Tesis por compendio / [ES] El agua y la energía son unos de los recursos más importantes para el desarrollo de la sociedad. El nexo entre el agua y la energía es de gran interés por su importancia dentro de los objetivos de desarrollo sostenible. Como respuesta a la búsqueda de la sostenibilidad y la mejora de la calidad de vida, se desarrollan nuevas tecnologías que permiten la recuperación de energía mediante el potencial hidráulico que existe en las redes de distribución de agua urbana o de riego. El exceso de presión, envejecimiento de las tuberías y otros factores externos, incrementan los niveles de fugas, afectando al rendimiento volumétrico en las redes de distribución de agua potable. Esta pérdida del recurso agua es sinónimo de pérdidas económicas, debido a que el caudal a inyectar para lograr satisfacer la demanda hídrica será mayor para compensar el volumen perdido por fugas. Las fugas suponen una pérdida de energía en la red, lo que obligará a incrementar la presión en las estaciones de bombeo para cumplir las presiones mínimas requeridas en las tomas, el aumento de la potencia en estos equipos generará mayores costes energéticos. La creación de energía renovable remplaza la producción de energía no renovable permitiendo la reducción de gases de efecto invernadero. La presente tesis tiene como objetivo principal desarrollar estrategias hidráulicas para mejorar la recuperación de energía en los sistemas de distribución de agua considerando la influencia de las fugas en el sistema, mediante la optimización de la ubicación y selección de bombas funcionando como turbinas (PATs). El cumplimiento del objetivo de esta tesis requirió de la elaboración de cuatro artículos publicados, que permitieron (i) la contextualización sobre las fugas, demostrar los métodos de cálculo existentes para la estimación de las fugas en las redes de distribución y su influencia en el rendimiento volumétrico de los sistemas. En este punto se analizó 45 redes de distribución de agua con fugas y 17 redes donde se habían instalado PATs, lo que permitió definir diferentes indicadores claves de rendimiento (KPIs) y caracterizar el estado de las redes; (ii) la propuesta de de diferentes expresiones de regresión que permitan definir las tres curvas operaciones cuando las PATs operan bajo la estrategia de velocidad de rotación variable, estas son: curva de altura de mejor eficiencia (BEH), curva de mejor altura de potencia (BPH) y curva de mejor flujo de potencia (BPF); (iii) la propuesta de una metodología que permita definir la ubicación y la selección del sistema de recuperación de energía, a través de un procedimiento de simulación de doble recocido en una red de riego; y (iii) la aplicación y mejora de la metodología en una red de abastecimiento de agua urbana. / [CA] L'aigua i l'energia són uns dels recursos més importants per al desenvolupament de la societat. El nexe entre l'aigua i l'energia és de gran interés per la seua importància dins dels objectius de desenvolupament sostenible. Com a resposta a la cerca de la sostenibilitat i la millora de la qualitat de vida, es desenvolupen noves tecnologies que permeten la recuperació d'energia mitjançant el potencial hidràulic que existeix en les xarxes de distribució d'aigua urbana o de reg. L'excés de pressió, envelliment de les canonades i altres factors externs, incrementen els nivells de fugides, afectant el rendiment volumètric en les xarxes de distribució d'aigua potable. Aquesta pèrdua del recurs aigua és sinònim de pèrdues econòmiques, pel fet que el cabal a injectar per a aconseguir satisfer la demanda hídrica serà major per a compensar el volum perdut per fugides. Les fugides suposen una pèrdua d'energia en la xarxa, la qual cosa obligarà a incrementar la pressió en les estacions de bombament per a complir les pressions mínimes requerides en les preses, l'augment de la potència en aquests equips generarà majors costos energètics. La creació d'energia renovable reemplaça la producció d'energia no renovable permetent la reducció de gasos d'efecte d'hivernacle. La present tesi té com a objectiu principal desenvolupar estratègies hidràuliques per a millorar la recuperació d'energia en els sistemes de distribució d'aigua considerant la influència de les fugides en el sistema, mitjançant l'optimització de la ubicació i selecció de bombes funcionant com a turbines (*PATs). El compliment de l'objectiu d'aquesta tesi va requerir de l'elaboració de quatre articles publicats, que van permetre (i) la contextualització sobre les fugides, demostrar els mètodes de càlcul existents per a l'estimació de les fugides en les xarxes de distribució i la seua influència en el rendiment volumètric dels sistemes. En aquest punt es va analitzar 45 xarxes de distribució d'aigua amb fugides i 17 xarxes on s'havien instal·lat *PATs, la qual cosa va permetre definir diferents indicadors claus de rendiment (*KPIs) i caracteritzar l'estat de les xarxes; (*ii) la proposta de de diferents expressions de regressió que permeten definir les tres corbes operacions quan les *PATs operen sota l'estratègia de velocitat de rotació variable, aquestes són: corba d'altura de millor eficiència (*BEH), corba de millor altura de potència (*BPH) i corba de millor flux de potència (*BPF); (*iii) la proposta d'una metodologia que permeta definir la ubicació i la selecció del sistema de recuperació d'energia, a través d'un procediment de simulació de doble recuit en una xarxa de reg; i (*iii) l'aplicació i millora de la metodologia en una xarxa de proveïment d'aigua urbana. / [EN] Water and energy are some of the most important resources for the development of society. The nexus between water and energy is of great interest due to its importance within the sustainable development goals. In response to the search for sustainability and the improvement of quality of life, new technologies are developed that allow the recovery of energy through the hydraulic potential that exists in the urban or irrigation water distribution networks. Excess pressure, pipe aging and other external factors increase leak levels, affecting volumetric performance