The Project in Canada to Search for Supersymmetric Objects (PICASSO) searches for cold dark matter through the direct detection of Weakly Interacting Massive Particles (WIMPs) via spin-dependent and spin independent interactions with 19F nuclei. The detection principle is based on the superheated droplet technique; the detectors consist of a gel matrix with millions of liquid droplets of superheated fluorocarbon (C4F10) dispersed in it. In order to reduce the background, it is essential to distinguish the signature of different background particles interacting in the detector. A dedicated setup was developed in order to study the response of the C4F10 droplets in the presence of different backgrounds. The main objectives of this research are to identify the actual size (diameter) of the droplet increases due to phase transition and to check and establish the correlation between the droplet size and the maximum amplitude of the signal. In addition, the alpha-neutron discrimination was studied by observing each event’s image frames and the associated acoustic signal to get the amplitude distribution. The mean ratio of bubble size to droplet size was found to be 5.48, independent of temperature and type of interacting particle. Furthermore, no correlation was found between the droplet size and the maximum amplitude of the signal. As for the discrimination studies, the analysis of the signal events has confirmed that alphas generated outside the active liquid in the gel are much more difficult to discriminate from neutron than when alphas are generated inside the active liquid.

The effect of superheat on the disruption of liquid droplets in a compressible gas flow was investigated experimentally in a small-scale, supersonic wind tunnel. Aerodynamically generated ethanol droplets of an average diameter of 0.1 mm were injected via a normal sonic jet into a Mach 1.8 freestream. Both nonsuperheated and superheated droplets were injected with initial Weber numbers of approximately 700. The droplets and flow structure were photographed using the shadowgraph method. The relatively high momentum of the liquid droplets typically caused them to pass out of the sonic jet structure. Nonsuperheated droplets showed no signs of disrupting after traveling over 200 mm downstream from the injection point. Only droplets with injection temperatures above the predicted boiling point at tunnel freestream static pressure (48°C) showed signs of disruption, typically after they left the sonic jet structure (30 to 100 mm downstream of the injection point). Droplets in this range of temperatures appeared to begin to boil from the downstream side of the droplet, shedding a vapor cloud before disrupting completely in the chaotic mode. Droplets with temperatures above the boiling point at the exit plane of the sonic jet began to disrupt in the chaotic mode almost instantly (within 1 exit nozzle diameter).

This work deals with the design and realization of an automated test software for the Honeywell superheat controller. The first part of the project includes brief description about embedded systems and heat pumps. Afterwards testing principles are covered in a short chapter, followed by a description of the Honeywell superheat controller. After these chapters actual software structure will be introduced to the reader- with a detailed description of the most interesting parts. At the end of the document there will be a summary what was achieved exactly, and what was the plan. After this summary, the reader can study almost all the Virtual Instruments created during the development of this project.

[ES] Un porcentaje significativo de la energía se destina a la producción de Agua Caliente Sanitaria (ACS) en el sector comercial y residencial. Además, la mayor parte de la energía que contiene el agua se desperdicia en el ambiente tras su uso. Las bombas de calor han sido identificadas por su capacidad de producir ACS con una alta eficiencia y son una gran alternativa hacia la descarbonización de las ciudades. Además, son capaces de utilizar como fuente de calor, el calor contenido en el agua que actualmente se desperdicia. Sin embargo, la aplicación del uso de bombas de calor para ACS recuperando el calor de las aguas residuales presenta unas características diferentes a las usuales en bombas de calor. Por tanto, es necesario un análisis del problema más profundo y se require mayor investigación al respecto con el fin de lograr un desarrollo eficiente de la misma: 1. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante los grandes saltos de temperatura que tienen lugar en esta aplicación (ACS). 2. Un diseño de bomba de calor capaz de operar con alta eficiencia ante saltos de temperatura del fluido secundario variables (recuperación de calor). 