Modelling, simulation and control of desalination plant with a liquid jet ejector

U radu je prikazan metod modelovanja, simulacije i upravljanja postrojenja za desalinizaciju vode. Postrojenje za desalinizaciju vode spada u klasu postrojenja koje uparavaju slanu vodu korićenjem vodeno-parnog ejektora. U cilju validacije rezultata simulacije dinamičkog modela, razvijenog u cilju upravljanja, rezultati stacionarne simulacije postrojenja su korišćeni. Dodatno razvijen je PI kontroler koji dovodi sistem do željenih stanja pri uticaju poremećaja. Linearizovani model postrojenja je verfikovan pomoću nelinearnog dinamičkog modela. Pokazano je da navedeni pristup daje zadovoljavajuće rezultate.In this paper, modelling, simulation and control of water desalination plant is presented. The desalination plant is based on vapour compression method acquired utilizing a liquid jet ejector. Nonlinear steady-state model is developed in order to verify simplified dynamic model for control purposes. Furthermore, to design PI controller capable of guiding the system through desired states under the influence of disturbances, the linearized model of the plant has been developed and verified applying the nonlinear dynamical model. It is shown that presented approach can deliver satisfying model and tracking results

Process performances of supersonic gas ejector with variable area convergent-divergent nozzle

Суперсонични гасни ејектори су широко распрострањени у различитим деловима индустрије. Услед ограничених радних режима, примена суперсоничних гасних ејектора са константном геометријом не даје увек задовољавајуће резултате. Стога је у првом делу ове докторске дисертације представљена мотивација за истраживање перформанси и коришћење суперсоничног гасног ејектора са конвергентно- дивергентном млазницом променљивог попречног пресека, приказано на примеру примене ових уређаја у расхладном систему за десалинацију геотермалне воде. У другом делу дисертације приказан је развој модела за одређивање геометријских карактериситка конвергентно-дивергентне млазнице променљивог попречног пресека. Новоразвијена млазница се састоји од специјално профилисаног шиљка и цилиндра. Променом позиције шиљка мења се површина критичног пресека млазнице, а последично и масени проток гаса, док се однос између критичне и излазне површине попречног пресека одржава константним. Овај тип млазнице је искоришћен на примеру рада суперсоничног гасног ејектора. Валидација рада ејектора спроведена је нумерички, експериментално и упрошћеним аналитичким моделом. Добијени резултати нумеричког и упрошћеног аналитичког модела су поређени са експерименталним резултатима и исти показују задовољавајуће слагање. Просечна релативна грешка односа усисавања (ЕR) је у опсегу од 7% до 20%. Добијени резултати потврђују да су брзине погонског гаса на излазу из ејектора у сагласности са вредностим добијеним аналитичким путем. Иако се при струјању гасова у зони млазнице појављују коси ударни таласи, они немају значајнији ефекат на перформансе рада ејектора. Перформансе рада суперсоничних гасних ејектора представљене су посредством зависности ЕR за различите положаје шиљка и различите излазне притиске. Поред наведеног, сви недостаци који се тичу коришћења суперсоничног гасног ејектора са новоразвијеном млазницом променљивог попречног пресека су наглашене. У трећем делу дисертације поређене су перформансе предикције рада ејектора аналитичких модела. Криве рада и радни режими аналитичких модела су детаљно анализиране. На бази резултата добијених мерењима два суперсонична гасна ејектора са млазницом променљивог попречног пресека евалуиране су перформансе предикције коришћених аналитичких модела. Први ејектор као примарни гас користи природни гас, док други ејектор користи гас састављен комбинацијом алкана (R2 гас). За сваки од шест анализираних модела одређене су корелације ефикасности компонената. Сума апсолутних релативних грешака и корелациони однос су коришћени за процену перформанси анализираних модела. Резултати показују да је корелациони однос најбољих модела 0,76 и 0,64 за случај ејектора са природним и R2 гасом. У циљу побољшања резултата, комбиновани модел је формиран употребом алгоритма мешавине експерата. Поред тога, добијени резултати су приказани на графику чије координате представљају односе површина попречних пресека и притисака ејектора. Анализом је показано да је најбоље користити комбиновани модел у циљу предикције перформанси рада суперсоничног гасног ејектора са конвергентно- дивергентном млазницом променљивог попречног пресека.Different applications of supersonic gas ejectors are found in various parts of the industry. Due to limited operating conditions, supersonic gas ejectors with fixed geometry cannot be successfully implemented in many applications. In the first part of this dissertation on the example of multi-objective optimization of a water desalination plant with ejector refrigeration system, motivation for using supersonic ejector with a variable area nozzle is presented. In the second part of the dissertation the development of a new design methodology for a variable area convergent-divergent nozzle, to maintain a constant nozzle area ratio for different values of mass flow rates is shown. The validation of the presented model was carried out on an example supersonic ejector using experimental, numerical and analytical data. Simplified analytical (one dimensional) and computational fluid dynamics models showed satisfactory prediction performance in comparison with the experiment. The average entrainment ratio error was between 7% and 20%, respectively. Results confirmed that the velocity of the primary fluid at the nozzle outlet is in accordance with the onedimensional analysis. Although disturbances (strong and weak shock waves) are visible, their effects are negligible. Also, supersonic ejector performances are presented through relations between entrainment ratio, outlet pressure and spindle position. Disadvantages of variable area nozzle utilization in ejector applications are emphasized. Due to the complicated flow geometry of supersonic gas ejector with a variable area nozzle, performance prediction is mainly focused on costly numerical simulations. In the third part of dissertation onedimensional models for performance prediction of variable area gas ejector with a specially designed nozzle were compared. Additionally, operational lines and corresponding modes were analyzed. Two different variable area ejectors were experimentally tested. The first ejector used natural gas as motive fluid, whereas in the second one motive gas was the composition of alkane (R2 gas). Six distinct correlations of ejector component efficiencies were evaluated. Sum of absolute relative errors and correlation ratio were used as the goodness of fit criteria. The results showed that the best model has correlation ratio of 0,76 and 0,64 in the case of natural and R2 gas as motive fluids, respectively. In order to improve the prediction performances of the entrainment ratio, the mixture of experts machine learning technique was used. Moreover, the results of obtained conditional probabilities of models are visualized in space spanned by area and pressure ratios. The presented analysis showed that one model is not generally better than others and can be improved by using an ensemble of models

