Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)

Permanent URI for this collection

https://hdl.handle.net/10889/75

Browse

Now showing 1 - 20 of 144

Open Access
Βέλτιστη ανάδραση καταστάσεων με χρήση της μερικής διαφορικής εξίσωσης Hamilton-Jacobi-Bellman
(2007-05-14T05:51:42Z) Παππάς, Αντώνιος; Κωνσταντίνος Κράβαρης; Κωνσταντίνος Κράβαρης; Ιωάννης Τσαμόπουλος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Pappas, Antonios
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Η μερική διαφορική εξίσωση Hamilton-Jacobi-Bellman παράγει τη λύση στο πρόβλημα του υπολογισμού της βέλτιστης ανάδρασης καταστάσεων σε μη γραμμικά δυναμικά συστήματα. Η προσπάθεια ανάπτυξης εύχρηστων και αξιόπιστων μεθόδων αριθμητικής ή προσεγγιστικής επίλυσης της εξίσωσης Hamilton-Jacobi-Bellman έχει τεράστια σημασία στη ρύθμιση διεργασιών γιατί μπορεί να οδηγήσει άμεσα σε εργαλεία σχεδιασμού μη γραμμικών ρυθμιστών. Ειδικότερα, στη ρύθμιση διεργασιών, η απόδοση ενός ρυθμιστικού συστήματος αξιολογείται βάσει ενός τετραγωνικού δείκτη απόδοσης σε άπειρο χρονικό ορίζοντα, και η βέλτιστη ανάδραση καταστάσεων μπορεί να υπολογισθεί μέσω της λύσης της εξίσωσης Hamilton-Jacobi-Bellman, μη εξαρτώμενης από το χρόνο. Στο πρόβλημα της επίλυσης της παραπάνω εξίσωσης παρουσιάζονται σοβαρές δυσκολίες, κυρίως λόγω υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Για το λόγο αυτό, οι μέχρι στιγμής πρακτικές εφαρμογές υπήρξαν περιορισμένες. Στην παρούσα εργασία αναπτύσσεται υπολογιστική μέθοδος, βασισμένη στον αλγόριθμο επαναλήψεων Newton-Kantorovich, η οποία επιτυγχάνει πολυωνυμική προσέγγιση της λύσης της μερικής διαφορικής εξίσωσης Hamilton-Jacobi-Bellman υπό μορφή αναπτύγματος σε δυναμοσειρά Taylor. Με τον τρόπο αυτό επιταχύνονται σημαντικά οι υπολογισμοί για τον προσδιορισμό της βέλτιστης ανάδρασης καταστάσεων. Η μέθοδος εφαρμόζεται αρχικά σε ένα παράδειγμα ισοθερμοκρασιακού αντιδραστήρα συνεχούς λειτουργίας με ανάδευση, ο οποίος παρουσιάζει δυναμική συμπεριφορά μη-ελάχιστης φάσης, με μία είσοδο, μία έξοδο και δύο καταστάσεις. Στη συνέχεια, εφαρμόζεται σε παραδείγματα μη ισοθερμοκρασιακού αντιδραστήρα αντίστοιχης δυναμικής συμπεριφοράς, τριών καταστάσεων, πρωτίστως με μία είσοδο και μία έξοδο και κατόπιν με δύο εισόδους και δύο εξόδους. Με ανάπτυξη και εφαρμογή κώδικα MAPLE για κάθε μία περίπτωση χωριστά, υπολογίζονται προσεγγιστικά οι βέλτιστοι νόμοι ανάδρασης και σχεδιάζονται οι βέλτιστες αποκρίσεις των εισόδων και των εξόδων κάθε ενός από τα παραπάνω συστήματα, ενώ ταυτόχρονα γίνεται και καταγραφή των αντίστοιχων χρόνων εκτέλεσης κάθε κώδικα. Τέλος, στην περίπτωση του ισοθερμοκρασιακού αντιδραστήρα, γίνεται σύγκριση της προτεινόμενης μεθόδου με προϋπάρχουσες, κατά κύριο λόγο σε ζητήματα χρόνων εκτέλεσης, αλλά και σε ζητήματα απόδοσης στη ρύθμιση.
Open Access
Επίδραση του κλάσματος αερισμού στην βιολογική αφαίρεση αζώτου από αστικά λύματα σε σύστημα συστοιχίας αντιδραστήρων CSTR
(2007-08-07T05:56:52Z) Κακογιάννη, Αλεξάνδρα; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Κράβαρης, Κώστας
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
-
Open Access
Φυσικοχημική μελέτη του μηχανισμού εναπόθεσης μικροδομημένων υμενίων οξειδίου του πυριτίου από πλάσμα οργανοπυριτικών ενώσεων
(2008-02-01T10:36:16Z) Πάνου, Ασπασία; Ματαράς, Δημήτριος; Ραπακούλιας, Δημήτριος; Αγγελόπουλος, Γιώργος; Ματαράς, Δημήτριος; Panou, Aspasia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Τα λεπτά υμένια οξειδίων του πυριτίου (SiOx) χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως στην μικροηλεκτρονική και στη βιομηχανία συσκευασίας τροφίμων ενώ τα τελευταία χρόνια υπάρχει έντονο ερευνητικό ενδιαφέρον για την εφαρμογή τους στην προστασία μεταλλικών επιφανειών από την διάβρωση. Η χημική εναπόθεση SiOx με τη χρήση πλάσματος χαμηλής πίεσης του τετρααιθόξυσιλανίου (TEOS) παρουσιάζει μερικά σημαντικά πλεονεκτήματα όπως εναπόθεση σε χαμηλές θερμοκρασίες, ομοιόμορφη κάλυψη της επιφανείας και μεγάλους ρυθμούς εναπόθεσης. Από την άλλη πλευρά, η ιδιαιτερότητα της εναπόθεσης μέσω πλάσματος TEOS, έγκειται στο γεγονός ότι η δομή, οι ιδιότητες και η χημική σύσταση των παραγόμενων υμενίων εξαρτώνται σημαντικά από τις παραμέτρους της διεργασίας, λόγω της πολυπλοκότητας του πλάσματος του TEOS. Είναι χαρακτηριστικό ότι ανάλογα με τις συνθήκες εναπόθεσης μπορούν να παραχθούν υλικά που η χημική τους σύσταση ποικίλει μεταξύ σιλικόνης ( SiOxCyHz ) και σχεδόν στοιχειομετρικού SiO2. Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η επίδραση διαφόρων παραμέτρων της διεργασίας (ολική πίεση, ισχύς, συχνότητα διέγερσης ) στην αποδοτικότητα της κατανάλωσης ισχύος, στον ρυθμό εναπόθεσης και στη σύσταση των παραγόμενων υμενίων που εναποτέθηκαν σε κρυσταλλικό πυρίτιο. Για τον προσδιορισμό της πραγματικής ισχύος που καταναλώνεται στην εκκένωση πραγματοποιήθηκαν ηλεκρικές μετρήσεις τάσης και ρεύματος στο πολωμένο ηλεκτρόδιο. Για τον in situ προσδιορισμό του ρυθμού εναπόθεσης κατά τη διάρκεια της διεργασίας χρησιμοποιήθηκε ανακλαστική συμβολομετρία με laser. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν σε ελεγχόμενες ηλεκτρικές συνθήκες και υπό σταθερή μερική πίεση του TEOS και θερμοκρασία υποστρώματος. Ο συνδυασμός υψηλών συχνοτήτων και ισχύος δείχνει να είναι μία πολλά υποσχόμενη τεχνική για την εναπόθεση στοιχειομετρικών μικροδομημένων φιλμ SiOχ με μεγάλους ρυθμούς εναπόθεσης σε χαμηλές θερμοκρασίες υποστρώματος.
