Concentrated Solar Power (CSP) technologies are gaining increasing interest in electricity generation due to the good potential for scaling up renewable energy at the utility level. Parabolic trough solar collector (PTC) is economically the most proven and advanced of the various CSP technologies. The modelling of these devices is a key aspect in the improvement of their design and performances which can represent a considerable increase of the overall efficiency of solar power plants. In the subject of modelling and improving the performances of PTCs and their heat collector elements (HCEs), the thermal, optical and aerodynamic study of the fluid flow and heat transfer is a powerful tool for optimising the solar field output and increase the solar plant performance. This thesis is focused on the implementation of a general methodology able to simulate the thermal, optical and aerodynamic behaviour of PTCs. The methodology followed for the thermal modelling of a PTC, taking into account the realistic non-uniform solar heat flux in the azimuthal direction is presented. Although ab initio, the finite volume method (FVM) for solving the radiative transfer equation was considered, it has been later discarded among other reasons due to its high computational cost and the unsuitability of the method for treating the finite angular size of the Sun. To overcome these issues, a new optical model has been proposed. The new model, which is based on both the FVMand ray tracing techniques, uses a numerical-geometrical approach for considering the optic cone. The effect of different factors, such as: incident angle, geometric concentration and rim angle, on the solar heat flux distribution is addressed. The accuracy of the new model is verified and better results than the Monte Carlo Ray Tracing (MCRT) model for the conditions under study are shown. Furthermore, the thermal behaviour of the PTC taking into account the nonuniform distribution of solar flux in the azimuthal direction is analysed. A general performance model based on an energy balance about the HCE is developed. Heat losses and thermal performances are determined and validated with Sandia Laboratories tests. The similarity between the temperature profile of both absorber and glass envelope and the solar flux distribution is also shown. In addition, the convection heat losses to the ambient and the effect of wind flow on the aerodynamic forces acting on the PTC structure are considered. To do this, detailed numerical simulations based on Large Eddy simulations (LES) are carried out. Simulations are performed at two Reynolds numbers of ReW1 = 3.6 × 105 and ReW2 = 1 × 106. These values corresponds to working conditions similar to those encountered in solar power plants for an Eurotrough PTC. The study has also considered different pitch angles mimicking the actual conditions of the PTC tracking mechanism along the day. Aerodynamic loads, i.e. drag and lift coefficients, are calculated and validatedwith measurements performed in wind tunnels. The indepen-dence of the aerodynamic coefficients with Reynolds numbers in the studied range is shown. Regarding the convection heat transfer taking place around the receiver, averaged local Nusselt number for the different pitch angles and Reynolds numbers have been computed and the influence of the parabola in the heat losses has been analysed. Last but not the least, the detailed analysis of the unsteady forces acting on the PTC structure has been conducted by means of the power spectra of several probes. The analysis has led to detect an increase of instabilities when moving the PTC to intermediate pitch angles. At these positions, the shear-layers formed at the sharp corners of the parabola interact shedding vortices with a high level of coherence. The coherent turbulence produces vibrations and stresses on the PTC structure which increase with the Reynolds number and eventually, might lead to structural failure under certain conditions.

Des de la seva creació, el microscopi de força atòmica (AFM) ha estat àmpliament utilitzat sobretot per la caracterització de superfícies, obtenint imatges topogràfiques amb una resolució espacial de l’ordre o fins i tot inferior al nanòmetre. L’AFM també ha estat utilitzat per manipular matèria a la nanoescala. El fet de no necessitar de materials o superfícies conductores elèctriques, l’ha convertit en un instrument valuós per camps com la química, la geologia i la ciència dels materials. Gràcies a que pot treballar en condicions ambientals i favorables a la vida, és a dir, en aire o líquid i amb la presència d’un determinat grau d’humitat ambiental, sense necessitat de fer el buit ni de recobrir les mostres amb capes conductores, el converteix en una eina única per a la biologia. Les contribucions a la caracterització de l’AFM permeten millorar les seves prestacions i a la vegada avançar en la comprensió dels fenòmens físics a nivell de la nanoescala. En aquest treball presentem el desenvolupament d'una metodologia objectiva i la seva implementació numèrica corresponent, que proporciona informació quantitativa sobre la sensibilitat que podem obtenir, en termes de resolució espacial, dels dos modes dinàmics més utilitzats en l’AFM. Utilitzem el concepte d’horitzó espacial per descriure i quantificar la capacitat potencial de cada mode dinàmic per detectar un defecte atòmic en una superfície, contràriament a treballs anteriors que eren qualitatius i relativament subjectius. També presentem estudis numèrics relacionats amb els fenòmens nanoscalars que tenen lloc quan hi ha interacció entre dues superfícies recobertes de capes d’aigua absorbides i la pertinent formació i ruptura de ponts capil·lars. Els resultats obtinguts reprodueixen més acuradament el comportament experimental observat, que no havia estat anteriorment reproduït ni publicat. Concretament, en aquesta contribució reportem per primera vegada l’existència d'una força neta atòmica d’interacció pràcticament independent de la distància de separació. Aquesta força s’estén a uns quants nanòmetres per sobre de superfícies que han estat exposades durant un temps a la humitat en condicions ambientals. Finalment presentem un estudi on relacionat amb fenòmens i propietats químiques i/o mecàniques de la nanoescala, com ara la presència de capes d'aigua absorbides, hi discutim com es produeix l'excitació de subharmònics en l’AFM dinàmic. S’analitza la possibilitat d’utilitzar els subharmònics com una eina per a la detecció d’aigua sobre superfícies heterogènies a la nanoescala / The atomic force microscope (AFM) is currently employed for high spatial sample characterization in the nanoscale. Since the surfaces do not need to be electrical conductors, AFM has become a valuable tool for fields such as chemistry, geology and materials science. The AFM can be operated under environmental and bio-friendly conditions making it a unique tool for biology. Contributions to the characterization of the AFM allow improving its performance and simultaneously advance in the understanding of physical phenomena at the nanoscale. This works presents the development of a methodology that provides quantitative information about the sensitivity that can be obtained in terms of spatial resolution in the two main modes of dynamic AFM. The concept of spatial horizon is employed to describe and quantify the capacity of each dynamic mode to detect an atomic defect in a surface as opposed to previous works which where qualitative and relatively subjective. We further present numerical models related to nanoscale phenomena observed in the interaction between water films absorbed on surfaces. The results presented here accurately reproduce phenomena that has not been previously reproduced nor reported. We report for the first time the existence of an atomic net interaction force that is practically independent of the separation. The force extends a few nanometers above surfaces exposed to moisture over time in ambient conditions. Finally, a study related to chemical and/or mechanical nanoscale properties and phenomena, such as the presence of absorbed water layers, is presented and discussed in terms of subharmonic excitation in dynamic AFM. A theory with the potential of employing subharmonics as a tool for the detection of water on nanoscale heterogeneous surfaces is also put forward.

