Aprèn - Francesc Font Martínez

El principal objetivo de este trabajo es la modelización mediante diversas técnicas de un intercambiador de calor de tubos concéntricos. En concreto se han utilizado métodos analíticos, simulaciones computacionales de dinámica de fluidos y teoría de control para tratar de caracterizar el comportamiento de intercambiador. Aparte se han llevado a cabo experimentos en el laboratorio de la EEBE con un intercambiador real para obtener datos con los que contrastar la fiabilidad de estos métodos. Después de exponer la teoría y los resultados de cada método de modelado se tratará su viabilidad. Por último, se concluirá con las dificultades encontradas durante el trabajo y las posibles mejoras en la metodología y el equipo utilizado. Los principales programas utilizados para las simulaciones del intercambiador han sido Comsol, para la simulación de fluidos y transferencia de calor computacional, y Simulink, para la simulación de la respuesta transitoria del intercambiador.

El principal objectiu d'aquest treball és la modelització mitjançant diverses tècniques d'un intercanviador de calor de tubs concèntrics. En concret s'han utilitzat mètodes analítics, simulacions computacionals de dinàmica de fluids i teoria de control per tractar de caracteritzar el comportament de l'intercanviador. A banda s'han dut a terme experiments al laboratori de la EEBE amb un intercanviador real per tal d'obtenir dades amb les quals contrastar la fiabilitat d'aquests mètodes. Després d'exposar la teoria i els resultats de cada mètode de modelatge es tractarà la seva viabilitat. Finalment, es conclourà amb les dificultats trobades durant el treball i les possibles millores en la metodologia i l'equip utilitzat. Els principals programes utilitzats per a les simulacions de l'intercanviador han estat Comsol, per a la simulació de fluids i transferència de calor computacional, i Simulink, per a la simulació de la resposta transitòria de l'intercanviador.

The main objective of this work is the modelling of a concentric tube heat exchanger using various techniques. Specifically, analytical methods, computational fluid dynamics simulations, and control theory were applied to characterize the behaviour of the heat exchanger. Additionally, experiments were conducted in the EEBE laboratory with a real heat exchanger to gather data for comparing the reliability of these methods. After presenting the theory and results of each modelling method, their feasibility is discussed. Finally, the thesis concludes with an examination of the difficulties encountered and suggestions for potential improvements to the methodology and equipment used. The main programs utilized for the heat exchanger simulations were Comsol, for fluid dynamics and computational heat transfer simulations, and Simulink, for analysing the transient response of the heat exchanger.

Mathematical and computational modelling of carbon dioxide removal by adsorption

Projecte Final de Màster Oficial

Shihadeh Pastor, Ismael

Tutor/a - Director/a: Font Martínez, Francesc

Data de publicació: 2024

Escola d'Enginyeria de Barcelona Est (EEBE)

Veure detall Accés al text complet

La captura de carboni és una tecnologia prometedora per mitigar el repte del canvi climàtic i la producció de Power-to-Gas o GNS. Per assolir la captura de carboni, es poden utilitzar torres d'adsorció, no obstant, el seu desenvolupament necessita un coneixement teòric i experimental profund per a tenir èxit. En aquesta tesis, presentem un estudi numèric i computacional del procés de captura de carboni en columnes d0adsorció. En primer lloc, desenvolupen un codi Python que resol numèricament un model matemàtic 1D de captura de carboni per adsorció. El codi es tradueix a partir d'un codi MATLAB existent i s'amplia per a calcular la pressió al llarg de la columna. En segon lloc, presentem un model computacional preliminar que descriu la propagació del diòxid de carboni en una columna que es desestima l'adsorció i comparem els resultat amb la solució corresponent del model 1D obtinguda amb el codi Python. Aquest treball preliminar permetrà descriure fenòmens més complexos en un futur, així com formular models 1D més precisos que capten millor la complexitat dels models computacionals 3D.

La captura de carbono es una tecnología prometedora para mitigar el reto del cambio climático y la producción de Power-to-Gas o GNS. Para lograr la captura de carbono, se pueden utilizar torres de adsorción, sin embargo, su desarrollo necesita un conocimiento teórico y experimental profundo para tener éxito. En esta tesis, presentamos un estudio numérico y computacional del proceso de captura de carbono en columnas de adsorción. En primer lugar, desarrollamos un código Python que resuelve numéricamente un modelo matemático 1D de captura de carbono por adsorción. El código se traduce a partir de un código Matlab existente y se amplía para calcular la presión a lo largo de la columna. En segundo lugar, presentamos un modelo computacional 3D preliminar que describe la propagación del CO2 en una columna en la que se desestima la adsorción y comparamos los resultados con la solución correspondiente del modelo 1D obtenida con el código Python. Este trabajo preliminar permitirá describir fenómenos más complejos en el futuro, así como formular modelos 1D más precisos que capten mejor la complejidad de los modelos computacionales 3D.

