A cristalização assistida por destilação com membranas (membrane distillation crystallization, MDC) se destaca como uma alternativa aos processos convencionais de cristalização evaporativa com múltiplos estágios e/ou recompressão mecânica de vapor para dessalinização de soluções aquosas concentradas com descarga zero de líquido (zero liquid discharge, ZLD) no meio ambiente. Os principais atrativos da MDC são as condições operacionais mais brandas de temperatura e pressão, o que possibilita o emprego de fontes de calor de baixa entalpia e instalações menos requisitadas mecanicamente. Entretanto, por ser um processo de separação que envolve membranas, a formação de incrustação se destaca como inconveniente. Assim sendo, grande parte dos estudos em MDC têm sido voltados para essa questão, com foco na operação de destilação com membranas (membrane distillation, MD), quando o produto de interesse é a água recuperada. Nesse contexto, esta tese amplia o conhecimento na área, sendo estudados os fundamentos de cristalização e a sua relação com parâmetros selecionados do processo. Dessa forma, estudos teórico-experimentais foram conduzidos investigando os mecanismos de cristalização predominantes nesse, de maneira a ampliar a abrangência das teorias clássicas de cristalização. No primeiro capítulo, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de apresentar os fundamentos tecnológicos, bem como as características, limitações e desafios para consolidação em escala industrial da MDC. No segundo capítulo, foi definido o conhecimento científico produzido através da especificação de objetivos. No terceiro capítulo, a operação MD na configuração DCMD (direct contact membrane distillation) foi caracterizada utilizando equações matemáticas para o cálculo do fluxo de vapor. Os valores calculados foram validados com experimentos em escala de bancada. Foi possível identificar que a difusão ordinária molecular é o mecanismo de transporte de massa dominante nos poros da membrana, e quantificar os fenômenos de polarizações de temperatura e de concentração adjacentes à superfície da membrana. No quarto capítulo, a cristalização foi integrada com a DCMD e explorada em uma unidade de bancada. Os processos elementares e acessórios de cristalização predominantes foram esclarecidos como sendo nucleação primária heterogênea (incrustação por cristalização), nucleação secundária (abrasão de cristais) e crescimento cristalino molecular (aumento de tamanho). O quinto capítulo versou sobre uma estratégia proposta para reduzir a nucleação primária heterogênea, força motriz da incrustação por cristalização na membrana. Com base nos processos elementares e acessórios de cristalização identificados, foi avaliada uma modificação na MDC, a submersão de membranas em cristalizador, a qual foi implementada em escala de bancada. Essa modificação se mostrou mais sensível à formação de incrustação, com possibilidade de se encontrar condições favoráveis, uma vez que foi possível operar o processo durante três horas sem desenvolvimento de incrustação na membrana (tempo máximo investigado), mas precisa ser melhor investigada. Por último, no sexto capítulo abordou-se a nucleação primária heterogênea, relacionando esta com a queda de fluxo de vapor e com a distribuição de sólidos formados. O equacionamento do sistema validado no terceiro capítulo foi aplicado para quantificação da supersaturação local na membrana e respectiva associação com os mecanismos de cristalização. Observou-se que o aumento de fluxo aumenta a supersaturação local, que aumenta a nucleação primária heterogênea, sendo essa responsável pela formação de cristais que permaneceram aderidos na membrana (incrustação por cristalização) e que foram soltos em solução (suspensão). Os cristais soltos em solução são predominantes. A fluidodinâmica de escoamento (geometria dos módulos de membranas) associada à supersaturação local (fluxo de vapor) impactam no desprendimento de cristais na membrana originados por nucleação primária heterogênea. Com o aumento de supersaturação local, o desprendimento de cristais em suspensão é favorecido em módulo de membranas do tipo fibras ocas, enquanto não afeta o módulo do tipo tubular. Em seu conjunto, esta tese contribui para a melhoria do entendimento de aspectos fundamentais selecionados do processo MDC e para o emprego deste conhecimento em situações de interesse prático. / Membrane distillation crystallization (MDC) stand as an alternative to conventional evaporative crystallization processes with multiple-stage evaporator and/or mechanical vapor recompression towards concentrated brine desalination aiming at zero liquid discharge (ZLD) in the environment. The major advantages of MDC are the moderate temperature and pressure conditions, which allow the use of low enthalpy heat sources and facilities less mechanically required. However, as in membrane separation processes, membrane fouling plays an important role in MDC. Therefore, most MDC studies have been focused on that, with emphasis on membrane distillation (MD) operation, when the product of interest is the recovered water. In this context, this thesis extends the knowledge in the field, wherein the crystallization fundamentals and its relation with selected process parameters were studied. Thus, theoretical and experimental approaches were carried out in