Development of an integrated model for congestion prediction and determination of optimal number of active channels in module

Последњих година велики број истраживања је усмерен ка предикцији саобраћајних гужви. Различите статистичке методе нису показале значајан допринос у предиктивним перформансама предикције гужви. Стога се данас све чешће користе алгоритми машинског учења у циљу постизања задовољавајућих резултата предикције. У овој дисертацији, представљена је метолодогија за класификацију гужви на бази новоразвијеног модела Гаусових условних случајних поља за стрктурну бинарну предикцију (GCRFBC). Иста је успешно имплементирана на реалне проблеме предвиђања гужви. Методлогија може бити успешно примењена на класификационе проблеме описане неусмереним графовима који се не могу ефективно решити стандардним условним случајним пољима (CRF). Новоразвијени модел, коришћен у методологији, је заснован на стандардним Гаусовим условним случајним пољима за регресију (GCRF) која су проширена латентним променљивим што даје бројне предности истом. Захваљујући латентној структури, учење и закључивање у моделу не захтева компликоване нумеричке процедуре, већ може бити решено аналитички. Поред тога, постојање латентне структуре омогућава да модел буде отворен ка даљим побољшањима. Три различита алгоритма су развијена: GCRFBCb (GCRFBC – Бајесовски), GCRFBCb-fast (GCRFBC – Бајесовски са апроксимацијом) и GCRFBCnb (GCRFBC – не-Бајесовски). Проширена метода локалне варијационе апроксимације сигмоидне функције коришћена је за решавање интеграла по латентним променљивим у Бајесовској верзији GCRFBC модела. У случају не-Бајесовског GCRFBC модела у учењу и закључивању је коришћена латентна променљива са максималном вредношћу функције густине вероватноће. Закључивање у GCRFBCb моделу је решено коришћењем Њутн-Котесовим формулама за једнодимензионалну интеграцију. Услед великог броја варијационих параметара, рачунски трошак учења је велики, стога је развијена брза верзија Бајесовског GCRFBC модела. Перформансе модела су евалуиране на синтетичким и реалним подацима. Показано је да се применом методлогије остварују боље перформансе предвиђања гужви у поређењу са неструктурним моделима. Додатно су евалуирани рачунски и меморијски трошкови. Методологија је генерализована на примере из других домена. Детаљне предности и мане свих развијених модела су наглашене. У другом делу дисертације развијенa је хибридна методлогија за предвиђање индикатора саобаћаја који се заснива на комбинацији Гаусових условних случајних поља за регресију и класификацију. Услед коришћења структурних модела, методологија се користи за предвиђање индикатора саобраћаја на више излаза који су међусобно зависни. Поред тога, обезбеђује се учење из ретких података, односно података где многи излази немају никакаву вредност (ништа). Класификациони модел служи за елиминисање излаза са вредностима ништа, док регресиони модел служи за предвиђање индикатора саобраћаја на оним излазима који немају вредност ништа. Информације о индикаторима саобраћаја омогућавају ефикасан мониторинг саобраћаја, управљање, планирање као и доношење информација које учеснике у саобраћају могу да наведу на путање где гужве могу да се заобиђу. Предности и мане новоразвијене методлогије приказане су на два примера. Први се тиче предвиђања гужви на ауто-путу E70-E75 који пролази кроз Србију, док је други проблем везан за предвиђање гужви на ски-центру Копаоник. У последњем делу дисертације развијена је методологија за3 одређивања оптималног броја активних канала у будућности. Методологија је заснована на комбинацији рекурентних неуронских мрежа, теорије редова чекања и метахеуристика у циљу одређивања оптималног броја активних канала у будућности. Методологија се базира на предвиђању интензитета долазака и одређивању интензитета опслуживања у неком периоду у будућности. Коришћењем тих интензитета у моделима теорије редова чекања, поставља се функција циља која се оптимизује посредством избора броја активних канала у модулу. Приказана су два алгоритма: први заснован на не-Бајесовском приступу одређивања броја активних канала у модулу и други заснован на Бајесовском приступу. На примеру одређивања оптималног броја наплатних рампи који треба да буде отворен у будућности на наплатној станици Врчин верификована је примена исте. Може се видети да