La creciente demanda del confort humano está obligando a la comunidad científica a buscar nuevas técnicas que permitan aprovechar al máximo los recursos disponibles. Gran parte de esta demanda es consumida por sistemas de producción de frío basados en la compresión de vapor, por tanto, constituye uno de los sectores estratégicos a tener en cuenta para contribuir al desarrollo sostenible mediante la optimización energética de las instalaciones frigoríficas. Además de la búsqueda de soluciones eficientes desde un punto de vista energético, la comunidad científica dirige sus esfuerzos en la búsqueda de nuevas sustancias refrigerantes cuyo efecto no sea nocivo para el medio ambiente. Con el fin de contribuir y fomentar el uso del fluido natural CO2 como refrigerante, se ha elaborado la presente tesis doctoral que está centrada en estudios teóricos y posterior análisis experimental del funcionamiento de una planta frigorífica de compresión de vapor que emplea CO2 como refrigerante en condiciones supercríticas. Esta nueva iniciativa permite minimizar al máximo el impacto medioambiental generado por las emisiones de refrigerantes artificiales, aunque requiere de una tecnología completamente nueva debido a las propiedades físicas del propio refrigerante. El objeto de este análisis se centra en continuar buscando aquellas configuraciones que logren mejorar el rendimiento energético de las instalaciones que empleen R744 como refrigerante. En la presente tesis doctoral se ha efectuado un estudio experimental de una configuración con un sistema de expansión en una única etapa, donde se ha analizado la influencia del aceite en la masa de refrigerante a cargar en la instalación y en el comportamiento de la misma. Este funcionamiento se compara con el comportamiento que adopta un ciclo que cuenta con un sistema de doble etapa de expansión y depósito intermedio entre ambas etapas, que le proporciona la masa que necesita en todo momento. Además, se estudia el comportamiento de la instalación al insertar en ambas configuraciones un IHX. Por otro lado, en este trabajo también se ha llevado a cabo un análisis experimental de la instalación operando en régimen supercrítico frente al modo de operación en régimen subcrítico cuando las condiciones externas lo permiten. De esta forma, se evalúa la posibilidad de operar con ambos sistemas a partir de una instalación dimensionada para operar en régimen supercrítico. El último análisis experimental realizado se basa en la búsqueda de nuevas configuraciones para mejorar el rendimiento energético del equipo, donde se estudia la extracción de vapor en el depósito de acumulación y la posterior inyección ó recompresión en diferentes puntos de la instalación. Estos análisis experimentales se han complementado con estudios de carácter teórico. El primer estudio teórico se ha basado en el modelado de la instalación frigorífica para analizar la energía calorífica generada en el foco caliente y destinada a activar otras aplicaciones. El segundo estudio ha consistido en el modelado matemático de dos tipos diferentes de intercambiadores de calor, uno de tubo concéntrico y flujo paralelo y otro de flujo cruzado con tubos aleteados externamente.