Open Access
Μελέτη ιδιοτήτων ασβεστόλιθων για ρόφηση διοξειδίου του άνθρακα σε ρευστοστερεά κλίνη
(2008-10-10T08:07:37Z) Παπαδοπούλου, Ευτυχία; Κοτσούκος, Πέτρος; Παρασκευάς, Χριστάκης; Κονταρίδης, Δημήτριος; Κοτσούκος, Πέτρος; Papadopoulou, Eftichia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Στην διάρκεια της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η ικανότητα ρόφησης CΟ2 καθώς και η απομείωση (attrition) δώδεκα υλικών (8 ασβεστίτες και 4 δολομίτες) τόσο πριν όσο και αφού είχαν υποστεί θερμική διάσπαση-ενανθράκωση. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα τα μη θερμικά κατεργασμένα υλικά επέδειξαν μικρότερα ποσοστά απομείωσης συγκριτικά με τα θερμικά κατεργασμένα. Το ποσοστό απομείωσης των υλικών χωρίς θερμική κατεργασία δεν αποτελεί μέτρο πρόβλεψης του ποσοστού απομείωσης του υλικού μετά από θερμική κατεργασία. Στην συνέχεια μελετήθηκε η επίδραση των συνθηκών θερμικής διάσπασης (θερμοκρασία και διάρκεια) του υλικού Α1 με αρχικό μέγεθος κόκκων 0.71mm900οC και t>2h) παρουσιάζουν μειωμένη ικανότητα ρόφησης CΟ2 . Αναφορικά με την απομείωση, θερμική κατεργασία σε υψηλή θερμοκρασία και για παρατεταμένη χρονική περίοδο, οδηγεί σε υψηλά ποσοστά λεπτόκοκκου υλικού μετά την ενανθράκωση. Πιθανοί λόγοι είναι η θραύση των κόκκων λόγω της ανισότροπης δομής των υλικών η ή πυροσυσσωμάτωση (sintering). Τέλος μελετήθηκε η επίδραση υλικών επικάλυψης όπως η αλούμινα και η σίλικα στην ικανότητα ρόφησης CΟ2 καθώς και στο ποσοστό απομείωσης του υλικού Α1 για αρχικό μέγεθος κόκκων 0.5mm
Open Access
Προσομοίωση διεργασιών μορφοποίησης πολυμερών : η επίδραση ψυχρού εξωτερικού αέρα στην εκβολή πολυμερούς με εμφύσηση
(2009-03-09T13:05:42Z) Καρακώστα, Νικολίτσα; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Παγιατάκης, Αλκιβιάδης; Μαυραντζάς, Βλάσης
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Το αντικείμενο της παρούσας εργασίας είναι η μαθηματική μοντελοποίηση της εφαπτομενικής ροής του ψυχρού αέρα, ο οποίος παρέχεται εξωτερικά της διεργασίας εκβολής πολυμερούς με εμφύσηση (film blowing) και η αριθμητική επίλυση των εξισώσεων που προκύπτουν. Η διεργασία εκβολής πολυμερών με εμφύσηση είναι η βασική μέθοδος παραγωγής φύλλων πλαστικού μεγάλης επιφάνειας τα οποία χρησιμοποιούνται κυρίως ως υλικά συσκευασίας και σε θερμοκήπια. Στην παρούσα εργασία αναπτύχθηκε μεθοδολογία η οποία επιτρέπει την μοντελοποίηση της ροής και της μεταφοράς θερμότητας του αέρα καθώς και του πολυμερούς και μας δίνει τη δυνατότητα να μελετήσουμε την επίδραση που έχει τόσο η ροή όσο και η ψύξη που προκαλεί ο αέρας στο φιλμ που σχηματίζει το πολυμερές. Αρχικά οι διέπουσες εξισώσεις του αέρα και του πολυμερούς απλοποιήθηκαν με την βοήθεια της θεωρίας των διαταραχών. Η μαθηματική ανάλυση και οι παραδοχές που έγιναν είχαν ως αποτέλεσμα i) η ροή και η παραμόρφωση του πολυμερούς να περιγράφεται από τις εξισώσεις του “λεπτού φιλμ” και ii) η ροή του αέρα να προσομοιάζεται με συνοριακό στρώμα, του οποίου η λύση προκύπτει με την μέθοδο ομοιότητας. Η επίδραση της θερμοκρασίας του αέρα στο πολυμερές μελετήθηκε θεωρώντας την αρχικά σταθερή, ενώ στην περίπτωση που και ο αέρας θεωρείται ότι θερμαίνεται από το πολυμερές, η κατανομή της θερμοκρασίας του προσεγγίζεται με ένα πολυώνυμο 4ου βαθμού στην ακτινική διεύθυνση. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν εξαιτίας της ψύξης του φιλμ δείχνουν ότι οι παραμορφώσεις και οι μεταβολές του πάχους μειώνονται επιτρέποντας στο φιλμ που σχηματίζει το πολυμερές να αποκτά σωληνοειδή μορφή. Η λύση της εφαπτομενικής ροής του αέρα κατά μήκος του φιλμ έδειξε ότι στο φιλμ ασκούνται τάσεις οι οποίες μετατοπίζουν το φιλμ προς τον άξονα συμμετρίας και έτσι λαμβάνονται πιο ομοιόμορφα σχήματα σε σχέση με τα σχήματα που λαμβάνονται χωρίς την επίδραση του αέρα. Η επίδραση της ροής του αέρα φαίνεται να συμβαίνει στο χαμηλότερο τμήμα του φιλμ και κυρίως μέχρι ύψους . Τέλος, η σύγκριση μεταξύ του θεωρητικού μοντέλου που αναπτύχθηκε με πειραματικά αποτελέσματα δείχνει ότι υπάρχει, τουλάχιστον ποιοτικά, συμφωνία.
Open Access
Βιολογική απομάκρυνση του αζώτου από υγρά απόβλητα μέσω παράκαμψης της παραγωγής νιτρικών σε αντιδραστήρα SBR
(2009-03-10T07:51:27Z) Φλέσσια, Γεωργία; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Κορνάρος, Μιχαήλ; Αγγελόπουλος, Κωνσταντίνος
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Οι διεργασίες βιολογικής απομάκρυνσης του αζώτου μέσω της νιτροποίησης και της απονιτροποίησης βρίσκουν σήμερα ευρεία εφαρμογή στην επεξεργασία τόσο των αστικών και των βιομηχανικών υγρών αποβλήτων όσο και στην προεπεξεργασία του πόσιμου νερού. Η νιτροποίηση (βιολογική οξείδωση της αμμωνίας) υλοποιείται από δύο διαφορετικές κατηγορίες αυτότροφων βακτηριών. Η πρώτη ομάδα (νιτρωδοποιητές) μετατρέπει την αμμωνία (+4 NH) σε νιτρώδη (−2NO) και στη συνέχεια η δεύτερη ομάδα, οι νιτρικοποιητές, οξειδώνει περαιτέρω το ενδιάμεσο προϊόν (νιτρώδη) σε νιτρικά. Η απονιτροποίηση είναι η βιολογική διεργασία, η οποία ευθύνεται για την απομάκρυνση του αζώτου με τη μορφή των νιτρικών και/ή νιτρωδών από τα απόβλητα μέσω μετατροπή τους σε αέριο άζωτο. Τα τελευταία χρόνια, γίνεται σημαντική ερευνητική προσπάθεια για να παρακαμφθεί το στάδιο της νιτρικοποίησης. Είναι επιθυμητό η αμμωνία να οξειδώνεται σε νιτρώδη και μετά απευθείας να λαμβάνει χώρα η απονιτροποίηση, παρά να γίνεται πρώτα η μετατροπή σε νιτρικά στα συστήματα απομάκρυνσης αζώτου. Θεωρητικά εξοικονομείται περίπου 25% σε δέκτη ηλεκτρονίων (οξυγόνο) και 40% σε δότη ηλεκτρονίων, ενώ επίσης ο ρυθμός απονιτροποίησης αυξάνεται κατά 63% με μικρότερη παραγωγή βιομάζας, οφέλη ιδιαίτερα σημαντικά από οικονομικής πλευράς, καθώς μειώνεται αρκετά το κόστος λειτουργίας της μονάδας επεξεργασίας αποβλήτων. Η παράκαμψη αυτή συνήθως επιτυγχάνεται ρυθμίζοντας κατάλληλα τη συγκέντρωση του διαλυμένου οξυγόνου, το pH και τη θερμοκρασία. Ο σκοπός της παρούσας εργασίας ήταν η εύρεση του βέλτιστου τρόπου λειτουργίας αντιδραστήρα SBR για την απομάκρυνση του αζώτου από τα λύματα με παράκαμψη της παραγωγής των νιτρικών μέσω κατάλληλης ρύθμισης του πλήθους και της διάρκειας των αερόβιων και ανοξικών φάσεων λειτουργίας του. Η παράκαμψη της νιτρικοποίησης επιτεύχθηκε για λειτουργία του συστήματος με 12ωρο κύκλο, με 3 ζεύγη αερόβιας/ανοξικής φάσης και αναλογία φάσεων 2:3. Η μείωση της διάρκειας του κύκλου λειτουργίας σε 8 ώρες οδήγησε σε εξίσου ικανοποιητική απόδοση, ταυτόχρονα όμως επιτρέπει την επεξεργασία μεγαλύτερου όγκου αποβλήτου στο ίδιο χρονικό διάστημα.
