Esta tesis se centra en el estudio de los diferentes mecanismos implicados en la absorción de vapor de agua en películas descendentes de configuración vertical (tipica configuracion para absorbedores enfriados por aire) usando LiBr-H2O como fluido de trabajo: i) transferencia simultánea de calor y de masa; ii) régimen ondulado en la superficie libre de la película; iii) la influencia de los gases no absorbibles en el desempeño del absorbedor. El trabajo de este manuscrito se divide en dos areas: i) El trabajo experimental. En el capítulo 3 se da una descripción sobre el diseño, construcción y puesta en marcha unidad experimental. Se exponen los detalles sobre los materiales de construcción y los sensores de medición. Durante el desarrollo de este trabajo, los autores han prestado especial atención en la verificación de los datos experimentales. Esta verificación consiste en la realización de los balances de energía y masa en el lado de la solución acuosa. Importantes discrepancias fueron encontrados en nuestros propios datos experimentales, por lo tanto, un extenso estudio se llevaron a cabo con el fin de encontrar la fuente de dichos errores. La principal conclusión final es que hay un arrastre de la solución de LiBr en el vapor de agua que aumenta con el número de Re. Este "flujo de niebla" es mínimo (50 PPM), pero es suficiente para contribuir en el desequilibrio energético. Finalmente se da una breve introducción sobre la técnica de espectrometría de masas y su aplicación en la influencia de gases no absorbibles en el rendimiento del absorbedor. ii) trabajo numérico. El desarrollo de herramientas de cálculo numérico de calculo rápido que describan la fenomenología de absorción en películas verticales lo más preciso posible (dentro de sus limitaciones). El capítulo 4 describe un modelo analítico unidimensional basado en la resolución de las ecuaciones de conservación (masa, especies y energía) que a su vez constituyen tres ecuaciones diferenciales ordinarias. Su resolución permite calcular la temperatura tanto de la película como del fluido secundario, así como también el flujo de masa absorbida a lo largo de la película descendente. Ecuaciones adicionales se utilizan para calcular las concentraciones en la en la película (bulk) como en su interfase. Este modelo utiliza información empírica para los coeficientes de transferencia de calor y masa. La principal ventaja de este modelo es el ahorro de tiempo de cálculo en CPU. El capítulo 5 describe la formulación matemática y la implementación numérica de un modelo semi-empírico basado en ecuaciones de Navier-Stokes, acopladas junto con la ecuación de especies y de energía, todo bajo las hipótesis de capa límite. Las ecuaciones acopladas se resuelven por medio de método de diferencias finitas en un procedimiento de tipo "step by step". El régimen laminar ondulado es considerado por la inclusión y la resolución la ecuación "Free Surface Deflection". Capitulo 6 presenta un modelo matemático que predice los efectos de los gases no absorbibles en el desempeño de los sistemas de absorción. El modelo es semi-empírico, y es una extensión del modelo presentado en el capitulo 5. Las ecuaciones acopladas se resuelven por medio de método de diferencias finitas en un procedimiento "step by step" y se resuelven en ambas las fases líquida y de vapor. Se ha implementado un tratamiento detallado de las condiciones de contorno de la interfase líquido-vapor (Balances de masa y energía). Por último, en el capítulo 7 se muestran los resultados experimentales y su comparación con los resultados numéricos.Por último, en el capítulo 7 se muestran los resultados experimentales y su comparación con los resultados numéricos. El capítulo se divide en dos secciones i) la validación experimental de la absorción de película descendente en tubos verticales en presencia de régimen ondulado. iii) Validacion experimental en presencia de no absorbibles. / This thesis is focused in the study of the different mechanisms involved during vapor absorption of water in the vertical falling films using LiBr-H2O as working fluid: i) simultaneous heat and mass transfer; ii) wavy regime at the free surface of the film; iii) the influence of non-absorbable gases in the performance of the absorber. The work of this manuscript is divided in two mains areas: i) experimental work: In chapter 3 is given a description about the design, construction and commissioning of the vertical absorption experimental apparatus. Details about construction materials, measuring sensors are exposed. During the development of this work, the authors have paid careful attention to the verification of experimental data. Such verificationconsists in performing energy and mass balances in the fluid film and coolant sides. Important discrepancies were found in our own experimental data, therefore an extensive study were carried out in order to find the source of such errors. The final main conclusion is that there is a drag of LiBr solution into the water vapor which increases with Re number. This mist flow is minimum (50 PPM) but it is enough in order to contribute in the energy imbalance. Finally a brief introduction about mass spectrometry technique and its application in the influence of the effect of the non-absorbable is given. ii) Numerical work: The development of quick calculation numerical tools which describe the most accurate possible (within their limitations) the behavior of absorption in falling films with the characteristics described in above.Chapter 4 describes an one-dimensional analytical model based on the resolution of the conservation equations (mass, species and energy) that constitute three ordinary differential equations.Their resolution allows to calculate solution and coolant temperature distributions, and mass flux absorbed along the falling film. Extra equations are used for calculating bulk and interface mass concentrations, as well as interface temperature distribution. This model uses empirical information for heat and mass transfer coefficients. The main advantage of this model is the savings in CPU computation time. Chapter 5 describes the mathematical formulation and numerical implementation of a semi-empirical model based on Navier-Stokes equations together with energy and mass species equations simplified under the boundary layer hypotheses. The coupled equations are solved by means of finite difference method in a step by step procedure. The laminar wavy regime is considered by including and solving the Free Surface Deflection Equation. Chapter 6 presents a mathematical model that predicts the effects of non-absorbable gases on the performance of the absorption systems. The model is semi-empirical, based on Navier Stokes equations together with energy and mass species simplified under the boundary layer hypotheses. The coupled equations are solved by means of finite difference method in a step by step procedure and are solved in both the liquid and gas phases. A detailed treatment of the liquid-vapor interface boundary conditions for the LiBr- H2O has been implemented (Energy and mass balances). Finally chapter 7 In this chapter are shown the experimental results and its comparison against the numerical results. The chapter is divided in two main sections: i) The experimental validation of the falling film absorption in vertical tubes in presence of wavy regime. In this section a parametric study of the influence of governing variables during absorption henomena has been performed. ii) The experimental validation of falling film absorption in vertical tubes in presence of wavy regime and non-absorbable gases. In this second part a parametric study has been performed by evaluating the influence of different air concentrations in the absorber performance. The studies results in each of the sections are widely discussed.