Els electrosprays estan constituïts de microgotes amb alta càrrega elèctrica i en moviment sota l'acció de forces electrostàtiques. Les gotes es generen com a resultat de la ruptura d'un doll de líquid sotmès a un camp elèctric prou fort. Les gotetes generades per tant, són transportats sota la influència combinada del gradient electrostàtic entre l'emissor i la contraplaca, la interacció amb la càrrega de les gotes del voltant i la força de la resistència aerodinàmica. La major part de les aplicacions de electrospray impliquen l'evaporació de les gotes com a part fonamental per aconseguir el resultat desitjat. Quan un conjunt de partícules d'aerosol es mou amb una velocitat neta en relació amb el gas circumdant, les partícules exerceixen una força d'arrossegament sobre el gas que causa el moviment del gas. En electrosprays, aquest moviment del gas és induït per les microgotes altament carregades sota l'acció de forces electrostàtiques. Mentre que molts models numèrics no han considerat el flux de gas induït en les simulacions numèriques de electrosprays, l'evidència experimental mostra que aquesta velocitat del gas modifica el comportament del esprai a nivell local. Considerant la incidència que aquest moviment del gas pot tenir en l'evaporació de gotetes en electrosprays volàtils, es fa evident que és necessari disposar d'una metodologia per a la simulació de la dinàmica de electrosprays que inclogui aquest aspecte. A més, ja que el moviment de gas també influeix en el moviment de les gotes, la formulació ha de considerar que aquests moviments són completament acoblats (és a dir, acoblats en les dues direccions). Aquests models més complets han de ser capaços de dilucidar la influència del flux de gas induït en variables d'importància pràctica, com ara són el patró de flux de deposició a la contraplaca, l'eixamplament del plomall, la distribució de densitat de nombre de gotes, i també en la predicció de l'evaporació de les gotes. En aquest treball s'ha desenvolupat un esquema numèric integral que acobla completament la dinàmica Lagrangiana de les gotes de l'electrospray amb els efectes del flux de gas induït, les explosions de Coulomb, i el transport de vapor de dissolvent, així com de la càrrega que deixen darrera les gotes que s'esvaeixen en els electrospray volàtils. S'han desenvolupat codis diferents per a simular cada fenomen per separat els quals s'han executat seqüencialment i de manera iterativa fins aconseguir la convergència de totes les variables. Aquesta metodologia ha estat aplicada per comparar els efectes d'evaporació en tres sistemes d'electrospray amb dissolvents de diferent volatilitat: acetona, metanol i n-heptà. Les gotes es van injectar en els tres sistemes amb una distribució de diàmetres log-normal unimodal amb un valor mitjà de 8 μm, i un coeficient de variació del 10%. Explosions de Coulomb intenses s'han observat dins l'esprai en forma de bandes diagonals (en el domini 2D). El transport de vapor en aquests sistemes és predominantment per convecció forçada en lloc de pura difusió. La concentració més alta de vapor s'observa prop de la zona d'injecció per a tots els tres sistemes, concentració que decau ràpidament a partir de llavors, tant en sentit radial com axial. En els tres casos, cap o poques gotes arriben a la contraplaca situada 3 cm sota del broquet capil•lar, posant en evidencia la necessitat de tenir en compte l'evaporació en les simulacions d'aquests sistemes. / Los electrosprays están constituidos de microgotas altamente cargadas i en movimiento bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Las gotas se generan como resultado de la ruptura de un chorro de líquido sometido a un campo eléctrico suficientemente fuerte. Las gotas generadas por lo tanto, son transportadas bajo la influencia combinada del gradiente electrostático entre el emisor y contraplaca, la interacción con la carga de las gotas de los alrededores y la fuerza de la resistencia aerodinámica. La mayor parte de las aplicaciones de electrosprays implican la evaporación de gotitas como un aspecto fundamental para lograr el resultado deseado. Cuando un sistema de partículas de aerosol se mueve con una velocidad neta en relación con el gas circundante, las partículas ejercen una fuerza de arrastre sobre el gas que causa que el movimiento del gas. En electrosprays, este movimiento de gas es inducido por las microgotas altamente cargadas bajo la acción de fuerzas electrostáticas. Mientras que muchos modelos numéricos no han considerado el flujo de gas inducido en las simulaciones numéricas de electrosprays, la evidencia experimental muestra que la velocidad del gas modifica el comportamiento del spray a nivel local. Considerando la incidencia que puede tener en la evaporación de gotitas en electrosprays volátiles, es evidente la necesidad de una metodología general para la simulación de la dinámica de electrosprays que incluyan este aspecto. Adicionalmente, ya que el movimiento del gas también influye en el movimiento de las gotas, la formulación debe considerar que estos