We employ a three-dimensional indirect boundary element method (BEM) to simulate temperature change around an underground liquefied natural gas storage cavern. The indirect BEM (IBEM) uses fictitious heat source strength on boundary elements as basic variables which are solved from equations of boundary conditions and then used to compute the temperature change at other points in the considered problem domain. The IBEM requires evaluation of singular integration for temperature change due to heat conduction from a constant heat source on a planar (triangular) region. The singularity can be eliminated by a semi-analytical integration scheme. However, it is found that the semi-analytical integration scheme yields sharp temperature gradient for points close to vertices of triangle. This affects the accuracy of heat flux, if they are evaluated by finite difference method at these points. This difficulty can be overcome by a combination of using a direct numerical integration for these points and the semi-analytical scheme for other points distance away from the vertices. The IBEM and the hybrid integration scheme have been verified with an analytic solution and then used to the application of the underground storage.
Sultan, Haider;Bhatti, Umair H.;Cho, Jin Soo;Park, Sung Youl;Baek, Il Hyun;Nam, Sungchan
에너지공학
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제28권4호
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pp.13-18
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2019
The high energy penalty in amine-based post-combustion CO2 capture process is hampering its industrial scale application. An advanced process is designed by intensive heat integration within the conventional process to reduce the stripper duty. The study presents the technical feasibility for stripper duty reduction by intensive heat integration in CO2 capture process. A rigorous rate-based model has been used in Aspen Plus® to simulate conventional and advanced process for a 300 MW coal-based power plant. Several design and operational parameters like split ratio, stripper inter-heater location and flowrate were studied to find the optimum values. The results show that advanced configuration with heat integration can reduces the stripper heat by 14%.
In this study, we investigate the unknown time-dependent heat source function in inverse problems. We consider three general nonlocal conditions; two classical boundary conditions and one nonlocal over-determination, condition, these genereate six different cases. The finite integration method (FIM), based on numerical integration, has been adapted to solve PDEs, and we use it to discretize the spatial domain; we use backward differences for the time variable. Since the inverse problem is ill-posed with instability, we apply regularization to reduce the instability. We use the first-order Tikhonov's regularization together with the minimization process to solve the inverse source problem. Test examples in all six cases are presented in order to illustrate the accuracy and stability of the numerical solutions.
In this study, the optical properties, heat transfer capabilities and chemical reaction performance of a methane thermal decomposition reactor using solar heat as a heat source were numerically analyzed on the basis of the cavity shape. The optical properties were analyzed using TracePro, a Monte Carlo ray tracing-based program, and the heat transfer analysis was performed using Fluent, a CFD program. An indirect heating tubular reactor was rotated at a constant speed to prevent damage by the heat source in the solar furnace. The inside of the reactor was filled with a porous catalyst for methane decomposition, and the outside was insulated to reduce heat loss. The performance of the reactor, based on cavity shape, was calculated when solar heat was concentrated on the reactor surface and methane was supplied into the reactor in an environment with a solar irradiance of 700 W/㎡, a wind speed of 1 m/s, and an outdoor temperature of 25℃. Thus, it was confirmed that the heat loss of the full-cavity model decreased to 13% and the methane conversion rate increased by 33.5% when compared to the semi-cavity model.
In a one-dimensional heat conduction domain with heated and insulated walls, an integral approach is proposed to estimate time-dependent boundary heat flux without internal measurements. It is assumed that the expression of the heat flux is not known a priori. Hence, the present inverse heat conduction problem is classified as a function estimation problem. The spatial temperature distribution is approximated as a third-order polynomial of position, whose four coefficients are determined from the heat fluxes and the temperatures at both ends at each measurement. After integrating the heat conduction equation over spatial and time domain, respectively, a simple and non-iterative recursive equation to estimate the time-dependent boundary heat flux is derived. Several examples are introduced to show the effectiveness of the present approach.
Exergy analysis is widely used in energy system analysis for more efficient energy use. Pinch technology has focused on chemical plants, such as pure heat exchanger networks. In this study, the objective is to seek more effective means with integrating above two methods. In order to demonstrate effective result and to prove possibility for pinch analysis, the steam turbine is adopted to make heat recovery in the heat exchanger network. Three cases are introduced using the integration of exergy and pinch analysis. The standard steam turbine utility is the base case, and adding the heat pump to this system is the second case. The third case is the system with the heat pump and minimum utilities. The results show that the output power of steam turbine in the case(2) and case(3) are increased up to 42% and 46%, respectively, compared with that of base case.
The arc sensor has been most widely used for weld seam tracking through welding current or voltage variation. In this work, the relation between the arc light intensity and welding condition is investigated using heat balance in the Plasma for its possible application to seam tracking in the GMAW process. The arc light intensity is derived to be the function of the arc length and welding current Experiments are carried out to verify the proposed heat balance model. Performances of least square and integration methods to process the signals for seam tracking are compared experimentally. Predicted arc light intensity shows reasonably good agreement with experimental results. The weld seam is successfully tracked through the arc light intensity. The least square and integration methods demonstrate almost same performance of seam tracking with $CO_2$gas shielding.
Interaction between fluid flow and thermal radiation has received considerable attention due to its numerous applications in engineering field. In this case the thermofluid properties of radiating fluid vary with the variation of temperature field caused by absorption and emission of radiant heat. To analyze the radiation heat transfer in radiating fluid, the simultaneous solution of the radiative transfer equation (RTE) and the fluid dynamics equations is required. This means that the numerical procedure used for the RTE must be computationally efficient to permit its inclusion in the other submodels, and must be compatible with the other transport equations. The finite volume method (FVM) and the discrete ordinates method (DOM) are usually employed to simulate radiation problems in generalized coordinates. These two representative methods are examined and compared, especially in view of the numerical integration of the radiation intensity over solid angle. The FVM shows better accuracy than the DOM owing to less constraints of the selection of control angle.
Interaction between fluid flow and thermal radiation has received considerable attention due to its numerous applications in engineering field. In this case the thermofluid properties of radiating fluid vary with the variation of temperature field caused by absorption and emission of radiant heat. To analyze the radiation heat transfer in radiating fluid, the simultaneous solution of the radiative transfer equation (RTE) and the fluid dynamics equations is required. This means that the numerical procedure used for the RTE must be computationally efficient to permit its inclusion in the other submodels, and must be compatible with the other transport equations. The finite volume method (FVM) and the discrete ordinates method (DOM) are usually employed to simulate radiation problems in generalized coordinates. These two representative methods are examined and compared, especially in view of the numerical integration of the radiation intensity over solid angle. The FVM shows better accuracy than the DOM owing to less constraints of the selection of control angle.
Journal of the Korean Society for Industrial and Applied Mathematics
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제24권1호
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pp.93-102
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2020
The concept of temperature distribution in inhomogeneous semi-infinite solids is examined by making use of direct integration method. The analysis is done on the solution of the in-plane steady state heat conduction problem under certain boundary conditions. The method of direct integration has been employed, which is then reduced to Volterra integral equation of second kind, produces the explicit form analytical solution. Using resolvent- kernel algorithm, the governing equation is solved to get present solution. The temperature distribution obtained and calculated numerically and the relation with distribution of heat flux generated by internal heat source is shown graphically.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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