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Advanced phase-change intermediate heat exchanger development for multistage thermoelectric heat pumps
(Elsevier, 2023) Erro Iturralde, Irantzu; Aranguren Garacochea, Patricia; Alegría Cía, Patricia; Rodríguez García, Antonio; Astrain Ulibarrena, David; Institute of Smart Cities - ISC; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
The need to reach a full energy decarbonisation is well known. Heating and cooling consumption is almost half of the global energy end-use. Thus, development of low-carbon and highly efficient power-to-heat technologies must be developed. In this work, the use of thermoelectric technology working as a heat pump is proposed to heat up an airflow of 38 m3/h. Two different prototypes of multistage thermoelectric heat pumps have been developed and compared based on monophasic and phase-change intermediate heat exchangers. The reduced thermal resistance obtained for the novel phase-change heat exchanger increases the heat flux supplied to the airflow and reduces the consumed power of the system, outperforming the operation of the monophasic thermoelectric heat pump between a 30 and a 67 %. The novel multistage phase-change heat pump obtains experimental COP values between 3.25 and 1.26 when the airflow rises its temperature from 3.5 °C to 23.5 °C. Additionally, this experimental study proves a new methodology to calculate the supplied heat flux to the airflow. The validation of this technology proves a discrepancy of ± 9 % when this novel technology is compared to the conventional one based on the airflow temperature rise.
Embargo
Análisis computacional de un sistema termoeléctrico para la mejora de un ciclo de refrigeración de CO2 transcrítico
(2021) Purroy Huici, Fabio; Aranguren Garacochea, Patricia; Araiz Vega, Miguel; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola Teknikoa
El fundamento para este estudio parte del interés que existe en las empresas por disminuir los costes y mejorar la eficiencia en sus sistemas de refrigeración. De este modo, buscan una mayor competitividad comercial debido a que estos sistemas poseen un consumo eléctrico muy elevado. Además, como urgencia global, el desarrollo de nuevas tecnologías persigue la implementación de medidas medioambientales que ofrezcan un equilibrio entre la producción industrial y un uso más sostenible de los recursos. A día de hoy, las regulaciones ambientales restrictivas en la utilización de refrigerantes se han visto incrementadas. Concretamente, el CO2 se está utilizando como fluido de trabajo por tener un poder de calentamiento atmosférico mucho más bajo que otros fluidos industriales. El principal conflicto al que se enfrenta el uso de CO2 como refrigerante son sus altas temperaturas de trabajo, las cuales brindan carácter transcrítico al fluido. Ello conlleva una difícil adaptación de los componentes de sistema y un descenso en la eficiencia de este. La solución a este problema reside en la adición de un intercambiador recalentador-subenfriador termoeléctrico (IHX) a la salida del condensador y el evaporador, dentro del sistema de compresión de vapor, cuyo fin es incrementar la eficiencia del sistema contando con dicha fase transcrítica. De esta forma, es posible la obtención de diseños fiables y de presupuesto reducido para sistemas de media y pequeña potencia. Es por ello de gran interés el estudio de este tipo de intercambiadores, variando el voltaje de sus módulos termoeléctricas para la obtención de ciclos de refrigeración más eficientes. Así, comprobando que la eficiencia obtenida compensa el consumo aportado por termoelectricidad.
Embargo
Análisis de eficiencia de un intercambiador de calor intermedio en un ciclo de refrigeración de vapor mediante ANSYS Fluent
(2021) Goldáraz Martín, Joseba Iñaki; Aranguren Garacochea, Patricia; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola Teknikoa
El presente TFG consiste en el análisis mediante elementos finitos (ANSYS Fluent) de un intercambiador de calor intermedio en un ciclo de refrigeración por compresión de vapor. El uso de los sistemas de refrigeración es muy abundante en nuestra sociedad, tanto para refrigerar alimentos, congeladores, como para procesos industriales, climatización... Debido al consumo de estos de potencia eléctrica es de absoluta necesidad reducir en lo máximo posible las emisiones de CO, tanto las emisiones directas producidas por fugas de los refrigerante como las indirectas, provenientes del consumo eléctrico del ciclo de refrigeración. Para ello se estudiará el siguiente Intercambiador intermedio, elemento mediante el cual se puede aumentar el rendimiento global del sistema sin aumentar su consumo. Se comenzará con el modelado en 3D del intercambiador con programas de diseño por ordenador a partir de la medición del modelo real. Con el diseño ya realizado, se utilizará el software de ANSYS Fluent para estudiar su funcionamiento y características a través de métodos de elementos finitos. Para el estudio se compararán los valores obtenidos mediante la simulación con valores experimentales obtenidos mediante estudios previamente realizados. Este proceso se realizará para varios refrigerantes, estudiando distintas configuraciones de temperaturas de funcionamiento, flujos másicos... etc. Una vez estudiada y verificada la similitud en los resultados, el objetivo es la optimización del intercambiador a través de modificaciones en la geometría base del mismo.
