Rozprawy doktorskie na temat „Waste combustion heat”

Thesis (S.B.)--Massachusetts Institute of Technology, Dept. of Mechanical Engineering, 2006.
Includes bibliographical references (leaf 36).
To meet the needs of forward deployed soldiers and disaster relief personnel, a mobile water distillation system was designed and tested. This system uses waste engine heat from the exhaust flow of an internal combustion engine to vaporize water for the purpose of removing impurities. The vapor is condensed back down to water in a finned condenser that experiences forced convection. The system pumps heat transfer oil through a 0.61 meter long, cross flow, annulus-type heat exchanger installed over a section of exhaust pipe where the oil experiences a AT of 7°C. The hot heat transfer oil is then piped to a boiler where it releases its heat to the water and returns to the exhaust heat exchanger to be reheated. Testing demonstrated that the system has a heat up time of 30 minutes, and a steady state distillation rate of 2 gallons per hour. In steady state, the system removes and transfers heat from the exhaust at a rate of 4600 Watts.
by Kevin S. Mears.
S.B.

Cette étude est motivée par la protection de l'environnement et la réduction des émissions de CO2 émis par les moteurs à combustion interne. L'objectif de la thèse est d'étudier les possibilités de la réduction de la consommation de carburant d'un moteur diesel d’automobile grâce à la récupération de la chaleur des gaz d'échappement basée sur un cycle de Rankine. Afin de déterminer l'énergie perdue, le moteur a été testé sur un banc d’essais et les paramètres des gaz d’échappement ont été mesurés. Un modèle de simulation du moteur a également été développé et validé grâce aux résultats expérimentaux. Le potentiel de récupération de chaleur sur les gaz d’échappement et sur le refroidissement a été estimé. Cette analyse a révélé que le potentiel sur les gaz d’échappement est plus élevé que celui sur le refroidissement. Grâce au modèle numérique et aux essais, la puissance et l'efficacité du cycle de Rankine ont été étudiées. Enfin, l'impact du système de récupération d’énergie sur les performances du moteur a été analysé. Les résultats montrent que la puissance du moteur augmente de 4,3% au point de puissance maximale du moteur
This study is motivated by the environment protection and the reduction of emissions CO2 from internal combustion engines. The aim of the thesis is to study the possibilities of fuel consumption reduction of a diesel engine intended for a passenger car by means of waste heat recovery from exhaust gases based on thermodynamic cycle (Rankine cycle). In order to determine the waste heat, the engine was tested on a test bench as the exhaust parameters were measured. A simulation model of the engine has also been developed and validated by means of experimental results. The recovery potential of the exhaust gases and the cooling system has been estimated. This analysis revealed that the waste heat recovery potential of the exhaust gases is higher that the cooling sys-tem. By means of Rankine cycle numerical model and experimental test, the output power and efficiency of the Rankine cycle were studied. Finally, the impact of the heat recovery system on engine performance was studied. The results revealed that the engine power increases by 4.3% at the operating point which corresponds to the maximum engine power
Това изследване е мотивирано от опазването на околната среда и намаляването на емисиите на CO2 от двигателите с вътрешно горене. Целта на дисертацията е да проучи възможнос-тите за намаляване на разхода на гориво на дизелов двигател, предназначен за лек автомо-бил, чрез рекупериране на енергия с цикъл на Ранкин. За да се определи неоползотворената енергия в отработилите газове бе използван изпитателен стенд. Симулационен модел на двигателя е разработен и валидиран чрез експерименталните резултати. Направена е оценка на потенциала за рекупериране на енергия от отработилите газове и охладителната система. Този анализ показва, че потенциала за рекупериране е по-голям в изпускателната система. С помощта на експериментален стенд и числен модел на цикъла на Ранкин са установени мощността и ефективността на системата. Въздействието на системата за рекупериране на енергия е изследвано. Данните показват, че мощността на двигателя се увеличава с до 4,3%