order to investigate the prevailing crystallization mechanisms in the process, so the range of the current crystallization theories could be extended. In the first chapter, a literature review was carried out in order to introduce selected fundamental concepts, as well as the process characteristics, limitations and challenges for industrial consolidation. In the second chapter, the scientific knowledge produced by this work was defined in its objectives. In the third chapter, the MD operation in direct contact configuration (DCMD) was characterized using mathematical equations for the calculation of vapor flux and validated with experimental data in a bench scale unit. The dominant mechanism of mass transport in porous media was found to be the ordinary molecular diffusion and the temperature and concentration polarization effects were quantified in the vicinity of membrane surface. In the fourth chapter, the crystallization operation was integrated with DCMD and investigated in a bench scale unit. The elementary and accessory crystallization mechanisms were highlighted as heterogeneous primary nucleation (crystallization fouling), secondary nucleation (crystal abrasion) and crystalline molecular growth (increase in size). The fifth chapter describes a strategy proposed in order to reduce heterogeneous primary nucleation, the driving force of membrane crystallization fouling. Based on the featured crystallization mechanisms, a modification in the conventional MDC operation was evaluated, the submersion of membranes into the crystallizer vessel, which was implemented in a bench scale unit. The preliminary results showed that this modification is more sensitive to crystallization fouling, with possibility to find promising conditions, once it was possible to operate during three hours without development of crystallization fouling (maximum period of time investigated), but further investigation is needed. Lastly, in the sixth chapter, the primary heterogeneous nucleation mechanism was explored, associating it to flux decay and solid distribution in the unit. The system equations validated in the third chapter were applied in order to quantify the supersaturation ratio generated in the vicinity of membrane surface and respective association with crystallization mechanisms. It was observed that increasing the vapor flux, the local supersaturation ratio also increase and, as consequence, the primary heterogeneous nucleation as well. This mechanism is responsible for the formation of crystals that remained adhered on membrane surface (crystallization fouling) and released in solution (suspension). The portion of crystals loose in solution was predominantly formed. The fluid dynamic of flow (geometry of membrane module) associated with the local supersaturation ratio (vapor flux) impact in the detachment of crystals in the membrane surface, originated by heterogeneous primary nucleation. With an increase in the local supersaturation ratio, the detachment of crystals is increased in the hollow fiber membrane module, while in the tubular module the detachment of crystals does not change. As a whole, this thesis contributes to a better understanding of MDC selected fundamental aspects and to the use of this knowledge in practical situations.

O desenvolvimento de piezoeletretos, com estruturas de bolhas pré-moldadas, pelo Grupo de Alta Tensão e Materiais (GATM) da Universidade de São Paulo, abriu novas oportunidades para pesquisas relacionadas com o aprisionamento de cargas elétricas, isto por serem as cargas aprisionadas nas superfícies das bolhas as principais responsáveis pelo desempenho dos piezoeletretos. Logo o objetivo deste trabalho é estudar a influência de alguns fatores externos no aprisionamento de cargas na superfície dos polímeros. E para explorar fatores como temperatura e ação de reagentes químicos utilizados na limpeza dos filmes, foi desenvolvido, baseado no método de sensor capacitivo, um dispositivo capaz de realizar medidas sensíveis de cargas superficiais. Outro objetivo foi a implementação de uma metodologia que permita realizar medidas de forma repetitiva e segura. Por ser o material utilizado no preparo dos piezoeletretos do grupo, o principal polímero estudado neste trabalho foi o Teflon® FEP embora o dispositivo desenvolvido permita as medidas de qualquer material polimérico. / The development of new piezoelectrets with bubbles structures by the High- Voltage and Materials Group (GATM) at University of São Paulo, create new opportunities to investigate external parameters that can affect the charge storage in polymer surfaces, since the efficiency of this piezoelectrets depends on the density of charges trapped on the internal surface of the bubbles. Now the aim of this work is to study the influence of a few external factors on the charges trapped over the polymer surface. To explore factors like temperature, chemical reaction due the sample cleaning, a sensitive charge measurement device based on the capacitor probe method is going to be implemented together with a methodology that allow reproducibility of the measurements. The polymer that is going to be investigated in this work is the Teflon® FEP, the same material used in the preparation of the piezoelectrets by the group. Nevertheless, this research can be extended to order polymeric materials.

