Experimental and Numerical Analysis of Gas Forced Convection through Microtubes and Micro Heat Exchangers

The last decade has witnessed very fast development in microfabrication technologies. The increasing industrial applications of microfluidic systems call for more intensive and systematic knowledge on this newly emerging field. Especially for gaseous flow and heat transfer at microscale, the applicability of conventional theories developed at macro scale is not yet completely validated; this is mainly due to scarce experimental data available in literature for gas flows. The objective of this thesis is to investigate these unclear elements by analyzing forced convection for gaseous flows through microtubes and micro heat exchangers. Experimental tests have been performed with microtubes having various inner diameters, namely 750 m, 510 m and 170 m, over a wide range of Reynolds number covering the laminar region, the transitional zone and also the onset region of the turbulent regime. The results show that conventional theory is able to predict the flow friction factor when flow compressibility does not appear and the effect of fluid temperature-dependent properties is insignificant. A double-layered microchannel heat exchanger has been designed in order to study experimentally the efficiency of a gas-to-gas micro heat exchanger. This microdevice contains 133 parallel microchannels machined into polished PEEK plates for both the hot side and the cold side. The microchannels are 200 µm high, 200 µm wide and 39.8 mm long. The design of the micro device has been made in order to be able to test different materials as partition foil with flexible thickness. Experimental tests have been carried out for five different partition foils, with various mass flow rates and flow configurations. The experimental results indicate that the thermal performance of the countercurrent and cross flow micro heat exchanger can be strongly influenced by axial conduction in the partition foil separating the hot gas flow and cold gas flow.

Low Mass Calibration Target for MM-Wave Remote Sensing Instruments

The reliability of millimeter and sub-millimeter wave radiometer measurements is dependent on the accuracy of the loads they employ as calibration targets. In the recent past on-board calibration loads have been developed for a variety of satellite remote sensing instruments. Unfortunately some of these have suffered from calibration inaccuracies which had poor thermal performance of the calibration target as the root cause. Stringent performance parameters of the calibration target such as low reflectivity, high temperature uniformity, low mass and low power consumption combined with low volumetric requirements remain a challenge for the space instrument developer. In this paper we present a novel multi-layer absorber concept for a calibration load which offers an excellent compromise between very good radiometric performance and temperature uniformity and the mass and volumetric constraints required by space-borne calibration targets.

Morteros acumuladores con parafinas microencapsuladas para el aprovechamiento de la energía solar en suelos radiantes

Esta Tesis plantea la pregunta de si el uso de morteros con parafinas microencapsuladas combinado con colectores solares térmicos puede reducir el consumo de energías convencionales, en un sistema tradicional de suelo radiante. Se pretende contribuir al conocimiento acerca del efecto que produce en el edificio, el calor latente acumulado en suelos radiantes, utilizando morteros de cemento Portland con material de cambio de fase (PCM), en conjunto con la energía solar. Para cumplir con este propósito, la investigación se desarrolla considerando diversos aspectos. En primer lugar, se revisa y analiza la documentación disponible en la actualidad, de almacenamiento de energía mediante calor latente en la construcción, y en particular la aplicación de microcápsulas de PCM en morteros y suelos radiantes. También se revisa la documentación relacionada con la aplicación de la energía solar térmica y en suelo radiante. Se analiza la normativa vigente respecto al material, a los colectores solares y al suelo radiante. Se verifica que no hay normativa relacionada con mortero-PCM, debido a esto se aplica en la investigación una adaptación de la existente. La fase experimental desarrollada esta principalmente dirigida a la cuantificación, caracterización y evaluación de las propiedades físicas, mecánicas y térmicas del mortero de cemento Portland con parafinas microencapsuladas. Los resultados obtenidos y su análisis, permiten conocer el comportamiento de este tipo de morteros, con las diferentes variables aplicadas en la investigación. Además, permite disponer de la información necesaria, para crear una metodología para el diseño de morteros con parafina microencapsulada, tanto del punto de vista de su resistencia a la compresión y contenido de PCM, como de su comportamiento térmico como acumulador de calor. Esto se logra procesando la información obtenida y generando modelos matemáticos, para dosificar mezclas, y predecir la acumulación de calor en función de su composición. Se determinan los tipos y cantidades de PCM, y el cemento más adecuado. Se obtienen importantes conclusiones respecto a los aspectos constructivos a considerar en la aplicación de morteros con PCM, en suelo radiante. Se analiza y evalúa la demanda térmica que se puede cubrir con el suelo radiante, utilizando morteros con parafina microencapsulada, a través de la acumulación de energía solar producida por colectores solares, para condiciones climáticas, técnicas y tipologías constructivas específicas. Se determina que cuando los paneles cubren más de 60 % de la demanda por calefacción, se puede almacenar en los morteros con PCM, el excedente generado durante el día. Se puede cubrir la demanda de acumulación de energía con los morteros con PCM, en la mayoría de los casos analizados. Con esto, se determina que el uso de morteros con PCM, aporta a la eficiencia energética de los edificios, disminuyendo el consumo de energías convencionales, reemplazándola por energía solar térmica. En esta investigación, el énfasis está en las propiedades del material mortero de cemento-PCM y en poder generar metodologías que faciliten su uso. Se aborda el uso de la energía solar, para verificar que es posible su acumulación en morteros con PCM aplicados en suelo radiante, posibilitando el reemplazo de energías convencionales. Quedan algunos aspectos de la aplicación de energía solar a suelo radiante con morteros con PCM, que no han sido tratados con la profundidad que requieren, y que resultan interesantes de evaluar en este tipo de aplicaciones constructivas, como entre otros, los relacionados con la cuantificación de los ahorros de energía en las diferentes estaciones del año, de la estabilización de temperaturas internas, su análisis de costo y la optimización de este tipo de sistemas para utilización en verano, los que dan pie para otras Tesis o proyectos de investigación. ABSTRACT This Thesis proposes the question of whether the use of mortars with microencapsulated paraffin combined with solar thermal collectors can reduce conventional energy consumption in a traditional heating floor system. It aims to contribute to knowledge about the effect that it has on the building, the latent heat accumulated in heating floor, using Portland cement mortars with phase change material (PCM), in conjunction with solar energy. To fulfill this purpose, the research develops it considering various aspects. First, it reviews and analyzes the documentation available today, about energy storage by latent heat in the building, and in particular the application of PCM microcapsules in mortars and heating floors. It also reviews the documentation related to the application of solar thermal energy and heating floor. Additionally, it analyzes the current regulations regarding to material, solar collectors and heating floors. It verifies that there aren’t regulations related to PCM mortar, due to this, it applies an adaptation in the investigation. The experimental phase is aimed to the quantification, mainly, characterization and evaluation of physical, mechanical and thermal properties of Portland cement mortar with microencapsulated paraffin. The results and analysis, which allow us to know the behavior of this type of mortars with different variables applied in research. It also allows having the information necessary to create a methodology for designing mortars with microencapsulated paraffin, both from the standpoint of its resistance to compression and PCM content, and its thermal performance as a heat accumulator. This accomplishes by processing the information obtained, and generating mathematical models for dosing mixtures, and predicting heat accumulation depending on their composition. The research determines the kinds and amounts of PCM, and the most suitable cement. Relevant conclusions obtain it regarding constructive aspects to consider in the implementation of PCM mortars in heating floor. Also, it analyzes and evaluates the thermal demand that it can be covered in heating floor using microencapsulated paraffin mortars, through the accumulation of solar energy produced by solar collectors to weather conditions, technical and specific building typologies. It determines that if the panels cover more than 60% of the demand for heating, the surplus generated during the day can be stored in PCM mortars. It meets the demand of energy storage with PCM mortars, in most of the cases analyzed. With this, it determines that the use of PCM mortars contributes to building energy efficiency, reducing consumption of conventional energy, replacing it with solar thermal energy. In this research approaches the use of solar energy to determine that it’s possible to verify its accumulation in PCM mortars applied in heating floor, enabling the replacement of conventional energy. The emphasis is on material properties of PCM mortar and, in order to generate methodologies to facilitate their use. There are some aspects of solar energy application in PCM mortars in heating floor, which have not been discussed with the depth required, and that they are relevant to evaluate in this kind of construction applications, including among others: the applications related to the energy savings quantification in different seasons of the year, the stabilizing internal temperatures, its cost analysis and optimization of these systems for use in summer, which can give ideas for other thesis or research projects.

