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Material de cambio de fase

Una almohadilla térmica de acetato de sodio . Cuando la solución de acetato de sodio cristaliza, se calienta.
Un vídeo que muestra una "almohadilla térmica" en acción
Un vídeo que muestra una "almohadilla térmica" con una cámara térmica.

Un material de cambio de fase ( PCM ) es una sustancia que libera/absorbe suficiente energía en la transición de fase para proporcionar calor o enfriamiento útiles. Generalmente, la transición será de uno de los dos primeros estados fundamentales de la materia (sólido y líquido) al otro. La transición de fase también puede ser entre estados no clásicos de la materia, como la conformidad de los cristales, donde el material pasa de conformarse a una estructura cristalina a conformarse a otra, que puede ser un estado de energía mayor o menor.

La energía liberada/absorbida por la transición de fase de sólido a líquido, o viceversa, el calor de fusión , es generalmente mucho mayor que el calor sensible . El hielo, por ejemplo, requiere 333,55 J/g para fundirse, pero luego el agua subirá un grado más con la adición de solo 4,18 J/g. Por lo tanto, el agua/hielo es un material de cambio de fase muy útil y se ha utilizado para almacenar frío en invierno para enfriar edificios en verano al menos desde la época del Imperio aqueménida .

Al fundirse y solidificarse a la temperatura de cambio de fase (PCT), un PCM es capaz de almacenar y liberar grandes cantidades de energía en comparación con el almacenamiento de calor sensible . El calor se absorbe o libera cuando el material cambia de sólido a líquido y viceversa o cuando cambia la estructura interna del material; por lo tanto, los PCM se denominan materiales de almacenamiento de calor latente (LHS).

Existen dos clases principales de materiales que cambian de fase: los materiales orgánicos (que contienen carbono) derivados del petróleo, de plantas o de animales; y los hidratos de sal, que generalmente utilizan sales naturales del mar o de depósitos minerales o son subproductos de otros procesos. Una tercera clase es el cambio de fase de sólido a sólido.

Los PCM se utilizan en muchas aplicaciones comerciales diferentes donde se requiere almacenamiento de energía y/o temperaturas estables, incluidas, entre otras, almohadillas térmicas, refrigeración para cajas de conmutación telefónica y ropa.

El mercado potencial más grande es, con diferencia, el de la calefacción y la refrigeración de edificios. En este ámbito de aplicación, los PCM tienen potencial a la luz de la reducción progresiva del coste de la electricidad renovable, junto con la naturaleza intermitente de dicha electricidad. Esto puede dar lugar a un desajuste entre la demanda máxima y la disponibilidad de suministro. En América del Norte, China, Japón, Australia, el sur de Europa y otros países desarrollados con veranos calurosos, el pico de oferta se produce al mediodía, mientras que la demanda máxima se produce entre las 17:00 y las 20:00 horas. [ cita requerida ] Esto crea oportunidades para los medios de almacenamiento térmico.

Los materiales de cambio de fase sólido-líquido suelen encapsularse para su instalación en la aplicación final, para que queden contenidos en estado líquido. En algunas aplicaciones, especialmente cuando se requiere su incorporación a textiles, los materiales de cambio de fase se microencapsulan . La microencapsulación permite que el material permanezca sólido, en forma de pequeñas burbujas, cuando el núcleo de PCM se ha fundido.

Características y clasificación

El almacenamiento de calor latente se puede lograr a través de cambios en el estado de la materia de líquido→sólido, sólido→líquido, sólido→gas y líquido→gas. Sin embargo, solo los cambios de fase sólido→líquido y líquido→sólido son prácticos para los PCM. Aunque las transiciones de líquido a gas tienen un calor de transformación más alto que las transiciones de sólido a líquido, los cambios de fase de líquido a gas no son prácticos para el almacenamiento térmico porque se requieren grandes volúmenes o altas presiones para almacenar los materiales en su fase gaseosa. Los cambios de fase sólido a sólido suelen ser muy lentos y tienen un calor de transformación relativamente bajo.

