Design, manufacturing, numerical and experimental analysis of a heat exchanger coupled iris mechanism

Pieter Peeraer Tom Sluyts
Deze thesis beschrijft het ontwerp en technische analyse van een iris mechanisme gebaseerd op het menselijke oog. Deze iris kan gebruikt worden bij een zonnereactor voor de productie van elektriciteit of grondstoffen (vb.: waterstof) en dit bij een veel hogere efficiëntie.

Evolutie naar duurzame energieproductie: iris mechanisme gebaseerd op het menselijk oog

‘The real challenge is not the climate but the mind change’. Met deze wijze uitspraak wilt T. Rau er op wijze dat een duurzame ontwikkeling mogelijk is om de klimaatverandering tegen te gaan, mits een verandering van gedachte van alle mensen. Zo zal iedereen op een doordachte manier moeten omspringen met energie. Anderzijds is het de taak van ingenieurs om nieuwe technologieën te ontwerpen die de evolutie naar een duurzame samenleving mogelijk maakt.

 

Zou niet iedereen verkiezen om in een gezonde omgeving te leven, zonder dat het gebruik van mondmaskers noodzakelijk is om veilig te ademen? Willen we niet allemaal een mooie wereld achterlaten voor onze kinderen? En dit alles liefst zonder te moeten inleveren op het huidige comfort. Om dit te kunnen realiseren is er nood aan een alternatieve energiebron voor industriële processen, fabricage en residentieel gebruik. Zo’n alternatieve bron van energie moet ook duurzaam zijn zodat het huidige tekort aan fossiele brandstoffen geen gevaar betekent voor de industrie. Zonne-energie zou bijvoorbeeld gebruikt kunnen worden als duurzame energiebron. Energieopwekking via het gebruik van zonne-energie is een welgekende technologie en dan voornamelijk door het gebruik van fotovoltaïsche panelen. Op een gelijkaardige manier kan ook energie opgewekt worden op een thermische wijze met behulp van de zon. Zonne-energie kan echter verder gaan dan de rechtstreekse energieopwekking. Zonne-thermochemische procestechnologieën bevat namelijk de mogelijkheid om brandstoffen en grondstoffen te produceren, zonder dat er schadelijke broeikasgassen in onze atmosfeer terecht komen. Deze technologie kan gebruikt worden bij endothermische processen die een hoge temperatuur vereisen zoals het kraken van methaan, splitsen van water, productie van kalksteen, …. Zo’n hoge temperaturen kunnen bereikt worden door het concentreren van invallende zonnestralen met behulp van spiegels. Het grote nadeel, of zoals wij het liever noemen ‘uitdaging’, dat hiermee gepaard gaat is dat de thermochemische processen moeten plaatsvinden bij een constante temperatuur in de zonne-reactor. De fluctuaties in de hoeveelheid zonne-energie maken het echter moeilijk om deze constante temperatuur te onderhouden. Daarom dient er een innovatieve oplossing uitgevonden te worden om zoveel mogelijk van de beschikbare zonne-energie gebruik te maken.

Figuur 1: Menselijk oog [1]Een mechanisme met een variabele opening om de hoeveelheid zonne-energie die de reactor binnentreedt te regelen zou een effectieve oplossing zijn. Zo’n mechanisme reduceert de oppervlakte van de hoeveelheid flux die de reactor zal binnentreden indien de zonnestraling toeneemt. Zo’n mechanisme wordt een iris genoemd en werkt op gelijkaardige wijze als de iris van het menselijk oog. (Buiten in de zon zal de iris van het oog kleiner zijn dan wanneer de persoon zich in een donkere kamer bevindt) Ook al kan dit mechanisme helpen om een constante temperatuur in de reactor te behouden, het mechanisme blokkeert ook veel beschikbare energie, vooral wanneer deze gesloten is. Daarom is er nood aan een ingebouwd mechanisme om deze geblokkeerde energie terug op te vangen. Het iris mechanisme dat wordt beschreven in deze thesis kan zowel de hoge temperatuur in de zonnereactor constant houden als meer dan 50% van de geblokkeerde energie terug omzetten in een bruikbare vorm.

