Numerical simulation of sensible and latent thermal energy storage systems

El objetivo principal de esta tesis es la resolución numérica de problemas de transferencia de calor y dinámica de fluidos y su aplicación para el estudio del comportamiento transitorio de sistemas térmicos de acumulación de energía (TES). Tres diferentes sistemas han sido considerados, cubriendo un amplio rango de condiciones de trabajo (desde muy baja de temperatura criogenica hasta muy alta temperatura en plantas CSP) y aplicaciones (desde domestica/residencial hasta energía renovables o de la industria aeroespacial). En este sentido, i) sistemas recuperadores de energía térmica para residencias en el rango de bajo a media temperatura; ii) un acumulador térmico usado un sistema de propulsión criogenica en el espacio en el rango de baja temperatura y; iii) sistema de acumulación térmica del tipo dos tanque para plantas solares de alta concentración en el rango de alta temperatura. La tesis esta dividida en cinco capítulos. El capitulo 2, esta dedicado en presentar la metodología empleada para la resolución computacional de la dinámica de fluidos y problemas de transferencia de calor en un dispositivo con almacenamiento para la recuperación de energía térmica de agua que se vierte al drenaje para viviendas residenciales. El estudio de las características del dispositivo fue realizado usando herramientas numéricas y experimentales. La simulación numérica fue realizada usando la plataforma NEST. La discretización de la ecuaciones de gobierno basadas en técnicas de volúmenes finitos. Correlaciones empíricas especiales han sido implementadas para ser usadas en la resolución numérica del flujo de fluido dentro de una tubería en espiral. Una infraestructura experimental ha sido desarrollada para el análisis del sistema. Diferentes flujos másicos y temperaturas de operación han sido estudiados. Los resultados numéricos han sidos comparados con resultados experimentales. La simulación numéricas realizadas predicen razonablemente bien el comportamiento transitorio de estos dispositivos. El capitulo 3, enfoca su atención en un prototipo de acumulador para baja temperatura usado para sistemas de propulsión criogenica en el espacio. Las simulaciones numéricas fueron realizadas usando la plataforma NEST. En este capitulo, dos modelos numéricos son adaptados, uno para resolver el flujo bifásico a través de tuberías bajo condiciones criogenicas, y otra para solucionar el material de cambio de fase usando un modelo entalpico de malla fija. El análisis numérico se basa en: i) la resolución unidimensional y transitoria de las ecuaciones gobernantes del fluido propulsor; ii) resolución multidimensional y transitoria de las ecuaciones gobernantes en la región ocupada por el material de cambio de fase, incorporando modelo de turbulencia para solucionar el fenómeno de convección que se produce; iii) los elementos solidos son modelados considerando un tratamiento multidimensional y transitorio de la ecuación de la energía. Los resultados numéricos son comparados con resultados experimentales de la literatura. La validación experimental bajo diferentes condiciones de trabajo de fluido criogenico y/o del material de cambio de fase muestra las posibilidades de este modelo para fines de optimización del diseño y de predicción. El capitulo 4, esta enfocado en el desarrollo de modelos numéricos para la simulación de sistemas de acumulación de energía térmica de dos tanques en centrales solares de alta concentración. La simulación numérica fue desarrollada dentro de la plataforma NEST, donde los diferentes elementos que componen el sistema son asociados para solucionar todo el sistema. Algunos elementos del sistema han sido especialmente desarrollados. Los modelos matemáticos consideran el comportamiento transitorio de la sal fundida, el gas de la cavidad, las paredes del tanque y sus aislantes, diferentes configuraciones de cimientos, la radiación entre la sal y las paredes del tanque en la zona de la cavidad