3. La integración de esta bomba de calor en un sistema de ACS completo (estrategias de recuperación de calor, componentes, tamaño y estrategia de control). Normalmente, los ciclos transcríticos han sido considerados como una de las mejores soluciones para la producción de ACS (donde se tienen grandes saltos de temperatura en el agua, 10-60°C). Sin embargo, este tipo de ciclo presenta dos desventajas principales, la necesidad de altas presiones en la instalación y la dependencia de la eficiencia con el salto de temperatura del agua en el condensador. Sin embargo, los ciclos subcríticos han demostrado un gran potencial para saltos de temperatura del agua variables si se aplica un control del subenfriamiento adecuado. El objetivo de esta tesis es investigar la bomba de calor agua-agua más eficiente trabajando con un ciclo de refrigerante subcrítico para la producción de ACS utilizando como fuente de calor el calor disponible en las aguas residuales (a baja-media temperatura) para determinar el sistema más eficiente para este tipo de aplicación. El trabajo se divide en dos partes diferenciadas: ¿ Diseño de la bomba de calor El desarrollo de la bomba de calor es una continuación del trabajo realizado en la tesis de M. Pitarch [1]. En dicha tesis, se investigó el papel del subenfriamiento en una bomba de calor subcrítica para la apliación de ACS. Se desarrolló un prototipo de bomba de calor con el diseño de dos configuraciones distintas en función del modo en el que se realizaba el subenfriamiento. Los resultados permitieron concluir que este tipo de bombas de calor (subcríticas) eran capaces de operar con eficiencias similares a las de las bombas de calor basadas en ciclos transcríticos si se opera con un grado de subenfriamiento óptimo. Sin embargo, en ambas configuraciones se requiere un componente más que en las bombas de calor convencionales. En esta tesis, se ha realizado un estudio y análisis teórico de la bomba de calor. Se ha desarrollado e implementado una estrategia de control para el subenfriamiento y se ha construído el prototipo de bomba de calor propuesto en [1]. De todo este trabajo se ha obtenido el diseño de bomba de calor basada en ciclos subcríticos más interesante para este tipo de aplicaciones. ¿ Diseño e integración de la Bomba de Calor y el sistema de ACS La integración del prototipo seleccionado en un sistema para la producción de ACS con recuperación del calor de las aguas residuales ha sido analizada.El sistema más simple y eficiente necesario para este tipo de aplicaciones (producción de ACS con recuperación de calor de las aguas grises) se compone de un intercambiador de calor (recuperador), una bomba de calor con subenfriamiento optimizado y dos depósitos de almacenamiento. / [CAT] Un percentatge significatiu de l'energia es destina a la producció d'Aigua Calenta Sanitària (ACS) en el sector comercial i residencial. A més, la major part de l'energia que conté l'aigua es malgasta en l'ambient després del seu ús. Les bombes de calor han sigut identificades per la seua capacitat de produir ACS amb una alta eficiència i són una gran alternativa cap a la descarbonització de les ciutats. A més, són capaços d'utilitzar com a font de calor, el calor contingut en l'aigua que actualment es desaprofita. Contribuint així, a aconseguir un sector energètic més respectuós amb el Medi Ambient. No obstant això, l'aplicació de l'ús de bombes de calor per a ACS recuperant el calor de les aigües residuals presenta unes característiques diferents de les usuals en bombes de calor. Per tant, és necessari una anàlisi del problema més profund i es requereix una major investigació al respecte amb la finalitat d'aconseguir una alta eficiència: 1.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant dels grans salts de temperatura presents en aquesta aplicació (ACS). 2.Un disseny de bomba de calor capaç d'operar amb alta eficiència davant de salts de temperatura del fluid secundari variables (recuperació de calor). 3.La integració d'aquesta bomba de calor en un sistema d'ACS complet (estratègies de recuperació de calor, components, grandària i estratègia de control). Normalment, els cicles transcrítics han sigut considerats com una de les millors solucions per a la producció d'ACS (on es tenen grans salts de temperatura en l'aigua, 10-60°C). No obstant això, aquest tipus de cicle presenta dos desavantatges principals, la necessitat d'altes pressions en la instal·lació i la dependència de l'eficiència amb el salt de temperatura de l'aigua en el condensador i evaporador. L'objectiu d'aquesta tesi és investigar la bomba de calor aigua-aigua més eficient treballant amb un cicle de refrigerant subcrític per a la producció d'ACS utilitzant com a font de calor el calor disponible en les aigües residuals (a baixa-mitja temperatura) per a determinar el sistema més eficient en aquest tipus d'aplicació. El treball es dividix en: ¿ Disseny de la bomba de calor El desenvolupament de la bomba de calor és una continuació del treball realitzat en la tesi de M. Pitarch [1]. En aquella tesi, es va investigar el paper del subrefredament en una bomba de calor subcrítica per a l'apliació d'ACS. Es va desenvolupar un prototip de bomba de calor amb el disseny de dues configuracions distintes en funció de la manera en què es realitzava el subrefredament. Els resultats van permetre concloure que aquests tipus de bombes de calor (subcrítiques) eren capaços d'operar amb eficiències semblants a les de les bombes de calor basades en cicles transcrítics si s'opera amb un grau de subrefredament òptim. No obstant això, en ambdues configuracions es requereix un component més que en les bombes de calor convencionals. En la present tesi, es va realitzar