[pt] Sistemas condicionadores de ar automotivos têm sido extensivamente estudados, buscando melhor eficiência de resfriamento e redução do consumo de combustível. O presente trabalho tem como objetivo o estudo de um sistema condicionador de ar automotivo operando nos modos de resfriamento e aquecimento, este último atendendo às necessidades de conforto em dias frios nos veículos elétricos, os quais não apresentam calor de rejeito do motor, como nos veículos convencionais. Para tal foi projetado e montado, no Laboratório de Refrigeração, Condicionamento de Ar e Criogenia da PUC-Rio, um aparato experimental composto por duas câmaras de temperatura e umidade controladas, uma simulando o compartimento de passageiros e a outra, o ambiente externo. Um típico sistema condicionador de ar automotivo, composto por componentes comercialmente disponíveis e utilizados nos veículos atuais, foi dotado de válvulas direcionais, permitindo a inversão do ciclo de compressão de vapor do modo de resfriamento para o modo de aquecimento, operando neste último como bomba de calor. Dados experimentais foram levantados sob operação em regime permanente e transiente (período de partida), com temperaturas entre – 5 graus Celcius e 45 graus Celcius. Para o modo de resfriamento, seguiu-se a norma SAE J2765 e, para o de aquecimento, na ausência de normas, foram cobertas as operações em modos de recirculação do ar da cabine e de renovação com ar externo, entre as temperaturas de -5 graus Celcius e 10 graus Celcius. Foi também realizada uma simulação numérica, validada pelos dados experimentais, utilizando as equações fundamentais da termodinâmica e transferência de calor. O sistema testado mostrou-se viável na aplicação em veículos elétricos, uma vez que nestes o calor de rejeito previsto (regeneração de frenagem e efeito Joule na eletrônica de potência) não é suficiente para o conforto térmico em dias frios. Demonstrou-se que a bomba de calor consome menos energia que resistências as elétricas atualmente utilizadas. / [en] Automotive air conditioning systems have been extensively studied, searching for better cooling efficiency and reduced fuel consumption. The present work aims to study a system of automotive air conditioner operating in cooling and heating modes, the latter satisfies the needs of comfort on cold days in electrical vehicles, which do not include waste heat from the engine as the conventional vehicles. To this was designed and assembled in the Refrigeration, Air Conditioning and Cryogenics Laboratory, in Puc-Rio, an experimental apparatus consists of two chambers with temperature and humidity controlled, one, simulating the passenger compartment and the other, the external environment. A typical automotive air conditioning system, composed of commercially available components used in current vehicles is provided with a directional valve, allowing the inversion of vapor compression cooling mode to the heating mode cycle, the latter operating as a heat pump.

Submitted by Reginaldo Soares de Freitas (reginaldo.freitas@ufv.br) on 2017-05-31T16:52:06Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2344376 bytes, checksum: e39397755e2d8ce9c0f57409e180b30b (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-31T16:52:06Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 2344376 bytes, checksum: e39397755e2d8ce9c0f57409e180b30b (MD5) Previous issue date: 2010-07-27 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A secagem dos produtos agrícolas é o processo mais utilizado para assegurar sua qualidade e estabilidade. Neste trabalho foi desenvolvido um sistema automático para realizar o controle sobre o ciclo de funcionamento de uma bomba de calor de forma a permitir que a mesma seja usada tanto para secagem quanto para aeração de grãos. Quando utilizada no processo de secagem, o sistema de controle é capaz de manter o ar de secagem com temperatura constante e umidade relativa dentro dos parâmetros definidos pelo usuário. Quando utilizada no processo de aeração, o sistema de controle é capaz de manter o ar de saída com valores de temperatura e umidade relativa tais que mantenham a relação de umidade de equilíbrio constante, em resposta às variações ocorridas no ar ambiente. Para o desenvolvimento deste sistema de controle foi utilizado um microcontrolador PIC 18F4550 da microchip, sensores de temperatura LM35 da National Semicondutor e sensores de umidade relativa HIH 4000-004 da Honeywell. Para realizar a ação de controle foi implementado uma estratégia de controle PID em linguagem C para microcontroladores, que de posse dos valores de temperatura e umidade relativa do ar ambiente, do ar na saída da bomba de calor e do ar na saída do silo secador, calcula os erros entre os valores medidos e os desejados. De posse dos valores destes erros, a estratégia de controle PID tende a minimizá-los atuando nos inversores de frequência que controlam o funcionamento do compressor e do ventilador da bomba de calor. Para o caso em que a umidade relativa do ar ambiente estivesse abaixo do valor mínimo para manter a umidade de equilíbrio durante o processo de aeração, foi desenvolvido um sistema borrifador que quando acionado pelo sistema de controle libera água em forma de névoa na entrada da bomba de calor, elevando-se assim a umidade relativa do ar a ser processado. Em todos os testes realizados para a validação do sistema de controle o mesmo foi capaz de manter os valores de temperatura e umidade relativa de acordo com os valores escolhidos, dentro da faixa de operação da bomba de calor utilizada, respondendo de forma satisfatória às variações ocorridas no ar ambiente. / The drying of agricultural products is the most used process to make certain its quality and stability. In this work was developed an automatic system to control the operation cycle of a heat pump with the purpose of to be used both in drier and in aeration of grains. When the heat pump is used in drier process, the control system is able to maintain the dryer air with constant temperature and humidity according to the parameters defined by the user. When used in the aeration process, the control system is able to maintain the air with values of temperature and humidity in such a way which keep moisture content of the grains constant, irrespective of environment changes. In the development of the control system a microcontroller PIC 18F4550, temperature sensors LM35 by National Semiconductors and Humidity sensors HIH 4000-004 by Honeywell was used. To produce the control action a PID control strategy was implemented in language C for microcontrollers, where reading the temperature and humidity sensors disposed at the environment, at the air exit of the heat pump and at the air exit of the grain store, the errors between the desired and the reads values is calculated. With the values of these errors, the PID control strategy try to keep it at the minimum value acting in the frequency inverters which control the compressor and the fan speed of the heat pump. To the case which the environment air humidity is below of the minimum value to maintain moisture contents of the grains in the aeration process, a spray system was purpose- built to produce a mist, when the system is turned on, in the air at the heat pump entrance, adding humidity to the air. After several tests to validate the performance of the control system developed in this work, was possible verify that the system is able to keep temperature and humidity of the air according with the values of set-point defined by user, respecting the operation range of the heat pump, independent of the environment changes. / Não foi localizado o cpf do autor.