Dans cette thèse ont été développés des modèles mathématiques pour les procédés de distillation membranaire à contact direct (DCMD) et avec balayage gazeux (SGMD) ainsi qu’un modèle sur l’hydrodynamique des bioréacteurs membranaires anaérobiques (AnMBRs) équipés d’un système de vibration membranaire induite (MMV). Les modèles pour la DCMD et la SGMD permettent de simuler le comportement des modules plats ou à fibres creuses sous différentes conditions opératoires, sans avoir recours aux données expérimentales ou à des équations empiriques pour les transferts de masse et de chaleur. Les modèles ont été validés avec des résultats expérimentaux et de la littérature et ont permis de déterminer l'influence de différents paramètres opérationnels et de la géométrie des modules sur les performances des procédés. Le modèle développé pour les AnMBRs équipés du système MMV permet d’étudier l’effet de la vibration membranaire sur l’hydrodynamique du réservoir. L’analyse paramétrique a permis d’étudier l’effet de la fréquence et de l’amplitude des vibrations sur la vitesse du fluide et la fraction volumique des solides dans le réservoir. Dans ce travail il a été démontré que les modèles proposés pourront être potentiellement appliqués à des études expérimentales préliminaires, l’optimisation des conditions opératoires, la conception des modules membranaires ainsi que pour l’estimation des coûts des procédés. / In this work have been developed general predictive models for direct contact membrane distillation (DCMD) and sweeping gas membrane distillation (SGMD) as well as a hydrodynamic model for anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) equipped with the induced membrane vibration (MMV) system. The DCMD and SGMD models allow simulating hollow fibre and flat sheet configurations under wide range of process conditions without empirical mass and heat transfer coefficients or laboratory experiments. The models have been validated with experimental and literature data. Indeed, the influence of operating conditions and membrane geometric characteristics on the process performance has been investigated. The model for AnMBRs with MMV studies the effect of the membrane vibration on the hydrodynamics of the AnMBR tank. The parametric study allows knowing, the effects of the vibration frequency and amplitude on the fluid velocity and volume fraction of solids. The conducted studies prove that all the proposed models would be potentially applied for the pre-experimental study, optimization of process conditions, design of membrane modules as well as for the further cost estimation of the processes.

O desenvolvimento de piezoeletretos, com estruturas de bolhas pré-moldadas, pelo Grupo de Alta Tensão e Materiais (GATM) da Universidade de São Paulo, abriu novas oportunidades para pesquisas relacionadas com o aprisionamento de cargas elétricas, isto por serem as cargas aprisionadas nas superfícies das bolhas as principais responsáveis pelo desempenho dos piezoeletretos. Logo o objetivo deste trabalho é estudar a influência de alguns fatores externos no aprisionamento de cargas na superfície dos polímeros. E para explorar fatores como temperatura e ação de reagentes químicos utilizados na limpeza dos filmes, foi desenvolvido, baseado no método de sensor capacitivo, um dispositivo capaz de realizar medidas sensíveis de cargas superficiais. Outro objetivo foi a implementação de uma metodologia que permita realizar medidas de forma repetitiva e segura. Por ser o material utilizado no preparo dos piezoeletretos do grupo, o principal polímero estudado neste trabalho foi o Teflon® FEP embora o dispositivo desenvolvido permita as medidas de qualquer material polimérico. / The development of new piezoelectrets with bubbles structures by the High- Voltage and Materials Group (GATM) at University of São Paulo, create new opportunities to investigate external parameters that can affect the charge storage in polymer surfaces, since the efficiency of this piezoelectrets depends on the density of charges trapped on the internal surface of the bubbles. Now the aim of this work is to study the influence of a few external factors on the charges trapped over the polymer surface. To explore factors like temperature, chemical reaction due the sample cleaning, a sensitive charge measurement device based on the capacitor probe method is going to be implemented together with a methodology that allow reproducibility of the measurements. The polymer that is going to be investigated in this work is the Teflon® FEP, the same material used in the preparation of the piezoelectrets by the group. Nevertheless, this research can be extended to order polymeric materials.

