As turbinas a gás (TG) são máquinas usadas para transformar a energia térmica liberada na combustão de um hidrocarboneto em trabalho. A parte crítica para a concepção das TG encontra-se nas secções expostas a condições mecânicas e térmicas extremas, tais como as primeiras pás da turbina. A eficiência das TG é limitada pela temperatura máxima que podem suportar os materiais das pás sem escoamento ou deformação. Atualmente, a temperatura máxima de operação encontra-se acima da temperatura de escoamento do material, permitido pelo uso de técnicas de revestimentos cerâmicos com uma baixa condutividade térmica, (revestimento de proteção térmica, TBC) e técnicas de arrefecimento das pás. O arrefecimento interno é realizado com canais internos através dos quais escorre ar que é extraído do compressor principal. Como esse ar não é utilizado para gerar trabalho, é necessário otimizar as técnicas de arrefecimento. O presente trabalho melhora o nível de arrefecimento interno de uma pá de TG, através da otimização do desenho dos canais de arrefecimento mediante a utilização da Teoria Constructal Uma configuração com dois canais elípticos de diferentes geometrias é analisado, com o objetivo de otimizar a sua posição, área e razão de aspecto, procurando gerar uma redução da temperatura máxima no metal. São desenvolvidos quatro modelos com diferentes condições de contorno, incluindo no terceiro modelo a transferência de calor por convecção e radiação e um revestimento de barreira térmica. As conclusões gerais do trabalho estabelecem que os requisitos de máxima eficiência de dissipação de calor e mínima temperatura máxima no metal podem gerar modelos levemente diferentes. No entanto, ambos indicadores do desempenho térmico da pá estão intimamente relacionados, porem, sem grande variação de um design ótimo com relação ao outro, nem uma grande variação nas magnitudes da temperatura máxima ou da eficiência. O design que fornece a mínima temperatura máxima no metal é composto por canais elípticos achatados com a menor razão de aspecto e de igual área, distribuindo o ar de arrefecimento na maior quantidade de canais possíveis. A aplicação do Design Constructal nos canais internos de arrefecimento em TG reduz a temperatura máxima no metal, podendo constituir uma melhoria na vida útil das pás.

En esta tesis se ha desarrollado una metodología para el análisis energético de diferentes configuraciones de integración de sistemas térmicos de refrigeración solar en redes urbanas de distrito de frío y calor. Para ello, en primer lugar se ha desarrollado un método relativamente simple capaz de estimar las demandas de frío y calor de los edificios a partir de sus datos constructivos básicos y los datos meteorológicos. También se han comparado y desarrollado modelos para la predicción del comportamiento térmico de las enfriadoras térmicas. Seguidamente se han identificado las diferentes configuraciones de integración de sistemas de refrigeración solar en sistemas provistos con sólo redes de calor y en sistemas con redes de frío y calor. Por último, se han comparado desde el punto vista energético las diferentes opciones de integración para el caso específico de la futura instalación en el parque tecnológico de Cerdanyola del Vallès, utilizando para ello los modelos de enfriadoras térmicas y captadores solares validados con los datos experimentales de la instalación de refrigeración solar de la empresa FESTO en Alemania. / In this thesis we have developed a methodology for the energy analysis of different integration configurations of thermal solar thermal cooling systems in district heating and cooling networks. To do this, first we have developed a relatively simple method able to estimate the heating and cooling demands of buildings from their basic design data and the meteorological data. We have also compared and developed some models to predict the thermal performance of thermal chillers and identified the different integration configurations of solar cooling systems in heating and cooling networks. Finally, we have compared, from the energy point of view, the different integration options for the specific case of the future solar cooling system at Cerdanyola del Vallès chiller, using the thermal chiller and solar collector models validated with experimental data of the solar cooling system of the company FESTO in Germany.