Made available in DSpace on 2015-05-08T14:59:59Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 2959972 bytes, checksum: 6060cb1bb9ff1ddc36d963e12be8acd7 (MD5) Previous issue date: 2014-12-22 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The heat pump is a refrigeration unit with several applications in commercial, industrial and residential sectors. The heat pump is basically constituted of five components: compressor, condenser, expansion device, evaporator and fan. A heat pump was developed herein for air dehumidification and heating at moderate temperatures for drying of thermosensitive products. A thermodynamic model was developed to study the heat pump, based on the Law of Conservation of Mass and First and Second Laws of Thermodynamics. Measurement instruments were installed to obtain the necessary experimental data for the energy and exergy analysis. The experiments took place in different days between the months of May and November of 2014. The experiment that best represented the air dehumidification and heating was selected, due to an adequate isentropic efficiency of 93%. A computational code was developed in the Engineering Equation Solver software 9.0 (ESS 9.0) for the simulation of this study. Results obtained via EES, through solution of the system of equations, were mass flow (air, condensed water), heat transfer rates, COP, entropy generation rates, irreversibility rates, and exergy variation. It was verified that the heat pump system is technically viable and provides very satisfactory results: air was heated to a temperature of 51,7 ºC and dehumidified to a 18,5% relative humidity. / A bomba de calor é uma máquina frigorífica com diversas aplicações nos setores comercial, industrial e residencial. A bomba de calor é constituída basicamente por cinco componentes: compressor, condensador, dispositivo de expansão, evaporador e ventilador. Foi desenvolvida para este trabalho uma bomba de calor cuja finalidade é a desumidificação e o aquecimento do ar a temperaturas moderadas para a secagem de produtos termossensíveis. Para o estudo da bomba de calor em questão, foi desenvolvida uma modelagem termodinâmica baseada na Lei da Conservação da Massa e Primeira e Segunda Leis da Termodinâmica. Foram instalados instrumentos de medições para obter experimentalmente os dados necessários para a análise energética e exergética. Os experimentos ocorreram em dias alternados entre os meses de agosto e novembro de 2014. Foi selecionado o experimento que melhor representou os processos de desumificação e aquecimento do ar por apresentar uma eficiência isentrópica adequada de 93%. Desenvolveu-se um código computacional no software Engineering Equation Solver 9.0 (EES 9.0) para a simulação do estudo. Os resultados obtidos via EES, através da solução de um sistema de equações, foram vazão mássica (ar e água condensada), taxas de transferência de calor, COP, taxas de geração de entropia, taxas de irreversibilidades e variação de exergia. Foi verificado que o sistema da bomba de calor é tecnicamente viável e fornece resultados bastante satisfatórios: ar aquecido a temperatura de 51,7ºC e desumidificado a umidade relativa de 18,5%.

[ES] En un contexto de creciente preocupación por el calentamiento global y de políticas energéticas internacionales, en el cual los sistemas de climatización de los edificios suponen una parte importante del consumo energético global, los sistemas de bombas de calor son considerados como opciones muy interesantes debido a su alta eficiencia y por ser fuentes de energía renovables. En este sentido, una caracterización precisa de estos equipos es de vital importancia con el objetivo de mejorar su diseño y, en aquellos casos dónde este tipo de unidades se integren como parte de sistemas más complejos, implementar estrategias de control eficientes. En este contexto, esta tesis doctoral se centra en el modelado de bombas de calor con el fin de obtener modelos que permitan conocer con precisión el desempeño global de estas unidades en todo el rango de trabajo. En la primera parte del trabajo, se han realizado numerosos ensayos experimentales utilizando un nuevo prototipo de bomba de calor dual, obtenidos dentro del marco de trabajo del proyecto europeo GEOTeCH. Debido a la tipología hibrida de esta unidad, los resultados experimentales obtenidos incluyen datos de desempeño para las principales tecnologías de bombas de calor: las bombas de calor aerotérmicas y geotérmicas. Haciendo uso de toda esta información experimental, esta primera parte del trabajo se centra en obtener modelos polinómicos para la predicción del consumo eléctrico y las capacidades de calefacción y refrigeración en función de las variables externas a la unidad. Dichas variables son fáciles de obtener y suelen medirse en instalaciones reales. Por tanto, estos modelos caracterizan a la bomba de calor como un único componente, simplificando su implementación en modelos globales de sistemas más complejos donde se instalan estas unidades. Además, seleccionado un enfoque empírico para el modelado, en esta parte también se analizan algunos aspectos relevantes, como los términos a incluir en el polinomio, o cómo conformar las matrices experimentales de ensayo necesarias, es decir, cuántos puntos experimentales realizar y dónde situarlos en el rango de operación. Por último, la segunda parte de la tesis doctoral está dedicada a modelar uno de los componentes principales en estas unidades, el compresor. En este caso, el desarrollo de una extensa base de datos que incluye numerosos ensayos calorimétricos de las dos principales tecnologías de compresores, pistón y scroll, ha permitido el análisis detallado de las superficies de respuesta del consumo eléctrico y el caudal másico de refrigerante en función de las temperaturas de evaporación y condensación. A partir de esta información y siguiendo un enfoque similar al utilizado previamente, en esta segunda parte se revisan los modelos incluidos en la norma actual de caracterización de compresores, el estándar AHRI 540 (2020), para comprobar si son adecuados o si, por el contrario, debemos utilizar otro tipo de expresiones polinómicas. También se analizan en profundidad cuestiones críticas como el número de puntos necesarios para caracterizar cada tecnología de compresor, dónde situarlos en el dominio experimental, cómo evitar un posible sobreajuste del modelo minimizando problemas de extrapolación o interpolación, o cómo extrapolar los resultados para predecir con otros refrigerantes u otras condiciones de aspiración. / [CA] En un context de creixent preocupació per l'escalfament global i de polítiques energètiques internacionals, en el qual els sistemes de climatització dels edificis suposen una part important del consum energètic global, els sistemes de bombes de calor són considerats com a opcions molt interessants a causa de la seva alta eficiència i perquè són fonts d'energia renovables. En aquest sentit, una caracterització precisa d'aquests equips és de vital importància amb l'objectiu de millorar el seu disseny i, en aquells casos on aquest tipus d'unitats s'integren com a part de sistemes més complexos, implementar estratègies de control eficients. En aquest context, aquesta tesi doctoral se centra en el modelat de bombes de calor per obtenir models que permitisquen conèixer amb precisió el funcionament d'aquestes unitats a tot el rang de treball. A la primera part del treball, s'han realitzat nombrosos assajos experimentals utilitzant un nou prototip de bomba de calor dual, obtinguts dins del marc de treball del projecte europeu GEOTeCH. A causa de la tipologia hibrida d'aquesta unitat, els resultats experimentals obtinguts inclouen dades de funcionament per a les principals tecnologies de bombes de calor: les bombes de calor aerotèrmiques i geotèrmiques. Fent ús de tota aquesta informació experimental, aquesta primera part del treball se centra a obtenir models polinòmics per a la predicció del consum elèctric i les capacitats de calefacció i refrigeració en funció de les variables externes a la unitat. Aquestes variables són fàcils d'obtenir i se solen mesurar en instal·lacions reals. Per tant, aquests models caracteritzen la bomba de calor com un únic component, simplificant-ne la implementació en models globals de sistemes més complexos on s'instal·len aquestes unitats. A més, seleccionat un enfocament empíric per al modelatge, en aquesta part també s'analitzen alguns aspectes rellevants, com els termes a incloure al polinomi, o cóm