Submitted by Maria Medeiros (maria.dilva1@ufcg.edu.br) on 2018-07-19T11:09:50Z No. of bitstreams: 1 SÍLVIO ALVES MOREIRA - TESE (PPGEP) 2013.pdf: 2013926 bytes, checksum: 3885f27bb2f69434b23233a4b6146158 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-07-19T11:09:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SÍLVIO ALVES MOREIRA - TESE (PPGEP) 2013.pdf: 2013926 bytes, checksum: 3885f27bb2f69434b23233a4b6146158 (MD5) Previous issue date: 2013-02-02 / Capes / No planeta em que vivemos, hoje com mais de sete bilhões de habitantes, é necessário rever conceitos para melhorar o mecanismo de produção e conservação de alimentos e evitar altos custos com tratamento de efluentes gerados por desperdício de matéria. Um exemplo significativo é o caso dos abatedouros de animais, especialmente bovinos, que lançam o sangue nos corpos de água causando poluição ambiental. Para minimizar estes impactos, foi desenvolvido um sistema automatizado de secagem por atomização para produção de proteína animal com o aproveitamento do sangue bovino. O sistema de secagem automático, construído com materiais de baixo custo e fácil aquisição, em módulos com possibilidade de alterações na configuração, apresenta capacidade de evaporação de 2,6 kg.h-1 de água e facilidade na operação. Os ensaios preliminares forneceram informações para atuação nas principais causas da baixa eficiência no processo de secagem por atomização. Com as ações adotadas foram obtidos resultados satisfatórios para a proposta do projeto. As principais características do sangue em pó obtido foram: boa fluidez; granulometria adequada à reconstituição e condições para armazenamento sem a petrificação do produto com a conservação da coloração. O sangue em pó com umidade em base úmida de 4,7% apresenta uma eficiência de produção de 67% e um rendimento de coleta de pó de 77%. A principal variável controlada foi a temperatura de saída, pela manipulação da vazão da suspensão, que têm influência direta na umidade do pó obtido. / Nowadays, with more than seven billion inhabitants living in the planet it is necessary to revise concepts to improve efficiency in the mechanisms of food production within the food chain and avoid high costs of wastewater treatment and high concentrations of organic matter. A significant example is the case of animals’ slaughterhouses, especially the bovine, that shed the blood into water bodies causing environmental pollution. To minimize these effects, an automated spray drying system was developed for animal protein production making use of the bovine blood. The automatic drying system, built with materials of cost low and acquisition easy in modules with a possibility of changes in layout, points out water evaporation capacity of 2.6 kg.h-1 and operation ease. Preliminary runs provided information to operate the main causes of low efficiency in the process of spray drying process. With the adopted actions satisfactory results were obtained for the project proposes. The main results were a blood powder with a particle size suitable for reconstitution, good fluidity and storage conditions for the product preserving its color without petrifying it. The blood powder with moisture content on a wet basis of 4.7% has a production efficiency of 67% and a powder collection efficiency of 77%. The main controlled variable was the output temperature through the suspension flow rate manipulation, which has a direct influence on the moisture content of the obtained powder.

A cristalização assistida por destilação com membranas (membrane distillation crystallization, MDC) se destaca como uma alternativa aos processos convencionais de cristalização evaporativa com múltiplos estágios e/ou recompressão mecânica de vapor para dessalinização de soluções aquosas concentradas com descarga zero de líquido (zero liquid discharge, ZLD) no meio ambiente. Os principais atrativos da MDC são as condições operacionais mais brandas de temperatura e pressão, o que possibilita o emprego de fontes de calor de baixa entalpia e instalações menos requisitadas mecanicamente. Entretanto, por ser um processo de separação que envolve membranas, a formação de incrustação se destaca como inconveniente. Assim sendo, grande parte dos estudos em MDC têm sido voltados para essa questão, com foco na operação de destilação com membranas (membrane distillation, MD), quando o produto de interesse é a água recuperada. Nesse contexto, esta tese amplia o conhecimento na área, sendo estudados os fundamentos de cristalização e a sua relação com parâmetros selecionados do processo. Dessa forma, estudos teórico-experimentais foram conduzidos investigando os mecanismos de cristalização predominantes nesse, de maneira a ampliar a abrangência das teorias clássicas de cristalização. No primeiro capítulo, realizou-se uma revisão bibliográfica a fim de apresentar os fundamentos tecnológicos, bem como as características, limitações e desafios para consolidação em escala industrial da MDC. No segundo capítulo, foi definido o conhecimento científico produzido através da especificação de objetivos. No terceiro capítulo, a operação MD na configuração DCMD (direct contact membrane distillation) foi caracterizada utilizando equações matemáticas para o cálculo do fluxo de vapor. Os valores calculados foram validados com experimentos em escala de bancada. Foi possível identificar que a difusão ordinária molecular é o mecanismo de transporte de massa dominante nos poros da membrana, e quantificar os fenômenos de polarizações de temperatura e de concentração adjacentes à superfície da membrana. No quarto capítulo, a cristalização foi integrada com a DCMD e explorada em uma unidade de bancada. Os processos elementares e acessórios de cristalização predominantes foram esclarecidos como sendo nucleação primária heterogênea (incrustação por cristalização), nucleação secundária (abrasão de cristais) e crescimento cristalino molecular (aumento de tamanho). O quinto capítulo versou sobre uma estratégia proposta para reduzir a nucleação primária heterogênea, força