La hoja de ruta para el Sector Energético Global de la Agencia Internacional de Energía (IEA) llamada “Net Zero by 2050” dice: “El sector energético es la fuente de alrededor de las tres cuartas partes de las emisiones de gases de efecto invernadero en la actualidad y tiene la clave para evitar los peores efectos del cambio climático, quizás el mayor desafío al que se ha enfrentado la humanidad.” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 13). La Unión Europea y 44 países se han comprometido a alcanzar el objetivo de emisiones netas cero, que representan alrededor del 70 % de las emisiones globales de CO2 y del PIB. Asimismo, el informe de la IEA señala “La participaciòn de las energías renovables en la generación total de electricidad a nivel mundial aumenta del 29 % en 2020 a más del 60 % en 2030 y a casi el 90 % en 2050. Para lograr esto, las adiciones de capacidad anual de energía eólica y solar entre 2020 y 2050 deben ser cinco veces mayores que la media de los últimos tres años” (Agencia Internacional de la Energía 2021: 73). Esto indica, ahora y en los próximos años, la necesidad de aumentar la cuota de los sistemas de energías renovables y aumentar la I+D+i para mejorar la eficiencia, de forma que la producción de energía renovable sea barata en comparación con la energía fósil. Uno de los campos prometedores con respecto a las fuentes renovables es la energía solar concentrada (CSP), que utiliza espejos para concentrar la luz solar en un receptor. La luz concentrada puede transformarse en calor y almacenarse fácilmente para que luego pueda usarse para generar electricidad. Esta energía también podría utilizarse en otras aplicaciones en las que se necesiten altas temperaturas. En este campo, la generación de CSP creció un 34% estimado en 2019, aunque este aumento exponencial es sobresaliente, aún se necesita una tasa de crecimiento promedio anual del 24% hasta el 2030 para estar encaminado con el Escenario de Desarrollo Sostenible (International Energy Agency 2020). Esto significa que en el futuro se utilizarán más centrales termosolares, lo que exigirá el desarrollo de nuevos sistemas, así como la mejora de los existentes. Por todo lo anterior, este trabajo de investigación se centra en la mejora de una de las tecnologías utilizadas en las plantas CSP, que es el Intercambiador de Calor Aire-Arena (ASHE) y en el que ha estado trabajando el Solar-Institut Jülich (SIJ) durante más de una década. El SIJ comenzó a desarrollar adecuadamente la tecnología ASHE en el 2005 con el proyecto “Sandspeicher”, que resultò en la simulación y construcción de un primer prototipo. Debido a los resultados alentadores, se lanzó el proyecto Intercambiador de Calor de Lecho Móvil de Alta Temperatura para Almacenamiento Térmico en Material Granular (HiTexStor), y luego se amplió para desarrollar un intercambiador de calor de 150 kW. Para ello se desarrollaron varios prototipos, culminando en un prototipo final de ASHE cilíndrico de 15 kW. Debido a la configuración confinada de ese prototipo, no es posible realizar mediciones experimentales de los efectos del flujo granular. Por lo tanto, la investigación es sobre el dispositivo de prueba de flujo de material a granel de modelo rectangular 03 (SFVA 03), que ofrece una mirada a la interacción aire-arena. / In this research, tests are carried out on an air-sand heat exchanger to evaluate and measure the phenomena of pinning, blistering, and blocking within the exchanger. Here, the PIV method is applied to observe and measure interactions between the air and the sand.

En el presente trabajo se ha realizado el diseño del evaporador del ciclo Rankine orgánico, el cual cumple con la disponibilidad de espacio requerido y la caída de presión admisible. A su vez, este diseño garantiza la transferencia de calor de los gases de combustión hacia el refrigerante R123. Para el diseño del evaporador se comenzó por determinar las propiedades termodinámicas y termofísicas del refrigerante R123. A su vez, se determinó la composición de los gases de combustión, temperatura de entrada, flujo másico y propiedades termofísicas de cada componente de los gases. Por lo tanto, las condiciones nominales de operación son las siguientes: presión absoluta de evaporación de 2 MPa, temperatura de condensación de 330 K, flujo másico del refrigerante R123 de 4 kg/s, temperatura de entrada de los gases de combustión 740 K y flujo másico de los gases de combustión 4.35 kg/s. Finalmente, se realizó el diseño del evaporador definiendo la geometría, número de pasos, número de tubos y separación entre tubos. De acuerdo a este análisis, se determinó que el área superficial requerida para la eficiente transferencia de calor es 37.7 m2, por lo tanto, se seleccionaron 250 tubos de ¾” de diámetro nominal y una longitud de 2.5 m.

