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.

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.

Multiphase and multicomponent flows are frequently encountered in the cooling applications due to combined heat transfer and phase change phenomena. Two-fluid and homogeneous mixture models are chosen to numerically study these flows in the cooling phenomena. Therefore this work is divided in two main parts. In the first part, a two-fluid model algorithm for free surface flows is presented. The two fluid model is usually used as a tool to simulate dispersed flow. With its extension, it may also be applied to large interface (separated) flow. In the second part, the homogeneous mixture model for the multicomponent flow is employed to solve evaporation problems. Finally the simulation is focused on the mixed transitional or turbulent flow with and without evaporation. In detail, this thesis consists of six chapters. The first chapter is devoted to an introduction to the two-fluid and homogeneous mixture models employed in the multiphase/multicomponent flow. The multiphase classification is explained and the previous works on the two models are reviewed. The second chapter is mainly focused on the application of the Fractional step method algorithm in the two-fluid model. In addition, the Conservative Level Set method(interface sharpening) is applied to overcome the weakness of the two-fluid model (numerical diffusion of the interface), which is often encountered in the simulations using this model. With the proposed algorithm, the two-fluid model suitable for the dispersed flow is extended to the separated flow. The homogeneous mixture model is introduced in the third chapter. As an application of this model, different evaporation cases have been tested. A hydrodynamically fully developed laminar flow in a horizontal duct is firstly studied. It is used to verify the model in a laminar flow considering constant physical properties. Water falling films are often applied to enhance the heat transfer. Therefore the second case analyzes the natural convection in a cavity with liquid film (assuming variable physical properties), and validates the falling film model. Finally, a third case is focused on mixed convective flow interacting with a water falling liquid film. The effects of heat flux on the evaporation rate and the flow structure are investigated employing numerical experiments. In the fourth chapter, the laminarization phenomena of turbulent forced flow in a vertical pipe with constant heat flux is studied. These studies validate the prediction ability of large eddy simulation in this complex situation. Afterwards additional cases in a long vertical pipe (100 times diameters) are conducted and the results are compared with the existing experimental data. Throughout the whole pipe, the flow state follows a complicated process, which includes turbulent-laminar and laminar-turbulent transitions. This problem is of great significance in industrial applications for it may result in the enhancement or impairment of heat transfer. Based on the previous verification of the model in turbulent and transitional flow, the simulation of the cooling in a uniformly heated vertical tube is conducted in the fifth chapter with an ascending flow of air and a falling film. This case also involves the transitional complex flow and boundary conditions of falling film with simultaneous heat/mass transfer. The variable factors affecting the evaporation and thermal efficiency have been analyzed. In Appendix C, as an application in engineering of the work developed within the thesis, a series of flows in a complex geometry of a refrigerator chamber without or with fins are simulated to obtain their effects on the flow distribution and mixing feature. In the last chapter, the main conclusions are summarized and the future works are listed. / Debido a la transferencia de calor y de cambio de fase, fenomenología multifase y multicomponente se encuentra en las aplicaciones de refrigeración. Dependiendo de la estructura de interfaz multifase pueden clasificarse como flujo separado (flujo estratificado), de transición o mezclado flujo y flujo disperso. Dependiendo de los diferentes estados de flujo de dos fases, se deben aplicar diferentes modelos. La presente tesis se centra principalmente en flujo separado. Modelos de mezcla homogénea de dos fluidos se emplean para simular fenómenos de enfriamiento en multifase. Este trabajo se divide en dos partes principales. En la primera parte, un algoritmo de modelo de dos fluidos de la superficie libre se presenta. El modelo de dos fluidos se utiliza generalmente como una herramienta para simular flujo disperso. En la segunda parte, el modelo de mezcla homogénea para flujo