Review of experimental research on supercritical and transcritical thermodynamic cycles designed for heat recovery application

Supercritical operation is considered a main technique to achieve higher cycle efficiency in various thermodynamic systems. The present paper is a review of experimental investigations on supercritical operation considering both heat-to-upgraded heat and heat-to-power systems. Experimental works are reported and subsequently analyzed. Main findings can be summarized as: steam Rankine cycles does not show much studies in the literature, transcritical organic Rankine cycles are intensely investigated and few plants are already online, carbon dioxide is considered as a promising fluid for closed Brayton and Rankine cycles but its unique properties call for a new thinking in designing cycle components. Transcritical heat pumps are extensively used in domestic and industrial applications, but supercritical heat pumps with a working fluid other than CO2 are scarce. To increase the adoption rate of supercritical thermodynamic systems further research is needed on the heat transfer behavior and the optimal design of compressors and expanders with special attention to the mechanical integrity

Field-Trial of Machine Learning-Assisted Quantum Key Distribution (QKD) Networking with SDN

We demonstrated, for the first time, a machine-learning method to assist the coexistence between quantum and classical communication channels. Software-defined networking was used to successfully enable the key generation and transmission over a city and campus network

Experimental Demonstration of DDoS Mitigation over a Quantum Key Distribution (QKD) Network Using Software Defined Networking (SDN)

We experimentally demonstrate, for the first time, DDoS mitigation of QKD-based networks utilizing a software defined network application. Successful quantum-secured link allocation is achieved after a DDoS attack based on real-time monitoring of quantum parametersComment: Accepted for presentation in OFC 2018 Conference. M2A.

Ο ψυχισμός της εγκύου

Ο σκοπός της παρούσας έρευνας ήταν η μελέτη των παραγόντων κινδύνου και των αντιλήψεων των γυναικών, που σχετίζονται με την εμφάνιση ψυχικών διαταραχών ή συμπτωμάτων, σε πληθυσμό Ελληνίδων που διανύουν την περιγεννητική περίοδο. Η κύηση αποτελεί μια περίοδο πολλών κοινωνικών, οικονομικών, συναισθηματικών και φυσιολογικών αλλαγών επηρεάζοντας την ψυχική διάθεση της εγκύου. Είναι η περίοδος με τη μεγαλύτερη συγκέντρωση συμπτωμάτων κυρίως αγχωδών και καταθλιπτικών, αλλά και από το ευρύτερο φάσμα των ψυχικών διαταραχών, τα οποία σημειώνουν ύφεση μετά τον τοκετό. Τα ευρήματα αναδεικνύουν την κρισιμότητα του προβλήματος και υποστηρίζουν τον σχεδιασμό δράσεων πρόληψης και παρέμβασης, και τη δημιουργία εργαλείων ανίχνευσης, που δεν θα ανιχνεύουν μόνο τα υπάρχοντα συμπτώματα, αλλά και τους παράγοντες κινδύνου που έχουν υψηλή προβλεπτική ισχύ για την εμφάνιση συμπτωμάτων στο μέλλον. Μετά την κύηση συνεχίζει να υπάρχει σημαντικός κίνδυνος. Η επιλόχεια κατάθλιψη αποτελεί ένα μείζον θέμα που απασχολεί ερευνητές και ιατρούς, ιδιαίτερα τα τελευταία χρόνια. Οι έγκυες που λαμβάνουν την κατάλληλη υποστήριξη κατά τη διάρκεια της κύησης, έχουν καλύτερη ψυχική και σωματική υγεία. Αντίθετα, οι γυναίκες που στερούνται υποστήριξης παρουσιάζουν περισσότερα συμπτώματα ψυχικών διαταραχών. Οι επιπτώσεις αυτές μεταφέρονται αργότερα στη ζωή του παιδιού και έτσι αρχίζει ένας φαύλος κύκλος σημαντικών προβλημάτων. Η παρούσα εργασία, αρχικά κάνει μια ανασκόπηση των σημαντικότερων μελετών που έλαβαν χώρα τις τελευταίες δεκαετίες, τόσο στην Ελλάδα, όσο και στο εξωτερικό. Μέσα από την ανασκόπηση πραγματοποιείται διερεύνηση των παραγόντων που καθορίζουν την ποιότητα ζωής των γυναικών που βρίσκονται σε κατάσταση εγκυμοσύνης και πως