Inicialmente, los PCM sólido-líquido se comportan como materiales de almacenamiento de calor sensible (SHS, por sus siglas en inglés); su temperatura aumenta a medida que absorben calor. Cuando los PCM alcanzan su temperatura de cambio de fase (su punto de fusión), absorben grandes cantidades de calor a una temperatura casi constante hasta que todo el material se funde. Cuando la temperatura ambiente alrededor de un material líquido cae, el PCM se solidifica, liberando su calor latente almacenado. Existe una gran cantidad de PCM disponibles en cualquier rango de temperatura requerido, desde −5 hasta 190 °C. [1] Dentro del rango de confort humano entre 20 y 30 °C, algunos PCM son muy efectivos, almacenando más de 200 kJ/kg de calor latente, en comparación con una capacidad calorífica específica de alrededor de un kJ/(kg*°C) para la mampostería. Por lo tanto, la densidad de almacenamiento puede ser 20 veces mayor que la de la mampostería por kg si se permite una oscilación de temperatura de 10 °C. [2] Sin embargo, dado que la masa de la mampostería es mucho mayor que la del PCM, esta capacidad térmica específica (por masa) está algo compensada. Una pared de mampostería puede tener una masa de 200 kg/m 2 , por lo que para duplicar la capacidad térmica se necesitarían 10 kg/m 2 adicionales de PCM.

Imagen de 3 capas de manta ENRG, un PCM orgánico encapsulado en una película de polietileno/lámina.
[3] Ejemplo de PCM orgánico de base biológica en una encapsulación de polietileno/lámina para mayor durabilidad en aplicaciones de construcción, donde actúa para reducir el consumo de energía de HVAC y aumentar la comodidad de los ocupantes.

PCM orgánicos

Hidrocarburos, principalmente parafinas (C n H 2 n +2 ) y lípidos, pero también alcoholes de azúcar. [4] [5] [6]

Inorgánico

Hidratos de sal (M x N y · n H 2 O) [9]

Hoja de energía R infinita
Ejemplo: PCM de hidrato de sal eutéctica con agentes de nucleación y gelificación para estabilidad térmica a largo plazo y durabilidad física de macroencapsulación de láminas termoplásticas. Se aplica para estabilización pasiva de temperatura para lograr ahorro de energía en sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado de edificios. [14]

Materiales higroscópicos

Muchos materiales de construcción naturales son higroscópicos, es decir, pueden absorber (el agua se condensa) y liberar agua (el agua se evapora). El proceso es el siguiente:

Aunque este proceso libera una pequeña cantidad de energía, las grandes superficies permiten calentar o enfriar significativamente (1-2 °C) los edificios. Los materiales correspondientes son el aislamiento de lana y los revestimientos de tierra o arcilla.

PCM sólido-sólido

Un grupo especializado de PCM que experimentan una transición de fase sólido/sólido con la absorción y liberación asociadas de grandes cantidades de calor. Estos materiales cambian su estructura cristalina de una configuración reticular a otra a una temperatura fija y bien definida, y la transformación puede implicar calores latentes comparables a los de los PCM sólido/líquido más eficaces. Dichos materiales son útiles porque, a diferencia de los PCM sólido/líquido, no requieren nucleación para evitar el sobreenfriamiento. Además, debido a que es un cambio de fase sólido/sólido, no hay un cambio visible en la apariencia del PCM y no hay problemas asociados con el manejo de líquidos, por ejemplo, contención, fugas potenciales, etc. Actualmente, el rango de temperatura de las soluciones de PCM sólido-sólido abarca desde -50 °C (-58 °F) hasta +175 °C (347 °F). [15] [16]

Criterios de selección

El material de cambio de fase debe poseer las siguientes propiedades termodinámicas: [17]

Propiedades cinéticas

Propiedades químicas

Propiedades económicas

Propiedades termofísicas

Las propiedades termofísicas clave de los materiales de cambio de fase incluyen: punto de fusión (T m ) , calor de fusión (Δ H fus ) , calor específico ( c p ) (de fase sólida y líquida), densidad (ρ) (de fase sólida y líquida) y conductividad térmica . A partir de ahí se pueden calcular valores como el cambio de volumen y la capacidad calorífica volumétrica .