A través de los cinco capítulos de presente estudio de pre-factibilidad, se demuestra la factibilidad técnica, económica y financiera de la implementación de un Taller de Mantenimiento y Reparación de Intercambiadores de calor en la Región Cajamarca. En el primer capítulo del estudio estratégico, se analizaron los factores ambientales externos e internos. Se establecieron la visión y misión y se realizó un análisis FODA, del cual surgió una estrategia mixta DIFERENCIACIÓN – ENFOQUE. En el estudio de mercado, segundo capítulo de la tesis, se utilizó la demanda histórica de una compañía minera de la región para proyectar la demanda y se utilizó la oferta histórica de un taller en Lima para poder proyectar la oferta. A partir de esto, se determinó la demanda del proyecto a satisfacer. También se determinó todo lo que respecta a los componentes de Mix de Marketing. En el tercer capítulo del estudio técnico se efectuó un análisis de macrolocalización y microlocalización para determinar la ubicación óptima de las instalaciones. Luego se fijaron la distribución de las áreas, la dinámica de las operaciones y se planteó la relación de insumos requeridos y servicios a contratar. En el estudio legal y organizacional se estableció el tipo de sociedad y la afectación tributaria. Se definió la estructura organizacional incluyendo los perfiles y requerimientos del personal. En el último capítulo, el estudio económico y financiero, se planteó la inversión total y se seleccionó el financiamiento. Fue calculado el costo de oportunidad de capital. Luego de definir los presupuestos de ingresos y egresos se procedió a estructurar los estados financieros y se analizaron los principales indicadores económicos y financieros. Luego se efectuó un análisis de sensibilidad que incluía múltiples escenarios para variaciones en los factores críticos validándose la viabilidad económica y financiera del proyecto.

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.

Hoy en día, las industrias son cada vez más activas, más aún en nuestro país se está produciendo grandes avances en distintos rubros industriales gracias a las inversiones que se han realizado. Se genera entonces la necesidad de tener un control correcto y efectivo en estos procesos para hacerlos óptimos, es así que aparecen los sistemas de diagnósticos de fallas para mejorar las capacidades de los sistemas de control. Para lograr que los sistemas de diagnósticos de fallas sean adecuados para cada proceso y cumplan su propósito se desarrollan sistemas de emulación de falla, que permiten evaluar y de ser necesario corregir, los sistemas de diagnóstico de falla. En el presente trabajo de tesis se presenta el diseño e implementación de un sistema de emulación de fallas para una planta intercambiadora de calor, específicamente en las bombas centrífugas y válvulas que se encuentran en esta. La emulación de fallas para bombas centrífugas se basó en el método de detección por análisis de vibraciones y en el caso de las válvulas en la falla de fricción estática. Los trabajos realizados incluyen, el estudio de los requisitos de condición de falla que aparecen en los instrumentos de una planta intercambiadora de calor (bombas centrifugas y válvulas), el diseño de circuitos para generación de señales de falla y de dos canales de generación de fallas (uno para bomba centrifugas y otro para válvulas). El sistema de emulación de fallas desarrollado funciona de manera correcta, emula de manera correcta las fallas de desequilibrio, desalineación y falla eléctrica en el caso de las bombas centrífugas y genera la señal adecuada para válvulas.