he main objective of the present thesis is to study and optimize the sealing efficiency of air curtains. Therefore, the phenomenology of the breakthrough and the parameters which affect it has been studied. However, considering the level of turbulence in the studied flowfields, this work employs numerical methods which will allow us to take all the transport phenomena into account, for both laminar and turbulent regimes. This is not the first effort within the {\sc cttc} (``Centre Tecnològic de Transferència de Calor'') research group on this subject, but the continuation of a research activity carried out in the past years. For this purpose, chapter 1 contains an introduction to air curtains, and the basic phenomenology is discussed. The different stages of an air jet are detailed. It is also given a discussion on when the installation of these devices should be considered as a good solution for air flow sealing. In this chapter are also defined the basic concepts used throughout this work. It ends with a brief description of the three main approaches employed in this thesis to analyse air curtains: computational fluid dynamics, semianalytical methods and experimental measurements. The semianalytycal methods, which are suitable only for steady regime calculations, are introduced in chapter 2. In this chapter it is also described the interface developed at Centre Tecnològic de Transferència de Calor to evaluate the thermal efficiency and other relevant aspects for different configurations of air curtains. The main results obtained in such geometries are also presented. The semiananlytycal approach allows to characterize the air curtains with a much less time consuming method than higher level calculations. In chapter 3, the Computational Fluid Dynamics methodology is described, with Large Eddy Simulation as approach. The models employed to solve the Navier Stokes equations are Smagorinsky and Wale. A simmetry preserving discretization is employed. The solvers employed are also outlined. Finally, illustrative results obtained with the air curtain under several conditions are presented. In chapter 4 special emphasis has been placed on the experimental measurements of actual air curtains. This interest resulted on a detailed study about the standard on the characterization of air curtains, and the construction of an experimental set up according the standard requirements.The more significant results are presented. In chapter 5 a plenum optimization procedure is carried out. Both experimental and numerical approaches are employed. In chapter 6 the appplication of air curtains to refrigerating chambers is studied in detail. The results obtained from CFD simulation, semianalytical calculations and experimental measurements have been compared. According to the results obtained and presented the objective of optimizing air curtains proposed in this thesis have been satisfied. / El principal objetivo de la presente tesis es el estudio y la optimización de cortinas de aire. Para ello, la fenomenologia de la ruptura y los parametros que la afectan han sido estudiados. Considerando el nivel de turbulencia en los flujos estudiados, este trabajo emplea metodos numericos que permiten tener en cuenta los fenomenos de transporte, tanto en regimenes laminar como turbulento. Esta no es la primera labor de investugación en este campo llevada a cabo en el Centro Tecnologico de Transferencia de Calor, sino la continuación de una labor llevada a cabo durante los ultimos años. E el capitulo 1 se presenta una introduccion a las cortinas de aire, y se presenta su física básica. Las diferentes regiones del jet son detalladas. También se discuten las situaciones en las cuales se han de emplear estos dispositivos. Se realiza un breve resumen de los metodos que se emplearán: semianaliticos, CFD y mediciones experimentales. En el capitulo 2 se presentan los metodos semianaliticos, que son aplicables tan solo a situaciones de regimen permanente. En este capitulo se describen las ecuaciones que nutren la interfaz desarrollada en el Centro Tecnologico de Transferencia de Calor para evaluar la eficiencia y otros aspectos de interés en diferentes configuraciones de estos dispositivos. El enfoque semianalitico permite obtener resultados en tiempos de cálculo menores que con métodos numericos de más alto nivel. En el capitulo 3 se presenta la metodologia CFD empleada, con Large Eddy Simulation como enfoque. El modelo de turbulencia empleado es WALE. Una discretización symmetry prreserving es empleada, Los solvers empleados también se detallan. En el capitulo 4 se han presentado las mediciones experimentales de prototipos reales. Se ha estudiado con detalle el estandard internacional AMCA de caracterización de cortinas. los resultados más significantes son presentados. En el capitulo 5 se presenta el proceso de optimización de un plenum. Se emplean enfoques tanto experimental como numerico. En el capitulo 6 la aplicación de las cortinas de aire a salas refrigeradas se ha estudiado con detalle. Contrastando los resultados obtenidos con los diferentes enfoques se puede concluir que se han alcanzado los objetivos de optimización y estudio propuestos en la presente tesis.

Teniendo en cuenta el rápido aumento de la población y el crecimiento en el consumo de energía como consecuencia de grandes progresos en transporte y tecnología, el desarrollo sostenible es de especial relevancia pues sugiere la búsqueda de formas de mitigar las emisiones de gases de efecto invernadero, incluyendo la captura y almacenamiento de carbono (o utilización), la eficiencia energética, fuentes alternativas de energía y ahorro de energía, como ya se ha sugerido por el protocolo de Kioto y los informes del IPCC. De ahí que en los últimos años se haya dedicado un esfuerzo considerable a desarrollar tecnologías para la captura y almacenamiento de CO2 a partir de fuentes concentradas de emisión. Además de establecer nuevas tecnologías, durante las últimas décadas la ciencia de materiales sólidos porosos se ha convertido en una de las áreas más intensas de investigación y desarrollo para químicos, físicos y científicos de materiales. De hecho, se ha avanzado considerablemente en el desarrollo de nuevos adsorbentes para diversos procesos de separación. Por ejemplo, las estructuras órgano-metálicas (MOFs) han ido ganando considerable atención como materiales prometedores para aplicaciones de almacenamiento y separación de gases, debido a sus propiedades excepcionales. Sin embargo, es necesaria una comprensión a nivel molecular de la adsorción de gases para acelerar el diseño y desarrollo de aplicaciones a la carta. También es fundamental conocer el comportamiento bajo condiciones de humedad e impurezas, como se tiene normalmente en aplicaciones industriales específicas. El trabajo desarrollado en esta Tesis Doctoral destaca el uso de técnicas de simulación molecular para la optimización de procesos relacionados con el medio ambiente. El objetivo general se centra en avanzar en el campo de materiales para la captura y separación de dióxido de carbono a condiciones de proceso. Se considera de manera explícita la influencia del vapor de agua e impurezas, tanto a la luz de los fundamentos de la adsorción como en la aplicación para la captura de CO2 por post-combustión mediante ciclos de adsorción por oscilación. Partiendo de una breve descripción de los fundamentos de la adsorción y de las simulaciones moleculares, se presenta una revisión exhaustiva de estudios recientes de materiales para captura y separación de CO2, proporcionando así información valiosa para su aplicación industrial. Basados en esta revisión, se han estudiado en detalle algunos de los materiales más prometedores para un proceso de adsorción por cambio de temperatura (TSA) basado en simulaciones moleculares, proponiéndose un nuevo procedimiento para la evaluación y optimización de los sistemas de captura en condiciones reales. Dada la gran influencia de trazas de agua en la separación, se investiga también el CuBTC (uno de los MOF más estudiados y estables en agua) en comparación con la zeolita de referencia 13X. Se examina en detalle el efecto de las especies coexistentes, así como la influencia del agua y SO2 en los gases de combustión, con el fin de llegar a una mejor comprensión de la capacidad de adsorción, la selectividad, la localización de las moléculas en el material, las distribuciones de calor isostérico y su relación con el proceso. Asimismo, se han llevado a cabo estudios paramétricos detallados para una investigación comparativa de la separación de mezclas multi-componentes