movimientos están completamente acoplados (es decir, acoplados en las dos direcciones). Estos modelos más completos deberían ser capaces de dilucidar la influencia del flujo de gas inducida en las variables de importancia práctica, tales como el patrón de flujo de deposición en la contraplaca, el ensanchamiento del penacho, la distribución de densidad de número de gotas, y también en la predicción de la evaporación de las gotas. En este trabajo se ha desarrollado un esquema numérico integral que acopla completamente la dinámica de gotas electrospray de Lagrange con los efectos del flujo de gas inducido, las explosiones de Coulomb, y el transporte de vapor de disolvente, así como de la carga que dejan detrás las gotas que se desvanecen en los electrosprays volátiles. Se han desarrollado códigos diferentes para simular cada fenómeno por separado y se han ejecutado secuencialmente y de manera iterativa hasta conseguir la convergencia de todas las variables. Esta metodología se ha aplicado para comparar los efectos de evaporación en tres sistemas de electrospray con disolventes de diferente volatilidad: acetona, metanol y n-heptano. Las gotas se inyectaron en los tres sistemas con una distribución de diámetros log-normal unimodal con un valor medio de 8 µm, y un coeficiente de variación de 10%. Intensas explosiones de Coulomb se han observado dentro del spray en forma de bandas diagonales (en el dominio 2D). El transporte de vapor en estos sistemas es predominantemente por convección forzada en lugar de pura difusión. La más alta concentración de vapor se observa cerca de la zona de inyección para todos los tres sistemas, concentración que decae rápidamente a partir de entonces, en sentido tanto radial como axial. En los tres casos, pocas o ninguna gota llega a la contraplaca situada 3 cm por debajo de la boquilla capilar, poniendo en evidencia la necesidad de tener en cuenta la evaporación en la simulación de estos sistemas. / Electrosprays are constituted of highly charged micro drops moving under the action of electrostatic forces. They are generated as a result of the breakup of a liquid jet subjected to a sufficiently strong electric field. The droplets hence generated are transported under the combined influence of the electrostatic gradient between the emitter and counterplate, the interaction with the spray charge and the aerodynamic drag force. Most of the electrospray applications involve droplet evaporation as a critical aspect in achieving their desired result. When a collection of aerosol particles move with a net velocity relative to the surrounding gas, it exerts a drag force on the gas which can cause the gas to flow. In electrosprays, this gas motion is induced by the highly charged micro-drops moving under the action of electrostatic forces. While many numerical models have neglected induced gas flow in the numerical simulations of electrosprays, experimental evidence shows that the gas speed can be significant locally. Also considering the importance it can have in droplet evaporation in volatile electrosprays, there is a need for a general methodology to include the induced gas flow caused by the droplets in current numerical models of electrospray dynamics. Furthermore, since the gas motion also influences the droplet motion, a formulation that can accurately describe these motions should be fully coupled (i.e., two-way coupled). Such improved models should be able to elucidate the influence of the induced gas flow on variables of practical importance such as the flux deposition pattern on the counterplate, plume spread, droplet number density distribution, and also in the prediction of droplet evaporation. We developed a comprehensive numerical scheme which fully couples the Lagrangian electrospray droplet dynamics with the effects of induced gasflow, Coulomb explosions, and the transport of solvent vapor as well as charge left over by vanishing droplets in volatile electrospray systems. Separate codes for the diverse phenomena were developed. These codes have been run sequentially and in an iterative way until convergence was attained for all variables. This methodology has been applied to compare the evaporation effects in three electrospray systems with solvents of different volatility: acetone, methanol and n-heptane. The droplets were injected into the three systems with unimodal and log-normal distributed diameters with a mean value of 8 μm, and a coefficient of variation of 10%. Regions of intense Coulomb explosion events in form of diagonal bands (in the 2D domain) within the spray are well captured. We observe that the vapor transport in these systems is predominantly by forced convection rather than diffusion. Highest vapor concentration is observed near the injection zone for all the three systems, which rapidly decays thereafter, both radially as well as axially. In all three cases, few or no droplets arrive at the counterplate located 3 cm down the capillary nozzle, highlighting the relevance of accounting for evaporation when simulating these systems.