motriz da incrustação por cristalização na membrana. Com base nos processos elementares e acessórios de cristalização identificados, foi avaliada uma modificação na MDC, a submersão de membranas em cristalizador, a qual foi implementada em escala de bancada. Essa modificação se mostrou mais sensível à formação de incrustação, com possibilidade de se encontrar condições favoráveis, uma vez que foi possível operar o processo durante três horas sem desenvolvimento de incrustação na membrana (tempo máximo investigado), mas precisa ser melhor investigada. Por último, no sexto capítulo abordou-se a nucleação primária heterogênea, relacionando esta com a queda de fluxo de vapor e com a distribuição de sólidos formados. O equacionamento do sistema validado no terceiro capítulo foi aplicado para quantificação da supersaturação local na membrana e respectiva associação com os mecanismos de cristalização. Observou-se que o aumento de fluxo aumenta a supersaturação local, que aumenta a nucleação primária heterogênea, sendo essa responsável pela formação de cristais que permaneceram aderidos na membrana (incrustação por cristalização) e que foram soltos em solução (suspensão). Os cristais soltos em solução são predominantes. A fluidodinâmica de escoamento (geometria dos módulos de membranas) associada à supersaturação local (fluxo de vapor) impactam no desprendimento de cristais na membrana originados por nucleação primária heterogênea. Com o aumento de supersaturação local, o desprendimento de cristais em suspensão é favorecido em módulo de membranas do tipo fibras ocas, enquanto não afeta o módulo do tipo tubular. Em seu conjunto, esta tese contribui para a melhoria do entendimento de aspectos fundamentais selecionados do processo MDC e para o emprego deste conhecimento em situações de interesse prático. / Membrane distillation crystallization (MDC) stand as an alternative to conventional evaporative crystallization processes with multiple-stage evaporator and/or mechanical vapor recompression towards concentrated brine desalination aiming at zero liquid discharge (ZLD) in the environment. The major advantages of MDC are the moderate temperature and pressure conditions, which allow the use of low enthalpy heat sources and facilities less mechanically required. However, as in membrane separation processes, membrane fouling plays an important role in MDC. Therefore, most MDC studies have been focused on that, with emphasis on membrane distillation (MD) operation, when the product of interest is the recovered water. In this context, this thesis extends the knowledge in the field, wherein the crystallization fundamentals and its relation with selected process parameters were studied. Thus, theoretical and experimental approaches were carried out in order to investigate the prevailing crystallization mechanisms in the process, so the range of the current crystallization theories could be extended. In the first chapter, a literature review was carried out in order to introduce selected fundamental concepts, as well as the process characteristics, limitations and challenges for industrial consolidation. In the second chapter, the scientific knowledge produced by this work was defined in its objectives. In the third chapter, the MD operation in direct contact configuration (DCMD) was characterized using mathematical equations for the calculation of vapor flux and validated with experimental data in a bench scale unit. The dominant mechanism of mass transport in porous media was found to be the ordinary molecular diffusion and the temperature and concentration polarization effects were quantified in the vicinity of membrane surface. In the fourth chapter, the crystallization operation was integrated with DCMD and investigated in a bench scale unit. The elementary and accessory crystallization mechanisms were highlighted as heterogeneous primary nucleation (crystallization fouling), secondary nucleation (crystal abrasion) and crystalline molecular growth (increase in size). The fifth chapter describes a strategy proposed in order to reduce heterogeneous primary nucleation, the driving force of membrane crystallization fouling. Based on the featured crystallization mechanisms, a modification in the conventional MDC operation was evaluated, the submersion of membranes into the crystallizer vessel, which was implemented in a bench scale unit. The preliminary results showed that this modification is more sensitive to crystallization fouling, with possibility to find promising conditions, once it was possible to operate during three hours without development of crystallization fouling (maximum period of time investigated), but further investigation is needed. Lastly, in the sixth chapter, the primary heterogeneous nucleation mechanism was explored, associating it to flux decay and solid distribution in the unit. The system equations validated in the third chapter were applied in order to quantify the supersaturation ratio generated in the vicinity of membrane surface and respective association with crystallization mechanisms. It was observed that increasing the vapor flux, the local supersaturation ratio also increase and, as consequence, the primary heterogeneous nucleation as well. This mechanism is responsible for the formation of crystals that remained adhered on membrane surface (crystallization fouling) and released in solution (suspension). The portion of crystals loose in solution was predominantly formed. The fluid dynamic of flow (geometry of membrane module) associated with the local supersaturation ratio (vapor flux) impact in the detachment of crystals in the membrane surface, originated by heterogeneous primary nucleation. With an increase in the local supersaturation ratio, the detachment of crystals is increased in the hollow fiber membrane module, while in the tubular module the detachment of crystals does not change. As a whole, this thesis contributes to a better understanding of MDC selected fundamental aspects and to the use of this knowledge in practical situations.

