[en] This thesis explores the potential of low and medium grade heat in different thermodynamic cycles u sed to convert wasted heat into mechanical work. The aim of this thesis is to study the state of the art of the thermodynamic cycles used to recover low-grade heat and suggest improvements. The relevance of researching low grade heat or waste heat applications is that a vast amount of heat energy is available at negligible cost within the range of medium and low temperatures, with the drawback that existing thermal cycles cannot make efficient use of such available low temperature heat dueto their low efficiency. The present thesis offers a different approach, analyses low-grade heat recovery from a thermodynamic point of view, and compares their thermal efficiency. ORC and Rankine cycles reviewed show similar low efficiencies. In contrast, closed-based, non-condensing cycles, that exchange heat at constant volume and convert thermal energy into mechanical work adiabatically, have a configuration, which allows efficient exploitation of low-grade heat. Heat recovery strategies are also analysed and several non-conventional systems are recommended to exploit low grade heat in the proposed machine. Two relevant factors exert a strong influence over the criterion to decide the structure of marine propulsion plants: • The reduction of the fuel consumption which undergoes increasing the thermal efficiency of the associated thermal engines. • The emission of carbon dioxide dueto fossil fuels consumption 0n the one hand the emissions of carbon dioxide from the combustion of fossil fuels used in marine propulsion plants and its associated power plants are a concern and it is due to the environmental impacts originated by greenhouse gas emissions, which contributes to modifying the composition of the atmosphere in an exaggerated negative sen se. Such harmful methods can be replaced by alternative design strategies or at least could be mitigated by means of the reduction of carbon dioxide emissions, which could be achieved by changing strategies of technology design and operational methodologies. The available heat recovery technology that can be used on Waste Heat Recovery Systems (WHRS) of medium or lowgrade is one such a means that is technologically capable of decreasing carbon dioxide emissions as well as to reduce the fuel composition significantly. This is dueto the fact that it is possible a significant improvement on the marine propulsion systems efficiency. Since it contributes to the reduction of fossil fuels consumption of the marine transport sector in general. The mentioned improvement can be carried out by harnessing the waste heat energy ex ha usted and / or rejected by the propulsion system and its associated auxiliary engines. The conventional technology so far opted for the harnessing of the exhaust flue gases, sin ce lower temperature heat could not be used. Conventionally the state-of-the-art technology in this field uses advanced Organic Rankine Cycle (ORC) under several combinational structures as one among sorne different WHRS technologies that are being used for the harnessing of the medium and / or low-grade heat wasted by the propulsion system that cannot be utilized by the propulsion engines by themselves. On the other hand, the reduction of the fuel consumption which mea ns increasing the thermal efficiency undergoing the reduction of carbon dioxide emissions, must be improved as much as possible based in that this criterion is sufficiently relevant to undertake the developmen1 of technologies aimed at improving the thermal efficiency of the thermal engines u sed so far Nevertheless, in this thesis a new paradigm of WHRS is investigated aiming to increasin¡ thermal efficiency which undergoes reducing fossil fuel consumption and carbon dioxidE emissions. These improvements are associated with the following contributions proposed and carriec out in this thesis: • Low temperature heat recovery by means of designing a recovery structure able te recover residual heat of medium and low temperatures rejected by now, coming frorr exhaust gases, scavenge or air cooler, jacket cooler, and lube oil cooler. • More efficient thermal engines by means of designing, analysing and conducting ; proof of concept of thermal cycles based on closed processes operating by adding arn extracting heat undergoing an innovative heat-work interaction mode. Furthermore, the proposed thermal engines are characterised by a thermal cycle physica\ly possible to be made composed of two closed isochoric processes consisting of adding and extracting heat to / from the Working Fluid (WF) and two closed adiabatic processes which undergoes useful mechanical work, consisting respective\y of closed adiabatic expansion and closed adiabatic contraction-based compression of the WF. The main results are: • A power architecture capa ble of converting low-grade heat into mechanica\ work with a heat utilisation factor higher than any availab\e or theoretica\ technology. • A thermal cycle surpassing any other cycle for \ow-grade heat in terms of efficiency and heat utilisation factor.