La presente Tesis centra la atención en la simulación numérica y validación experimental del comportamiento térmico y fluido-dinámico de flujos bifásicos (líquido-vapor), así como su aplicación en sistemas y equipos térmicos, propios del campo de la refrigeración y del aire acondicionado. Consecuencia del estudio realizado ha sido la elaboración de códigos informáticos para la simulación numérica de condensadores, evaporadores y dispositivos de expansión del tipo capilar, en base a la formulación de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos. La Tesis también aborda la simulación de sistemas frigoríficos completos en base a algoritmos que acoplan la resolución de los elementos que lo integran.El flujo bifásico se ha modelizado en base a la resolución de las ecuaciones gobernantes sobre volúmenes de control finitos, escritas en forma unidimensional y estado permanente o transitorio. Las ecuaciones gobernantes se resuelven mediante esquemas numéricos del tipo implícito que avanzan tramo a tramo en la dirección del flujo o bien esquemas numéricos basados en corrección de presiones. La formulación implementada requiere de información empírica para evaluar la interacción entre el fluido y los contornos sólidos limitantes, así como la estructura del flujo bifásico. Las formulaciones matemáticas implementadas han sido suficientemente contrastadas experimentalmente en base a resultados presentados en la literatura científica. El modelo implementado para la simulación del flujo a través de tubos capilares, utiliza la modelización del flujo bifásico, resolviéndose en base a un algoritmo de tipo tramo a tramo. El caudal másico que circula por el capilar, o alternativamente la presión de entrada, se evalúan en base a un algoritmo Newton-Raphson, tanto para las condiciones de flujo crítico (estrangulado) como de flujo no crítico. La comparación realizada entre resultados numéricos y experimentales de diferentes autores muestra un notable grado de correlación. El modelo implementado para la simulación de condensadores y evaporadores de tipo tubular concéntricos, se ha estructurado en base a un algoritmo que en forma segregada e iterativa resuelve cada una de las partes del dominio: flujo en el interior del tubo, flujo en el ánulo, y los sólidos (tubo interior, tubo exterior, aislante). Para las zonas de flujo de fluido se utiliza el modelo desarrollado para flujo bifásico. Para los sólidos, la ecuación de conducción de calor se ha discretizado en base a un esquema numérico implícito del tipo central difference, resolviéndose el sistema de ecuaciones algebraicas en base a un algoritmo Gauss-Seidel apoyado en un TDMA en las direcciones radiales y axiales alternativamente. El tubo aislado ha recibido un tratamiento tridimensional axialsimétrico, mientras que el tubo interior recibe un tratamiento unidimensional.El estudio de evaporadores y condensadores de tipo compacto (tubos y aletas). La simulación desarrollada del flujo bifásico se ha implementado en un algoritmo numérico detallado de resolución del flujo del aire exterior y de los sólidos. Así de forma acoplada se resuelve el flujo en el interior de los conductos, el flujo de aire exterior y la transferencia de calor por conducción a través de los elementos sólidos (tubos y aletas). Se presentan distintos resultados experimentales con fines a la contrastación y validación de las subrutinas desarrolladas. La integración de los diferentes equipos anteriores mencionados en sistemas de refrigeración por compresión de vapor se realiza mediante un modelo numérico para la resolución tanto de sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, como de sistemas de refrigeración con sobrealimentación de líquido. Ambos algoritmos numéricos se basan en un programa principal el cual llama de manera secuencial a diferentes subrutinas que evalúan los diferentes equipos y partes del sistema hasta que se alcanza la convergencia deseada. Se detalla la infraestructura experimental desarrollada con el objeto de validar las simulaciones numéricas para cada uno de los elementos integrantes del sistema y del sistema en su conjunto. Se presenta la contrastación entre resultados experimentales y numéricos para los sistemas de refrigeración por compresión de una sola etapa, así como resultados numéricos obtenidos por la simulación para el caso del sistema con sobrealimentación de líquido.

L’objectiu d’aquesta tesi és estudiar la viabilitat de la integració de la tecnologia dels cicles de refrigeració per absorció ja existent comercialment, en plantes d’energia industrials, comparant els resultants amb l’alternativa convencional formada per cicles de compressió. La metodologia proposada en aquesta tesi es basa en cinc grans apartats: recopilació de dades de la planta d’energia i de la demanda de fred que es pretén cobir, seleccionar els cicles de refrigeració candidats que podrien satisfer l’esmentada demanda de fred, és a dir, establir les alternatives de disseny existents per a subministrar el fred necessari a la planta de procés utilitzant el programa XV, el qual permet la simulació i optimització de plantes d’energia. El tercer pas de la metodologia, es construir un fitxer de dades estàndard on s’introdueixen la topologia de la planta d’energia i les seves característiques específiques, incloent els paràmetres d’operació dels cicles de refrigeració. Al quart pas, es realitza l’optimització de la planta global d’energia utilitzant com a funció objectiu els costos d’operació i les prestacions de la planta i finalment es calculen els costos d’operació i els indicadors econòmics adients per a la selecció de la millor configuració. En aquesta tesi es presenten dues aplicacions pràctiques en una indústria pretroquímica de Tarragona per tal d’avaluar la metodologia proposada utilitzant equips d’amoníac/aigua i d’aigua/LiBr.