En el present treball s’ha abordat les tecnologies per fabricació additiva (AM, Additive Manufacturing) de peces finals. En la actualitat la fabricació additiva no es limita només a prototips i maquetes sinó que també permet la fabricació de productes finals que treballen en condicions equivalents als fabricats mitjançant tecnologies tradicionals. La manca de informació sobre tecnologies AM i la poca experiència acumulada dificulta el procés de disseny. El coneixement de la influència de els diversos paràmetres de fabricació en el comportament mecànic de les peces manufacturades amb tecnologies AM és escàs y dispers, mentre que la simulació de les peces en condicions de funcionament no és tan fiable com en el cas de les tecnologies tradicionals. La orientació de la peça és un dels factors més important a tenir en compte en qualsevol tecnologia AM ja que afecta al acabat superficial, al cost i al comportament mecànic de les peces. Per al desenvolupament d’aquest treball s’ha utilitzat la tecnologia Fused Deposition Modeling (FDM), una de les més complexes per la quantitat de paràmetres que s’han de tenir en compte. S’ha estudiat el efecte de diferents paràmetres de fabricació en el comportament mecànic de les peces fabricades mitjançant FDM sotmeses a carregues estàtiques i dinàmiques. A partir de la experimentació realitzada y els resultats descrits a la bibliografia s’ha desenvolupat una metodologia per determinar la millor orientació per a la fabricació de peces finals considerant el seu acabat superficial, cost i comportament mecànic S’ha avaluat el comportament mecànic mitjançant experiments realitzats amb peces fabricades amb FDM. Com a resultat s’ha obtingut la matriu de rigidesa que descriu el model constitutiu del material. Aquesta matriu s’ha utilitzat per la simulació de el comportament mecànic de peces fabricades per FDM i ha estat validat mitjançant experimentació. Els experiments mecànics-dinàmics realitzats permeten preveure el comportament dinàmic de les peces per els diferents paràmetres de fabricació. / En el presente trabajo se ha abordado la tecnología de fabricación aditiva (AM, Additive Manufacturing) de piezas finales. En la actualidad la fabricación aditiva no se limita sólo a prototipos y maquetas sino que también permite la fabricación de productos finales que trabajen en condiciones equivalentes a los fabricados por las tecnologías tradicionales. La falta de información sobre tecnologías de AM y la poca experiencia acumulada dificulta el proceso del diseño. El conocimiento de la influencia de los distintos parámetros de fabricación en el comportamiento mecánico de las piezas materializadas con tecnologías AM es escaso y disperso, mientras que la simulación de las piezas en condiciones de funcionamiento no es tan fiable como en el caso de las tecnologías tradicionales. La orientación de la pieza es uno de los factores más importantes a tener en cuenta en cualquier tecnología AM ya que afecta al acabado superficial, al coste y al comportamiento mecánico de las piezas. Para la realización de este trabajo se ha utilizado la tecnología Fused Deposition Modeling (FDM), una de las más complejas por la cantidad de parámetros que se deben tener en cuenta. Se ha estudiado el efecto de distintos parámetros de fabricación en el comportamiento mecánico de las piezas fabricadas mediante FDM sometidas a cargas estáticas y dinámicas. A partir de la experimentación realizada y de los resultados descritos en la bibliografía se ha desarrollado una metodología para determinar la mejor orientación para la fabricación de piezas finales teniendo en cuenta su acabado superficial, coste y comportamiento mecánico Se ha evaluado el comportamiento mecánico mediante experimentos sobre piezas fabricadas con FDM. Como resultado se ha obtenido la matriz de rigidez que describe el modelo constitutivo del material. Dicha matriz se ha utilizado para simular el comportamiento mecánico de piezas fabricadas por FDM y ha sido validado mediante experimentación. Los experimentos mecánicos-dinámicos realizados permiten predecir el comportamiento dinámico de las piezas para los distintos parámetros de fabricación. / In the presented work the Additive Manufacturing (AM) technologies of end use parts has been addressed. Today AM is not only limited to prototypes and models, it also allows to manufacture end use products that work at equivalent conditions as the manufactured using traditional techniques. The lack of information about AM technologies and the little accumulated experience difficult the design process. Knowledge of the influence of different manufacturing parameters on the mechanical behavior of parts materialized with AM technology is limited and dispersed, while the simulation of parts in working conditions is not as reliable as in the case of traditional technologies. The orientation of the parts is one of the most important factors to consider in any AM technology as it affects the surface finish, the cost, and the mechanical behavior of parts. Fused Deposition Modeling (FDM), one of the most complex technologies due to the amount of parameters to consider, has been used to carry out this work. The effect of different manufacturing parameters on the mechanical behavior of the parts manufactured by FDM under static and dynamic loads has been studied. Also a methodology to determine the best orientation to build end use parts considering their surface finish, cost and mechanical behavior has been developed using the experimentation and the results described in the literature. The mechanical behavior of FDM parts has been evaluated. As a result the stiffness matrix that describes the constitutive model of the material has been determined. This matrix has been used to simulate the mechanical behavior of FDM parts and it has been validated through experimentation. The dynamic-mechanical experiments predict the dynamic behavior of parts for the different parameters of manufacture.