αυτοί συσχετίζονται με τα επίπεδα άγχους και κατάθλιψης που βιώνουν και των πιθανών συσχετίσεων των παραπάνω με τα δημογραφικά χαρακτηριστικά τους. Το ενδιαφέρον του γυναικολόγου ή της κλινικής όπου η γυναίκα κάνει τους τακτικούς σχετικούς με την εγκυμοσύνη ελέγχους θα πρέπει να στραφεί και στην ψυχική της υγεία. Ο γυναικολόγος, το μαιευτικό προσωπικό κλπ. θα πρέπει να είναι σε θέση να πραγματοποιούν προληπτικούς ελέγχους διαμέσου των έγκυρων κλιμάκων που έχουν αναπτυχθεί και βρίσκονται υπό συνεχή εξέλιξη για να μπορούν να προληφθούν και να διαγνωστούν τυχόν καταθλιπτικές και αγχώδεις διαταραχές και έπειτα να ακολουθήσει το συντομότερο δυνατόν η παραπομπή της γυναίκας σε κάποιον ψυχολόγο/ψυχίατρο. Τα παραπάνω έχουν ως στόχο την παροχή της βέλτιστης φροντίδας.The purpose of this research is to study the risk factors and the women’s perceptions related to the onset of mental disorders or symptoms in Greek population during perinatal period. Pregnancy is a period of many social, economic, emotional and physiological changes that affect the mood of the pregnant woman. Pregnancy is a period of time which can cause numerous symptoms including depression and anxiety but also many from the broader spectrum of mental disorders which diminish after birth. The findings of this study designate the importance of the problem and support the planning of prevention and intervention as well as the development of detection tools. These will not only detect the existing symptoms but also the risk factors which have high predictive value for the onset of symptoms in the future. The post pregnancy period continues to be hazardous/fragile. Postpartum depression is a major issue for both researchers and physicians, especially during the last years. Pregnant women who receive adequate support during pregnancy have better mental and physical health. On the contrary, women who lack support develop more symptoms of mental disorders. These effects are later transferred to the child's life and thus a vicious cycle of major problems begins. The present thesis, firstly includes a systematic review of major studies that have taken place during recent decades, both in Greece and abroad. Τhe purpose of this thesis is to investigate the factors that define the quality of life of women during pregnancy, the levels of depression and anxiety that patients experience and the possible correlations of the mentioned above with demographic characteristics. The interest of the gynecologist or the clinic where women make regular pregnancy-related checks should also be involved with their mental health. The gynecologist, obstetricians etc. should be able to perform proactive controls through the valid scales that have been developed and are constantly under development in order to prevent and diagnose any depressive and anxiety disorders so as for them to follow the referral of the woman to a psychologist / psychiatrist as soon as possible.The aim of the above is to ensure the best treatment possible

Αριθμητική προσομοίωση και εργαστηριακός έλεγχος υβριδικού ενεργειακού συστήματος αφαλάτωσης: διαστασιολόγηση και καθορισμός παραμέτρων για βέλτιστη λειτουργία

A “hybrid energy desalination system” refers to a dynamical water treatment system that exhibits both continuous and discrete dynamic behavior, encompassing a larger class of systems within its structure, allowing more flexibility in modeling dynamic phenomena. In the current thesis, in order to contribute to the ongoing effort for promoting research in the area of reverse osmosis desalination combined to renewable energy sources, an investigation that addresses all the main aspects related to design, manufacturing and operation of a hybrid reverse osmosis desalination system is conducted. The investigated system is an