Design and analysis of helium Brayton power cycles for HiPER reactor

Helium Brayton cycles have been studied as power cycles for both fission and fusion reactors obtaining high thermal efficiency. This paper studies several technological schemes of helium Brayton cycles applied for the HiPER reactor proposal. Since HiPER integrates technologies available at short term, its working conditions results in a very low maximum temperature of the energy sources, something that limits the thermal performance of the cycle. The aim of this work is to analyze the potential of the helium Brayton cycles as power cycles for HiPER. Several helium Brayton cycle configurations have been investigated with the purpose of raising the cycle thermal efficiency under the working conditions of HiPER. The effects of inter-cooling and reheating have specifically been studied. Sensitivity analyses of the key cycle parameters and component performances on the maximum thermal efficiency have also been carried out. The addition of several inter-cooling stages in a helium Brayton cycle has allowed obtaining a maximum thermal efficiency of over 36%, and the inclusion of a reheating process may also yield an added increase of nearly 1 percentage point to reach 37%. These results confirm that helium Brayton cycles are to be considered among the power cycle candidates for HiPER.

Construction cost and energy consumption resulting from energy retrofitting in an apartment building in Madrid (Spain).

This theoretical study analyzes the relation between the measures necessesary for the energy retrofitting of a residential building constructed in Madrid, their cost and the improvement of the energy rating of the dwellings. The aim of this work is to establish an evaluation methodology that allows developers and architects to obtain conclusions and orientates therm in the decisioin-making process. It will allow finding the most suitable cost-effective solutions in each case. This paper describes the methodology and the findings obtained. Energy retrofitting and the improvement of the energy behaviour of the building depend on the selection of the retrofitting solutions and also on the investment. In this case study to achieve the best energy rates it is necessary to improve the thermal performance of the envelope as well as the energy systems. Energy retrofitting means an increase in property value but it can't only be considered in economic terms. It is necessary to take into account unquantifiable aspects as increased comfort, improved sound insulation, livability, health, or the elimination of energy poverty situations.