El treball presentat en aquesta tesi doctoral te com objectiu principal la contribució en el camp de la microbiologia per entendre el biofilms i el possible control de desenvolupament mitjançant l’ús de mètodes i enfoc multidisciplinari. Els biofilms estan definits com comunitats de microorganismes que creixen envoltats en una matriu exopolisacárida i s’adhereixen a una superfície inert o teixit viu. La formació dels biofilms bacterians tenen un gran interès en microbiologia clínica degut al desenvolupament d’infeccions que son causades pel contacte directe o per colonització de dispositius mèdics implantats i pròtesis. Actualment es consideren causa de més del 60 % de les infeccions bacterianes. El problema dels biofilms bacterians a nivell clínic es que mostren millor resistència a antibiòtics arribant inclús a ser de 500 a 5000 cops més resistents a agents antimicrobians comparant amb la mateixa bactèria planctònica (bactèria en suspensió). Hi ha hagut moltes temptatives d’adaptar mètodes a laboratoris clínics on es reprodueixen les condicions pel desenvolupament de biofilms, però encara no s’ha arribat a obtenir òptims protocols estàndard per a aquest propòsit de monitoritzar la formació i toxicitat a temps real. Ha crescut l’interès en disseny, desenvolupament i utilització de dispositius de microfluídica que poden emular els fenòmens biològics que ocorren amb diferents geometries, dinàmica de fluids i restriccions de transport de biomassa en microambients fisiològics. La recerca descrita en aquesta tesis s’ha dut a terme amb diferents mètodes “label-free” basats en la variació acústica y/o propietats elèctriques per a la monitorització de biofilms. El treball presentat en la monografia descriu un dispositiu “custom-made” per a la utilització d’Espectroscòpia de impedància electroquímica com a eina útil per a l’obtenció d’informació d’adherència i formació de biofilms. El fet d’afegir nanopartícules com a segon biosensor permet la correlació de biofilm amb la seva toxicitat a temps real per a la detecció del punt òptim de tractament de biofilms. Finalment el disseny d’aquesta tecnologia s’utilitza per l’assaig de la resposta de biofilms a antibiòtics com a model in vitro d’infeccions causades per biofilms. / El trabajo presentado en esta tesis doctoral tiene como principal objetivo la contribución en el campo de la microbiología para entender los biofilms y el posible control de desarrollo mediante el uso de métodos y enfoque multidisciplinar. Los biofilms están definidos como comunidades de microorganismos que crecen embebidos en una matriz exopolisacárida y se adhieren a una superficie inerte o tejido vivo. La formación de los biofilms bacterianos tiene un gran interés en microbiología clínica debido al desarrollo de infecciones que son causadas por contacto directo o por colonización de dispositivos médicos implantados y prótesis. Actualmente se consideran la causa de más del 60 % de las infecciones bacterianas. El problema de los biofilms bacterianos a nivel clínico es que muestran mejor resistencia a antibióticos llegando incluso a ser de 500 a 5000 veces más resistentes a agentes antimicrobianos comparado a la misma bacteria planctónica (bacteria en suspensión). Ha habido muchas tentativas de adaptar métodos a laboratorios clínicos donde se reproducen las condiciones para el desarrollo de biofilms, pero aún no se ha llegado a obtener óptimos protocolos estándar para este propósito de monitorizar la formación y toxicidad en tiempo real. Ha crecido el interés en diseño, desarrollo y utilización de dispositivos de microfluídica que puedan emular los fenómenos biológicos que ocurren con diferentes geometrías, dinámica de fluidos y restricciones de transporte de biomasa en microambientes fisiológicos. La investigación descrita en esta tesis se lleva a cabo con diferentes métodos “label-free” basados en variación acústica y/o propiedades eléctricas para la monitorización de biofilms. El trabajo presentado en esta monografía describe un dispositivo “custom-made” para la utilización de Espectroscopia de impedancia electroquímica como herramienta útil para obtener información de adherencia y formación de biofilms. El hecho de añadir nanopartículas como segundo biosensor permite la correlación de biofilm con su toxicidad en tiempo real para la detección del punto óptimo del tratamiento de biofilms. Finalmente el diseño de esta tecnología es usada para el ensayo de la respuesta de biofilms a antibióticos como modelo in vitro de infecciones causadas por biofilms. / The work presented in this thesis has the main aim to contribute in the field of clinical microbiology to understand the biofilms and the possible of development through the use of methods with multidisciplinary approach. Biofilms are defined as communities of microorganisms that grow embedded in a matrix of exopolysaccharides and adhering to an inert surface or living tissue. The formation of bacterial biofilms has an interest in clinical microbiology with the development of infections that usually arise from either direct contact or the colonization of implanted medical devices and prostheses. Currently they are considered the cause of over 60% of bacterial infections. The problem of bacterial biofilms at clinical level is showing great resistance to antibiotics, so that the biofilm bacteria are 500 to 5000 times more resistant to antimicrobial agents that the same bacteria grown in planktonic cultures (bacteria in suspension). There have been attempts to adapt methods to clinical laboratories where they reproduce the conditions of biofilms, but have not yet adopted an optimal standard protocol for this purpose to follow-up the formation and toxicity in real-time. There has been a growing interest in design, development and utilization of microfluidic devices that can emulate biological phenomena that occur in different geometries, fluid dynamics and mass transport restrictions in physiological microenvironments. The research described in this thesis deals with different label-free methods based on variation of acoustic and electric properties for biofilm monitoring. The work presented in this monograph describe a custom-made device for using electrochemical impedance spectroscopy (EIS) as useful tool to obtain information of adherence and formation of biofilms. The addition of nanoparticles as toxicity biomarker allows the correlation of biofilm formation with its toxicity in real-time for detention of the optimal point for biofilm treatment. Finally the design of this technology is used for testing the biofilm response to antibiotic as in vitro model of biofilm-related infection.