La loupe de thuya joue un rôle économique et social important pour le secteur artisanal marocain. Ces dernières décennies, pour répondre à une forte demande, le bois de la loupe de thuya a été surexploité entraînant une dégradation importante des forêts de thuya marocaines. Une réponse possible à cette problématique, à court terme, consiste à limiter les déchets d'usinage. Cette voie d'investigation passe par la caractérisation du matériau et notamment l'identification de son réseau de symétries matérielles. L'objectif de ce travail est donc de caractériser le bois de la loupe de thuya (Tetraclinis articulata (vahl) Masters) dont le comportement mécanique n'a pas été étudié jusqu'à présent. Pour atteindre cet objectif, on passe tout d'abord par une caractérisation multi-échelle. A l'échelle globale, la caractérisation est réalisée en étudiant la structure interne d'une loupe entière par tomographie X, et plus particulièrement la distribution des excroissances foncées caractéristiques de la loupe. Cette étude macroscopique est complétée, à l'échelle microscopique, par une analyse comparative de coupes anatomiques de bois de thuya et de loupe. À l'échelle du matériau, le bois de la loupe est caractérisé en étudiant la dispersion de sa rigidité par une méthode ultrasonore par contact direct. L'étude plus approfondie du comportement mécanique a nécessité la mise au point d'une méthode ultrasonore par contact direct sur des échantillons sphériques afin d'identifier les symétries matérielles d'un matériau. Cette méthode, appliquée au bois de la loupe de thuya, montre que la loupe a un comportement isotrope transverse. Par conséquent, il ne présente pas les mêmes symétries naturelles que le bois présent dans le tronc du même arbre. Cette méthode ne permet pas d'obtenir la matrice de rigidité complète : dans le cas d'un matériau orthotrope, elle donne accès aux 3 termes diagonaux de la matrice et à 3 combinaisons linéaires des 6 autres termes. Pour identifier complètement la matrice de rigidité, nous proposons, en perspective, l'utilisation de la Spectroscopie Ultrasonore Résonante (RUS). Le couplage de la méthode ultrasonore par contact direct développée et de la méthode RUS permettra de déterminer les symétries matérielles et la matrice de rigidité sur le même échantillon. Enfin, des coupes obtenues par tomographie X peuvent être superposées aux graphes de rigidité pour analyser la relation entre la structure interne et le comportement élastique de la loupe de thuya. / The wood of thuja burr plays an important economic and social role for the Moroccan artisanal sector. In last decades, as demand increased, thuja burr was overexploited resulting in an important degradation of Moroccan thuja forests. One possible solution, in the short term, consists in limiting waste machining. This approach requires the characterization of the material, especially of its materiel symmetries. This work aims thus at characterizing the wood of thuja burr (Tetraclinis articulata (Vahl) Masters), that was little studied up to now. First, a multi-scale characterization is proposed. At the global scale, the internal structure of an entire thuja is observed using X ray tomography, especially the distribution of dark growth elements typical of thuja burr. This macroscopic characterization is completed, at the microscopic scale, by a comparative analysis of anatomical microsections of thuja wood and thuja burr. At the material scale, the dispersion of the thuja burr stiffness is observed using a direct contact ultrasonic method. In order to progress further in the study of the mechanical anisotropy, a direct contact ultrasonic method for spherical samples is developed allowing to identify material symmetries. By applying this method to the thuja burr wood, a transverse isotropic behaviour is observed. Hence thuja burr wood does not exhibit the same natural symmetries as what is found in the trunk of the same tree. However, this method does not yield the complete stiffness matrix. In the case of an orthotropic material, it gives the access to 3 diagonal terms of the matrix and 3 linear combinations of the six other terms. The use of Resonance Ultrasound Spectroscopy (RUS) is proposed to identify the stiffness matrix completely: the coupling of the direct contact ultrasonic method developed and RUS method allows to determine the symmetries and stiffness matrix on the same sample. Finally, scanned images obtained by X-ray tomography can be superimposed on stiffness graphs to analyze the relationship between the internal structure and the elastic behavior of thuja burr.