Open Access
Assessing the reliability of current simulation of thermoelectric heat pumps for nearly zero energy buildings: expected deviations and general guidelines
(Elsevier, 2019) Martínez Echeverri, Álvaro; Díaz de Garayo, Sergio; Aranguren Garacochea, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Ingeniaritza; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería
This paper makes evident that a rigorous review of simulation methods for thermoelectric heat pumps in nearly-zero energy buildings is needed, as incoherent results during verification and validation of simulation models are reported in the literature. Statistical methods based on uncertainty analysis are deployed to calculate the minimum deviations between experimental and simulated values of the main variables that define the performance of a thermoelectric heat pump, within working scenarios expected in nearly-zero energy buildings. Results indicate that the narrower confidence intervals of these deviations are set by the uncertainties in the calculation of the thermoelecric properties of the thermoelectric modules. The minimum deviation in the prediction of the electric power consumed by the thermoelectric heat pump is ±6% in all scenarios. Likewise, confidence intervals for the heat flow emitted to the hot reservoir range from ±8% for high operating voltages of the thermoelectric heat pump to ±23% for low ones. In similar terms, those of the coefficient of performance range from ±4% to ±21%. These lower limits cannot be reduced unless the uncertainties in the measurement of the thermoelectric properties are reduced. In fact, these confidence intervals are due to increase as more uncertainties are added in the analysis, so wider intervals are expected when heat exchangers and complex heat reservoir are introduced in the system. To avoid so, several guidelines for uncertainty reduction are included in the paper, intended to increase the reliability of the simulation of thermoelectric heat pumps. Among them, relevant is the precise account of the aspect ratio in a thermoelectric module, as well as the deployment of temperature and voltage sensors with systematic standard uncertainties lower than 0.3 °C and 0.01 V respectively. The paper demonstrates the relevance of uncertainty propagation analysis in the verification and validation of the simulation models in this field, and underlines how misleading could be just to compare average values of experimental and simulated results.
Unknown
Auxiliary consumption: a necessary energy that affects thermoelectric generation
(Elsevier, 2018) Aranguren Garacochea, Patricia; Araiz Vega, Miguel; Astrain Ulibarrena, David; Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales; Mekanika, Energetika eta Materialen Ingeniaritza
Waste heat recovery can apply to a wide range of applications, from transportation, or industries to domestic appliances. Thermoelectric generation technology applied to those cases could produce electrical energy and thus improve their efficiency. A validated computational methodology, which simulates the behavior of any thermoelectric generator and calculates the energy consumption of the auxiliary equipment involved, has been used to determine the potential of waste heat harvesting. The usable energy, the net energy, generated has to be maximized, not only the thermoelectric generation has to be maximized, but also the consumption of the auxiliary equipment has to be minimized, or if possible eliminated. Heat exchangers with a liquid as the heat carrier procure high thermoelectric generations, as their thermal resistances are very low, nevertheless when the consumption of their auxiliary consumption is borne in mind, their use is not that promising. The optimal thermoelectric energy obtained from the flue gases of a real industry using these dissipation systems is 119 MWh/year, while the maximum net energy is 73 MWh/year due to the consumption of the auxiliary equipment. The latest scenario does not only represent a 40% reduction from the optimal thermoelectric generation but also a different optimal working point. The complete elimination of the auxiliary equipment using novel biphasic thermosyphons with free convection at the same application produces a net energy of 128 MWh/year. This novel dissipation technology presents an increase on the thermoelectric generation due to its low thermal resistances, but above all due to the elimination of the auxiliary consumption.