del gasThe main objective of this thesis is the numerical resolution of heat transfer and fluid flow problems and its application to study the unsteady behaviour of thermal energy storage (TES) systems. Three different systems have been considered, covering a wide range of working conditions (from very low cryogenic temperature to very high temperature CSP plant) and applications (from domestic/residential to renewable or aerospace industry). In that sense, i) for residential heat recovery systems in the low-to-medium temperature range; ii) a thermal accumulator used in a in-space cryogenic propulsion system in the low temperature range and; iii) the two-tank thermal energy storage system in concentrating solar power (CSP) plants in the high temperature range. The thesis is divided into five chapters. Chapter 2 is devoted to present the methodology employed for the resolution of Computational Fluid Dynamics (CFD) and Heat Transfer problems in a drain water heat recovery (DWHR) storage-type unit for residential housing. The study of the performance of this device has been carried out using both numerical and experimental tools. The numerical simulation has been performed using the NEST platform, where the different elements of the DWHR storage are linked to solve the system. The discretisation of the governing equations based on finite volume techniques (FVM) is presented. Numerical techniques such as the discretisation schemes, boundary conditions implementation and solution procedure for incompressible and transient flow problems are shown. Special empirical correlations have been implemented to be used in the numerical resolution of the single-phase flow inside the coiled pipe. An experimental infrastructure has been developed to analyse the whole system. Different internal flow rates and operational temperatures have been studied. The numerical results are compared against experimental results. The numerical simulations performed predict reasonably the transient behaviour of the DWHR storage device. Chapter 3 focuses the attention on a Low Temperature Accumulator prototype used in an in-space cryogenic propulsion system. The numerical simulation has been carried out using the NEST platform, where the different elements of the thermal accumulator are linked to solve the whole system. In this chapter, two numerical models have been adapted, one used to solve the two-phase flow inside ducts working under cryogenic conditions, and another to solve the PCM using a fixed-grid enthalpy model. The numerical analysis is based on: i) a one-dimensional and transient resolution of the governing equations for the fluid flow of propellant; ii) a multi-dimensional and transient resolution of the governing equations in the region occupied by the PCM, incorporating a model for the turbulence to solve the convection phenomena involved; iii) the solid elements are modelled considering a multidimensional and transient treatment of the thermal conduction equation. The numerical results are compared against experimental results from the literature. The experimental validation under different working conditions of the cryogenic flow and/or the PCM material shows the possibilities of this model for design optimization and prediction purposes. Chapter 4 is focused on the development of a numerical model for the simulation of the two-tank thermal energy storage system in concentrating solar power (CSP) plants. The numerical simulation has been performed using the NEST platform, where the different elements of the two-tank storage are linked to solve the system. Some elements of the system have been specifically developed. The mathematical model considers the transient behaviour of the molten salt fluid, the gas ullage, the tank walls and insulation, different configuration of the foundation, radiation exchange between the salt and the tank walls in the ullage. A parametric study of the two-tank storage system has been done, in order to identifyPostprint (published version