conformar les matrius experimentals d'assaig necessàries, és a dir, quants punts experimentals realitzar i on situar-los al rang d'operació. Per acabar, la segona part de la tesi doctoral està dedicada al modelat d'un dels components principals d'aquestes unitats, el compressor. En aquest cas, el desenvolupament d'una extensa base de dades que inclou nombrosos assajos calorimètrics de les dues principals tecnologies de compressors, pistó i scroll, ha permès l'anàlisi detallat de les superfícies de resposta del consum elèctric i el cabal màssic de refrigerant segons les temperatures d'evaporació i de condensació. A partir d'aquesta informació i seguint un enfocament similar a l'utilitzat prèviament, en aquesta segona part es revisen els models inclosos a la norma actual de caracterització de compressors, l'estàndard AHRI 540 (2020), per comprovar si són adequats o si, per contra, cal utilitzar un altre tipus d'expressions polinòmiques. També s'analitzen en profunditat qüestions crítiques com el nombre de punts necessaris per caracteritzar cada tecnologia de compressor, on situar-los al domini experimental, cóm evitar un possible sobreajust del model minimitzant problemes d'extrapolació o interpolació, o cóm extrapolar els resultats per predir amb altres refrigerants o altres condicions d'aspiració. / [EN] In a context of global warming concerns and global energy policies, in which heating and cooling systems in buildings account for a significant amount of the global energy consumption, heat pump systems are widely considered as a really interesting option for enabling high efficiency and also for being renewable energy sources. In this sense, an accurate characterization of these units is of vital importance to improve their design and implement efficient control strategies, when the unit is integrated in more complex systems. Against this background, this PhD thesis focuses on heat pump modelling in order to create map-based models able to accurately characterize the global performance of these units for the entire working range. In the first part of this work, many experimental tests have been obtained for a new Dual Source Heat Pump prototype tested in the framework of the European project GEOTeCH. Due to the dual typology, the experimental results include performance data for the two main heat pump technologies: Air Source Heat Pumps and Ground Source Heat Pumps. By using all this experimental information, this first part focuses on obtaining empirical polynomial models capable of accurately predicting energy consumption and heating and cooling capacities as a function of external variables. Such variables are easy to measure and are usually recorded in real installations. Therefore, these models characterize the heat pump as a single component, simplifying its implementation in global models of more complex systems where these units are installed. Furthermore, selecting the empirical model approach, this part also includes some critical aspects, such as how to obtain the best polynomial expression, or how to perform the required experimental test matrices, i.e., how many tests should be conducted and where in the operating range. Finally, the second part of this PhD thesis is dedicated to modelling one of the main components of these units, the compressor. In this case, the development of an extensive database including numerous calorimetric tests on the two main compressor technologies, reciprocating and scroll compressors, has allowed the detailed analysis of the response surfaces of their performance parameters, i.e., the energy consumption and mass flow rate as a function of the evaporation and condensation temperatures. Using this information, and following an approach similar to that used in the first part, this second part reviews the models included in the current compressor characterization standard, the AHRI 540 (2020), in order to check whether they are appropriate or, on the contrary, whether we should use of other types of polynomial expression. Critical issues such as the number of points needed to characterize each compressor technology, where to place them in the experimental domain, how to prevent possible overfitting in the model adjustment to minimize extrapolation or interpolation problems, or how to extrapolate results for predicting other refrigerant or suction conditions, are discussed in depth. / I would like to acknowledge the financial support that has made this PhD thesis possible. The doctoral fellowship FPU15/03476 was founded by “Ministerio de Educación, Cultura y deporte” inside the program “Formación de Profesorado Universitario”, and the GEOTeCH project (No 656889) founded by the European Union under the “Horizon 2020 Framework Programme for European Research and Technological Development” / Marchante Avellaneda, J. (2023). Study of Response Surface Models for the characterization of the performance in Refrigeration Equipments and Heat Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/192653

Submitted by Silvana Teresinha Dornelles Studzinski (sstudzinski) on 2016-10-11T16:43:10Z No. of bitstreams: 1 William Marques Martins_.pdf: 6862880 bytes, checksum: 7ab899b6cdbfc9789b0b9a42720e96f6 (MD5) / Made available in DSpace on 2016-10-11T16:43:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 William Marques Martins_.pdf: 6862880 bytes, checksum: 7ab899b6cdbfc9789b0b9a42720e96f6 (MD5) Previous issue date: 2015-12-23 / FAPERGS - Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio Grande do Sul / UNISINOS - Universidade do Vale do Rio dos Sinos / Este trabalho apresenta um estudo teórico e experimental de um trocador de calor geotérmico, tipo helicoidal água-solo, para uso como condensador em um sistema de ar condicionado. Para o experimento foi construída uma bancada composta basicamente por um reservatório térmico, uma bomba d’água, medidor de vazão, um trocador de calor com serpentina tipo helicoidal com comprimento e diâmetro de 3 e 0,27 m, respectivamente e enterrado verticalmente no solo no sentido do comprimento. Foi utilizado um sistema de aquisição de dados conectado a um computador para monitorar sete sensores de temperatura: quatro para o trocador e três para a sonda térmica de medição das temperaturas do solo em três profundidades. Os resultados obtidos com o experimento foram utilizados para obtenção da condutividade térmica do solo e, posteriormente, utilizados na comparação com o modelo teórico, elaborado no software EES. A diferença entre os resultados medidos da taxa de transferência de calor e o resultado calculado ficou em torno de 1%. O modelo também foi utilizado para analisar alguns exemplos como calcular a altura necessária do trocador de calor para atender uma determinada demanda de potência térmica para o caso de substituição do condensador de um sistema de ar condicionado. Para isso foram utilizados os dados de um aparelho de ar condicionado tipo Split, com capacidade de refrigeração de 3,52 kW (12.000 Btu/h) para analisar o comportamento do trocador com diferentes condições de projeto, chegando-se a uma profundidade calculada de 37,11 metros para atender a esta demanda. / This work presents a theoretical and experimental study of a coil-type geothermal heat exchanger, water-soil, for use as condenser in an air conditioning system. An experimental bench was constructed to analyses the heat exchanger performance. This experimental facility consists of a thermal reservoir, a water pump and flow meter, a helical heat exchanger with length and diameter of 3 m and 0.27, respectively and buried vertically at this depth. During the experiments were monitored the temperatures in seven points: four in the heat exchanger and three for measuring the soil temperatures at three different depths. The results obtained with the experiments were used to obtain the thermal conductivity of the soil. The same data were used to validated the theoretical model that was implemented in the EES platform. The difference between the measured heat transfer rate and the theoretical results was about 1%. The model was also used to determine the required length of the heat exchanger to suit a particular thermal power demand for the replacement of a condenser of an air conditioning system. For this, we used the data from a split type air conditioning unit, with a condenser thermal capacity of 3,52 kW, and to analyze the behavior of the heat exchanger with various design conditions, coming to a calculated depth 37.11 meters to meet this demand.