Transport Membrane Condenser (TMC) is an innovative technology based on the property of a nano-scale porous material which can extract both waste heat and water from exhaust gases. This technology tremendously improves the efficiency of boilers and gas/coal combustors by lowering waste heat and increasing water recovery. Contaminants in the flue gases, such as CO2, O2, NOx, and SO2 are inhibited from passing through the membrane by the membrane’s high selectivity. The condensed water through these tubes is highly pure and can be used as the makeup water for many industrial applications. The goal of this research is to investigate the heat transfer, condensation rate, pressure drop and overall performance of crossflow heat exchangers. In this research, a numerical model has been developed to predict condensation of water vapor over and inside of nano-porous layers. Both capillary condensation inside the nanoscale porous structure of the TMC and the surface condensation were considered in the proposed method using a semi-empirical model. The transport of the water vapor and the latent heat of condensation were applied in the numerical model using the pertinent mass, momentum, turbulence and energy equations. By using the proposed model and simulation procedure, the effect of various inlet parameters such as inlet mass flow rate, inlet temperature, and water vapor content of the inlet flow on the performance of the cross-flow TMC heat exchanger was studied to obtain the optimum performance of the heat exchangers at different working conditions. The performance of the TMC heat exchangers for inlet flue gas rate 40 to 120 kg/h, inlet water rate 60 to 140 kg/h, inlet flue gas relative humidity 20 to 90%, and tube pitch ratio 0.25 to 2.25 has been studied. The obtained results show that the water condensation flux continuously increases with the increase of the inlet flue-gas flow rate, water flow rate, and the flue-gas humidity. The total heat flux also follows the same trend due to the pronounced effect of the latent heat transfer from the condensation process. The water condensation flux and the overall heat transfer increase at the beginning for small values of the tube pitches and then decreases as the tube pitch increases furthermore. In addition to the cross-flow TMC heat exchangers, the performance of a shell and tube TMC heat exchanger for high pressure and temperature oxy-combustion applications has been investigated. The performance analysis for a 6-heat exchanger TMC unit shows that heat transfer of the 2-stage TMC unit is higher than the 2-stage with the same number of the heat exchanger in each unit.

Since the late 19th century, the average temperature on Earth has risen by approximately 1.1 °C because of the increased carbon dioxide (CO2) and other man-made emissions to the atmosphere. The transportation sector is responsible for approximately 33% of the global CO2 emissions and 14% of the overall greenhouse gas emissions. Therefore, increasingly stringent regulations in the European Union require CO2 emissions to be lower than 95 gCO₂/km by 2020. In this regard, improvements in internal combustion engines (ICEs)must be achieved in terms of fuel consumption and CO2 emissions. Given that only up to 35% of fuel energy is converted into mechanical power, the wasted energy can be reused through waste heat recovery (WHR) technologies. Consequently, organic Rankine cycle (ORC) has received significant attention as a WHR technology because of its ability to recover wasted heat in low- to medium-heat sources. The Expansion machine is the key component in ORC systems, and its performance has a direct and significant impact on overall cycle efficiency. However, the thermal efficiencies of ORC systems are typically low due to low working temperatures. Moreover, supersonic conditions at the high pressure ratios are usually encountered in the expander due to the thermal properties of the working fluids selected which are different to water. Therefore, this thesis aims to design an efficient radial-inflow turbine to avoid further efficiency reductions in the overall system. To fulfil this aim, a novel design and optimisation methodology was developed. A design of experiments technique was incorporated in the methodology toexplorethe effects of input parameters on turbine performance and overall size. Importantly, performance prediction modelling by means of 1D mean-line modelling was employed in the proposed methodology to examine the performance of ORC turbines at constant geometries. The proposed methodology was validated by three methods: computational fluid dynamics analysis, experimental work available in the literature, and experimental work in the current project. Owing to the lack of actual experimental works in ORC-ICE applications, a test rig was built around a heavy-duty diesel engine at Brunel University London and tested at partial load conditions due to the requirement for a realistic off-high representation of the performance of the system rather than its best (design) point, while taking into account the limitation of the engine dynamometer employed. Results of the design methodology developed for this projectpresented an efficient single-stage high-pressure ratio radial-inflow turbine with a total to static efficiency of 74.4% and an output power of 13.6 kW.Experimental results showed that the ORC system had a thermal efficiency of 4.3%, and the brake-specific fuel consumption of the engine was reduced by 3%. The novel meanlineoff designcode (MOC) was validated with the experimental works from three turbines. In comparison with the experimental results conducted at Brunel University London, the predicted and measured results were in good agreement with a maximum deviation of 2.8%.