Embargo
Caracterización experimental de los disipadores de calor de un subenfriador termoeléctrico incluido en un ciclo de CO2 transcrítico
(2021) Rodríguez Martínez, Álvaro; Aranguren Garacochea, Patricia; Casi Satrústegui, Álvaro; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola Teknikoa
Actualmente, la dirección de la normativa reguladora sobre fluidos refrigerantes hacia el empleo de fluidos con un bajo Potencial de Calentamiento Atmosférico (PCA), revela la necesidad de encontrar refrigerantes sostenibles. En esta línea, estudios han determinado que el CO2 parece el candidato idóneo como refrigerante sostenible, dado que conjuga un bajo PCA ,con no ser nocivo para el ser humano. Sin bien, se conoce que las condiciones transcríticas de su uso, especialmente en climas cálidos, hace que el Coeficiente de Operación (COP) de estas instalaciones, decrezca drásticamente, poniendo de manifiesto la necesidad de estudiar nuevas configuraciones que permitan el empleo de este fluido, con temperaturas ambiente elevadas. Partiendo de esta última premisa, el Grupo de Investigación de Ingeniería Térmica y de Fluidos (ITF) de la Universidad Pública de Navarra (UPNA), tras comprobar el aumento de COP en un modelo teórico, ha puesto en marcha la construcción de un prototipo de sistema de refrigeración de CO2 transcrítico en el que se incluye el subenfriamiento termoeléctrico. Para que el subenfriamiento termoeléctrico repercuta positivamente en el COP de la instalación, se debe maximizar el COP de los módulos, minimizando la diferencia de temperaturas entre las caras de estos. Ante esta necesidad, se centra el desarrollo de este proyecto; el cual se fundamenta en el estudio de la implantación de un disipador de calor en la cara caliente del subenfriador termoeléctrico. Para ello, se han buscado dentro del mercado los disipadores de calor que se ajustaban a las necesidades del prototipo, caracterizando térmicamente seis de ellos, los cuales han sido posteriormente analizados uno por uno con el fin de comprobar la viabilidad de implantarlos en el subenfriador termoeléctrico (a partir de ahora, TESC) y con ello, mejorar el COP de la instalación. Una vez seleccionado el más adecuado para este uso, se procedió a caracterizarlo hidráulicamente, para así definirlo completamente, posibilitando su implantación en el prototipo.
Unknown
A CO2 transcritical vapour-compression cycle including thermoelectric devices: thermal design of the heat exchanger for the thermoelectric generator
(2020) Jadot, Benjamin; Aranguren Garacochea, Patricia
The last decades, innovative scientific projects are more and more required to take into account their impact on the climate. Ideas cannot be further developed if their effects on the environment are too big. This is an important factor that limits the wild ideas of engineers, but it is also a challenge to optimize products or systems in a way they become much more environmentally friendly.
Open Access
Computational and experimental study of a complete heat dissipation system using water as heat carrier placed on a thermoelectric generator
(Elsevier, 2014) Aranguren Garacochea, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Pérez Artieda, Miren Gurutze; Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales; Mekanika, Energetika eta Materialen Ingeniaritza
The heat dissipation systems which have liquids as heat carriers outperform conventional dissipation systems at thermoelectric generators (TEGs). However, new elements need to be introduced such as pumps, secondary heat exchangers and piping. A predictive computational model of a dissipation system involving refrigerant liquids has been implemented. The accuracy of the model is 93 % for all its outputs: the total thermal resistance, the hydraulic losses and the auxiliary power consumption. The validation of the model has been done with a prototype mainly composed by a multi-channel heat exchanger, a fan-coil, a pump and several sensors: temperature, pressure and flow meters. A study on the influence of the water and the air mass flow over the total thermal resistance has been conducted. The total resistance dependence on the air mass flow shows the importance of including the secondary heat exchanger into the thermal and hydraulic calculations. The smallest resistance does not always obtain the highest net power generation, the high demanding power of the auxiliary equipment needed to obtain this resistance influences negatively on the net power generation. Among the experimental points, the optimum scenario obtains a 40 % additional power generation with respect to the smallest resistance point.
Open Access
Computational study of geothermal thermoelectric generators with phase change heat exchangers
(Elsevier, 2020) Catalán Ros, Leyre; Araiz Vega, Miguel; Aranguren Garacochea, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Ingeniaritza; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería
The use of thermoelectric generators with phase change heat exchangers has demonstrated to be an interesting and environmentally friendly alternative to enhanced geothermal systems (EGS) in shallow hot dry rock fields (HDR), since rock fracture is avoided. The present paper studies the possibilities of the former proposal in a real location: Timanfaya National Park (Canary Islands, Spain), one of the greatest shallow HDR fields in the world, with 5000 m2 of characterized geothermal anomalies presenting temperatures up to 500 °C at only 2 m deep. For this purpose, a computational model based on the thermal-electrical analogy has been developed and validated thanks to a real prototype, leading to a relative error of less than 8%. Based on this model, two prototypes have been designed and studied for two different areas within the park, varying the size of the heat exchangers and the number of thermoelectric modules installed. As a result, the potential of the solution is demonstrated, leading to an annual electricity generation of 681.53 MWh thanks to the scalability of thermoelectric generators. This generation is obtained without moving parts nor auxiliary consumption, thus increasing the robustness of the device and removing maintenance requirements.
