| Summary: | Dette masterprosjektet omfatter en undersøkelse av to forskjellige emner. Vi bruker teorien om irreversibel termodynamikk som et rammeverk for å betrakte effekten av geometri på energi-effektivitet av systemer i naturen. Deretter tar vi inspirasjon fra disse naturlige geometriene til å finne en geometri for et industrielt system som kan øke prosessens energi-effektivitet. I kapittel 1, sammen med appendiks A, betrakter vi numeriske simuleringer av respirasjon for fire arktiske dyr. Disse fire dyrene er et reinsdyr (ungdom), en reinsdyrkalv, en voksen moskusokse, og en moskuskalv. Vi undersøker effekten av nesenes geometri på temperaturen av forskjellige deler av nesene, mengden varme og vann som mistes til omgivelsene, drivkrefter og fluks for varme- og massetransport mellom ulike deler av nesene, og entropiproduksjonen som oppstår under respirasjon. Resultatene antyder at nesegeometrien til fysisk voksne dyrene har utviklet seg slik at total entropiproduksjon under respirasjon er redusert sammenlignet med en enkel sylindrisk geometri ved lave temperaturer på omgivelsene. For de nyfødte kalvene derimot, tyder resultatene på at ved lave temperaturer gir nesegeometrien ikke energi-effektiv respirasjon. Kalvene vokser opp over sommeren og høsten i mildere vær, og er relativt oppvokst i fysisk forstand ved starten av dyrenes første vinter. Dermed er det mulig at ved svært lave temperaturer er det å minske tapet av energi til omgivelsene forbundet med respirasjon ikke spesielt viktig for overlevelsesevnen til kalvene. Vi ser på beregningsmodellens manglende evne til å simulere temperaturen til vev rundt neseborene, og hvordan dette tyder på at en egen strøm av blod til dette området er nødvendig for å forhindre vev og slim fra å fryse. Resultatene tyder også på at det mye større tverrsnittarealet av vener i nesa hjelper de arktiske dyrene å regulere temperaturen av varmevekslingsstrukturene, slik at den totale entropiproduksjonen reduseres. I kapittel 2, sammen med appendiks B og C, tar vi inspirasjon fra nesegeometrien til de arktiske dyene til å undersøke muligheten for å optimalisere geometrien til en kjemisk reaktor. Vi anvender kontrollteori for å finne en alternativ diameterprofil og lengde for reaktoren. Resultatene indikerer at en alternativ diameterprofil kan redusere total entropiproduksjon med 11%, og 16% hvis reaktorlengden også optimaliseres. I disse tilfellene kan gassens trykk ved innløpet til reaktoren varieres, og den største fordelen med geometrien er et lavere trykktap over reaktoren. Det er derimot mulig at den alternative diameterprofilen for reaktoren ikke er mer praktisk anvendelig enn andre strategier for å øke energi-effektivitet. I kapittel 3 presenteres konklusjoner for kapittel 1 og 2, og det gis forslag til videre arbeid relatert til begge emnene. Blant annet foreslås det at beregningsmodellen for simulering av respirasjon bør modifiseres for en mer nøyaktig beskrivelse av strøminger av blod i nesa. I tillegg foreslås det å utforske effekten av andre fysiologiske parametere på funksjonen til nesa. For reaktorprosjektet uthever vi andre ideer relatert til optimaliseringen av reaktoren, slik som en annerledes geometri på tversnittene av reaktoren. This thesis is comprised of investigations into two different topics. We use the theory of non-equilibrium thermodynamics as a framework in order to first study the effect of geometry on energy-efficiency of respiration in arctic animals. Thereafter we take inspiration from these natural cases to search for geometries of a chemical reactor which may improve the energy-efficiency of the process. In chapter 1, together with Appendix A, we investigate numerical simulations of respiration in four arctic animals. These animals are a juvenile reindeer, a reindeer calf, an adult muskox and a muskox calf. In the investigation we consider the effect of the animals' nasal anatomies on temperature of different parts of the nose, the amount of heat and water lost during respiration, the driving forces and fluxes for heat and mass transport between parts of the nose, and the entropy production during respiration. Results indicate that the nasal geometry of the adult animals have evolved such that the total entropy production during respiration is reduced compared to a simple cylindrical geometry in low ambient temperatures. However for the calves, results suggest that the nasal anatomies do not result in energy-efficient respiration from birth at low ambient temperatures. This is likely due to growing up in milder weather such that energy-efficient respiration is not crucial for survival. We highlight the computational model's inability to accurately simulate the temperature of tissues around the nostril, which also suggests that an independent blood supply is necessary for these tissues and mucus not to freeze. Results also indicate that the much larger cross-sectional area of veins compared to arteries helps the animal regulate the temperature of nasal turbinates, such that the total entropy production is reduced. In chapter 2, together with Appendix B and C, we take inspiration from the nasal geometry of the arctic animals to investigate the possibility of optimizing the geometry of a plug-flow reactor. We use optimal control theory to find a different diameter profile and length for the reactor. The results indicate that a different diameter profile can lead to an 11% reduction in the total entropy production, and if the length is optimized as well the reduction is 16%. In these cases the inlet pressure is free to vary, and the main advantage of the new geometry is the reduced viscous dissipation. However, it is possible that the reactor diameter profile is more difficult to realize in practice compared to other strategies for increasing the energy-efficiency. In chapter 3 we present the conclusions from chapter 1 and 2, and propose further work related to both topics. We suggest that the computational model for respiration simulations should be modified to more accurately describe blood flow in the nose, and that an investigation of the effect of other physiological parameters on the functioning of the nasal system is of interest. For the chemical reactor topic we highlight other ideas for the optimization of the plug-flow reactor, such as alternative geometries of cross-sections.
|
|---|