The present thesis is undertaken to study the use of an aqueous solution of LiCl as a secondary refrigerant, due to its dehydrating properties, in those refrigeration applications that require mainly the air dehumidification and where the conventional methods show technical difficulties and/or a high energetic cost. The study of mass and heat transference between the aqueous solution of LiCl and the air is made, and it is applied to different conditions of dry temperature and air relative humidity. Regeneration of the aqueous solution of LiCl is solved using the condenser thermal power from the same refrigeration circuit, removing the dependence on other external heat sources, thus increasing the installation energetic efficiency. The analysis of the obtained results and the energetic comparative regarding to the conventional methods used so far show this is really an alternative to consider. / En la presente tesis doctoral se acomete el estudio del uso, gracias a sus propiedades deshidratantes, de una solución acuosa de LiCl como refrigerante secundario, en aquellas aplicaciones frigoríficas que requieren principalmente la deshumidificación del aire y donde los métodos convencionales presentan dificultades técnicas y/o elevado coste energético. Se realiza el estudio de la transferencia de masa y calor entre la solución acuosa de LiCl y el aire y se aplica a diferentes condiciones de temperatura seca y humedad relativa del aire. Se resuelve la regeneración de la solución acuosa de LiCl utilizando la potencia térmica del condensador del mismo circuito frigorífico, eliminando así la dependencia de otras fuentes de calor externas y aumentando la eficiencia energética de la instalación. El análisis de los resultados obtenidos y la comparativa energética respecto a los métodos convencionales que se utilizan hasta ahora, muestra que es una alternativa a considerar.

En aquesta tesi s’ha dut a terme la caracterització experimental de polímers amb memòria de forma de naturalesa termoplàstica i termostable. En concret, s’ha estudiat l’efecte que tenen diferents condicions termo-mecàniques de funcionament i l’estructura química en les propietats mecàniques i de memòria de forma. Per a l’estudi de les condicions de funcionament, s’han realitzat cicles de memòria de forma consecutius amb distintes combinacions de paràmetres termo-mecànics. Per a l’estudi de l’efecte de l’estructura química s’han utilitzat dues xarxes termostables. La primera consisteix en resines epoxi modificades amb polímers hiperramificats. En aquest cas, l’efecte del contingut i del pes molecular del polímer hiperramificat en les propietats visco-elàstiques, termo-mecàniques i de memòria de forma ha sigut estudiada en detall. La segona consisteix en xarxes de tipus acrilat sintetitzades a partir d’agent de reticulació basats en bisfenol A, els quals milloren les propietats mecàniques i de memòria de forma d’aquesta classe de materials. Per a l’estudi d’aquestes xarxes amb memòria de forma s’han dut a terme anàlisis dinamo-mecànics, assajos de caracterització mecànica i cicles de memòria de forma. / En esta tesis se ha llevado a cabo la caracterización experimental de polímeros con memoria de forma de naturaleza termoplástica y termoestable. En concreto, se ha estudiado el efecto que tienen distintas condiciones termo-mecánicas de funcionamiento y la estructura química sobre las propiedades mecánicas y de memoria de forma. Para el estudio de las condiciones de funcionamiento, se han realizado ciclos de memoria de forma consecutivos con distintas combinaciones de parámetros termo-mecánicos utilizando un polímero termoplástico comercial. Para el estudio del efecto de la estructura química se han utilizado dos redes termoestables. La primera consiste en resinas epoxi modificadas con polímeros hiperramificados. En este caso, el efecto del contenido y el peso molecular del polímero hiperramificado en las propiedades visco-elásticas, termo-mecánicas y de memoria de forma han sido estudiados en detalle. La segunda red termoestable consiste en redes de tipo acrilato sintetizadas a partir de agentes de reticulación basados en bisfenol A, los cuales mejoran las propiedades mecánicas y de memoria de forma de esta clase de materiales. Para el estudio de estas redes con memoria de forma se han llevado a cabo análisis dinamo-mecánicos, ensayos de caracterización mecánica y ensayos de memoria de forma. / In this thesis, the experimental characterization of thermoplastic and thermosetting shape-memory polymers was carried out. Particularly, we studied the effect of different operation thermomechanical conditions and chemical structure on mechanical and shape-memory properties. Regarding the operation conditions, several shape-memory cycles were carried out with different combinations of thermomechanical parameters. In terms of chemical structure, two different networks were studied. The first consist of epoxy resins modified with hyperbranched polymers. In this case, we studied in detail the effect of the content and molecular weight of the hyperbranched polymer on viscoelastic, thermomechanical and shape-memory properties. The second consist of acrylate networks synthesized from bisphenol A-based crosslinking agents, which improve mechanical and shape-memory properties of this class of materials. Regarding the study of these shape-memory networks, dynamic mechanic analysis, mechanical characterization tests and shape-memory performances were carried out.

Due to the increasing global IP traffic and the exponential growing demand for broadband services, optical networks are experimenting significant changes. Advanced modulation formats are being implemented at the Digital Signal Processing (DSP) level as key enablers for high data rate transmission. Whereas in the network layer, flexi Dense Wavelength-Division Multiplexing (DWDM) grids are being investigated in order to efficiently use the optical spectrum according to the traffic demand. Enabling these capabilities makes high data rate transmission more feasible. Hence, introducing flexibility in the system is one of the main goals of this thesis. Furthermore, minimizing the cost and enhancing the Spectral Efficiency (SE) of the system are two crucial issues to consider in the transceiver design. This dissertation investigates the use of Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (O-OFDM) based either on the Fast Fourier Transform (FFT) or the Fast Hartley Transform (FHT) and flexi-grid technology