Open Access
Desarrollo e implementación de nuevos modelos solares para el trazador de rayos Tonatiuh
(2018) Arregui Ibáñez, Javier; Aranguren Garacochea, Patricia; Les Aguerrea, Íñigo; Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación; Telekomunikazio eta Industria Ingeniarien Goi Mailako Eskola Teknikoa
Concentrating solar power plants (CSP) use mirrors to concentrate the sun's rays to harness the solar energy available. One of the most important parts of the electricity generation with CSP is how to concentrate the solar rays and understand the optical phenomenon. Solar sun shape has enough influence in solar energy resource with CSP. A new achieve has to be accomplished implementing new solar sunshapes in a ray-tracing software. Tonatiuh was created by Centro Nacional de Energías Renovables (CENER) an must be improved. The implementation of two sunshapes has been made with programming language C++. Another objective of the study is to know how the different solar sun shapes take part in the IAM results. IAM is the indicer angle modifier and it is a coefficient that is used in optical simulations to reduce computational cost.
Unknown
Design and construction of a water-glycol autonomous system which controls the evaporating temperature of a transcritical CO2 refrigeration cycle including thermoelectric subcooling
(2020) Lecumberri Borruel, Carlos; Aranguren Garacochea, Patricia; Casi Satrústegui, Álvaro; Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial, Informática y de Telecomunicación; Industria, Informatika eta Telekomunikazio Ingeniaritzako Goi Mailako Eskola Teknikoa
Recent regulations on refrigeration fluids with a high GWP value are forcing researchers to find new sustainable refrigerants. The CO2 seems to be the perfect candidate due to its neglectable environmental impact and its harmless properties to human beings. However, the working conditions at the transcritical region, caused by high ambient temperatures, decreases considerably the COP of the system. Therefore, new configurations efficiently working with the CO2 are required. The ITF research group from the UPNA has analysed the implementation of an innovative technology in order to optimize a CO2 refrigeration cycle: thermoelectric subcooling. They have theoretically proved that the efficiency increases and nowadays are constructing a prototype which includes the vapour compression refrigeration cycle and the TESC in order to carry out tests and optimize the cycle. To do this, it is completely necessary to simulate the thermal loads of the cycle with an auxiliary circuit. The objective of this project is design and construct this auxiliary circuit and justify the selection of each element constituting it.
Open Access
Design and experimental development of thermoelectric generators for shallow geothermal anomalies of volcanic origin
(2020) Catalán Ros, Leyre; Astrain Ulibarrena, David; Aranguren Garacochea, Patricia; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren
En el contexto energético actual, caracterizado por un incesante aumento en el consumo de energía y una gran dependencia de los combustibles fósiles, resulta imprescindible apostar por sistemas eficientes y basados en energías renovables que contribuyan a un mejor aprovechamiento de los recursos y sean respetuosos con el medio ambiente. En este sentido, la energía geotérmica destaca entre otras fuentes renovables por su carácter permanente, al no depender de las condiciones meteorológicas. Sin embargo, su contribución al sistema energético mundial es mínimo, sobre todo en generación de electricidad. Como alternativa a los ciclos que tradicionalmente se emplean para la generación eléctrica geotérmica, esta tesis doctoral propone la utilización de generadores termoeléctricos debido a sus numerosas ventajas tales como fiabilidad, durabilidad y escalabilidad. Concretamente, la tesis se centra en anomalías geotérmicas superficiales de origen volcánico para dos aplicaciones distintas: la generación eléctrica de media escala en yacimientos de roca caliente seca y el abastecimiento autónomo de estaciones de vigilancia volcánica. Dada la importancia de los intercambiadores de calor en la eficiencia total del sistema, en ambas aplicaciones se ha realizado un profundo estudio para determinar qué tipo de intercambiadores de calor son los más adecuados. En ambos casos, se ha demostrado experimentalmente que los intercambiadores de calor más propicios son aquellos basados en el cambio de fase, ya que aparte de presentar bajas esistencias térmicas, no tienen partes móviles ni requieren de equipos auxiliares, minimizando así el mantenimiento. Asimismo, también ha resultado de gran importancia el desarrollo de un modelo computacional rápido y fiable que tenga en cuenta los intercambiadores de calor, la fuente de calor y el sumidero, sin despreciar ningún efecto termoeléctrico, y considerando los contactos térmicos y eléctricos y la influencia de la temperatura en las propiedades. Este modelo, programado en base al método de las diferencias finitas, se ha convertido en una verdadera herramienta de diseño y optimización para las dos aplicaciones objeto de estudio en esta tesis doctoral, gracias a su error relativo menor al 8%. Los resultados derivados de esta tesis doctoral demuestran que la termoelectricidad puede solucionar las problemáticas de generación eléctrica en los yacimientos de roca caliente seca y en las estaciones de monitorización volcánica, dos aplicaciones inéditas de generación termoeléctrica que pueden hacer que esta tecnología se convierta por fin en una realidad en el ámbito civil.