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Trata del cálculo de la carga térmica y selección de un equipo de refrigeración “chiller” para enfriar el agua que sirve a la planta de tratamiento térmico de piezas de acero y aleaciones fundidas darle mayor dureza y por lo tanto mayor duración de las diferentes piezas fabricadas al sector industrial. Dentro de los diferentes procesos para llevar a cabo el tratamiento térmico para darle la dureza necesaria de las piezas de fundición es la necesidad de la Empresa Metalúrgica Peruana S.A. (MEPSA) de contar con una cisterna que contenga agua helada, tal situación de necesidad de la empresa es el objetivo de esta investigación de resolver este problema. / Trabajo de suficiencia profesional

El documento digital no refiere un asesor / Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Expone el diseño de un sistema de transporte con agua de mar refrigerada para llevar el pescado desde la embarcación receptora de la pesca a orillas del mar, hasta la planta de procesamiento. En este trabajo monográfico se tratará únicamente del dimensionamiento del sistema RSW que abarca el sistema de refrigeración. En el sistema de refrigeración se centra en el balance de cargas térmicas y el dimensionamiento de los principales equipos de refrigeración necesarios para el funcionamiento adecuado de un sistema RSW de estas características, así como las consideraciones que se deben tomar en cuenta para el cálculo. Estos equipos son: Condensador(es), Compresor(es), Chiller(s), Elemento de expansión, Tanque recibidor, termosifón y acumulador de succión. / Trabajo de suficiencia profesional

As turbinas a gás (TG) são máquinas usadas para transformar a energia térmica liberada na combustão de um hidrocarboneto em trabalho. A parte crítica para a concepção das TG encontra-se nas secções expostas a condições mecânicas e térmicas extremas, tais como as primeiras pás da turbina. A eficiência das TG é limitada pela temperatura máxima que podem suportar os materiais das pás sem escoamento ou deformação. Atualmente, a temperatura máxima de operação encontra-se acima da temperatura de escoamento do material, permitido pelo uso de técnicas de revestimentos cerâmicos com uma baixa condutividade térmica, (revestimento de proteção térmica, TBC) e técnicas de arrefecimento das pás. O arrefecimento interno é realizado com canais internos através dos quais escorre ar que é extraído do compressor principal. Como esse ar não é utilizado para gerar trabalho, é necessário otimizar as técnicas de arrefecimento. O presente trabalho melhora o nível de arrefecimento interno de uma pá de TG, através da otimização do desenho dos canais de arrefecimento mediante a utilização da Teoria Constructal Uma configuração com dois canais elípticos de diferentes geometrias é analisado, com o objetivo de otimizar a sua posição, área e razão de aspecto, procurando gerar uma redução da temperatura máxima no metal. São desenvolvidos quatro modelos com diferentes condições de contorno, incluindo no terceiro modelo a transferência de calor por convecção e radiação e um revestimento de barreira térmica. As conclusões gerais do trabalho estabelecem que os requisitos de máxima eficiência de dissipação de calor e mínima temperatura máxima no metal podem gerar modelos levemente diferentes. No entanto, ambos indicadores do desempenho térmico da pá estão intimamente relacionados, porem, sem grande variação de um design ótimo com relação ao outro, nem uma grande variação nas magnitudes da temperatura máxima ou da eficiência. O design que fornece a mínima temperatura máxima no metal é composto por canais elípticos achatados com a menor razão de aspecto e de igual área, distribuindo o ar de arrefecimento na maior quantidade de canais possíveis. A aplicação do Design Constructal nos canais internos de arrefecimento em TG reduz a temperatura máxima no metal, podendo constituir uma melhoria na vida útil das pás.