Design of an Intensified Reactor for the Synthetic Natural Gas Production through Methanation in the Carbon Capture and Utilization Context

112 páginasThe idea of a sustainable future has led to the exclusion of fossil fuels from development policies and the inclusion of low-carbon alternatives instead. The strategy must be holistic, as proposed by the carbon capture and utilization technologies alongside renewable energies. An example is converting CO2 into value-added products, such as CH4 or Synthetic Natural Gas (SNG), using surplus power of renewable alternatives, in a low-carbon footprint process. The chemical route for the synthesis of SNG from CO2 and H2 is a catalytic reaction known as CO2 methanation or Sabatier reaction. The methanation is an example of CO2 capture and utilization technologies' industrial application within the so-called Power-to-Methane (PtM) context. In this scenario, fixed bed reactors have been the reaction technology employed by default. However, their deficiency in handling the heat released from the highly exothermic Sabatier reaction or responding to the process' intermittency appropriately has been demonstrated. These drawbacks have aroused scientific interest in developing reactors better adapted to the PtM context demands. One approach is by intensifying the methanation process to increase the mass- and energy-transfer and improve its transient response. In this project, the phenomenological hot spots formation in fixed bed reactors used for the methanation industrial process was investigated through a parametric sensitivity analysis, simulating the reactor start-up. On the other hand, it was proposed a CFD simulation-aided conceptual design of a wall-coated reactor for the SNG production using an intensification strategy. The design was based on a reactor formed by single-pass and heat-exchanger stacked-plates. The reacting channel dimensions were defined, including the catalytic layer thickness, fulfilling a minimum quality threshold given by the CO2 conversion (≥ 95%). The proposed design was also intended to maximize the volume of processed gas while meeting the quality requirement, resulting in a throughput per reaction channel of ~12 ml/min. Likewise, the plates manifold geometry and dimensions that best promoted a flow rate uniform distribution were established as a function of the number of reacting channels. Finally, a preliminary dynamic analysis of the operation start-up and shutdown was performed, establishing that the designed reactor does not present a hysteresis behaviour, an ideal condition for intermittent environments.La idea de un futuro sostenible ha conllevado a suprimir el uso de combustibles de origen fósil de los planes de desarrollo y por el contrario incluir alternativas con baja huella de carbono. La estrategia debe ser holística, como lo proponen las tecnologías de captura y utilización de CO2 junto con las energías renovables. Un ejemplo es la conversión del CO2 en productos con valor agregado, como el CH4 o Gas Natural Sintético (GNS), utilizando la energía sobrante de las alternativas renovables, en un proceso con baja huella de carbono. La ruta química para síntesis de GNS a partir de CO2 e H2 es una reacción catalítica que se conoce como metanación de CO2 o reacción de Sabatier. La metanación es un ejemplo de aplicación industrial de las tecnologías de captura y utilización de CO2 en lo que también se conoce como el contexto Power-to-Methane (PtM). En ese ámbito, los reactores de lecho fijo han sido la tecnología de reacción utilizada por defecto. Sin embargo, se ha demostrado su incapacidad para manejar el calor liberado producto de la reacción de Sabatier (altamente exotérmica), o de responder apropiadamente a la intermitencia del proceso. Estas dificultades han despertado el interés científico por desarrollar reactores que se adapten mejor a las exigencias del contexto PtM. Una propuesta yace en intensificar el proceso de metanación, incrementando la transferencia de masa y energía además de mejorar su respuesta transitoria. En este proyecto se estudió, por un lado, la formación fenomenológica de puntos calientes en reactores de lecho fijo utilizados industrialmente para el proceso de metanación a través de un análisis de sensibilidad paramétrico, simulando el arranque del reactor. Por el otro lado, se propuso un diseño conceptual asistido por simulación CFD de un reactor de pared recubierta para la producción de GNS a través de una estrategia de intensificación. El diseño partió de un reactor formado por platos apilados de intercambio de calor de un solo paso. Se definieron las dimensiones del canal de reacción, incluyendo el grosor de la capa catalítica, que cumplían con el umbral mínimo de calidad dado por la conversión de CO2 (≥ 95%). El diseño propuesto también tuvo por objeto maximizar el volumen de gas procesado, cumpliendo a la vez con el requisito de calidad, lo que resultó en un rendimiento por canal de reacción de ~12 ml/min. Así mismo se estableció la geometría y dimensiones del colector del plato que mejor favorecían una distribución uniforme de la velocidad del flujo en función del número de canales de reacción. Por último, se realizó un análisis dinámico preliminar del arranque y apagado de la operación, estableciendo que el reactor diseñado no presenta un comportamiento de histéresis, ideal para un entorno con alta intermitencia.Maestría en Diseño y Gestión de ProcesosMagíster en Diseño y Gestión de Proceso

Localization and oscillations of Majorana fermions in a two-dimensional electron gas coupled with dd-wave superconductors

We study the localization and oscillation properties of the Majorana fermions that arise in a two-dimensional electron gas (2DEG) with spin-orbit coupling (SOC) and a Zeeman field coupled with a d-wave superconductor. Despite the angular dependence of the d-wave pairing, localization and oscillation properties are found to be similar to the ones seen in conventional s-wave superconductors. In addition, we study a microscopic lattice version of the previous system that can be characterized by a topological invariant. We derive its real space representation that involves nearest and next-to-nearest-neighbors pairing. Finally, we show that the emerging chiral Majorana fermions are indeed robust against static disorder. This analysis has potential applications to quantum simulations and experiments in high-$T_c$ superconductors.Comment: revtex4 file, color figure