In this thesis a flat plate collector (FPC) with plastic transparent insulation materials (TIM) and a low-cost overheating protection system destined for heat supply from 80 to 120°C is presented. A ventilation channel with a thermally actuated door is inserted below the absorber allowing to protect the collector from stagnation conditions, while preserving good performance during normal operation. For this objective, a prototype has been constructed and experimentally tested and in parallel, numerical and CFD models have been implemented with the aim of predicting the thermal behavior of this collector. The present thesis consists of six chapters and a brief summary of each one is given below: In the first chapter, a literature survey is carried out in order to present the most updated R&D status in the field of solar heat at medium temperatures. This literature research has allowed to appreciate the latest findings and key challenges related to the studied topic and to present the contribution of this work to the pool of existing knowledge. The second chapter is devoted to the description of the experimental set up. The problem of overheating for FPC with TIM is first pointed out and the technical description of the studied FPC is then presented. The different sensors used and the test procedures adopted during the experiments are presented. In the third chapter, a fast calculation numerical model is implemented. This model is based on the resolution of the different components of the collector by means of a modular object-oriented platform. Indoor and outdoor tests are performed and have shown the effectiveness of the overheating system being able to maintain low enough temperatures at the collector preventing thus the plastic TIM from stagnation conditions. The comparison of the numerical results with experiments has demonstrated that the code can accurately reproduce the performance of the collector. Several parametric simulations are then performed in order to optimize the collector design: 3125 different configurations are evaluated by means of virtual prototyping and the results have allowed to propose the most promising design of a stagnation proof FPC with plastic TIM able to work at operating temperature 100°C with promising efficiency. In the forth chapter, the most critical elements of the collector (ventilation channel and air gap&TIM) have been substituted by high-level CFD objects in the implemented modular object-oriented code. For the detailed numerical simulations, Large Eddy Simulations (LES) modeling is used. In order to speed-up the simulations, parallelisation techniques are used. The numerical solutions are firstly validated with benchmark cases. Then, the general model of the collector is validated by comparison of the numerical results with the indoor experimental tests showing a reasonable agreement. The preliminary CFD simulation results have allowed to understand the heat transfer and fluid flow at different operating temperatures of the studied collector. In the fifth chapter, a heat transfer analysis of the honeycomb TIM is carried out. The combined radiation and conduction heat transfer across the isolated cell is treated by means of the solution of the energy equation in its three dimensional form which is coupled to the Radiative Transfer Equation (RTE). The Finite Volume Method is used for the resolution of the RTE. The numerical results are compared to experimental measurements of the heat transfer coefficient on various honeycomb TIM given by different authors in the literature showing acceptable agreements. Finally, a parametric study is conducted in order to investigate the effect of the variation of the most relevant optical and dimensional parameters of the TIM on the heat transfer. Finally, the last chapter summarizes the contribution of this thesis and discuss the possible directions of future research.

This thesis describes thermally induced bubble behaviour changes in liquid nitrogen (LN2) under electric fields. Cryogenic liquids such as LN2 have been used not only as the coolant but also as the electrical insulator in superconducting and cryogenic apparatus. However, bubbles are easily formed in these liquids by even moderate heating because of a narrow liquid temperature range and low boiling point. Bubbles are considered to be one of the factors causing a reduction of the electrical insulation level. Consequently, bubble behaviour in electric fields is of great interest primarily in the study of prebreakdown and breakdown phenomena in the presence of thermally induced bubbles. In addition, a bubble can appear and its behaviour changes in a fluid under the influence of an electric field, and this is the main reason for boiling heat transfer enhancement which is related to thermal stability and heat transfer efficiency. Studies including single bubble behaviour and bubble column behaviour as well as boiling heat transfer enhancement due to changes in bubble behaviour under electric fields using different electrodes have been completed. Free thermal bubble motion and related characteristics in LN2 under a conductor-plane electrode have been experimentally studied. A model for bubble motion in this non-uniform electric field has been developed and is described. Compared with theoretical results, the experimental measurements are in good agreement. An rimental study into the behaviour of thermal bubbles between two plane-plane inclined electrodes has been completed. Using a stainless steel mesh-to-plane electrode system, experimental investigations have been carried out to study the effect of uniform dc electric fields on the behaviour of a single thermal bubble in LN2. Bubble characteristics such as bubble growth, deformation and bubble departure frequency have been experimentally evaluated. Finally, the electric field effects on boiling heat transfer of LN2 have been experimentally assessed. The obtained data is applicable to the design of LN2 cooled high temperature superconductor power apparatus for both coolant and electrical insulation issues.