As turbinas a gás (TG) são máquinas usadas para transformar a energia térmica liberada na combustão de um hidrocarboneto em trabalho. A parte crítica para a concepção das TG encontra-se nas secções expostas a condições mecânicas e térmicas extremas, tais como as primeiras pás da turbina. A eficiência das TG é limitada pela temperatura máxima que podem suportar os materiais das pás sem escoamento ou deformação. Atualmente, a temperatura máxima de operação encontra-se acima da temperatura de escoamento do material, permitido pelo uso de técnicas de revestimentos cerâmicos com uma baixa condutividade térmica, (revestimento de proteção térmica, TBC) e técnicas de arrefecimento das pás. O arrefecimento interno é realizado com canais internos através dos quais escorre ar que é extraído do compressor principal. Como esse ar não é utilizado para gerar trabalho, é necessário otimizar as técnicas de arrefecimento. O presente trabalho melhora o nível de arrefecimento interno de uma pá de TG, através da otimização do desenho dos canais de arrefecimento mediante a utilização da Teoria Constructal Uma configuração com dois canais elípticos de diferentes geometrias é analisado, com o objetivo de otimizar a sua posição, área e razão de aspecto, procurando gerar uma redução da temperatura máxima no metal. São desenvolvidos quatro modelos com diferentes condições de contorno, incluindo no terceiro modelo a transferência de calor por convecção e radiação e um revestimento de barreira térmica. As conclusões gerais do trabalho estabelecem que os requisitos de máxima eficiência de dissipação de calor e mínima temperatura máxima no metal podem gerar modelos levemente diferentes. No entanto, ambos indicadores do desempenho térmico da pá estão intimamente relacionados, porem, sem grande variação de um design ótimo com relação ao outro, nem uma grande variação nas magnitudes da temperatura máxima ou da eficiência. O design que fornece a mínima temperatura máxima no metal é composto por canais elípticos achatados com a menor razão de aspecto e de igual área, distribuindo o ar de arrefecimento na maior quantidade de canais possíveis. A aplicação do Design Constructal nos canais internos de arrefecimento em TG reduz a temperatura máxima no metal, podendo constituir uma melhoria na vida útil das pás.