Open Access
Μελέτη της τύχης της ζιζανιοκτόνου ουσίας πεντιμεθαλίνης (pendimethalin) σε εδαφικούς και υδάτινους αποδέκτες
(2009-03-10T08:44:18Z) Παπαγεωργίου, Σταματίνα; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Κορνάρος, Μιχαήλ; Κράβαρης, Κωνσταντίνος
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της τύχης της ζιζανιοκτόνου ουσίας Πεντιμεθαλίνης σε εδαφικούς και υδάτινους αποδέκτες. Η τύχη των φυτοφαρμάκων στο φυσικό περιβάλλον αποτελεί μια άκρως ενδιαφέρουσα μελέτη. Η έρευνα της προσρόφησης των οργανικών ουσιών στο έδαφος αποσκοπεί στον υπολογισμό των συγκεντρώσεων που βρίσκονται στο χώμα μετά την αποκατάσταση της ισορροπίας, αλλά και πως αυτές διαφοροποιούνται αλλάζοντας σε συνάρτηση με το pH και την ιοντική ισχύ. Καθοριστικό ρόλο στην μελέτη της τύχης των φυτοφαρμάκων στους εδαφικούς αποδέκτες, παίζουν οι μηχανισμοί ρόφησης, η σύσταση του εδάφους καθώς και οι φυσικοχημικές ιδιότητες του εδάφους και των φυτοφαρμάκων. Από την άλλη πλευρά, οι ποσότητες που καταλήγουν στο νερό, λαμβάνοντας υπόψη τη δοσολογία χρήσης των φυτοφαρμάκων, φανερώνουν πόσο σημαντικοί είναι οι παράγοντες που επηρεάζουν τη μεταφορά μέρους των φυτοφαρμάκων στα επιφανειακά νερά, για την εκτίμηση της τύχης τους στους υδάτινους αποδέκτες. Η προσροφητική ικανότητα της Πεντιμεθαλίνης στους τέσσερις τύπους εδαφών που μελετήθηκαν με διαφορετικά φυσικοχημικά χαρακτηριστικά μειώνεται καθώς μειώνεται και η περιεκτικότητα τους σε οργανική ύλη. Τα πειραματικά δεδομένα, που προέκυψαν από τη μελέτη της προσρόφησης του ζιζανιοκτόνου στους τέσσερις τύπους εδαφών, προσαρμόζονται σε κάθε περίπτωση πολύ καλά στην λογαριθμική εξίσωση Freundlich, όπως φαίνεται από τον υψηλό συντελεστή συσχετίσεως. Η αλλαγή του pH του συστήματος εδάφους-νερού δεν έχει πολύ σημαντική επίπτωση στην προσρόφηση της Πεντιμεθαλίνης από τη στιγμή που το τελευταίο δεν είναι ιονιζόμενη ένωση. Αύξηση της ιοντικής ισχύος είχε ως αποτέλεσμα την αύξηση της προσρόφησης της Πεντιμεθαλίνης. Η Πεντιμεθαλίνη ανιχνεύτηκε σε υδατικά δείγματα ποταμού, ο οποίος διέρχεται μέσα από καλλιεργήσιμες εκτάσεις σε μέγιστη συγκέντρωση 40 ng/l σε σύντομο χρονικό διάστημα μετά την εφαρμογή του στο έδαφος.
Open Access
Μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς αμιγούς και απλού συναγωνισμού δύο μικροβιακών πληθυσμών σε διάταξη δύο συζευγμένων χημοστατών
(2009-03-12T12:30:14Z) Γάκη, Αλεξάνδρα; Παύλου, Σταύρος; Παύλου, Σταύρος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Κράβαρης, Κωνσταντίνος
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Στην παρούσα εργασία εξετάζεται η δυναμική συμπεριφορά αμιγούς και απλού συναγωνισμού δύο μικροβιακών πληθυσμών που αναπτύσσονται σε δύο συζευγμένους χημοστάτες. Χρησιμοποιώντας το μοντέλο Andrews για τους ειδικούς ρυθμούς ανάπτυξης και συνθήκες βαθμίδας συγκέντρωσης στην τροφοδοσία, η μελέτη του συστήματος γίνεται με εφαρμογή μεθόδων της θεωρίας διακλαδώσεων. Εξετάζοντας δύο περιπτώσεις τροφοδοσίας, παρουσία μικροοργανισμών και απουσία, κατασκευάστηκαν δύο λειτουργικά διαγράμματα ως προς το βαθμό σύζευξης r και το λόγο των όγκων λ των δύο αντιδραστήρων και βρέθηκε το είδος ευστάθειας των υπαρχουσών καταστάσεων ισορροπίας. Παρουσία μικροοργανισμών στην τροφοδοσία παρατηρήθηκαν περιοχές συνύπαρξης των δύο πληθυσμών σε μόνιμη, περιοδική και οιονεί περιοδική κατάσταση, ενώ υπάρχουν ενδείξεις και για χαοτική συμπεριφορά. Υπό στείρα τροφοδοσία βρέθηκε ότι συνύπαρξη μπορεί να επιτευχθεί μόνο σε μόνιμη και περιοδική κατάσταση σε μία ευρεία περιοχή των παραμέτρων λειτουργίας λ και r.
Open Access
Μέθοδος Hamilton-Jacobi για τη ρύθμιση μη γραμμικών διεργασιών με ασταθή δυναμική μηδενιστών
(2009-03-13T10:21:56Z) Μουσαβερέ, Δήμητρα; Κράβαρης, Κωνσταντίνος; Κράβαρης, Κωνσταντίνος; Παύλου, Σταύρος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Για την αντιμετώπιση του προβλήματος ρύθμισης ενός συστήματος μη ελάχιστης φάσης είναι γνωστοί δύο τρόποι από τη θεωρία των γραμμικών συστημάτων. Ο ένας αφορά στην επιλογή βέλτιστης συνθετικής εξόδου ως προς την οποία το σύστημα είναι ελάχιστης φάσης. Ο δεύτερος τρόπος περιλαμβάνει άμεση κατασκευή βέλτιστου νόμου ανάδρασης καταστάσεων ως προς ένα σύνθετο δείκτη απόδοσης. Στην παρούσα εργασία αρχικά αναπτύσσεται μέθοδος για τη σύνθεση βέλτιστου νόμου ανάδρασης καταστάσεων για μη γραμμικές διεργασίες, όπου η είσοδος υπεισέρχεται μη γραμμικά στις διαφορικές εξισώσεις, με βάση ένα σύνθετο τετραγωνικό δείκτη απόδοσης. Ο δείκτης αυτός εξαρτάται τόσο από τη ρυθμιστική απόκλιση, όσο και από την απόκλιση της μεταβλητής χειρισμού. Για την επίλυση του προβλήματος δυναμικής βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται οι εξισώσεις Hamilton – Jacobi μέσω των οποίων υπολογίζεται ο βέλτιστος νόμος ανάδρασης καταστάσεων. Η λύση των εξισώσεων Hamilton – Jacobi υπολογίζεται με βάση την επαναληπτική μέθοδο Newton – Kantorovich. Σε κάθε βήμα της επανάληψης επιλύεται προσεγγιστικά μια μερική διαφορική εξίσωση τύπου Zubov με τη βοήθεια αναπτύγματος σε δυναμοσειρά. Στο Νοστό βήμα της επανάληψης η μέθοδος παράγει τη Νοστής τάξης προσέγγιση του αναπτύγματος κατά Taylor του βέλτιστου νόμου ανάδρασης καταστάσεων. Η παραπάνω μέθοδος εφαρμόζεται σε προβλήμα ρύθμισης της συγκέντρωσης προϊόντος σε σύστημα δύο μη ισοθερμοκρασιακών αντιδραστήρων CSTR, όπου λαμβάνει χώρα εξώθερμη αντίδραση, στην περίπτωση που η είσοδος υπεισέρχεται μη γραμμικά στις δυναμικές εξισώσεις της διεργασίας. Επίσης μελετώνται οι ιδιότητες σύγκλισης της επαναληπτικής μεθόδου Newton – Kantorovich, όταν αυτή εφαρμόζεται για την επίλυση της εξίσωσης Hamilton – Jacobi – Bellman που αντιστοιχεί στο πρόβλημα βελτιστοποίησης ενός σύνθετου τετραγωνικού δείκτη απόδοσης υπό τους περιορισμούς μιας μη γραμμικής δυναμικής όπου η είσοδος υπεισέρχεται γραμμικά στις διαφορικές εξισώσεις. Στη συνέχεια, για τη βέλτιστη ρύθμιση μη γραμμικών συστημάτων με ασταθή δυναμική μηδενιστών (συστήματα μη ελάχιστης φάσης), χρησιμοποιείται ο συνήθης τετραγωνικός δείκτης απόδοσης ISE. Στην περίπτωση αυτή το πρόβλημα δυναμικής βελτιστοποίησης είναι ιδιόμορφο. Για την επίλυση του προβλήματος αυτού το μη γραμμικό σύστημα μετασχηματίζεται στην κανονική μορφή Byrnes-Isidori, εφαρμόζεται η θεωρία Hamilton – Jacobi και υπολογίζεται στατικά ισοδύναμη συνθετική έξοδος με ευσταθή δυναμική μηδενιστών. Η ρύθμιση της συνθετικής εξόδου στο προκαθορισμένο σημείο επιτυγχάνεται με γραμμικοποίηση εισόδου/εξόδου. Για την επίλυση των σχετικών εξισώσεων Hamilton–Jacobi αναπτύσσεται η επαναληπτική μέθοδος Newton – Kantorovich, η οποία περιλαμβάνει την επίλυση μιας μερικής διαφορικής εξίσωσης τύπου Zubov σε κάθε βήμα της επανάληψης. Η μέθοδος εφαρμόζεται σε πρόβλημα ρύθμισης της συγκέντρωσης του επιθυμητού προϊόντος σε μη ισοθερμοκρασιακό αντιδραστήρα CSTR με κινητική Van de Vusse που παρουσιάζει ασταθή δυναμική μηδενιστών. Τέλος, οι δύο μέθοδοι συγκρίνονται με βάση τους επιμέρους δείκτες απόδοσης ISE και ISC, των οποίων ο γραμμικός συνδυασμός συνιστά το σύνθετο δείκτη απόδοσης της πρώτης μεθόδου, ενώ τα αποτελέσματά τους συγκρίνονται όταν αυτές εφαρμόζονται σε πρόβλημα ρύθμισης της συγκέντρωσης του επιθυμητού προϊόντος σε μη ισοθερμοκρασιακό αντιδραστήρα CSTR με κινητική Van de Vusse.
