénomène faisant appel àdifférents mécanismes physiques : les échanges de chaleurs sèches et les transferts de vapeur etde liquide. Ces mécanismes sont fortement influencés par les facteurs liés à la construction, laforme du vêtement par rapport à celle du corps et l’utilisation du vêtement. Ces facteurs peuventêtre optimisés en changeant la taille et la forme des différentes couches d’air emprisonnées entrela peau et les vêtements. La plupart des modèles mathématiques de vêtements font l’hypothèse que l’épaisseur d’air entrela peau et l’étoffe est uniforme, ou alors ils l’ignorent. La non-uniformité et de la non-linéaritédes transferts de chaleur et d’eau ne sont alors pas prises en compte. En effet, le processus detranspiration dépend non seulement de l’aire de contact et de l’épaisseur d’air emprisonnée entrela peau et le vêtement mais également de la région du corps. Nous proposons une méthode permettant de déterminer, avec une plus grande précision que lestechniques existantes, l’épaisseur d’air et l’aire de contact entre le corps et un vêtement à l’aided’une analyse avancée de scans 3D d’un mannequin homme nu et habillé. L’effet du tauxd’humidité sur l’aire de contact et l’épaisseur du film d’air a été étudié en fonction de la zone ducorps et ceci pour différentes tailles, structures de l’étoffe et fibres. Cette méthode contribue àévaluer de façon plus réaliste les échanges de masse et de chaleur au travers de plusieurs couchesde vêtements et ainsi de fournir des données d’entrée précises aux modèles pour la conception devêtements avec prise en compte du confort et de l’ergonomie. / The heat and mass transfer within the clothing system is a composition of a number of physicalprocesses, such as: dry heat and vapour and liquid water transfer. Factors associated with theconstruction and use of the garment, such as body posture and movement, and clothing fitinfluence these processes significantly. This is achieved mainly by changing the size and theshape of the different layers of air trapped between the skin and clothing. Most existing mathematical clothing models assume uniform air gap between the body and fabric layers or ignore it. However, this approach disregards the non-uniform and non-linear heat,vapour and liquid water transfer, which depend on presence of contact between surfaces and onthe shape of the air layers trapped within clothing and the body regions which are not equivalentin terms of sweating process. In this study, we propose a method to accurately determine the air gap thickness and the contactarea between clothing and the human body through an advanced analysis of 3D body scans of thenude and dressed body of a male manikin. This method allowed more accurate measurement ofthe air gap thickness and the contact area than other existing methods. Additionally, in two casestudies the effect of garment design and moisture gain in fabric combined with effects of bodypart, garment type and its overall and regional fit, fabric structure and fibre type were determined.Consequently, this method will contribute to a more realistic evaluation of heat and massexchange rates through clothing systems and provide more accurate input for ergonomic andcomfort design of clothing.

In this research work detailed parallel and series equivalent circuits of a gapped iron-core shunt reactor with discretely distributed gaps are derived. The validity of the recommended equivalent circuits is verified by Finite Element Analysis and laboratory tests. Effects of fringing flux and discretely distributed gaps on inductance parameters and reactor losses are also investigated. Moving Strip Method for discretely distributed gapped shunt reactors is recommended. Two design procedures for shunt reactor with discretely distributed gaps are developed within the scope of this thesis. A simple and practical design approach is also developed which does not need any Finite Element Analysis software. This practical method is very useful for design engineers and researchers. The results of practical design approach are shown to be in good agreement with Finite Element Analysis and experimental work.

In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Verfahren zur Dünnschichtverkappung von oberflächennahen Mikrostrukturen vorgestellt. Ausgehend von den speziellen Anforderungen an die Verkappung oberflächennaher Mikrostrukturen, insbesondere von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis, wurden die Verwendung eines Fluor-Kohlenstoff-Polymers als Opferschichtmaterial und die Eignung unterschiedlicher Schichtstapel zur Realisierung der Dünnschichtkappe untersucht. Die resultierende Technologie ermöglicht eine durchgehend trockenchemische Prozessierung. Für die Abschätzung der notwendigen Schichtdicken und den geometrischen Entwurf der Kappenstrukturen, wurden auf Basis der Plattentheorie analytische und numerische Modelle erstellt. Verschiedene Materialkombinationen bestehend aus Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminium wurden hinsichtlich ihrer mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften untersucht und bewertet. Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung und Optimierung der Opferschichtprozesse, sowie deren Integration in die Gesamttechnologie. Die Eignung der plasmagestützten Prozesse zur Abscheidung und Strukturierung des Opferpolymers wurde durch die Fertigung von verkapselten Beschleunigungssensoren nachgewiesen. Ein ausreichender hermetischer Verschluss der Dünnschichtkappe konnte durch die Messung der viskosen Dämpfung an Feder-Masse-Schwingern bestätigt werden.