Submitted by Marco Antônio de Ramos Chagas (mchagas@ufv.br) on 2017-05-31T13:05:45Z No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3899216 bytes, checksum: ce045da97def621627bd461b4b58db2d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-05-31T13:05:45Z (GMT). No. of bitstreams: 1 texto completo.pdf: 3899216 bytes, checksum: ce045da97def621627bd461b4b58db2d (MD5) Previous issue date: 2008-12-16 / O tratamento do ar utilizado em processos agrícolas é uma das atividades essenciais para preservar a qualidade dos produtos ou catalisar os processos para que as atividades de processamento se desenvolvam de forma eficiente. A utilização da circulação do ar como ferramenta de arrasto e transporte de umidade do produto ou do ar que, entremeado em determinada massa de produtos, promove a secagem, a aeração ou resfriamento desse produto. Um dos processos de tratamento desse ar é sua secagem, por meio de aquecimento. Um dos métodos empregados para promover o aquecimento do ar utiliza uma máquina, conhecida como bomba de calor. A aplicação da bomba de calor tem sido, na sua grande maioria, utilizada em regime único de operação de compressão. O controle da taxa de compressão é um dos focos desse trabalho, onde as avaliações dos resultados do funcionamento da bomba de calor, em diversas taxas de compressão, forneceram ar com diferentes valores de umidade relativa e de temperatura. A bomba de calor, utilizada no experimento de beneficiamento de café descascado e desmucilado foi fabricada pela Cool Seed Resfriamento Artificial, sob a orientação do Professor Adílio Flauzino Lacerda Filho. Nesse equipamento um ventilador em regime único é responsável para insuflar o ar nos equipamentos agrícolas. Nesse equipamento, um ventilador em regime único de operação é responsável para insuflar o ar nos equipamentos agrícolas. Um inversor de freqüência, modelo CFW-08 fabricado pela WEG Automação Ltda., foi utilizando para controlar o compressor da bomba, usando sua função multispeed, com a qual foi possível determinar oito regimes diferentes de operação para o compressor fornecendo ar na saída com características psicrométricas diferentes. Os valores de freqüência ajustada, umidade relativa e temperatura do ar na saída da bomba de calor foram coletados, analisados e equacionados. A partir dessas informações e da análise do funcionamento do inversor, foi desenvolvida uma interface para operação manual ou automática, deixando o painel do inversor isolado, garantindo segurança para o operador. A automatização dos controles utilizou chaves ACIONAAC ® e ACIONAACDC ® , com relés, tendo como base chaves digitais DS2406 fabricadas pela Dallas Semiconductor usando a tecnologia 1-Wire TM e uma rotina computacional de acionamento dessas chaves desenvolvida em DELPHI. Os sensores usados para medição de umidade relativa e temperatura ambiente utilizam o dispositivo UMETER®, tendo como base o sensor de umidade relativa HIH-4000 produzido pela Honeywell e o conversor AD DS2438 fabricado pela Dallas Semiconductor utilizando a tecnologia 1-Wire TM . Outra máquina frigorífica foi utilizada para o resfriamento de produtos agrícolas. Essa máquina é um modelo de linha da empresa Cool Seed Resfriamento Artificial, na qual somente seu ventilador tem a sua velocidade controlada por um inversor de freqüência, modelo CFW-09 produzido pela empresa WEG Equipamentos Elétricos S.A. Foi realizado o resfriamento de frutos de café previamente secados e armazenados em um silo de 12m 3 de volume interno. A massa de frutos de café foi resfriada até atingir uma temperatura em torno de 10 o C na parte inferior do silo e 12 o C no topo do silo. Essa máquina frigorífica não sofreu alterações. Porém, o ar fornecido pelas máquinas, que modificam as suas características características desejadas psicrométricas, para o pode não processamento de apresentar as determinados produtos. Sendo assim, é necessário fazer correções ou de umidade relativa, ou de temperatura, do ar a ser empregado. Uma caixa de mistura com uma válvula de mistura foi desenvolvida para realizar o ajuste da grandeza desejada. A correção é realizada pela abertura dessa válvula, usando um motor de passo acionado por um microcontrolador acionado por chaves ACIONAACDC®, promovendo a mistura do ar atmosférico (sem tratamento) com o ar já processado. Pequenas correções são possíveis devido à pequena vazão que essa válvula proporciona. Sua abertura é controlada por uma rotina computacional desenvolvida em DELPHI para monitorar os valores da umidade relativa do ar na saída da caixa de mistura e acionar as chaves. A integração dessa caixa de mistura com uma fonte de ar processado foi experimentada e apresentou na saída alteração em até 10% no valor da umidade relativa do ar na entrada. A caixa de mistura, os sensores e as chaves utilizadas foram desenvolvidos experimentalmente exclusivamente para serem utilizados nesse trabalho. / The treatment of the air used in agricultural processes is one of the essential activities to preserve the product quality or to catalyze the processes so that the processing activities are efficiently developed. The use of the air circulation as a tool for dragging and transporting moisture from the product or humidity from the air inside the void spaces in determined mass of products, promotes its drying, aeration or cooling. One of the processes used is to heat the air by using a machine called heat pump. The heat pump application has been, in general, used in single regimen of compression operation. The control of the compression rates is one of the objectives of this work, for which the evaluation of the heat pump operation for several compression rates resulted demonstrated the possibility of obtaining airflow with different relative humidity and temperature. The heat pump used in the experiment of coffee drying processing was manufactured by the company Cool Seed Resfriamento Artificial, under Dr. Adílio Flauzino de Lacerda Filho supervision. In this equipment a fan under single operation regimen is responsible to blow the air through the agricultural equipment. A frequency inverter, model CFW-08 manufactured by WEG Equipamentos Elétricos Ltda. was used to control the compressor of the heat pump by using its multispeed function, turning it possible to obtain eight different modes of operation for the compressor, supplying air at the pump outlet with different psychrometric characteristics. The values of adjusted frequency, relative humidity and temperature of the air at the heat pump outlet had been collected, analyzed and equated. Based on this information and analysis of the inverter operation, an interface for manual or automatic operation was developed, leaving isolated the inverter panel in order to guarantee the safety for the operator. The automation of the controls was developed using the digital switches called ACIONAAC ® and ACIONAACDC ® , with relays, based on the digital switch DS2406 manufactured by Dallas Semiconductor using the 1-Wire TM technology, and a computational routine written in DELPHI to activate these switches. The air relative humidity and ambient temperature were measured using a device called UMETER®, constructed with HIH-4000 humidity sensor, manufactured by the company Honeywell, and a DS2438 AD converter, manufactured by the company Dallas Semiconductor using 1-Wire TM the technology. Another refrigerating machine was used for cooling of agricultural products. This new machine is a commercial model of the company Cool Seed Resfriamento Artificial. In machine only the fan speed is controlled speed by a frequency inverter, model CFW-09, manufactured by WEG Equipamentos Elétricos S.A. It was realized the cooling of previously dried and stored coffee fruits in a silo with 12 m 3 of internal volume. The bulk of coffee was cooled until reach a temperature of, approximately, 10 o C at the bottom and 12 o C at the top of the bin. This refrigerating machine had no modifications. However, the airflow supplied by the machines that modify its psychrometric characteristics, may not present the desired characteristics for processing of certain products. Therefore it may be necessary to make corrections of the relative humidity or temperature of the airflow to be used. A mixture chamber with a mixture valve was developed to carry out the adjustment of the desired parameters. The correction is made by opening this valve, using an step motor controlled by a microcontroller driven by an ACIONAACDC® switch, realizing the mixture of atmospheric air (without treatment) with the already treated air. Small corrections are possible due to small outflow that this valve provides. The opening of the valve is controlled by a computational routine developed in DELPHI to monitor the values of the air relative humidity at the outlet of the mixture chamber and to activate the switches. The integration of this mixture chamber with a processed air source was tested and presented a change in the value of the relative humidity at the outlet up to 10% as compared with that at the inlet. The mixture chamber, some sensors and switches were developed experimentally exclusively to be used in this work.