in drinking water distribution networks. This loss of water resources is synonymous with economic losses, since the flow to be injected to satisfy the water demand will be greater to compensate for the volume lost due to leaks. Leaks mean a loss of energy in the network, which will force an increase in the pressure in the pumping stations to meet the minimum pressures required in the intakes. The increase in power in this equipment will generate higher energy costs. The creation of renewable energy replaces the production of non-renewable energy allowing the reduction of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop hydraulic strategies to improve energy recovery in water distribution systems considering the influence of leaks in the system, by optimizing the location and selection of pumps working as turbines (PATs). Fulfilling the objective of this thesis required the preparation of four published articles, which allowed (i) contextualization of leaks, demonstrating existing calculation methods for estimating leaks in distribution networks and their influence on performance volumetric systems. At this point, 45 water distribution networks with leaks and 17 networks where PATs had been installed were analyzed, which made it possible to define different key performance indicators (KPIs) and characterize the state of the networks; (ii) the proposal of different regression expressions that allow defining the three operating curves when the PATs operate under the variable rotation speed strategy, these are: best efficiency head curve (BEH), best power head curve (BPH) and best power flow curve (BPF) ; (iii) the proposal of a methodology that allows defining the location and selection of the energy recovery system, through a double annealing simulation procedure in an irrigation network; and (iii) the application and improvement of the methodology in an urban water supply network. / Macías Ávila, CA. (2022). Metodología basada en el desarrollo de estrategias de regulación para la mejora de indicadores de sostenibilidad a través de la instalación de microgeneración eléctrica en sistemas de distribución presurizados [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191525 / Compendio

[ES] En los turbocompresores con turbina de geometría variable (VGT por sus siglas en inglés) los vanos del estator se mueven a una posición cerrada para generar una contrapresión durante el modo de frenado del motor. De este modo, se generan ondas de choque en el estator. Además, en otras aplicaciones donde se utilizan turbinas radiales como en ciclos reversos de Brayton para refrigeración, ciclos orgánicos Rankine, y en las turbinas para la unidad de potencia auxiliar, dependiendo de las condiciones de operación, pueden aparecer condiciones sónicas y ondas de choque. El presente trabajo se centra en el estudio del comportamiento del flujo a través de una turbina de geometría variable de un turbocompresor comercial en condiciones fuera de diseño alcanzando condiciones de choque. Se ha realizado un análisis detallado del patrón de flujo dentro de la turbine usando simulaciones CFD, identificando y cuantificando los fenómenos más importantes bajo diferentes condiciones de operación. Se han llevado a cabo simulaciones estacionarias usando Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) y no estacionarias (unsteady RANS) para obtener las características del flujo en el estator y en el rotor, además de obtener el mapa de la turbina. Los resultados CFD muestran que la región del dominio computacional donde aparecen las condiciones sónicas depende de la posición de los vanos del estator y la relación de presiones. Cuando los vanos del estator están en una posición cerrada (10% VGT), el fluido se acelera y, dependiendo de la relación de presiones, la presión estática en el lado de succión disminuye hasta cierto punto donde un incremento repentino revela la presencia de una onda de choque, la cual se expande por el espacio sin vanos. La intensidad de la onda de choque bajo la relación de presiones más altas varia con la velocidad de giro. Para analizar la interacción entre el rotor y el estator se llevaron a cabo simulaciones numéricas con los vanos del estator en una posición cerrada, 10% VGT, y en una posición más abierta, 30% VGT. El número de choques que una partícula del fluido experimenta aguas arriba del rotor está correlacionado con las pérdidas por choque del fluido. Cerca de los vanos del estator, las pérdidas de presión son altas, hacia el centro del espacio sin vanos las pérdidas disminuyen y cerca del rotor empiezan a incrementar. La interacción entre el rotor y el estator crea ondas de choque cuya intensidad depende de la posición del borde de ataque del rotor y de la velocidad de giro. A la velocidad de giro más alta, ocurren fluctuaciones en la carga cerca del borde de ataque, las cuales pueden comprometer la integridad de la pala. Cuando la turbina tiene los vanos del estator abiertos (80% VGT) y opera a la relación de presión más alta seleccionada, las condiciones de choque aparecen en el plano del borde de fuga del rotor. Además, el desarrollo del área chocada depende de la velocidad de giro y de las fugas en la punta del álabe. Así, se investigó los efectos de las fugas en la punta del alabe sobre el flujo principal bajo condiciones sónicas disminuyendo e incrementando el intersticio entre la punta del álabe y la carcasa hasta un 50% en base a la geometría dada por el fabricante. El flujo a través de este espacio se acelera para posteriormente mezclarse con el flujo principal y generar un vórtice. Los efectos del vórtice sobre el flujo en el plano ubicado en el borde de fuga del rotor cuando el intersticio varía son más significativos a altas velocidades que a bajas velocidades. El vórtice permanece más cerca del lado de succión a altas velocidades generando una región subsónica que incrementa con la altura del intersticio. Las fugas en la punta del álabe no afectan al flujo principal cerca del cubo cuando la turbina opera a altas y bajas velocidades. / [CA] En turbocompressors amb turbina de geometria variable (VGT per les seues sigles en anglès), les paletes de l'estàtor es mouen a una posició tancada per generar una contrapressió durant el mode de frenada del motor. D'aquesta forma, es generen unes ones de xoc en l'estàtor. A més, en altres aplicacions on s'utilitzen turbines radials com els cicles inversos de Brayton per a refrigeració, cicles orgànics de Rankine o en turbines per a la unitat de potencia auxiliar, depenent de les condicions d'operació poden aparéixer condicions sòniques i d'ones de xoc. El present treball es centra en l'estudi del comportament del flux en una turbina radial de geometria variable d'un turbocompressor comercial en condicions fora de disseny, arribant a condicions de xoc. S'ha realitzat un anàlisi detallat del patró de flux dins d'aquestes turbines utilitzant simulacions CFD, identificant i quantificant els fenòmens més importants a diferents condicions d'operació. S'han realitzat simulacions estacionàries utilitzant Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) i no estacionàries (Unsteady-RANS) per a obtenir les característiques del flux en l'estàtor i en el rotor, a més d'obtenir el mapa de la turbina. Els resultats CFD mostren que la regió del domini computacional on apareixen les condicions sòniques depenen de la posició de les paletes de l'estàtor i de la relació de pressions. Quan les paletes de l'estàtor estan en una posició tancada (10% VGT), el flux s'accelera i, depenent de la relació de pressions, la pressió estàtica en el costat de succió disminueix fins a cert punt on un increment brusc denota la presència d'una ona de xoc que s'expandix per l'espai sense paletes. L'intensitat de la ona de xoc a relacions de pressions elevades varia amb la velocitat de rotació. Per analitzar l'interacció entre rotor i estàtor es van realitzar simulacions numèriques amb les paletes de l'estàtor en una posició tancada, 10% VGT, i en una posició més oberta, 30% VGT. El nombre de xocs que una partícula del fluid experimenta aigües amunt del rotor està correlacionat amb les pèrdues per xoc del fluid. Prop de les paletes de l'estàtor, les pèrdues de pressión són elevades, cap al centre de l'espai sense paletes les pèrdues disminueixen i prop del rotor comencen a incrementarse. L'interacción entre rotor i estàtor crea ones de xoc amb una intensitat que depèn de la posició de la vora d'atac del rotor i de la velocitat de rotació. A la velocitat de rotació més elevada, prop de de la vora d'atac ocorren fluctuacions en la càrrega que poden comprometre la integritat de la pala. Quan la turbina té les paletes de l'estàtor obertes (80% VGT) i opera a la relació de pressió més elevada de les seleccionades, les condicions de xoc apareixen en el pla de la vora de fuga del rotor. A més, el desenvolupament de l'àrea xocada depèn de la velocitat de rotació i de les fugues en la punta de les paletes. Així, s'ha investigat els efectes de les fugues en la punta de les paletes sobre el flux principal sota condicions sòniques, disminuint i incrementant l'interstici entre la punta de la paleta i la carcasa fins un 50\% en base a la geometria donada pel fabricant. El flux en aquest espai s'accelera per a posteriorment mesclar-se amb el flux principal i generar un vòrtex. Els efectes del vòrtex sobre el flux en el pla ubicat a la vora de fuga del rotor quan l'interstici varia són més significatives a velocitats altes que a velocitats baixes. El vòrtex roman més prop del costat de succió a velocitats elevades generant una regió subsònica que incrementa amb l'altura de l'interstici. Les fugues en la punta de les paletes no afecten al flux principal prop del cub quan la turbina opera tant a altes com baixes velocitats. / [EN] In turbochargers with variable geometry turbine (VGT), the stator vanes move to a closed position to drive high exhaust back pressure during the engine braking mode. Thus, shock waves are generated at the stator. Furthermore, depending on the operational conditions in the use of radial turbines in other applications like reverse Brayton cycle for refrigeration, Organic Rankine Cycles, and gas turbine auxiliary power unit (GTAPU), sonic flow and shock waves can appear. The current work focuses on studying the flow behavior of a commercial turbocharger turbine of variable geometry at off-design conditions reaching choked flow. A detailed examination of the flow patterns within the turbine has been carried out using CFD simulations, identifying and quantifying the most important phenomena under different operational points. Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) and unsteady RANS simulations have been performed to obtain the flow structures in stator and rotor as well as the turbine map. The CFD results show that the region of the computational domain where the sonic conditions appear depends on the stator vanes position and the pressure ratio. When the stator vanes are in the closed position (10% VGT) the flow through the stator accelerates and, depending on pressure ratio, the static pressure on the suction side decreases until a certain point where a sudden increase reveals the presence of a shock wave that expands through the vaneless space. The intensity of the shock wave at higher pressure ratio varies with the rotational speed. To analyze the rotor-stator interaction, numerical simulations were carried out with the stator vanes at the closed position, 10% VGT, and at wider position, 30% VGT. The number of shocks a fluid particle experiences upstream of the rotor is correlated with the fluid shock losses. Close to the stator vanes, the pressure losses are high; toward the center of the vaneless space, they start to decrease, and close to the rotor they start to increase. The rotor-stator interaction creates shock waves, whose intensity depends on the position of the rotor leading edge and the blade speed. At higher rotational speed, load fluctuation occurs close to the leading edge, which may compromise the blade's integrity. When the turbine has the stator vanes open (80% VGT) and operates at the selected higher pressure ratio, the choking condition appears in a plane at the rotor