un estudi i anàlisi teòric de la bomba de calor. Es va desenvolupar i implementar una estratègia de control per al subrefredament i es va construir el prototip de bomba de calor proposat en [1]. De tot aquest treball s'ha obtingut el disseny de bomba de calor basada en cicles subcrítics més interessant per aquest tipus d'aplicacions. ¿Disseny i integració de la Bomba de Calor i el sistema d'ACS La integració del prototip seleccionat en un sistema per a la producció d'ACS amb recuperació de el calor de el calor de les aigües residuals ha sigut analitzada.El sistema més simple i eficient necessari per a aquest tipus d'aplicacions (producció d'ACS amb recuperació de calor provinent d'aigües grisas) està compost per un bescanviador de calor (recuperador), una bomba subrefredada i dos depòsits d'emmagatzemament. / [EN] A significant percentage of energy is destined to produce Domestic Hot Water (DHW) within the building sector. Furthermore, most of that energy contained in the water is wasted to the ambient after its use. Heat pumps have been clearly identified as an efficient technology for DHW production, and as a main vector towards future de-carbonization of cities. In addition, they could use the heat from the wastewater as a heat source. Thus, contributing in two ways towards a more environmentally friendly energetic sector. However, the use of heat pumps for DHW recovering heat from wastewater faces several challenges that require further analysis and development: 1. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat sink take place. 2. A heat pump design capable to operate with high performance when variable secondary temperature lifts at the heat source take place. 3. The integration of the heat pump within a system (heat recovery strategies, components, sizing, operation strategy). Usually, transcritical cycles have been considered the most suitable cycle for DHW production (high temperature lifts of the heat sink, 10-60°C). However, this cycle involves several drawbacks as for instance the requirement of high pressures in the installation or a significant reduction of the performance with the increase of water inlet temperature at the condenser. Instead, subcritical cycles have demonstrated great potential for DHW applications if a proper control of subcooling is performed. The objective of this thesis is to investigate the most efficient water-to-water heat pump working with a subcritical cycle for DHW production using as a heat source wasted heat at medium-low temperature and to determine the most efficient system based on heat pumps for this application. The work is divided in two differentiated parts: ¿ Heat pump concept This development is a continuation from the PhD work of M. Pitarch [1]. In that PhD work, the role of the subcooling in the performance of a subcritical heat pump for DHW applications was investigated. Two different configurations of a heat pump prototype were designed based on the way subcooling was made. The results showed that a subcooling optimized subcritical heat pump was able to provide comparable performance than present HPs employing transcritical cycles. However, both configurations require one more component than usual heat pumps. Thus, a new prototype based only on the typical components (compressor, condenser, expansion valve and evaporator) was proposed as future work. In this thesis, a theoretic analysis of the heat pump was done. A subcooling control methodology was developed and tested. The proposed prototype in [1] has been built and characterized. From all the results, the most convenient heat pump design was obtained. ¿ Integral Heat pump-DHW system The integration of the most convenient heat pump prototype within a system for the DHW production based on heat recovery from wastewater has been analyzed. The research has included the development of a model of the entire system in Trnsys and the optimization of the main components of the system: their sizing and their operation with the objective of reaching the maximum global efficiency of the complete system. Due to the complexity of the problem, the analysis was performed in three main steps: first, a study of the direct heat exchange,second, an study focusing on the condenser side, that is, the consideration of an infinite heat source (large availability of sewage water for instance) and third, the focus was done on the evaporator side. That is, the optimization of the complete system in which a finite heat source is considered (grey waters collected from the building for instance). The simplest and most efficient system required in DHW production and heat recuperation from wastewater has been determined. / Esta tesis se enmarca dentro del proyecto “APROVECHAMIENTO DEL CALOR RESIDUAL A BAJA TEMPERATURA MEDIANTE BOMBAS DE CALOR PARA LA PRODUCCION DE AGUA CALIENTE” a través de una beca FPI del Ministerio de Economía y Competitividad. / Hervás Blasco, E. (2020). Aprovechamiento del calor residual a baja temperatura mediante bombas de calor para la producción de agua caliente [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/137776 / TESIS