у свим анализираним случајевима, резултати добијени новоразвијеном методологијом показују неупоредиво ниже очекиване укупне трошкове у поређењу са тренутном стратегијом отварања наплатних рампи.In the recent years, research committed in the field of congestion prediction present one of the most popular area of interest. A variety of novel methods for congestion prediction based on unstructured statistical (machine) learning have become the standard for congestion prediction. However, in this dissertaion I argue that structured machine (statistical) learning algorithms can significantly improve congestion prediction performances. In this dissertation, a Gaussian conditional random field model for structured binary classification (GCRFBC) is proposed for solving problems of congestion prediction. The model is applicable to classification problems with undirected graphs, intractable for standard classification CRFs. The model representation of GCRFBC is extended by latent variables which yield some appealing properties. Thanks to the GCRF latent structure, the model becomes tractable, efficient and open to improvements previously applied to GCRF regression models. In addition, the model allows for reduction of noise, that might appear if structures were defined directly between discrete outputs. Three different forms of the algorithm are presented: GCRFBCb (GCRGBC - Bayesian), GCRFBCbfast (GCRGBC - Bayesian approximation) and GCRFBCnb (GCRFBC - non-Bayesian). The extended method of local variational approximation of sigmoid function is used for solving empirical Bayes in Bayesian GCRFBCb variant, whereas MAP value of latent variables is the basis for learning and inference in the GCRFBCnb variant. The inference in GCRFBCb is solved by Newton-Cotes formulas for one-dimensional integration. Due to large numbers of variational parameters the computational costs of learning is significant, so fast version of GCRFBCb model is derived (GCRFBCb-fast). Models are evaluated on synthetic data and real data. It was shown that models achieve better congestion prediction performance than unstructured predictors. Furthermore, computational and memory complexity is evaluated. The generalization of the proposed models on other problems are discussed in details. Moreover, in the second part of this dissertation a hybrid model of two Gaussian Conditional Random Fields models (one recently proposed for classification, and one for regression) for inference of traffic speed, a relevant variable for traffic state estimation and travel information systems is proposed. It addresses two specifics of the problem - sparsity in traffic data and the fact that observations are not independent. It does so by combining a Gaussian conditional random field binary classification (GCRFBC) model (for gating of free-flow regimes and potentially congested traffic regimes) and a regression Gaussian conditional random field (GCRF) model with varying structure of nodes for prediction of traffic speed in dependent variables of potentially congested traffic regimes only. The information provided by the model can help in traffic monitoring, control, and planning, as well in congestion mitigation by providing information for avoiding congested routes. The proposed model is tested on two large-scale networks in Serbia, an arterial E70-E75 335km long highway stretch as well as in the ski resort Kopaonik with 55 km of ski slopes. The advantages and disadvantages of hybrid model is shown. In the last section of dissertation methodology for determination of optimal number of active channels in module is developed. Methodology is based on combination of recurrent neural networks, queuing theory and metaheuristics. Recurrent neural networks are used for prediction of arrival intensity and estimation of service intensity in some period in future. The predicted intensities are used in queuing theory models in order to develop objective function5 that has to be minimized. Two different algorithms are presented: the first one is based on nonBayesian and the second one is based on Bayesian approach. The application of methodology is presented on the example of pay toll ramp optimization on pay toll station Vrčin. In all analyzed cases the estimated total costs are significantly reduced compared to current polic