Open Access
Development and experimental validation of a thermoelectric test bench for laboratory lessons
(OmniaScience, 2013) Rodríguez García, Antonio; Astrain Ulibarrena, David; Martínez Echeverri, Álvaro; Aranguren Garacochea, Patricia; Pérez Artieda, Miren Gurutze; Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales; Mekanika, Energetika eta Materialen Ingeniaritza
The refrigeration process reduces the temperature of a space or a given volume while the power generation process employs a source of thermal energy to generate electrical power. Because of the importance of these two processes, training of engineers in this area is of great interest. In engineering courses it is normally studied the vapor compression and absorption refrigeration, and power generation systems such as gas turbine and steam turbine. Another type of cooling and generation less studied within the engineering curriculum, having a great interest, it is cooling and thermal generation based on Peltier and Seebeck effects. The theoretical concepts are useful, but students have difculties understanding the physical meaning of their possible applications. Providing students with tools to test and apply the theory in real applications, will lead to a better understanding of the subject. Engineers must have strong theoretical, computational and also experimental skills. A prototype test bench has been built and experimentally validated to perform practical lessons of thermoelectric generation and refrigeration. Using this prototype students learn the most effective way of cooling systems and thermal power generation as well as basic concepts associated with thermoelectricity. It has been proven that students learn the process of data acquisition, and the technology used in thermoelectric devices. These practical lessons are implemented for a 60 people group of students in the development of subject of Thermodynamic including in the Degree in Engineering in Industrial Technologies of Public University of Navarra.
Open Access
Development and experimental validation of a two-stage thermoelectric heat pump computational model for heating applications
(Elsevier, 2024) Erro Iturralde, Irantzu; Aranguren Garacochea, Patricia; Martínez Echeverri, Álvaro; Astrain Ulibarrena, David; Ingeniería; Ingeniaritza; Institute of Smart Cities - ISC; Universidad Pública de Navarra - Nafarroako Unibertsitate Publikoa
The utilisation of thermoelectric technology as a heat pump in heating applications necessitates comprehensive investigation. The scalable nature of thermoelectric technology enables its operation at elevated temperatures without the requirement of refrigerants. In this work, an accurate computational model that can simulate one- and two-stage thermoelectric heat pumps is developed. This model uses the electric-thermal analogy and the finite difference method, including the thermoelectric effects, temperature dependent properties, thermal contact resistances and all heat exchangers, even the intermediate heat exchanger in the case of a two-stage configuration. Moreover, the model has been experimentally validated by built and tested prototypes, being the first time that a two-stage thermoelectric heat pump model is experimentally validated. The discrepancy between the simulated and experimental results is below the ± 10 % for , ± 8 % for generated heat and temperature lift in the airflow, and less than the ± 6 % for consumed power. Additonally, the model simulates real tendencies under different operating conditions, proving the reliability of the developed thermoelectric heat pump model. Finally, the model is used to optimise a thermoelectric system combining one- and two-stage thermoelectric heat pumps, and hybridising them with electric resistances. An airflow of 16.5 m3/h is heated from 25 °C to 160 °C, achieving a maximum of 1.21. Lastly, the importance of considering the thermal resistances of the heat exchangers is computationally modelled and demonstrated. Not taking them into account would overestimate the performance of the TEHP system by more than the 7 %.