to allow high data rate transmission over the fiber. Different cost-effective solutions for Elastic Optical Networks (EON) are provided. On the one hand, Direct Detection (DD) systems are investigated and proposed to cope with present and future traffic demand. After an introduction to the principles of OFDM and its application in optical systems, the main problems of such modulation is introduced. In particular, Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) is presented as a limitation in OFDM systems, as well as clipping and quantization noise. Hence, PAPR reduction techniques are proposed to mitigate these impairments. Additionally, Low Complexity (LC) PAPR reduction techniques based on the FHT have also been presented with a simplified DSP. On the other hand, loading schemes have also been introduced in the analyzed system to combat Chromatic Dispersion (CD) when transmitting over the optical link. Moreover, thanks to Bit Loading (BL) and Power Loading (PL), flexible and software-defined transceivers can be implemented maximizing the spectral efficiency by adapting the data rate to the current demand and the actual network conditions. Specifically, OFDM symbols are created by mapping the different subcarriers with different modulation formats according to the channel profile. Experimental validation of the proposed flexible transceivers is also provided in this dissertation. The benefits of including loading capabilities in the design, such as enabling high data rate and software-defined transmission, are highlighted. / Degut al creixement del tràfic IP i de la demanda de serveis de banda ampla, les xarxes òptiques estan experimentant canvis significatius. Els formats avançats de modulació, implementats a nivell de processat del senyal digital, habiliten la transmissió a alta velocitat. Mentre que a la capa de xarxa, l'espectre òptic es dividit en ranures flexibles ocupant l'ample de banda necessari segons la demanda de tràfic. La transmissió a alta velocitat és fa més tangible un cop habilitades totes aquestes funcionalitats. D'aquesta manera un dels principals objectius d'aquesta tesis es introduir flexibilitat al sistema. A demés, minimitzar el cost i maximitzar l'eficiència espectral del sistema són també dos aspectes crucials a considerar en el disseny del transmissor i receptor. Aquesta tesis investiga l'ús de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) i la de Hartley (FHT) per tal de dissenyar un sistema flexible i capaç de transmetre a alta velocitat a través de la fibra òptica. Per tant, es proposen diferent solucions de baix cost vàlides per a utilitzar en xarxes òptiques elàstiques. En primer lloc, s'investiguen i es proposen sistemes basats en detecció directa per tal de suportar la present i futura demanda. Després d'una introducció dels principis d' OFDM i la seva aplicació als sistemes òptics, s'introdueixen alguns dels problemes d'aquesta modulació. En particular, es presenten el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) i els sorolls de clipping i de quantizació com a limitació dels sistemes OFDM. S'analitzen tècniques de reducció de PAPR per tal de reduir l'impacte d'aquests impediments. També es proposen tècniques de baixa complexitat per a reduir el PAPR basades en la FHT. Finalment, s'utilitzen algoritmes d'assignació de bits i de potència, Bit Loading (BL) i Power Loading (PL), per tal de combatre la dispersió cromàtica quan es transmet pel canal òptic. Amb la implementació dels algoritmes de BL i PL, es poden dissenyar transmissors i receptors flexibles adaptant la velocitat a la demanda del moment i a les actuals condicions de la xarxa. En particular, els símbols OFDM es creen mapejant cada portadora amb un format de modulació diferent segons el perfil del canal. El sistema és validat experimentalment mostrant les prestacions i els beneficis d'incloure flexibilitat per tal de facilitar la transmissió a alta velocitat i cobrir les necessitats de l'Internet del futur / Debido al crecimiento del tráfico IP y de la demanda de servicios de banda ancha, las redes ópticas están experimentando cambios significativos. Los formatos avanzados de modulación, implementados a nivel de procesado de la señal digital, habilitan la transmisión a alta velocidad. Mientras que en la capa de red, el espectro óptico se divide en ranuras flexibles ocupando el ancho de banda necesario según la demanda de tráfico. La transmisión a alta velocidad es más tangible una vez habilitadas todas estas funcionalidades. De este modo uno de los principales objetivos de esta tesis es introducir flexibilidad en el sistema. Además, minimizar el coste y maximizar la eficiencia espectral del sistema son también dos aspectos cruciales a considerar en el diseño del transmisor y receptor. Esta tesis investiga el uso de la tecnologia Optical Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM) basada en la transformada de Fourier (FFT) y en la de Hartley (FHT) con tal de diseñar un sistema flexible y capaz de transmitir a alta velocidad a través de la fibra óptica. Por lo tanto, se proponen distintas soluciones de bajo coste válidas para utilizar en redes ópticas elásticas. En primer lugar, se investigan y se proponen sistemas basados en detección directa con tal de soportar la presente y futura demanda. Después de una introducción de los principios de OFDM y su aplicación en los sistemas ópticos, se introduce el principal problema de esta modulación. En particular se presentan el Peak-to-Average Power Ratio (PAPR) y los ruidos de clipping y cuantización como limitaciones de los sistemas OFDM. Se analizan técnicas de reducción de PAPR con tal de reducir el impacto de estos impedimentos. También se proponen técnicas de baja complejidad para reducir el PAPR basadas en la FHT. Finalmente, se utilizan algoritmos de asignación de bits y potencia, Bit Loading (BL) y Power Loading (PL), con tal de combatir la dispersión cromática cuando se transmite por el canal óptico. Con la implementación de los algoritmos de BL y PL, se pueden diseñar transmisores y receptores flexibles adaptando la velocidad a la demanda del momento y a las actuales condiciones de la red. En particular, los símbolos OFDM se crean mapeando cada portadora con un formato de modulaci_on distinto según el perfil del canal. El sistema se valida experimentalmente mostrando las prestaciones y los beneficios de incluir flexibilidad con tal de facilitar la transmisión a alta velocidad y cubrir las necesidades de Internet del futuro.