multicomponente se emplea para resolver el problemas de evaporación. Finalmente se simulan flujos turbulentos con influencia de la fuerza de flotabilidad. El objetivo a largo plazo es acoplar los dos modelos, que podrían resolver todos los regímenes de flujo y tendrian aplicación en problemas industriales. La presente tesis se compone de seis capítulos. El primer capítulo está dedicado a una introducción a los modelos de mezcla homogénea de dos fluidos empleados en el flujo multifásico / multicomponente. La clasificación de múltiples fases se explica y se revisa la bibliografia existente. El segundo capítulo se centra principalmente en la aplicación del Fractional Step Method en bifasico. Con el algoritmo propuesto, el modelo de dos fluidos adecuado para el flujo disperso se extiende al flujo separado. El modelo para mezcla homogénea se introduce en el tercer capítulo con las mismas ecuaciones de masa, cantidad de movimiento, energía y concentración. Se aplica en casos de evaporación y condensación. El flujo laminar completamente desarrollado en un conducto horizontal se estudia en primer lugar considerando propiedades físicas constantes para verificar el modelo en un flujo laminar. La simulacion de convección natural en una cavidad con propiedades físicas variables y película de líquido se realiza numéricamente para validar el modelo de película descendente. Finalmente, el flujo de convección mixta se investiga en un film descendente. Los efectos de los diferentes parámetros en la evaporación y el flujo son investigados mediante experimentos numéricos. En el cuarto capítulo, la laminarización de flujo turbulento forzado en un tubo vertical con flujo de calor constante se estudia para validar la capacidad de predicción de los modelos LES en el flujo de convección mixta de transición turbulenta-laminar con fuerte fuerza de flotación. Se llevan a cabo estudios numericos y los resultados se comparan con los datos experimentales existentes. A lo largo de toda el conducto, el estado de flujo sigue un proceso complicado, que incluye turbulencia.

Este estudio investiga la conductividad térmica de fluidos de trabajo para ciclos de refrigeración por absorción activados por energía solar o calor residual. Una mezcla prometedora es el NH3+LiNO3. Sin embargo, el conocimiento de las propiedades termofísicastales como la conductividad térmica,son necesarias para un diseño adecuado de estos sistemas. Por lo tanto, en este trabajo se ha medido la conductividad térmica de esta mezcla con una fracción másica de amoníaco ente el 0.3-0.6 y temperaturas de entre 303.15 y 353.15 K. Los resultados obtenidos muestran valores bajos de conductividad térmica, y se sabe que la baja conductividad es una de las limitaciones principales en el desarrollo de los fluidos de transferencia de calor. Para superar esta limitación, se propuso la adición de agua o nanotubos de carbono a la mezcla binaria (NH3+LiNO3). Se ha visto que la adición de un tercer componente indica una mejora en la conductividad térmica en ambos casos. Las medidas de conductividad térmica se llevaron a cabo mediante el método transitorio de hilo caliente y dos equipos experimentales diferentes fueron diseñados y construidos en este trabajo. La incertidumbre en las mediciones se estima en menos del0.025 W•m-1•K-1. Por último, los datos experimentales se correlacionaron con un modelo matemático basado en el “local composition concept” y teniendo en cuenta el efecto de los electrolitos. / This study investigates the thermal conductivity of working fluids for absorption refrigeration cycles activated by solar energy or waste heat. A promising mixture is NH3+LiNO3. However, accurate thermophysical properties such as thermal conductivity are needed for adequate design, analysis and evaluation of such systems. Therefore, this property has been measured with ammonia mass fraction range from 0.3 to 0.6 and temperatures between 303.15 and 353.15 K. Results show low values in thermal conductivity, and it is known that low thermal conductivity is a primary limitation in the development of energy-efficient heat transfer fluids that are required in these systems. To overcome this limitation, the addition of water or carbon nanotubes to the binary mixture (NH3+LiNO3)was proposed. It has been seen that the addition of a third component indicates an enhancement in the effective thermal conductivity in both cases. Thermal conductivity measurements were carried on with the transient hot wire technique and two different devices were designed and built in this work. Uncertainty in the measurements was estimated to be less than 0.025 W•m-1•K-1. Finally, the experimental data was fitted with a comprehensive model based on the local composition concept and the effect of electrolytes.