[ES] Las regulaciones medioambientales imponen el uso de refrigerantes con cada vez menor Poder de Calentamiento Atmosférico (PCA), y obligan a que la búsqueda de refrigerantes alternativos a los actuales sea una necesidad real acorde a las tendencias del sector. El paso de los refrigerantes actuales a la utilización de refrigerantes alternativos no es inmediato ni mucho menos sencillo. La complejidad a nivel tecnológico es muy elevada, dado que el uso de un nuevo refrigerante exige diseñar y desarrollar de cero todos los componentes del circuito, puesto que poseen unas especificaciones y requerimientos de funcionamiento totalmente diferentes de los que poseen los refrigerantes actuales. La motivación principal de la tesis doctoral es la de plantear lo primeros pasos para el desarrollo de un equipo de bomba de calor para climatización que utilice un refrigerante con un bajo índice de PCA como el propano, en sustitución del que emplea la unidad actualmente (R410A), reduciendo así el impacto medioambiental del equipo y mejorando sus propiedades. Todo esto se encuentra incluido en los siguientes puntos: - Anticipar el cambio de tecnología necesario para el cumplimiento de la regulación F-GAS, asegurando menores emisiones para el medio ambiente y manteniendo la eficiencia energética actual mediante el desarrollo de equipos de bomba de calor con capacidad de modulación y con propano como fluido refrigerante. - Desarrollar herramientas de modelado y simulación para las diferentes plataformas objetivo. - Obtener conocimiento específico sobre el comportamiento de la bomba de calor mediante el análisis experimental con prototipos funcionales bajo las condiciones de trabajo especificadas, con la intención de conocer su funcionamiento, además de sus limitaciones, exigencias prácticas y sus necesidades de control. - Facilitar el diseño y desarrollo industrial de nuevos equipos de climatización mediante las herramientas de simulación y los datos experimentales obtenidos a través de prototipos funcionales. Motivada por este nuevo escenario, esta tesis se centra en estudiar qué posibilidades existen en medio-largo plazo en el desarrollo de bombas de calor para ajustarse a la regulación existente, no solo en cuanto a requerimientos ambientales sino también energéticos. Para ello, el primer paso ha sido el de realizar una sustitución directa del refrigerante original de la unidad aerotérmica, el R410A, por R290 para establecer el punto de referencia y poder conocer qué prestaciones es capaz de desarrollar esa misma unidad sin un rediseño del circuito de refrigerante. Tras esta primera evaluación, se ha llevado a cabo un estudio teórico de distintas configuraciones de circuito frigorífico con propano para evaluar las ventajas e inconvenientes entre ellas, con el objetivo de elegir la que mejor se ajuste al cumplimiento de los objetivos marcados. Este estudio se ha efectuado en tres ámbitos distintos: calefacción a baja temperatura, alta temperatura y condiciones de alta temperatura de impulsión de agua hasta 75ºC. En todos ellos, el resultado principal que se ha considerado ha sido el de eficiencia, lo que ha permitido obtener un orden de las tipologías estudiadas en función de los resultados obtenidos. A pesar de esto, esta evaluación también ha puesto de manifiesto otra característica intrínseca a cada uno de ellos como es su límite de funcionamiento en relación con la máxima temperatura de impulsión de calefacción. Tras ello, se ha construido un prototipo de bomba de calor funcional completo para ejecutar la fase experimental, que incluya hasta tres de las tipologías evaluadas en la fase teórica previa, para que, con todos los ensayos pertinentes, los resultados permitan seleccionar la tipología de circuito de refrigerante que se integre en un prototipo final. Este prototipo permitirá caracterizar el funcionamiento del sistema tanto para una plataforma aire-agua, como para una plataforma salm / [CA] Les regulacions mediambientals imposen l'ús de refrigerants amb cada vegada menor Poder d'Escalfament Atmosfèric (PCA), i obliguen a que la recerca de refrigerants alternatius als actuals sigui una necessitat real d'acord amb les tendències del sector. El pas dels refrigerants actuals a l'utilització de refrigerants alternatius no és immediat ni tampoc fàcil. La complexitat a nivell tecnològic és molt elevada, ja que l'ús d'un nou refrigerant exigeix dissenyar i desenvolupar de zero tots els components del circuit, tenint en conta que tenen unes especificacions i requeriments de funcionament totalment diferents dels que posseeixen els refrigerants actuals. La motivació principal de la tesi doctoral és la de plantejar el primers passos per al desenvolupament d'un equip de bomba de calor per a climatització que utilitzi un refrigerant amb un baix índex de PCA com el propà, en substitució del què empra la unitat actualment (R410A), reduint així l'impacte mediambiental de l'equip i millorant les seves propietats. Tot això es troba inclòs en els següents punts: - Anticipar el canvi de tecnologia necessari per al compliment de la regulació F-GAS, assegurant menors emissions per al medi ambient i mantenint l'eficiència energètica actual mitjançant el desenvolupament d'equips de bomba de calor amb capacitat de modulació i amb propà com a fluid refrigerant. - Desenvolupar ferramentes de modelatge i simulació per a les diferents plataformes objectiu. - Obtenir el coneixement específic sobre el comportament de la bomba de calor mitjançant l'anàlisi experimental amb prototips funcionals en les condicions de treball especificades, amb la intenció de conèixer el seu funcionament, a més de les seues limitacions i exigències pràctiques i les seues necessitats de control. - Facilitar el disseny i desenvolupament industrial de nous equips de climatització mitjançant les ferramentes de simulació i les dades experimentals obtingudes a través de prototips funcionals. Motivada per aquest nou escenari, aquesta tesi es centra a estudiar quines possibilitats hi ha al mitjá-llarg termini en el desenvolupament de bombes de calor per a ajustar-se a la regulació existent, no només en relació amb el requeriments ambientals sinó també energètics. Per això, el primer pas ha sigut el de fer una substitució directa del refrigerant original de la unitat aerotèrmica, el R410A, per R290 per establir el punt de referència i poder conèixer quines prestacions és capaç de desenvolupar aquesta mateixa unitat sense un redisseny del circuit de refrigerant. Després d'aquesta primera avaluació, s'ha dut a terme un estudi teòric de diferents configuracions de circuit frigorífic amb propà per avaluar els avantatges i inconvenients entre elles, amb l'objectiu de triar la que millor s'ajusti a l'acompliment dels objectius marcats. Aquest estudi s'ha efectuat en tres àmbits diferents: calefacció a baixa temperatura, alta temperatura i condicions d'alta temperatura d'impulsió d'aigua fins a 75ºC. En tots ells, el resultat principal que s'ha considerat ha sigut el d'eficiència, el que ha permès obtenir un ordre de les tipologies estudiades en funció dels resultats obtinguts. Tot i això, aquesta avaluació també ha posat de manifest una altra característica intrínseca a cada un d'ells com és el seu límit de funcionament en relació amb la màxima temperatura d'impulsió de calefacció. Després d'això, s'ha construït un prototip de bomba de calor funcional complet per executar la fase experimental, que inclogui fins a tres de les tipologies avaluades en la fase teòrica prèvia, perquè, amb tots els assajos pertinents, els resultats permeten seleccionar la tipologia de circuit de refrigerant que s'integri en un prototip final. Aquest prototip permetrà caracteritzar el funcionament de sistema tant per a una plataforma aire-aigua, com per a una plataforma salmorra-aigua, a través del canvi del bescanviador / [EN] Environmental regulations impose the use of refrigerants with less and less Global Warming Potential (GWP), and force that the search for alternative refrigerants in order to substitute the current ones is a real need according to the trends in the sector. The transition from current refrigerants to the use of alternative refrigerants is neither immediate nor simple. The complexity at the technological level is very high, since the use of a new refrigerant requires a new design and a new development for all the components along the refrigerant circuit, since they may have totally different specifications and operating requirements compared to the traditional refrigerants. The main motivation of this thesis is to present the initial stages concerning the development of a heat pump unit for space heating that uses a lo GWP refrigerant like propane, replacing the current refrigerant of the unit (R410A), leading to a reduction of the environmental impact of this equipment and improving its properties. All this has been included on the following points: - Anticipate the required technology change to be compliant with the F-GAS regulation, ensuring low-impact emissions to the atmosphere and keeping a similar energy efficiency through the development of heat pump units with heating capacity modulation and with propane as refrigerant. - Develop modelling and simulation tools for the different platforms approaches. - Obtain specific knowledge about the heat pump performance through experimental analysis with functional prototypes under the specified working conditions, with the aim of acquiring knowledge not only about its operation, but also about its limitations, practical requirements and its control needs. - Contribute to the industrial design and development of new space heating equipment using simulation tools and experimental data obtained through functional prototypes. Motivated by this new scenario, this thesis focuses on studying the available options in the medium-long term concerning the heat pump development in order to be compliant with the applicable regulations, not only in terms of environmental requirements but also energy