Ingeniero Civil Mecánico / El Centro de Estudio y Trabajo (CET) Valle Verde, ubicado cerca de Puerto Aysén, posee unos invernaderos que abarcan un área aproximada de 1.000 m2, donde se cultivan diversas hortalizas y flores. Debido a las condiciones climáticas de la zona, es necesario entregar calor por una fuente externa para mantener los cultivos durante todo el año. Para aportar este calor, se estudia el uso de bombas de calor geotérmicas las cuales, al usar el subsuelo como foco frío, logran altas eficiencias que pueden compensar su elevado costo inicial, debido a que este medio presenta temperaturas casi constantes a lo largo del año cercanas a los 10° C en la zona. Esto motiva a diseñar el circuito del colector horizontal que va a tierra, con tal de encontrar una disposición que use adecuadamente este medio. Como objetivo se tiene determinar la factibilidad técnico-económica de este sistema para cultivos de lechuga y de tomate, mientras que como objetivos específicos determinar la necesidad térmica del invernadero, estimar el largo de las tuberías del colector, modelar este circuito a fin de diseñarlo y costear los equipos necesarios para que el sistema funcione. El trabajo inicia con los cálculos de balance de energía del invernadero a lo largo del año en base fórmulas para cada fuente o pérdida de calor en el sistema. Con la información del calor necesario que debe inyectarse, se estima el largo de la tubería enterrada en base a datos del subsuelo, y se modela en 2D con un software multifísico la transferencia de calor de forma de ver el comportamiento del subsuelo. Posteriormente se modela en 3D la disposición real de las tuberías, probando distintos modelos, así como medios, para los cultivos. Ya con las capacidades del sistema calculadas, se dimensionan los equipos necesarios, y se modela su funcionamiento dentro del invernadero. Por último, se encuentran los costos que conllevan la instalación y uso del sistema, para así finalmente determinar su viabilidad. Para realizar el estudio, se utilizan datos del sector, como temperatura, radiación ambiente e información del subsuelo, entregados por el Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA). Junto a esto, se utiliza como software multifísico el programa ANSYS, facilitado por el Departamento de Ingeniería Mecánica (DIMEC). Finalmente se obtiene que los sistemas son factibles técnicamente para ambos cultivos, pero el tomate no logra sustentarse a lo largo del tiempo económicamente. Junto a esto, debido a la alta inversión inicial, el sistema para un cultivo de lechuga requiere de una subvención que ayude a cubrir este costo, para ser económicamente atractivo.

Geólogo / La bomba de calor geotérmica es el principal medio de explotación de la energía geotérmica de baja entalpía. Las estadísticas muestran que su uso ha aumentado un 10% anual a nivel mundial en los últimos cinco años con una capacidad instalada de ~40 GWt en 2016. En Chile su uso es limitado, pero también tiene una tendencia al alza en los últimos años. Temuco en la Región de la Araucanía presenta serios problemas de contaminación por el uso de leña húmeda como combustible y su aporte a la emisión de material particulado, el cual llega en el mes de junio a los 98 µg/m3 en el caso de MP 2,5 y 115 µg/m3 para el MP 10, superando ampliamente la norma nacional y de la OMS. Este trabajo estima el potencial del recurso geotérmico aplicado a bombas de calor geotérmicas en Temuco sus 3 modalidades: circuito cerrado horizontal (GSHP Ground Source Heat Pump), circuito cerrado vertical (BHP Borehole Heat Pump) y circuito vertical abierto (GWHP Groundwater Heat Pump). Trabajando en la hipótesis de que existen predios en la ciudad donde es posible la instalación de colectores horizontales cerrados y que las características hidrogeológicas son favorables para sistemas verticales, se estima el potencial de cada uno de los intercambiadores de calor geotérmicos. La metodología considera un análisis hidrogeológico con información de la Dirección General de Aguas (DGA), un análisis cívico con el Plan Regulador Comunal (PRC) de la ciudad y su interpretación mediante el software geoestadístico Arcgis 10.3. Se estudia la profundidad del agua subterránea y su temperatura, para evaluar la viabilidad de sistemas abiertos (GWHP). Se