 

Figuur 2: Ontworpen irisOns ontworpen iris mechanisme is weergegeven op Figuur 2. Het bestaat uit vier bladen en een transmissie via een motor en een ketting (niet weergegeven op afbeelding) overbrenging. Bij de keuze van transmissiemethode, materiaal, ontwerptoleranties, … werd steeds rekening gehouden met de zeer hoge temperaturen (tot 600 °C) die het mechanisme kan ondervinden. De iris is met een dikte van enkel 25 mm een zeer compact en elegant ontwerp. Dankzij een zeer weldoordacht ontwerp van de bladen zal het mechanisme steeds een quasi circulaire opening hebben ongeacht de diameter van de opening. Dit is gewenst zodat er een gelijke warmteverdeling plaatsvindt in de zonnereactor. Het meest innovatieve aan dit ontwerp is dat de bladen voorzien zijn van waterkanalen. Het water dat door deze kanalen kan vloeien heeft twee doelen. Enerzijds zorgt dit water voor een koeling. Dit geeft als resultaat dat het materiaal een lagere thermische belasting zal ondervinden. Bovendien kan er nu ook gewerkt worden met een hogere zonne-intensiteit zonder het gebruik van dure keramische materialen. Anderzijds kan het water gebruikt worden om een gedeelte van de geblokkeerde energie terug om te zetten in een bruikbare vorm. Zo kan het water bijvoorbeeld omgezet worden in stoom dat op zijn beurt elektriciteit kan genereren in een stoomturbine. Bij kleinschalige installaties kan het warm water gebruikt worden voor residentieel gebruik. De vorm van de waterkanalen is zo ontworpen dat een maximale efficiëntie bereikt kan worden voor de energierecuperatie. Na het uitvoerig testen van het iris mechanisme kan geconcludeerd worden dat dit mechanisme zeer doeltreffend. In Figuur 3 is de test set-up afgebeeld.

Figuur 3: Test set-up

 

 

Het iris mechanisme is een zeer elegante en goedkope oplossing dat ervoor zorgt dat de efficiëntie van het gebruik van thermische zonne-energie tot 50% kan toenemen. Zo is het mogelijk om groene elektriciteit te genereren en brandstoffen en grondstoffen te produceren zoals waterstof met zonne-energie zonder dat er schadelijke broeikasgassen in de atmosfeer terecht komen en dit aan een zeer hoge efficientië.

 

 

[1]              burgundyeyes, “Blue eyes”, Fanpop, 2008, [online] available at: http://www.fanpop.com/clubs/blue-eyes/images/5833483/title/blue-eyes-ph…

Bibliografie

[1]       Eurostat, “Eurostat regional yearbook, 2017 Edition,” Publications Office of the European Union. pp. 24–26, 2017.

[2]       British Petroleum, “2017 Energy Outlook,” BP Statistical Review of World Energy. pp. 9–11, 2017.

[3]       M. Engin, “Sizing and simulation of PV-wind hybrid power system,” Int. J. Photoenergy, vol. 2013, no. 1, pp. 1–8, 2013.

[4]       L. Charpentier, K. Dawi, J. Eck, B. Pierrat, J.-L. Sans, and M. Balat-Pichelin, “Concentrated Solar Energy to Study High Temperature Materials for Space and Energy,” J. Sol. Energy Eng., vol. 133, no. 3, pp. 1–8, 2011.

[5]       C. Ophoff, S. Korotunov, and N. Ozalp, “Optimization of Design and Process Parameters for Maximized and Stable Solar Receiver Efficiency,” in Proceedings of the 2nd Thermal and Fluid Engineering Conference, 2017, pp. 1–2.

[6]       D. M. Rowe, “Thermoelectrics, an environmentally-friendly source of electrical power,” Renewable Energy, vol. 16, no. 1–4. pp. 1251–1256, 1999.

[7]       C. Ophoff, “Iris Shutter Mechanism,” KU Leuven, 2015.

[8]       Y. A. Cengel and M. A. Boles, “Thermodynamics an engineering approach,” Mc Graw Hill Education, vol. 1. pp. 1–19, 2002.

[9]       C. Ophoff, H. A. Najafabadi, J. Bogaerts, N. Ozalp, and D. Moens, “An overview of variable aperture mechanisms in attempt to control temperature inside solar cavity receivers,” in Proceedings of the 3rd Thermal and Fluids Engineering Conference (TFEC), 2018, pp. 1–12.

[10]     N. Ozalp, A. Toyama, J. Devanuri, R. Rowshan, and Y. Al-Hamidi, “Effect of Cameralike Aperture in Quest for Maintaining Quasi-Constant Radiation Inside a Solar Reactor,” J. Mech. Des., vol. 133, no. 2, pp. 1–7, 2011.

[11]     Y. Al-Hamidi, S. Abdulla, M. El Zamli, I. Rizk, and N. Ozalp, “Design , Manufacturing and Testing of an Aperture Mechanism for a solar reactor,” in Proceedings of the ASME 5th International Conference on Energy Sustainability, 2011, pp. 1–12.

[12]     J. Bogaerts, “Design and manufacturing of a smart iris mechanism for a solar reactor,” KU Leuven, 2016.

[13]     S. Roth, M. Ignatowitz, P. Müller, W. Mönch, and E. Oesterschulze, “Non-mechanical variable apertures based on poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT),” Microelectron. Eng., vol. 88, no. 8, pp. 2349–2351, Aug. 2011.