de gases de combustión mediante el uso de otras zeolitas como caolinita y chabacita. Y finalmente, se presenta un trabajo adicional relacionado con otro problema medioambiental: la separación de un contaminante (ibuprofeno) en agua, mediante el uso de carbones activados, usando las mismas técnicas computacionales, demostrando así la versatilidad de las herramientas empleadas para este tipo de sistemas. / Given the rapid increase in population and the growth in energy consumption as a consequence of major developments in transportation and technology, sustainable development is of special relevance, suggesting ways to mitigate greenhouse gases emissions, including carbon capture and storage (or utilization, CCSU), energy efficiency, alternative energy sources and energy savings, as already suggested by the Kyoto’s Protocol and the IPCC reports. Hence, much effort has been devoted in recent years to develop technologies for capture and storage of CO2 from concentrated sources of emission. Apart from establishing new technologies, over the last decades the science of porous solid materials has become one of the most intense areas of research and development for chemists, physicists, and materials scientists. In fact, considerable progress has been made in recent years on the development of novel adsorbents. For instance, Metal Organic Frameworks (MOFs) have been gaining considerable attention as promising nanoporous materials for gas storage and gas separation applications due to their exceptional physical and chemical properties, and have already been demonstrated to be promising materials in the separation of different gases, however, a molecular level understanding of gas adsorption in the pores is crucial to accelerate the design and development of these and other applications. It is also fundamental to know their behavior under moisture conditions and impurities content, as normally found at specific industrial applications. The work developed in this Thesis highlights the use of molecular simulation techniques for optimizing environmental related processes, providing new procedures to assess the use of these materials from their fundamental knowledge until their applications at industrial conditions. The overall objective is to advance in the field of materials for CO2 capture and separation at process conditions. The influence of water vapor and impurities is explicitly considered, both, in the light of the fundamentals of adsorption and in the application for post-combustion carbon dioxide capture by swing adsorption cycles. Starting from a brief description of the fundamentals of adsorption and molecular simulations, a novel throughout review on recent studies of materials for CO2 capture and separation is presented, thus providing valuable information to assess their industrial application. Based on this review, some of the most promising materials for CO2 separation in a Temperature Swing Adsorption (TSA) process have been studied in detail by using molecular simulations (compared to experimental data when available), proposing a new process for the evaluation and optimization capture systems under real conditions. In addition, given the great influence of water as a trace compound on the separation, CuBTC (one of the most studied MOFs, stable in water and with potential for industrial application) has been investigated in comparison to the benchmark zeolite 13X. The effect of the coexisting species as well as the influence of water and SO2 in flue gas is examined in detail in order to reach a better understanding of the adsorption capacity, selectivity, adsorption density location and isosteric heat distributions. And finally, detailed parametric studies have been carried out for a comparative computational investigation for separating of multi-component mixtures of flue gas by using other representative zeolites such as kaolinite and chabazite. Additional work, related to another environmental problem: the separation of a pollutant (ibuprofen) in water, by using activated carbons, is also presented here, demonstrating the versatility of the tools used for these types of systems.

The present and the future expectation in parallel computing pose a new generational change in simulation and computing. Modern High Performance Computing (HPC) facilities have high computational power in terms of operations per second -today peta-FLOPS (10e15 FLOPS) and growing toward the exascale (10e18 FLOPS) which is expected in few years-. This opens the way for using simulation tools in a wide range of new engineering and scientific applications. For example, CFD&HT codes will be effectively used in the design phase of industrial devices, obtaining valuable information with reasonable time expenses. However, the use of the emerging computer architectures is subjected to enhancements and innovation in software design patterns. So far, powerful codes for individually studying heat and mass transfer phenomena at multiple levels of modeling are available. However, there is no way to combine them for resolving complex coupled problems. In the current context, this PhD thesis presents the development of parallel methodologies, and its implementation as an object-oriented software platform, for the simulation of multiphysics systems. By means of this new software platform, called NEST, the distinct codes can now be integrated into single simulation tools for specific applications of social and industrial interest. This is done in an intuitive and simple way so that the researchers do not have to bother either on the coexistence of several codes at the same time neither on how they interact to each other. The coupling of the involved components is controlled from a low level code layer, which is transparent to the users. This contributes with appealing benefits on software projects management first and on the flexibility and features of the simulations, later. In sum, the presented approaches pose a new paradigm in the production of physics simulation programs. Although the thesis pursues general purpose applications, special emphasis is placed on the simulation of thermal systems, in particular on buildings energy assessment and on hermetic reciprocating compressors. / Las expectativas puestas en el uso de la computación en paralelo plantean un cambio generacional en simulación y computación. Las más modernas instalaciones computacionales de alto nivel -High Performance Computing (HPC)- alcanzan ya la capacidad de realizar gran cantidad de operaciones por segundo -hoy del orden de peta-FLOPS (1e15 FLOPS) y dirigiéndose hacia exaFlops (1e18 FLOPS)-. Esto abre la posibilidad de usar la simulación por ordenador en un amplio espectro de nuevas aplicaciones en ciencia e ingeniería. Por ejemplo, los códigos de CFD&HT van a poder usarse de una forma más efectiva en la fase de diseño de dispositivos industriales ya que se obtendrán resultados muy valiosos en tiempos de ejecución razonables. Por el momento, hay muchos códigos disponibles para el estudio individual de fenómenos de transferencia de calor i de masa con distintos niveles de modelización. Sin embargo, estos códigos no se pueden combinar entre sí para abordar problemas más complejos, en los cuales varios fenómenos físicos interactúan simultáneamente. Bajo este contexto, en esta tesis doctoral se presenta el desarrollo de una metodología de estrategia paralela, y su implementación en una plataforma informática, para la simulación de sistemas multi-físicos. De éste modo, ahora los distintos códigos pueden ser integrados para la creación de nuevas herramientas de simulación destinadas a aplicaciones específicas de interés tanto social como industrial. Esto se hace de una manera intuitiva y simple de manera que los investigadores no tienen que preocuparse ni por la coexistencia de varios códigos simultáneamente ni en cómo hacer que interactúen entre ellos. El acoplamiento entre los diferentes componentes involucrados en una simulación se realiza mediante un código más básico con el cual el usuario solamente interacciona a través de una interfase. Esto aporta interesantes beneficios tanto en la gestión de los proyectos de programario como en la flexibilidad y las características de las simulaciones. En resumen, la estrategia que se propone plantea un nuevo paradigma en la producción de programas de simulación de fenómenos físicos. Aunque la tesis persigue aplicaciones de propósito general se ha puesto especial atención en la simulación de sistemas térmicos, en particular en la evaluación energética de edificios y en compresores herméticos alternativos.