realizan secciones estratigráficas y un estudio del calor extraíble de los sedimentos con el fin de estimar la capacidad de los sistemas BHP. Finalmente, las restricciones espaciales del PRC indican la favorabilidad de implementar sistemas GSHP. Los resultados muestran que un de 49% del PRC de la ciudad, puede ser climatizado mediante sistemas del tipo GSHP. La temperatura del suelo a 1,5 m de profundidad permitiría al sistema un coeficiente de rendimiento (COP) entre 3,7 y 4,3, significando costos operacionales anuales de 90 a 320 mil pesos (USD$ 140 a USD$ 490). La profundidad del agua subterránea está entre los 3 y los 30 m, lo que sumado a una potencia del acuífero de al menos 100 m sugiere a los sistemas GWHP como una buena alternativa, ya que requieren profundidades a perforar de 24 a 64 m en promedio (solo pozo productor) y presentan un COP promedio de 5,6 implicando un costo operacional anual de 65 a los 230 mil pesos (USD$ 100 a USD$ 350). También se realiza el estudio para sistemas del tipo BHP, donde la profundidad a perforar requerida para suplir las demandas térmicas para una vivienda pareada de 68 m2 está entre los 20 y los 42 m y el costo operacional es similar al de un sistema GSHP. / Esta memoria fue financiada por el proyecto Conicyt-Fondap 15090013

Geóloga / En la presente memoria se muestran los resultados de la simulación del funcionamiento de pozos geotérmicos en la zona noreste de Santiago, más precisamente en las inmediaciones de la comuna de Vitacura. La simulación utilizada para analizar si la instalación de pozos logra otorgar la demanda térmica necesaria para calefacción y refrigeración de un hotel en dicha zona. Primero se ha realizado una revisión bibliográfica para establecer los parámetros geológicos de la zona, para implementarlos en los modelos con sistema abierto de pozos en 3D usando el programa FEFLOW. Así mismo, se utiliza información bibliográfica de la posible demanda térmica respecto al sistema de calefacción y refrigeración en función de los metros cuadrados construidos. Con estos datos, se genera el modelo en 3D, y se simulan diferentes escenarios, en los cuales se varía el número de pozos ya sea de bombeo o de inyección de agua. Los resultados permitieron establecer ciertos parámetros importantes a la hora de diseñar un sistema de pozos geotérmicos y las dimensiones alcanzadas en la zona de afectación termal (TAZ). Los caudales de los pozos, sobre todo el de inyección, tienen una fuerte influencia en el tamaño y forma de la TAZ generada alrededor del pozo de bombeo. El valor del caudal calculado depende a su vez de distintos factores como la demanda térmica, la cual es función del clima en la zona de estudio y las condiciones estructurales del edificio a temperar. Otros parámetros relevantes estudiados son la distancia que hay entre los pozos de bombeo y de inyección y el flujo de aguas subterráneas. Las propiedades térmicas e hidráulicas también tendrían influencia en la forma de la TAZ, pero no son examinadas en profundidad en este trabajo. En cuanto a los resultados de los distintos casos estudiados, se puede concluir que las diferentes opciones simuladas pueden ser implementadas en la realidad. Considerando que a consecuencia del agua inyectada al acuífero se observan variaciones en la temperatura del agua bombeada, dichas variaciones no sobrepasan los 0,5°C si la temperatura del acuífero está próxima a 16°C. Una consideración importante al momento de elegir uno de los modelos simulados es la dimensión de la zona de afectación termal ya que esta puede interferir en el uso de otros posibles sistemas en los alrededores de la zona estudiada. El tiempo necesario para recuperar la inversión está entre 2 y 12 años dependiendo del sistema de calefacción con el que se compare. Además, para comparar los resultados del sistema abierto se simularon pozos con sistema cerrado. La simulación indica que un pozo de 100m puede extraer 3,75 kW. Esto equivale a la necesidad de instalar cerca de 68 pozos para suplir la demanda térmica del hotel. La falta de espacio en la zona y el alto costo de inversión de este modelo solo dejan como opción viable a realizar los escenarios propuestos con pozos de sistema abierto. / Este trabajo se enmarca dentro del Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes (CEGA), proyecto FONDAP CONICYT N° 15090013

