[EN] This PhD Thesis has been developed at the Instituto de Ingeniería Energética of the Universitat Politècnica de València, within the group SIMES dedicated to the research on thermal systems. The group SIMES has developed a research project on latent heat storage of thermal energy in which different materials have been studied in order to analyse their performance as phase change materials for the latent heat storage. The aim of this thesis is the development of two models in MATLAB for the simulation of the performance of latent heat thermal energy storage systems in their processes of charge and discharge, in particular for cold storage. The development of these models allows for a deep understanding of the mechanisms that are governing the performance of this systems. The need of two different models is due to the different physical nature of the studied phase change materials: water and paraffin RT8. Each material determines a different performance in the phase change process. While water presents two differentiated phases and separated by an interphase, the paraffin RT8 experiences the solid-liquid phase change in a temperature interval, within a mushy state which is not completely liquid nor solid. Consequently, it was necessary to develop of a moving-boundary model for the simulation of the tanks with ice-water, and another enthalpy model for the simulation of tanks with paraffin RT8 as PCM. Finally, the developed models have helped analyse the performance of both materials in different latent heat storage applications, and determine the suitable system for each case. The models are useful also as a tool for the design and sizing of the system, to study their operation and carry out techno-economical analysis of different configurations. / [ES] La presente tesis doctoral ha sido desarrollada en el Instituto de Ingeniería Energética de la Universitat Politècnica de València, dentro del grupo SIMES dedicado a la investigación de sistemas térmicos. El grupo SIMES ha desarrollado un proyecto de investigación de almacenamiento latente de energía térmica en el que se han estudiado diferentes materiales para analizar su comportamiento como materiales de cambio de fase para el almacenamiento latente. El objetivo principal de esta tesis es el desarrollo de dos modelos en MATLAB para la simulación del comportamiento de depósitos de almacenamiento latente de energía térmica en sus procesos de carga y descarga, concretamente para la aplicación de almacenamiento de frío. El desarrollo de estos modelos permite conocer en profundidad los mecanismos que determinan el comportamiento de estos sistemas. El hecho de desarrollar dos modelos distintos se debe a la distinta naturaleza física de los materiales de cambio de fase estudiados: el agua y la parafina RT8. Dicha naturaleza determina un comportamiento distinto en sus procesos de cambio de fase. Mientras el agua presenta dos fases diferenciadas y separadas por una interfase, la parafina RT8 experimenta el cambio de fase sólido-líquido en un intervalo de temperatura, en el que el estado del material es un estado esponjoso que no resulta ser completamente sólido ni líquido. Por este motivo ha sido necesario el desarrollo de un modelo de frontera móvil para la simulación de los depósitos con agua-hielo, y otro modelo entálpico para la simulación de depósitos con la parafina RT8 como PCM. Finalmente, los modelos desarrollados permiten analizar el comportamiento de ambos materiales como almacenamiento latente en distintas aplicaciones, y determinar el sistema más adecuado en cada caso. Los modelos sirven también de herramienta de diseño y dimensionamiento del sistema, de su operación y para la realización de un estudio energético-económico y comparación de los resultados obtenidos con ambas configuraciones. / [CAT] La present tesis doctoral ha sigut desenvolupada a l'Instituto de Ingeniería Energética de la Universitat Politècnica de València, dins del grup SIMES dedicat a la investigació de sistemes tèrmics. El grup SIMES ha desenvolupat un projecte de investigació d'emmagatzematge latent d'energia tèrmica en què s'han estudiat diferents materials per a analitzar el seu comportament com a materials de canvi de fase per a l'emmagatzematge latent. L'objectiu principal d'aquesta tesis és el desenvolupament de dos models en MATLAB per a la simulació del comportament de dipòsits d'emmagatzematge latent d'energia tèrmica en els seus processos de càrrega i descàrrega, concretament per a l'aplicació d'emmagatzematge de fred. El desenvolupament d'aquests models permet conèixer en profunditat els mecanismes que determinen