Le but principal de ce projet doctoral est de déterminer le potentiel d'amélioration de l'efficacité énergétique du système de captage de carbone dans les stations thermiques de production d'électricité, par l'intégration optimale des éjecteurs monophasiques. Il s'agit du système de captage postcombustion du dioxyde de carbone (CO2) par absorption/désorption utilisant la monoéthanolamine (MEA). Les éjecteurs intégrés utilisent des rejets thermiques de 100 °C qu'on retrouve dans les stations thermiques de production d'électricité. La revalorisation de ces rejets permet la substitution partielle de vapeur de turbine à coût élevé, qui serait autrement prise de la centrale thermique. Le deuxième objectif de la thèse est d'évaluer expérimentalement la performance d'un éjecteur à vapeur où le fluide secondaire de l'éjecteur est un mélange de vapeur d'eau et d'un gaz non-condensable, dans le cas présent, le CO2. Deux tuyères d'éjecteur à vapeur, d'un diamètre de 4.60 mm et 4.23 mm, ont été évaluées sur une plage de niveaux de CO2 dans le fluide secondaire, jusqu'à environ 40% en masse. La pression primaire était maintenue à 450 kPa avec une surchauffe à 10 °C et la pression secondaire était de 70 kPa. On a constaté que la pression critique ne changeait pas à mesure que la fraction massique de CO2 dans le fluide secondaire augmentait. Cependant, le rapport d'entraînement a augmenté de façon linéaire sur la plage expérimentale. Une amélioration de 23% du rapport d'entraînement par rapport à la vapeur pure a été observée lorsque le fluide secondaire contient 42% de CO2 par masse. Ce comportement contraste nettement avec le comportement observé expérimentalement d'un éjecteur à vapeur pure, où une augmentation du rapport d'entraînement se produit au détriment d'une diminution de la pression critique. Trois articles détaillés ont été publiés sur divers scénarios d'intégration d'un éjecteur à vapeur dans un procédé de captage d'absorption/désorption. Le solvant de référence était de 20% en masse de monoéthanolamine (MEA). Trois configurations principales ont été étudiées, selon le choix du fluide utilisé pour produire la vapeur secondaire : éjecteur sur condensat, éjecteur sur pauvre ou éjecteur sur riche. La première publication de revue scientifique a porté sur le procédé de désorption et a présenté une méthode de raccourci basée sur les propriétés du mélange CO2-MEA-H2O à l'équilibre. Les simulations ont révélé des réductions dans la quantité requise d'énergie de haute qualité, de 10 à 25%. Un simulateur de procédé commercial, Aspen Plus, a été utilisé pour les deux autres publications. Dans la deuxième publication de revue scientifique, le module cinétique rate-based a été utilisé, au lieu du module d'équilibre, pour la modélisation de l'absorbeur et du désorbeur, permettant des évaluations énergétiques plus près des valeurs qu'on retrouve dans la littérature courante. Une étude a été réalisée pour comparer un scénario de préchauffage de la vapeur primaire par des rejets thermiques externes avec un scénario d'intégration de la chaleur interne. Cette deuxième publication a montré des économies d'énergie de haute qualité, de 10 à 14%, les scénarios avantageux ayant été «éjecteur sur condensat» et «éjecteur sur pauvre».
Abstract : The main goal of the doctoral project is to determine to what extent the optimal integration of single-phase ejectors might reduce the large amount of energy required to capture carbon dioxide from electric power generation facilities. More specifically, the objective is to determine if ejectors can be advantageously integrated into a post-combustion absorption/desorption carbon dioxide (CO2) capture process using monoethanolamine (MEA). The integrated ejectors will use waste heat of 100 °C from the electric power plant. The upgraded waste heat can partially replace valuable turbine steam that would otherwise be taken from the power plant. The second objective of the thesis is to experimentally evaluate the performance of a steam ejector where the ejector secondary fluid is a mixture of steam and a non-condensable gas, in this case CO2. Two steam ejector nozzles, of 4.60 mm and 4.23 mm diameter, were evaluated over a range of secondary fluid CO2 levels, up to 42% by mass. The primary pressure was maintained at 450 kPa with 10 °C superheat and the secondary pressure was 70 kPa. It was found that the critical exit pressure did not change as the mass fraction of CO2 in the secondary fluid increased. The entrainment ratio, however, increased approximately linearly over the experimental range. An improvement of 23% in the entrainment ratio, as compared with pure steam, was found when the secondary fluid contains 42% CO2 by mass. This behaviour is in sharp contrast to the experimentally observed behaviour of a pure steam ejector, where an increase in entrainment ratio comes at the expense of a decrease in the ejector exit critical pressure. Three published papers investigated various scenarios for the integration of a steam injector into an absorption/desorption post-combustion capture process. The reference solvent was 20% weight monoethanolamine (MEA). Three principal configurations were studied, according to the choice for the liquid flow used to produce the ejector secondary steam: ejector on condensate, ejector on lean or ejector on rich. The first journal publication focused on the desorption process and presented a shortcut method based on CO2-MEA-H2O equilibrium vapour liquid data. The simulations revealed reductions in the required amount of valuable energy from 10 to 25%. A commercial process simulator, Aspen Plus, was used for two other publications. In the second journal publication, the kinetic rate-based module was employed to model the absorber and desorber, providing energy evaluations closer to values in the open literature. A study was included comparing preheating the primary steam with waste heat or by heat integration. The rate-based simulation found valuable energy savings of 10 to 14%, with the "ejector on condensate" and "ejector on lean" again being the advantageous scenarios.