Memoria para optar al título de Geólogo / Osorno se ubica en la Región de Los Lagos, entre los 40°21 S y 40°46´S. Actualmente, es una de las ciudades chilenas con mayor índice de contaminación atmosférica de material particulado (MP2,5 y MP10) y otros agentes, como consecuencia del abuso de leña en el sector residencial. Se proponen sistemas de bombas de calor geotermales acopladas a intercambiadores de calor como alternativa para satisfacer la demanda térmica, reduciendo la emisión de contaminantes atmosféricos. Se estudian los parámetros hidrogeológicos y termales de aguas subterráneas y del suelo para determinar el potencial de extracción de calor que poseen. Se recopila información de expedientes de pozos profundos publicados por la Dirección General de Aguas y se reconocen potenciales acuíferos para la extracción de calor. La unidad principal presenta niveles estáticos entre 5,5 [m] y 44,6 [m] de profundidad y una dirección del flujo de agua hacia el oeste y el norte. Además, posee valores de transmisividad en el rango de 10 a 105 [m2/d], alojándose en los sedimentos más gruesos de una compleja configuración estratigráfica que presenta unidades con características de acuitardo o acuicludo. En general, la temperatura del acuífero oscila entre los 13,3 y 14 [°C]. La demanda térmica se ha definido mediante una correlación entre tipologías de viviendas definidas para estándares chilenos y tipologías de viviendas de Osorno. Tomando el Plan Regulador Comunal, se establecen 6 zonas de interés relacionadas a las tipologías de viviendas que más se aproximan al uso residencial de suelo permitido. A partir de la temperatura ambiental, se estima la temperatura anual del suelo a 1,5 [m] de profundidad, obteniendo un COP cercano a 3,8 y se calcula la superficie necesaria para satisfacer la demanda térmica en cada zona de interés mediante colectores horizontales cerrados (GCHP horizontal). Por otra parte, el 90% de la población posee un caudal de al menos 2 [L/s], generando un COP de 5,9 y una energía de 30,1 [kW], lo que satisface al menos 4 veces la demanda en sistemas verticales abiertos (GWHP). Finalmente, a partir de la estratigrafía de pozos, se obtiene el sHE promedio que permite estimar la profundidad de perforación necesaria, para extraer la energía que sustente la demanda térmica por medio de sistemas verticales cerrados (GCHP vertical). Estos tres sistemas presentan ciertos alcances. En primer lugar, se opta por el sistema más económico (GCHP horizontal), pero su aplicación sólo es factible en la zona de interés E. Luego, si se dispone del recurso hídrico y, además, la profundidad de perforación de pozos en sistemas GWHP es menor que la profundidad de perforación en sistemas GCHP verticales, entonces se opta por sistemas GWHP. El alcance legal se limita a la petición de derechos no consuntivos de aguas. Según los resultados obtenidos, la solución más eficiente es generar agrupaciones distritales de viviendas para sistemas GWHP, ya que tienen la capacidad de generar la suficiente energía para satisfacer la demanda térmica de un agrupamiento, reduciendo los costos de perforación. Entonces, los GWHP pueden satisfacer la totalidad de la demanda térmica de Osorno. / Centro de Excelencia en Geotermia de Los Andes, CEGA. Proyecto FONDAP 15090013

Magíster en Ciencias, Mención Geología / La ciudad de Coyhaique tiene serios problemas de contaminación ambiental, debido a la combustión de leña para calefacción. Este problema es crítico durante los meses de otoño e invierno, por lo que la ciudad fue declarada zona saturada por material particulado respirable MP10 debido a la concentración diaria y anual. Este trabajo propone utilizar bombas de calor geotérmicas para reemplazar el uso de leña y así contribuir a descontaminar la ciudad. Con este propósito se analiza el funcionamiento de una bomba de calor geotérmica, con intercambiadores de calor verticales cerrados, para climatizar el edificio del Gobierno Regional de Aysén y entonces predecir la sustentabilidad técnica y económica de implementar esta tecnología en edificios de características similares. Para predecir la sustentabilidad técnica, se modela el funcionamiento de una bomba de calor geotérmica con intercambiadores de calor verticales cerrados