Open Access
Ανάκτηση φωσφόρου με εφαρμογές στη σταθεροποίηση εδαφών υψηλής διαπερατότητας σε υγρά
(2009-03-13T11:37:16Z) Τσακίρη, Αργυρώ; Κουτσούκος, Πέτρος; Κουτσούκος, Πέτρος
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Τα λύματα είναι επικίνδυνα για το πληθυσμό και το περιβάλλον γι’αυτό είναι απαραίτητη η επεξεργασία τους πριν την διάθεσή τους στους υδάτινους αποδέκτες. Η συγκέντρωση του φωσφόρου και του αζώτου αυξάνεται σημαντικά στα λύματα τα τελευταία χρόνια. Αυτά τα θρεπτικά συστατικά ευθύνονται άμεσα για τον ευτροφισμό. Αυτό που χρειάζεται δεν είναι μόνο η ελαχιστοποίηση του φωσφόρου αλλά και η ανακύκλωση του. Μια νέα μέθοδος απομάκρυνσης του φωσφόρου ως ανακυκλώσιμο προϊόν είναι η κρυσταλλοποίηση του στρουβίτη. Τα πλεονεκτήματα αυτής της ανάκτησης είναι η ταυτόχρονη και αποδοτική μείωση του P και του N, η χρήση του στρουβίτη ως βραδέως αποδεσμευόμενου λιπάσματος, η εξοικονόμηση πρώτων υλών και η εφαρμογή για την σταθεροποίηση αμμωδών η χαλαρά συνδεδεμένων εδαφών. Ο σκοπός της εργασίας αυτής είναι η μελέτη κινητικής της αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη σε υδατικό διάλυμα συνθετικού αποβλήτου, η διερεύνηση του ετερογενούς σχηματισμού στρουβίτη σε υπόστρωμα διοξειδίου του πυριτίου (SiO2) και κάποιες δοκιμές συσσωμάτωσης άμμου, σίλικας και ανθρακικού ασβεστίου σε κλίνες. Μελετήθηκε η κινητική της αυθόρμητης καταβύθισης του στρουβίτη σε υδατικό διάλυμα συνθετικού αποβλήτου σε συνθήκες pH κοντά στο 9.0 χωρίς υπόστρωμα, με υπόστρωμα, και σε σταθερό υπερκορεσμό παρουσία υποστρώματος. Το υπόστρωμα το οποίο χρησιμοποιήθηκε στα πειράματα ήταν σε όλες τις περιπτώσεις σίλικα. Στην παρούσα μελέτη τα υπέρκορα διαλύματα περιλάμβαναν μόνον ισομοριακές συγκεντρώσεις των ιόντων MgP 2+ P, POB4PB 3- P και NHB4PB + P τα οποία και αντιστοιχούν στο καταβυθιζόμενο στερεό. Στους 25P ο PC και σε ποσότητες υποστρώματος 0.05, 0.1, 0.2 g καταβυθίζονται λευκοί ορθορομβικοί κρύσταλλοι στρουβίτη. Βρέθηκε ότι οι χρόνοι επαγωγής οι οποίοι προηγούνται του σχηματισμού των υπερκρίσιμων πυρήνων αυξάνονται απότομα με την μείωση του υπερκορεσμού των διαλυμάτων. Στα πειράματα pH≈9.0 κατά την διάρκεια της καταβύθισης, παρουσία σίλικας οι συγκεντρώσεις μαγνησίου και φωσφορικών ελαττώνονταν ενώ στα πειράματα σταθερού υπερκορεσμού παρέμεναν σχεδόν σταθερές με αποτέλεσμα την συνεχή ανάκτηση φωσφόρου πάνω στο υπόστρωμα. Από την ανάλυση των φασμάτων για τα στερεά που σχηματίσθηκαν σε συνθήκες σταθερού υπερκορεσμού διασπιστώθηκε ότι σχηματίσθηκε αποκλειστικά στρουβίτης. Και στις τρεις σειρές πειραμάτων προσδιορίσθηκε ο αριθμός των δομικών μονάδων που αποτελούν τον κρίσιμο πυρήνα στο στάδιο της πυρηνογένεσης. Χωρίς υπόστρωμα βρέθηκε 10.0 ενώ με υπόστρωμα βρέθηκε 7.0. Αυτό οφείλεται στο ότι η παρουσία υποστρώματος βοηθά στο σχηματισμό των κρίσιμων πυρήνων του κρυστάλλου. Επίσης βρέθηκε ότι η εξάρτηση του ρυθμού σχηματισμού στρουβίτη από την ποσότητα του υποστρώματος δεν συνηγορεί στην υπόθεση της δευτερογενούς πυρηνογενέσεως λόγω της μείωσης του ρυθμού αυξανομένης της ποσότητας του υποστρώματος. Το αποτέλεσμα αυτό σε συνδυασμό με την αύξηση των χρόνων επαγωγής αυξανομένης της ποσότητας του υποστρώματος, οδηγεί στην εύλογη υπόθεση περί επιβραδυντικής δράσης του υποστρώματος λόγω μόλυνσης η οποία πιθανόν να απελευθερώνεται στο διάλυμα. Σε χαμηλότερους βαθμούς υπερκορεσμού, θα πρέπει να σημειωθεί ότι δεν παρατηρήθηκε σημαντική επίδραση της ποσότητας του υποστρώματος στον χρόνο επαγωγής ο οποίος απαιτείται για τον σχηματισμό του υπερκρίσιμου πυρήνα στρουβίτη. Στις συνθήκες αυτές η ανάπτυξη του στρουβίτη γίνεται επιλεκτικά στο υπόστρωμα της σίλικα. Τώρα όσο αφορά τα πειράματα με τις κλίνες από ανοξείδωτο χάλυβα είχαμε μόνο τη δημιουργία στρουβίτη στην κλίνη που περιείχε άμμο. Στις κλίνες από πλαστικό τα πειράματα έδειξαν ότι ναι μεν γίνεται εναπόθεση πρισματικών κρυσταλλιτών στρουβίτη στους κόκκους όλων των υποστρωμάτων αλλά οι ποσότητες οι οποίες σχηματίσθηκαν ήσαν πολύ μικρές σε βαθμό ώστε να μη είναι δυνατή η ταυτοποίηση των σχηματιζόμενων κρυσταλλικών στερεών με φυσικοχημικές μεθόδους όπως η περιθλασιμετρία ακτίνων Χ.