Durante la última década se produjo un enorme crecimiento de la implantación de la climatización de edificios, motivada por el aumento de los requerimientos de confort y de productividad de la población, entre otras causas. Los equipos de climatización más difundidos se accionan mediante energía eléctrica, lo que combinado con la gran simultaneidad de la demanda de climatización y su elevado consumo, provocan puntas de demanda de electricidad que sobrecargan las redes y frecuentemente ocasionan cortes de suministro eléctrico. Los sistemas de climatización basados en máquinas de absorción son una alternativa para disminuir la demanda de electricidad para climatización durante el verano y utilizar las redes de distribución de gas natural que en dicha temporada se encuentran generalmente ociosas. Además las máquinas de absorción, al ser activadas térmicamente, pueden utilizar calor proveniente de plantas solares o calor residual de procesos. Lo que puede llevar a una reducción del consumo de energía primaria y a una disminución de la emisión de gases de efecto invernadero asociados a la climatización. No obstante, para llegar a concretar esta posibilidad, se debe efectuar una selección cuidadosa de la tecnología a utilizar y un diseño muy delicado; dado que se observó que algunas plantas de climatización solar consumen, a lo largo del año, más energía primaria como respaldo que una planta de climatización accionada mediante energía eléctrica. Los sistemas de climatización solar actuales basados en equipos de simple efecto difícilmente pueden llegar a competir con los sistemas de refrigeración por compresión más eficientes, no solo en coste económico sino incluso en reducción del consumo de energía primaria. Es por ello que sería conveniente desarrollar sistemas de doble efecto o combinados de simple/doble efecto que permitan incrementar el aprovechamiento de la energía solar térmica disponible. El objetivo principal de esta tesis es el modelado y el ensayo de una enfriadora de agua por absorción de simple/doble efecto, de agua/LiBr que puede activarse a dos niveles de temperatura. En esta tesis se investigan las características de los ciclos de refrigeración con activación térmica a dos temperaturas en general y, en particular, un prototipo de máquina de refrigeración por absorción de doble etapa basado en el par H2O-LiBr con accionamiento mediante agua caliente a 165ºC como doble efecto y simultáneamente a 165ºC y 90ºC, en modo combinado de simple/doble efecto. En todos los casos con disipación mediante torre de enfriamiento y producción de agua fría a aproximadamente 6ºC. Este equipo permite emplear energía solar térmica para aportar calor al generador de baja temperatura y presión, y cuando este calor no está disponible, el calor auxiliar necesario para suplirlo se puede suministrar a más alta temperatura con lo que el equipo puede operar a un COP más elevado. Se desarrollaron cuatro modelos que enumerados en orden de complejidad creciente son el modelo reversible, endorreversible, termodinámico y térmico detallado. El modelo reversible es un modelo muy simple, totalmente ideal y solo acota las eficiencias a un máximo ideal en función de las temperaturas. El modelo endorreversible considera las irreversibilidades producidas en los intercambios de calor entre el exterior y el interior del ciclo, permitiendo evaluar someramente la distribución del área total de intercambio de calor entre los componentes principales de una máquina; acotando además la potencia máxima de refrigeración. En el modelo termodinámico se consideran, además de las irreversibilidades externas, las principales irreversibilidades internas, asociadas a flujos de calor y flujos de materia, permitiendo estudiar la distribución de áreas y reproduciendo fielmente la variación de la eficiencia con la potencia de refrigeración. En el último modelo, el denominado térmico detallado, se introducen las propiedades de la mezcla H2O-LiBr, las ecuaciones de transmisión de calor y los balances de materia y energía; lográndose predecir el comportamiento de la máquina, los diferentes estados por los que evoluciona la mezcla, y los flujos de materia y energía. Al comparar la distribución de superficies de intercambio de calor obtenida mediante los modelos, con la distribución real del prototipo, se observa que en general los modelos asignan mayor superficie al evaporador y menores superficies a los generadores, absorbedor y condensadores. Respecto al COP se obtienen valores de 1.18 para operación solo con accionamiento a alta temperatura y 0.73 con accionamiento solo a baja temperatura con una variación lineal entre ambos casos. Se examinó y reacondicionó integralmente un prototipo de enfriadora de agua por absorción de H2OLiBr, de simple/doble efecto, de 200 kW de potencia de refrigeración. Se diseñó y construyó una instalación experimental para ensayar el prototipo, compuesta principalmente de dos calderas, torre de enfriamiento y servicios de aire comprimido, entre otros. Se ensayó el prototipo con accionamiento a dos temperaturas y se analizó la influencia de las temperaturas de accionamiento, la temperatura del agua fría y de disipación de calor al ambiente sobre el COP y su variación con la carga de refrigeración. Para procesar la gran cantidad de datos experimentales obtenidos, se utilizó una metodología que combina la reconciliación de datos, con la detección de errores sistemáticos y que permite además la determinación de los errores en los datos reconciliados y su propagación a las variables calculadas. Con accionamiento únicamente a alta temperatura se logró un COP de 1.14 y una potencia de enfriamiento de hasta 160 kW. Para una combinación de potencias de accionamiento de 72 kW a una temperatura de 91ºC, complementada con 80 kW a 157ºC se logró una potencia de enfriamiento de 134 kW exhibiendo un COP de 0.87. Los resultados obtenidos permiten demostrar de forma teórica y experimental la factibilidad técnica y los beneficios del accionamiento de una enfriadora a dos temperaturas.

In the last decades, the problem of the vibrations and the noise generated by the rolling and the undulatory wear has been approached by multiple research groups. These groups have developed studies with the intention of understanding and characterizing the vibrations problem, and its presented different analytical models. These models, for straight track sections, usually consider only half a track (single rail) in contact with a wheel suspended from the bogie through the primary suspension. Analytical models of half a track, although widely used, have the inconvenience of not considering the interaction between rails; that is to say the influence of the fluctuating contact force generated in a rail on the other rail vibration. Such interaction may occur through both the track structure and the axle of both wheels. Nowadays, and thanks to the computing power provided by the computers, research are leading to the development of numerical models enabling us to expand the fields of study such as the interaction between rails, the behavior of the wheel-rail contact in curved sections and the propagation in the surroundings. The main objective of the here presented thesis is to provide knowledge about the wheel-rail contact problem and the generation of vibrations that it causes, developing numerical models based on the Finite Element Method (FEM). Therefore we have used the ANSYS 13 program, analyzing all its capacities and using some of them in new ways. In order to analyze in detail the behavior of the interaction between a track and a railway vehicle, in the first part of this thesis we have developed and validated diverse numerical models of a railway track