En aquesta tesi es presenta la Teoria del Gradient de Densitat (DGT) [van der Waals, 1894] combinada amb una Equació d'Estat (EoS) amb base molecular la soft-SAFT [Blas i Vega, 1997], per predir de forma simultània el comportament de l’equilibri de fases i les propietats interfacials dels fluids industrials més significatius, lluny i prop de la regió crítica. Com qualsevol mètode estadístic ha de ser validat amb les dades de simulació existents en la literatura, ja que se suposa que els mètodes més precisos per descriure el comportament de la matèria en si mateixa són els mètodes de simulació. Una vegada que el model ha estat validat aquest es pot aplicar per calcular simultàniament l’equilibri de fases i les propietats interfacials dels fluids industrials seleccionats. El model ha estat provat amb fluids moleculars com els Lennard-Jones i amb fluids purs: n-alcans, alcohols, líquids iònics, refrigerants, nitrils, aigua, diòxid de carboni i d’altres molècules inorgàniques. Un pas endavant s'ha fet en el càlcul de les propietats interfacials de les mescles binàries d'interès industrial de compostos associants i no associants també d'una manera predictiva, evitant la necessitat d'ajustos addicionals. Les prediccions obtingudes amb la DGT + soft-SAFT s'han comparat amb les dades de simulació molecular i les dades experimentals disponibles, a més s'han obtingut tres correlacions pel paràmetre influència en funció del nombre de carbonis dels compostos. Aquestes s'han proposat pels alcans lleugers, els alcohols i una família de líquids iònics. Quan aquest pas s'aconsegueix, els models estan disponibles mitjançant paràmetres transferibles per predir el comportament d'altres compostos de la mateixa família, sèrie o amb propietats físiques similars. Per obtenir més informació sobre els fenòmens interfacials dels líquids iònics, mitjançant l'acoblament de la soft-SAFT amb la DGT hem predit la temperatura, la densitat i la pressió crítica dels líquids iònics més comuns. Aquesta és la primera vegada que una EoS és acoblada a la DGT per calcular simultàniament la tensió interfacial a temperatures elevades, mentre que captura el comportament asimptòtic prop de la regió crítica. A més, les propietats de la superfície, com l'entropia i l'entalpia de superfície, s'han derivat a partir de la dependència de la tensió superficial amb la temperatura, els resultats trobats estan d'acord qualitativament amb els valors reportats a la literatura tant de dades de simulació com de les contribucions experimentals. Finalment un estudi dels diferents perfils de densitat, incloent fluids purs i diferents tipus de mescles binàries, s'ha dut a terme per completar la revisió dels fenòmens interfacials. Així mateix es presenten perfils de densitat amb fenòmens d'absorció i desorció en la interfase, els quals són de gran importància en els processos de transport i producció. Aquesta tesis ha demostrat que l'acoblament d'una Equació d’Estat amb base molecular, la soft-SAFT [Blas i Vega, 1997] amb la teoria del Gradient de Densitat [van der Waals, 1894], és un mètode elegant per predir les propietats interfacials de compostos associants i no associants, així com de les seves mescles, amb un esforç computacional molt minse. / En esta tesis doctoral se presenta la Teoría del Gradiente de Densidad (DGT) [van der Waals, 1894] combinada con una Ecuación de Estado (EoS) con base molecular la soft-SAFT [Blas y Vega, 1997], para predecir de forma simultánea el comportamiento del equilibrio de fases y las propiedades interfaciales de los fluidos industriales más representativos. Como todo método estadístico tiene que ser validado con los datos de simulación existentes en la literatura, ya que se supone que los métodos más precisos para describir el comportamiento de la materia en sí misma son los métodos de simulación. Una vez que el modelo ha sido validado, se ha aplicado para calcular simultáneamente los equilibrios de fases y las propiedades interfaciales de los fluidos industriales más representativos, tanto lejos como cerca de la región crítica. El modelo ha sido probado con fluidos moleculares como Lennard-Jones y con fluidos puros: n-alcanos, alcoholes, líquidos iónicos, refrigerantes, nitrilos, agua, dióxido de carbono y otras moléculas inorgánicas. Un paso adelante se ha hecho el cálculo de las propiedades interfaciales de las mezclas binarias de interés industrial de compuestos asociantes y no asociantes también de una manera predictiva, evitando la necesidad de ajustes adicionales. Las predicciones obtenidas con la DGT + soft-SAFT se han comparado con los datos de simulación molecular y los datos experimentales disponibles, además se han obtenido tres correlaciones del parámetro influencia como una función del número de carbono de los compuestos. Estas se han propuesto para los alcanos ligeros, los alcoholes de cadena corta y una familia de líquidos iónicos. Una vez que este paso se logra, los modelos se pueden utilizar con parámetros transferibles para predecir el comportamiento de otros compuestos de la misma familia, serie o con propiedades físicas similares. Para obtener más información sobre los fenómenos interfaciales de los líquidos iónicos, mediante el acoplamiento de la soft-SAFT con la DGT hemos predicho la temperatura, la densidad y la presión crítica de los líquidos iónicos más comunes. Esta es la primera vez que una EoS es acoplada a la DGT para calcular simultáneamente la tensión interfacial a temperaturas elevadas, mientras que captura el comportamiento asintótico cerca de la región crítica. Además, las propiedades de la superficie, como la entropía y la entalpía de superficie, se han derivado a partir de la dependencia de la tensión superficial con la temperatura, los resultados encontrados están de acuerdo cualitativamente con los valores reportados en la literatura tanto de datos de simulación como de las contribuciones experimentales. Finalmente un estudio de los distintos perfiles de densidad, incluyendo fluidos puros y diferentes tipos de mezclas binarias, se ha llevado a cabo para completar la revisión de los fenómenos interfaciales. Asimismo se presentan algunos perfiles de densidad con fenómenos de absorción y desorción en la interfase, dado que estos son de gran relevancia tanto para el control de procesos como para el transporte de gases y fluidos. En esta tesis se demuestra que el acoplamiento de una Ecuación de Estado con base molecular, la soft-SAFT [Blas y Vega, 1997] con la teoría del Gradiente de Densidad [van der Waals, 1894], se presenta como un método elegante para predecir las propiedades interfaciales de compuestos asociantes y no asociantes, así como de sus mezclas, con un mínimo esfuerzo computacional. / In this PhD thesis, the Density Gradient Theory (DGT) [van der Waals, 1894] combined with a molecular-based Equation of State (EoS); the soft-SAFT [Blas and Vega, 1997], was applied to simultaneously predict the phase behavior and the interfacial properties of industrial relevant fluids. As the equation is based in statistical mechanics, its approximations and assumptions were assessed against simulation data for the same underlying model. Once the model was validated, it was applied to simultaneously calculate the phase equilibria and the interfacial properties of some of the most representative industrial fluids, far from and close to the critical region. In particular, the model has been tested with molecular model fluids as Lennard-Jones chains, giving excellent agreement with simulation data, and then applied to different pure fluids, including: n-alkanes, light alkanols, ionic liquids, refrigerants, nitriles, water, carbon dioxide and ammonia, among others. A step forward has been done by calculating the interfacial properties of the binary mixtures of industrial interest, with associating and nonassociating compounds, in a predictive manner, avoiding the need of additional fitting, and providing information for systems for which there is not experimental data available. In addition, three correlations of the influence parameter as a function of the carbon number have been proposed for the light alkanes, light alkanols and one ionic liquid family, allowing for predictions of properties of compounds not included in the fitting procedure. A final novel contribution of this Thesis work is the prediction of the critical temperature, density and pressure of the most common used ionic liquids by using soft-SAFT coupled with the DGT. This is to our best knowledge the first time that an EoS is coupled to the DGT to calculate simultaneously the interfacial tension at elevated temperatures, while capturing the asymptotic behavior as the critical region is approached. Moreover, the surface properties, such as surface entropy and surface enthalpy, have been derived from the surface tension dependence on temperature, finding a very good agreement with the values reported in the literature from simulation and experimental contributions. Finally, a throughout study of the different density profiles, including single fluids and different binary mixtures, has been carried out to complete the description of the interfacial phenomena. Absorption and desorption density profiles are also presented given their importance in transport and process control. The work developed here demonstrates that coupling an accurate molecularbased equation of state for phase properties, the soft-SAFT equation, with a simple and accurate theory for interfacial properties, the Density Gradient Theory, is a reliable tool to simultaneously predict the phase and interfacial properties of nonassociating and associating compounds, as well as their mixtures with a very slight computational effort and great accuracy.