Open Access
Βελτιστοποίηση διεργασιών υπό περιοδική λειτουργία
(2009-08-19T08:19:19Z) Δερμιτζάκης, Ιωάννης; Κράβαρης, Κωνσταντίνος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Κορνάρος, Μιχάλης; Κράβαρης, Κωνσταντίνος; Dermitzakis, Ioannis
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Το Πι-κριτήριο των Bittanti et al. (1973) έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε εφαρμογές με στόχο την πρόβλεψη ενδεχόμενης βελτίωσης της απόδοσης ενός μη γραμμικού συστήματος υπό περιοδική είσοδο. Το κριτήριο όμως έχει τοπική ισχύ και περιορίζεται σε περιοδικές διαταραχές μικρού πλάτους. Η παρούσα εργασία αναπτύσσει μια μέθοδο προσδιορισμού διορθώσεων υψηλότερης τάξης στο πι-κριτήριο, προερχόμενη από βασικά αποτελέσματα της θεωρίας κεντρικής πολλαπλότητας (Center Manifold theory). Η προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στην επίλυση της μερικής διαφορικής εξίσωσης της κεντρικής πολλαπλότητας με χρήση δυναμοσειρών. Το τελικό αποτέλεσμα της προτεινόμενης προσέγγισης είναι ο κατά προσέγγιση υπολογισμός του δείκτη απόδοσης υπό μορφή σειράς, η οποία παρέχει ακριβή αποτελέσματα σε μεγαλύτερα εύρη. Η προτεινόμενη μέθοδος εφαρμόζεται σε έναν συνεχή αντιδραστήρα πλήρους ανάδευσης (CSTR), όπου στόχος είναι η μεγιστοποίηση της παραγωγής του επιθυμητού προϊόντος. Κατασκευάστηκε αλγόριθμος που προβλέπει την μόνιμη κατάσταση στην οποία καταλήγει ένα σύστημα απομάκρυνσης αζώτου που αποτελείται από αντιδραστήρα εμβολικής ροής και δεξαμενή δευτεροβάθμιας καθίζησης με ανακύκλωση. Με χρήση υπολογιστικού μοντέλου βασιζόμενο στο ASM3 υπολογίστηκαν οι μόνιμες καταστάσεις αυτού του συστήματος για ένα εύρος καταστάσεων λειτουργίας. Βρέθηκαν οι βέλτιστες τιμές των βαθμών ελευθερίας για την ελαχιστοποίηση του συνολικού αερισμού και για την ελαχιστοποίηση του συνολικού αζώτου στην απορροή. Και στις δύο περιπτώσεις στις βέλτιστες μόνιμες καταστάσεις παρατηρήθηκε έκπλυση των Nitrobacter δηλαδή παράκαμψη της παραγωγής των νιτρικών.
Open Access
Μικροβιακές κυψελίδες καυσίμου (MFC) για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας
(2010-09-28T10:42:57Z) Μιχοπούλου, Κατερίνα; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Κορνάρος, Μιχαήλ; Κορδούλης, Χρήστος; Λυμπεράτος, Γεράσιμος; Mihopoulou, Katerina
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Σε μια μικροβιακή κυψελίδα καυσίμου (ΜΚΚ), τα βακτήρια που οξειδώνουν την οργανική ύλη συγκρατούνται ξεχωριστά από τον δέκτη ηλεκτρονίων μέσω μιας μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (ΜΑΠ). Τα ηλεκτρόνια περνούν από τα βακτήρια στο ηλεκτρόδιο (άνοδος) που βρίσκεται στον ίδιο θάλαμο με αυτά και στη συνέχεια διοχετεύονται μέσω κυκλώματος στην κάθοδο όπου συνδυάζονται με πρωτόνια και οξυγόνο για να σχηματίσουν νερό. Η διαφορά στο δυναμικό εξαιτίας της ροής των ηλεκτρονίων παράγει το ηλεκτρικό ρεύμα σε αυτή την κυψελίδα καυσίμου. Σε πρώτη φάση, λοιπόν, η ΜΚΚ περιλαμβάνει συνθετικό μέσο βασισμένο στη γλυκόζη ως καύσιμο και οξυγόνο ως δέκτη ηλεκτρονίων με τεχνητό φορέα ηλεκτρο-νίων και στη συνέχεια γίνεται εμπλουτισμός με ηλεκτροχημικά βακτήρια. Προσδιορίζονται οι βασικοί παράγοντες που επιδρούν περιοριστικά στην παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος. Οι συνήθεις περιοριστικοί παράγοντες είναι η χαμηλής απόδοσης μεταφορά ηλεκτρονίων από τα κύτταρα στα ηλεκτρόδια, η διέλευση του οξυγόνου μέσω της μεμβράνης επιτρέποντας την αερόβια ανάπτυξη των μικροοργανισμών, το φράξιμο της μεμβράνης και η μικρή επιφάνεια της ανόδου που περιορίζει την απελευθέρωση των ηλεκτρονίων από την άνοδο (Liu et al., 2004; Kim et al., 2004).
Open Access
Πειραματική ανάλυση της απόθεσης και της παρεμπόδισης της ανάπτυξης του ανθρακικού ασβεστίου κατά την εξόρυξη του πετρελαίου
(2010-12-27T08:09:13Z) Κανελλοπούλου, Μαρία; Παρασκευάς, Χρηστάκης; Κουτσούκος, Πέτρος; Κλεπετσάνης, Παύλος; Παρασκευάς, Χρηστάκης
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Η παρούσα ερευνητική αυτή εργασία που αφορά στην οπτική παρατήρηση των αποθέσεων των αλάτων ανθρακικού ασβεστίου σε πορώδη μέσα εκπονήθηκε με στόχο την διερεύνηση του μηχανισμού σχηματισμού αποθέσεων ανθρακικού ασβεστίουσε πορώδη μέσα. Τα πειράματα έγιναν σε υάλινα και πλαστικά πορώδη υλικά και εξετάσθηκαν οι παράγοντες του υπερκορεσμού, της θερμοκρασίας, του pH, της παροχής και πως αυτοί επιδρούν στο σχηματισμό των κρυστάλλων ανθρακικού ασβεστίου και στον τρόπο απόθεσης του άλατος στα διάφορα τμήματα του πορώδους μέσου.
Open Access
Μελέτη της επιφάνειας ITO-PET και της διεπιφάνειας NiPc/ITO-PET με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων
(2011-04-20T09:42:22Z) Τσικριτζής, Δημήτρης; Κέννου, Στέλλα; Κέννου, Στέλλα; Λαδάς, Σπυρίδων; Μαυραντζάς, Βλάσης; Tsikritzis, Dimitris
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι αρχικά να μελετηθεί η επιφάνεια του οξειδίου ινδίου κασσιτέρου που έχει αποτεθεί σε υπόστρωμα ΡΕΤ και να γίνουν πάνω σε αυτήν χημικές επεξεργασίες αλλά και ιοντοβολή, ώστε να παρατηρηθούν τι επιδράσεις έχουν αυτές οι κατεργασίες στην επιφάνεια και ενδεχομένως στο έργο εξόδου. Οι κατεργασίες επιλέχθηκαν επειδή είναι γνωστή από την βιβλιογραφία η επίδρασής τους στο ΙΤΟ που όμως έχει αποτεθεί σε γυαλί, και η σύγκριση με τα δικά μας αποτελέσματα θα δώσει χρήσιμες πληροφορίες για τις διαφορές των δύο υλικών καθώς και αν οι κατεργασίες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και αν είναι χρήσιμες για την αύξηση του έργου εξόδου του ΙΤΟ-ΡΕΤ. Επίσης, στη συνέχεια έγιναν αποθέσεις οργανικού ημιαγώγιμου υλικού (NiPc) πάνω στο υπόστρωμα ΙΤΟ-ΡΕΤ το οποίο είχε επεξεργαστεί χημικά, με σκοπό να προσδιοριστεί η ηλεκτρονική δομή της διεπιφάνειας του οργανικού και του υποστρώματος, ώστε να μελετηθεί η επίδραση του ΙΤΟ-ΡΕΤ στην συμπεριφορά της διεπιφάνειας και να διαπιστωθεί η πιθανή εφαρμογή τους σε ηλεκτρονικές διατάξεις.