integrated system that consists of three identical seawater reverse osmosis desalination units which intend to operate with energy from a designed, developed, installed and tested in the scope of the present thesis two- stage Organic Rankine Cycle heat-to-power engine. The main target of the present dissertation is to simulate and investigate experimentally the operation of the reverse osmosis units in variable power input, as the one deriving from solar collectors or other similar renewable energy source. The developed two- stage Organic Rankine Cycle engine uses heat to produce electrical power, based on the thermodynamic Rankine cycle and this electricity is intended to feed the reverse osmosis units.The present work is the sequel of another research that referred to the design and experimental investigation of an autonomous reverse osmosis desalination system with solar Organic Rankine Cycle engine operating at a temperature range of 60 to 80°C. The present system intents to bring the research a step forward by increasing the operation temperature range up to 130°C, using a two- stage Organic Rankine Cycle engine, in order to investigate the efficiency amelioration and with the use of three reverse osmosis desalination units, in order to operate at a wide load range and produce fresh water even at low power input. The three main components of the integrated test- rig are: the electrical heater of a capacity of 100 kWth used as the thermal source simulating for instance the solar collectors’ field (variable heat load), the designed and built two- stage Organic Rankine Cycle engine that convert the heat into electricity through the expansion of a previously compressed organic fluid and finally the three identical seawater reverse osmosis desalination units that will receive the electric power from the Organic Rankine Cycle engine and produce fresh potable water from water of high salinity in a wide operational range.A thorough simulation of all the sub- units of the integrated system leads to the detailed and careful design of each sub- system. First, the two- stage most appropriate configuration of the Organic Rankine Cycle engine is analyzed and adopted and the most efficient organic fluid (refrigerant) is selected among several candidates. The scroll expanders for the current application are carefully designed as they will be manufactured by scroll compressors’ modification, and the whole Organic Rankine Cycle Engine design is finalized. The heat cycle simulation is selected to be an electric heater of appropriate capacity for the current application and the heat transfer fluid is thoroughly investigated resulting in Methylene Glycol (MEG) to be the most suitable and efficient. The reverse osmosis unit layout is then specified based on the expected power production of the Organic Rankine Cycle Engine.All the components of each sub- system are then carefully selected and the construction and assembly of each one is realized. The reverse osmosis sub- units are market available desalination units of the same capacity and they are connected accordingly at the laboratory. The Organic Rankine Cycle engine is constructed from scratch on a common skid, including all the selected equipment (pump, evaporator, condenser etc.). Especially the scroll expanders are modified in a machine shop from market available scroll compressors in order to suit the current engine requirements. An electro- valve installed in between their connection, permits the by- pass of the first expander in order for the engine to operate at single- stage mode. When both sub- systems are installed at the laboratory, the test rig is ready for investigation.The experimental evaluation starts with the experimental testing of the reverse osmosis desalination unit. The three