New concepts and techniques for the development of high-efficiency concentrating photovoltaic modules

El interés por los sistemas fotovoltaicos de concentración (CPV) ha resurgido en los últimos años amparado por el desarrollo de células multiunión de muy alta eficiencia basadas en semiconductores de los grupos III-V. Estas células han permitido obtener módulos de concentración con eficiencias que prácticamente duplican las del panel plano y que llegan al 35% en los módulos récord. Esta tesis está dedicada al diseño y la implementación experimental de nuevos conceptos que permitan obtener módulos CPV que no sólo alcancen una eficiencia alta en condiciones estándar sino que, además, sean lo suficientemente tolerantes a errores de montaje, seguimiento, temperatura y variaciones espectrales para que la energía que producen a lo largo del año sea máxima. Una de las primeras cuestiones que se abordan es el diseño de elementos ópticos secundarios para sistemas cuyo primario es una lente de Fresnel y que permiten, para una concentración fija, aumentar el ángulo de aceptancia y la tolerancia del sistema. Varios secundarios reflexivos y refractivos han sido diseñados y analizados mediante trazado de rayos. En particular, utilizando óptica anidólica y basándose en el diseño de una sola etapa conocido como ‘concentrador dieléctrico que funciona por reflexión total interna‘, se ha diseñado, fabricado y caracterizado un secundario con salida cuadrada que, usado junto con una lente de Fresnel, permite alcanzar simultáneamente una elevada eficiencia, concentración y aceptancia. Además, se ha propuesto y prototipado un método alternativo de fabricación para otro de los secundarios, denominado domo, consistente en el sobremoldeo de silicona sobre células solares. Una de las características que impregna todo el trabajo realizado en esta tesis es la aproximación holística en el diseño de módulos CPV, es decir, se ha prestado especial atención al diseño conjunto de la célula y la óptica para garantizar que el sistema total alcance la mayor eficiencia posible. En este sentido muchos sistemas ópticos desarrollados en esta tesis han sido diseñados, caracterizados y optimizados teniendo en cuenta que el ajuste de corriente entre las distintas subcélulas que comprenden la célula multiunión bajo el concentrador sea muy próximo a uno. La capa antirreflectante sobre la célula funciona, en cierto modo, como interfaz entre la óptica y la célula, por lo que se ha diseñado un método de optimización de capas antirreflectantes que considera no sólo el amplio rango de longitudes de onda para el que las células multiunión son sensibles sino también la distribución angular de intensidad sobre la célula creada por la óptica de concentración. Además, la cuestión de la falta de uniformidad también se ha abordado mediante la comparación de las distribuciones espectrales y espaciales de irradiancia que crean diferentes ópticas (simuladas mediante trazado de rayos y fotografiadas) y las pérdidas de eficiencia que experimentan las células iluminadas por dichas ópticas de concentración medidas experimentalmente. El efecto de la temperatura en la óptica de concentración también ha sido objeto de estudio de esta tesis. En particular, mediante simulaciones de elementos finitos se han dado los primeros pasos para el análisis de las deformaciones que sufren los dientes de las lentes de Fresnel híbridas (vidrio-silicona), así como el cambio de índice de refracción con la temperatura y la influencia de ambos efectos sobre el funcionamiento de los sistemas. Se ha implementado un modelo que tiene por objeto considerar las variaciones ambientales, principalmente temperatura y contenido espectral de la radiación directa, así como las sensibilidades térmica y espectral de los sistemas CPV, con el fin de maximizar la energía producida por un módulo de concentración a lo largo de un año en un emplazamiento determinado. Los capítulos 5 y 6 de este libro están dedicados al diseño, fabricación y caracterización de un nuevo concepto de módulo fotovoltaico denominado FluidReflex y basado en una única etapa reflexiva con dieléctrico fluido. En este nuevo concepto la presencia del fluido aporta algunas ventajas significativas como son: un aumento del producto concentración por aceptancia (CAP, en sus siglas en inglés) alcanzable al rodear la célula con un medio cuyo índice de refracción es mayor que uno, una mejora de la eficiencia óptica al disminuir las pérdidas por reflexión de Fresnel en varias interfaces, una mejora de la disipación térmica ya que el calor que se concentra junto a la célula se trasmite por convección natural y conducción en el fluido y un aislamiento eléctrico mejorado. Mediante la construcción y medida de varios prototipos de unidad elemental se ha demostrado que no existe ninguna razón fundamental que impida la implementación práctica del concepto teórico alcanzando una elevada eficiencia. Se ha realizado un análisis de fluidos candidatos probando la existencia de al menos dos de ellos que cumplen todos los requisitos (en particular el de estabilidad bajo condiciones de luz concentrada) para formar parte del sistema de concentración FluidReflex. Por ´ultimo, se han diseñado, fabricado y caracterizado varios prototipos preindustriales de módulos FluidReflex para lo cual ha sido necesario optimizar el proceso de fabricación de la óptica multicavidad a fin de mantener el buen comportamiento óptico obtenido en la fabricación de la unidad elemental. Los distintos prototipos han sido medidos, tanto en el laboratorio como bajo el sol real, analizando el ajuste de corriente de la célula iluminada por el concentrador FluidReflex bajo diferentes distribuciones espectrales de la radiación incidente así como el excelente comportamiento térmico del módulo. ABSTRACT A renewed interest in concentrating photovoltaic (CPV) systems has emerged in recent years encouraged by the development of high-efficiency multijunction solar cells based in IIIV semiconductors that have led to CPV module efficiencies which practically double that of flat panel PV and which reach 35% for record modules. This thesis is devoted to the design and experimental implementation of new concepts for obtaining CPV modules that not only achieve high efficiency under standard conditions but also have such a wide tolerance to assembly errors, tracking, temperature and spectral variations, that the energy generated by them throughout the year is maximized. One of the first addressed issues is the design of secondary optical elements whose primary optics is a Fresnel lens and which, for a fixed concentration, allow an increased acceptance angle and tolerance of the system. Several reflective and refractive secondaries have been designed and analyzed using ray tracing. In particular, using nonimaging optics and based on the single-stage design known as ‘dielectric totally internally reflecting concentrator’, a secondary with square output has been designed, fabricated and characterized. Used together with a Fresnel lens, the secondary can simultaneously achieve high efficiency, concentration and acceptance. Furthermore, an alternative method has been proposed and prototyped for the fabrication of the secondary named dome. The optics is manufactured by direct overmolding of silicone over the solar cells. One characteristic that permeates all the work done in this thesis is the holistic approach in the design of CPV modules, meaning that special attention has been paid to the joint design of the solar cell and the optics to ensure that the total system achieves the highest attainable efficiency. In this regard, many optical systems developed in the thesis have been designed, characterized and optimized considering that the current matching among the subcells within the multijunction solar cell beneath the optics must be close to one. Antireflective coating over the cell acts, somehow, as an interface between the optics and the cell. Consequently, a method has been designed to optimize antireflective coatings that takes into account not only the broad wavelength range that multijunction solar cells are sensitive to but also the angular intensity distribution created by the concentrating optics. In addition, the issue of non-uniformity has also been addressed by comparing the spectral and spatial distributions of irradiance created by different optics (simulated by ray tracing and photographed) and the efficiency losses experienced by cells illuminated by those concentrating optics experimentally determined. The effect of temperature on the concentrating optics has also been studied in this thesis. In particular, finite element simulations have been use to analyze the deformations experienced by the facets of hybrid (silicon-glass) Fresnel lenses, the change of refractive index with temperature and the influence of both effects on the system performance. A model has been implemented which take into consideration atmospheric variations, mainly temperature and spectral content of the direct normal irradiance, as well as thermal and spectral sensitivities of systems, with the aim of maximizing the energy harvested by a CPV module throughout the year in a particular location. Chapters 5 and 6 of this book are devoted to the design, fabrication, and characterization of a new concentrator concept named FluidReflex and based on a single-stage reflective optics with fluid dielectric. In this new concept, the presence of the fluid provides some significant advantages such as: an increased concentration acceptance angle product (CAP) achievable by surrounding the cell with a medium whose refractive index is greater than one, an improvement of the optical efficiency by reducing losses due to Fresnel reflection at several interfaces, an improvement in heat dissipation as the heat concentrated near the cell is transmitted by natural convection and conduction in the fluid, and an improved electrical insulation. By fabricating and characterizing several elementary-unit prototypes it was shown that there is no fundamental reason that prevents the practical implementation of this theoretical concept reaching high efficiency. Several fluid candidates were investigated proving the existence of at least to fluids that meet all the requirements (including the stability under concentrated light) to become part of the FluidReflex concentrator. Finally, several pre-industrial FluidReflex module prototypes have been designed and fabricated. An optimization process for the manufacturing of the multicavity optics was necessary to attain such an optics quality as the one achieved by the single unit. The module prototypes have been measured, both indoors and outdoors, analyzing the current matching of the solar cells beneath the concentrator for different spectral distribution of the incident irradiance. Additionally, the module showed an excellent thermal performance.