Lately, car manufacturers have been put to a big challenge to reduce the CO2 emission of their entire fleets. Norms of pollutant emissions limit the ways to achieve the desired CO2 emission goals, as some of the solutions that would lead to lower CO2 emission also lead to higher pollutant emission. Waste Heat Recovery (WHR) could be a good solution to lower the CO2 emission of the Internal Combustion Engine (ICE) without increasing the pollutant emission. In the present thesis different WHR strategies are analysed and the results suggested it would be interesting to further study the Brayton cycle machine. Air Brayton Cycle (ABC) represents a way to recover a part of the heat energy of the ICE exhaust gases and transform it into mechanical energy. Recovered mechanical energy would then be returned to the crankshaft of the ICE, thereby reducing the amount of energy that has to be liberated by combustion of fuel which lowers the fuel consumption and CO2 emission. The study of ABC started with an analysis of the ideal cycle in order to obtain the theoretical maximum of the system. The study continued with an analysis of the semi ideal cycle where all losses are taken into account only by two efficiency coefficients. This analysis showed that for the diesel engine efficiency of the ABC is very low because of the low exhaust gas temperature. For the gasoline engine the cycle could be viable when the ICE is working under steady condition and higher load. These conditions could be fulfilled when the vehicle is driven on the highway. Detailed analysis was aimed at determining the cycle main losses. They were determined to be: pumping losses, losses caused by heat transfer and mechanical losses. Taking into account these main losses along with other direct and indirect losses it was concluded that the cycle is not viable for the types of the WHR machines that were considered in this study. In order for the cycle to be viable some other either existing or new machine type should be tested, that would lower the main losses and offer good isentropic and mechanical efficiency for desired conditions.
Últimamente los fabricantes de automóviles se han puesto el gran reto de reducir la emisión de CO2 en la totalidad de sus flotas. Las nuevas normativas para la reducción de las emisiones contaminantes limitan los medios para lograr los objetivos deseados en la emisión de CO2 porque algunas de las soluciones que llevan a la reducción en la emisión de CO2 también dan lugar a un incremento en la emisión de otros contaminantes. La recuperación de calor residual (WHR) podría ser una buena solución para reducir las emisiones de CO2 del motor de combustión interna (ICE) sin poner en peligro la emisión de contaminantes. En la presente Tesis se analizaron diferentes estrategias de WHR y se concluyó que sería interesante estudiar más a fondo la máquina de ciclo Brayton. El Ciclo Brayton de Aire (ABC) permite recuperar una parte del calor de los gases de escape del ICE y transformar este calor en energía mecánica. La energía mecánica recuperada se devuelve al cigüeñal del ICE, reduciendo de ese modo la cantidad de energía que tiene que ser liberada por la combustión del combustible, lo cual permite reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2. En esta Tesis se estudia el ABC mediante un análisis del ciclo ideal con el fin de obtener el máximo teórico del sistema. El modelo se mejora con un análisis del ciclo semi-ideal donde se tienen en cuenta todas las pérdidas mediante el uso de dos coeficientes generales. Este análisis muestra que para el motor diesel la eficiencia del ciclo ABC es muy baja debido a la baja temperatura del gas de escape. Para el motor de gasolina el ciclo podría ser viable cuando el ICE está trabajando bajo condiciones estacionarias y una carga mayor. Estas condiciones se podrían cumplir cuando el vehículo está circulando en autopista. El análisis detallado de este ciclo tiene como objetivo determinar las pérdidas principales de ciclo. Las pérdidas principales se identificaron como: las pérdidas de bombeo, las pérdidas causadas por la transferencia de calor y las pérdidas mecánicas. Teniendo en cuenta estas pérdidas principales junto con otras pérdidas directas e indirectas, se concluyó que el ciclo no es viable para los tipos de máquinas WHR que fueron considerados en este estudio. Para que el ciclo sea viable se tiene que buscar alguna otra máquina existente o un nuevo tipo de máquina que reduzca las principales pérdidas y ofrezca un buen rendimiento isentrópico y mecánico para las condiciones deseadas.
Últimament els fabricants d'automòbils s'han posat el gran repte de reduir l'emissió de CO2 de la totalitat de les seues flotes. Les noves normatives de reducció de les emissions contaminants limiten els mitjans per assolir els objectius desitjats d'emissió de CO2 perquè algunes de les solucions que porten a la reducció en l'emissió de CO2 també donen lloc a un increment a l'emissió de altres contaminants. La recuperació de calor residual (WHR) podria ser una bona solució per reduir les emissions de CO2 del motor de combustió interna (ICE) sense posar en perill l'emissió de contaminants. En la present Tesi s'han analitzat diferents estratègies WHR i es va concloure que seria interessant estudiar més a fons el cicle Brayton. El Cicle Brayton d'Aire (ABC) representa una manera de recuperar una part de la calor dels gasos d'escapament de l'ICE i transformar calor a l'energia mecànica. L'energia mecànica recuperada es retorna al cigonyal de l'ICE reduint d'aquesta manera la quantitat d'energia que ha de ser alliberada per la combustió del combustible permitint la reducció del consum de combustible i les emissions de CO2. En aquesta Tesi s'ha començat estudiant un ABC amb una anàlisi del cicle ideal per tal d'obtenir el màxim teòric del sistema. Este model es millora amb una anàlisi del cicle semiideal on es tenen en compte totes les pèrdues amb tan sols dos coeficients d'eficiència. Aquesta anàlisi va mostrar que per al motor dièsel l'eficiència del cicle ABC és molt baixa a causa de la baixa temperatura del gas d'escapament. Per al motor de gasolina el cicle podria ser viable quan l'ICE està treballant sota condicions estacionàries i una càrrega més gran. Aquestes condicions es podrien complir quan el vehicle està circulant en autopista. L'anàlisi detallada del cicle va tenir com a objectiu determinar les pèrdues principals de cicle. Les pèrdues principals es van identificar com: les pèrdues de bombament, les pèrdues causades per la transferència de calor i les pèrdues mecàniques. Tenint en compte aquestes pèrdues principals juntament amb altres pèrdues directes i indirectes, es va concloure que el cicle no és viable per als tipus de màquines WHR que van ser considerats en aquest estudi. Perquè el cicle puga ser viable s'ha de buscar alguna altra màquina existent o un nou tipus de màquina que puga reduir les principals pèrdues i puga oferir un bon rendiment isentròpic i mecànic per a les condicions desitjades.
Kleut, P. (2016). Recuperation of the exhaust gases energy using a Brayton cycle machine [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/76807
TESIS