<p>Explosive boiling is a phenomenon encountered in severe nuclear reactor accidents during quench cooling, core relocation or through fuel-coolant interactions. The mitigation of accident conditions is important from a safety standpoint since explosive boiling is potentially capable of destructive forces. Explosive boiling occurs when coolant water encounters a hot solid surface and absorbs a high degree of superheat. The resultant boiling mode is violent and features the rapid decomposition of liquid on a microsecond timescale with liquid atomization and ejection. In this study, the explosive boiling force of a single water droplet impacting hot solid surfaces was estimated with secondary droplet analyses using high-speed imaging.</p> <p>A water droplet at 25°C with a Weber number of 432 impacted perpendicular to solid surfaces at temperatures from 30-700°C. Solid surfaces of copper, brass and stainless steel varied in thermal diffusivity from 3.48 x10^-6to 1.17 x10^-4m²/s. Curved and flat impact surfaces were also tested. Explosive boiling was most prominent when the instantaneous interface temperature attained the superheat limit temperature (300°C ±17°C). Maximum boiling force was encountered at the superheat limit with reduced force at surface temperatures in the nucleate boiling regime and near zero force in the film boiling regime. Thermal disintegration dominates over inertial break up of the droplet near the superheat limit region. Thermal diffusivity effects were only distinguishable in the 250-450°C region where increasing thermal diffusivity translated to larger boiling forces. Secondary droplet counts, size, trajectories were dependent on the boiling mode present at the interface with very strong variances caused by thermal break up of the initial droplet. Explosive boiling caused greater fragmentation creating more secondary droplets with smaller sizes and larger ejection trajectories. A curved surface showed slightly higher explosive boiling force in the superheat limit region but with negligible effects on secondary droplet properties.</p> / Master of Applied Science (MASc)

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

Le BLEVE (Boiling Liquid Exploding Vapor Explosion) est l’un des accidents les plus craints dans l’industrie. Bien qu’il soit étudié depuis plus de soixante ans, certains dangers et situations restent mal anticipés, tels que : quelles seraient les conséquences de la surpression d’un BLEVE dans un milieu urbain confiné ? Qu’adviendrait-il si un camion de transport de GPL venait exploser sur un pont ? Ces questions nécessitent d’étudier la physique du BLEVE au plus proche du conteneur. Ce travail explore les phénomènes physiques générant la surpression aérienne en champ proche de l’explosion, en essayant de comprendre la contribution des phases du contenu (liquide et vapeur) dans les dangers en champ proche du BLEVE. Un prototype expérimental petite échelle a été conçu dans le but de reproduire les BLEVE de cuves cylindriques de manière réaliste. Vingt-quatre BLEVEs de propane ont été effectués. Un large spectre de données a été collecté lors de ces tests : surpression aérienne dans de multiples directions autour du conteneur, variations de pression dans le conteneur avant et après rupture, chargement au sol dû à l’explosion, visualisations en imagerie rapide selon un certain nombre d’angles. Les résultats montrent une dépendance forte entre les caractéristiques de la phase vapeur et la suppression maximale générée par l’explosion. La reconstruction chronologique du phénomène confirme ce résultat. Cependant, la phase liquide joue un rôle capital dans la génération du chargement au sol, qui est un danger considérable, mais peu considéré jusque-là. / Boiling Liquid Exploding Vapor Explosion (BLEVE) is one of the most feared accident in the industry. Even though it has been studied for over 6 decades, many safety questions remain poorly answered: what happens if a BLEVE occurs in a congested urban or industrial area? What if a road tanker BLEVE happens on a bridge? These questions require to look closer to the vessel. This work focuses on understanding the physics involved in overpressure generation in the near field surrounding of the vessel, to understand the contribution of the fluid phases (liquid and vapor) in the near-field hazards of a BLEVE. For this purpose, a small scale experimental prototype was designed to reproduce realistic BLEVE failure. Twenty-four propane BLEVEs were performed. A wide range of data was recorded from these tests: blast overpressure all around the vessel, transient pressure inside the vessel, ground loading under the vessel, and high speed imaging through various angles. Results give more insight on the anisotropy of the pressure field around the cylindrical vessel. It also shows a strong dependency between vapor content and maximum overpressure from the lead shock. Moreover, the chronology of the phase change observed through transient pressure measurements show that the main contributor of the maximum overpressure is the vapor phase. The phase change is studied through pressure transient in the vessel and high speed imaging, giving a better understanding of the time scales involved with this phenomenon. Finally, ground loading measurements are analyzed to give insight on the order of magnitude involved in this hazard.

