Design of adsorption systems by topology optimisation.

Abstract

ResumoAdsorçãoé um mecanismo de retençao de moléculas de um fluido em superfícies solidas e apresenta um vasto campo de aplicações, como em refrigeração, processos de separação e armazenamento de combustível. Este trabalho descreve o modelo de adsorção de gás em meios porosos e define uma abordagem de otimização de sistemas de adsorção baseada no Método de Otimização Topológica (MOT). Uma formulação abrangente para os fenômenos de adsorção e dessorçãoé apresentada, detalhando a dedução de seus formas fracas e montagem das matrizes para a implementação do Método dos Elementos Finitos (MEF). As sensibilidades das funções-objetivo em relaçãoàs variaveis de projeto são obtidas pelo método adjunto, que tambémé apresentado em detalhe. A implementação numericaé auxiliada pelos pacotes FEniCS e Dolfin Adjoint, originando uma ferramenta genérica para a otimização de sistemas de adsorção. Este métodoé aplicado ao projeto de tanques de Gas Natural Adsorvido (GNA) visando transporte, armazenamento e consumo. Tanques otimizados são propostos e comparados com tanques tradicionais, apresentando melhora dos objetivos de projeto.Palavras-Chave -Topologia (Otimização), Método dos Elementos Finitos, Adsorção. AbstractAdsorption is a retention mechanism of fluid molecules on solid surfaces and presents a wide range of applications, such as refrigeration, separation processes and fuel storage. This work describes the modelling of gas adsorption on porous media and presents an optimisation approach for the design of adsorption systems based on topology optimisation. A comprehensive formulation for the adsorption and desorption phenomena is presented, detailing the derivation of their weak forms and assembling the matrices for the implementation of the Finite Element Method (FEM). The sensitivities of objective functions to topology optimisation design variables are obtained by the adjoint method, which is presented in detail. The numerical implementation is aided by FEniCS and Dolfin Adjoint packages, resulting in a generic software for the optimisation of adsorption systems. The method is applied for the design of Adsorbed Natural Gas (ANG) tanks for on-demand consumption. Optimised tank layouts are proposed and compared with standard tanks, presenting improvement of the design objectives.

Finite Element Modeling of Atmospheric Water Extraction by Way of Highly Porous Adsorbents: A Roadmap for Solver Construction with Model Factor Sensitivity Screening

“…This allows for a numerical design in which the mass and energy equations complete numeric differentiation and update pressure and temperature state variables before proceeding to solve for the fluid structure interaction of the vapor phase, the adsorbed phase, and the adsorbent. The updated pressure and temperature resolve phase concentrations by way of the LDF and then proceeding to the next time step. , Time discretization follows the backward Euler method.…”

“…The updated pressure and temperature resolve phase concentrations by way of the LDF and then proceeding to the next time step. 12,28 Time discretization follows the backward Euler method.…”