based on the finite elements method, oriented toward characterizing the vibrations generation. In the second part of the thesis we have developed a numerical model for the characterization of the set railway axle-primary suspension, meaning by railway axle the one composed of two wheels fixed to their axle. We have sought the simplest possible model fulfilling the necessary requirements to reproduce the set vibratory behavior. In the last part of the work, we combine the track numerical models with the model of the set axle-primary suspension to create a global model that allows simulating the mechanism of the wheel-rail contact force generation. To describe the contact we have used nonlinear Hertz theory. The results obtained when numerically integrating the equations of the global model using ANSYS transient analysis, are compared with the results provided by the analytical models of half a track in contact with a single wheel attached to the primary suspension. The comparison of these results for two types of tracks shows a very good conformity. With the numerical global model, we have analyzed the vibratory behavior of a classical ballasted track and two types of slab track, the DFF railway track and the Stedef twinblock railway track, all of them railway track types widely used in the Metropolitan Railroad of Barcelona. Finally, thanks to the results provided by the global model of contact, we conclude that the interaction between the mechanisms of the contact force generation present in both rails is significant, the interaction occurring mainly through the axle-wheels set. This result by itself justifies the need for numerical modeling of full track-railway axle contact. As a general conclusion we can say that the results demonstrate that the developed methodology is able to predict the time history of the normal contact force in different locations of the various studied track types. / En las últimas décadas, el problema de las vibraciones y el ruido generados por la rodadura y el desgaste ondulatorio ha sido abordado por múltiples grupos de investigación. Estos grupos han desarrollado estudios con la intención de comprender y caracterizar el problema de las vibraciones, y han presentado diferentes modelos analíticos. Dichos modelos, para tramos de vía rectos, suelen considerar solo media vía en contacto con una rueda suspendida del bogie por medio de la suspensión primaria. Los modelos analíticos de media vía, si bien han sido ampliamente utilizados, presentan el inconveniente de no considerar la interacción entre carriles; es decir la influencia de la fuerza fluctuante de contacto generada en un carril sobre la vibración en el otro carril. Esta interacción se puede producir tanto a través de la estructura de la vía como a través del eje de ambas ruedas. En la actualidad, y gracias a la potencia de cálculo que proporcionan los ordenadores, las investigaciones se dirigen al desarrollo de modelos numéricos que permitan ampliar los campos de estudio como por ejemplo la interacción entre carriles, el comportamiento del contacto rueda-carril en tramos curvos y la propagación al entorno. El objetivo principal de la tesis que se presenta es aportar conocimiento sobre el problema del contacto rueda-carril y la generación de vibraciones que comporta, desarrollando modelos numéricos basados en el Método de Elementos Finitos (FEM). Para ello se ha utilizado el programa ANSYS 13, analizando todas sus capacidades y utilizando algunas de ellas de forma novedosa. Con el fin de analizar con más detalle el comportamiento de la interacción entre una vía completa y un vehículo ferroviario, en la primera parte de esta tesis se han desarrollado y validado diversos modelos numéricos de vía completa basados en el método de elementos finitos, orientados a la caracterización de la generación de vibraciones. En la segunda parte de la tesis se ha elaborado un modelo numérico para la caracterización del conjunto eje ferroviario-suspensión primaria, entendiendo por eje ferroviario el formado por dos ruedas unidas con su eje. Se ha buscado el modelo más simple posible que cumple con los requerimientos necesarios para reproducir el comportamiento vibratorio del conjunto. En la última parte del trabajo, se combinan los modelos numéricos de vía con el modelo del conjunto eje-suspensión para crear un modelo global que permite simular el mecanismo de generación de la fuerza de contacto rueda-carril. Para describir el contacto se ha utilizado la teoría no lineal de Hertz. Los resultados obtenidos al integrar numéricamente las ecuaciones del modelo global mediante el análisis transitorio de ANSYS, se comparan con los resultados que proporcionan modelos analíticos de media vía en contacto con una única rueda sujeta a la suspensión primaria. La comparación de estos resultados para dos tipos de vía, muestra una muy buena concordancia. Con el modelo numérico global, se ha analizado el comportamiento vibratorio de una vía clásica sobre balasto y dos tipos de vía en placa, la vía DFF y la vía bibloque con riostra, todos ellos tipos de vía ampliamente utilizados en el Ferrocarril Metropolitano de Barcelona. Finalmente, gracias a los resultados proporcionados por el modelo global de contacto, se llega a la conclusión que la interacción entre los mecanismos de generación de la fuerza de contacto presentes en ambos carriles es significativa, produciéndose la interacción principalmente a través del conjunto eje-ruedas. Este resultado justifica por sí solo la necesidad de utilizar modelos numéricos de contacto vía completa-eje ferroviario. Como conclusión general cabe decir que los resultados obtenidos demuestran que la metodología desarrollada es capaz de predecir la historia temporal de la fuerza normal de contacto en diferentes localizaciones de los diversos tipos de vías estudiados / Depuis leurs débuts, les chemins de fer ont présenté le problème des vibrations et du bruit générés par le roulement. Ce problème trouve son origine principalement dans les fluctuations de la force de contact roue-rail, les fluctuations générées par les irrégularités que présente la bande de roulement des roues et par les irrégularités des rails, telles que la présence de joints et l'usure ondulatoire. Dans le cas des chemins de fer métropolitains, les vibrations et le bruit produisent un impact environnemental significatif en raison de leur proximité aux zones habitées. Les vibrations se propagent de la voie à la structure du tunnel, et de là vers les bâtiments voisins provoquant des nuisances, et dans des cas extrêmes, des dommages dans les bâtiments. En outre, il faut aussi garder à l'esprit que les vibrations provoquent aussi des problèmes de fatigue et d'usure dans le matériel roulant, un facteur critique pour la sécurité des voyageurs. Au cours des dernières décennies, le problème cité ci-dessus a été abordée par de nombreux groupes de recherche. Ces groupes ont mené des études dans le but de comprendre et caractériser le problème des vibrations générées par le roulement, et ont présenté divers modèles analytiques. Ces modèles, pour des sections de voies droites, ne considèrent généralement que demi-voie (un rail) en contact avec une roue suspendue du bogie au moyen de la suspension primaire. Les modèles analytiques de demi-voie, bien que largement utilisés, présentent l'inconvénient de ne pas considérer l'interaction entre les rails; à savoir l'influence de la force fluctuante de contact générée dans un rail sur la vibration dans l'autre rail. Cette interaction se produit tant à travers la structure de la voie comme à travers l'axe des deux roues. Actuellement, et grâce à la puissance de calcul que fournissent les ordinateurs, les recherches se dirigent