Carbon capture is a promising technology in order to mitigate the challenge of climate change and the production of Power-to-Gas or SNG. To achieve the carbon capture, adsorption towers can be used, however, its development needs a a more profound theoretical and experimental knowledge in order to be successful. In this thesis, we present a numerical and computational study of the process of carbon capture in adsorption columns. We first develop a Python code that numerically solves a 1D mathematical model of carbon capture by adsorption. The code is translated from an existing Matlab code and extended to compute the pressure along the column. Second, we present a preliminary 3D computational model that describes the propagation of CO2 in a column where adsorption is neglected and compare the results with the corresponding solution from the 1D model obtained with the Python code. This preliminary work will allow to describe more complex phenomena in the future as well as formulate more accurate 1D models that better capture the complexity of 3D computational models.

Hydrogen storage in metal hydrides: modelling and experiments

Projecte Final de Màster Oficial

Montesinos Antúnez, Victoria

Tutor/a - Director/a: Font Martínez, Francesc

Data de publicació: 2023

Escola d'Enginyeria de Barcelona Est (EEBE)

Veure detall Accés al text complet

This project encompasses five fundamental building blocks. First, hydrogen and its main properties are introduced, the various hydrogen storage methods are detailed and a comparison between them is made, highlighting metal hydrides as one of the most promising approaches for hydrogen storage. A description of typical metal hydride tank design is also provided. Once the context of hydrogen and hydrogen storage has been established, an introduction to the mathematical models describing metal hydride hydrogen storage from the literature is presented. This involves a description of the key assumptions and typical equations used in these models. Subsequently, the experimental set-up that has been necessary to carry out hydrogen storage experiments in a metal hydride tank in the laboratory is detailed, and the results obtained from these experiments are presented. In the following, two experimental methods designed for the purpose of determining the enthalpy and entropy value of the hydriding reaction, as well as the porosity of the metal of the tank, are explained. For each method, the hypothesis on which it is based, the experimental procedure used, and the results obtained for each one is described. Finally, a simplified mathematical model of the hydrogen storage process in metal hydrides is presented, together with the results derived from the simulation of this model using MATLAB. The annex at the end of the project contains the MATLAB code used to carry out the simulation of the simplified mathematical model. In addition to these five blocks, the project also contains an economic analysis and an environmental analysis of the project itself.

Aquest projecte engloba cinc blocs fonamentals. En primer lloc, s'introdueix l'hidrogen i les seves propietats principals, es detallen els diversos mètodes d'emmagatzematge d'hidrogen i se'n fa una comparació, destacant els hidrurs metàl·lics com un dels enfocaments més prometedors per a l'emmagatzematge d'hidrogen. Així mateix, es proporciona una descripció del disseny típic dels tancs d'hidrurs metàl·lics. Un cop s'ha establert el context de l'hidrogen i el seu emmagatzematge, es presenta una introducció als models matemàtics que descriuen l'emmagatzematge d'hidrogen en hidrurs metàl·lics segons la literatura. Això implica la descripció de les suposicions claus i les equacions típiques utilitzades en aquests models. Posteriorment, es detalla el muntatge experimental que ha estat necessari per dur a terme experiments d'emmagatzematge d'hidrogen en un tanc d'hidrurs metàl·lics al laboratori, i se'n presenten els resultats obtinguts. A continuació, s'expliquen dos mètodes experimentals dissenyats per determinar el valor de l'entalpia i l'entropia de la reacció d'hidridació, així com de la porositat del metall del tanc. De cada mètode es descriu la hipòtesi en què es basa, el procediment experimental emprat i els resultats obtinguts per a cadascun. Finalment, es presenta un model matemàtic simplificat del procés d'emmagatzematge d'hidrogen en hidrurs metàl·lics, juntament amb els resultats derivats de la simulació del model utilitzant MATLAB. L'annex que es troba al final del projecte conté el codi de MATLAB utilitzat per dur a terme la simulació del model matemàtic simplificat. A més d'aquests cinc blocs, el projecte també conté una anàlisi econòmica i una anàlisi ambiental sobre el mateix projecte.