trailing edge. Furthermore, the development of the choked area depends on the rotational speed and tip leakage. Thus, the effect of the tip leakage flow on the main flow under sonic conditions was investigated decreasing and increasing the tip gap up to 50% of the original geometry given by the manufacturer. The flow through the gap accelerates and then mixes with the main flow, generating a vortex. The effects of the vortex on the flow at the rotor trailing edge plane when the tip gap varies are more significant at higher speed than at lower speed. The vortex stays closer to the tip suction side at higher speed, generating a subsonic region that increases with the tip gap height. At higher and lower rotational speeds, the tip leakage flow does not affect the main flow close to the hub. / I would like to acknowledge the financial support received through the "Subprograma de Formación de Profesorado Universitario (FPU)". Ministerio de Universidades. FPU18/02628 and by the "FPI Subprograma 2". Universitat Politècnica de València. PAID-10-18. / Echavarría Olaya, JD. (2023). Numerical Study of a Radial Turbine of Variable Geometry at Off-Design Conditions Reaching Choked Flow [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196861

Orientador: Carlos Roberto Minussi / Resumo: Nesta pesquisa apresentam-se os principais conceitos gerais de estabilidade elétrica, assim como suas divisões e classificações, onde são desenvolvidas as condições de operação de um sistema elétrico de potência, que são relevantes nos estudos de estabilidade angular do rotor, tensão e frequência. Para os estudos de estabilidade da frequência e de tensão é preciso conhecer os equipamentos como os reguladores de tensão e frequência, em consequência é apresentada a modelagem matemática de vários componentes dinâmicos como o sistema de excitação, estabilizador do sistema de potência (PSS), sistema de regulação de velocidade, sistema de regulação de tensão (AVR), máquina síncrona, turbina a vapor e turbina hidráulica. É necessário a modelagem de eles para projetar seus respectivos controladores. Nesta pesquisa também se faz a introdução ao controlador Fuzzy e controlador PID convencional assim como os métodos de sintonia, depois projetamos um controlador que combine os dois controladores e tenha mais vantagens como o controlador híbrido PID-Fuzzy. Depois de desenvolver a modelagem do regulador de tensão e frequência, fazemos o projeto do controlador PID-Fuzzy, previamente projetado o controle PID. As simulações dos sistemas de regulação de tensão e frequência sem controlador, com controlador PID e com controlador PID-Fuzzy foram realizadas aplicando a ferramenta computacional de Matlab-Simulink no domínio do tempo contínuo e as respostas foram investigadas e discutidas. / Abstract: This research presents the main general concepts of electrical stability, as well as their divisions and classifications, where the operating conditions of an electrical power system are developed, which are relevant in the studies of angular stability of the rotor, voltage and frequency. For frequency and voltage stability studies it is necessary to know equipment such as voltage and frequency regulators, consequently the mathematical modeling of several components is presented as dynamic as the excitation system, power system stabilizer (PSS) , speed regulation system, voltage regulation system (AVR), synchronous machine, steam turbine and hydraulic turbine. We need the modeling of them to design their respective controllers. In this investigation we also do the introduction to the Fuzzy controller and conventional PID controller as well as the tuning methods then we designed a controller that combines the two controllers and has more advantages as the hybrid PID-Fuzzy controller. After developing the modeling of the voltage and frequency regulator, we design the PID-Fuzzy controller, previously designed the PID control. The simulations of the voltage and frequency regulation systems without controller, with PID controller and with PID-Fuzzy controller were performed applying the Matlab-Simulink computational tool in the continuous time domain and the answers were investigated and discussed. / Mestre

[pt] Uma Rede Organizacional Virtual é uma organização de cooperação interorganizacional, com uso intenso de Tecnologia de Informação e Comunicação, típica do ambiente globalizado. Nesta dissertação, busca-se caracterizar esse padrão de rede e propor instrumentos para seu gerenciamento. O termo Redes Organizacionais Virtuais é introduzido, a partir da caracterização e da classificação das Redes de Cooperação e das Organizações Virtuais. Propõe- se a Metodologia de Reticulação para o planejamento e formação dessas redes e explicita-se a necessidade de instrumentos de coordenação, controle e avaliação para assegurar o seu melhor desempenho. Com essa fundamentação, analisa-se a Rede de Projeto e Desenvolvimento de Turbinas a Gás - RTG, determinando-se suas características e propondo-se metodologias de planejamento, coordenação e controle para sua administração. Recomenda-se, ainda, a implementação de um sistema de informações como instrumento reticulador. / [en] A Virtual Organizational Network is an inter-organizational cooperation organization, based in Communication and Information Technology, typical of the global environment. The objective of this dissertation is to characterize this network and propose appropriate management tools for its adequate functioning. The term Virtual Organizational Network is introduced based on the characteristics and taxonomy of Cooperation Networks and Virtual Organizations. To form, consolidate and plan this network, the Reticulation Methodology is proposed. The necessity of coordination, governance and performance evaluation tools for these networks is made explicit. This constitutes the basis for the analysis of the Gas Turbine Development and Project Network- RTG. Its characteristics are identified and methodologies for its planning, coordination and governance are proposed, as well as an Information System, as instrument for reticulation.