Tecnología, desarrollo y encapsulamiento

Los PCM más utilizados son los hidratos de sal , los ácidos grasos y los ésteres , y diversas parafinas (como el octadecano ). Recientemente, también se han investigado los líquidos iónicos como nuevos PCM.

Como la mayoría de las soluciones orgánicas no contienen agua, pueden exponerse al aire, pero todas las soluciones de PCM a base de sal deben encapsularse para evitar la evaporación o la absorción de agua. Ambos tipos ofrecen ciertas ventajas y desventajas y, si se aplican correctamente, algunas de las desventajas se convierten en ventajas para ciertas aplicaciones.

Se han utilizado desde finales del siglo XIX como medio para aplicaciones de almacenamiento térmico . Se han utilizado en aplicaciones tan diversas como el transporte refrigerado [18] , el ferrocarril [19] y las aplicaciones por carretera [20] y, por lo tanto, sus propiedades físicas son bien conocidas.

Sin embargo, a diferencia del sistema de almacenamiento de hielo, los sistemas PCM se pueden utilizar con cualquier enfriador de agua convencional , tanto para aplicaciones nuevas como para aplicaciones de modernización. El cambio de fase de temperatura positivo permite utilizar enfriadores centrífugos y de absorción, así como los sistemas de enfriadores alternativos y de tornillo convencionales, o incluso condiciones ambientales más bajas utilizando una torre de enfriamiento o un enfriador seco para cargar el sistema TES.

El rango de temperatura que ofrece la tecnología PCM ofrece un nuevo horizonte para los ingenieros de servicios de construcción y refrigeración en lo que respecta a las aplicaciones de almacenamiento de energía a media y alta temperatura. El alcance de esta aplicación de energía térmica es muy amplio: calefacción solar, agua caliente, rechazo de calor (es decir, torres de refrigeración) y aplicaciones de almacenamiento de energía térmica en circuitos de enfriadores secos.

Dado que los PCM se transforman de sólido a líquido en el ciclo térmico, la encapsulación [21] naturalmente se convirtió en la opción de almacenamiento obvia.

Como los materiales de cambio de fase funcionan mejor en contenedores pequeños, por lo tanto, generalmente se dividen en celdas. Las celdas son poco profundas para reducir la carga estática, según el principio de geometría de contenedor poco profundo. El material de embalaje debe conducir bien el calor; y debe ser lo suficientemente duradero para soportar cambios frecuentes en el volumen del material de almacenamiento a medida que ocurren los cambios de fase. También debe restringir el paso de agua a través de las paredes, para que los materiales no se sequen (o se evaporen, si el material es higroscópico ). El embalaje también debe resistir fugas y corrosión . Los materiales de embalaje comunes que muestran compatibilidad química con PCM a temperatura ambiente incluyen acero inoxidable , polipropileno y poliolefina .

Las nanopartículas como los nanotubos de carbono, el grafito, el grafeno, el metal y el óxido de metal se pueden dispersar en PCM. Vale la pena señalar que la inclusión de nanopartículas no solo alterará la conductividad térmica característica del PCM, sino también otras características, incluida la capacidad de calor latente, el subenfriamiento, la temperatura de cambio de fase y su duración, densidad y viscosidad. El nuevo grupo de PCM se llama NePCM. [22] Los NePCM se pueden agregar a las espumas metálicas para crear una combinación de conductividad térmica aún mayor. [23]

Compuestos térmicos

Los materiales compuestos térmicos son un término que se aplica a las combinaciones de materiales de cambio de fase (PCM) y otras estructuras (normalmente sólidas). Un ejemplo sencillo es una malla de cobre sumergida en cera de parafina. La malla de cobre dentro de la cera de parafina puede considerarse un material compuesto, denominado material compuesto térmico. Estos materiales híbridos se crean para lograr propiedades generales o de volumen específicas (un ejemplo es la encapsulación de parafina en nanoesferas de dióxido de silicio distintas para aumentar la relación área de superficie a volumen y, por lo tanto, mayores velocidades de transferencia de calor [24] ).