Dans le but de réduire la consommation en carburant et les émissions de CO2 des moteurs à combustion interne, un des leviers, qui a intéressé diffèrent acteurs dans le secteur automobile, est la récupération de l’énergie thermique disponible dans les gaz d’échappement. Malgré différents technologie ont été investigués dans le passé; les transferts de chaleur qui apparient dans les gaz d’échappement n’ont pas encore étés suffisamment étudiés. Le fait que les échanges de la chaleur apparent dans des conditions pulsatives, notamment due aux conditions de fonctionnement moteur, rende les connaissances acquis jusqu’à présent limités et ne pas exploitables. A l’état actuel on n’est pas capable de pouvoir prédire le transfert thermique convectif des écoulements pulsé. Les travaux de cette thèse s’instaurent dans la continuité de ce besoin, l’objectif principal est donc l’étude expérimentale du transfert thermique convectif des écoulements turbulent pulsés dans un conduit cylindrique. La première partie de ce travail a été consacrée à le dimensionnement d’un moyen d’essais permettant la création d’un écoulement pulsé type moteur; en suite différents méthodes de mesures ont étés développes afin de connaitre les variations instantanés de vitesse et température de l’écoulement. Plusieurs essais ont été reproduits afin de caractériser l’impact de la pulsation sur le transfert de la chaleur. Les résultats expérimentaux ont été analysés avec deux approches différentes: dans un premier temps une approche analytique 1D a permis de mettre en évidence le mécanisme principal responsable de l’amélioration du transfert thermique convectif,ainsi, il a fourni des éléments supplémentaires pour le futur développement de modèles mathématiques plus adaptés à la prédiction des transferts d’énergie. En suite une approche 2D, supporté d’une phase de modélisation numérique, a permis de caractériser le mécanisme de transport radial d’énergie thermique
Waste Energy Recovery represents a promising way to go further in fuel saving and greenhouse emissions control for Internal Combustion Engine applications. Although several technologies have been investigated in the past few years, the convective heat transfers, playing an important role in the energy exchanges at the engine exhaust, has not receive enough attention. Heat transfers, in such applications, occur in pulsating conditions because of the engine operating conditions, making thus the actual knowledge of the heat transfer phenomena limited and not exploitable. Nowadays there is not any model capable to predict convective heat transfers for pulsating flows. In this context, the present thesis addresses the purpose to study the convective heat transfer phenomena, by an experimental approach, occurring for turbulent pulsating flows in pipes. In the first part of this work, an experimental apparatus has been designed to reproduce an exhaust type pulsating flow in fully managed conditions, as well as, several measurement techniques have been developed to know the instantaneous profiles of air temperature and velocity. Many experiments have been performed in order to characterize the impact of the flow pulsation on the convective heat transfers. In the second part of this work, the experimental results have been analyzed with two different approaches: firstly, with a 1D assumption the time-average convective heat transfers has been computed, and the major mechanism responsible of the heat transfer enhancement has been pointed out. Furthermore, it has been possible to highlight the mathematical term representative of such mechanism, which should be accounted in future to define a more adapted numerical model for the heat transfer prediction. In a second phase with a 2D assumption, and, with an energy and a fluid-mechanic computational phase, the radial transport of thermal energy has been characterized for a pulsating flow