The high specific energy consumption from all existing seawater desalination methods has heightened the motivation for having more efficient and greener desalination processes to meet the future goals of sustainable seawater desalination. One of the promising thermally-driven desalination methods is the direct-contact spray evaporation and condensation (DCSEC) where the excess enthalpy between feed and equilibrium states of evaporator chambers is exploited with reasonably high flashing efficiency. Further improvements in energy efficacy of DCSEC are boosted by firstly the incorporation of micro/nano-bubbles (M/NB) where micro or nano size subcooled vapor are embedded in the sprayed liquid droplets of evaporator, thereby lowering the temperature brine in evaporator and minimizing the thermal equilibrium effect of brine. The presence of subcooled bubbles increased the available surface area for heat transfer. Secondly, the concept of an evaporator-condenser pair of DCSEC could be extended to a multi-stage arrangement where the latent heat of vapor condensing on the water droplets sprayed within the condenser is recovered. From the experiments, the effect of incorporating the (M/NB) in the DCSEC at optimum feed flow rate yields more than 34% increase in distillate production at feed temperatures greater 47oC and the cooling inlet temperature set at 35oC. The other salient improvement found from the experiments is the increase in performance ratio (PR) up to 3.3 for a 6-stage configuration. This quantum jump in the PR is attributed to the heat recovery effect by as much as 70% of the total heat input. Arising from the DCSEC design, the implicit benefits are the low capital and operational cost, i.e., low CAPEX and OPEX. The former savings is attributed zero physical interfaces such as tube-based heat exchangers or membranes, whilst the latter savings is contributed by significant lesser use of chemicals in the pre-treatment of seawater feed. Lastly, the accompanied benefit is the robustness of the DCSEC processes where it could within stand high salinity of the brine, typically as high as 200,000 ppm.

The diploma thesis named Heat exchanger with a combined condensation deals with design of the heat exchanger with a combined condensation. The first part is a brief research about direct-contact heat exchangers. The next part describes physical principles of direct-contact heat transfer mechanisms and a method of calculation is proposed. After that the bundle with basic dimension of heat exchanger is designed. The mixing chamber is designed based on these dimension. Technical documentation of a heat exchanger with combined condensation is an integral part of the thesis.

Verlässliche Vorhersagen zum Verlauf von Störfallszenarien in Reaktorsystemen sind mit CFD-Modellen möglich, wenn diese anhand von Experimenten entwickelt und validiert sind. Motiviert durch die Vorgänge, die bei einem Thermoshock-Szenario unter Druck im Primärkreis eines Druckwasserreaktors entstehen, wurden im Rahmen dieser Arbeit Experimente zur Direktkontaktkondensation von Dampf an unterkühltem Wasser bei hohen Drücken untersucht. Der beschriebene Versuchsaufbau erlaubt es, in einer Anlage, die drei Phänomene geschichtete Strömung, Strahl und Blasenmitriss zu untersuchen. Eine umfassende Instrumentierung ermöglichte es, besonders viele Informationen aus den Experimenten zu erfassen. Verschiedene bildgebende Messverfahren erlauben einen besonderen Einblick in die Strömung ohne Rückkopplung ins Fluid zu haben. Einzelne Mess- und Auswertemethoden wurden extra für die Untersuchung entwickelt und beschrieben. Vor Allem die Messergebnisse der Strahlexperimente mit Kondensation sind umfangreich und neuartig. Die starke Turbulenz im Inneren der untersuchten Strahlen führen zu den höchsten Kondensationsraten in den vorliegenden Experimenten. Hier wurden die Strahldurchmesser-Verläufe für verschiedene Randbedingungen verglichen, um zu zeigen, wie stark die Kondensation an Strahlen vom Umgebungsdruck abhängt. Die Gas-Mitriss-Experimente sind die ersten dokumentierten Versuche dieser Art. Sie zeigen, dass das mitgerissene Gas bei Eintrittsunterkühlungen oberhalb von 10 K sofort an der Eintrittsstelle kondensiert. Es