This work presents the coupling between two different formulations applied to flow simulation and analysis of wind rotors, integral and differential formulations. First, for the integral formulation is defined a control volume where the variables problem are defined, as well as the necessaries working hypothesis, then a proposed mathematical modeling is defined. Simulations through NACA airfoils, using Computational Dynamic Fluids, are performed in order to evaluate drag and lift coefficients, to be used in the integral formulation. The Navier-Stokes equations are solved in house and the Smagorinsky turbulence model with Van Driest damping function is retained. The computational code is implemented with structured cartesian mesh, where the airfoil is modeled using the Immersed Boundary Methodology. The results of simulation through a NACA0012 airfoil are shown for several attack angles and Re = 10000. Results of energetic efficiency are presented for a horizontal axis wind turbine using the integral formulation, where the coefficients are given by differential formulations. / Este trabalho apresenta o acoplamento entre as duas formulações diferentes aplicadas à simulação do escoamento e análise de rotores eólicos, formulações integral e diferencial. Primeiramente para a formulação integral é definido um volume de controle onde as variáveis do problema são definidas, bem como as hipóteses simplificadoras necessárias, para então ser proposta uma modelagem matemática. Simulações do escoamento em aerofólios NACA, utilizando Dinâmica dos Fluidos Computacional, são realizadas a fim de determinar os coeficientes de arrasto e sustentação, os quais foram utilizados na formulação integral. As equações de Navier-Stokes são resolvidas em um código computacional e o modelo de turbulência de Smagorinsky com função de amortecimento de Van Driest é utilizado. O código computacional é implementado com uma malha cartesiana estruturada, e o aerofólio é modelado utilizando a Metodologia da Fronteira Imersa. Os resultados da simulação através de um aerofólio NACA0012 são mostrados para vários ângulos de ataque e Re = 10000. Os resultados de eficiência energética são apresentados para uma turbina eólica de eixo horizontal utilizando a formulação integral, onde os coeficientes são dados pelas formulações diferenciais. / Mestre em Engenharia Mecânica

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No. of bitstreams: 1 DissMMB.pdf: 2553777 bytes, checksum: 21e951a2087a84913403141b819234c7 (MD5) Previous issue date: 2016-02-26 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / The type and operational conditions of a bioreactor chosen during the production phase of a product of interest affect not only the morphology and growth of filamentous microorganisms but also the product itself. Still the most common process to produce bioproducts is submerged cultures in conventional stirred and aerated bioreactors, with impeller of type six flat-blade turbine, or Rushton turbine (RT), which promotes good mixing and suitable oxygen transfer, but its power consumption is high and it causes high shear rate to the broth creating a hostile environment to the microorganisms. Alternatively, an impeller of the type “Elephant Ear” (EE) is shown in the literature as a “low shear” impeller, more suitable for the cultivation of shear sensitive microorganisms. This impeller creates a mixed flow (axial and radial) of broth with down flow (EEDP) or up (EEUP) depending on its geometry. This study aimed to evaluate the best association of impellers for filamentous fungi cultures in a conventional bioreactor. Initially the volumetric coefficient of oxygen transfer (kLa) and the power consumption of seven different association of impellers were evaluated. The results obtained the factorial design methodology showed that the associations EEDP-EEUP, RT-EEDP, and EEDP-RT, showed the best results regarding the oxygen transfer and the power consumption, being up to 87% more efficient than the standard RT-RT association. Two of the better performing association and the traditional (RT-RT) were selected to be evaluated regarding the shearing, by using empirical equations and the size of the eddies, evaluated by the Kolmogorov microscale. The association that showed higher values on the Kolmogorov scale and least shearing was EEDPEEUP, with shearing up to 60% lower than the RT-RT association. In the last step the effects of shear on the morphology of the fungi Aspergillus niger was evaluated. Short-term cultures (4h) were cultivated so that the cellular growth would not harm the analysis. The results showed that on the culture that used the EEDP-EEUP association the morphological form of cell clumps predominated, while on the culture that used the RT-RT association the morphological form of branched hyphae predominated, suggesting that the RT-RT association causes more shearing and can cause irreversible damage to the fungal cells. / O crescimento celular e a morfologia de microrganismos filamentosos, bem como o produto de interesse são afetados pelo modelo de biorreator e pelas condições de operação adotadas durante a etapa de produção. O processo mais adotado industrialmente para produção de bioprodutos ainda são os cultivos submersos em biorreatores convencionais tipo tanque agitado e aerado, sendo o impelidor tipo turbina de seis pás planas ou turbina de Rushton (RT) o mais utilizado por promover boa mistura e adequada transferência de oxigênio, porém seu consumo de potência é alto além de impor alto cisalhamento ao caldo gerando um ambiente hostil ao microrganismo. Alternativamente, o impelidor tipo “orelha de Elefante” ou “Elephant ear” (EE) é apresentado na literatura como um impelidor de “baixo cisalhamento” mais adequado para o cultivo dos microrganismos sensíveis ao cisalhamento. Esse impelidor promove um escoamento misto (axial e radial) do caldo com escoamento para baixo (EEDP) ou para cima (EEUP) dependendo da sua geometria. O presente trabalho teve como objetivo avaliar as melhores associações de impelidores para cultivos de fungos filamentosos em biorreator convencional. Primeiramente sete diferentes associações foram avaliadas em relação ao coeficiente volumétrico de transferência de oxigênio (kLa) e consumo de energia. Os resultados obtidos utilizando a metodologia de planejamento experimental fatorial mostraram que as configurações EEDP-EEUP, RT-EEDP e EEDP-RT foram as que apresentaram melhores resultados em relação à transferência de oxigênio e consumo de potência, com eficiência até 87% superior à associação padrão RT-RT. Foram então selecionadas duas das associações de melhor desempenho e a tradicional (RT-RT) para serem avaliadas em relação ao cisalhamento, através de equações empíricas e em relação ao tamanho dos turbilhões, avaliado pela microescala de Kolmogorov. A associação que apresentou maiores valores para microescala de Kolmogorov e menor cisalhamento foi a EEDP-EEUP, com cisalhamento até 60% inferior que a observada quando utilizada a associação RT-RT. Na última etapa verificou-se os efeitos do cisalhamento na morfologia do fungo Aspergillus niger. Foram realizados cultivos de curta duração (4 h) para evitar que o crescimento celular prejudicasse a análise. Os resultados mostraram que no cultivo utilizando o sistema EEDP-EEUP predominou a forma morfológica de aglomerados celulares (clumps), enquanto que no cultivo com impelidores Rushton (RT-RT) predominou a forma morfológica de hifas ramificadas, sugerindo um cisalhamento mais intenso provocado por este sistema de agitação, que pode acarretar danos irreversíveis às células fúngicas.