Fuel poverty as a determinant in energy retrofitting actions

Fuel poverty can be defined as “the inability to afford adequate warmth in the home" and it is the result of the combination of three items: low household income, housing lack of energy efficiency and high energy bills. Although it affects a growing number of households within the European Union only some countries have an official definition for it. In 2013, the European Parliament claimed the Commission and Estate Members to develop different policies in order to fight household energy vulnerability. The importance of tackling fuel poverty is based on the critical consequences it has for human health living below certain temperatures. In Spain some advances have been made in this field but main existing studies remain at the statistical level and do not deepen the understanding of the problem from the perspective of dwelling indoor habitability conditions. What is more, this concept is yet to be officially defined. This paper presents the evaluation of fuel poverty in a building block of social housing located in the centre of Zaragoza and how this issue determined the strategies implemented in the energy retrofitting intervention project. At a first step, fuel poverty was appraised through the exploration of indoor thermal conditions. The adaptive thermal comfort (UNE-EN 15251:2008) method was used to establish the appropriate indoor temperatures and consequently to determine what can be called 'comfort gap'. Results were collated and verified with energy bills collection and a survey work that gathered data from neighbours. All this permitted pointing out those households more in need. Results from the social analysis combined with the evaluation of the building thermal performance determined the intervention. The renovation project was aimed at the implementation of passive strategies that improve households thermal comfort in order to alleviate households fuel poverty situation. This research is part of the project NewSolutions4OldHousing (LIFE10 ENV/ES/439) cofounded by the European Commission under the LIFE+ Programme.

Technology and characterization of GaN-HEMTs devices: high temperature and trapping effects