sub- units operate connected to the grid, for different power input (by regulating the high-pressure pump’s rotational speed), in different water salinities simulating brackish, heavy brackish and seawater quality and in different water temperatures. Case- studies of the operation of the developed reverse osmosis desalination unit consisting of several sub- units, powered by a PV system of different capacities in different locations for winter and summer and the comparison to a conventional single unit are also examined. The results of these studies intend to verify the offered flexibility of such a system.The constructed Organic Rankine Cycle engine is then thoroughly tested in many different operation conditions in order to evaluate its performance and offered flexibility of the two- stage configuration. The engine is tested connected to the grid for low operating temperature (70 to 95°C) with water as the heat transfer fluid for single and two- stage operation in several thermal power input values, regulated by the pump’s and expander(s)’s rotational speed. Then, an investigation for higher operating temperatures (110 to 130 °C) with MEG on the heat cycle is conducted. The power produced is driven to electric brakes and consumed on a thermal resistance. The two scroll expanders’ operation is separately evaluated since these components are modified and require the plotting of operation curves for reference purposes. The results of multiple tests in different operation conditions provide a very clear and precise picture of the Organic Rankine Cycle engine performance.Finally, a theoretical investigation of the integrated system operation based on the experimental results of the sub- systems is also presented. The net power production of the Organic Rankine Cycle engine both in single and two- stage operation at 120 and 130 °C (design point) is driven to the RO unit in order to examine the fresh water production from high feed water salinity and the sub- units’ operation.The complete design, construction and evaluation procedure of the sub- systems and the integrated system clearly defines the advantages of hybrid desalination systems. Moreover, the know- how gained permits the recognition and effective treatment of the technical aspects associated with such systems. Overall, the system developed is a very promising prototype which presents a sufficient and efficient operation under most of the operation conditions it is exposed to, and it is certainly an excellent springboard for further research in the field of water desalination through renewable energy sources. Recommendations for future research are provided as well as suggestions to further enhance the efficient operation of the hybrid desalination applications.Ένα «υβριδικό ενεργειακό σύστημα αφαλάτωσης» είναι ένα δυναμικό σύστημα επεξεργασίας νερού που επιδεικνύει τόσο συνεχή όσο και διακριτή δυναμική συμπεριφορά, περιλαμβάνοντας ένα ευρύτερο σύνολο συστημάτων εντός της δομής του, επιτρέποντας μεγαλύτερη ευελιξία στη μοντελοποίηση δυναμικών φαινομένων. Στην παρούσα διατριβή και με σκοπό τη συμβολή στην εξελισσόμενη προσπάθεια προώθησης της έρευνας στον τομέα της αφαλάτωσης με τη μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης συνδυασμένης με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, διεξάγεται μια εκτενής έρευνα που απευθύνεται σε όλες τις βασικές πτυχές που σχετίζονται με το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία ενός υβριδικού συστήματος αφαλάτωσης με αντίστροφη ώσμωση. Το υπό έρευνα σύστημα είναι ένα ολοκληρωμένο σύστημα που αποτελείται από τρείς πανομοιότυπες μονάδες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού με τη μέθοδο της αντίστροφης ώσμωσης οι οποίες θα λειτουργούν με την παραγόμενη ενέργεια από την