Analysis of the ejectors for hydraulic transport of different materials and mixtures

Ejektori ili mlazne pumpe u poslednje vreme nalaze sve veću primenu u različitim postrojenjima i instalacijama. Ejektori su posebno od koristi pri hidrotransportu različitih materijala. Ejektori imaju niz prednosti u odnosu na druge strujne mašine. Jednostavne su konstrukcije, nemaju pokretne delove, laki su za rukovanje i održavanje, stabilni su u radu, dozvoljavaju promenu režima rada u širokim granicama i imaju dugi vek trajanja. U ovom radu date su osnovne preporuke rada ejektora pri hidrotransportu i analiziran je rad ejektora pri usisavanju materijala različite gustine za optimalnu geometriju ejektora. Pored toga data su poređenja rada ejektora, određene geometrije, pri usisavanju peska, mulja i čiste vode, na konkretnom primeru. Prikazan o je postrojenje za hidrotransport mulja, peska i vode pri prečišćavnju kanala, bunara i kanalizacije.During the past few years ejectors have been used more often in different kind of industrial plants. Ejectors are very useful in hydraulic transport of different materials mixtures. In comparison with other flow machines ejectors have many advantages, such as simple construction, easy to maintain and operate, stable operation and long lifespan. In this article are analysed ejectors for hydraulic transport of materials with different physical properties and density. An example is given, with detail comparison of ejectors with optimal geometry and ejector with specified geometry for suction of sand, sludge and pure water. In addition installation for cleaning canals, wells and sewage is presented

Comparison of novel variable area convergent-divergent nozzle performances obtained by analytic, computational and experimental methods