La conductividad térmica es una propiedad común que se busca maximizar mediante la creación de compuestos térmicos. En este caso, la idea básica es aumentar la conductividad térmica agregando un sólido altamente conductor (como la malla de cobre o el grafito [25] ) al PCM de conductividad relativamente baja, aumentando así la conductividad (térmica) general o en masa. [26] Si se requiere que el PCM fluya, el sólido debe ser poroso, como una malla.

Los compuestos sólidos, como la fibra de vidrio o el preimpregnado de kevlar para la industria aeroespacial, generalmente hacen referencia a una fibra (el kevlar o el vidrio) y una matriz (el pegamento, que se solidifica para sujetar las fibras y proporcionar resistencia a la compresión). Un compuesto térmico no está tan claramente definido, pero podría hacer referencia de manera similar a una matriz (sólida) y al PCM, que, por supuesto, suele ser líquido y/o sólido según las condiciones. También están destinados a descubrir elementos menores en la tierra.

Aplicaciones

Las aplicaciones [1] [27] de los materiales de cambio de fase incluyen, entre otras:

Cuestiones de seguridad e incendios

Algunos materiales de cambio de fase están suspendidos en el agua y son relativamente no tóxicos. Otros son hidrocarburos u otros materiales inflamables o son tóxicos. Por ello, los PCM deben seleccionarse y aplicarse con mucho cuidado, de acuerdo con los códigos de construcción y contra incendios y las prácticas de ingeniería adecuadas. Debido al mayor riesgo de incendio, propagación de llamas, humo, potencial de explosión cuando se almacenan en contenedores y responsabilidad, puede ser prudente no utilizar PCM inflamables en edificios residenciales u otros edificios ocupados regularmente. Los materiales de cambio de fase también se utilizan en la regulación térmica de los componentes electrónicos.