S’estudia i es millora l’aplicació de la síntesi d’Story per a la obtenció de macrolactones cícliques, específicament la 16-hexadecanolida a partir dels peròxids de ciclohexanona. El rendiment global en macrolides és de l’ordre del 64% a partir de la ciclohexanona inicial. S’aplica el mètode de cinètica no paramètrica – NPK – a la descomposició tèrmica del diperòxid de diciclohexilidè i del triperòxid de triciclohexilidè. Per a ambdues substàncies, s’obtenen valors del voltant de 150 kJ.mol-1 per a l’energia d’activació i s’identifica el model de Šesták-Berggren (SB) com el més probable per descriure la influència de la conversió sobre la velocitat de reacció. Aquest tipus de model no conté informació sobre la iniciació del procés, dada necessària per a la seva descripció detallada. En aplicar el mètode NPK a dades experimentals de DSC de reaccions reconegudes com a autocatalítiques, concretament, la descomposició del 2,4-dinitrofenol i el curat de dues resines epoxi s’observa que probablement estigui format en tots els casos per la superposició d’una transformació d’ordre 1 – iniciació – i una de tipus Šesták-Berggren. Això permet formular la hipòtesi de que el mètode NPK pot arribar a proporcionar informació suficient sobre el procés de iniciació. Aquesta proposta requereix, però, extrapolacions en part subjectives i en cap cas ha proporcionat funcionalitats diferents amb la temperatura per a la iniciació i per a la reacció principal. S’estudia la influència de diferents dissolvents en la descomposició tèrmica dels peròxids, confirmant que els més adients per a aquesta finalitat son alcans d’ alt punt de ebullició (decà i dodecà). Amb ells, s’aconsegueix sintetitzar les macrolactones cícliques 11-undecanolida i 16-hexadecanolida, d’ 11 i 16 carbonis, respectivament, amb rendiments molt atractius. Finalment, s’estudia la influència de la concentració i de la temperatura en la descomposició dels peròxids de ciclohexanona en dissolució d’alcans d’alt punt d’ebullició. Els millors resultats s’obtenen amb concentracions entre el 2% i el 3% en pes de peròxid i uns 175ºC. / Se estudia y mejora la aplicación de la síntesis de Story para la obtención de macrolactonas cíclicas, específicamente la 16-hexadecanolida a partir de los peróxidos de ciclohexanona. El rendimiento global en macrolidas es del orden del 64% a partir de la ciclohexanona inicial. Se aplica el método de cinética no paramétrica – NPK – a la descomposición térmica del diperóxido de diciclohexilideno y del triperóxido de triciclohexilideno. Para ambas sustancias, se obtienen valores de alrededor de 150 kJ.mol-1 para la energía de activación y se identifica el modelo de Šesták-Berggren (SB) como más probable para describir la influencia de la conversión sobre la velocidad de reacción. Este tipo de modelo no contiene información sobre la iniciación del proceso, dato necesario para su descripción detallada. Al aplicar el método NPK a datos experimentales de DSC de reacciones reconocidas como autocatalíticas, concretamente, la descomposición del 2,4-dinitrofenol y el curado de dos resinas epoxi se observa que probablemente esté formado en todos los casos por la superposición de una transformación de orden 1 – iniciación – y una de tipo Šesták-Berggren. Esto permite formular la hipótesis de que el método NPK puede llegar a proporcionar información suficiente sobre el proceso de iniciación. Esta propuesta requiere, sin embargo, de extrapolaciones en parte subjetivas y en ningún caso ha proporcionado funcionalidades distintas con la temperatura para la iniciación y para la reacción principal. Se estudia la influencia de diferentes disolventes en la descomposición térmica de los peróxidos, confirmando que los más adecuados para este fin son alcanos de alto punto de ebullición (decano y dodecano). Con ellos, se consigue sintetizar las macrolactonas cíclicas 11-undecanolida y 16-hexadecanolida, de 11 y 16 carbonos, respectivamente, con rendimientos muy