[gl] Esta tese explora o potencial de calor de baixo e medio grao en diferentes ciclos termodinámicos empregados para converter a calor residual en traballo mecánico. O obxectivo desta tese é estudar o estado da técnica dos ciclos termodinámicos empregados para recuperar calor de baixo grao e propoñer mellaras. A relevancia de investigar aplicacións de calor de baixa calidade ou de calor residual é que unha enorme cantidade de enerxía térmica está dispoñible a un custo insignificante no intervalo de temperaturas medias e baixas, co inconveniente de que os ciclos térmicos existentes non poden facer un uso eficiente de tal calor dispoñible a baixa temperatura, debido á súa baixa eficiencia. A presente tese ofrece un enfoque diferente, analiza a recuperación de calor de baixo grao desde o punto de vista termodinámico e compara a súa eficiencia térmica. Os Ciclos Rankine Organico (ORCs) revisados mostran eficiencias baixas similares. En contraste, os ciclos sen condensación baseados en pechados, que intercambian calor a volume constante e converten a enerxía térmica en traballo mecánico adiabaticamente, teñen unha configuración, que permite unha explotación eficiente de calor de baixo grao. Tamén se analizan as estratexias de recuperación de calor e proponse varios sistemas non convencionais para explotar calor de baixo grao na máquina proposta. Dous factores relevantes exercen unha forte influencia no criterio para decidir a estrutura das plantas de propulsión mariña: • A redución do consumo de combustible que sofre ao aumentar a eficiencia térmica dos motores térmicos asociados. • A emisión de dióxido de carbono debido ao consumo de combustibles fósiles. Por unha banda, as emisións de dióxido de carbono procedentes da combustión de combustibles fósiles empregados nas plantas de propulsión mariña e as súas plantas de potencia asociadas son unha preocupación e débese aos impactos ambientais orixinados por estas emisións de gases de efecto invernadoiro, o que contribúe a modificar a composición da atmosfera nun sentido moi negativo. Así, estes sistemas nocivos pódense substituír por VII Resumo Esta tese explora o potencial de calor de baixo e medio grao en diferentes ciclos termodinámicos empregados para converter a calor residual en traballo mecánico. O obxectivo desta tese é estudar o estado da técnica dos ciclos termodinámicos empregados para recuperar calor de baixo grao e propoñer mellaras. A relevancia de investigar aplicacións de calor de baixa calidade ou de calor residual é que unha enorme cantidade de enerxía térmica está dispoñible a un custo insignificante no intervalo de temperaturas medias e baixas, co inconveniente de que os ciclos térmicos existentes non poden facer un uso eficiente de tal calor dispoñible a baixa temperatura, debido á súa baixa eficiencia. A presente tese ofrece un enfoque diferente, analiza a recuperación de calor de baixo grao desde o punto de vista termodinámico e compara a súa eficiencia térmica. Os Ciclos Rankine Organico (ORCs) revisados mostran eficiencias baixas similares. En contraste, os ciclos sen condensación baseados en pechados, que intercambian calor a volume constante e converten a enerxía térmica en traballo mecánico adiabaticamente, teñen unha configuración, que permite unha explotación eficiente de calor de baixo grao. Tamén se analizan as estratexias de recuperación de calor e proponse varios sistemas non convencionais para explotar calor de baixo grao na máquina proposta. Dous factores relevantes exercen unha forte influencia no criterio para decidir a estrutura das plantas de propulsión mariña: • A redución do consumo de combustible que sofre ao aumentar a eficiencia térmica dos motores térmicos asociados. • A emisión de dióxido de carbono debido ao consumo de combustibles fósiles. Por unha banda, as emisións de dióxido de carbono procedentes da combustión de combustibles fósiles empregados nas plantas de propulsión mariña e as súas plantas de potencia asociadas son unha preocupación e débese aos impactos ambientais orixinados por estas emisións de gases de efecto invernadoiro, o que contribúe a modificar a composición da atmosfera nun sentido moi negativo. Así, estes sistemas nocivos pódense substituir por vii estratexias de deseño alternativo ou polo menos poderíanse paliar mediante a redución emisións de dióxido de carbono, que se poderían conseguir cambiando as estratexia, deseño de tecnoloxía e metodoloxías operativas. A tecnoloxía de recuperación de dispoñible que se pode empregar para sistemas de recuperación de calor residual (WHR'. grao medio ou baixo é un tal medio que é tecnoloxicamente capaz de diminuir as emisiór dióxido de carbono, así como de reducir significativamente o consumo de combustible. obedece a que é posible unha mellara significativa da eficiencia dos sistemas de propu mariña xa que contribúe á redución do consumo de combustibles fósiles do secta transporte marítimo en xeral. A mellara mencionada pódese aproveitar usando a calor residual esgotada e/ ou rexei polo sistema de propulsión e os seus motores auxiliares asociados. A tecnoloxía convenc ata o de agora optaba polo aproveitamento dos gases de combustión do escape, xa quE se podía usar calor a temperatura máis baixa. Convencionalmente, a tecnoloxía de punta neste campo usa ORC avanzados en " estruturas combinativas como unha das diferentes tecnoloxías WHRS que se , empregando para o aproveitamento de calor de medio e/ ou baixo grao residual polo sis de propulsión que non pode ser empregado polos propulsores. Por outra banda, a redución do consumo de combustible, que significa aumentar a efici térmica sometida á redución das emisións de dióxido de carbono, debe mellorarse na m do posible, baseado en que este criterio é o suficientemente relevante como para empr, o desenvolvemento de tecnoloxías dirixidas a mellorando a eficiencia térmica dos me térmicos empregados ata o de agora. Non obstante, nesta tese investígase un novo paradigma de WHR co obxectivo de aurr a eficiencia térmica que se reduce o consumo de combustibles fósiles e as emisións de di de carbono. Estas mellaras están asociadas ás seguintes contribucións propostas e realizadas nesta • Recuperación de calor de baixa temperatura mediante o deseño dunha estrut1 recuperación capaz de recuperar a calor residual de temperaturas medias e rexeitadas ata o momento, procedentes de gases de escape, refrixerador de 2 viii admisión, refrixerador de auga de camisas, e refrixerador de aceite de lubricación. • Motores térmicos máis eficientes mediante o deseño de análise e realización dunha proba de concepto de ciclos térmicos baseados en procesos pechados que accionan engadindo e extraendo calor sometido a un modo de interacción calor-traballo innovador. Ademais, os motores térmicos propostos caracterizanse por un ciclo térmico realizable físicamente composto por dous procesos isocóricos pechados consistentes na adición e extracción de calor cara / dende o fluido de traballo e dous procesos adiabáticos pechados que provocan un traballo mecánico útil, consistente respectivamente por unha expansión adiabática pechada e compresión adiabática pechada a base de contracción do fluido de traballo. Os principais resultados son: • Unha arquitectura de potencia capaz de converter a calor de baixo grao en traballo mecánico cun factor de utilización superior a calquera tecnoloxia dispoñible ou teórica. • Un ciclo térmico que supera calquera outro ciclo para calor de baixo grao en termos de eficiencia e factor de utilización.