Les gaz contenus dans les lignes d’échappement des moteurs Diesel pour la propulsion maritime peuvent atteindre des températures de l’ordre de 400 – 450 °C à la sortie du turbocompresseur. Une des voies possibles pour récupérer une partie de l’énergie contenue dans les gaz d’échappement est la thermoélectricité (effet Seebeck)avec des matériaux thermoélectriques côté chaud entre200 et 300 °C. Ce niveau de température correspond à des matériaux ayant de bonnes performances de conversion chaleur / électricité. De plus, l’eau de mer présente en abondance est une excellente source froide pour un générateur thermoélectrique (TEG). Par ailleurs, la consommation en carburant du moteur thermique est un poste de dépense majeure pour l’opérateur du bateau, et une réduction de cette consommation, même minime, peut générer des économies financières importantes.L’objectif de la thèse est de comprendre et analyser le fonctionnement d’un échangeur thermoélectrique,notamment en présence d’écoulement pulsés afin d’optimiser le fonctionnement du générateur thermoélectrique. A ce titre, plusieurs campagnes d’essais sur des maquettes de TEG ont été mises en place sur trois bancs d’essais (conçus particulièrement pour les travaux de thèse) où des mesures thermiques et électriques ont été réalisées. Le but de ces essais a été de tester les performances des modules thermoélectriques et les différents types d’échangeurs sur les points de fonctionnement d’un moteur Diesel pour déterminer (dans un premier temps) lesquels étaient les plus adaptés au fonctionnement moteur. Dans un second temps, les effets de la composition des gaz d’échappement et des écoulements pulsés sur le fonctionnement du TEG ont été étudiés. Un modèle de simulation a également été développé afin de modéliser le fonctionnement d’un générateur thermoélectrique. Des essais ont été réalisés afin de calibrer le modèle de simulation
Thermoelectric energy (TE) harvesting (Seebeck effect)is a promising solution for waste heat recovery onboard ocean-going ships. On one hand, the marine Diesel engines reach around 400-450°C temperature at the turbocharger exhaust, corresponding to around 200-300°C on the hot side thermoelectric module (TEM)temperature, which is interesting according to recent studies on intermediate temperatures TE materials. In addition, seawater is available in abundance at low temperature, and represents an excellent heat sink. On the other hand, engine fuel consumption accounts today almost 50 % of ship operational costs; hence, a slight reduction of fuel consumption generates significant financial savings over the year.The objective of the Thesis is to understand and analyze the operation of a thermoelectric heat exchanger, especially in the presence of pulsations and to optimize the thermoelectric generator (TEG). Several test campaigns leading to different thermal and electrical measurement have been conducted. The campaigns were set up on three different test benches designed and fabricated during the thesis. The aim of these tests was to optimize the type of TEM’s and heat exchangers for Diesel engine application by investigating it’s the performances on engine operating points. In a second step, the effects of exhaust gas composition and pulsation flow on the TEG performances were investigated. A simulation model was developed to model the operation of a TEG. Tests were conducted to calibrate the simulation model

This master’s thesis deals with the possibility of increasing efficiency of energy blocks with combustion engines by the combination of the Sabat and Clausius-Rankine cycle into the combined cycle. In the thesis is briefly described the principle of the function of the auxiliary device, which can increase the efficiency of the combustion engine. This device, which consists of a waste heat boiler and two turbine modules, is designed using calculations. Both turbine modules are prepared with drawing documentation and there are described important structural elements. Each key part of the thesis is given by a brief theory, so the basic theory of combustion engines, waste heat boilers and steam turbine are described.

This thesis deals with waste heat boiler for turbines burning natural gas. According to the given parameters of flue gas and vapor are carried out thermal balance and design of the boiler heating surfaces and calculated the dimensions and arrangement of heat transfer surfaces in the boiler followed by treatment with a drawing of the boiler.