[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

[ES] Debido a la crisis climática, es necesario encontrar fuentes alternativas para la climatización de locales y la producción de agua caliente sanitaria (ACS). Las bombas de calor se presentan como una alternativa excelente para sustituir a las calderas y así poder reducir las emisiones de gases contaminantes. En obra nueva, si se dispone de acceso al terreno o a una masa de agua, las bombas de calor agua-agua o salmuera-agua son altamente recomendadas debido a sus numerosas ventajas. El principal problema que presentan las bombas de calor es el refrigerante que contienen, ya que en la actualidad no existe refrigerante que sea a la vez barato, seguro y con propiedades termodinámicas óptimas. La tendencia en el futuro cercano en bombas de calor utilizadas para la calefacción de locales es volver al uso de refrigerantes naturales como los hidrocarburos y las hidrofluorolefinas. Estos refrigerantes presentan problemas de seguridad debido a su inflamabilidad o toxicidad y es por eso que, en caso de carecer de medidas de seguridad adicionales, la cantidad de refrigerante está limitada. En esta tesis se presenta un trabajo experimental sobre una bomba de calor salmuera-agua trabajando con poca cantidad de R290. La campaña experimental fue pensada para obtener resultados beneficiosos sobre cuál es el actual potencial de este tipo de tecnología tras la limitación de la carga de refrigerante, para desarrollar formas de reducción de carga de refrigerante en los sistemas y para mejorar las simulaciones de predicción de la cantidad necesaria de refrigerante. La campaña experimental está dividida en dos partes, cada una enfocada en uno de los siguientes objetivos: la primera en conocer el actual comportamiento anual de esa bomba de calor y la segunda para desarrollar estrategias de reducción de carga de refrigerante. En cada campaña experimental se almaceno tanto los datos de funcionamiento como la cantidad de refrigerante que había en cada uno de los componentes. La instalación estaba equipada con las herramientas necesarias para la toma de datos durante el funcionamiento de la bomba de calor y también era capaz de sectorizarla asilando cada uno de los componentes para poder extraer y pesar el refrigerante y así conocer que cantidad había en cada zona. Con los datos recogidos, se ha podido observar diferencias entre la predicción de carga de refrigerante en los diferentes componentes y la medida experimentalmente, y también se ha encontrado alguna de las causas de esa discrepancia, pudiendo así corregir el modelo. Para ello, se ha desarrollado un modelo de compresor y al modelo existente de intercambiadores de calor se le ha añadido un volumen muerto de refrigerante. Con estos cambios la predicción ha mejorado notablemente en el modelo utilizado y en la actualidad se puede utilizar para conocer una aproximación del refrigerante necesario. / [CA] A causa de la crisi climàtica, és necessari enden fonts alternatives per a la climatització dels locals i la endencia d'aigua calenta sanitaria (ACS). Les bombes de calor es presenten com una alternativa excel·lent per a substituir a les calderes i així poder reduir les emissions de gasos contaminants. En obra nova, si es disposa d'accés al terreny o a una massa d'aigua, les bombes de calor aigua-aigua o salmorra-aigua són endencia recomanades a causa dels seus nombrosos avantatges. El principal problema que presenten les bombes de calor és el refrigerant que contenen, ja que en l'actualitat no existeix refrigerant que siga alhora barat, segur i amb propietats termodinàmiques òptimes. La tendencia actual en bombes de calor utilitzades per a la calefacció d'espais, és tornar a l'ús de refrigerants naturals com els hidrocarburs i les hidrofluorolefines. Aquests refrigerants presenten problemes de seguretat a causa de la seua inflamabilitat o toxicitat i és per això que, en cas de mancar de mesures de seguretat addicionals, la quantitat de refrigerant està limitada. En aquesta tesi es presenta un treball experimental sobre una bomba de calor salmorra-aigua treballant amb poca quantitat de R290. La campanya experimental va ser pensada per a obtindre resultats beneficiosos sobre quin és l'actual potencial d'aquesta mena de tecnologia després de la limitació de la càrrega de refrigerant, per a desenvolupar formes de reducció de càrrega de refrigerant en els sistemes i per a millorar les simulacions de predicció de la quantitat necessària de refrigerant. La campanya experimental està dividida en dues parts, cadascuna enfocada en un dels següents objectius: la primera a conéixer l'actual comportament anual d'aqueixa bomba de calor i la segona per a desenvolupar estratègies de reducció de càrrega de refrigerant. En cada campanya experimental s'emmagatzeme tant les dades de funcionament com la quantitat de refrigerant que hi havia en cadascun dels components. La instal·lació estava equipada amb les eines necessàries per a la presa de dades durant el funcionament de la bomba de calor i també era capaç de sectoritzar-la asilant cadascun dels components per a poder extraure i pesar el refrigerant i així conéixer que quantitat hi havia en cada zona. Amb les dades recollides, s'ha pogut observar diferències entre la predicció de càrrega de refrigerant i la mesura experimentalment, i també s'ha trobat alguna de les causes d'aqueixa discrepància, podent així corregir el model. Per a això, s'ha desenvolupat un model de compressor i al model existent de bescanviadors de calor se li ha afegit un volum mort de refrigerant. Amb aquests canvis la predicció ha millorat notablement i en l'actualitat es pot utilitzar per a conéixer una aproximació del refrigerant necessari. / [EN] Due to the climate crisis, there is a need to find alternative energy sources for space heating, cooling, and domestic hot water (DHW) production. Heat pumps are an excellent alternative to substitute current boilers to reduce gas emissions. A liquid source heat pump is highly recommended in new buildings with access to land or water due to its significant advantages. The main problem with this technology is that it uses a refrigerant inside, and there is no refrigerant with good performance, cheap and safe to handle. The near future trend in heat pumps used for space heating is to use pure refrigerants such as natural refrigerants and HFOs. These refrigerants (except CO2) have safety issues (flammability or toxicity); consequently, a maximum amount of refrigerant is allowed without considering extra safety measures. This PhD presents an experimental work with a ground source heat pump (GSHP) with a low R290 refrigerant amount. This experimental campaign is helpful to know the current achievable performance derived from the limitation of refrigerant amount, to develop refrigerant charge reduction strategies and to improve existing simulation software based on refrigerant charge prediction. The experimental campaign was divided into two parts to focus separately on normal annual behaviour and refrigerant charge reduction strategies. In each test campaign, performance data was recorded during the test, and the refrigerant charge amount in each