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2017-02-14T12:34:09Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DE UM TURBOGERADOR OPERANDO COM GÁS NATURAL E MISTURAS DIESEL BIODIESEL.pdf: 1608514 bytes, checksum: 4e26dca37cbcf2bb5c54b977bcf9bf48 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-02-14T12:34:09Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) AVALIAÇÃO ENERGÉTICA DE UM TURBOGERADOR OPERANDO COM GÁS NATURAL E MISTURAS DIESEL BIODIESEL.pdf: 1608514 bytes, checksum: 4e26dca37cbcf2bb5c54b977bcf9bf48 (MD5) Previous issue date: 2015-02-12 / Em 2006, a Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), através da Resolução Normativa nº 235, estabeleceu critérios e requisitos para a qualificação das centrais de cogeração de energia. Atualmente, segundo dados desta agência, existem 78 termelétricas com cogeração em operação no Brasil, totalizando mais de 2.945 MW de potência instalada. Ainda há seis unidades previstas, sendo uma em fase de construção e cinco com construções ainda não iniciadas, totalizando mais de 25 MW de potência. Os combustíveis utilizados nestas usinas são derivados dos fósseis e da biomassa. Em períodos de seca, o uso das termelétricas é de grande importância para a manutenção do sistema elétrico, e o perfeito funcionamento, junto com valores de rendimento otimizados, devem ser garantidos para que também haja redução dos danos ambientais causados por este tipo de geração. O presente trabalho analisa numericamente o comportamento térmico de uma unidade de potência com turbina a gás tomando como estudo de caso uma unidade geradora a gás da Usina Termelétrica de Camaçari (UTC) localizada no município de Dias D’Ávila, no estado da Bahia. No estudo foi analisado o funcionamento com três diferentes combustíveis (gás natural, óleo diesel e biodiesel) e os resultados comparados em termos da eficiência energética e ecológica, cujos melhores valores foram encontrados para o biodiesel puro, e posteriormente, para as misturas óleo diesel/biodiesel (até aproximadamente 50% de biodiesel), gás natural, misturas óleo diesel/biodiesel (com quantidades inferiores a 20% de biodiesel) e óleo diesel. / In 2006, the National Electricity Energy Agency (ANEEL), by Normative Resolution n. 235, established criteria and requirements for the qualification of the cogeneration power plants. Currently, according to ANEEL data, there are 78 thermal power plants with cogeneration in operation in Brazil, totaling more than 2,945 MW of installed capacity. There are six units planned, one under construction and five with construction not started yet, totaling more than 25 MW of power. Fuels used in these plants are derived from fossil and biomass. In dry periods, the use of thermal power is of great importance for the maintenance of the energy system, and the perfect operation, together with optimized performance values should be guaranteed so that there are also reducing environmental damage caused by this type of generation. This study numerically analyzes the thermal behavior of a power unit with gas turbine using as a case study a gas turbine of Thermal Power Plant of Camaçari, in the municipality of Dias D’Ávila, in the state of Bahia. In the study, the operation analysis was done with three different fuels (natural gas, diesel oil and biodiesel) and the results compared in terms of energy and ecological efficiency, whose best values were found for pure biodiesel, and later for blend diesel oil/biodiesel (up to approximately 50% of biodiesel), natural gas, mixtures diesel oil/biodiesel (with quantities less than 20% of biodiesel) and diesel oil.

[pt] Turbinas a gás são equipamentos muito complexos e caros. No caso de falha em uma turbina, há obviamente perdas diretas, mas as indiretas são normalmente muito maiores, uma vez que tal equipamento é crítico para a operação de instalações industriais, aviões e veículos pesados. Portanto, é fundamental que turbinas a gás sejam providas com um sistema eficiente de monitoramento e diagnóstico. Isto é especialmente relevante no Brasil, cuja frota de turbinas tem crescido muito nos últimos anos, devido, principalmente, ao aumento do número de usinas termelétricas e ao crescimento da aviação civil. Este trabalho propõe um Sistema de Inferência Fuzzy (SIF) com extração automática de regras para diagnóstico de desempenho de turbinas a gás aeronáuticas. O sistema proposto faz uso de uma abordagem residual – medições da turbina real são comparadas frente a uma referência de turbina saudável – para tratamento dos dados brutos de entrada para os módulos de detecção e isolamento, que, de forma hierárquica, são responsáveis por detectar e isolar falhas em nível de componentes, sensores e atuadores. Como dados reais de falhas em turbinas a gás são de difícil acesso e de obtenção cara, a metodologia é validada frente a uma base de dados de falhas simuladas por um software especialista. Os resultados mostram que o SIF é capaz de detectar e isolar corretamente falhas, além de fornecer interpretabilidade linguística, característica importante no processo de tomada de decisão no contexto de manutenção. / [en] A Gas turbine is a complex and expensive equipment. In case of a failure indirect losses are typically much larger than direct ones, since such equipment plays a critical role in the operation of industrial installations, aircrafts, and heavy vehicles. Therefore, it is vital that gas turbines be provided with an efficient monitoring and diagnostic system. This is especially relevant in Brazil, where the turbines fleet has risen substantially in recent years, mainly due to the increasing number of thermal power plants and to the growth of civil aviation. This work proposes a Fuzzy Inference System (FIS) with automatic rule extraction for gas path diagnosis. The proposed system makes use of a residual approach – gas path measurements are compared to a healthy engine reference – for preprocessing raw input data that are forwarded to the detection and isolation modules. These operate in a hierarchical manner and are responsible for fault detection and isolation in components, sensors and actuators. Since gas turbines failure data are difficult to access and expensive to obtain, the methodology is validated by using a database fault simulated by a specialist software. The results show that the SIF is able to correctly detect and isolate failures and to provide linguistic interpretability, which is an important feature in the decision-making process regarding maintenance.