Open Access
Σχεδιασμός και εφαρμογή αλγορίθμων υπολογισμού ηλεκτροστατικών δυνάμεων σε μοριακά συστήματα
(2011-07-08T13:30:54Z) Θεοδωράτου, Αντιγόνη; Μαυραντζάς, Βλάσιος; Μαυραντζάς, Βλάσιος; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Στάικος, Γεώργιος; Theodoratou, Antigoni
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε ένας νέος αλγόριθμος χειρισμού των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων. Οι αλληλεπιδράσεις ηλεκτροστατικής φύσεως αποτελούν αντικείμενο εκτενούς μελέτης στον ερευνητικό κλάδο των μοριακών προσομοιώσεων. Ιδιαίτερα σε βιολογικά μοριακά συστήματα, τα οποία αποτελούνται από υδατικά διαλύματα πολυηλεκτρολυτών, οι ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις κυριαρχούν. Η ευρέως διαδεδομένη μέθοδος άθροισης κατά Ewald η οποία χαρακτηρίζεται για την ακρίβεια της, είναι ιδιαίτερα απαιτητική σε υπολογιστικό χρόνο δεδομένου ότι κλιμακώνεται ως Ν2, όπου Ν ο συνολικός αριθμός φορτίων του συστήματος. Στην παρούσα εργασία περιγράφεται η προσεγγιστική μέθοδος σφαιρικής αποκοπής για την περίπτωση πολυηλεκτρολυτών. Έως σήμερα, η μέθοδος της σφαιρικής αποκοπής έχει εφαρμοστεί σε μοριακά συστήματα ιοντικών κρυστάλλων. Σύμφωνα με τη μέθοδο αυτή, εισάγοντας μια σφαιρική αποκοπή στον υπολογισμό του ηλεκτροστατικού δυναμικού και παράλληλα επιτυγχάνοντας ηλεκτροουδετερότητα του υπό εξέταση σφαιρικού συστήματος, πραγματοποιείται μείωση του υπολογιστικού χρόνου σε δίχως σημαντικές απώλειες σε ακρίβεια. Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκε ο αλγόριθμος της σφαιρικής αποκοπής για δύο κατηγορίες μορίων: τους πολυηλεκτρολύτες χωρίς ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις όπως είναι το μόριο του νερού και τους πολυηλεκτρολύτες με ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις όπως είναι τα μόρια CiEj των αλκυλικών αιθέρων πολυ-(οξυ-αιθυλενίου). Επιπρόσθετα, επεκτείναμε τη μέθοδο άθροισης κατά Ewald για την εφαρμογή της σε πολυηλεκτρολύτες, χωρίς και με ενδομοριακές αλληλεπιδράσεις προκειμένου να προχωρήσουμε σε σύγκριση της ακριβής μεθόδου Ewald με τα αποτελέσματα του νέου αλγορίθμου της σφαιρικής αποκοπής. Συγκρίνοντας τα αριθμητικά αποτελέσματα των δύο μεθόδων για τα δύο διαφορετικά είδη πολυηλεκτρολυτών ( H2Ο και CiEj ) από ατομιστικές προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής οδηγηθήκαμε σε πλήρη συμφωνία των δύο μεθόδων γεγονός που επιβεβαιώνει την εγκυρότητας της νέας μεθόδου. Επίσης, μέσω των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής μελετήθηκαν οι θερμοδυναμικές, δομικές και δυναμικές ιδιότητες των δύο συστημάτων. Η παρούσα εργασία είναι δομημένη ως εξής: Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή στο θεωρητικό υπόβαθρο προσομοιώσεων μοριακής δυναμικής. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται οι μέθοδοι χειρισμού των ηλεκτροστατικών αλληλεπιδράσεων που συναντούμε έως σήμερα στη βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, στο κεφάλαιο 3 περιγράφεται ο αλγόριθμος της σφαιρικής αποκοπής. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα αποτελέσματα από τις προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής με τις μεθόδους σφαιρικής αποκοπής και άθροισης κατά Ewald.
Open Access
Υπολογιστική μελέτη της ιξωδοελαστικότητας τηγμάτων πολυμερικών δακτυλίων
(2011-08-11T06:48:24Z) Στρατίκης, Νικόλαος; Μαυραντζάς, Βλάσιος; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Στάικος, Γεώργιος; Stratikis, Nikolaos
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Στην παρούσα εργασία εκπονήθηκαν λεπτομερείς ατομιστικές προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής (MD) στο ισοθερμοκρασιακό-ισοβαρές στατιστικό σύνολο (NPT), σε τήγματα κυκλικών μορίων πολυαιθυλενίου (PE), μοριακού μήκους από C6 μέχρι C400. Οι προσομοιώσεις των συστημάτων από C6 μέχρι C16 έγιναν σε θερμοκρασία Τ=338 Κ και πίεση ίση με Ρ=1 atm, ενώ των συστημάτων από C24 μέχρι C400 σε θερμοκρασία Τ=450 Κ και πίεση Ρ=1 atm. Τα μικρά συστήματα, από C6 μέχρι C16, προσομοιώθηκαν σε διαφορετική θερμοκρασία από ότι τα υπόλοιπα συστήματα για να συγκριθούν με τα πειραματικά αποτελέσματα των von Meerwall et al. Αυστηρά μονοδιάσπαρτα και μη διαπλεγμένα δείγματα χρησιμοποιήθηκαν σε όλες τις περιπτώσεις. Παρουσιάζονται και συζητώνται λεπτομερέστατα τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων για μια ποικιλία δομικών, θερμοδυναμικών και δομικών ιδιοτήτων των συγκεκριμένων συστημάτων, καθώς και η μεταβολή τους σε σχέση με το μήκος των αλυσίδων. Μεταξύ αυτών είναι η γυροσκοπική ακτίνα, η τοπική δυναμική, ο συντελεστής αυτοδιάχυσης του κέντρου μάζας των μορίων DG, ο μέγιστος χρόνος χαλάρωσης της αλυσίδας τd, το χαρακτηριστικό φάσμα των χρόνων χαλάρωσης της θεωρίας Rouse τp και ο δυναμικός δομικός παράγοντας S(q,t). Για τα συστήματα με μήκη στο εύρος από C24 μέχρι C400, τα αποτελέσματα συγκρίνονται με τα αντίστοιχα δεδομένα από προσομοιώσεις γραμμικών τηγμάτων πολυαιθυλενίου (ΡΕ) του ίδιου μήκους αλυσίδας (τα ανάλογα γραμμικά). Επίσης, εξαγάγαμε τη θεωρία Rouse για τα δακτυλιοειδή πολυμερή στην ολότητά της. Η θεωρία Rouse περιγράφει ικανοποιητικά τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων των δακτυλιοειδών πολυμερικών τηγμάτων, ιδιαίτερα αυτών με μήκος αλυσίδας μεταξύ C50 και C170. Παρατηρώντας την εξάρτηση των DG, τp, ζ και η0 με το μήκος της αλυσίδας Ν, συμπεραίνουμε ότι τα δακτυλιοειδή τήγματα πολυαιθυλενίου (ΡΕ) υπακούουν περίπου τη δυναμική Rouse, ακόμα μέχρι και το μήκος αλυσίδας C400. Τούτο αποτελεί αξιοσημείωτο εύρημα, διότι το C400 είναι πάνω από δύο φορές μεγαλύτερο από το μήκος (~ C156) που χαρακτηρίζει τη μετάβαση από τη θεωρία Rouse στη θεωρία του ερπυσμού, όσον αφορά τα αντίστοιχα γραμμικά τήγματα πολυαιθυλενίου (ΡΕ). Ακόμα, υπολογίστηκαν δύο πολύ σημαντικές ρεολογικές ιδιότητες: το ιξώδες μηδενικού ρυθμού διάτμησης η0 και ο συντελεστής τριβής ζ. Σε συμφωνία με προγενέστερες θεωρητικές και πειραματικές μελέτες, τα αποτελέσματα των προσομοιώσεών μας υποστηρίζουν ότι η δομή των δακτυλιοειδών πολυμερικών τηγμάτων είναι περισσότερο συμπαγή σε σύγκριση με τα ανάλογα αντίστοιχα γραμμικά λόγω των μη ‘αλυσιδωτά συνδεδεμένων’ (nonconcatenated) διαμορφώσεών τους. Δεν πρέπει να λησμονήσω να αναφέρω ότι τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις προσομοιώσεις των μικρών συστημάτων, από C6 μέχρι C16, συγκρίθηκαν με τα αντίστοιχα πειραματικά των von Meerwall et al. Παρατηρήθηκε μία μικρή απόκλιση, η οποία όμως είναι δικαιολογημένη.
Open Access
Μελέτη της τρισδιάστατης εκβολής ρευστού από αγωγό με πολλαπλές εξόδους
(2011-11-03) Κατσίπου, Ιωάννα Γ.; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Τσαμόπουλος, Ιωάννης; Μαυραντζάς, Βλάσσιος; Παρασκευά, Χριστάκης; Katsipou, Ioanna G.