atractivos. Finalmente, se estudia la influencia de la concentración y de la temperatura en la descomposición de los peróxidos de ciclohexanona en disolución de alcanos de alto punto de ebullición. Los mejores resultados se obtienen con concentraciones entre el 2% y el 3% en peso de peróxido y unos 175ºC. / The Story synthesis application for producing cyclic macrolactones is studied and improved. A special focus is put on the formation of 16-hexadecanolide coming from cyclohexanone peroxides. The global performance in macrolides ranges about 64% from initial cyclohexanone. The non-parametric kinetics method – NPK – is applied to the thermal decomposition of dicyclehexilidene diperoxide and tricyclehexilidene triperoxide. For both substances, values about 150 kJ.mol-1 for activation energy are obtained, and the Šesták-Berggren (SB) model is identified as the most probable for describing the influence of conversion on the reaction rate. This type of model does not contain information about the process initiation, an essential data for detailed description. When applying NPK method on experimental data from reactions identified as autocatalytic, specifically the decomposition of 2,4-dinitrophenol and curing of two epoxy resins, it is observed that probably in all cases comes from the superposition of a transformation of range 1 – initiation – and another of Šesták-Berggren type. This leads to state the hypothesis that NPK method could bring enough information on the initiation process. Nevertheless, this proposal needs partially subjective extrapolations. It has to be indicated that it did not produce different functionalities along with temperature for the initiation and for the main reaction in any case. The influence of different solvents on the thermal decomposition on peroxides has been studied. The most appropriate solvents for this purpose are high boiling point alkanes (decane and dodecane). They allow synthesizing 11-undecanolide and 16-hexadecanolide cyclic macrolactones with very attractive yields. Finally, the concentration and temperature influence on the cyclohexanone peroxide decomposition dissolved in high boiling point alcanes is studied. The best results are obtained with concentrations ranging between 2% and 3% in weight of peroxide, and 175ºC

En la presente tesis se desarrolla un generador solar de concentración, diseñadocon el enfoque de la integración arquitectónica.Los sistemas fotovoltaicos de concentración implican que sobre las célulassolares se están recibiendo unas altas densidades de flujo radiativo. Estas altasdensidades suponen un calentamiento excesivo del sistema que provoca en términosgenerales un deterioro en los materiales y una menor eficiencia de las células. Estehecho hace necesario que los sistemas de concentración requieran de un sistema derefrigeración de las células fotovoltaicas.El sistema de refrigeración propuesto es un sistema activo de circulación de unfluido térmico, que cumple una doble función. En primer lugar enfría el módulofotovoltaico, con lo que las células trabajan a una mayor eficiencia. En segundo lugar,este fluido que extrae una determinada cantidad de calor de las células, en torno a un65% de la radiación que incide en el sistema, se calienta. Aprovechando este calor elsistema es a su vez un colector térmico.El sistema óptico diseñado se fundamenta en mantener un elemento exterior(visible) estático, constituido por una lente de Fresnel cilíndrica. Las funciones deseguimiento las realiza un elemento óptico secundario de elevada aceptancia (CPC). Deesta forma el sistema se puede acoplar de modularmente en diferentes emplazamientos yconfiguraciones de edificios, con un impacto visual similar al de un muro cortina devidrio con cierta translucidez.Para el desarrollo del nuevo colector se han realizado análisis experimentales yde simulación desde los aspectos térmicos y ópticos, así como un tratamiento global delsistema mediante un balance de energético del mismo.