el comportament d'aquests sistemes. El fet de desenvolupar dos models distints és degut a la distinta naturalesa física dels materials de canvi de fase estudiats: l'aigua i la parafina RT8. Aquesta naturalesa determina un comportament distint en els seus processos de canvi de fase. Mentre l'aigua presenta dos fases diferenciades i separades per una interfase, la parafina RT8 experimenta el canvi de fase sòlid-líquid en un interval de temperatura, en el que l'estat del material és un estat esponjós que no resulta ser completament sòlid ni líquid. Per aquest motiu ha sigut necessari el desenvolupament d'un model de frontera mòbil per a la simulació dels dipòsits amb aigua-gel, i un altre model entàlpic per a la simulació de dipòsits amb la parafina RT8 com a PCM. Finalment, els models desenvolupats permeten analitzar el comportament d'ambdós materials com a emmagatzematge latent en distintes aplicacions, i determinar el sistema més adequat en cada cas. Els models serveixen també de ferramenta de disseny i dimensionament del sistema, de la seua operació i per a la realització d'un estudi energètic-econòmic i comparació dels resultats obtinguts amb ambdues configuracions. / Biosca Taronger, X. (2016). MODELADO Y ANÁLISIS DE UN DEPÓSITO DE ALMACENAMIENTO LATENTE DE ENERGÍA TÉRMICA CON INTERCAMBIADOR DE TIPO SERPENTÍN [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62163 / TESIS

[EN] This PhD thesis studies the application of the magnetic refrigeration technology in the air-conditioning system of automobiles. Thermal models of each of the components of such a system have been developed with the purpose of determining accurately its global performance. A dynamic one-dimensional model of a parallel-plate active magnetic regenerator (AMR) has been developed. The model is based in a new numerical scheme that reduces the computation time by 88% compared to the most commonly employed method. The model reproduces very accurately the passive regenerator cases with analytic solution and has been thoroughly validated against experimental results of both passive regenerator and AMR tests. The inclusion in the model of the magnetocaloric properties experimentally measured with a sample of the employed material, the demagnetizing effect, the fluid flow maldistribution and the losses to the ambient in the experimental setup have all been keys to obtain a good agreement with the experiments. The influence of the uncertainties and simplifications assumed when modelling these physical phenomena has been analyzed in detail, which has allowed the validation of different approaches. Besides, a dynamic model of the air-conditioning (AC) system of an electric vehicle has been developed. Thermal models of each of the system components have been included, namely the cabin, the hydraulic loops with the air-to-coolant heat exchangers and the electric auxiliaries. The modelling methodology employed is based on the combination of the conservation equations with the semi-empirical fitting of the global heat transfer coefficient. Excellent validation results have been obtained with experimental results in a wide range of operating conditions. The vehicle model has been employed to obtain the cooling and heating demand of a commercial full electric minibus, as well as the working temperatures. A broad optimization study has been carried out with the AMR model with the purpose of determining the design and working parameters of such a refrigerator that fulfil the cooling requirements of the vehicle with a minimum combined total system mass (affecting the weight of the vehicle and the economic cost) and electric consumption. The electric demand of the electrical AC auxiliaries has also been considered. Additionally, the heating performance of the optimal designs has been calculated. The application of AMR refrigerators in mobile air-conditioning systems is analyzed in comparison to the features of current vapor-compression systems. / [ES] En la presente tesis doctoral se ha estudiado la aplicación de un refrigerador magnético en un sistema de aire acondicionado para automóviles. Con el fin de determinar las prestaciones de dicho sistema de manera global y precisa, se ha desarrollado un modelo térmico de cada uno de sus componentes. Por un lado, se ha desarrollado un modelo dinámico unidimensional de regenerador magnético activo (AMR) de placas planas paralelas, basado en un nuevo esquema numérico que reduce el tiempo de cálculo hasta en un 88% respecto al esquema más empleado. El modelo reproduce con gran exactitud los casos de regenerador con solución analítica y ha sido validado