σχεδιασμένη, κατασκευασμένη, εγκατεστημένη και ελεγμένη στα πλαίσια της παρούσας διατριβής διβάθμιας θερμικής μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine. Βασικός στόχος της παρούσας εργασίας είναι να προσομοιώσει και να ερευνήσει πειραματικά τη λειτουργία της μονάδας αφαλάτωσης σε μεταβλητό ενεργειακό φορτίο, σαν αυτό που προκύπτει από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας όπως για παράδειγμα οι ηλιακοί συλλέκτες. Η διβάθμια μηχανή Rankine που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί θερμότητα για να παράξει ηλεκτρική ενέργεια βασισμένη στο θερμοδυναμικό κύκλο Rankine και η ηλεκτρική αυτή ενέργεια θα τροφοδοτεί τις μονάδες της αφαλάτωσης.Η παρούσα έρευνα αποτελεί συνέχεια προηγούμενης ερευνητικής εργασίας που σχετιζόταν με το σχεδιασμό και την πειραματική αξιολόγηση ενός αυτόνομου συστήματος αφαλάτωσης με ηλιακό Οργανικό Κύκλο Rankine για λειτουργία σε θερμοκρασιακό εύρος από 60 έως 80 °C. Το παρόν σύστημα έχει σκοπό να προχωρήσει την έρευνα ένα βήμα μπροστά αυξάνοντας το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας στους 130 °C, με τη χρήση μιας διβάθμιας μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine, για τη διερεύνηση της βελτίωσης της απόδοσης και με τη χρήση πολυβάθμιας μονάδας αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης για λειτουργία σε ένα ευρύτερο πεδίο ενεργειακού φορτίου και την παραγωγή καθαρού νερού ακόμη και σε χαμηλό φορτίο. Οι τρεις βασικές συνιστώσες του πειραματικού συστήματος είναι: ο ηλεκτρικός θερμαντήρας ικανότητας 100 kWth ο οποίος χρησιμοποιείται σαν πηγή θερμότητας προσομοιάζοντας το πεδίο των ηλιακών συλλεκτών για παράδειγμα (μεταβλητό φορτίο θερμότητας), η σχεδιασμένη και κατασκευασμένη διβάθμια μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine που μετατρέπει τη θερμότητα σε ηλεκτρική ενέργεια μέσω της εκτόνωσης ενός προηγουμένως συμπιεσμένου οργανικού ρευστού και τέλος οι τρεις όμοιες υπομονάδες αφαλάτωσης θαλασσινού νερού αντίστροφης ώσμωσης που θα δεχθούν την ηλεκτρική ενέργεια από τη μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine και θα παράξουν φρέσκο πόσιμο νερό από θαλασσινό για ένα ευρύ πεδίο λειτουργίας.Η ενδελεχής προσομοίωση όλων των υποσυστημάτων οδηγεί στο λεπτομερή και προσεκτικό σχεδιασμό τους. Κατ’ αρχάς, η πλέον κατάλληλη διαμόρφωση διβάθμιου Οργανικού Κύκλου Rankine αναλύεται και υιοθετείται, και το πιο αποδοτικό οργανικό ρευστό (ψυκτικό) διαλέγεται ανάμεσα σε διάφορα υποψήφια. Οι ελικοειδείς εκτονωτές (τύπου scroll) της συγκεκριμένης εφαρμογής σχεδιάζονται με ιδιαίτερη έμφαση στα κατασκευαστικά τους χαρακτηριστικά καθώς θα προκύψουν από τροποποίηση ελικοειδών συμπιεστών. Με αυτά, ο τελικός σχεδιασμός της μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine ολοκληρώνεται. Η προσομοίωση του θερμικού κυκλώματος επιλέγεται να γίνει με τη χρήση ενός ηλεκτρικού θερμαντήρα κατάλληλης δυναμικότητας για την εφαρμογή ενώ παράλληλα επιλέγεται και το κατάλληλο ρευστό για τη μετάδοση της θερμότητας που προκύπτει να είναι η μεθυλενογλυκόλη (MEG). Ακολουθεί ο σχεδιασμός της μονάδας αντίστροφης ώσμωσης βασισμένος στην αναμενόμενη παραγωγή ενέργειας από τη μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine.Όλες οι συνιστώσες των υποσυστημάτων επιλέγονται κατόπιν ενδελεχούς έρευνας και εκτίμησης και πραγματοποιείται η κατασκευή και συναρμολόγησή τους. Οι υπομονάδες της μονάδας αντίστροφης ώσμωσης είναι μονάδες αφαλάτωσης ίδιας δυναμικότητας, διαθέσιμες στο εμπόριο οι οποίες εγκαθιστώνται και συνδέονται στο εργαστήριο κατάλληλα μεταξύ τους. Η μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine κατασκευάζεται από το μηδέν, σε κοινό πλαίσιο που περιλαμβάνει όλο τον επιλεγμένο εξοπλισμό (αντλία, ατμοποιητή, συμπυκνωτή κτλ). Ειδικά οι ελικοειδείς εκτονωτές τροποποιούνται στο μηχανουργείο από διαθέσιμους στο εμπόριο ελικοειδείς συμπιεστές ώστε να ικανοποιήσουν τις απαιτήσεις τις συγκεκριμένης εφαρμογής. Η εγκατάσταση ηλεκτροβάνας ανάμεσα στους δυο εκτονωτές επιτρέπει την πλήρη παράκαμψη του πρώτου εκτονωτή ώστε η μηχανή να τίθεται σε μονοβάθμια λειτουργία. Όταν και τα δυο υποσυστήματα τοποθετούνται στο εργαστήριο, το πρωτότυπο- δοκίμιο είναι έτοιμο προς διερεύνηση.