La valorisation des effluents gazeux à faible pouvoir calorifique, sous-produits de différents procédés industriels (gazéification du charbon ou de la biomasse, rejets industriels) apparait aujourd’hui comme une solution alternative pour accroître l’efficacité globale des systèmes de combustion par réduction des coûts énergétiques et contrôle des rejets dans l’environnement. Dans ce contexte, une étude expérimentale d'oxyflammes d'un gaz à très bas pouvoir calorifique, le gaz de haut fourneau (BFG), est réalisée pour évaluer l'effet conjoint de l'oxycombustion et du préchauffage des réactifs pour la stabilisation des flammes turbulentes. La configuration du brûleur consiste en un jet annulaire de gaz de haut fourneau (BFG), entouré de deux injections d’oxygène (interne ‘O2i’ et externe ‘O2e’). Son dimensionnement s’appuie sur une méthodologie originale basée sur la détermination d’une vitesse de convection critique UC* à l’extinction de flamme, dérivée d’une valeur expérimentale d'un nombre de Damköhler critique Dac*. Les structures de flammes sont caractérisées par imagerie de chimiluminescence OH* et les propriétés thermiques et chimiques sont évaluées par mesures de température et flux thermique à la paroi et de la composition des fumées. Les champs aérodynamiques 2D des écoulements réactifs sont mesurés par PIV. Quatre principales topologies de flamme sont observées avec cette configuration de brûleur et classées suivant leur mode de combustion. Sans préchauffage, les deux flammes concentriques, interne ‘O2i-BFG’ et externe ‘BFG-O2e’, sont attachées au brûleur à basse puissance (Type A) ; la flamme BFG-O2e peut présenter une stabilité intermittente (Type B), ou se décrocher du brûleur (Type C) à la puissance nominale de dimensionnement. Avec préchauffage des réactifs, la flamme annulaire BFG-O2e reste toujours accrochée au brûleur et la flamme centrale O2i-BFG présente une zone d’extinction locale pour des fortes valeurs de vitesse d’O2i (Type D). L’ensemble des résultats a permis de mettre en avant un bon accord entre les prédictions théoriques et les valeurs expérimentales de UC* avec un élargissement des domaines de stabilité de flamme avec le préchauffage. L'analyse aérodynamique permet de caractériser les transitions entre les structures de flammes. Une validation du critère de dimensionnement de l’oxy-brûleur est aussi effectuée par changement d’échelle, grâce à des mesures réalisées sur une installation semi-industrielle de 180 kW
The effective utilisation of low calorific value fuel, as gaseous by-products of coal/biomass or industrial residual gases, provides not only excellent opportunities for low cost power generation but also for the reduction of environmental impact of combustion. The present work aims to consider the combination of oxyfuel combustion with fuel and/or oxygen preheating in order to increase thermal efficiency by heat recovery and enhance oxyfuel flame stabilization of blast furnace gas (BFG). This experimental study is performed with a burner consisting in an annular jet of BFG surrounded by two injections of oxygen (internal 'O2i' and external 'O2e'). Its dimensions are determined from an original design strategy based on an experimentally critical Damköhler number Dac*, which represents the theoretical limit of stabilisation of a turbulent diffusion BFG-O2 flame with preheated reactants. Flames structures are characterized by OH* chemiluminescence imaging. Thermal and chemical flame properties are evaluated by temperature and radiative flux analysis and pollutant emissions measurements. The 2D aerodynamic fields of reactive flows are determined by velocity measurements by PIV. Four LCV flames structures are resulting from this burner configuration. Without preheating, two concentric flames, internal 'O2i-BFG' and external 'BFG-O2e', are anchored at the burner (Type A) at low thermal power. When increasing the latter, the external flame BFG-O2e manifests some local fluctuations (Type B) or is lifted-off (Type C). With reactants preheating, the BFG-O2e flame is always anchored at the burner tip and the O2i-BFG flame could have local extinction zone for very high values of internal oxygen velocity (Type D). The results highlight a good agreement between theoretical and experimental critical velocity UC* which significantly increases with preheating. The aerodynamics study points out the transitions between the different flames structures. At semi-industrial scale, flames show similar structures to those obtained at laboratory scale. This validates the burner design strategy of preheated oxyfuel combustion adapted to LCV fuels, as well as the scale up criteria used

The topic of this thesis is the calculation of the steam-boiler on biomass. This thesis deals with stoichiometry, the calculation of enthalpies of combustion gas, the heat balance of the boiler and the results in fixing the efficiency of the boiler, the calculation of fire and the balance heat calculation of component parts of the boiler. Onward follow detailed calculations of particular heating surfaces. The output parametres are temperature, pressure and the amount of steam.