vers le développement de modèles numériques qui permettent d'agrandir les champs d'étude comme par exemple l'interaction entre des rails, le comportement du contact roue-rail dans des tronçons courbes et la propagation à l'environnement. / Des de els seus inicis, els ferrocarrils han presentat el problema de les vibracions i el soroll generats pel rodolament. Aquest problema es produeix principalment per causa de les fluctuacions de la força de contacte roda-carril, fluctuacions generades per les irregularitats del perfil de les rodes i per les irregularitats del cap dels carrils, com ara la presència de juntes i el desgast ondulatori. En el cas dels ferrocarrils metropolitans, les vibracions i el soroll produeixen un impacte ambiental significatiu per la proximitat a zones habitades. Les vibracions es propaguen de la via a la infraestructura, que pot ser una base o un túnel, i d’ella als edificis propers causant molèsties i, en casos extrems, desperfectes en els edificis. A més, cal pensar que les vibracions originen problemes de fatiga i desgast en el material mòbil, factor a tenir en compte de cara a la seguretat dels passatgers. En les darreres dècades, el problema esmentat ha estat tractat per molts grups de recerca. Aquests grups han desenvolupat estudis per tal d’entendre i caracteritzar el problema de les vibracions generades pel rodolament, i han presentat diferents models analítics. Aquests models, pensats per a trams de via rectes, acostumen a considerar només mitja via en contacte amb una roda suspesa del bogie per mitjà de la suspensió primària. Els models analítics de mitja via, si bé han estat àmpliament emprats, presenten l’inconvenient de no considerar la interacció entre carrils; es a dir la influència de la força fluctuant de contacte generada en un carril sobre la vibració en l’altre carril. Aquesta interacció es pot produir tant a través de l’estructura de la via com a través de l’eix de les rodes. Actualment, i gràcies a la potència de càlcul que proporcionen els ordinadors, la recerca s’orienta cap el desenvolupament de models numèrics que permeten ampliar els camps d’estudi como ara la interacció entre carrils, el comportament del contacte roda-carril en trams en corba i la propagació a l’entorn. L’objectiu principal de la tesi que es presenta és aportar coneixement sobre el problema del contacte roda-carril i la generació de vibracions que comporta, desenvolupant models numèrics basats en el Mètode dels Elements Finits (FEM). Per això s’ha emprat el programa comercial ANSYS 13, analitzant totes les seves capacitats i fent servir algunes d’elles de forma inèdita. Amb la intenció d’analitzar en detall el comportament de la interacció entre una via sencera i un vehicle ferroviari, en la primera part de la tesi es desenvolupen i validen diversos models numèrics de via sencera basats en el Mètode dels Elements Finits, enfocats a la caracterització de la generació de vibracions. Els resultats obtinguts amb els models numèrics, presentats en forma de resposta freqüencial de la via, es comparen amb resultats de models analítics desenvolupats amb anterioritat, i també amb resultats experimentals obtinguts per a dos tipus de via. Per a la comprovació experimental, s’ha disposat de la col·laboració de l’empresa del Ferrocarril Metropolità de Barcelona. En la segona part de la tesi s’ha elaborat un model numèric per a la caracterització del conjunt eix ferroviari-suspensió primària, entenent com a eix ferroviari el conjunt format per dues rodes amb el seu eix. S’ha cercat el model més simple possible que compleix amb els requeriments necessaris per a reproduir el comportament vibratori del conjunt. En la darrera part del treball, es combinen els models numèrics de via amb el model del conjunt eix-suspensió per a obtenir un model global que permeti simular el mecanisme de generació de la força de contacte roda-carril. Per a descriure el contacte, s’ha emprat la teoria no lineal de Hertz. Els resultats obtinguts quan s’integren numèricament les equacions del model global mitjançant l’anàlisi transitori d’ANSYS, se comparen amb els resultats que proporcionen models analítics de mitja via en contacte amb una única roda fixada a la suspensió primària. Aquests models han estat desenvolupats per altres membres del grup de recerca GREVTAM del Departament d’Enginyeria Mecànica de la UPC dins del qual s’inscriu aquesta tesi. La comparació d’aquests resultats per a dos tipus de via mostra una molt bona concordança. Amb aquest model numèric global, s’ha analitzat el comportament vibratori d’una via clàssica sobre balast i dos tipus de via en placa, la via DFF i la via bibloc amb riosta, tots ells tipus de via molt emprats en el Ferrocarril Metropolità de Barcelona. Finalment, gràcies als resultats obtinguts amb el model global de contacte, s’ha arribat a la conclusió que la interacció entre els mecanismes de generació de la força de contacte presents en ambdós carrils és significativa, produint-se la interacció principalment a través del conjunt eix-rodes. Aquest resultat justifica per sí mateix la necessitat d’emprar models numèrics de contacte via sencera-eix ferroviari. Com a conclusió general cal dir que els resultats obtinguts demostren que la metodologia desenvolupada permet preveure la història temporal de la força normal de contacte en diferents localitzacions dels diferents tipus de via estudiats.

En la presente tesis doctoral se realiza un estudio experimental de la intensificación del proceso de absorción de amoniaco por parte de la mezcla NH3/LiNO3 en absorbedores de burbuja por medio del uso de superficies avanzadas y nanotubos de carbono. Las condiciones de operación de los ensayos experimentales fueron obtenidas a partir de una simulación termodinámica de un ciclo de absorción de simple efecto con NH3/LiNO3 a las condiciones de operación de interés para una enfriadora por absorción activada por fuentes de energía a baja temperatura y enfriada por aire. Los experimentos se llevaron a cabo en un banco de prueba experimental diseñado para la evaluación del desempeño de absorbedores a las condiciones deseadas. El estudio del proceso de absorción se realizo en dos tipos de intercambiadores de calor trabajando como absorbedores; un intercambiador de calor de placas y un intercambiador de calor tubular. Los resultados experimentos en el absorbedor tubular muestran que las superficies avanzadas y nanotubos de carbono usados mejoran significativamente el proceso de absorción de amoniaco en el absorbedor de burbuja estudiado en comparación con un absorbedor de tubo liso con el fluido base. Las mejoras máximas alcanzadas fueron superiores al 50%. / This thesis deals with an experimental study on intensification of the ammonia absorption process in the NH3/LiNO3 mixture in vertical bubble mode absorbers using advanced surfaces and nanoparticles of carbon nanotubes (CNTs). Operating conditions selected for the absorber test were obtained from a thermodynamic analysis of a single effect absorption cycle with NH3/LiNO3 driven by low temperature heat sources and head released by air. The experiments were conducted in an experimental test facility designed for evaluating the absorber performance at the desired operating conditions. Intensification of the ammonia absorption process was studied using two types of heat exchangers working as bubble absorbers; a plate heat exchanger and a tubular heat exchanger. Experimental results showed that the advanced surfaces and CNTs used significantly improve the ammonia absorption process in the tubular bubble absorber analyzed in comparison with results in the smooth tube absorber with the base fluid. The maximum improvements achieved were higher than 50 %.