Quantum Error Correction with the Semion Code

We present a full quantum error correcting procedure with the semion code: an off-shell extension of the double semion model. We construct open strings operators that recover the quantum memory from arbitrary errors and closed string operators that implement the basic logical operations for information processing. Physically, the new open string operators provide a detailed microscopic description of the creation of semions at their endpoints. Remarkably, topological properties of the string operators are determined using fundamental properties of the Hamiltonian, namely the fact that it is composed of commuting local terms squaring to the identity. In all, the semion code is a topological code that, unlike previously studied topological codes, it is of non-CSS type and fits into the stabilizer formalism. This is in sharp contrast with previous attempts yielding non-commutative codes.Comment: REVTeX 4 file, color figure

La rentabilidad desde la organización industrial: Una revisión de trabajos

El tema de la rentabilidad ha sido abordado desde diferentes tradiciones del análisis económico, en el presente artículo se presenta el análisis, que sobre la rentabilidad, realiza la teoría de la organización industrial. La organización industrial es la parte de la economía que estudia como se organizan los productores en los mercados; se ha desarrollado desde las vertientes clásicas, que resaltan la importancia del análisis a nivel de la industria para explicar las diferencias en los niveles de rentabilidad, hasta las propuestas neoclásicas y las estratégico-empresariales, que se fundamentan en el análisis de la firma y sus características. La evolución de este asunto es presentada haciendo referencia a algunos artículos que han utilizado la técnica de VARCOMP, un procedimiento estadístico que permite establecer la participación porcentual de ciertos factores, llamados efectos, en la varianza total de una variable. Este procedimiento fue retomado por el grupo de investigación en Economía y Empresa de la universidad EAFIT, en la línea de investigación de la política coyuntural de la empresa, para una muestra de empresas manufactureras en el período 1995-2000.The issue of profits has been interpreted from different traditions of the economic analysis, this article presents the analysis made by the industrial organization theory. The industrial organization theory is the discipline of the economics that studies how the producers organize themselves in the structures of the market; its development comes from the classical strand, in which the industry level explains the differences between profits, to the neoclassical and strategic and management proposals, which are based on the firm characteristics. The evolution of this topic is presented making reference to some articles using the VARCOMP, a procedure that allows to establish the share of some factors, called “effects”, in the total variance of a variable. This procedure was taken by the group of research on economics and business, to apply it to a sample of manufacturing companies in Colombia, during the period 1995-2000

Impacto del neoliberalismo en la estructura económica de las ciudades. Algo mágico en el aire.

En el presente texto, se presentan algunas de las consideraciones más importantes del trabajo de grado “Impacto del neoliberalismo en la estructura económica de las ciudades” ·, presentado durante el primer semestre del año 2002. Dicho trabajo fue la oportunidad, para hacer una lectura sistemática, que permitiera identificar los canales, a través de los cuales las políticas de internacionalización y desregulación, afectan el comportamiento de los agentes económicos en las ciudades y las relaciones entre las ciudades mismas. En este artículo, la primera parte corresponde a un breve balance de la urbanización en el mundo, para identificar las dinámicas de la urbanización y de la distribución espacial de sus agentes, así mismo, algunas características del nivel de vida en las ciudades. La segunda parte, que trata el tema del origen de la ciudad, se enfoca en las decisiones de ubicación de los agentes, que en últimas son las que no sólo determinan la forma de la ciudad, sino que le otorgan nuevos usos y sentidos, que la renuevan y la recrean permanentemente. La tercera parte, ahonda el tema de las variables económicas y hasta políticas, que impulsan el crecimiento de las ciudades, en cuanto la aglomeración de personas y la creación de riqueza. La cuarta parte, se enfoca en el tema del consumo, sin lugar a dudas, la variable más importante durante los últimos años y que con las políticas aperturistas, ha representado cambios en la economía, los ciudadanos y la distribución de las ciudades. Aunque el trabajo original contiene un capítulo sobre el tema del empleo, respondiendo más a una preocupación personal, para este artículo, por motivos de exposición, se ha decidido no incluirla.This article, based on the grade project presented by the author to the EAFIT university, has the objective to introduce some of the urban research tendencies and to suggest new approaches, more technical than political, to explain the urban dynamics in a context of globalization and market liberalization. In the first part, the author does a balance of the urbanization process and it perspectives; the second part is about the origin of the cities, using the concept of relocation, as a incomplete and dynamical process; in the third part some of the theories on the urban growth are presented and the fourth part, deals with the topic of the relationship between cities and consum