durante 25 años, considerando el requerimiento energético del edificio, la geometría de las unidades geológicas en profundidad, así como sus propiedades hidráulicas y térmicas, además de la circulación de agua subterránea. El modelo de transferencia de calor entre los intercambiadores de calor verticales cerrados y el subsuelo, así como el modelo de flujo de agua subterránea fueron realizados con software FEFLOW desarrollado por DHI. En el caso del edificio del Gobierno Regional de Aysén, el sistema de climatización geotérmico requiere 8 intercambiadores de calor verticales cerrados dobles, de 90m de profundidad, para entregar calefacción y refrigeración con un factor de planta de 11,2% en modo calefacción y 5,4% en modo refrigeración. Es importante calentar y refrigerar con el sistema de climatización, para renovar la temperatura del subsuelo después de las épocas de mayor demanda en el año (invierno y verano). Después de 25 años de funcionamiento del sistema, la zona de afectación térmica mayor que 0,5°C no sobrepasa los 20m, desde el arreglo de intercambiadores de calor en su máxima extensión, por lo que no se afecta el recurso geotérmico de los vecinos. Para predecir la sustentabilidad económica, se compara la geotermia con el aire acondicionado convencional, considerando la inversión inicial de ambas opciones y el ahorro económico en operación, debido al mejor rendimiento de la geotermia. No se consideran alternativas de combustión, porque no suplen demandas de calefacción y refrigeración. El escenario actual, indica un tiempo de retorno de la inversión de ~32 años para la geotermia, debido principalmente al elevado costo de perforación. Es importante considerar que esta tecnología es novedosa en el país y, por lo tanto, implica una alta inversión inicial en los primeros prototipos. / Este trabajo ha sido financiado por el Centro de Excelencia en Geotermia de los Andes (FONDAP/CONICYT N° 15090013) en el marco del proyecto "Estimación y valorización del potencial geotérmico de Aysén" (Gobierno Regional de Aysén, proyecto BIP 303467723-0)

Ingeniero Civil Mecánico / La población El Guindal, ubicada al oriente de la comuna de Machalí, sexta región, posee un comité de agua potable, el cual extrae agua dulce desde un pozo a pocos kilómetros del asentamiento urbano. Esta población es conocida popularmente por ser habitada por familias de escasos recursos, es por esto que nace la idea de llevar a cabo un proyecto de provisión de agua caliente sanitaria, mediante energías renovables, específicamente, mediante energía geotérmica. La existencia del pozo hace evidente el desarrollo de un sistema que aproveche la energía proveniente del pozo. Es por esto que surge la motivación de utilizar una bomba de calor geotérmica de agua subterránea (GWHP). El objetivo general del trabajo es evaluar técnica y económicamente un sistema que suministre agua caliente sanitaria a un conjunto de 15 casas en esta población. Para lograr esto, los objetivos específicos apuntan a caracterizar el lugar y el sistema existente; establecer las demandas de energía y de agua; llevar a cabo la ingeniería básica de la solución y desarrollar un análisis económico en base a diferentes escenarios. El trabajo comienza con la determinación de parámetros termodinámicos del sistema existente, para luego identificar las variables involucradas. Esto, Junto con el cálculo de la demanda energética, es posible dar paso a la proposición de un sistema. Luego se dimensionan y costean los equipos, y además, los insumos a utilizar. Con esto, se da paso al análisis económico. En él se determina que el proyecto es atractivo en todos sus escenarios, llegando a tener retornos de la inversión de hasta 8 años, cifras de valor actual neto siempre positivas y tasas internas de retorno siempre superiores a la tasa de descuento utilizada. Estos indicadores muestran que el proyecto contribuye a ayudar económicamente a estas 15 familias. Existe una eminente reducción de emisiones de dióxido de carbono, lo que sin duda contribuye a una mejor calidad de vida de los habitantes de la población El Guindal. Socialmente, el proyecto permite dar a conocer otro tipo de fuentes de energías renovables, justificando la gran inversión con los beneficios medioambientales inherentes a este tipo de tecnologías.