requirements. To do this, the first step has been related to carry out a direct replacement of the original refrigerant of the aerothermal unit, R410A, with R290 to establish the reference point and to be able to know the performance of the original unit without considering a redesign of the refrigerant circuit. After this initial evaluation, a theoretical study of different refrigerant circuit configurations with propane has been carried out with the purpose of evaluating the advantages and disadvantages among them, in order to choose the one that fulfils the performance requirements the best. This study has been executed in three different areas: low heating temperature, high heating temperature and high water flow temperature conditions up to 75ºC. In all of them, the main result considered has been the efficiency, which has enabled to obtain a priority order based on the results obtained. Despite this, this evaluation has also revealed another attached feature, such as their operating limit in relation to the maximum heating flow temperature. After that, a complete functional heat pump prototype has been built to execute the experimental phase, which includes up to three of the typologies evaluated in the previous theoretical phase, so that, with all the corresponding tests, the results allow to select the typology of refrigerant circuit to be integrated into a final prototype. This prototype has also enabled the performance characterization for two different types of platforms, air-water and brine-water, by changing of the corresponding exchanger using cutting valves. In parallel to this, a certain phenomenon related to the behaviour of the refrigerant have been studied through different operating conditions for each typology as well as the proper measures to improve the system control. As / López Juárez, E. (2021). Desarrollo de una bomba de calor doméstica que usa propano como fluido de trabajo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/174570 / TESIS

La presente tesis doctoral tiene por objeto tratar de eliminar el fenómeno no deseable de formación de biofouling en diferentes superficies tubulares de intercambiadores de calor, mediante tratamientos físicos y químicos, intentando minimizar el impacto ambiental creado en los efluentes de las instalaciones industriales.El equipo experimental está compuesto por una planta piloto de intercambiadores de calor condensadores dotada de ocho tubos que funcionan como sistemas independientes, donde se controlan los parámetros de presión, temperatura y caudal, que define indirectamente el biofouling depositado en el interior de dichos tubos a través de los valores de resistencia friccional al flujo y resistencia a la transferencia de calor.También ha sido diseñado y construido otra planta piloto o monitor "MCMDID" (monitor combinado de medición directa e indirecta del biofouling) donde se mide en continuo el espesor del biofouling adherido a la superficie de un tubo del mismo material que los ensayados en la planta descrita anteriormente.

[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

[ES] En un presente marcado por la continua lucha contra la contaminación y el cambio climático, la investigación en mejoras tecnológicas que permitan una transición aceptable para la sociedad hacia un futuro más ecológico ocupa un papel fundamental. En concreto, la aviación es un foco constante de innovación, ya que es considerada una función indispensable en una sociedad tan globalizada como la actual, pero con unos niveles de contaminación preocupantes. En este aspecto, el desarrollo de motores con altas eficiencias es un paso clave para la transición medioambiental. Sin embargo, estas alternativas presentan un reto tecnológico en cuanto a su gestión térmica basado, principalmente, en la necesidad de aumentar la refrigeración. En este contexto e impulsada por el proyecto "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, esta tesis doctoral se centra en el estudio experimental de geometrías de intercambiadores de calor de superficie para la refrigeración del aceite motor mediante el uso del aire del flujo secundario del turbofan. Actualmente, existen una serie de limitaciones en cuanto a las capacidades para llevar a cabo un análisis y diseño detallado de este tipo de intercambiadores de calor debido a la falta de instalaciones que permitan un correcta, completa y robusta caracterización experimental. Las principales fuentes de datos se basan en cálculos numéricos validados a partir de extrapolaciones en condiciones de cuestionable aplicabilidad. A lo largo de la tesis se presentan los resultados obtenidos tras una detallada caracterización de cuatro diferentes geometrías de intercambiadores de calor empleando tanto técnicas intrusivas como ópticas. Se utiliza un banco de flujo capaz de generar una corriente de aire típica alrededor de los intercambiadores, mientras que un sistema de acondicionamiento de aceite controla el punto de operación por el lado caliente. Para recrear de manera más