component was extracted and weighed after the end of each test. The installation had the tools to acquire data from the vapour compression circuit, isolate the components, and extract and weigh the refrigerant to know how much refrigerant was inside each section. With the data collected, it was observed that the differences in refrigerant charge prediction in the components with the software used were significant, and some causes of these differences have been identified, correcting the prediction model. So, a compressor model has been developed, and a dead volume has been added to the refrigerant charge calculation in heat exchangers. With these changes, the refrigerant prediction has greatly improved in the model used and could be a reliable approximation. / Gracias a la Universitat Politècnica de València por brindarme la financiación y los medios a través del programas “Ayudas para movilidad de estudiantes de Doctorado de la Universitat Politècnica de València” y “Programa de Ayudas de investigación y Desarrollo” (PAID-01-17) / Sánchez-Moreno Giner, L. (2023). Research about Refrigerant Charge in Domestic Heat Pumps [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196786

Tesis por compendio / [ES] El sistema de bomba de calor geotérmica (GSHP) es una tecnología prometedora para utilizar la energía geotérmica somera (EGS). En este sistema, un intercambiador enterrado de calor de perforación (BHE) desempeña un papel principal e influye directamente en el coeficiente de rendimiento estacional (SCOP) de este sistema geotérmico poco profundo. Se han llevado a cabo diferentes estudios para mejorar el rendimiento del BHE, incluyendo el uso de materiales avanzados para el plástico de las tuberías, uso de fluido caloportador (o de transferencia de calor) y de relleno/grouting, de mayor transferencia de calor, diseño de nuevas geometrías, y la optimización del BHE para ser utilizado como sistemas de almacenamiento de energía térmica (BTES). Los costes de perforación, el consumo eléctrico de las bombas de calor y la resistencia térmica de las perforaciones pueden reducirse utilizando materiales con propiedades termofísicas adecuadas, como los nanofluidos y los materiales de almacenamiento térmico. De este modo, no sólo se produce una transferencia de calor más significativa entre el fluido caloportador, el relleno y el terreno, sino que también se reduce el efecto térmico sobre el entorno. El fluido de transferencia de calor es uno de los factores de optimización de la BHE que se utilizará para el almacenamiento de energía térmica (TES). Una mayor conductividad térmica en el fluido de transferencia de calor mejora la eficacia de la transferencia de calor entre el fluido y los materiales alrededor, lo que lleva a alcanzar con mayor rapidez la temperatura de cambio de fase en los materiales de almacenamiento. Cuando se usa un fluido de transferencia de calor con una conductividad térmica superior, la temperatura del material de almacenamiento de calor experimenta fluctuaciones más rápidas, lo que reduce significativamente la duración necesaria para un cambio de fase completo. Además, usar materiales de cambio de fase (PCM) para almacenar calor en lugar del relleno convencional permite aprovechar el BHE como sistema BTES. Además de disminuir considerablemente la profundidad de perforación necesaria, el sistema BTES puede almacenar y liberar energía diaria y estacionalmente para reducir la carga durante las horas punta. Sin embargo, hay un vacío notable en la bibliografía sobre la exploración y aplicación de nuevos materiales de almacenamiento de calor y fluidos de transferencia de calor en las BHE para hacerlas aptas para fines de BTES. Aunque se han aplicado diversas innovaciones para mejorar el rendimiento de los BHE, como el uso de materiales plásticos avanzados y la optimización del diseño, la mayor parte de la investigación se ha centrado en el uso convencional de los BHE. Debería prestarse más atención a las ventajas potenciales del aprovechamiento de los intercambiadores de calor mediante la aplicación de nanofluidos y PCM como fluidos de transferencia de calor y medios de almacenamiento de calor, respectivamente. Como ya se ha mencionado, estos materiales poseen propiedades termofísicas superiores que pueden dar lugar a una transferencia de calor más eficiente, una reducción de los costes de perforación, un menor consumo de electricidad en las bombas de calor y una disminución de la resistencia térmica de la perforación. Esta laguna en la investigación hace necesaria una investigación en profundidad para determinar la viabilidad y factibilidad de la aplicación de estos materiales avanzados en las BHE, facilitando en última instancia su transformación en sistemas BTES fiables. Por lo tanto, los principales objetivos de esta tesis doctoral son estudiar experimental y numéricamente los impactos del uso de materiales avanzados para el fluido caloportador y el relleno/grouting tales como nanofluidos y PCMs, en el rendimiento del BHE como sistemas BTES. El estudio pretende seleccionar los materiales más favorables, convirtiéndose en una referencia práctica y fiable para futuros proyectos y sectores industriales. / [CA] El sistema de bomba de calor geotèrmica (GSHP, en anglès) és una tecnologia prometedora per a utilitzar l'energia geotèrmica succinta (EGS). En este sistema, un bescanviador enterrat de calor de perforació (BHE, en anglès) exercix un paper principal i influïx directament en el coeficient de rendiment estacional (SCOP) d'este sistema geotèrmic poc profund. S'han dut a terme diferents estudis per a millorar el rendiment del *BHE, incloent-hi l'ús de materials avançats per al plàstic de les canonades, ús de fluid termòfor (o de transferència de calor) i de grouting, de major transferència de calor, disseny de noves geometries, i l'optimització del BHE per a ser utilitzat com a sistemes d'emmagatzematge d'energia tèrmica (BTES, en anglès). Els costos de perforació, el consum elèctric de les bombes de calor i la resistència tèrmica de les perforacions poden reduir-se utilitzant materials amb propietats termo-físiques adequades, com els nanofluids i els materials d'emmagatzematge tèrmic. D'esta manera, no sols es produïx una transferència de calor més significativa entre el fluid termòfor, el farciment i el terreny, sinó que també es reduïx l'efecte tèrmic sobre l'entorn. El fluid de transferència de calor és un dels factors d'optimització de la *BHE que s'utilitzarà per a l'emmagatzematge d'energia tèrmica (*TES). Una major conductivitat tèrmica en el fluid de transferència de calor millora l'eficàcia de la transferència de calor entre el fluid i els materials al voltant, la qual cosa porta a aconseguir amb major rapidesa la temperatura de canvi de fase en els materials d'emmagatzematge. Quan s'usa un fluid de transferència de calor amb una conductivitat tèrmica superior, la temperatura del material d'emmagatzematge de calor experimenta fluctuacions més ràpides, la qual cosa reduïx significativament la duració necessària per a un canvi de fase complet. A més, usar materials de canvi de fase (PCM, en anglès) per a emmagatzemar calor en lloc del farciment convencional permet