Embargo
Development of an advanced thermoelectric heat pump system including high efficiency heat exchangers based on phasechange to enhance the power-to-heat energy conversion
(2024) Erro Iturralde, Irantzu; Astrain Ulibarrena, David; Aranguren Garacochea, Patricia; Ingeniería; Ingeniaritza
The solution to address the climate emergency lies in promoting the integration of renewable energies into the energy mix, alongside with enhancing energy efficiency. However, taking into account the natural intermittency of renewable sources the use of energy storage systems becomes imperative. Among the different energy storage systems, thermal energy storage presents a promising option. These thermal energy storage systems efficiently store excess renewable energy in the form of heat, enabling its conversion back into electricity or its direct application for heating. In order to promote the usage of thermal energy storage systems, it is imperative to develop efficient power-to-heat energy conversion systems. This offers a chance for the development of thermoelectric technology working as heat pumps for heating purposes, providing the advantage of avoiding the use of refrigerants and being a modular technology. According to certain studies, two-stage thermoelectric heat pumps demonstrate superior performance for high-temperature differences compared to one-stage configuration, allowing their use for high-temperature requirements. Nevertheless, there is a scarcity of research conducted on two-stage thermoelectric heat pumps for heating applications. Therefore, the present Ph.D. dissertation aims to design and develop an optimised thermoelectric heat pump system for heating high-temperatures to enhance the performance of the power-to-heat energy conversion process for thermal energy storage. Firstly, two prototypes of two-stage thermoelectric heat pumps utilising different intermediate heat exchangers: monophasic and phase-change and with the aim of heating an airflow were developed and compared. The novel phase-change heat exchanger achieves a notable reduction in thermal resistance, resulting in an increase of more than 16% in the heat flux supplied to the airflow and a reduction of more than 6% in the consumed power of the system. Experimental COP values ranging between 3.25 and 1.26 have been obtained by the novel two-stage phase-change heat pump, improving the COP values between a 30 % and a 67 % in comparison with the two-stage monophasic heat pump. Additionally, this initial study presents a novel approach for calculating heat flux to airflow. Subsequently, a study on sensibility was carried out to assess the performance of various configurations of thermoelectric heat pumps. The experimental campaign highlighted the requirement of two-stage configurations to attain high temperatures and heat fluxes, while the one-stage thermoelectric heat pump exhibited superior performance in low-temperature operations. Following the experimental results, an assessment was carried out on the application of an optimised thermoelectric heat pump system for the charging process of a thermal energy storage. In order to achieve an accurate tool able to simulate the behaviour of two-stage thermoelectric heat pumps, a computational model was developed. The computational model relies on the thermal-electrical analogy and the finite difference method. The accuracy of the developed tool is certified through the validation conducted using experimental results and showing a discrepancy of less than ± 10 % for the COP values, ± 8 % for the generated heat and airflow temperature lift, and less than ± 6% for the consumed power. Finally, an optimised thermoelectric heat pump system was constructed to be installed into a real thermal energy storage system to assess its impact. A series of experiments were performed, wherein the airflow rate, voltage supply to the thermoelectric heat pump system, and storage temperature were varied. It has been demonstrated that an increased airflow rate enhances the efficiency of the thermoelectric heat pump. When utilising an airflow rate of 23 m³/h and setting the storage temperature to 120 °C, the installation of this novel thermoelectric system demonstrates a 30% improvement in the power-to-heat process compared to a conventional process in which electrical resistances are used. In addition, the utilisation of this thermal energy storage system in a decentralised combined heat and power system yields efficiencies of 112.6 %, ensuring the generation of 1.126 kW of useful heating and electrical power from every surplus electrical kW produced by renewable energies.
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Diseño de un sistema de refrigeración híbrida mediante la combinación de un ciclo de compresión de vapor y dispositivos termoeléctricos
(2019) Cía Urdiain, Maialen; Aranguren Garacochea, Patricia; Astrain Ulibarrena, David; Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación; Telekomunikazio eta Industria Ingeniarien Goi Mailako Eskola Teknikoa
Hoy en día donde cada vez se compran más artículos por Internet surge la necesidad de poder distribuir producto fresco o perecedero a puntos intermedios en donde puedan almacenarse a una correcta temperatura hasta que el usuario final acceda a ellos. El objetivo de este Trabajo Fin de Máster es diseñar, construir y validar un prototipo de sistema de refrigeración/calefacción en un rango de -20 a 50 ⁰C para compartimentos cerrados, haciendo uso de una hibridación de un ciclo de compresión de vapor con dispositivos termoeléctricos. Para alcanzar este objetivo, en primer lugar, se caracterizará térmicamente todos los elementos que componen el sistema para diseñarlo. Por otro lado, se construirá un compartimento monitorizado que posteriormente será ensayado para conocer su funcionamiento real.