Esta tesis doctoral proporciona un giro alternativo en dos temas relacionados: la energética de las sociedades humanas (el enfoque), y el uso de la energía nuclear para producir electricidad (el tema). En primer lugar, en relación a los aspectos teóricos, proporciona procedimientos alternativos basados en una nueva formulación de la energética para generar un análisis eficaz de la energética de las sociedades humanas. En segundo lugar, en relación con la aplicación práctica, se realiza una evaluación integrada de la energía nuclear sobre la base de una representación alternativa del "sistema de la energía nuclear" con el objetivo de garantizar la calidad de la evaluación de la energía nuclear, tanto en el lado descriptivo como en el lado normativo. De este modo, el presente trabajo tiene la intención de mejorar la calidad de las discusiones científicas sobre los problemas de suministro de energía, y al mismo tiempo, comprender mejor los problemas sistémicos asociados con el uso a gran escala de la energía nuclear. En los últimos años, el renovado interés de la comunidad científica sobre los problemas de suministro de energía se convierte en una desesperada búsqueda de fuentes alternativas de energía. Sin embargo, la realización de la valoración crítica del potencial de las fuentes de energía alternativas para alimentar a las sociedades modernas requiere gestionar los problemas sistémicos del análisis convencional de la energía, de una vez por todas. En primer lugar, al confrontarse a las transformaciones de la energía de los sistemas vivos, como las sociedades humanas, requiere la adopción de un enfoque de "pensamiento complejo de los sistemas" debido a la inevitable coexistencia de múltiples dimensiones relevantes y múltiples escalas pertinentes. Esta “inconmensurabilidad técnica” en la parte descriptiva implica el abandono del uso de las simplificaciones excesivas del reduccionismo que consisten en protocolos de generación de números basados en la adopción de solo una escala y una dimensión a la vez. En segundo lugar, al deliberar sobre cuestiones de sostenibilidad hay una obvia existencia de diferentes actores sociales - diferentes narradores potenciales – que expresan sus opiniones no equivalentes, pero legítimas, sobre una misma cuestión basadas en sus valores, creencias y objetivos. Este problema de “inconmensurabilidad social” en la parte normativa es particularmente evidente cuando se considera el caso de la energía nuclear en la discusión sobre las fuentes alternativas de energía. De hecho, uno encuentra fácilmente percepciones diferentes - e incluso contrarias - sobre la viabilidad y conveniencia de esta tecnología, un hecho que está en el origen de su controversia sistémica. Esta situación refleja la imposibilidad de generar una percepción compartida entre los actores sociales sobre el uso de esta tecnología como una fuente de energía alternativa viable y deseable. El caso de la energía nuclear proporciona un muy buen ejemplo de por qué las fuentes de energía alternativas no pueden ser tomadas como algo viable y deseable "por defecto". De hecho, esta tesis indica que sólo podemos deliberar acerca de la viabilidad y conveniencia de fuentes alternativas de energía a través de una "evaluación integrada participativa", lo que obliga a revisar el papel de los científicos cuando se utiliza la ciencia para la gobernabilidad. Palabras claves: Ciencia interdisciplinaria, Ciencia para la gobernabilidad, Contabilidad de energía, Energética compleja, Energía nuclear, Evaluación integrada multi-escala, Evaluación de la sostenibilidad, Fuentes alternativas de energía, Metabolismo de las sociedades, Problemas de suministro de energía, Sistemas de suministro de electricidad / This doctoral dissertation provides an alternative take on two related topics: the energetics of human societies (the approach), and the use of nuclear energy to make electricity (the issue). First, in relation with theoretical aspects, it provides alternative procedures based on a new formulation of energetics to generate effective analysis of the energetics of human societies. Second, in relation with practical application, it performs an integrated assessment of nuclear power based on an alternative representation of the “nuclear energy system” aimed at guaranteeing the quality of the assessment of nuclear power both on descriptive and normative sides. By doing so, the present work intends to improve the quality of the scientific discussions over energy-supply issues, and at the same time, to better understand the systemic problems associated with the large-scale deployment of nuclear power. In recent years the revived interest from the scientific community over energy-supply issues was turned into a desperate search for alternative energy sources. Yet, performing the critical appraisal of the potentiality of alternative energy sources to power modern societies requires first handling the systemic problems of conventional energy analysis once and for all. First, dealing with the energy transformations of living systems such as human societies requires adopting a ‘complex systems thinking’ approach due to the unavoidable co-existence of multiple relevant dimensions and multiple relevant scales. This “technical incommensurability” on the descriptive side implies abandoning the use of the excessive simplifications of reductionism consisting in protocols generating numbers based on the adoption of one scale and one dimension at the time. Second, when deliberating over sustainability issues there is an obvious existence of different social actors – different potential story tellers – expressing non-equivalent but legitimate perceptions of the same issue based on their values, beliefs and goals. This problem of “social incommensurability” on the normative side is particularly evident when considering the case of nuclear power in the discussion over alternative energy sources. In fact, one easily finds contrasting – and even opposite – perceptions over the viability and desirability of this technology, a fact which is at the origin of its systemic controversy. This situation reflects the impossibility to generate a shared perception between social actors over the use of this technology as a viable and desirable alternative energy source. The case of nuclear power provides a very good example why alternative energy sources cannot be taken as desirable and viable “by default”. In fact, this dissertation indicates that we can only deliberate about the viability and desirability of alternative energy sources by means of “participatory integrated assessment”, which forces revisiting the role of the scientist when using science for governance

Tesi per compendi de publicacions / The study of thermal convection in rotating spherical geometry is fundamental to explain many geophysical and astrophysical phenomena such as the generation of the magnetic fields, or the differential rotation observed in the atmospheres of the major planets. The difficulties associated with the experimental studies enhance the importance of the three-dimensional numerical simulations, such as those presented in this dissertation. In order to obtain the evolution equations, the Boussinesq approximation is applied to the mass, momentum and energy conservation equations, which are rewritten in terms of toroidal and poloidal potentials. Together with the temperature field, they are expanded in spherical harmonics over the sphere, and in the radial direction a collocation method is used. Semi- implicit schemes, based in backward differentiation formulae (IMEX-BDF), implemented with order and time step control (VSVO), are used for time integration. Applying non-slip boundary conditions with internal heating and very low Prandtl numbers (ratio between the thermal diffusive and the viscous time scales), one of the first exhaustive analysis of the linear stability of the conductive state has been performed. In addition, the existence of preferred polar antisymmetric modes at the onset of convection for high rotation rates has been described. A study of the efficiency of different high order time integration schemes, either with fixed time-step or VSVO, has been carried out. In our own time evolution codes we apply the IMEX-BDF formulae with an explicit treatment of the nonlinear terms of the equations. The use of 'matrix-free' methods allows the implicit treatment of the Coriolis term, and makes the implementation of a step and order control easier. The results show that the use of high order methods, especially those with time-step and order control, increase the efficiency of the time integration, and