exhaustivamente con resultados experimentales funcionando como regenerador pasivo y como AMR. Para obtener buenos ajustes ha sido clave la inclusión en el modelo de las propiedades magnetocalóricas medidas experimentalmente con una muestra del material empleado, el efecto desmagnetizante, la mala distribución del fluido y las pérdidas hacia el ambiente del montaje experimental. La influencia de las incertidumbres y las simplificaciones en el modelado de estos fenómenos se ha analizado detalladamente, lo cual ha permitido validar diferentes aproximaciones. Por otro lado, se ha desarrollado un modelo dinámico del sistema de aire acondicionado de un vehículo eléctrico. Se incluye el modelo térmico de la cabina, los bucles hidráulicos para la distribución de la potencia térmica con los intercambiadores de calor agua-aire y los auxiliares eléctricos. La metodología empleada para el desarrollo de estos modelos, basada en la combinación de ecuaciones de conservación con el ajuste semi-empírico de los coeficientes globales de transmisión de calor, ha producido excelentes resultados de validación con resultados experimentales en un amplio rango de condiciones de funcionamiento. El modelo del vehículo se ha empleado para obtener la demanda de refrigeración y calefacción de un minibús eléctrico comercial, así como las temperaturas de funcionamiento del sistema. Con el modelo de AMR se ha llevado a cabo un amplio estudio de optimización para determinar los parámetros de diseño y de funcionamiento de dicho refrigerador que cubren las necesidades de refrigeración del vehículo una masa del conjunto del sistema y un consumo eléctrico mínimos, incluyendo el consumo de los auxiliares. Adicionalmente se han calculado las prestaciones de calefacción de las combinaciones óptimas. La aplicabilidad de este sistema en automóviles se analiza en comparación con un sistema equivalente de compresión de vapor. / [CA] En aquesta tesi doctoral s'ha estudiat l'aplicació d'un refrigerador magnètic en un sistema d'aire condicionat per a automòbils. A fi de determinar les prestacions d'aquest sistema de manera global i precisa, s'ha desenvolupat un model tèrmic de cadascun dels components. D'una banda, s'ha desenvolupat un model dinàmic unidimensional de regenerador magnètic actiu (AMR) de plaques planes paral·leles, basat en un nou esquema numèric que redueix el temps de càlcul fins d'un 88% respecte a l'esquema més emprat. El model reprodueix amb gran exactitud els casos de regenerador amb solució analítica, i ha sigut validat exhaustivament amb resultats experimentals funcionant com a regenerador passiu i com a AMR. Per a obtenir bons ajustos ha sigut clau la inclusió en el model de les propietats magnetocalòriques mesurades experimentalment amb una mostra del material emprat, l'efecte desmagnetitzador, la mala distribució del fluid i les pèrdues cap a l'ambient del muntatge experimental. La influència de les incerteses i les simplificacions en la modelització d'aquests fenòmens s'ha analitzat detalladament, la qual cosa ha permès validar diferents aproximacions. D'altra banda, s'ha desenvolupat un model dinàmic del sistema d'aire condicionat d'un vehicle elèctric. S'hi inclouen el model tèrmic de la cabina, els bucles hidràulics per a la distribució de la potència tèrmica amb els bescanviadors de calor aigua-aire i els auxiliars elèctrics. La metodologia emprada per al desenvolupament d'aquests models, basada en la combinació d'equacions de conservació amb l'ajust semiempíric dels coeficients globals de transmissió de calor, ha produït excel·lents resultats de validació amb resultats experimentals en un ampli rang de condicions de funcionament. El model del vehicle s'ha emprat per a obtenir la demanda de refrigeració i calefacció d'un minibús elèctric comercial, així com les temperatures de funcionament del sistema. Amb el model d'AMR s'ha dut a terme un ampli estudi d'optimització per determinar els paràmetres de disseny i de funcionament de la refrigeradora esmentada que cobreixen les necessitats de refrigeració del vehicle, una massa del conjunt del sistema i un consum elèctric mínims, incloent el consum dels auxiliars. Addicionalment s'han calculat les prestacions de calefacció de les combinacions òptimes. L'aplicabilitat d'aquest sistema en automòbils s'analitza comparant-la amb la d'un sistema equivalent de compressió de vapor. / Torregrosa Jaime, B. (2016). Modelling and analysis of an air-conditioning system for vehicles based on magnetocaloric refrigeration [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/68503 / TESIS / Premios Extraordinarios de tesis doctorales