Die Erfindung der Kältemaschine macht es möglich, dass heute zu beliebiger Zeit Kälte in benötigter Menge und gewünschter Temperatur erzeugt werden kann. Aber für die Kälteerzeugung braucht man Antriebsenergie. Das Ziel dieser Doktorarbeit besteht darin, mit einer intelligenten Kombination von thermostatischem Expansionsventil (TEV) und innerem Wärmeübertrager (IWÜ) den Energieverbrauch von Kälteanlagen deutlich zu verringern, ohne dass dies zu einer Verschlechterung der Zuverlässigkeit oder wesentlichen Mehrkosten führt. Bis heute gelten die beiden bekannten Komponenten TEV und IWÜ als inkompatibel miteinander, weil die einfache Aneinanderreihung zu einem instabilen Regelverhalten führt. Nach detaillierter Analyse der Ursachen dieser Instabilität wird die Hypothese aufgestellt, dass durch eine absichtliche „Verschlechterung“ des IWÜ ein stabiler Arbeitsbereich gefunden werden kann. Bei dieser „Verschlechterung“ kann es sich z. B. um den Bypass eines Teils des Hochdruckstromes oder um eine Gleichstromanordnung der Ströme im Wärmeübertrager handeln. Diese Hypothese wurde primär durch Experimente, aber zusätzlich auch durch Simulationsrechnungen bestätigt. Dafür wurde ein Versuchsstand aufgebaut, mit welchem verschiedene Konfigurationen und Regelstrategien getestet wurden. Es wurde eine deutliche Verringerung des Energieverbrauchs gegenüber herkömmlichen Anordnungen erreicht.

La vaporisation explosive, ou flashing, par dépressurisation rapide du C6F14 au travers d'une vanne à boisseau sphérique est analysée expérimentalement sur une grande plage de surchauffe. Les visualisations rapides montrent un jet s’ouvrant très largement en aval, preuve de l'existence d'un fort gradient de pression. Des mesures locales par sonde optique et par vélocimétrie phase Doppler ont permis de caractériser tailles, vitesses, concentration et flux numérique des gouttes en fonction de la surchauffe. La faible influence du degré de surchauffe sur la remontée en pression et sur les tailles et flux de gouttes suggère que le champ de pression s’adapte, et que par conséquent le liquide est soumis à une surchauffe locale bien plus faible que la surchauffe globale imposée. Différents scenarii sont discutés pour expliquer les observations, dont le fait que les tailles de gouttes sont peu sensibles à la surchauffe. Celui basé sur l’existence d’un front d’ébullition est le plus probable. / Depressurization (flashing) experiments through a ball valve were conducted with C6F14 for a large range of superheat. High-speed imaging shows a rapid and wide expansion of the jet, which evidences strong pressure gradients. Local measurements with phase detection optical probes and phase Doppler velocimetry were used to characterize size, speed, concentration and volumetric flux of drops as a function of superheat. The level of superheat has little influence on the vaporized fraction and on drop size and flux: this suggests that due to strong pressure gradients the liquid sees a much weaker level of superheat than the global superheat imposed on the system. Different scenarii are discussed to explain observations, in particular the fact that drop size remains approximately constant independent of the superheat. A scenario based on the existence of a boiling front seems to be the most consistent.