Ce travail de recherche est motivé par les contraintes environnementales qui imposent une réduction des émissions de gaz à effet de serre. L'objectif de cette thèse est d'explorer les possibilités de réduction de consommation des moteurs à combustion interne en les munissant d'un dispositif de récupération de chaleur. Cette étude est focalisée sur la valorisation des rejets thermiques d'installations de faible puissance. Le cycle de Rankine est la technologie qui a été sélectionnée. Une installation d'essais a été construite. Un générateur de gaz chaud simule le moteur thermique ; une part de cette chaleur est collectée par le système de récupération de chaleur et partiellement convertie en énergie mécanique. L'échangeur de chaleur a été conçu et construit en interne ainsi que la machine de détente à piston. Un modèle numérique statique validé expérimentalement pour l'évaporateur a été développé. Celui-ci permet d'explorer les performances du cycle de Rankine sur un large champ de fonctionnement. Avec des hypothèses restrictives le modèle numérique fait apparaître qu'un gain de consommation de l'ordre de 3 % à 4 % sur un tracteur agricole serait possible. Un modèle dynamique de moteur à piston adapté aux cycles de Rankine de faibles puissances a été développé pour aider à son dimensionnement. Ce modèle a permis de mettre au point un concept de machine de détente à piston avec un mécanisme de distribution simplifié. Bien qu'offrant des performances en retrait sur les machines de détente à piston à distribution commandée ce concept est à approfondir pour les systèmes de faible puissance nécessitant une simplicité de construction et un faible coût
This research was motivated by environmental constraints which impose a reduction in greenhouse gas emissions. The aim of the thesis was to explore the possibility of reducing the consumption of an internal combustion engine using a bottom waste heat recovery system. The study focused on waste heat recovery for low power installations. The Rankine cycle technology was selected to exploit the heat source. An experimental test bench was designed and set up. A hot gas generator simulates an internal combustion engine. Part of the thermal power is absorbed by the evaporator and partially converted into mechanical power. The heat exchanger and piston expander were designed and built in-house. A numerical static model with experimental validation of the evaporator was developed. The model was used to explore the performances of the Rankine cycle over a large operating range. Under restrictive hypotheses, the numerical model showed that is possible to reduce the consumption of a tractor by about 3 to 4 %. A piston expander dynamic model was developed to assist in sizing the expander. The model was used to define a piston expander concept with a simple distribution mechanism. Although a classical distribution mechanism offers better performances, this concept is promising for systems that are simple, small-scale and low-cost

碩士
國防大學理工學院
化學工程碩士班
100
In this study, the feasibility of cogeneration, with the use of disposing ammunition as fuels, was designed and finished to carry out the combustion experiments by using tri-nitro toluene (TNT), cyclotrimethylenetrinitramine (RDX), and single-base propellant (SBP) as the testing samples. The burning phenomena and gaseous products could be observed and measured simultaneously. Moreover, these samples were analyzed with differential scanning calorimetry/thermogravimetric analysis(DSC/TGA) and oxygen-bomb calorimeter. Based on the experimental results, it was found that these samples were not suitable for the fuels of cogeneration due to the abundant formation of nitrogen oxide (NOX), high reactivity of volumetric explosion, low released heat of combustion. In order for modifying the combustion characteristics, it is thus suggested that the disposing ammunition may be turned into the refused derived fuels by incorporating other flammable solid wastes such as dry plants, plastic materials, and so on.

碩士
國立屏東科技大學
環境工程與科學系
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Heating values including higher heating value and lower heating value mean the heats of combustion per unit weight of municipal solid wastes (MSW). Lower heating value of MSW is a basic and important design parameter of incineration system. In 2001, about 61129 tons (21.10%) of wasted plastics in MSW were found in Taiwan. However, it is rare to see relative literatures concerning the studies of the relationship between heating values and mixing ratios of pure matter. In this paper, authors will investigate the effect of mixing ration of plastics on the heating values of their mixtures. An empirical equation regarding elemental compositions of these pure matters will be obtained from a Microsoft Visual Basic 6.0 based program. Results point out that most binary mixture of plastics show a linear combination of their identical heating values. Furthermore, PBT/PET, PP/PS, PET/PVC, PEO/PVC and PPO/PVC show a positive deviation relation while PET/PEO and PP/HDPE show a negative deviation relation. Binary mixture of paper and plastic also shows a deviation from linear addition. Heating value behaviors of these pure matters could be a design parameter for preparing the wasted plastics refuses derived fuel, WRDF.