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Diseño y construcción de un banco de ensayos para caracterizar módulos termoeléctricos
(2019) Sucunza Bustingorri, Andoni; Aranguren Garacochea, Patricia; Araiz Vega, Miguel; Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales y de Telecomunicación; Telekomunikazio eta Industria Ingeniarien Goi Mailako Eskola Teknikoa
El presente trabajo fin de grado diseña, construye y experimenta un banco de ensayos que caracteriza módulos termoeléctricos. Los módulos termoeléctricos son dispositivos capaces de absorber calor y convertirlo en energía eléctrica gracias al efecto Seebeck; mientras que si una potencia eléctrica es suministrada a dichos módulos, éstos pueden absorber o ceder calor a través de sus caras gracias al efecto Peltier. El salto de temperatura entre las caras de los módulos define su eficiencia, y por ello, un banco de ensayos capaz de controlar la temperatura de ambas caras ante cualquier condición de trabajo es indispensable para una correcta caracterización de los módulos. Éste es el objetivo de este trabajo: diseñar y construir un banco de ensayos capaz de con trolar las temperaturas de ambas caras de los módulos termoeléctricos. Así mismo, dicho banco será utilizado para caracterizar módulos termoeléctricos comerciales y verificar sus curvas de funcionamiento.
Unknown
Effect of dietary quercetin and sphingomyelin on intestinal nutrient absorption and animal growth
(Cambridge University Press, 2006) Barrenetxe, Jaione; Aranguren Garacochea, Patricia; Grijalba, A.; Martínez-Peñuela, J. M.; Marzo Pérez, Florencio; Urdaneta, Elena; Ciencias del Medio Natural; Natura Ingurunearen Zientziak
Research on cancer and other conditions has shown flavonoids and sphingolipids to be food components capable of exerting chemoprotective action. Nevertheless, little is known about their effects on healthy individuals and their potential usefulness as therapeutic agents. The present study examined the possible action of a dietary flavonoid, quercetin, and a sphingolipid, sphingomyelin, as functional foods in healthy animals. In particular, the effect on animal growth of supplementing a conventional diet with one or other of these substances (0·5% quercetin and 0·05% sphingomyelin) was considered. Possible action affecting intestinal physiology was also analysed by measuring the uptake of sugar and dipeptide, mediated by the Na+-dependent sugar transporter SGLT1 and the dipeptide Na+/H+ exchanger PEPT1 respectively, and the activity of related intestinal enzymes such as sucrase, maltase and aminopeptidase N. Both substances seemed to modify small intestinal activity in healthy mice, altering intestinal enzymatic activity and nutrient uptake. These effects observed in the small intestine did not impair normal development of the animals, as no differences in serum biochemical parameters or in organ and body weights were found. The findings should help in elucidating the mechanisms of action of these food components with a view to their possible use in the prevention of certain pathological conditions.