realista las condiciones de funcionamiento, se presenta una metodología para generar de manera automática pantallas de distorsión que pueden reproducir una distribución bidimensional de velocidades objetivo mediante la manufactura aditiva de paneles de porosidad variable. Este modelo, analizado mediante CFD y validado experimentalmente, se utiliza para reproducir el perfil de velocidades típico presente en torno al intercambiador en una circunstancia real de operación. Tras definir métricas relevantes que permitan analizar el comportamiento de las distintas geometrías, se llega a la conclusión de que los problemas aerodinámico y térmico están altamente acoplados en estos dispositivos, demostrando la necesidad de un cuidadoso diseño para mejorar las actuaciones del intercambiador. Los resultados muestran que puede llegar a obtenerse una mejora de más de un 12% en la caída de presión y casi un 20% en el intercambio de calor. Además, se ha confirmado el impacto del uso de la pantalla de distorsión, con variaciones del orden de 10% en ambas variables. Los resultados también muestran que es posible realizar una caracterización preliminar de manera fiable con un modelo impreso en 3D, en cuanto campos de velocidades, pérdidas de presión y frecuencias propias corregidas. Con el análisis llevado a cabo en esta tesis, se puede concluir que es fundamental tener una instalación experimental que reproduzca las condiciones de funcionamiento reales de un motor para realizar estudios relevantes de intercambiadores de calor. Además, es necesario el uso de métricas adecuadas junto con el desarrollo de una metodología exhaustiva, fiable y robusta. Los resultados y metodología presentados en en esta investigación pueden llegar a tener un impacto importante tanto a nivel académico como industrial, ya que abren la puerta a desarrollar sistemas de gestión térmica más eficiente en unas etapas de diseño preliminares que son más asequibles económicamente, consumen menos tiempo y tienen mayor flexibilidad para introducir modificaciones. / [CAT] En un present marcat per la lluita contínua contra la contaminació i el canvi climàtic, la recerca en millores tecnològiques que permetin una transició acceptable per a la societat cap a un futur més ecològic ocupa un paper fonamental. En concret, l'aviació és un focus constant d'innovació, ja que és considerada una funció indispensable en una societat tan globalitzada com l'actual però amb uns nivells de contaminació preocupants. En aquest aspecte, el desenvolupament de motors amb altes eficiències és un pas clau per a la transició mediambiental. Tot i això, aquestes alternatives presenten un repte tecnològic quant a la seva gestió tèrmica basat, principalment, en la necessitat d'augmentar la refrigeració. En aquest context i impulsada pel projecte "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" de Clean Sky 2, aquesta tesi doctoral se centra en l'estudi experimental de geometries d'intercanviadors de calor de superfície per a la refrigeració de l'oli motor mitjançant l'ús de l'aire del flux secundari del turbofan. Actualment, hi ha una sèrie de limitacions quant a les capacitats per dur a terme una anàlisi i disseny detallat d'aquest tipus d'intercanviadors de calor a causa de la manca d'instal·lacions que permetin una caracterització experimental correcta, completa i robusta. Les fonts de dades principals es basen en càlculs numèrics validats a partir d'extrapolacions en condicions de qüestionable aplicabilitat. Al llarg de la tesi es presenten els resultats obtinguts després d'una detallada caracterització de quatre geometries diferents d'intercanviadors de calor emprant tant tècniques intrusives com òptiques. Sutilitza un banc de flux capaç de generar un corrent daire típic al voltant dels intercanviadors, mentre que un sistema de condicionament doli controla el punt doperació pel costat calent. Per recrear de manera més realista les condicions de funcionament, es presenta una metodologia per generar de manera automàtica pantalles de distorsió que poden reproduir una distribució bidimensional de velocitats objectiu mitjançant la manufactura additiva de panells de porositat variable. Aquest model, analitzat mitjançant CFD i validat experimentalment, sutilitza per reproduir el perfil de velocitats típic present al voltant de lintercanviador en una circumstància real doperació. Després de definir mètriques rellevants que permetin analitzar el comportament de les diferents geometries, s'arriba a la conclusió que els problemes aerodinàmic i tèrmic estan altament acoblats en aquests dispositius, demostrant la necessitat d'un disseny acurat per millorar les actuacions de l'intercanviador. Els resultats mostren que es pot arribar a obtenir una millora de més d'un 12% a la caiguda de pressió i gairebé un 20% a l'intercanvi de calor. A més, s'ha confirmat l'impacte de l'ús de la pantalla de distorsió, amb variacions de l'ordre del 10% a les dues variables. Els resultats també mostren que és possible fer una caracterització