[EN] Abstract The current pressure to reduce CO2 emissions from reciprocating internal combustion engines has led to the exploration of all possible ways to reduce fuel consumption. One of these pathways, especially relevant given the current trend of engine downsizing, is based on the correct engine thermal management, understood as a global approach to existing thermal fluxes and oriented to their maximum exploitation without penalizing the reliability and durability of the engine. In this context, it is imperative to achieve deeper understanding of the basic phenomena which determine the heat transfer process between the engine and the cooling fluid. One aspect in which knowledge is especially scarce is the role of heat transfer with phase change, which is twofold: firstly, its uncontrolled appearance may cause catastrophic engine damage while, on the other hand, this mechanism has potentially exploitable advantages, especially for cooling the head, if it can be properly controlled. This second aspect is particularly relevant in the context of advanced cooling strategies. The research has focused on this mechanism and its main objectives are the development of experimental and numerical techniques to evaluate and predict the heat flows in the cylinder head in the presence of evaporative flow, with a view to their future use in obtaining optimal cooling solutions. To this end, a thorough review of the application to engines of evaporative heat transfer was conducted, that has been supplemented with numerous contributions from other technology fields in which its study is more advanced. The first phase of the work has focused on a simplified experimental setup, which has provided controlled information under conditions similar to the actual ones on heat fluxes at low speeds and bubbles sizes, a feature especially important for advanced concepts involving locally narrow galleries. Also, in this first phase the behaviour of different numerical models available for the calculation of flow and heat transfer in the presence of evaporation was analyzed, taking advantage of the geometric simplicity of the problem and the experimental data available to focus on the evaluation and calibration of the heat transfer models. In the second stage of the work, the acquired knowledge was applied to the study of an actual cylinder head geometry, performing an overall conjugate heat transfer computation for the solid parts and the coolant, with promising results in view of the future use of computational techniques for the proper design of cooling galleries. / [ES] Resumen La presión actual para reducir cada vez más las emisiones de CO2 de los motores de combustión interna alternativos ha conducido a que se estén explorando todas las posibles vías de reducción del consumo de combustible. Una de estas vías, especialmente relevante dada la actual tendencia a la reducción del tamaño de los motores (downsizing) se basa en la correcta gestión térmica del motor, entendida como una aproximación global a los flujos térmicos existentes y orientada a su máximo aprovechamiento, sin penalizar la fiabilidad y durabilidad del motor. En este contexto, es imperativo profundizar en el conocimiento de los fenómenos básicos que determinan los procesos de transferencia de calor entre el motor y el fluido refrigerante. Un aspecto en que el conocimiento es especialmente escaso es el papel desempeñado por la transferencia de calor con cambio de fase, que presenta dos vertientes: por una parte, su aparición incontrolada puede producir daños catastróficos en el motor mientras que, por otra parte, este mecanismo presenta ventajas potencialmente explotables, sobre todo para la refrigeración de la culata, si se puede mantener bajo control. Esta segunda vertiente cobra especial relevancia en el marco de estrategias de refrigeración avanzadas. La investigación realizada se ha centrado en este mecanismo, y sus objetivos principales han sido la puesta a punto de técnicas experimentales y numéricas que permitan evaluar y predecir los flujos térmicos en la culata en presencia de flujo evaporativo, con vistas a su futuro empleo en la obtención de soluciones de refrigeración óptimas. Con este fin, se ha realizado una revisión exhaustiva sobre la aplicación a los motores de la transferencia de calor evaporativa, que ha sido necesario complementar con numerosas aportaciones de otros campos tecnológicos en que su estudio se halla más avanzado. La primera fase del trabajo se ha centrado en una configuración experimental simplificada, que ha permitido obtener información controlada, en condiciones similares a las reales, relativa a flujos de calor a bajas velocidades y tamaño de burbujas, aspecto éste de especial importancia para conceptos avanzados que implican galerías localmente angostas. Asimismo, en esta primera fase se analizó el comportamiento de distintos modelos numéricos para el cálculo del flujo y la transferencia de calor con presencia de evaporación, aprovechando la simplicidad geométrica del problema y la información experimental disponible para centrarse en la evaluación y calibración de los modelos de transferencia de calor. En la segunda fase del trabajo, se aplicó el conocimiento adquirido al estudio de una geometría real de culata, habiéndose realizado un cálculo conjugado global de la transferencia de calor en las partes sólidas y el refrigerante, con resultados prometedores de cara al futuro uso de técnicas computacionales para el correcto diseño de las galerías de refrigeración. / [CAT] Resum La pressió actual per reduir cada vegada més les emissions de CO2 dels motors de combustió interna alternatius ha fet que s'estiguen explorant totes les possibles vies de reducció del consum de combustible. Una d'aquestes vies, especialment rellevant donada l'actual tendència a la reducció de la mida dels motors (downsizing) es basa en la correcta gestió tèrmica del motor, entesa com una aproximació global als fluxos tèrmics existents i orientada al seu màxim aprofitament, sense penalitzar la fiabilitat i durabilitat del motor. En aquest context, és imperatiu aprofundir en el coneixement dels fenòmens bàsics que determinen els processos de transferència de calor entre el motor i el fluid refrigerant. Un aspecte en què el coneixement és especialment escàs és el paper exercit per la transferència de calor amb canvi de fase, que presenta dues vessants: d'una banda, la seva aparició incontrolada pot produir danys catastròfics en el motor mentre que, d'altra banda, aquest mecanisme presenta avantatges potencialment explotables, sobretot per a la refrigeració de la culata, si es pot mantenir sota control. Aquesta segona vessant cobra especial rellevància en el marc d'estratègies de refrigeració avançades. La investigació realitzada s'ha centrat en aquest mecanisme, i els seus objectius principals han estat la posada a punt de tècniques experimentals i numèriques permetent l'avaluació i predicció dels fluxos tèrmics a la culata en presència de flux evaporatiu, amb vista al seu futur ús en l'obtenció de solucions de refrigeració òptimes. Amb aquesta finalitat, s'ha realitzat una revisió exhaustiva sobre l'aplicació als motors de la transferència de calor evaporativa, que ha estat necessari complementar amb nombroses aportacions d'altres camps tecnològics en que el seu estudi es troba més avançat. La primera fase del treball s'ha centrat en una configuració experimental simplificada, que ha permès obtenir informació controlada, en condicions similars a les reals, relativa a fluxos de calor a baixes velocitats i grandària de bombolles, aspecte aquest d'especial importància per a conceptes avançats que impliquen galeries localment estretes. Així mateix, en aquesta primera fase es va analitzar el comportament de diferents models numèrics pel càlcul del flux i la transferència de calor amb presència d'evaporació, aprofitant la simplicitat geomètrica del problema i la informació experimental disponible per centrar-se en l'avaluació i calibratge dels models de transferència de calor. A la segona fase del treball, es va aplicar el coneixement adquirit a l'estudi d'una geometria real de culata, havent-se realitzat un càlcul conjugat global de la transferència de calor a les parts sòlides i el refrigerant, amb resultats prometedors de cara al futur ús de tècniques computacionals per al correcte disseny de les galeries de refrigeració. / Cornejo Luna, O. (2015). Contribución al estudio de la transferencia de calor en flujo evaporativo en culatas de MCIA [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/52694 / TESIS

Publicación a texto completo no autorizada por el autor / Trata del cálculo de la carga térmica y selección de un equipo de refrigeración “chiller” para enfriar el agua que sirve a la planta de tratamiento térmico de piezas de acero y aleaciones fundidas darle mayor dureza y por lo tanto mayor duración de las diferentes piezas fabricadas al sector industrial. Dentro de los diferentes procesos para llevar a cabo el tratamiento térmico para darle la dureza necesaria de las piezas de fundición es la necesidad de la Empresa Metalúrgica Peruana S.A. (MEPSA) de contar con una cisterna que contenga agua helada, tal situación de necesidad de la empresa es el objetivo de esta investigación de resolver este problema. / Trabajo de suficiencia profesional