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Energía sostenible: sin malos humos
(Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa, 2019) Samanes Pascual, Javier; Pascual Miqueleiz, Julio María; Berrueta Irigoyen, Alberto; Araiz Vega, Miguel; Catalán Ros, Leyre; Aranguren Garacochea, Patricia; Arricibita de Andrés, David; Ingeniería Eléctrica, Electrónica y de Comunicación; Institute of Smart Cities - ISC; Ingeniería; Ingeniaritza Elektrikoa, Elektronikoaren eta Telekomunikazio Ingeniaritzaren; Ingeniaritza
¿Puede España ser sostenible energéticamente? Si alguna vez te has planteado esta pregunta, o quieres saber en qué gastamos la energía y de dónde podría ser obtenida, aquí encontrarás respuestas. Nuestros recursos renovables son inmensos, pero también lo es nuestro consumo. Este libro no solo se centra en analizar la situación actual y las posibilidades que las energías renovables tienen en nuestro país, sino que, presentando de forma clara los datos sobre nuestro gasto energético, permite a cada lector identificar sus mayores consumos, de tal forma que pueda considerar cómo reducirlos. Energía sostenible. Sin malos humos es la adaptación al caso español, actualizando los datos, del libro publicado hace una década por David MacKay en el Reino Unido. La sostenibilidad es hoy en día una preocupación creciente en la sociedad. Pero a menudo este interés se ve contaminado por cifras enormes que resultan muy complicadas de comprender. Además, todos hemos oído hablar en algún momento sobre pequeños gestos al alcance de nuestra mano que podrían permitir un cambio hacia un modelo sostenible. Nada más lejos de la realidad, pequeñas acciones solo permiten pequeños cambios, y el cambio de modelo energético al que nos enfrentamos requiere grandes acciones. Para deshacernos de todo este ruido, en este libro se presentan los números de forma clara y sencilla, utilizando unidades a nuestro alcance y que son comprensibles por todas las personas. Esto permite identificar de una forma mucho más personal los consumos energéticos de nuestro día a día. A lo largo de la primera parte del libro se van construyendo dos columnas: una de color rojo, que representa la agregación de consumos, y otra de color verde, que representa la capacidad de generación. Estas columnas ofrecen una comparación muy visual de la infraestructura renovable que sería necesaria para mantener nuestro ritmo de consumo energético actual. Además, utiliza números «gordos» obtenidos de la experiencia del día a día. Por ejemplo, para calcular la capacidad de generación eólica se parte de una velocidad de viento estimada a partir de la velocidad típica de un ciclista urbano. Toda esta información se encuentra en la primera parte del libro, en los capítulos del 1 al 18. Sin embargo, este libro no se centra únicamente en el análisis de la situación actual, sino que da un paso más y propone alternativas al modelo energético actual con el fin de alcanzar un modelo 100% renovable a medio plazo. Estas medidas incluyen un aumento importante en la potencia renovable instalada, un aumento en la eficiencia energética y algunos ligeros cambios en nuestro estilo de vida que permitan una reducción del consumo. Por supuesto, los tres frentes deben ser atacados al mismo tiempo. Estas propuestas se recogen en la segunda parte del libro, en los capítulos 19 a 32. Por último, este es un libro divulgativo al alcance de todas las personas, que busca transmitir toda la información de forma clara e intuitiva sin perderse en complicados cálculos. Pero si eres de los que les gustan las cuentas, al final del libro encontrarás un apartado en el que se explica de forma rigurosa muchos de los cálculos simples realizados en las primeras partes del libro. Estos apéndices técnicos forman la tercera parte del libro, son los apéndices de la A hasta la H.
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Enhancement of the power-to-heat energy conversion process of a thermal energy storage cycle through the use of a thermoelectric heat pump
(Elsevier, 2024) Erro Iturralde, Irantzu; Aranguren Garacochea, Patricia; Sorbet Presentación, Francisco Javier; Bonilla-Campos, Íñigo; Astrain Ulibarrena, David; Institute of Smart Cities - ISC; Universidad Pública de Navarra / Nafarroako Unibertsitate Publikoa
The principal strategy for achieving a neutral climate entails enhancing the share of renewable energies in the energy mix, in conjunction with promoting innovation in efficient technologies. Thermal energy storage systems have the potential to efficiently handle the intermittent nature of renewable energy sources. Furthermore, these systems can effectively handle shifts in both heat and electrical demand. Thus, efficient power-to-heat technologies are needed to boost thermal energy storage. This manuscript explores the potential of utilising a thermoelectric heat pump system in conjunction with electric resistances for charging a thermal energy storage. In order to achieve elevated temperatures, the thermoelectric system integrates thermoelectric heat pump blocks in a two-stage configuration. Air has been employed as a heat transfer medium for sensible heat storage. Higher airflow rates improve the performance of thermoelectric heat pump system. Moreover, its impact on the optimal voltage supply of the thermoelectric system is observed when it is combined with an electric resistance to achieve elevated temperatures. In comparison to the basic charging process that solely relies on the electric resistance of a thermal energy storage at 120 °C, a significant 30 % increase in power-to-heat energy conversion has been achieved by including the thermoelectric heat pump system. In fact, it efficiently elevates the temperature from the initial ambient temperature of 25 °C to a remarkable 113.1 °C, achieving a coefficient of performance of 1.35 with an airflow rate of 23 m3/h. Therefore, the use of this technology to enhance a complete process of storing excess renewable energy in the form of heat for subsequent use in both heat and electricity through a combined heat and power cycle is demonstrated.

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