Present work is focused on the numerical study of evaporation of sessile liquid droplets on top of smooth solid substrates. The process of evaporation of a sessile liquid droplet has lots of different applications both in industry and research area. This process has been under study for many years, and still it is an actual problem, solution of which can give answers on some fundamental and practical questions. Instantaneous distribution of mass and heat fluxes inside and outside of an evaporating sessile droplet is studied in this research using computer simulations. The deduced dependences of instantaneous fluxes are applied for self-consistent calculations of time evolution of evaporating sessile droplets. The proposed theory of evaporating sessile droplets of liquid has been validated against available experimental data, and has shown a good agreement. Evaporation of surfactant solution droplets is studied experimentally. The theory, proposed for two stages of evaporation, fits experimental data well. An additional evaporation stage, specific for surfactant solutions, is observed and described. Mathematical modelling of this stage requires further research on surfactant adsorption and its influence on the value of receding contact angle. Numerical study of the evaporation of microdroplets is conducted in order to evaluate the significance of different evaporation mechanisms (diffusive and kinetic models of evaporation) and different physical phenomena (Kelvin s equation, latent heat of vaporization, thermal Marangoni convection, Stefan flow).

An isothermal calorimeter controlled by the Peltier effect has been designed and constructed in order to investigate reaction rates in solventwater mixtures. Because a thermal method was used a constant temperature environment was essential and this was achieved by using a water bath controlled to + 0.0010C. This callorinieter has been used to study the alkaline hydrolysis of methyl acetate in dimethylsulphoxide, and tetrahydrofuran - water mixtures at 15, 25 and 35 [degrees]C. The results of other investigations on similar reactions have been reviewed and an attempt has been made to correlate the electrostatic theories of Laidler and Eyring, and Amis and jaffe with these results. Finally, because it appears that specific solvent interactions play a major part in the reaction rates the role of water in the reaction mechanism has been examined. A mechanistic explanation has been proposed in order to correlate the rate of reaction with the composition of water-solvent mixtures which justifies the Laidler and Eyring treatment of solvent effects on ion-molecule reactions.

Series: Working Papers / RICC

The contact of hot melt with liquid water - called Molten Fuel Coolant Interaction (MFCI) - can result in vivid explosions. Such explosions can occur in different scenarios: in steel or powerplants but also in volcanoes. Because of the possible dramatic consequences of such explosions an investigation of the explosion process is necessary. Fundamental basics of this process are already discovered and explained, such as the frame conditions for these explosions. It has been shown that energy transfer during an MFCI-process can be very high because of the transfer of thermal energy caused by positive feedback mechanisms. Up to now the influence of several varying parameters on the energy transfer and the explosions is not yet investigated sufficiently. An important parameter is the melt temperature, because the amount of possibly transferable energy depends on it. The investigation of this influence is the main aim of this work. Therefor metallic tin melt was used, because of its nearly constant thermal material properties in a wide temperature range. With tin melt research in the temperature range from 400 °C up to 1000 °C are possible. One important result is the lower temperature limit for vapor film stability in the experiments. For low melt temperatures up