Los transistores de alta movilidad electrónica basados en GaN han sido objeto de una extensa investigación ya que tanto el GaN como sus aleaciones presentan unas excelentes propiedades eléctricas (alta movilidad, elevada concentración de portadores y campo eléctrico crítico alto). Aunque recientemente se han incluido en algunas aplicaciones comerciales, su expansión en el mercado está condicionada a la mejora de varios asuntos relacionados con su rendimiento y habilidad. Durante esta tesis se han abordado algunos de estos aspectos relevantes; por ejemplo, la fabricación de enhancement mode HEMTs, su funcionamiento a alta temperatura, el auto calentamiento y el atrapamiento de carga. Los HEMTs normalmente apagado o enhancement mode han atraído la atención de la comunidad científica dedicada al desarrollo de circuitos amplificadores y conmutadores de potencia, ya que su utilización disminuiría significativamente el consumo de potencia; además de requerir solamente una tensión de alimentación negativa, y reducir la complejidad del circuito y su coste. Durante esta tesis se han evaluado varias técnicas utilizadas para la fabricación de estos dispositivos: el ataque húmedo para conseguir el gate-recess en heterostructuras de InAl(Ga)N/GaN; y tratamientos basados en flúor (plasma CF4 e implantación de F) de la zona debajo de la puerta. Se han llevado a cabo ataques húmedos en heteroestructuras de InAl(Ga)N crecidas sobre sustratos de Si, SiC y zafiro. El ataque completo de la barrera se consiguió únicamente en las muestras con sustrato de Si. Por lo tanto, se puede deducir que la velocidad de ataque depende de la densidad de dislocaciones presentes en la estructura, ya que el Si presenta un peor ajuste del parámetro de red con el GaN. En relación a los tratamientos basados en flúor, se ha comprobado que es necesario realizar un recocido térmico después de la fabricación de la puerta para recuperar la heteroestructura de los daños causados durante dichos tratamientos. Además, el estudio de la evolución de la tensión umbral con el tiempo de recocido ha demostrado que en los HEMTs tratados con plasma ésta tiende a valores más negativos al aumentar el tiempo de recocido. Por el contrario, la tensión umbral de los HEMTs implantados se desplaza hacia valores más positivos, lo cual se atribuye a la introducción de iones de flúor a niveles más profundos de la heterostructura. Los transistores fabricados con plasma presentaron mejor funcionamiento en DC a temperatura ambiente que los implantados. Su estudio a alta temperatura ha revelado una reducción del funcionamiento de todos los dispositivos con la temperatura. Los valores iniciales de corriente de drenador y de transconductancia medidos a temperatura ambiente se recuperaron después del ciclo térmico, por lo que se deduce que dichos efectos térmicos son reversibles. Se han estudiado varios aspectos relacionados con el funcionamiento de los HEMTs a diferentes temperaturas. En primer lugar, se han evaluado las prestaciones de dispositivos de AlGaN/GaN sobre sustrato de Si con diferentes caps: GaN, in situ SiN e in situ SiN/GaN, desde 25 K hasta 550 K. Los transistores con in situ SiN presentaron los valores más altos de corriente drenador, transconductancia, y los valores más bajos de resistencia-ON, así como las mejores características en corte. Además, se ha confirmado que dichos dispositivos presentan gran robustez frente al estrés térmico. En segundo lugar, se ha estudiado el funcionamiento de transistores de InAlN/GaN con diferentes diseños y geometrías. Dichos dispositivos presentaron una reducción casi lineal de los parámetros en DC en el rango de temperaturas de 25°C hasta 225°C. Esto se debe principalmente a la dependencia térmica de la movilidad electrónica, y también a la reducción de la drift velocity con la temperatura. Además, los transistores con mayores longitudes de puerta mostraron una mayor reducción de su funcionamiento, lo cual se atribuye a que la drift velocity disminuye más considerablemente con la temperatura cuando el campo eléctrico es pequeño. De manera similar, al aumentar la distancia entre la puerta y el drenador, el funcionamiento del HEMT presentó una mayor reducción con la temperatura. Por lo tanto, se puede deducir que la degradación del funcionamiento de los HEMTs causada por el aumento de la temperatura depende tanto de la longitud de la puerta como de la distancia entre la puerta y el drenador. Por otra parte, la alta densidad de potencia generada en la región activa de estos transistores conlleva el auto calentamiento de los mismos por efecto Joule, lo cual puede degradar su funcionamiento y Habilidad. Durante esta tesis se ha desarrollado un simple método para la determinación de la temperatura del canal basado en medidas eléctricas. La aplicación de dicha técnica junto con la realización de simulaciones electrotérmicas han posibilitado el estudio de varios aspectos relacionados con el autocalentamiento. Por ejemplo, se han evaluado sus efectos en dispositivos sobre Si, SiC, y zafiro. Los transistores sobre SiC han mostrado menores efectos gracias a la mayor conductividad térmica del SiC, lo cual confirma el papel clave que desempeña el sustrato en el autocalentamiento. Se ha observado que la geometría del dispositivo tiene cierta influencia en dichos efectos, destacando que la distribución del calor generado en la zona del canal depende de la distancia entre la puerta y el drenador. Además, se ha demostrado que la temperatura ambiente tiene un considerable impacto en el autocalentamiento, lo que se atribuye principalmente a la dependencia térmica de la conductividad térmica de las capas y sustrato que forman la heterostructura. Por último, se han realizado numerosas medidas en pulsado para estudiar el atrapamiento de carga en HEMTs sobre sustratos de SiC con barreras de AlGaN y de InAlN. Los resultados obtenidos en los transistores con barrera de AlGaN han presentado una disminución de la corriente de drenador y de la transconductancia sin mostrar un cambio en la tensión umbral. Por lo tanto, se puede deducir que la posible localización de las trampas es la región de acceso entre la puerta y el drenador. Por el contrario, la reducción de la corriente de drenador observada en los dispositivos con barrera de InAlN llevaba asociado un cambio significativo en la tensión umbral, lo que implica la existencia de trampas situadas en la zona debajo de la puerta. Además, el significativo aumento del valor de la resistencia-ON y la degradación de la transconductancia revelan la presencia de trampas en la zona de acceso entre la puerta y el drenador. La evaluación de los efectos del atrapamiento de carga en dispositivos con diferentes geometrías ha demostrado que dichos efectos son menos notables en aquellos transistores con mayor longitud de puerta o mayor distancia entre puerta y drenador. Esta dependencia con la geometría se puede explicar considerando