aprofitar el BHE com a sistema BTES. A més de disminuir considerablement la profunditat de perforació necessària, el sistema BTES pot emmagatzemar i alliberar energia diària i estacionalment per a reduir la càrrega durant les hores punta. No obstant això, hi ha un buit notable en la bibliografia sobre l'exploració i aplicació de nous materials d'emmagatzematge de calor i fluids de transferència de calor en les BHE per a fer-les aptes per a fins de BTES. Encara que s'han aplicat diverses innovacions per a millorar el rendiment dels BHE, com l'ús de materials plàstics avançats i l'optimització del disseny, la major part de la investigació s'ha centrat en l'ús convencional dels BHE. Hauria de prestar-se més atenció als avantatges potencials de l'aprofitament dels bescanviadors de calor mitjançant l'aplicació de nanofluids i PCM com a fluids de transferència de calor i mitjans d'emmagatzematge de calor, respectivament. Com ja s'ha esmentat, estos materials posseïxen propietats termo-físiques superiors que poden donar lloc a una transferència de calor més eficient, una reducció dels costos de perforació, un menor consum d'electricitat en les bombes de calor i una disminució de la resistència tèrmica de la perforació. Esta llacuna en la investigació fa necessària una investigació en profunditat per a determinar la viabilitat i factibilitat de l'aplicació d'estos materials avançats en les BHE, facilitant en última instància la seua transformació en sistemes BTES fiables. Per tant, els principals objectius d'esta tesi doctoral són estudiar experimental i numèricament els impactes de l'ús de materials avançats per al fluid termòfor i el grouting com ara nanofluids i PCMs, en el rendiment del BHE com a sistemes BTES. L'estudi pretén seleccionar els materials més favorables, convertint-se en una referència pràctica i fiable per a futurs projectes i sectors industrials. / [EN] Due to severe environmental pollution and worldwide energy deficiency, exploiting renewable energies has become more critical than ever. Shallow geothermal energy (SGE) is considered a sustainable and renewable energy source with significant advantages in space heating and cooling, industrial applications, greenhouses, electricity production, agriculture industry devices, and hot water production, among others. The ground source heat pump (GSHP) system is a promising technology for utilizing SGE. In this system, a borehole heat exchanger (BHE) plays an important role and directly influences the coefficient of performance (COP) of this shallow geothermal system. Different approaches have been carried out to enhance the performance of the BHE, including using advanced materials for pipes, heat transfer fluids, and backfill/grout, designing new geometries, and optimizing the BHE to be used as borehole thermal energy storage (BTES) systems. Drilling costs, heat pump electricity consumption, and borehole thermal resistance can be reduced using materials with appropriate thermo-physical properties like nanofluids and heat storage materials. This results in not only a more significant heat transfer between the heat transfer fluid, the backfill/grout, and the soil but also lessens the thermal effect on the surroundings. Heat transfer fluid is one of the factors in optimizing the BHE to be used for thermal energy storage (TES). Increased thermal conductivity in the heat transfer fluid enhances heat transfer efficiency between the fluid and the heat storage materials, leading to a more rapid attainment of the phase change temperature in the storage materials. In essence, when employing a heat transfer fluid with superior thermal conductivity, the temperature of the heat storage material experiences quicker fluctuations, resulting in a significant reduction in the duration required for a complete phase change. Moreover, the use of phase change material (PCM) as a heat storage medium instead of conventional backfill/grout enables the BHE to be beneficial and applicable as a BTES system. In addition to decreasing the required borehole depth considerably, the BTES system can store and release energy daily and seasonally to reduce the load during peak hours. However, there is a notable gap in the literature concerning exploring and applying new heat storage and heat transfer fluid materials in BHEs to render them suitable for TES purposes. While various approaches have been undertaken to enhance BHE performance, including using advanced materials and design optimizations, most research has concentrated on the conventional goal of BHEs. More attention should be given to the potential advantages of these heat exchangers by applying nanofluids and PCMs as heat transfer fluids and heat storage media, respectively. As mentioned above, these materials possess superior thermo-physical properties that can lead to more efficient heat transfer, reduced drilling costs, lower electricity consumption in heat pumps, and diminished borehole thermal resistance. This research gap necessitates an in-depth investigation to determine the feasibility and practicality of implementing these advanced materials in BHEs, ultimately facilitating their transformation into reliable BTES systems. The outcomes of such research endeavors hold the promise of addressing environmental concerns and global energy deficiencies by advancing the utilization of renewable energy sources like SGE sustainably and effectively. Therefore, the main objectives of this doctoral dissertation are to study experimentally and numerically the impacts of using advanced materials for heat transfer fluid and backfill/grout, such as nanofluids and PCMs, on the performance of the BHE as BTES systems. The study aims to select the most favorable materials, making it a practical and reliable reference for future projects and industry sectors. / This research has received funding from the European Union’s Horizon 2020 Research and Innovation program named GEOCOND under grant agreement No [727583]. / Javadi, H. (2024). Experimental and Numerical Study of the Thermo-Fluid Dynamics of Borehole Heat Exchangers Incorporating Advanced Materials to be Optimized for use as Thermal Energy Storage (BTES) [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203144 / Compendio