La optimización de los sistemas de conversión de energía gana cada vez más importancia debido a su impacto ambiental y los limitados recursos de combustibles fósiles. Entre estos sistemas los de refrigeración tienen una contribución creciente en el consumo total de energía y en las emisiones de CO2. Los sistemas de absorción operados con energía solar son una de las alternativas más sostenibles frente a los sistemas de refrigeración convencionales. Por lo tanto, este trabajo se centra en su mejora siguiendo los métodos de optimización termo-económica y de programación matemática. El análisis exergético y la optimización termo-económica basada en el método estructural se han realizado para distintas configuraciones de ciclos de refrigeración por absorción con las mezclas de trabajo agua-LiBr y amoniaco-agua. En la sección de programación matemática se incluye la optimización multi-objetivo (frontera de Pareto), la optimización bajo incertidumbre de los precios de la energía, el uso de varios indicadores de impacto ambiental y el efecto del impuesto sobre las emisiones de CO2. Los resultados demuestran que se pueden obtener reducciones importantes del impacto ambiental frente a los sistemas convencionales. Los sistemas de refrigeración solar no sólo son atractivos para reducir el impacto ambiental, sino también pueden ser económicamente competitivos. Su implantación dependerá, en gran medida, del impuesto sobre las emisiones de CO2 y del coste de la energía. / Optimizations of energy conversion systems become more important because of their environmental impact and the limitations of the fossil fuel resources. Among these systems cooling and refrigeration machines have an increasing share in the total energy consumption and contribution to CO2 emissions. Solar assisted absorption cooling systems are sustainable alternatives compared to the conventional cooling systems. Hence, this work is focused on improving the sustainability of cooling systems following the thermoeconomic optimization and mathematical programming approaches. In the first approach the energy, exergy and structural analysis are performed for different configurations of water/LiBr and ammonia/water absorption cooling cycles. In the second approach multi-objective optimization (Pareto frontier), optimization under uncertainty of energy prices, different environmental impact indicators, and the effect of CO2 emissions tax to reduce the global warming are discussed. The results of the multi-objective optimization show that a significant environmental impact reduction can be obtained. Results indicate that these systems are attractive not only to reduce the environmental impact but also in incurring the economic benefits. However, its practical impact largely depends on the CO2 emissions tax and the increase in the energy price.

The general description of a fluid flow involves the solution of the compressible Navier-Stokes equations, a very complex problem whose mathematical structure is not well understood. It is widely accepted that these equations provide an accurate description of any problem in fluid mechanics which may present many different nonlinear physical mechanisms. Depending on the physics of the problem under consideration, different simplified models neglecting some physical mechanisms can be derived from asymptotic analysis. On the other hand, radiative heat transfer can strongly interact with convection in high temperature flows, and neglecting its effects may have significant consequences in the overall predictions. Problems as fire scenarios emphasized the need for an evaluation of the effect of radiative heat transfer. This work is directed to strongly thermally coupled low Mach number flows with radiative heat transfer. The complexity of these mathematical problem makes their numerical solution very difficult. Despite the important difference in the treatment of the incompressibility, the low Mach number equations present the same mathematical structure as the incompressible Navier-Stokes equations, in the sense that the mechanical pressure is determined from the mass conservation constraint. Consequently the same type of numerical instabilities can be found, namely, the problem of compatibility conditions between the velocity and pressure finite element spaces, and the instabilities due to convection dominated flows. These instabilities can be avoided by the use of stabilization techniques. Many stabilization techniques used nowadays are based on the variational multiscale method, in which a decomposition of the approximating space into a coarse scale resolvable part and a fine scale subgrid part is performed. The modeling of the subgrid scale and its influence leads to a modified coarse scale problem providing stability. The quality of the final approximation (accuracy, efficiency) depends on the particular model. The extension of these techniques to nonlinear and coupled problems is presented. The distinctive features of our approach are to consider the subscales as transient and to keep the scale splitting in all the nonlinear terms appearing in the finite element equations and in the subgrid scale model. The first ingredient permits to obtain an improved time discretization scheme(higher accuracy, better stability). The second ingredient permits to prove global conservation properties, being also responsible of the higher accuracy of the method. This ingredient is intimately related to the problem of thermal turbulence modeling from a strictly numerical point of view. The capability for the simulation of turbulent flows is a measure of the ability of