Η πειραματική αξιολόγηση ξεκινά με τον εργαστηριακό έλεγχο της μονάδας αντίστροφης ώσμωσης. Οι τρεις υπομονάδες συνδέονται στο ηλεκτρικό δίκτυο και λειτουργούν σε μεταβλητό φορτίο (ρυθμίζοντας την ταχύτητα περιστροφής της αντλίας υψηλής πίεσης της κάθε μιας), σε διάφορες αλατότητες νερού τροφοδοσίας προσομοιάζοντας υφάλμυρο, βαρύ υφάλμυρο και θαλασσινό νερό και σε διαφορετικές θερμοκρασίες νερού. Διεξήχθη επίσης, θεωρητική έρευνα σχετικά με τη λειτουργία της επιλεγμένης πολυβάθμιας διαμόρφωσης της μονάδας αφαλάτωσης, που τροφοδοτείται από ένα φωτοβολταϊκό σύστημα διαφόρων ικανοτήτων, σε διαφορετικές περιοχές του κόσμου για μια τυπική χειμερινή και καλοκαιρινή ημέρα και συγκρίνεται με μια συμβατική μονοβάθμια αφαλάτωσης. Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας σκοπεύουν να αποδείξουν την προσφερόμενη ευελιξία ενός τέτοιου συστήματος.Η μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine που αναπτύχθηκε εξετάζεται σε ακόμη μεγαλύτερο βάθος σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας με σκοπό να αξιολογηθεί η συμπεριφορά της και η προσφερόμενη ευελιξία από τη διβάθμια διαμόρφωση. Η μηχανή εξετάζεται με ρεύμα δικτύου για χαμηλή θερμοκρασία (70 με 95°C) με νερό σαν εργαζόμενο μέσο στο θερμικό κύκλωμα για μονοβάθμια και διβάθμια λειτουργία σε μεταβαλόμενο θερμικό φορτίο ρυθμίζοντας τη συχνότητα της αντλίας και των εκτονωτών. Ακολουθεί η διερεύνηση για υψηλότερη θερμοκρασία λειτουργίας (110 με 130 °C), με μεθυλαινογλυκόλη ως εργαζόμενο μέσο στο θερμικό κύκλωμα. Η παραγόμενη ισχύς οδηγείται σε ηλεκτρικά φρένα και καταναλίσκεται σε μια θερμική αντίσταση. Η λειτουργία των δυο εκτονωτών εξετάζεται ξεχωριστά καθώς αυτές οι συνιστώσες του συστήματος είναι τροποποιημένες και απαιτούν χάραξη των καμπυλών λειτουργίας τους για να αξιολογηθεί η συμπεριφορά τους. Τα αποτελέσματα πολυάριθμων δοκιμών σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας προσφέρουν μια πολύ ξεκάθαρη και ακριβή εικόνα της συμπεριφοράς της μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine.Τέλος, παρουσιάζεται επίσης θεωρητική διερεύνηση του ολοκληρωμένου συστήματος της μηχανής Οργανικού Κύκλου Rankine με τη μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης, που βασίζεται στα πειραματικά αποτελέσματα των ελέγχων κάθε υποσυστήματος που διεξήχθησαν. Η καθαρή παραγόμενη ισχύς από τη μηχανή Οργανικού Κύκλου Rankine για λειτουργία στους 120 και 130 °C (σημείο σχεδιασμού) οδηγείται στη μονάδα αφαλάτωσης αντίστροφης ώσμωσης με σκοπό να εξεταστεί η παραγωγή καθαρού νερού υψηλής αλατότητας και η λειτουργία των υπομονάδων. Η διαδικασία του πλήρους σχεδιασμού, της κατασκευής και αξιολόγησης των υποσυστημάτων και του ολοκληρωμένου συστήματος ορίζει ξεκάθαρα τα πλεονεκτήματα των υβριδικών συστημάτων αφαλάτωσης. Επίσης, η τεχνογνωσία που αποκτήθηκε επιτρέπει την αναγνώριση και την αποτελεσματική διαχείριση των τεχνικών θεμάτων που σχετίζονται με τέτοια συστήματα. Συμπερασματικά, το σύστημα που αναπτύχθηκε αποτελεί ένα πολλά υποσχόμενο πρωτότυπο που παρουσιάζει επαρκή και αποδοτική λειτουργία στις πλείστες των συνθηκών στις οποίες εκτέθηκε και ασφαλώς αποτελεί ένα εξαιρετικό εφαλτήριο για μελλοντική έρευνα στον τομέα της αφαλάτωσης νερού με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Ολοκληρώνοντας την παρούσα διατριβή, προτείνονται συστάσεις για μελλοντική έρευνα καθώς και προτάσεις για περαιτέρω ενίσχυση της αποδοτικής λειτουργίας εφαρμογών υβριδικών συστημάτων αφαλάτωσης νερού