allows to obtain more accurate solutions. Finally, at low Prandtl number, and with non-slip boundary conditions, the nonlinear dynamics is deeply explored by means of temporal evolutions. The type of solutions is described, and the nonlinear mean flow properties are studied. Using parameters as close as possible to those of the Earth's outer core, the numerical simulations are compared with laboratory experiments and realistic measurements. / L'estudi de la convecció tèrmica en geometria esfèrica en rotació es fonamental per explicar molts fenòmens geofísics i astrofísics, com la generació de camps magnètics, o la rotació diferencial observada en l'atmosfera dels planetes majors. Les dificultats associades amb els estudis experimentals afavoreixen que les simulacions numèriques tridimensionals, com les que es presenten en aquesta memòria, siguin una eina molt important en aquest camp. Per a l'obtenció de les equacions d'evolució, s'aplica l'aproximació de Boussinesq a les equacions de conservació de la massa, la quantitat de moviment i l'energia, i es reescriuen en funció dels potencials toroidal i poloidal. Els potencials i la temperatura es desenvolupen, sobre l'esfera, en harmònics esfèrics i en la variable radial s'usa col·locació. Per a la integració es fan servir esquemes semi-implícits, que en el nostre cas, estan basats en les fórmules de diferenciació regressiva (IMEX-BDF), que s'han implementat amb control d'ordre i pas (VSVO). En primer lloc, sota condicions de contorn d'adherència, calentament intern i nombre de Prandtl (quocient entre les escales de temps de difusió tèrmica i viscosa) molt baix s'ha realizat un dels primers anàlisis exhaustius de l'estabilitat lineal de l'estat conductiu, gràcies a la millora dels mètodes numèrics emprats. Així mateix, s'ha descrit per primera vegada l'existència de modes polars antisimètrics a l'inici de la convecció amb rotacions elevades. En segon lloc s'ha realizat un estudi de l'eficiència de diferents integradors temporals d'ordre alt, amb pas fix o VSVO. En els nostres propis codis temporals apliquem les fórmules IMEX-BDF amb un tractament explícit dels termes no lineals de les equacions. L'ús de mètodes 'matrix-free' fa rentable el tractament implícit del terme de Coriolis i facilita la implementació d'un control d'ordre i pas temporal adequat. Els resultats mostren que amb ordre elevat, amb o sense control de pas i ordre, s'incrementa l'eficiència de la integració i s'obtenen solucions més acurades. Finalment, amb nombre de Prandtl baix i condicions de contorn d'adherència, s'explora exhaustivament la dinàmica no lineal mitjançant evolucions temporals, tot descrivint el tipus de solucions. També s'estudien les propietats mitjanes de fluxos no lineals. Utilizant paràmetres el més similars possible als del nucli extern de la Terra es comparen els resultats de les simulacions numèriques amb experiments de laboratori i amb medicions de situacions reals.

This thesis aims at unifying two distinct branches of work within the Heat Transfer Technological Center (CTTC). On one side, extensive experimental work has been done during the past years by the researchers of the laboratory. This experimental work has been complemented with numerical models for the calculation of fin and tube heat exchangers thermal and fluid dynamic behavior. Such numerical models can be referred to as fast numerical tool which can be used for industrial rating and design purposes. On the other hand, the scientists working at the research center have successfully developed a general purpose multi-physics Computational Fluid Dynamics (CFD) code (TermoFluids). This high performance CFD solver has been extensively used by the co-workers of the group mainly to predict complex flows of great academic interest. The idea of bringing together this two branches, comes from the necessity of a reliable numerical platform with detailed local data of the flow and heat transfer on diverse heat exchanger applications. Being able to use local heat transfer coefficients as an input on the rating and design tool will lead to affordable and accurate prediction of industrial devices performance, by which the center can propose enhanced alternatives to its industrial partners. To accomplish these goals, several contributions have been made to the existing TermoFluids software which is in continuous evolution in order to meet the competitive requirements. The most significant problematics to adequately attack this problem are analyzed and quite interesting recommendations are given. Some of the challenging arising issues involve the generation of suitable and affordable meshes, the implementation and validation of three dimensional periodic boundary condition and coupling of different domains with important adjustments for the study of cases with different flow physics like time steps and thermal development. Turbulence is present in most of engineering flows, and refrigeration evaporator heat exchangers are not an exception. The presence of many tubes (acting like bluff bodies for the flow) arranged in different configurations and the fact that the flow is also confined by fins, create complex three dimensional flow features that have usually turbulent or transition to turbulent regime. Therefore, three dimensional turbulent forced convection in a matrix of wall-bounded pins is analyzed. Large Eddy Simulations (LES) are performed in order to assess the performance of three different subgrid-scale models, namely WALE, QR and VMS. The Reynolds numbers of the study were set to 3000, 10000 and 30000. Some of the main results included are the pressure coefficient around the cylinders, the averaged Nusselt number at the endwalls and vorticity of the flow. The final part of the thesis is devoted to study the three dimensional fluid flow and conjugated heat transfer parameters encountered in a plate fin and tube heat exchanger used for no-frost refrigeration. The numerical code and post processing tools are validated with a very similar but smaller case of a heat exchanger with two rows of tubes at low Reynolds for which experimental data is available. The next analysis presented is a typical configuration for no-frost evaporators with double fin spacing (for which very few numerical data is reported in the scientific literature). Conjugated convective heat transfer in the flow field and heat conduction in the fins are coupled and considered. The influence of some geometrical and flow regime parameters is analyzed for design purposes. In conclusion, the implementations and general contributions of the present thesis together with the previous existent multi-physics computational code, has proved to be capable to perform successful top edge three dimensional simulations of the flow features and heat transfer mechanisms observed on heat exchanger devices. / Esta tesis tiene como objetivo unificar dos ramas de trabajo dentro del Centro Tecnológico de Transferencia de Calor (CTTC). Por un lado, se ha realizado un amplio trabajo experimental durante los últimos años. Este trabajo experimental se ha complementado con modelos numéricos para el estudio de intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo. Tales modelos numéricos pueden considerarse una herramienta numérica de bajo coste empleada con propósitos de diseño principalmente. Por otro lado, los científicos que trabajan en el centro han desarrollado con éxito un código de Dinámica de Fluidos Computacionales (TermoFluids). Este código de alto rendimiento ha sido ampliamente utilizado principalmente para predecir flujos complejos de gran interés académico. La idea de unir a estas dos ramas, proviene de la necesidad de una plataforma numérica fiable con datos locales propios del flujo y de la transferencia de calor en diversas aplicaciones de intercambiadores de calor. Ser capaz de generar coeficientes locales de transferencia de calor para abastecer con datos propios los modelos existentes de bajo coste, permitirá la correcta predicción del rendimiento de dichos dispositivos. Para lograr estos objetivos, se han hecho varias contribuciones al código TermoFluids que está en continua evolución. Algunas de las mayores cuestiones que se plantean implican la generación de mallas adecuadas y asequibles, la implementación y validación de la condición de contorno periódica tridimensional y el acoplamiento de los diferentes dominios para el estudio de casos con diferentes comportamientos físicos, como desarrollo transitorio e inercia térmica. La turbulencia está presente en la mayoría de los flujos de ingeniería, y los intercambiadores de calor de evaporadores para refrigeración no