[ES] El principal desafío en los motores turbina de gas empleados en aviación reside en aumentar la eficiencia del ciclo termodinámico manteniendo las emisiones contaminantes por debajo de las rigurosas restricciones. Ésto ha conllevado la necesidad de diseñar nuevas estrategias de inyección/combustión que operan en puntos de operación peligrosos por su cercanía al límite inferior de apagado de llama. En este contexto, el concepto Lean Direct Injection (LDI) ha emergido como una tecnología prometedora a la hora de reducir los óxidos de nitrógeno (NOx) emitidos por las plantas propulsoras de los aviones de nueva generación. En este contexto, la presente tesis tiene como objetivos contribuir al conocimiento de los mecanismos físicos que rigen el comportamiento de un quemador LDI y proporcionar herramientas de análisis para una profunda caracterización de las complejas estructuras de flujo de turbulento generadas en el interior de la cámara de combustión. Para ello, se ha desarrollado una metodología numérica basada en CFD capaz de modelar el flujo bifásico no reactivo en el interior de un quemador LDI académico mediante enfoques de turbulencia U-RANS y LES en un marco Euleriano-Lagrangiano. La resolución numérica de este problema multi-escala se aborda mediante la descripción completa del flujo a lo largo de todos los elementos que constituyen la maqueta experimental, incluyendo su paso por el swirler y entrada a la cámara de combustión. Ésto se lleva a cabo través de dos códigos CFD que involucran dos estrategias de mallado diferentes: una basada en algoritmos de generación y refinamiento automático de la malla (AMR) a través de CONVERGE y otra técnica de mallado estático más tradicional mediante OpenFOAM. Por un lado, se ha definido una metodología para obtener una estrategia de mallado óptima mediante el uso del AMR y se han explotado sus beneficios frente a los enfoques tradicionales de malla estática. De esta forma, se ha demostrado que la aplicabilidad de las herramientas de control de malla disponibles en CONVERGE como el refinamiento fijo (fixed embedding) y el AMR son una opción muy interesante para afrontar este tipo de problemas multi-escala. Los resultados destacan una optimización del uso de los recursos computacionales y una mayor precisión en las simulaciones realizadas con la metodología presentada. Por otro lado, el uso de herramientas CFD se ha combinado con la aplicación de técnicas de descomposición modal avanzadas (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificación numérica de los principales modos acústicos en la cámara de combustión ha demostrado el potencial de estas herramientas al permitir caracterizar las estructuras de flujo coherentes generadas como consecuencia de la rotura de los vórtices (VBB) y de los chorros fuertemente torbellinados presentes en el quemador LDI. Además, la implementación de estos procedimientos matemáticos ha permitido tanto recuperar información sobre las características de la dinámica de flujo como proporcionar un enfoque sistemático para identificar los principales mecanismos que sustentan las inestabilidades en la cámara de combustión. Finalmente, la metodología validada ha sido explotada a través de un Diseño de Experimentos (DoE) para cuantificar la influencia de los factores críticos de diseño en el flujo no reactivo. De esta manera, se ha evaluado la contribución individual de algunos parámetros funcionales (el número de palas del swirler, el ángulo de dichas palas, el ancho de la cámara de combustión y la posición axial del orificio del inyector) en los patrones del campo fluido, la distribución del tamaño de gotas del combustible líquido y la aparición de inestabilidades en la cámara de combustión a través de una matriz ortogonal L9 de Taguchi. Este estudio estadístico supone un punto de partida para posteriores estudios de inyección, atomización y combus / [CA] El principal desafiament als motors turbina de gas utilitzats a la aviació resideix en augmentar l'eficiència del cicle termodinàmic mantenint les emissions contaminants per davall de les rigoroses restriccions. Aquest fet comporta la necessitat de dissenyar noves estratègies d'injecció/combustió que radiquen en punts d'operació perillosos per la seva aproximació al límit inferior d'apagat de flama. En aquest context, el concepte Lean Direct Injection (LDI) sorgeix com a eina innovadora a l'hora de reduir els òxids de nitrogen (NOx) emesos per les plantes propulsores dels avions de nova generació. Sota aquest context, aquesta tesis té com a objectius contribuir al coneixement dels mecanismes físics que regeixen el comportament d'un cremador LDI i proporcionar ferramentes d'anàlisi per a una profunda caracterització de les complexes estructures de flux turbulent generades a l'interior de la càmera de combustió. Per tal de dur-ho a terme s'ha desenvolupat una metodología numèrica basada en CFD capaç de modelar el flux bifàsic no reactiu a l'interior d'un cremador LDI acadèmic mitjançant els enfocaments de turbulència U-RANS i LES en un marc Eulerià-Lagrangià. La resolució numèrica d'aquest problema multiescala s'aborda mitjançant la resolució completa del flux al llarg de tots els elements que constitueixen la maqueta experimental, incloent el seu pas pel swirler i l'entrada a la càmera de combustió. Açò es duu a terme a través de dos codis CFD que involucren estratègies de mallat diferents: una basada en la generación automàtica de la malla i en l'algoritme de refinament adaptatiu (AMR) amb CONVERGE i l'altra que es basa en una tècnica de mallat estàtic més tradicional amb OpenFOAM. D'una banda, s'ha definit una metodologia per tal d'obtindre una estrategia de mallat òptima mitjançant l'ús de l'AMR i s'han explotat els seus beneficis front