Different applications of a variable area convergent-divergent nozzle are found in various parts of the industry. This paper presents the development of a new design methodology for a variable area convergent-divergent nozzle, to maintain constant nozzle area ratio for different values of mass flow rates. The validation of the presented model was carried out on an example supersonic ejector using experimental, numerical and analytical data. Analytical (one dimensional) and computational fluid dynamics models showed satisfactory prediction performance in comparison with the experiment. The average entrainment ratio error was between 10% and 7%, respectively. Results confirmed that the velocity of the primary fluid at the nozzle outlet is in accordance with the one dimensional analysis. Although disturbances (strong and weak shock waves) are visible, their effects are negligible. Also, supersonic ejector performances are presented through relations between entrainment ratio, outlet pressure and spindle position. Disadvantages of variable area nozzle utilization in ejector applications are emphasized

Comparison of novel variable area convergent-divergent nozzle performances obtained by analytic, computational and experimental methods

Different applications of a variable area convergent-divergent nozzle are found in various parts of the industry. This paper presents the development of a new design methodology for a variable area convergent-divergent nozzle, to maintain constant nozzle area ratio for different values of mass flow rates. The validation of the presented model was carried out on an example supersonic ejector using experimental, numerical and analytical data. Analytical (one dimensional) and computational fluid dynamics models showed satisfactory prediction performance in comparison with the experiment. The average entrainment ratio error was between 10% and 7%, respectively. Results confirmed that the velocity of the primary fluid at the nozzle outlet is in accordance with the one dimensional analysis. Although disturbances (strong and weak shock waves) are visible, their effects are negligible. Also, supersonic ejector performances are presented through relations between entrainment ratio, outlet pressure and spindle position. Disadvantages of variable area nozzle utilization in ejector applications are emphasized

Technological processing waste water using the dressing the ejector system for pretreament

Klanična industrija produkuje velike količine otpadnih voda, koje ugrožavaju i degradiraju prirodne prijemnike - recipijente, obzirom da se otpadne vode najčešće ispuštaju bez bilo kakvog oblika obrade ili prečišćavanja. Otpadne vode klanične industrije sa sobom nose fekalije, slamu, neprerađenu stočnu hranu, razne stomačne izlučevine, krv, masnoće, razne čvrste otpatke i druge prisutne organske materije. Mnoga primenjena tehničko-tehnološka rešenja u cilju sprečavanja ugrožavanja prirodnih recipijenata nisu dala adekvatne rezultate sa ekološkog aspekta. Rekonstrukcijom jednog sistema za predtretman klaničnih otpadnih voda primenom tehničko-tehnološkog rešenja ejektor - pumpa, ne samo da su dobijeni dobri rezultati zahtevani po projektu, nego su ukazali i na mogućnost njihove primene kod mnogih tipova agroindustrijskih otpadnih voda, naročito kod sve brojnijih malih agroindustrijskih pogona.Slaughter industry produces large amounts of waste water, which endanger and degrade the natural recipients - recipients, given that the waste vode najčešće discharged without any form of treatment or purification. Wastewater slaughter industry carry faeces, straw, unprocessed animal feed, various stomach secretions, blood, fat, a variety of solid waste and other organic matter present. Many applied technical and technological solutions in order to prevent harming the recipients are not given adequate results from the ecological aspect. The reconstruction of a system for pre-treatment and slaughter waste water by applying technological solutions ejector - pump, not only have obtained good results required by the project, but also pointed to the possibility of their use in many types of agro-industrial waste water, especially with the growing number of small agro-industrial drive

Technological processing waste water using the dressing the ejector system for pretreament