Empresa y entorno económico, experiencia del Grupo de Estudios en Economía y Empresa de la Universidad EAFIT

En este artículo se presentan los fundamentos conceptuales de la Política Coyuntural de la Empresa, la cual considera que los estados financieros de las empresas reflejan sus relaciones con el entorno, y las aplicaciones realizadas por el Grupo de Estudios en Economía y Empresa. Luego de introducir los principios fundamentales, se trata el tema de la visión de la empresa y la composición del entorno, para exponer los resultados de las investigaciones desarrolladas sobre aspectos estructurales y coyunturales.This article presents the conceptual fundamentals of Business Economic cycle policy, which considers that the financial reports of businesses express their interaction with the economic environment as well as the applications carried out by the economist. After introducing the conceptual principles, the article deals with the economic perspective of the enterprise and the composition of the economic environment. Finally, it presents the result of research studies about structural aspects and short term movements

Extensive Sensitivity Analysis and Parallel Stochastic Global Optimization Using Radial Basis Functions of Integrated Biorefineries under Operational Level Uncertainties

This work presents a decision-making framework for global optimization of detailed renewable energy processes considering technological uncertainty. The critical uncertain sources are identified with an efficient computational method for global sensitivity analysis, and are obtained in two different ways, simultaneously and independently per product pathway respect to the objective function. For global optimization, the parallel stochastic response surface method developed by Regis & Shoemaker (2009) is employed. This algorithm is based on the multi-start local metric stochastic response surface method explored by the same authors (2007a). The aforementioned algorithm uses as response surface model a radial basis function (RBF) for approximating the expensive simulation model. Once the RBF’s parameters are fitted, the algorithm selects multiple points to be evaluated simultaneously. The next point(s) to be evaluated in the expensive simulation are obtained based on their probability to attain a better result for the objective function. This approach represents a simplified oriented search. To evaluate the efficacy of this novel decision-making framework, a hypothetical multiproduct lignocellulosic biorefinery is globally optimized on its operational level. The obtained optimal points are compared with traditional optimization methods, e.g. Monte-Carlo simulation, and are evaluated for both proposed types of uncertainty calculated

A Model-Based Framework for the Smart Manufacturing of Polymers

It is hard to point a daily activity in which polymeric materials or plastics are not involved. The synthesis of polymers occurs by reacting small molecules together to form, under certain conditions, long molecules. In polymer synthesis, it is mandatory to assure uniformity between batches, high-quality of end-products, efficiency, minimum environmental impact, and safety. It remains as a major challenge the establishment of operational conditions capable of achieving all objectives together. In this dissertation, different model-centric strategies are combined, assessed, and tested for two polymerization systems. The first system is the synthesis of polyacrylamide in aqueous solution using potassium persulfate as initiator in a semi-batch reactor. In this system, the proposed framework integrates nonlinear modelling, dynamic optimization, advanced control, and nonlinear state estimation. The objectives include the achievement of desired polymer characteristics through feedback control and a complete motoring during the reaction. The estimated properties are close to experimental values, and there is a visible noise reduction. A 42% improvement of set point accomplishment in average is observed when comparing feedback control combined with a hybrid discrete-time extended Kalman filter (h-DEKF) and feedback control only. The 4-state geometric observer (GO) with passive structure, another state estimation strategy, shows the best performance. Besides achieving smooth signal processing, the observer improves 52% the estimation of the final molecular weight distribution when compared with the h-DEKF. The second system corresponds to the copolymerization of ethylene with 1,9-decadiene using a metallocene catalyst in a semi-batch reactor. The evaluated operating conditions consider different diene concentrations and reaction temperatures. Initially, the nonlinear model is validated followed by a global sensitivity analysis, which permits the selection of the important parameters. Afterwards, the most important kinetic parameters are estimated online using an extended Kalman filter (EKF), a variation of the GO that uses a preconditioner, and a data-driven strategy referred as the retrospective cost model refinement (RCMR) algorithm. The first two strategies improve the measured signal, but fail to predict other properties. The RCMR algorithm demonstrates an adequate estimation of the unknown parameters, and the estimates converge close to theoretical values without requiring prior knowledge