[14]     J. Ouyang and Y. Yang, “Conducting polymer as transparent electric glue,” Adv. Mater., vol. 18, pp. 2141–2144, 2006.

[15]     S. Abdulla et al., “Design, manufacturing and testing of a camera-like aperture mechanism for a solar reactor,” in ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition, 2011, pp. 1–15.

[16]     H. Wittel, D. Muhs, D. Jannasch, and J. Vossbiek, RoloffMatek, 5th ed. Amsterdam: Boom uitgevers Amsterdam, 2013.

[17]     N. L. Parthasarathi, U. Borah, and S. K. Albert, “Correlation Between Coefficient of Friction and Surface Roughness in Dry Sliding Wear of Aisi 316 L ( N ) Stainless Steel At Elevated Temperatures,” Comput. Model. New Technol., vol. 17, no. 1, pp. 51–63, 2013.

[18]     P. Hanrahan, “Monte Carlo path tracing.” Stanford University, Stanford, CA, pp. 1–19, 2016.

[19]     F. E. Nicodemus, J. C. Richmond, J. J. Hsia, I. W. Ginsberg, and T. Limperis, “Geometrical considerations and nomenclature for reflectance,” U.S. departement of commerce - National bureau of standards. Washington D.C., pp. 1–52, 1977.

[20]     Lambda Research Corporation, “Trace Pro User’s Manual.” Lambda Research Corporation, Littleton, New Hampshire, p. 1.1-1.3, 7.1-7.3, 2017.

[21]     D. Jacobsen and M. Gauvin, “TracePro ’ s Monte Carlo Raytracing Methods , reducing statistical noise , memory usage and raytrace times.” Lambda Research Corporation, 2012.

[22]     D. B. Kim, K. S. Park, K. Y. Kim, M. K. Seo, and K. H. Lee, “High-dynamic-range camera-based bidirectional reflectance distribution function measurement system for isotropic materials,” Opt. Eng., vol. 48, no. 9, p. 093601, 2009.

[23]     Siemens PLM Software, “Siemens NX 11.” Siemens Product Lifecycle Management Software Inc., 2016.

[24]     Siemens PLM Software, “Simcenter Flow Solver Reference Manual.” Siemens Product Lifecycle Management Software Inc., 2016.

[25]     Siemens PLM Software, “Thermal Analysis User’s Guide.” Siemens Product Lifecycle Management Software Inc., 2014.

[26]     P. Arras, “Numerieke Simulatietechnieken.” KU Leuven, Leuven, 2017.

[27]     B. R. Munson, D. F. Young, T. H. Okiishi, and W. W. Huebsch, Fundamentals of fluid mechanics. West Virginia: John Wiley & Sons Pte Ltd, 2010.

[28]     O. C. Zienkiewicz and R. L. Taylor, “The Finite Element Method Volume 1 : The Basis,” Methods, vol. 1, pp. 1–708, 2000.

[29]     G. Design, “CES EduPack Software.” Granta Design Ltd., Cambridge, 2017.

[30]     S. Holmström, R. Pohja, A. Nurmela, P. Moilanen, and P. Auerkari, “Creep and creep-fatigue behaviour of 316 stainless steel,” in Procedia Engineering, 2013, vol. 55, pp. 160–164.

[31]     Mikron Instrument Company, “Table of Emissivity of Various Surfaces,” pp. 1–13, 2014.

[32]     H. J. J. Kals, C. Buiting-Csikos, and C. A. van Luttervelt, Industriële productie: Het voortbrengen van mechanische producten. 2012.

[33]     The Lincoln Electric Company, “How a plasma cutter works,” 2018. [Online]. Available: https://www.lincolnelectric.com/en-us/equipment/plasma-cutters/process-…. [Accessed: 20-May-2018].

[34]     M. Kaladhar, K. V. Subbaiah, and C. H. S. Rao, “Machining of austenitic stainless steels - a review,” Int. J. Mach. Mach. Mater., vol. 12, no. 1/2, pp. 178–192, 2012.

[35]     D. R. Patra and I. S. Rout, “Parametric Optimization of WEDM parameters on EN 31 steel for lower surface roughness using taguchi method,” IOSR J. Mech. Civ. Eng., vol. 13, no. 1, pp. 21–26, 2015.

[36]     L. Holland, “The effect of gettering on the reflectivity of aluminium films,” Br. J. Appl. Phys., vol. 9, no. 8, pp. 336–337, 1958.

[37]     R. M. Kelly, “Thermal conductivity of aluminium foil,” Massachusetts Institute of Technology, 1931.

Universiteit of Hogeschool
Master in de industriële wetenschappen: elektromechanica
Publicatiejaar
2018
Promotor(en)
Moens D.; Ozalp N.; Ophoff C.
Kernwoorden