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Κατά τη διαδικασία παραγωγής πλαστικών συμπυκνωμάτων γίνεται ανάμειξη κόκκων πλαστικού με πρόσθετα ώστε να αποκτήσει το πλαστικό ορισμένες επιθυμητές ιδιότητες. Η διαδικασία παραγωγής έχει ως εξής: αρχικά το πλαστικό τήκεται, ομογενοποιείται και οδηγείται στον εκβολέα. Στην κεφαλή του εκβολέα παράγεται το "μακαρόνι" (strand), το οποίο ψύχεται και εν συνεχεία κοκκοποιείται εν ψυχρώ. Ακολουθεί η κοκκοποίηση – ψύξη – ξήρανση του κόκκου. Τέλος έχουμε την συσκευασία – προώθηση και παραγωγή του τροποποιημένου πλαστικού. Η διαδικασία παραγωγής των "μακαρονιών" είναι η ακόλουθη: το ρεύμα του πλαστικού εισέρχεται στον εκβολέα στη συνέχεια εισέρχεται στην κεφαλή του εκβολέα, η οποία στην έξοδο της φέρει αριθμό οπών, κάθε μια από τις οποίες παράγει ένα "μακαρόνι". Ανάλογα με την παραγωγική ικανότητα του εκβολέα και τη διάμετρο των οπών, καθορίζεται ο αριθμός των οπών και άρα ο αριθμός των "μακαρονιών". Η απόσταση των "μακαρονιών" πρέπει να είναι τέτοια ώστε να μη δημιουργούνται συγκολλήσεις μεταξύ γειτονικών "μακαρονιών". Η γεωμετρία της κεφαλής διαφοροποιεί την ποσότητα πλαστικού που εκρέει από κάθε οπή στη μονάδα του χρόνου. Οι διάμετροι των "μακαρονιών" μπορεί να μην είναι ίσες μεταξύ τους με αποτέλεσμα την παραγωγή κόκκων με ανομοιόμορφο μέγεθος, που αποτελεί πρόβλημα. Ένα άλλο πρόβλημα που δημιουργείται κατά την παραγωγική διαδικασία είναι η ύπαρξη συσσωματωμένων κόκκων στο τελικό προϊόν. Η κεφαλή του καλουπιού πρέπει να είναι τέτοια ώστε να ελαχιστοποιούνται τα στάσιμα σημεία της ροής και οι κλειστές ροϊκές γραμμές του τήγματος. Οι οπές πρέπει να είναι τέτοιες ώστε η παροχή διαμέσου αυτών να είναι παρόμοια και εντός των επιθυμητών ορίων. Το σχήμα των οπών πρέπει να είναι τέτοιο ώστε να ελαχιστοποιείται η διόγκωση του παραγόμενου νήματος και η ταλάντωση του πάχους του με δεδομένη την εφαρμοζόμενη τάση εφελκυσμού. Σκοπός της εργασίας είναι η μοντελοποίηση και αριθμητική επίλυση της διαδικασίας εκβολής του τήγματος από την κεφαλή του εκβολέα, τη δίοδό του μέσω των οπών και του σχηματισμού των "μακαρονιών". Η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε είναι η εξής: Αρχικά αναλύθηκε το πεδίο ροής του τήγματος μέσα στη κεφαλή του εκβολέα και ταυτοποιήθηκαν τα πιθανά σημεία ανακυκλοφορίας. Παρακολουθήσαμε την εξέλιξη του πάχους των "μακαρονιών" από την έξοδο του εκβολέα. Κατόπιν λύσαμε τις διέπουσες εξισώσεις και κάναμε παραμετρική μελέτη της διεργασίας προκειμένου να βρούμε τις βέλτιστες συνθήκες λειτουργίας. Η αριθμητική επίλυση έγινε με το υπολογιστικό πακέτο FLUENT. Συγκεκριμένα μελετήθηκε το αξονοσυμμετρικό πρόβλημα αλλά και το τρισδιάστατο πρόβλημα μεταβάλλοντας το πλήθος των οπών, το μέγεθός τους καθώς και τη μεταξύ τους απόσταση. Οι παραδοχές που έγιναν είναι οι ακόλουθες: • Θεωρήσαμε πλήρως ανεπτυγμένη ροή στην είσοδο. • Τα τοιχώματα είναι αδιαπέραστα και ισχύει η συνθήκη μη ολίσθησης. • Στο απώτερο άκρο του εκβόλου (έξοδος του πεδίου ροής) έχουμε πλήρως ανεπτυγμένη εκβολική ροή. Η μελέτη του προβλήματος εξόδου του πολυμερούς από τις οπές στη κεφαλή του εκβολέα ήταν προσεγγιστική λόγω περιορισμών του FLUENT. Συγκεκριμένα ήταν λιγότερο ακριβής ο προσδιορισμός των διεπιφανείων με την υποστηριζόμενη από το πρόγραμμα μέθοδο όγκου υγρού (VOF), επειδή οι ιδιότητες των ρευστών (πολυμερές και αέρας) που σχηματίζουν τη διεπιφάνεια διέφεραν σημαντικά. Η παρούσα εργασία επικεντρώθηκε στον υπολογισμό των πεδίων ταχυτήτων, πίεσης, σχήματος "μακαρονιών" από τις οπές εξόδου του ρευστού για τις διάφορες γεωμετρίες με τις οποίες ασχοληθήκαμε. Για να βελτιωθεί η διαδικασία παραγωγής των masterbatches είναι επιθυμητή η παρέμβαση στη διαδικασία εκβολής των πλαστικών καθώς και στη διαδικασία διόδου του τηγμένου μείγματος διαμέσου των οπών της κεφαλής του εκβολέα και στη μετέπειτα ψύξη των παραγόμενων εκβόλων, κυλινδρικού σχήματος μεγάλου μήκους και η ανάπτυξη πιλοτικού συστήματος αυτόματης οδήγησης και ψύξης του παραγόμενου εκβόλου σε κατάλληλο κοπτικό όπου κοκκοποιείται για να δώσει την τελική μορφή των masterbatches.
Open Access
Μελέτη και ενίσχυση της απόδοσης κυψελών καυσίμου πρωτονιακής αγωγιμότητας και διατάξεων ηλεκτρόλυσης του νερού
(2012-01-25) Διβανέ, Σοφία; Βαγενάς, Κωνσταντίνος; Βαγενάς, Κωνσταντίνος; Βερύκιος, Ξενοφών; Μπεμπέλης, Συμεών; Divane, Sofia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Οι κυψέλες καυσίμου είναι ηλεκτροχημικές διατάξεις οι οποίες επιτρέπουν την απευθείας μετατροπή της ελεύθερης χημικής ενέργειας ενός καυσίμου σε ηλεκτρική. Η λειτουργία τους βασίζεται σε μία αντίδραση οξείδωσης ενός καυσίμου, η οποία λαμβάνει χώρα στην άνοδο, και σε μία αντίδραση αναγωγής ενός οξειδωτικού μέσου, η οποία λαμβάνει χώρα στην κάθοδο. Οι κυψέλες καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης (ΡΕΜ) χρησιμοποιούν ηλεκτρολύτη αγωγιμότητας Η+, το θερμοκρασιακό εύρος λειτουργίας τους είναι 30-100oC και αποτελούν μία υποσχόμενη τεχνολογία, που βρίσκεται πολύ κοντά στο στάδιο της εμπορευματοποίησης. Το κυριότερο καύσιμο που χρησιμοποιείται στις κυψέλες καυσίμου είναι το Η2, το οποίο παράγεται συνήθως από διεργασίες αναμόρφωσης υδρογονανθράκων ή αλκοολών. Το μονοξείδιο του άνθρακα που παράγεται επίσης κατά την διαδικασία της αναμόρφωσης, αποτελεί ένα σημαντικό άλυτο πρόβλημα στις κυψέλες καυσίμου τύπου ΡΕΜ, καθώς η ρόφησή του στην άνοδο της κυψέλης, παρεμποδίζει τη ρόφηση του Η2. Στην παρούσα εργασία μελετάται η ηλεκτρόλυση του νερού με χρήση μεμβρανών πρωτονιακής αγωγιμότητας καθώς και η μελέτη της βελτίωσης της απόδοσης κελιών καυσίμου τύπου ΡΕΜ μέσω τριοδικής λειτουργίας υπό συνθήκες δηλητηριασμού με CO. Στο πρώτο κεφάλαιο της εργασίας γίνεται μια εισαγωγή στην τεχνολογία των κυψελών καυσίμου, την αρχή λειτουργίας τους και τις θερμοδυναμικές αρχές που την διέπουν. Στην συνέχεια περιγράφονται εκτενώς τα χαρακτηριστικά των κυψελών καυσίμου πολυμερικής μεμβράνης, τα state-of-the-art υλικά που χρησιμοποιούνται και το πρόβλημα της διαχείρισης του νερού. Το δεύτερο κεφάλαιο αποτελεί επίσης εισαγωγικό κεφάλαιο και αναφέρεται στη σημασία του υδρογόνου. Το υδρογόνο δεν αποτελεί μόνο ένα καύσιμο, είναι ένα καύσιμο το οποίο δύναται να αλλάξει άμεσα την σημερινή δομή της οικονομίας που βασίζεται στα ορυκτά καύσιμα (fossil fuels). Στο κεφάλαιο αυτό, αρχικά γίνεται μια ιστορική αναδρομή και στη συνέχεια αναλύονται οι μέθοδοι παραγωγής του και ο ρόλος του ως καύσιμο. Το τρίτο κεφάλαιο αφορά την ηλεκτρόλυση του νερού η οποία γίνεται με χρήση διατάξεων που χρησιμοποιούν ως ηλεκτρολύτη μια πολυμερική μεμβράνη πρωτονιακής αγωγιμότητας. Αρχικά, γίνεται μια θεωρητική εισαγωγή στη διαδικασία ηλεκτρόλυσης του νερού και στη συνέχεια μια αναφορά στις διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούνται για ηλεκτρόλυση. Ακολουθεί το πειραματικό μέρος, όπου περιγράφονται η παρασκευή της συστοιχίας ανόδου/ηλεκτρολύτη/καθόδου (ΜΕΑ), της πειραματικής διάταξης, της προετοιμασίας των καταλυτών καθώς και η παρουσίαση των πειραματικών αποτελεσμάτων. Κατά την ηλεκτρόλυση του νερού σε κελί καυσίμου τύπου PEM, παρατηρήθηκε 100% εκλεκτικότητα σε οξυγόνο, χρησιμοποιώντας ηλεκτρόδια IrO2 εναποτεθημένα με τη μέθοδο του sputtering σε υπόστρωμα Ti/C. Βρέθηκε ότι το ποσοστό του Nafion επηρεάζει τόσο το ρυθμό παραγωγής οξυγόνου όσο και την εκλεκτικότητα και προστατεύει τις θέσεις C-IrO2 για παραγωγή CO2 και οδηγεί σε 100% εκλεκτικότητα προς οξυγόνο. Στο τέταρτο κεφάλαιο μελετάται η τριοδική λειτουργία των κυψελών καυσίμου υπό συνθήκες δηλητηριασμού της ανόδου με CO. Ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα της χρήσης των κελιών καυσίμου είναι ο δηλητηριασμός του ανοδικού ηλεκτροδίου πλατίνας από CO. Αυτό συμβαίνει διότι κατά την αναμόρφωση των ασθενών υδρογονανθράκων ή υγρών αλκοολών σε υδρογόνο, ταυτόχρονα παράγονται σημαντικά επίπεδα μονοξειδίου του άνθρακα τα οποία δηλητηριάζουν την άνοδο και οδηγούν σε υποβάθμιση της απόδοσης του κελιού. Ο σκοπός της μελέτης αυτής είναι να ερευνηθεί μια εναλλακτική προσέγγιση για την ενίσχυση της απόδοσης των PEMFCs υπό συνθήκες δηλητηριασμού με CO, χρησιμοποιώντας την πρόσφατη περιγραφή του σχεδιασμού και της λειτουργίας των τριοδικών κελιών καυσίμου. Αρχικά στο τέταρτο κεφάλαιο, γίνεται περιγραφή της αρχής λειτουργίας της τριοδικής διάταξης, της προετοιμασίας των ηλεκτροδίων καθώς και της παρασκευής της ΜΕΑ. Επίσης περιγράφεται η ακριβής γεωμετρία της διάταξης του τριοδικού PEMFC με τα ηλεκτρικά κυκλώματα και η ακριβής γεωμετρία της συστοιχίας των τριοδικών PEMFCs. Στη συνέχεια περιγράφεται αναλυτικά η πειραματική διαδικασία που ακολουθήθηκε για τη λήψη των πειραματικών δεδομένων και ακολουθούν τα πειραματικά αποτελέσματα. Πρώτα παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα για τη συμβατική λειτουργία με τροφοδοσία Η2. Ακολουθούν τα αποτελέσματα για τη συμβατική λειτουργία του κελιού υπό δηλητηριασμό με CO και τέλος, παρουσιάζονται τα πειραματικά αποτελέσματα της τριοδικής λειτουργίας. Αναφέρεται επίσης αναλυτικά η εξέταση του μηχανισμού της τριοδικής λειτουργίας και το πώς θα μπορούσε να υπάρξει πρακτική εφαρμογή συστοιχιών, οι οποίες θα αποτελούνται από μια τριοδική κυψέλη. Η τριοδική λειτουργία των κελιών καυσίμου τύπου PEM υπό συνθήκες δηλητηριασμού της ανόδου με CO, οδηγεί σε σημαντική αύξηση της ισχύος του κελιού και συγκεκριμένα η τιμή της είναι τρείς φορές μεγαλύτερη από εκείνη που παράγεται κατά τη συμβατική λειτουργία της κυψέλης καυσίμου. Η αύξηση της παραγόμενης ισχύος, είναι μεγαλύτερη κατά ένα παράγοντα της τάξης του 1.32 από την ισχύ που καταναλώνεται στο βοηθητικό κύκλωμα, και οφείλεται σε σημαντική μείωση της ανοδικής υπέρτασης, η οποία με τη σειρά της είναι αποτέλεσμα του εφοδιασμού της ανόδου με πρωτόνια μέσω του βοηθητικού κυκλώματος. Αυτός ο εφοδιασμός με πρωτόνια, αυξάνει το ηλεκτροχημικό δυναμικό των πρωτονίων και το χημικό δυναμικό του υδρογόνου στην άνοδο, με αποτέλεσμα να μειώνεται η κάλυψη της ανόδου με CO και έτσι να ενισχύεται ο ρυθμός της ηλεκτροχημικής του οξείδωσης. Τέλος, στο κεφάλαιο 5 παρουσιάζονται τα τελικά συμπεράσματα που έχουν προκύψει από την παρούσα μελέτη, καθώς και προτάσεις για μελλοντική εργασία.
Open Access
Μαθηματική ανάλυση ηλεκτροεγκεφαλογραφίας μέσω ελλειψοειδών αρμονικών εβδόμου βαθμού
(2012-01-25) Σατραζέμη, Κωνσταντία; Δάσιος, Γεώργιος; Κωστόπουλος, Βασίλης; Παπαθεοδώρου, Θεόδωρος; Satrazemi, Konstantia
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
Η βέλτιστη γεωμετρική προσομοίωση του εγκεφάλου επιτυγχάνεται με ένα ελλειψοειδές. Η ηλεκτροεγκεφαλογραφία (ΗΕΓ) αφορά τις μετρήσεις του ηλεκτρικού δυναμικού στην επιφάνεια του κρανίου που αναπτύσσεται από νευρωνικά ρεύματα στο εσωτερικό του εγκεφάλου. Στην παρούσα εργασία έχουν παραχθεί οι απαιτούμενες ελλειψοειδείς αρμονικές πέμπτου, έκτου και εβδόμου βαθμού. Στη συνέχεια, χρησιμοποιούμε αυτές τις νέες ελλειψοειδείς αρμονικές συναρτήσεις για να εκφράσουμε το πλήρες αναλυτικό δυναμικό της ΗΕΓ. H δομή της εργασίας είναι: Στο κεφάλαιο 1 περιγράφεται περιληπτικά η φυσιολογία ανάπτυξης δυναμικών στην περιοχή του εγκεφάλου και πως επιτυγχάνεται η μετάδοση αυτών των σημάτων μέσω των νευρώνων. Στο κεφάλαιο 2 περιγράφεται η ελλειψοειδής γεωμετρία καθώς και η μορφή του τελεστή του Laplace στο ελλειψοειδές σύστημα συντεταγμένων. Αναφερόμαστε στην επίλυση της εξίσωσης Lame, στον τρόπο κατασκευής των συναρτήσεων Lame και περιγράφουμε τις αντίστοιχες ελλειψοειδείς αρμονικές. Στο κεφάλαιο 3 καταγράφουμε τις ελλειψοειδείς αρμονικές βαθμού 3. Στα κεφάλαια 4,5,6 και 7 παράγουμε τις ελλειψοειδείς αρμονικές βαθμού 4,5,6 και 7, αντίστοιχα, όπου η εφαρμογή των οποίων στην ΗΕΓ αποτελεί και το θέμα της παρούσας εργασίας. Τέλος στο κεφάλαιο 8 χρησιμοποιούμε τις ελλειψοειδείς αρμονικές που κατασκευάσαμε για να επιτύχουμε την ακριβή συνιστώσα του ηλεκτρικού δυναμικού που ανήκει στον ελλειψοειδή αρμονικό υπόχωρο που γεννούν οι 64 πρώτες αρμονικές συναρτήσεις.
Open Access
Synthesis and characterization of Pt/modified MWNT as electrocatalyst for applications in high temperature PEMFC's
(2012-02-14) Ορφανίδη, Αλίν; Μπεμπέλης, Συμεών; Βαγενάς, Κωνσταντίνος; Μπεμπέλης, Συμεών; Νεοφυτίδης, Στυλιανός; Orfanidi, Alin
Τμήμα Χημικών Μηχανικών (ΜΔΕ)
A new approach towards the development of electrocatalytic layers for use in high temperature polymer electrolyte membrane fuel cells is reported. Modified carbon nanotubes were used as the support. The aim was to achieve a uniform distribution of polar groups, which can interact with phosphoric acid, on the surface of the modified carbon support. Multi-wall carbon nanotubes were selected due to their unique properties regarding electronic conductivity and specific surface area. They were surface modified introducing pyridine based groups on the side walls which are known to interact with phosphoric acid. The different supports were thoroughly characterized by means of relevant techniques such as RAMAN,XPS and TGA. Platinum was deposited on the new carbon supports resulting in the newly synthesized catalysts,which were also thoroughly characterized by means of XRD,EDX,TEM and H2 Chemisorption. Stable and finely distributed Pt catalysts with nanoparticles size ranging between 2 and 4 nm were obtained using the chemically modified nanotubes as supports. Measurements of the catalytic activity towards oxygen reduction were also performed in order to evaluate the potential use of these materials as catalytic layers in PEMFCs.