que la longitud y densidad de trampas de la puerta virtual son independientes de las dimensiones del dispositivo. Finalmente se puede deducir que para conseguir el diseño óptimo durante la fase de diseño no sólo hay que tener en cuenta la aplicación final sino también la influencia que tiene la geometría en los diferentes aspectos estudiados (funcionamiento a alta temperatura, autocalentamiento, y atrapamiento de carga). ABSTRACT GaN-based high electron mobility transistors have been under extensive research due to the excellent electrical properties of GaN and its related alloys (high carrier concentration, high mobility, and high critical electric field). Although these devices have been recently included in commercial applications, some performance and reliability issues need to be addressed for their expansion in the market. Some of these relevant aspects have been studied during this thesis; for instance, the fabrication of enhancement mode HEMTs, the device performance at high temperature, the self-heating and the charge trapping. Enhancement mode HEMTs have become more attractive mainly because their use leads to a significant reduction of the power consumption during the stand-by state. Moreover, they enable the fabrication of simpler power amplifier circuits and high-power switches because they allow the elimination of negativepolarity voltage supply, reducing significantly the circuit complexity and system cost. In this thesis, different techniques for the fabrication of these devices have been assessed: wet-etching for achieving the gate-recess in InAl(Ga)N/GaN devices and two different fluorine-based treatments (CF4 plasma and F implantation). Regarding the wet-etching, experiments have been carried out in InAl(Ga)N/GaN grown on different substrates: Si, sapphire, and SiC. The total recess of the barrier was achieved after 3 min of etching in devices grown on Si substrate. This suggests that the etch rate can critically depend on the dislocations present in the structure, since the Si exhibits the highest mismatch to GaN. Concerning the fluorine-based treatments, a post-gate thermal annealing was required to recover the damages caused to the structure during the fluorine-treatments. The study of the threshold voltage as a function of this annealing time has revealed that in the case of the plasma-treated devices it become more negative with the time increase. On the contrary, the threshold voltage of implanted HEMTs showed a positive shift when the annealing time was increased, which is attributed to the deep F implantation profile. Plasma-treated HEMTs have exhibited better DC performance at room temperature than the implanted devices. Their study at high temperature has revealed that their performance decreases with temperature. The initial performance measured at room temperature was recovered after the thermal cycle regardless of the fluorine treatment; therefore, the thermal effects were reversible. Thermal issues related to the device performance at different temperature have been addressed. Firstly, AlGaN/GaN HEMTs grown on Si substrate with different cap layers: GaN, in situ SiN, or in situ SiN/GaN, have been assessed from 25 K to 550 K. In situ SiN cap layer has been demonstrated to improve the device performance since HEMTs with this cap layer have exhibited the highest drain current and transconductance values, the lowest on-resistance, as well as the best off-state characteristics. Moreover, the evaluation of thermal stress impact on the device performance has confirmed the robustness of devices with in situ cap. Secondly, the high temperature performance of InAlN/GaN HEMTs with different layouts and geometries have been assessed. The devices under study have exhibited an almost linear reduction of the main DC parameters operating in a temperature range from room temperature to 225°C. This was mainly due to the thermal dependence of the electron mobility, and secondly to the drift velocity decrease with temperature. Moreover, HEMTs with large gate length values have exhibited a great reduction of the device performance. This was attributed to the greater decrease of the drift velocity for low electric fields. Similarly, the increase of the gate-to-drain distance led to a greater reduction of drain current and transconductance values. Therefore, this thermal performance degradation has been found to be dependent on both the gate length and the gate-to-drain distance. It was observed that the very high power density in the active region of these transistors leads to Joule self-heating, resulting in an increase of the device temperature, which can degrade the device performance and reliability. A simple electrical method have been developed during this work to determine the channel temperature. Furthermore, the application of this technique together with the performance of electro-thermal simulations have enabled the evaluation of different aspects related to the self-heating. For instance, the influence of the substrate have been confirmed by the study of devices grown on Si, SiC, and Sapphire. HEMTs grown on SiC substrate have been confirmed to exhibit the lowest self-heating effects thanks to its highest thermal conductivity. In addition to this, the distribution of the generated heat in the channel has been demonstrated to be dependent on the gate-to-drain distance. Besides the substrate and the geometry of the device, the ambient temperature has also been found to be relevant for the self-heating effects, mainly due to the temperature-dependent thermal conductivity of the layers and the substrate. Trapping effects have been evaluated by means of pulsed measurements in AlGaN and InAIN barrier devices. AlGaN barrier HEMTs have exhibited a de crease in drain current and transconductance without measurable threshold voltage change, suggesting the location of the traps in the gate-to-drain access region. On the contrary, InAIN barrier devices have showed a drain current associated with a positive shift of threshold voltage, which indicated that the traps were possibly located under the gate region. Moreover, a significant increase of the ON-resistance as well as a transconductance reduction were observed, revealing the presence of traps on the gate-drain access region. On the other hand, the assessment of devices with different geometries have demonstrated that the trapping effects are more noticeable in devices with either short gate length or the gate-to-drain distance. This can be attributed to the fact that the length and the trap density of the virtual gate are independent on the device geometry. Finally, it can be deduced that besides the final application requirements, the influence of the device geometry on the performance at high temperature, on the self-heating, as well as on the trapping effects need to be taken into account during the device design stage to achieve the optimal layout.