Klanična industrija produkuje velike količine otpadnih voda, koje ugrožavaju i degradiraju prirodne prijemnike - recipijente, obzirom da se otpadne vode najčešće ispuštaju bez bilo kakvog oblika obrade ili prečišćavanja. Otpadne vode klanične industrije sa sobom nose fekalije, slamu, neprerađenu stočnu hranu, razne stomačne izlučevine, krv, masnoće, razne čvrste otpatke i druge prisutne organske materije. Mnoga primenjena tehničko-tehnološka rešenja u cilju sprečavanja ugrožavanja prirodnih recipijenata nisu dala adekvatne rezultate sa ekološkog aspekta. Rekonstrukcijom jednog sistema za predtretman klaničnih otpadnih voda primenom tehničko-tehnološkog rešenja ejektor - pumpa, ne samo da su dobijeni dobri rezultati zahtevani po projektu, nego su ukazali i na mogućnost njihove primene kod mnogih tipova agroindustrijskih otpadnih voda, naročito kod sve brojnijih malih agroindustrijskih pogona.Slaughter industry produces large amounts of waste water, which endanger and degrade the natural recipients - recipients, given that the waste vode najčešće discharged without any form of treatment or purification. Wastewater slaughter industry carry faeces, straw, unprocessed animal feed, various stomach secretions, blood, fat, a variety of solid waste and other organic matter present. Many applied technical and technological solutions in order to prevent harming the recipients are not given adequate results from the ecological aspect. The reconstruction of a system for pre-treatment and slaughter waste water by applying technological solutions ejector - pump, not only have obtained good results required by the project, but also pointed to the possibility of their use in many types of agro-industrial waste water, especially with the growing number of small agro-industrial drive

Procedures of water desalination with solar energy and f-chart method

Usled ubrzanog rasta populacije, klimatskih promena uzrokovanih više decenijskim zagađivanjem životne sredine potrebe za pijaćom vodom rastu dok broj slatkih voda širom sveta opada.Moguće rešenje ovih problema nalazi se u primeni desalinizacije voda. U radu su prikazana tri tipa sistema za desalinizaciju korišćenjem solarne energije. Uz principe rada sistema navedene su prednosti i mane desalinizacije humidifikacijom, reverznom osmozom i uparavnjem. Pomoću f-chart metode izvršena je simulacija rada uparivačkog sistema za desalinizaciju korišćenjem solarne energije na geografskoj širini od 42oN, koja odgovara položaju juga Srbije. Analizirani su rezultati rada sistema i prikazani grafički u vidu udela solarne energije u ukupno potrebnoj energiji u toku godine.Due to rapid population growth, and climate change caused by environmental pollution needs for drinking water are increasing while amount of freshwater are decreasing. However possible solution for freshwater scarcity can be found in water desalination procedures. In this article three representative water desalination solar powered plants are described. Except explanation of processes it is also mentioned basic advantages and disadvantages of humidification, reverse osmosis and desalination evaporation by using solar energy. Simulation of the solar desalination system is analyzed with f-chart method monthly, located on located 42 degrees north latitude

Procedures of water desalination with solar energy and f-chart method

Usled ubrzanog rasta populacije, klimatskih promena uzrokovanih više decenijskim zagađivanjem životne sredine potrebe za pijaćom vodom rastu dok broj slatkih voda širom sveta opada.Moguće rešenje ovih problema nalazi se u primeni desalinizacije voda. U radu su prikazana tri tipa sistema za desalinizaciju korišćenjem solarne energije. Uz principe rada sistema navedene su prednosti i mane desalinizacije humidifikacijom, reverznom osmozom i uparavnjem. Pomoću f-chart metode izvršena je simulacija rada uparivačkog sistema za desalinizaciju korišćenjem solarne energije na geografskoj širini od 42oN, koja odgovara položaju juga Srbije. Analizirani su rezultati rada sistema i prikazani grafički u vidu udela solarne energije u ukupno potrebnoj energiji u toku godine.Due to rapid population growth, and climate change caused by environmental pollution needs for drinking water are increasing while amount of freshwater are decreasing. However possible solution for freshwater scarcity can be found in water desalination procedures. In this article three representative water desalination solar powered plants are described. Except explanation of processes it is also mentioned basic advantages and disadvantages of humidification, reverse osmosis and desalination evaporation by using solar energy. Simulation of the solar desalination system is analyzed with f-chart method monthly, located on located 42 degrees north latitude