The object of the final work is the magnetic field of the synchronous salient-pole reluctance micro motor and distribution of it in the air gap. The analysis of the magnetic field distribution have been made with three rotor variants: an isosceles rotor, a rotor with an arched slot of, a rotor with a rectangular slot, using a specialized field counting program - “QuickField” 4.2 Beta 1 student version. In the study, the influence of the rotor slot and the constructional air spacing to the distribution of the magnetic flux density in the air gap when the angular position of the rotor alternates from 0 to 900, every 300 was analysed. The distribution and the alternation of the magnetic permeability in the mid-cross section of the rotor vertical to its longitudinal axis was looked at. The results of this analysis could be useful for determination of the rotor magnetic reluctance according to the longitudinal and transversal axis.

La génératrice électrique linéaire est destinée à être accouplée à une machine thermique (thermoacoustique) pour la conception d'un groupe électrogène à source de chaleur externe (Récupération de la chaleur d'une machine thermique). Cette thèse porte sur l'adaptation au fonctionnement en génératrice, plus précisément au fonctionnement en régime permanent à facteur de marche unitaire. Une attention toute particulière est portée aux aspects tribologiques liés au guidage des lames constituants les parties fixes et mobiles de la structure électromagnétique. Une revue de littérature est présentée avant de passer à une discussion théorique sur les notions fondamentales relatives au calcul électromagnétique. Les paramètres du circuit équivalent en régime permanent et le rendement de la génératrice sont calculés à partir des caractéristiques dimensionnelles et structurales de la génératrice. La conception et les performances en régime permanent de la génératrice sont validées par la méthode par éléments finis. Le modèle numérique est intégré dans un processus d’optimisation multi-objets par un ensemble des meilleurs compromis facilitant le choix de dimensionnement de la génératrice et une solution à plus haut rendement est retenue comme concept final. La validation par la méthode des éléments finis est faite avec ANSYS. La validité est vérifiée par une bonne concordance entre les résultats expérimentaux et numérique.Le principal problème rencontré dans la conception des génératrices électriques linéaires à structure polyentrefer à lames guidées ou frottantes est dans le contrôle des jeux mécaniques nécessaires pour permettre le déplacement permanent des parties mobiles. Ce problème est très difficile à contrôler en raison de l'entrefer magnétique qui doit être aussi faible que possible pour éviter de pénaliser la pression magnétique tangentielle. Les pièces mobiles sont de faible épaisseur dans la structure polyentrefer, donc moins rigide. Les lames mobiles, par conséquent, ont tendance à frotter contre les parties fixes. Le triboguidage participe à la résolution de ce problème. La tribologie est l'étude du frottement et de la lubrification appliquée aux problèmes d'usure. Son objectif est d'atténuer l'usure et le frottement dans le but d'améliorer les performances de la génératrice électrique linéaire à structure polyentrefer à lames guidées ou frottantes. Le dispositif qui permet de compenser, voire d’annuler les efforts de friction qui apparaissent entre les deux stators fixes et la lame mobile en translation a été conçu et réalisé. Ce dispositif de compensation est un système de vis de pression agissant sur les ressorts. Le principe est de reprendre exactement la force d’attraction entre la partie mobile et les stators grâce à une force d’écartement réglable (action sur un ensemble de vis de pression sur des ressorts) entre les stators. / The linear electric generator is intended to be coupled to a thermal (thermoacoustic) machine for the design of a generator set with external heat source (heat recovery of a thermal machine). This thesis deals with the adaptation to generator operation, more precisely to steady-state operation with a unit power factor. Special attention is paid to tribological aspects related to guiding the fixed and moving parts of the electromagnetic structure.A literature review is presented before moving on to a theoretical discussion on the fundamental concepts relating to electromagnetic computation. Equivalent steady-state circuit parameters and generator efficiency are calculated from the dimensional and structural characteristics of the generator. The design and steady-state performance of the generator are validated by the finite element method. The numerical computation is integrated into a multi-object optimization process by a set of the best compromises facilitating the choice of generator sizing and a high efficiency solution is retained as the final concept. Validation by the finite element method employed in ANSYS is done. Validity is verified by a good match between the experimental and numerical results.The main problem encountered in the design of linear electric generators multi air-gap structure guided or sliding plates is in the control of the mechanical clearance necessary to allow the permanent displacement of moving parts. This problem is very difficult to control because the magnetic air-gap must be as small as possible to avoid penalising the tangential magnetic pressure. The moving parts are of low thickness in the multi air-gap structure, therefore less rigid. The moving plates, therefore, tend to rub against the fixed parts. The triboguiding helps solve this problem. The tribology is the study of friction and lubrication applied to wear problems. Its objective is to reduce wear and friction in order to improve the performance of linear electric generator multi air-gap structure guided or sliding plates.The device has been designed and implemented to compensate or even cancel the friction forces that appear between the two fixed stators and the moving plate in translation. This device is a system to compensate for reaction force based on pressure screws acting on springs. The principle is to return the exact force of attraction between the mover and the stators thanks to an adjustable spacing force (the action of a set of pressure screws on springs) between the stators.