[EN] This thesis is included within the objectives of the project of the Ministerio de Ciencia yTecnologia DICORE.Within the frame of this project, the thesis is focused in the study of hermetic piston compressors for refrigeration systems to attend their adaptation and use with new refrigerants. Firstlyaseriesoffivereciprocatingcompressorsofdifferentcapacitieslubricated with POE working with propane and R407C were analyzed. Since traditionally the compressors working with propane have being lubricated with mineral oil of high viscosity, an additionally a comparative study between a MO of high viscosity and the used POE were developed to evaluate the possible convenience of using POE of lower viscosity with propane. These tests included a compressor characterization with both oils, OCR measurement (Oil Circulation Rate) and finally thedesignofaproceduretomeasuretheoilexpelledbythecompressorinthestartup. Once verified the reliability in the experimental level of propane as refrigerant with this compressors. A general semi-empirical compressor model which allows on the one hand to analyze from a theoretical point of view the observed differences between both refrigerants and on the other hand to asses the design of compressors working with other refrigerants. The obtained model allows obtaining an estimation of the volumetric efficiency and the compressor when the refrigerant with an error lower than 3% in most of the tested working conditions. Finally, the development of the model has pointed out the possibility of the existence of an effect of condensation of the refrigerant during the compression process. Thiseffectthathabituallyisnotcontemplatedinthemodelsofthebibliographywould allow to explain the discrepancy between the dead volume of the compressor considered by the manufacturer and the obtained dead volume with the model. / [ES] La presente tesis se encuentra englobada dentro de los objetivos del proyecto del Ministerio de Ciencia y Tecnología DICORE. En este contexto este trabajo se centra en el estudio de compresores de pistón herméticos para sistemas de refrigeración con el fin de asistir a su adaptación y uso con nuevos refrigerantes. Inicialmente se procedió a analizar una serie de cinco compresores de pistón de distintas capacidades lubricados con POE funcionando con propano y con R407C, observando a nivel experimental las diferencias observadas en su comportamiento. Puesto que tradicionalmente los compresores que han utilizado propano han venido siendo lubricados con aceite mineral de viscosidad alta, se realizó adicionalmente un estudio comparativo entre aceite MO clavus GV 68 y POE ISO 32 con el fin de determinar la posible aparición de algún problema relacionado con la lubricación y el aceite POE de menor viscosidad. En estas pruebas se procedió a caracterizar un compresor funcionando con ambos tipos de aceite, a realizar medida de OCR (Oil Circulation Rate) y por último se diseño un procedimiento de medida del aceite expulsado por el compresor en el arranque. Una vez comprobada la viabilidad a nivel experimental del propano como refrigerante en este tipo de compresores se procedió a realizar un modelo semiempírico general de compresor que permitiese por un lado analizar desde un punto de vista teórico las diferencias de funcionamiento de ambos refrigerantes. Dicho modelo permitiríaasíasistiraldiseñodecompresoresfuncionandoconotrosrefrigerantes. El modeloasíobtenidoproporcionaobtenerunaestimacióndelrendimientovolumétrico y del compresor cuando se sustituye el refrigerante con un error inferior al 3% en la mayoría de las condiciones de trabajo evaluadas. Porúltimo,eldesarrollodelmodelohaapuntadolaposibilidaddelaexistenciade una condensación de parte del fluido frigorígeno durante el proceso de compresión. Dicho efecto que no es habitualmente contemplado en los modelos de la bibliografía permitiríaexplicarladiscrepanciaentreelvolumenmuertoestimadoporelfabricante del compresor y el volumen muerto obtenido con el modelo. / [CA] La present tesi es troba englobada dins dels objectius del projecte del Ministeri de Ciència i Tecnologia DICORE. Dins d’aquest context este trevall es centra en l’estudidecompressorsdepistóhermèticsperasistemesderefrigeracióperaassistir a la seua adaptació i ús amb nous refrigerants. Primerament es va procedir a analitzar una sèrie de cinc compressors de pistó de distintescapacitatslubricatsambPOEfuncionantambpropàiambR407C,observant a nivell d’experimental les diferències observades en el seu comportament. Ja que tradicionalment els compressors que han utilitzat propà han vingut sent lubricats amb oli mineral de viscositat alta, es realitze addicionalment un estudi comparatiu d’estos dos olis a fi depoder establir l’existència d’algun problema relacionat amb la lubricació i l’oli POE de menor viscositat. En estes proves es va procedir a caracteritzar un compressor funcionant amb estos dos tipus d’oli, a realitzar mesura d’OCR (Oil Circulation Rate) i finalment se disseny un procediment de mesura de