Painéis de partículas de saco de cimento e embalagem longa vida aplicados como forro em protótipos de aviários

No presente trabalho, considerou o estudo do potencial de utilização de sacos de cimento e embalagens de longa vida com o intuito de agregar valor a esses resíduos, mediante a fabricação de painéis de partículas para uso como forro em protótipos de galpões avícolas. Para fabricação desse material foi utilizado sacos de cimento descartados nas obras civis, embalagens longa vida residuais e resina poliuretana bicomponente à base de óleo de mamona. O estudo foi dividido em quatro etapas: 1) Caracterização da matéria-prima (sacos de cimento); 2) Efeito da densidade e teor de resina nas propriedades físicas, mecânicas e térmicas de painéis de partículas de saco de cimento; 3) Avaliação do desempenho de embalagens longa vida e verniz como revestimentos dos painéis selecionados na etapa anterior; 4) Determinação do desempenho térmico de protótipos de aviários executados em escala reduzida e distorcida com forro de painel de saco de cimento e embalagem longa vida. Os resultados obtidos indicaram: Em razão do painel com 0,6 g.cm-3 e 12% de resina ter apresentado melhor desempenho nas propriedades investigadas, essa combinação foi selecionada para avaliar o desempenho do material (físicas, mecânicas e térmicas) quando revestido com embalagens longa vida, adotando a testemunha e o verniz como um revestimento comparativo. Dentre os revestimentos avaliados, os painéis com embalagens de longa vida, foram superiores aos revestidos com verniz, quando comparados as suas propriedades físicas, mecânicas e térmicas. Dessa maneira, painéis com 0,6 g.cm-3 e 12% de resina revestidos embalagens longa vida, foram testados como forro quanto ao desempenho térmico (primavera, verão, outono e inverno) em protótipos em escala reduzida e distorcida, mediante a determinação de índices de conforto térmico (Entalpia e IAPfc) para aves de corte. A associação do forro sob o protótipo permitiu reduzir a temperatura interna do ar e dos índices de conforto térmico na primavera, verão e outono, enquanto que no inverno não foi constatado eficácia do material. Dentre as estações estudadas, o verão e a primavera, demonstraram serem as épocas mais críticas para criação de aves corte em instalações avícolas que apresentem características semelhantes aos protótipos experimentais.

Estudos climáticos e ambiente construído no município de Descalvado - SP

O presente trabalho analisou o ritmo climático da cidade de Descalvado - SP, por meio de dois episódios representativos do fato climático (de inverno e de primavera), bem como o comportamento térmico no interior de duas casas populares ocupadas, situadas na área urbana do município. Utilizou-se estação automática (CR10X - Campbell Scientific Inc.) que possibilitou a aquisição e o armazenamento dos dados meteorológicos, vinculando estes dados climáticos ao sistema de circulação atmosférica secundária. Dentro da abordagem Dinâmica do Clima, utilizou-se os conceitos de tipos de tempo afeito ao comportamento térmico das casas ocupadas. Os limites da zona de conforto propostos por GIVONI (1992) foram utilizados como referencial na análise do comportamento térmico das casas ocupadas. Os resultados demonstraram que as duas residências apresentaram comportamento térmico semelhante durante as possíveis situações de estresse de calor e frio. Conclui-se que, apesar de se tratar, do ponto de vista econômico, de moradias de baixo custo de construção, são casas que apresentaram adequado desempenho térmico.

Contêineres metálicos para canteiros de obras: análise experimental de desempenho térmico e melhorias na transferência de calor pela envoltória.

Os contêineres metálicos foram desenvolvidos para a utilização no setor de logística e transporte, mas por sua escala adaptável à das edificações e pela mobilidade e praticidade de instalação, tiveram sua utilização apropriada também pelo setor da construção civil. Essas instalações possuem diversas qualidades ambientalmente amigáveis, mas seu aspecto térmico é extremamente insuficiente: sem isolamento térmico, demandam alta carga térmica de refrigeração e aquecimento, no verão e inverno, respectivamente e, consequentemente, um alto consumo energético. Tal característica foi crucial para que se determinassem como objetivos da presente pesquisa investigar o comportamento térmico dessas construções metálicas, avaliar seus parâmetros de desempenho, conforto e estresse térmicos, por meio de uma ampla coleta de dados experimentais. O experimento com duração de um ano - contou com três tipologias de contêiner em escala real, sendo o primeiro em aço Tipo X sem isolamento térmico, o segundo com um isolamento térmico para o fenômeno da condução e o terceiro com isolamento térmico para o fenômeno da radiação. Os diferentes tipos de tratamentos térmicos proporcionaram melhorias à envoltória dos contêineres, chegando a uma diferença nas temperaturas internas de até 9 °C. Constatou-se a extrema necessidade de adequação do tipo de isolamento térmico dos contêineres ao uso a que tais instalações se destinam escritório ou alojamento, no caso dos canteiros de obras para que as características da envoltória minimizem de fato a demanda ou mesmo atinjam a eliminação da necessidade de condicionamento artificial.

Nanocompósito de poliestireno reciclado, bentonita sódica e hemi-hidrato de sulfato de cálcio: obtenção e caracterização.