modeling the effect of the subgrid flow structures over the coarser ones. The performance of the model in predicting the behavior of turbulent flows is demonstrated. The radiation transport equation has been also approximated within the variational multiscale framework, the design and analysis of stabilized finite element methods is presented. / La descripción general del movimiento de un flujo implica la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes compresibles, un problema de muy compleja estructura matemática. Estas ecuaciones proporcinan una descripción detallada de cualquier problema en mecánica de fluidos, que puede presentar distintos mecanismos no lineales que interactúan entre si. En función de la física del problema que se esté considerando, pueden derivarse modelos simplificados de las ecuaciones de Navier-Stokes mediante analisis dimensional, que ignoran algunos fenómenos físicos. Por otro lado, la transferencia de calor por radiación puede interactuar con el movimiento de un fluido, e ignorar sus efectos puede tener consecuencias importantes en las predicciones del flujo. Problemas donde hay fuego implican la evaluacion del efecto del calor por radiación. El presente trabajo está dirigido a flujos a bajo número de Mach térmicamente acoplados, donde el calor por radiación afecta al flujo. Debido a la complejidad del problema matemático, la solución numérica es muy complicada. A pesar de las diferencia en el tratamiento de la incompresibilidad, las ecuaciones de flujo a bajo número de Mach poseen una estructura matemática similar a la de flujo incompresible, en el sentido que la presión mecánica se determina a partir de la ecuación de conservación de la masa. En consecuencia poseen el mismo tipo de inestabilidades numéricas, que son el problema de condiciones de compatibilidad entre los espacios de elementos finitos de velocidad y presión, y las inestabilidades debidas a flujos con convección dominante. Estas inestabilidades pueden evitarse mediante técnicas de estabilización numérica. Muchos métodos de estabilización utilizados hoy día se basan en el método de multiscalas variacionales, donde el espacio funcional de la solucion se divide en un espacio discreto y resolubre y un espacio infinito de subscalas. El modelado de las subescalas y su influencia modifican el problema discreto proporcionando estabilidad. La calidad de la aproximación numérica final (precisión, eficiencia) depende del modelo particular de subescalas. En este trabajo se extienden estas técnicas de estabilización a problemas no lineales y acoplados. Las características que distinguen a nuestra aproximación son considerar las subsecalas como transitorias y mantener la división de escalas en todos los términos no lineales que aparecen en las ecuaciones de elementros finitos y en las del modelo de subescalas. La primera característica permite obtener mayor precisión y mejor estabilidad en la solución, la segunda característica permite obtener esquemas donde las propiedades se conservan globalmente, y mayor precisión del método. El hecho de mantener la división de escalas en todos los términos no lineales está intimamemte relacionado con el modelado de turbulencia en flujos térmicamente acoplados desde un punto de vista estrictamente numérico. La capacidad de simulación de flujo turbulento es una medida de la habilidad de modelar el efecto de las estructuras de escala fina sobre las estructuras de escala gruesa. Se muestra en esta tesis el desempeño del método para de predecir flujo turbulento. La ecuación de transporte de radiación también se aproxima numéricamente en el marco de multiscala variacional. El diseño y análisis de este método se presenta en detalle en esta tesis

En la Unión Europea, y más concretamente en España, el análisis prestacional de cualquier edificio frente a la acción del fuego es aún un hecho aislado y poco habitual, a pesar de las ventajas que el mismo comporta. No obstante, incluso en aquellos países donde hace años se estudia el comportamiento estructural en situación accidental de incendio en base a los métodos prestacionales, como es el caso de Estados Unidos, el campo científico de las simulaciones computacionales basadas en la Dinámica de fluidos y en la Termodinámica está aún en lo que podríamos denominar, haciendo un símil con el crecimiento del ser humano, la fase adolescente. Mejorar en la medida de lo posible los criterios relativos a la caracterización de un fenómeno tan importante durante el desarrollo de un fuego como es la turbulencia y disponer de una nueva metodología de análisis relativa a la verificación cualitativa de la misma permitirá avanzar con seguridad a la sociedad a medida que estas simulaciones computacionales en edificación se extiendan al terreno profesional / In the European Union, and more specifically in Spain, the analysis of the effect of fire on any building remains an isolated and unusual fact, despite the advantages it may involve. However, even in the countries (such as the United States) where the structural behavior under a fire accidental situation has been studied under benefit methods for many years, the scientific field of computational simulations based on Fluid Dynamics and Thermodynamics remains in what could be called, in comparison to human growth, the teenage years. The improvement of the criteria used to characterize the phenomenon of turbulence and the supply of a new analysis methodology focused on its qualitative verification, so important during the development of fire, will improve society’s security, as these computational simulations are extended to the professional field.