Tesis por compendio / [ES] La tecnología de bombas de calor se ha vuelto estratégica en Europa, está extendiéndose rápidamente y se planea que reemplace las calderas de gas en un futuro cercano. Sin embargo, aún enfrenta desafíos, como encontrar refrige-rantes nuevos viables y altamente eficientes, y mejorar aún más el rendimiento del sistema. Para abordar este último problema, han surgido las bombas de calor de velocidad variable que prometen reducir el consumo anual e incremen-tar el confort adaptando la potencia suministrada a las necesidades cambiantes. Esta tecnología se está implementando ya, pero carece de una metodología estandarizada para diseñar y seleccionar sus componentes. Esta tesis tiene como objetivo establecer pautas de diseño generales para la selección y diseño de componentes de bombas de calor de velocidad variable, y ofrecer información valiosa que se pueda traducir en herramientas para asistir en la simulación, diseño, selección y detección de fallas en estos dispositivos. El contenido del estudio se puede dividir en tres áreas temáticas: En una primera parte, se estudian los compresores de velocidad variable. El compresor es el primer componente que se selecciona en una bomba de calor, modula la capacidad y es el principal consumidor de energía. Sin embargo, no existen metodologías bien establecidas para modelar su comportamiento. En esta parte, se realizan ensayos de caracterización de compresores de velocidad variable y sus inversores para comprender su comportamiento y proporcionar correlaciones compactas para modelar su rendimiento. En la segunda parte, se propone una metodología para dimensionar los intercambiadores de calor en bombas de calor de velocidad variable. Nor-malmente, se diseñan para una potencia fija y temperaturas de trabajo constan-tes, sin embargo, en las bombas de velocidad variable, la capacidad y las tempe-raturas de trabajo fluctúan significativamente con el tiempo. En esta parte, se estudia la evolución del rendimiento de los intercambiadores de calor con la capacidad (velocidad del compresor) y se propone una metodología de selec-ción/dimensionamiento que considera la evolución de la capacidad requerida y de las condiciones climáticas externas a lo largo del año. Por último, se evalúa la circulación del aceite en las bombas de calor de velocidad variable. Gestionar la lubricación en los compresores de velocidad variable es un problema típico ya que, para tener suficiente lubricación a bajas velocidades, el compresor termina bombeando un exceso de aceite a altas velo-cidades. En esta parte se estudia la evolución de las tasas de circulación de acei-te con la velocidad y se analiza teóricamente su efecto en el rendimiento de la bomba de calor. / [CA] La tecnologia de les bombes de calor s'ha tornat estratègica a Europa, s'està estenent ràpidament i es preveu que substituïsca les calderes de gas en un futur pròxim. Tanmateix, encara s'enfronta a desafiaments com trobar refrigerants nous viables i altament eficients, i millorar encara més el rendiment del sistema. Per abordar aquest darrer problema, han sorgit les bombes de calor de velocitat variable que prometen reduir el consum anual i incrementar el confort adaptant la potència subministrada a les necessitats variables. Aquesta tecnologia ja s'es-tà implementant, però manca d'una metodologia estandarditzada per dissenyar i seleccionar els seus components. Aquesta tesi té com a objectiu establir pautes de disseny generals per a la se-lecció i disseny de components de bombes de calor de velocitat variable, i oferir informació valuosa que es pugui traduir en eines per ajudar en la simulació, disseny, selecció i detecció de fallades d'aquests dispositius. El contingut de l'estudi es pot dividir en tres àrees temàtiques: En una primera part, s'estudien els compressors de velocitat variable. El compressor és el primer component seleccionat d'una bomba de calor, modula la capacitat i és el principal consumidor d'energia. Tanmateix, no hi ha metodo-logies ben establides per modelar el seu comportament. En aquesta part, es realitzen assajos de caracterització de compressors de velocitat variable i els seus inversors per comprendre el seu comportament i proporcionar correlaci-ons compactes per modelar el seu rendiment. En la segona part, es proposa una metodologia per dimensionar els inter-canviadors de calor en bombes de calor de velocitat variable. Normalment, es dissenyen per a una potència fixa i temperatures de treball constants, no obs-tant això, en les bombes de velocitat variable, la capacitat i les temperatures de treball fluctuen significativament amb el temps. En aquesta part, s'estudia l'evo-lució del rendiment dels intercanviadors de calor amb la capacitat (velocitat del compressor) i es suggereix una metodologia de selecció/dimensionament que considera l'evolució de les càrregues i de les condicions climàtiques externes al llarg de l'any. Finalment, s'avalua la circulació de l'oli a les bombes de calor de velocitat variable. Gestionar la lubricació als compressors de velocitat variable és un pro-blema típic, ja que per tenir suficient lubricació a baixes velocitats, el compres-sor acaba bombejant un excés d'oli a altes velocitats. En aquesta part s'estudia l'evolució de les taxes de circulació d'oli amb la velocitat i s'analitza teòricament el seu efecte en el rendiment de la bomba de calor. / [EN] Heat pump technology has become strategic in Europe, it is rapidly spread-ing, and it is planned to replace gas boilers in the near future. However, they still have challenges to solve, such as finding new viable and highly efficient refriger-ants and further increasing their system performance. For this latter issue, vari-able-speed heat pumps arise, which claim to decrease annual consumption and increase comfort by adapting the delivered capacity to the changing loads. This technology is being implemented but lacks a standardized methodology to de-sign and select its components. This thesis aims to establish comprehensive design guidelines for selecting and designing variable-speed heat pump components and give insights that can translate into valuable information and tools for engineers to assist them in the pump simulation, design, selection and fault detection. The content of the study can be divided into three thematic areas: In the first part, variable-speed compressors are studied. The compressor is the first selected heat pump component; it modulates the capacity and is the primary energy consumer. However, there are no well-established methodolo-gies to model their behavior. In this part, extensive testing of variable-speed compressors and their inverters was carried out to understand their behavior and to provide compact correlations to model their performance. The second part proposes a methodology to size heat exchangers for variable-speed heat pumps. Typically, they are designed for a fixed capacity and constant working temperatures. However, the capacity and working tempera-tures fluctuate significantly overtime in variable-speed pumps. In this part, the performance evolution of heat exchangers with capacity is studied, and a meth-odological selection/sizing technique is proposed that considers the evolution of external climatic conditions and loads over the year. Lastly, the oil circulation in variable-speed heat pumps is assessed. Man-aging lubrication in variable-speed compressors is a typical issue, as a design valid for sufficient lubrication at low compressor speeds will end up pumping excess oil at high speeds. In this final part, the evolution of oil circulation rates with speed is studied, and its effect on heat pump performance is theoretically analyzed. / I am indebted to the Spanish and European governments for their financial support with the grant PRE2018-083535, which made this research possible. Their commitment to academic excellence and research advancement has been crucial in successfully completing this thesis. / Ossorio Santiago, RJ. (2024). Modelling of Heat Pumps Working with Variable-Speed Compressors [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/203104 / Compendio