Este proyecto engloba cinco bloques fundamentales. En primer lugar, se introduce el hidrógeno y sus principales propiedades, se detallan los diversos métodos de almacenamiento de hidrógeno y se realiza una comparación entre ellos, destacando los hidruros metálicos como uno de los enfoques más prometedores para el almacenamiento de hidrógeno. Asimismo, se proporciona una descripción del diseño típico de los tanques de hidruros metálicos. Una vez se ha establecido el contexto del hidrógeno y su almacenamiento, se procede a presentar una introducción a los modelos matemáticos que describen el almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos según la literatura. Esto implica la descripción de las suposiciones claves y las ecuaciones típicas utilizadas en dichos modelos. Posteriormente, se detalla el montaje experimental que ha sido necesario para llevar a cabo experimentos de almacenamiento de hidrógeno en un tanque de hidruros metálicos en el laboratorio, y se presentan los resultados obtenidos a partir de los mismos. A continuación, se explican dos métodos experimentales diseñados con el propósito de determinar el valor de la entalpía y la entropía de la reacción de hidridación, así como de la porosidad del metal del tanque. De cada método se describe la hipótesis en la que se basa, el procedimiento experimental empleado y los resultados obtenidos para cada uno. Finalmente, se presenta un modelo matemático simplificado del proceso de almacenamiento de hidrógeno en hidruros metálicos, junto con los resultados derivados de la simulación de dicho modelo utilizando MATLAB. El anexo que se encuentra al final de proyecto contiene el código de MATLAB utilizado para llevar a cabo la simulación del modelo matemático simplificado. Además de estos cinco bloques, el proyecto también contiene un análisis económico y un análisis ambiental sobre el mismo proyecto.

Modelització i experimentació d'emmagatzematge d'hidrogen en hidrurs metàl·lics

Treball Final de Grau

Taxonera Pérez, Carles

Tutor/a - Director/a: Font Martínez, Francesc; Martinez Alegre, Alejandro

Data de publicació: 2023

Escola d'Enginyeria de Barcelona Est (EEBE)

Veure detall Accés al text complet

Aquest treball s'estructura en tres grans blocs. En primer lloc, s'introdueix l'hidrogen com a vector energètic, les principals formes de producció d'hidrogen i el seu emmagatzematge, on es fa èmfasis en l'emmagatzematge en tancs d'hidrurs metàl·lics, les seves característiques principals i el seu funcionament. El comportament d'aquests tancs d'hidrurs metàl·lics es pot conèixer analitzant els seus paràmetres d'interès, com pot ser la pressió i la temperatura del tanc entre d'altres. El segon bloc consta d'un model matemàtic reduït a una dimensió que explica el comportament del tanc d'hidrurs metàl·lics on el paràmetre d'interès principal és la temperatura. En aquest bloc es pot veure des del model matemàtic general del que es parteix, fins a la reducció del model a una dimensió amb les condicions inicials i de contorn utilitzades. Seguidament, s'analitza el comportament de la temperatura i la pressió amb una sèrie d'experiments al laboratori. Aquest tercer bloc consta de dos experiments, amb diferents cabals, on s'han pres imatges del tanc d'hidrurs metàl·lics amb una càmera tèrmica i dades de la pressió i temperatura amb diferents sensors. Finalment, es troba una comparació qualitativa entre el model matemàtic estudiat i els experiments elaborats al laboratori.

Este trabajo se estructura en tres grandes bloques. En primer lugar, se introduce el hidrógeno como vector energético, las principales formas de producción de hidrógeno y su almacenamiento, donde se pone énfasis en el almacenamiento en tanques de hidruros metálicos, sus características principales y su funcionamiento. El comportamiento de estos tanques de hidruros metálicos puede conocerse analizando sus parámetros de interés, como puede ser la presión y la temperatura del tanque entre otros. El segundo bloque consta de un modelo matemático reducido a una dimensión que explica el comportamiento del tanque de hidruros metálicos en el que el parámetro de interés principal es la temperatura. En este bloque puede verse desde el modelo matemático en dos dimensiones del que se parte, hasta la reducción del modelo a una dimensión con las condiciones iniciales y de contorno utilizadas. Seguidamente, se analiza el comportamiento de la temperatura y la presión con una serie de experimentos en el laboratorio. Este tercer bloque consta de dos experimentos, con distintos caudales, donde se han tomado imágenes del tanque de hidruros metálicos con una cámara térmica y datos de la presión y temperatura con distintos sensores. Por último, se encuentra una comparación cualitativa entre el modelo matemático estudiado y los experimentos elaborados en el laboratorio.

This work is structured in three main blocks. Firstly, hydrogen is introduced as an energy vector, the main forms of hydrogen production and its storage, where emphasis is placed on storage in metal hydride tanks, their main characteristics and their operation. The behaviour of these metal hydride tanks can be known by analysing their parameters of interest, such as the pressure and temperature of the tank, among many others. The second block consists of a mathematical model reduced to one dimension that explains the behaviour of the metal hydride tank in which the main parameter of interest is the temperature. In this block we can see from the mathematical model in two dimensions, to the reduction of the model to one dimension with the initial and boundary conditions used. The behaviour of temperature and pressure is then analysed with diferent laboratory experiments. This third block consists in two diferent experiments, with different flow rates, where images of the metal hydride tank have been taken with a thermal camera and pressure and temperature data with different sensors. Finally, there is a qualitative comparison between the mathematical model studied and the experiments carried out in the laboratory.