son una excepción. La presencia de muchos tubos (que actúan como obstáculos para el fluido) colocados en diferentes configuraciones y el hecho de que el flujo también está confinado por aletas, crean características de flujo tridimensionales complejas que tienen generalmente régimen turbulento o en transición. Por lo tanto, se analiza la convección forzada turbulenta en una matriz de pines delimitados por paredes. simulando las grandes escalas de turbulencia y modelando las pequeñas (LES) con el fin de evaluar el desempeño de los tres modelos seleccionados, a saber WALE, QR y VMS. Los números de Reynolds establecidos para el estudio son 3000, 10000 y 30000. Algunos de los principales resultados que se incluyen son el coeficiente de presión alrededor los cilindros, el número de Nusselt promedio en las paredes y la vorticidad del flujo. La parte final de la tesis se dedica a estudiar el flujo tridimensional y los parámetros de transferencia de calor encontrados en un intercambiador de calor de tipo aleta-tubo utilizado para la refrigeración doméstica en equipos de 'no-escarcha'. Las implementaciones del código y el postproceso numéricos se validan en un caso muy similar para un intercambiador de calor con dos filas de tubos a bajos Reynolds para el cual se dispone de datos experimentales. El siguiente análisis que se presenta es una configuración típica para evaporadores 'no-escarcha' con paso de aleta doble (para el que se tiene muy poca información numérica en la literatura). Se considera el acoplamiento conjugado de la transferencia de calor convectiva entre fluido y sólido y conductiva dentro de la aleta. La influencia de algunos parámetros geométricos y de régimen de flujo se analizan con propósitos de diseño. En conclusión, las contribuciones generales de esta tesis junto con el código computacional ya existente, ha demostrado ser capaz de realizar con éxito simulaciones tridimensionales para predecir las características del flujo y los mecanismos responsables de la transferencia de calor en intercambiadores de calor de tipo aleta-tubo

This thesis focuses on the numerical investigation of the particle-fluid systems based on the Discrete Element Method (DEM). The whole thesis consists of three parts, in each part we have coupled the DEM with different schemes/solvers on the fluid phase. In the first part, we have coupled DEM with Direct Numerical Simulation (DNS) to study the particle-laden turbulent flow. The effect of collisions on the particle behavior in fully developed turbulent flow in a straight square duct was numerically investigated. Three sizes of particles were considered with diameters equal to 50 µm, 100 µm and 500 µm. Firstly, the particle transportation by turbulent flow was studied in the absence of the gravitational effect. Then, the particle deposition was studied under the effect of the wall-normal gravity force in which the influence of collisions on the particle resuspension rate and the final stage of particle distribution on the duct floor were discussed, respectively. In the second part, we have coupled DEM with Lattice Boltzmann Method (LBM) to study the particle sedimentation in Newtonian laminar flow. A novel combined LBM-IBM-DEM scheme was presented with its application to model the sedimentation of two dimensional circular particles in incompressible Newtonian flows. Case studies of single sphere settling in a cavity, and two particles settling in a channel were carried out, the velocity characteristics of the particle during settling and near the bottom were examined. At last, a numerical example of sedimentation involving 504 particles was finally presented to demonstrate the capability of the combined scheme. Furthermore, a Particulate Immersed Boundary Method (PIBM) for simulating the fluid-particle multiphase flow was presented and assessed in both two and three-dimensional applications. Compared with the conventional IBM, dozens of times speedup in two-dimensional simulation and hundreds of times in three-dimensional simulation can be expected under the same particle and mesh number. Numerical simulations of particle sedimentation in the Newtonian flows were conducted based on a combined LBM - PIBM - DEM showing that the PIBM could capture the feature of the particulate flows in fluid and was indeed a promising scheme for the solution of the fluid-particle interaction problems. In the last part, we have coupled DEM with averaged Navier-Stokes equations (NS) to study the particle transportation and wear process on the pipe wall. A case of pneumatic conveying was utilized to demonstrate the capability of the coupling model. The concrete pumping process was then simulated, where the hydraulic pressure and velocity distribution of the fluid phase were obtained. The frequency of the particles impacting on the bended pipe was monitored, a new time average collision intensity model based on impact force was proposed to investigate the wear process of the elbow. The location of maximum erosive wear damage in elbow was predicted. Furthermore, the influences of slurry velocity, bend orientation and angle of elbow on the puncture point location were discussed. / Esta tesis se centra en la investigación numérica de sistemas partícula-líquido basado en la técnica Discrete Element Method (DEM). La tesis consta de tres partes, en cada una de las cuales se ha acoplado el método DEM con diferentes esquemas/solucionadores en la fase fluida. En la primera parte, hemos acoplado los métodos DEM con Direct Numerical Simulation (DNS) para estudiar casos de "particle-laden turbulent flow". Se investigó numéricamente el efecto de las colisiones en el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento completamente desarrollado en un conducto cuadrado recto. Tres tamaños de partículas se consideraron con diámetros de 50, 100 y 500 micrometros. En primer lugar, el transporte de partículas por el flujo turbulento se estudió en la ausencia del efecto gravitacional. Entonces, la deposición de partículas se estudió bajo el efecto de la fuerza de gravedad normal a la pared, en el que se discutieron la influencia de la tasa de colisiones en re-suspensión de las partículas y la fase final de la distribución de partículas en el suelo del conducto, respectivamente. En la segunda parte, se ha acoplado los métodos DEM con Lattice Boltzmann Method (LBM) para estudiar la sedimentación de partículas en flujo laminar newtoniano. Un nuevo metodo combinado LBM-IBM-DEM se presentó y ha sido aplicado para modelar la sedimentación de dos partículas circulares bi-dimensionales en flujos Newtonianos incompresibles. Se estudiaron casos de sedimentación en una cavidad de una sola esfera, y sedimentación de dos partículas en un canal, las características de la velocidad de la partícula durante la sedimentación y cerca de la base fueron también examinados. En el último caso, un ejemplo numérico de sedimentación de 504 partículas fue finalmente presentado para demostrar la capacidad del método combinado. Además, se ha presentado un método "Particulate Immersed Boundary Method" (PIBM) para la simulación de flujos multifásicos partícula-fluido y ha sido evaluado en dos y tres dimensiones. En comparación con el método IBM convencional, se puede esperar con el mismo número de partículas y de malla un SpeedUp docenas de veces superior en la simulación bidimensional y cientos de veces en la simulación en tres dimensiones. Se llevaron a cabo simulaciones numéricas de la sedimentación de partículas en los flujos newtonianos basados en una combinación LBM - PIBM - DEM, mostrando que el PIBM podría capturar las características de los flujos de partículas en el líquido y fue en efecto un esquema prometedor para la solución de problemas de interacción fluido-partícula. En la última parte, se ha acoplado el método DEM con las ecuaciones promediadas de Navier-Stokes (NS) para estudiar el transporte de partículas y el proceso de desgaste en la pared de una tubería. Se utilizó un caso de transporte neumático para demostrar la capacidad del modelo acoplado. Entonces se simuló el proceso de bombeo de hormigón, de donde se obtuvo la presión hidráulica y la distribución de la velocidad de la fase fluida. Se monitoreó la frecuencia de impacto de las partículas en la tubería doblada, se propuso un nuevo modelo de intensidad de colisión promediado en tiempo para investigar el proceso de desgaste del codo basado en la fuerza de impacto. Se predijo la ubicación del daño máximo desgaste por erosión en el codo. Además, se examinaron las influencias de la velocidad de pulpa, la orientación y el ángulo de curvatura del codo en la ubicación del punto de punción.