to about 600 °C the vapor film is so unstable that it already can collapse before the mechanical trigger. As expected the transferred thermal energy all in all increases with higher temperatures. Although this effect sometimes is superposed by other influences such as the premix of melt and water, the result is confirmed after a consequent filtering of the remaining influences. This trend is not only recognizable in the amount of transferred energy, but also in the fragmentation of melt or the vaporizing water. But also the other influences on MFCI-explosions showed interesting results in the frame of this work. To perform the experiments the installation and preparation of the experimental Setup in the laboratory were necessary. In order to compare the results to volcanism and to get a better investigation of the brittle fragmentation of melt additional runs with magmatic melt were made. In the results the thermal power during energy transfer could be estimated. Furthermore the model of “cooling fragments “ could be usefully applied. / Das Zusammentreffen von heißer Schmelze mit flüssigem Wasser (Schmelze-Wasser-Interaktion) - auf Englisch Molten-Fuel-Coolant-Interaction (MFCI) - kann zu heftigen Explosionen führen. Diese Explosionen sind in verschiedenen Szenarien möglich: in Stahl- und Kraftwerken, aber auch bei Vulkanen. Wegen der möglichen dramatischen Folgen solcher Explosionen ist eine Erforschung dieser Explosionsvorgänge notwendig. Wesentliche Grundlagen, unter welchen Voraussetzungen Schmelze-Wasser-Interaktionen zu Explosionen führen können, und der Ablauf dieser Vorgänge wurden weitgehend erforscht. Wie diese Forschungen gezeigt haben, kann die übertragene Energie bei diesen Vorgängen wegen positiver Rückkopplungsprozesse sehr hoch sein. Bislang wurden aber noch nicht in ausreichendem Maß die Einflussparameter auf die Energieübertragung und damit auf die Explosionsheftigkeit geprüft. Ein wichtiger Parameter ist die Schmelzetemperatur, da von ihr abhängt, wie viel thermische Energie freigesetzt werden kann. Die Untersuchung des Einflusses dieses Parameters ist das Hauptziel der vorliegenden Arbeit. Hierfür wurde bei den meisten Versuchen metallische Zinnschmelze verwendet, da die Materialwerte von Zinn über einen weiten Temperaturbereich annähernd konstant sind, von denen die Wärmeübertragung abhängt. Mit dieser Zinnschmelze war die Untersuchung der Schmelzetemperatur im Bereich von 400 °C bis 1000 °C möglich. Ein wesentliches Ergebnis zeigt die Abhängigkeit der Dampffilmstabilität von der Schmelzetemepratur. Bei niedrigen Schmelzetemperaturen bis etwa 600 °C ist der Dampffilm so instabil, dass er in den Experimenten bereits vor einer mechanischen Erschütterung zusammenbrach, die zu seiner Zerstörung eingesetzt wurde. Wie erwartet ist zu erkennen, dass mit höherer Schmelzetemperatur grundsätzlich mehr Energie umgesetzt werden kann. Obwohl dieser Effekt von weiteren Einflüssen auf die Explosionsstärke unter bestimmten Umständen überdeckt werden kann, wird dieses Ergebnis nach einer konsequenten Filterung der übrigen Einflüsse bestätigt. Diese Tendenz ist nicht nur an den berechneten übertragenen Gesamtenergiemengen erkennbar, sondern auch an den einzelnen Effekten wie z. B. der Fragmentation oder der Wasserverdampfung. Aber auch die weiteren Einflüsse auf die Energieübertragung wie z. B. die Vorvermischung von Schmelze und Wasser zeigten im Rahmen dieser Arbeit und der durchgeführten Experimente interessante Ergebnisse. Um diese Versuche durchführen zu können, waren die Einrichtung und Vorbereitung einer Versuchsanlage erforderlich. Zum Vergleich mit dem Vulkanismus und zur besseren Untersuchung der Feinfragmentation während ärmeübertagung wurden Versuche mit magmatischer Schmelze durchgeführt. In den Ergebnissen konnten thermische Leistungen während der Schmelze-Wasser-Interaktion bestimmt werden. Außerdem konnte das aufgestellte Modell der “kühlenden Fragmente “ sinnvoll angewendet werden.