preliminar de manera fiable amb un model imprès en 3D, en tant que camps de velocitats, pèrdues de pressió i freqüències pròpies corregides. Amb l'anàlisi duta a terme en aquesta tesi, es pot concloure que és fonamental tenir una instal·lació experimental que reprodueixi les condicions de funcionament reals d'un motor per fer estudis rellevants d'intercanviadors de calor. A més, cal fer servir mètriques adequades juntament amb el desenvolupament d'una metodologia exhaustiva, fiable i robusta. Els resultats i metodologia presentats en aquesta investigació poden arribar a tenir un impacte important tant a nivell acadèmic com industrial, ja que obren la porta a desenvolupar sistemes de gestió tèrmica més eficient en unes etapes de disseny preliminars que són més assequibles econòmicament, consumeixen menys temps i tenen més flexibilitat per introduir modificacions. / [EN] In a present marked by the continuous fight against pollution and climate change, research into technological improvements that allow an acceptable transition for society towards a greener future occupies a fundamental role. Specifically, aviation is a constant focus of innovation, since it is considered an essential function in a society as globalized as today's, but with worrying levels of pollution. In this regard, the development of motors with high efficiencies is a key step for the environmental transition. However, these alternatives present a technological challenge in terms of their thermal management, based mainly on the need to increase cooling. In this context and promoted by the Clean Sky 2 "Aerodynamic upgrade of Surface Air Cooled Oil Cooler (SACOC)" project, this doctoral thesis focuses on the experimental study of surface heat exchanger geometries for engine oil cooling using the use of secondary flow air from the turbofan. Currently, there are a number of limitations regarding the capacity to carry out a detailed analysis and design of this type of heat exchanger due to the lack of facilities that allow a correct, complete and robust experimental characterization. The main data sources are based on numerical calculations validated from extrapolations under conditions of questionable applicability. The thesis presents results after a detailed characterization of four different geometries of heat exchangers using both intrusive and optical techniques. A flow bench capable of generating a typical air current around the exchangers is used, while an oil conditioning system controls the point of operation on the hot side. To more realistically recreate operating conditions, a methodology is presented to automatically generate distortion screens that can reproduce a two-dimensional distribution of target velocities through additive manufacturing of variable porosity panels. This model, analyzed by means of CFD and validated experimentally, is used to reproduce the typical speed profile present around the exchanger in a real operating circumstance. After defining relevant metrics that allow analyzing the behaviour of the different geometries, it is concluded that aerodynamic and thermal problems are highly coupled in these devices, demonstrating the need for careful design to improve the exchanger's performance. The results show that an improvement of more than 12% in pressure drop and almost 20% in heat exchange can be obtained. In addition, the impact of using the distortion screen has been confirmed, with variations of the order of 10% in both variables. The results also show that it is possible to carry out a preliminary characterization in a reliable way with a 3D printed model, in terms of velocity fields, pressure losses and corrected eigenfrequencies. With the analysis carried out in this thesis, it can be concluded that it is essential to have an experimental installation that reproduces the real operating conditions of an engine to carry out relevant studies of heat exchangers. In addition, the use of appropriate metrics is necessary together with the development of a comprehensive, reliable and robust methodology. The results and methodology presented in this research can have a significant impact both at an academic and industrial level, since they open the door to developing more efficient thermal management systems in preliminary design stages that are more affordable, consume less time and have more flexibility to make changes. / The respondent wishes to acknowledge the financial support received through the Programa de Apoyo para la Investigación y Desarrollo (PAID) of Univer- sitat Politècnica de València under grant PAID-01-20 n◦ 21589. This project has received funding from the Clean Sky 2 Joint Undertak- ing under the European Unions Horizon 2020 research and innovation pro- gramme under grant agreement No 831977 Aerodynamic upgrade of Sur- face Air-Cooled Oil Coolers (SACOC) / Felgueroso Rodríguez, A. (2023). Aerothermal Characterisation of Surface Heat Exchangers for Turbofans [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/195852