l’oli expulsat pel compressor en l’arrancada. Una vegada comprovada la viabilitat a nivell experimental del propà com a refrigerant es va procedir a realitzar un model semi-empiric general de compressor que permetera d’una banda analitzar des d’un punt de vista teòric les diferències de funcionament d’estos dos refrigerants permetent així assistir al disseny de compressors funcionant amb altres refrigerants. El model així obtingut permet obtindre una estimació del rendiment volumètric i del compressor quan se substituïx el refrigeren-te amb un error inferior al 3% en la majoria de les condicions de treball avaluades. Finalment, el desenrotllament del model ha apuntat la possibilitat de l’existència d’una condensació de part del fluid frigorigen durant el procés de compressió. Dit efecte que no és habitualment contemplat en els models de la bibliografia permetria explicar la discrepància entre el volum mort estimat pel fabricant del compressor i el volum mort obtingut amb el model. / Dar gracias también al Ministerio de Educación y Ciencia que concediéndome la beca FPI asociada al proyecto DICORE me proporcionó el apoyo económico suficiente para poder realizar esta tesis. / Navarro Peris, E. (2006). Estudio teórico-experimental de compresores de pistón herméticos con diferentes refrigerantes [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/135957 / TESIS

Orientador: Luis Augusto Barbosa Cortez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T21:47:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 BaldassinJunior_Ricardo_M.pdf: 12303899 bytes, checksum: eebb86f1faa615631b1652ad9774ddde (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: O leite é um dos mais importantes produtos da agropecuária nacional, com cerca de 2/3 das propriedades rurais do país destinando-se à pecuária leiteira e com um dos maiores rebanhos do mundo. Apesar da grandiosidade, o setor ainda sofre com a baixa produtividade, os altos custos e a defasagem tecnológica. Como conseqüência, muitos produtores abandonaram suas atividades diante deste novo cenário competitivo. Atualmente, assuntos como uso racional de energia e aplicação intensiva de tecnologia tem sido intensamente discutidos e abordados, e indicados como aspectos importantes para a obtenção de ganhos de produtividade. Desta forma, visou-se neste trabalho avaliar o uso de energia no processamento de leite de três propriedades (leite pasteurizado tipo ¿A¿ e leite cru refrigerado), bem como, a representatividade dos diversos processos no consumo total, assunto este, ainda pouco conhecido e abordado no país. Objetivando ainda, promover a racionalização energética, avaliaram-se os potenciais de aproveitamento de calor de condensação de sistemas de refrigeração existentes para o aquecimento de água de limpeza e higienização, bem como, avaliou-se a viabilidade técnica e econômica da adequação dos sistemas (operação segundo um bomba de calor com geração simultânea de duas fontes térmicas) em substituição ao uso de resistências elétricas. Dentre as proposta, avaliou-se a adequação realizada em um planta piloto em operação. Com o uso de bomba de calor, a redução no consumo total de energia elétrica foi de até 15% com tempos de retorno dos investimentos variando entre 1,3 e 3,7 anos / Abstract: Milk is one of the most important products of Brazilian agriculture, with about 2/3 of the rural properties dedicated to the milkmaid cattle breeding and with one of the largest flocks of the world. In spite of its size, the sector still suffers of low productivity, high costs and tecnological delay. As a consequence, many producers have abandoned its activities before this new competitive technology were introduced. Now, subjects as, the use rational of energy and intensive application of technology has been discussed intensely resulting in productivity gains. In this work , it was seek to evaluate the use of energy for milk processing in three different properties (pasteurized milk type " A " and refrigerated raw milk). It was also evaluated how representativive the several processes in the total consumption were, a problem, still not very well-known and trated in Brazil. To promote the energy rationalization, the potential use of condensation heat of refrigeration systems was evaluated for the cleaning water heating, as well as, the technical and economic viability of the adaptation of the systems was evaluated (operation according to a heat pump with simultaneous generation of cold and heat) in substitution to the use of electric resistances. In the midst of proposals, an adaptation was evaluated in a pilot plant in operation. With the use of heat pumps, there was a decreasing of 15% in the consumption of eletric energy with payback between 1,3 and 3,7 years / Mestrado / Mestre em Engenharia Mecânica