The present thesis aims at studying the use of phase change materials (PCM) in thermal energy storage (TES) applications and to develop and implement numerical tools for their evaluation. Numerical analysis is nowadays an indispensable tool for the design, evaluation and optimization of thermal equipment, complementing the experimental techniques. Two levels of analysis are carried out, one in the field of Computational Fluid Dynamics, allowing the accurate simulation of the complex heat transfer and fluid dynamics phenomena present in solid-liquid phase change problems; and another one in which the governing equations are treated assuming several suitable simplifications and integrating empirical correlations, intended for the study of whole thermal storage systems throughout several charge/discharge cycles. Furthermore, the specific application of thermal storage in concentrated solar power (CSP) stations is studied. Different single-tank systems, making use of both sensible and latent energy capacities of the materials, are evaluated and compared against the two-tank molten-salt systems used in current CSP plants. Moreover, a new single-tank TES concept which combines the use of solid and PCM filler materials is proposed, with promising results for its utilization in CSP. In chapters 2 and 3, a numerical fixed-grid enthalpy model for the simulation of the solid-liquid phase change is developed. This technique is implemented using the Finite Volume Method in a collocated unstructured domain discretization and using explicit time integration schemes. Issues regarding the form of the energy equation, the treatment of the pressure equation as well as the momentum source-term coefficient introduced by the enthalpy-porosity method, are described in detail in the first chapter. In the second, the possibility of taking into account the variation of the different thermo-physical properties with the temperature is dealt with. Thermal expansion and contraction associated to the phase change are taken into account in the conservation equations and different strategies for the numerical treatment of the energy equation are discussed in detail. Furthermore, simulations of an interesting case of melting of an encapsulated PCM are carried out using two and three-dimensional meshes, and the results are compared against experimental results from the literature. In the next two chapters, the issue of numerically simulating whole single-tank TES systems is developed. These systems are composed of a single tank filled with solid and/or PCM materials, forming a packed bed through which a heat transfer fluid flows. Thermal stratification separates the fluid layers at different temperatures. The zone in which a steep temperature gradient is produced is called "thermocline", and it is desirable to maintain it as narrow as possible in order to keep a high stored exergy. Different designs of single-tank TES systems ¿classified according to the filler material/s used¿ are evaluated for CSP plants. The analysis is performed evaluating different aspects, as the energy effectively stored/released and the efficiency in the use of the theoretical capacity after several charge/discharge cycles, obtaining results independent of the initial thermal state. The operating time is not fixed, but depends on the temperature of the fluid coming out of the tank, limited by the restrictions of the receiving equipment (solar field and power block). Degradation of the stratification is observed to occur after several cycles, due to the temperature restrictions. In this context, a new concept of single-tank TES is presented, which consists of the combination of different layers of solid and PCM filler materials in a suitable manner, resulting in a lower degradation of the thermocline and increasing the use of the theoretical capacity. This concept, called Multi-Layered Solid PCM (MLSPCM), is demonstrated as a promising alternative for its use in CSP plants. / Esta tesis se centra en el estudio del uso de materiales de cambio de fase (PCM) en el almacenamiento de energía térmica (TES) y en el desarrollo de herramientas numéricas para su evaluación. El análisis numérico es hoy en día una herramienta indispensable para el diseño, evaluación y optimización de equipos térmicos, complementando las técnicas experimentales. Se realizan dos niveles de análisis, uno en el campo de la dinámica de fluidos computacional, permitiendo la simulación precisa de fenómenos complejos de transferencia de calor y dinámica de fluidos presentes en los problemas de cambio de fase sólido-líquido; y otro en la que las ecuaciones gobernantes son tratadas mediante simplificaciones razonables e integrando correlaciones empíricas, destinado al estudio de sistemas TES en varios ciclos de carga/descarga. Por otra parte, se estudia el almacenamiento térmico para plantas de generación termosolar (CSP). Se evalúan diferentes sistemas de un solo tanque, utilizando tanto las capacidades de energía sensible como latente de los materiales, y se comparan con los sistemas de sales fundidas de doble tanque utilizados actualmente. Además, se propone un concepto novedoso de TES de un único tanque que combina el uso de materiales de relleno sólidos y PCM, con resultados prometedores para su utilización en CSP. En los capítulos 2 y 3, se desarrolla un modelo de entalpía de malla fija para la simulación de la fusión y solidificación. Se utiliza una discretización por volúmenes finitos en mallas no estructuradas en un esquema colocado, y esquemas de integración temporal explícitos. En el primer capítulo, se discuten cuestiones relativas a la forma de la ecuación de energía, el tratamiento de la ecuación de presión, así como el coeficiente de término fuente en la ecuación de momentum introducido por el método de entalpía-porosidad. En el segundo, se trata la posibilidad de tener en cuenta la variación de las propiedades termofísicas con la temperatura. La expansión/contracción térmica asociada al cambio de fase se tiene en cuenta en las ecuaciones de conservación y se tratan en detalle diferentes estrategias para el tratamiento numérico de la ecuación de la energía. Además, se realizan simulaciones de un caso interesante de fusión de un PCM encapsulado, utilizando mallas bi y tridimensionales, y los resultados se comparan con otros de la literatura. En los dos capítulos siguientes, se desarrolla el tema de la simulación numérica de sistemas TES de un único tanque. Estos sistemas están compuestos de un tanque relleno de materiales sólidos y/o PCM, formando un lecho poroso a través del cual circula un fluido de transferencia de calor. La estratificación térmica separa las capas de fluido a diferentes temperaturas. La zona en donde se da el mayor gradiente de temperaturas vertical se conoce generalmente como "termoclina", la cual es deseable mantenerla lo más angosta posible, con el fin de mantener una mayor exergía almacenada. Diferentes diseños de sistemas de un solo tanque -clasificados de acuerdo con el/los material/es de relleno utilizado/s- se evalúan para plantas de CSP. El análisis se realiza evaluando diferentes aspectos, como la energía efectivamente almacenada/liberada y la eficiencia en el uso de la capacidad teórica luego de varios ciclos de carga/descarga, obteniendo resultados independientes del estado térmico inicial. El tiempo de operación no es fijo, sino que depende de la temperatura del fluido de salida, limitada por las restricciones de los equipos que lo reciben (campo solar y bloque de potencia). Se observa una degradación de la estratificación a lo largo de los ciclos debido a las restricciones de temperatura. En este contexto, se presenta concepto de TES novedoso, combinando de diferentes capas de materiales de relleno sólidos y PCM de una manera adecuada. Este concepto, llamado "multi-layered solid-PCM" (MLSPCM) resulta ser una alternativa prometedora para su uso en plantas de CSP