als enfocaments tradicionals de malla estàtica. D'aquesta forma, s'ha demostrat que l'aplicabilitat de les ferramente de control de malla disponibles en CONVERGE com el refinament fixe (fixed embedding) i l'AMR són una opció molt interessant per tal d'afrontar aquest tipus de problemes multiescala. Els resultats destaquen una optimització de l'ús dels recursos computacionals i una major precisió en les simulacions realitzades amb la metodologia presentada. D'altra banda, l'ús d'eines CFD s'ha combinat amb l'aplicació de tècniques de descomposició modal avançades (Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). La identificació numèrica dels principals modes acústics a la càmera de combustió ha demostrat el potencial d'aquestes ferramentes al permetre caracteritzar les estructures de flux coherents generades com a conseqüència del trencament dels vòrtex (VBB) i dels raigs fortament arremolinats presents al cremador LDI. A més, la implantació d'estos procediments matemàtics ha permès recuperar informació sobre les característiques de la dinàmica del flux i proporcionar un enfocament sistemàtic per tal d'identificar els principals mecanismes que sustenten les inestabilitats a la càmera de combustió. Finalment, la metodologia validada ha sigut explotada a traves d'un Diseny d'Experiments (DoE) per tal de quantificar la influència dels factors crítics de disseny en el flux no reactiu. D'aquesta manera, s'ha avaluat la contribución individual d'alguns paràmetres funcionals (el nombre de pales del swirler, l'angle de les pales, l'amplada de la càmera de combustió i la posició axial de l'orifici de l'injector) en els patrons del camp fluid, la distribució de la mida de gotes del combustible líquid i l'aparició d'inestabilitats en la càmera de combustió mitjançant una matriu ortogonal L9 de Taguchi. Aquest estudi estadístic és un bon punt de partida per a futurs estudis de injecció, atomització i combustió en cremadors LDI. / [EN] Aeronautical gas turbine engines present the main challenge of increasing the efficiency of the cycle while keeping the pollutant emissions below stringent restrictions. This has led to the design of new injection-combustion strategies working on more risky and problematic operating points such as those close to the lean extinction limit. In this context, the Lean Direct Injection (LDI) concept has emerged as a promising technology to reduce oxides of nitrogen (NOx) for next-generation aircraft power plants In this context, this thesis aims at contributing to the knowledge of the governing physical mechanisms within an LDI burner and to provide analysis tools for a deep characterisation of such complex flows. In order to do so, a numerical CFD methodology capable of reliably modelling the 2-phase nonreacting flow in an academic LDI burner has been developed in an Eulerian-Lagrangian framework, using the U-RANS and LES turbulence approaches. The LDI combustor taken as a reference to carry out the investigation is the laboratory-scale swirled-stabilised CORIA Spray Burner. The multi-scale problem is addressed by solving the complete inlet flow path through the swirl vanes and the combustor through two different CFD codes involving two different meshing strategies: an automatic mesh generation with adaptive mesh refinement (AMR) algorithm through CONVERGE and a more traditional static meshing technique in OpenFOAM. On the one hand, a methodology to obtain an optimal mesh strategy using AMR has been defined, and its benefits against traditional fixed mesh approaches have been exploited. In this way, the applicability of grid control tools available in CONVERGE such as fixed embedding and AMR has been demonstrated to be an interesting option to face this type of multi-scale problem. The results highlight an optimisation of the use of the computational resources and better accuracy in the simulations carried out with the presented methodology. On the other hand, the use of CFD tools has been combined with the application of systematic advanced modal decomposition techniques (i.e., Proper Orthogonal Decomposition and Dynamic Mode Decomposition). The numerical identification of the main acoustic modes in the chamber have proved their potential when studying the characteristics of the most powerful coherent flow structures of strongly swirled jets in a LDI burner undergoing vortex breakdown (VBB). Besides, the implementation of these mathematical procedures has allowed both retrieving information about the flow dynamics features and providing a systematic approach to identify the main mechanisms that sustain instabilities in the combustor. Last, this analysis has also allowed identifying some key features of swirl spray systems such as the complex pulsating, intermittent and cyclical spatial patterns related to the Precessing Vortex Core (PVC). Finally, the validated methodology is exploited through a Design of Experiments (DoE) to quantify the influence of critical design factors on the non-reacting flow. In this way, the individual contribution of some functional parameters (namely the number of swirler vanes, the swirler vane angle, the combustion chamber width and the axial position of the nozzle tip) into both the flow field pattern, the spray size distribution and the occurrence of instabilities in the combustion chamber are evaluated throughout a Taguchi's orthogonal array L9. Such a statistical study has supposed a good starting point for subsequent studies of injection, atomisation and combustion on LDI burners. / Belmar Gil, M. (2020). Computational study on the non-reacting flow in Lean Direct Injection gas turbine combustors through Eulerian-Lagrangian Large-Eddy Simulations [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/159882