[ES] Uno de los mayores retos para el mercado de bombas de calor geotérmicas es el alto coste asociado a la perforación de los intercambiadores de calor geotérmicos. Conseguir unos intercambiadores de calor geotérmicos más eficientes reduciría dicho coste, ya que sería necesaria una menor longitud de intercambiador para obtener las mismas temperaturas de trabajo en él (misma eficiencia de la bomba de calor). La eficiencia térmica de un intercambiador de calor geotérmico está caracterizada por su resistencia térmica. Dicha resistencia térmica depende de una serie de elementos entre los que se encuentran: propiedades y caudal del fluido que recorre el intercambiador de calor, diámetro de la perforación geotérmica, geometría y materiales de la tubería del intercambiador de calor y las propiedades del material de relleno de la perforación (grouting). Cuanto mayor sea la resistencia térmica del intercambiador de calor, menor será el calor transferido entre el fluido caloportador y el terreno, traduciéndose en una necesidad mayor de longitud de intercambiador enterrado. Por lo tanto, es necesario una reducción de este parámetro al mínimo posible. En consecuencia, el objetivo principal de esta tesis doctoral consiste en, a partir de un modelo analítico comprensivo de cuantificación del impacto de los parámetros anteriores, realizar un estudio detallado para analizar su influencia combinada en la resistencia térmica del intercambiador geotérmico, pero también examinando dicho efecto en otros planos, como costes económicos de ejecución del intercambiador y de explotación (consumo eléctrico de la bomba de calor y costes de bombeo asociados). / [CA] Un dels majors reptes per al mercat de bombes de calor geotèrmiques és l'alt cost associat a la perforació dels bescanviadors de calor geotèrmics. Aconseguir uns bescanviadors de calor geotèrmics més eficients reduiria aquest cost, ja que seria necessària una menor longitud de bescanviador per a obtenir les mateixes temperatures de treball en ell (mateixa eficiència de la bomba de calor). L'eficiència tèrmica d'un bescanviador de calor geotèrmic està caracteritzada per la seva resistència tèrmica. Aquesta resistència tèrmica depèn d'una sèrie d'elements entre els quals es troben: propietats i cabal del fluid que recorre el bescanviador de calor, diàmetre de la perforació geotèrmica, geometria i materials de la canonada del bescanviador de calor i les propietats del material de farciment de la perforació (grouting). Com més gran sigui la resistència tèrmica del bescanviador de calor, menor serà la calor transferida entre el fluid termòfor i el terreny, traduint-se en una necessitat major de longitud de bescanviador enterrat. Per tant, és necessari una reducció d'aquest paràmetre al mínim possible. En conseqüència, l'objectiu principal d'aquesta Tesi Doctoral consisteix en, a partir d'un model analític comprensiu de quantificació de l'impacte dels paràmetres anteriors, realitzar un estudi detallat per a analitzar la seva influència combinada en la resistència tèrmica del bescanviador geotèrmic, però també examinant aquest efecte en altres plans, com a costos econòmics d'execució del bescanviador i d'explotació (consum elèctric de la bomba de calor i costos de bombament). / [EN] One of the biggest challenges for the ground source heat pump market is the high cost associated with drilling geothermal borehole heat exchangers. Achieving more efficient geothermal heat exchangers would reduce this cost, since a shorter exchanger length would be required to obtain the same working temperatures in it (same efficiency of the heat pump). The thermal efficiency of a geothermal heat exchanger is characterized by its borehole thermal resistance. This borehole thermal resistance depends on a number of parameters, mainly: properties and flow rate of the working fluid that flows through the borehole heat exchanger, diameter of the geothermal borehole, geometry and materials of the heat exchanger pipe and the properties of the borehole grouting material. The higher thermal resistance of the heat exchanger, the less heat is transferred between the heat carrier fluid and the ground, resulting in an increased requirement for the length of the buried heat exchanger. Consequently, it is essential to reduce this parameter to the minimum possible. Therefore, the main objective of this Ph. Doctoral Thesis is to carry out, based on a comprehensive analytical model of quantification of the impact of the above mentioned parameters, a detailed study to analyze their combined influence on the thermal resistance of the geothermal borehole, but also exploring this effect in other less researched areas, such as economic costs of running the exchanger and operating it (electricity consumption of the heat pump and associated pumping costs). / This research has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program under grant agreement No [657982], [727583] and [792355]. / Badenes Badenes, B. (2020). Optimización teórico-experimental de sondas de calor para intercambio geotérmico (SGE) según condiciones hidrogeológicas, características geométricas y propiedades de sus materiales [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/160477 / TESIS