kommt nicht zur Bildung von Blasen oder zum Mitriss nach unten. Vielmehr ist ausschließlich ein negativer Meniskus zu erkennen, der eine von den Randbedingungen abhängige Geometrie hat. Je geringer die Eintritts-Unterkühlung und je höher die Strahlgeschwindigkeit ist, desto tiefer dringt der Gas-Meniskus in die Wasservorlage ein. Die Menge an mitgerissenem Gas ist auch bei hohen Geschwindigkeiten klein gegenüber der Kondensationsmenge am Strahl. Die Experimente wurden im Wesentlichen darauf ausgelegt, Daten für den Vergleich mit CFD-Simulationen zu liefern. Vor allem der Einfluss des Umgebungsdruckes auf die Strahlgeometrie und die Kondensationsrate sollte weiter untersucht und in Simulationen abgebildet werden.:1. Motivation 2. Stand von Wissenschaft und Technik 2.1. Kondensation in geschichteter Strömung 2.2. Geometrie von Freistrahlen 2.3. Kondensation am Freistrahl 2.4. Blasenmitriss 2.5. Blasenmitriss bei gleichzeitiger Kondensation 2.6. Modellierung 2.7. Anwendung der Erkenntnisse auf den Hypothetischen Störfall 3. Versuchsanlage 3.1. Messtechnik 3.1.1. Schnelle Temperaturmesstechnik 3.1.2. Hochgeschwindigkeitskamera 3.1.3. Infrarotkamera 3.1.4. Temperatur- und Druckmesslanzen 3.2. Abgeleitete Größen 3.3. Messung der Kondensationsrate 3.4. Geschwindigkeits- und Turbulenzmessung 4. Experimente und Ergebnisse 4.1. Geschichtete Strömung 4.2. Freistrahl 4.3. Gasmitriss 5. Zusammenfassung und Ausblick / Reliable predictions on the behaviour of accident scenarios in reactor systems are possible with CFD models if they have been developed and validated on the basis of experiments. Motivated by the processes that occur in a Pressurized Thermal Shock scenario in the primary circuit of a Pressurized Water Reactor, experiments on the Direct Contact Condensation of steam on subcooled water were investigated at high pressures. The described experimental setup allows to study all three phenomena: stratified flow, jet and bubble entrainment. Comprehensive instrumentation made it possible to gather a considerable amount of information from the experiments. Various imaging techniques allow a particular insight in the flow without feedback into the fluid. Some of the measurement and evaluation methods were specifically developed for the investigation and have been described. Especially the measurement results of the jet experiments with condensation are comprehensive and unique. The strong turbulence inside the examined jets results in the highest condensation rates in these experiments. Here, the jet diameter profiles were compared for different boundary conditions in order to show that condensation in jets is strongly influenced by ambient pressure. The gas entrainment experiments are the first documented experiments of their kind. They show that the entrained gas condenses immediately at the point of entrainment with inlet subcooling above 10 K. There is no formation of bubbles or entrainment downwards. Only a negative meniscus is visible, which has a geometry dependent on the boundary conditions. The lower the inlet subcooling and the higher the jet velocity, the deeper the gas meniscus penetrates into the water layer. The amount of entrained gas is small in comparison to the amount of condensation at the jet even at high velocities. The experiments were essentially designed to provide data for comparison with CFD simulations. In particular, the influence of the ambient pressure on the beam geometry and the condensation rate should be further investigated and reproduced in simulations.:1. Motivation 2. Stand von Wissenschaft und Technik 2.1. Kondensation in geschichteter Strömung 2.2. Geometrie von Freistrahlen 2.3. Kondensation am Freistrahl 2.4. Blasenmitriss 2.5. Blasenmitriss bei gleichzeitiger Kondensation 2.6. Modellierung 2.7. Anwendung der Erkenntnisse auf den Hypothetischen Störfall 3. Versuchsanlage 3.1. Messtechnik 3.1.1. Schnelle Temperaturmesstechnik 3.1.2. Hochgeschwindigkeitskamera 3.1.3. Infrarotkamera 3.1.4. Temperatur- und Druckmesslanzen 3.2. Abgeleitete Größen 3.3. Messung der Kondensationsrate 3.4. Geschwindigkeits- und Turbulenzmessung 4. Experimente und Ergebnisse 4.1. Geschichtete Strömung 4.2. Freistrahl 4.3. Gasmitriss 5. Zusammenfassung und Ausblick