Nesta Tese foram preparados, em solução, filmes híbridos de argila e poliestireno provenientes de copos descartáveis comercializados no mercado brasileiro, com acetato de etila e glicerol. Posteriormente, foi adicionado o Hemi-hidrato de sulfato de cálcio como carga de reforço. Tanto a argila quanto o glicerol, assim como o hemihidrato de sulfato de cálcio, foram utilizados nos percentuais relativos à massa do poliestireno fragmentado correspondendo a 1%,2%, 3%,4%, 5% e 7%. Dos filmes, nos percentuais 3, 4, 5 e 7, exclui-se o percentual de 4% e os demais foram fragmentados e submetidos a extrusão, com resfriamento natural, à seco, produzindo-se grãos com os quais foi avaliado o índice de fluidez e injetados para a moldagem de corpos de prova rígidos. O desempenho dos corpos rígidos, foi comparado com os resultados do HIPS 484, e o GPPS comercializados no mercado brasileiro. Os filmes foram caracterizados por difração de raios X, microscopia eletrônica de varredura (MEV), calorimetria exploratória diferencial (DSC), além dos testes de resistência à tração, fluorescência de raios X, EDS e FTIR. Amostra do filme, ultrafino, obtido a partir da solução com o percentual de 5% foi observada ao microscópio ótico e no microscópio eletrônico de transmissão, assim como amostras de corpos rígidos microtomizadas. Nos corpos rígidos, além das análises instrumentais citadas, foram avaliadas a resistência à flexão, modulo de flexão, resistência à tração, alongamento e resistência ao impacto Izod. O desempenho sob chama foi avaliado em amostras de filme e também do corpo rígido. Resultados do DRX, e da MET foram coerentes com a bibliografia para nanocompósitos argila-polímero e, associado às respostas dos demais ensaios, indicaram um material de boa qualidade morfológica e boas propriedades mecânicas comparadas ao HIPS 484 e ao GPPS. Sob a chama o material produzido apresentou maior resistência à queima avaliado pela quantidade aparente de material residual para um mesmo tempo sob fogo. Constatou-se, também, uma boa dispersão das cargas na matriz polimérica, assim como uma adequada interação entre os elementos orgânicos e inorgânicos do material, a delaminação parcial da argila e quebra da estrutura do hemi-hidrato. Isto resultou em um bom desempenho mecânico e térmico do compósito que pode ser atribuído, tanto a uma forte influência dos íons metálicos presentes nas cargas inorgânicas, quanto às adições presentes na formulação dos copos descartáveis.

Análise comparativa dos métodos da ISO 13790 e sua adequabilidade na estimativa das necessidades de energia para aquecimento e arrefecimento e da temperatura do ar interior

Tese de mestrado integrado em Engenharia da Energia e do Ambiente, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016

Análise económica e financeira da reabilitação na construção

O setor da construção tem evoluído ao longo dos anos, quer em termos de processos construtivos, quer em termos de materiais aplicados, tendo sempre em conta a relação custo/prazo/qualidade. Atualmente existe uma grande quantidade de edifícios cujo tempo de vida útil está a chegar ao fim e cujas estruturas e materiais se vêm a degradar progressivamente. É então necessário proceder à sua demolição e posterior construção de uma edificação nova ou então recorrer a processos de reabilitação, que visam conservar o património arquitetónico e procurar corresponder às solicitações e exigências regulamentares requeridas. Isto leva a outro ponto, que é a análise do investimento e a verificação da rentabilidade do projeto. A presente dissertação, inserida no Mestrado em Conservação e Reabilitação do Edificado, tem como objetivos fazer uma análise económica e financeira a vários edifícios intervencionados, verificando a viabilidade do projeto e determinando o período de retorno do investimento. O caso de estudo é um conjunto de quatro edifícios de custos controlados que foram reabilitados pelo exterior com o objetivo de melhorar o comportamento térmico, bem como as condições interiores das habitações, a nível de instalações e acústica. Por sua vez, os objetivos da presente dissertação incidem especificamente no isolamento térmico dos edifícios, na substituição das caixilharias e das janelas, das caixas de estore e dos estores. Foram realizadas medições de temperatura e humidade relativa antes, durante e após a reabilitação, através de um aparelho medidor Hygropalm, da Rotronic. Foram também registados os consumos energéticos (eletricidade, água e gás) antes e após a reabilitação. Posteriormente procedeu-se à análise e comparação de resultados em termos de custos para os moradores, bem como a análise de investimento para o dono dos edifícios. Foram também registadas as rendas que os moradores poderão pagar, estando divididas em três tipos: renda mínima, renda média e renda máxima e depois procedeu-se a uma análise financeira para cada uma delas. Considerando o investimento feito na reabilitação e analisando quatro cenários diferentes e sua receita respectiva (lucros expectáveis), sendo a receita correspondente à poupança energética e a cada tipo de renda, verificou-se que o investimento tinha retorno passados muitos anos.

Fin spacing interaction in fluidized bed heat exchangers

The work presented in this thesis is concerned with the heat transfer performance of a single horizontal bare tube and a variety of finned tubes immersed in a shallow air fluidized bed. Results of experimental investigations with the bare tube indicate that the tube position in the bed influences its performance narticularly where fine bed materials are used. In some cases the maximum heat transfer is obtained with the tube in the particle cloud just above the dense phase fluidized bed - a phenomenon that has not been previously observed. This was attributed to the unusual particle circulation in shallow beds. The data is also presented in dimensionless correlations which may be useful for design purposes. A close approximation to the bare tube data can be obtained by using thetransient heating of a spherical robe and this provides a valuable way of accumulating a lot of data very rapidly. The experimental data on finned tubes shows that a fin spacing less than twenty times the average particle diameter can cause a significant reduction in heat transfer due to the interaction which takes place between the particles and the surface of the fins. Furthermore, evidence is provided to show that particle shape plays an important part in the interaction with spherical particles being superior to angular particles at low fin spacing/particle diameter ratio. The finned tube data is less sensitive to tube position in the bed than bare tubes and the best performance is when the tube is positioned at the distributor.A reduction in bed depth decreases the thermal performance of the finned tube but in many practical installations the reduction in pressure drop might more than comnensate for the reduced heat flux. Information is also provided on the theoretical uerformance of fins and the effect of the root contact area between the fins and the tube was investigated.