Véase también

Referencias

  1. ^ ab Kenisarin, M; Mahkamov, K (2007). "Almacenamiento de energía solar utilizando materiales de cambio de fase". Renewable and Sustainable –1965 . 11 (9): 1913–1965. doi :10.1016/j.rser.2006.05.005.
  2. ^ Sharma, Atul; Tyagi, VV; Chen, CR; Buddhi, D. (2009). "Revisión sobre almacenamiento de energía térmica con materiales de cambio de fase y aplicaciones". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 13 (2): 318–345. doi :10.1016/j.rser.2007.10.005.
  3. ^ "ENRG Blanket powered by BioPCM". Soluciones energéticas de cambio de fase . Consultado el 12 de marzo de 2018 .
  4. ^ "Sistemas de almacenamiento de calor" Archivado el 29 de junio de 2020 en Wayback Machine (PDF) por Mary Anne White, ofrece una lista de ventajas y desventajas del almacenamiento de calor de parafina. Se puede encontrar una lista más completa en AccessScience de McGraw-Hill Education, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, última modificación: 25 de marzo de 2002 basada en 'Almacenamiento de calor latente en hormigón II, Materiales de energía solar, Hawes DW, Banu D, Feldman D, 1990, 21, pp.61–80.
  5. ^ Floros, Michael C.; Kaller, Kayden LC; Poopalam, Kosheela D.; Narine, Suresh S. (1 de diciembre de 2016). "Materiales de cambio de fase de diamida derivados de lípidos para almacenamiento de energía térmica a alta temperatura". Energía solar . 139 : 23–28. Código Bibliográfico :2016SoEn..139...23F. doi :10.1016/j.solener.2016.09.032.
  6. ^ Agyenim, Francis; Eames, Philip; Smyth, Mervyn (1 de enero de 2011). "Estudio experimental sobre el comportamiento de fusión y solidificación de un sistema de material de almacenamiento de cambio de fase de temperatura media (eritritol) aumentado con aletas para alimentar un sistema de enfriamiento por absorción de LiBr/H2O". Energía renovable . 36 (1): 108–117. doi :10.1016/j.renene.2010.06.005.
  7. ^ Fleishcher, AS (2014). "Recuperación de calor mejorada de materiales de cambio de fase basados ​​en parafina debido a la presencia de redes de grafeno percolado". Recuperación de calor mejorada de materiales de cambio de fase basados ​​en parafina debido a la presencia de redes de grafeno percolado . 79 : 324–333.
  8. ^ (2015). Almacenamiento de energía térmica mediante materiales de cambio de fase: fundamentos y aplicaciones. Springer
  9. ^ "Soluciones energéticas de cambio de fase" . Consultado el 28 de febrero de 2018 .
  10. ^ Cantor, S. (1978). "Estudio DSC de la fusión y solidificación de hidratos de sal". Thermochimica Acta . 26 (1–3): 39–47. doi :10.1016/0040-6031(78)80055-0.
  11. ^ olé, A.; Miró, L.; Barreneche, C.; Martorell, I.; Cabeza, LF (2015). "Corrosión de metales e hidratos de sales utilizados para el almacenamiento termoquímico de energía". Energías renovables . 75 : 519–523. doi :10.1016/j.renene.2014.09.059.[ enlace muerto permanente ]
  12. ^ A. Sharma; V. Tyagi; C. Chen; D. Buddhi (febrero de 2009). "Revisión sobre almacenamiento de energía térmica con materiales de cambio de fase y aplicaciones". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 13 (2): 318–345. doi :10.1016/j.rser.2007.10.005.
  13. ^ Sharma, Someshower Dutt; Kitano, Hiroaki; Sagara, Kazunobu (2004). "Materiales de cambio de fase para aplicaciones solares térmicas de baja temperatura" (PDF) . Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ . 29 : 31–64. S2CID  17528226. Archivado desde el original (PDF) el 27 de junio de 2020.
  14. ^ "Infinite R". Insolcorp, Inc. Recuperado el 1 de marzo de 2017 .
  15. ^ "Soluciones energéticas de cambio de fase PhaseStor". Soluciones energéticas de cambio de fase . Consultado el 28 de febrero de 2018 .
  16. ^ "Webinar - Materiales de cambio de fase para la descarbonización". Páginas del módulo GZ . Consultado el 10 de septiembre de 2024 .
  17. ^ Pasupathy, A; Velraj, R; Seeniraj, R (2008). "Arquitectura de edificios basada en materiales de cambio de fase para la gestión térmica en establecimientos residenciales y comerciales". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 12 : 39–64. doi :10.1016/j.rser.2006.05.010.
  18. ^ Federico Tudor, el Rey del Hielo, en el transporte sobre hielo durante el siglo XIX
  19. ^ La locomotora de vapor de Richard Trevithick funcionó en 1804
  20. ^ Amédée Bollée creó coches de vapor a partir de 1873.
  21. ^ Tyagi, Vineet Veer; Buddhi, D. (2007). "Almacenamiento térmico de PCM en edificios: un estado del arte". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 11 (6): 1146–1166. doi :10.1016/j.rser.2005.10.002.
  22. ^ Khodadadi, JM; Hosseinizadeh, SF (1 de mayo de 2007). "Materiales de cambio de fase mejorados con nanopartículas (NEPCM) con gran potencial para mejorar el almacenamiento de energía térmica". Comunicaciones internacionales en transferencia de calor y masa . 34 (5): 534–543. doi :10.1016/j.icheatmasstransfer.2007.02.005. ISSN  0735-1933.
  23. ^ Samimi Behbahan, Amin; Noghrehabadi, Aminreza; Wong, CP; Pop, Ioan; Behbahani-Nejad, Morteza (1 de enero de 2019). "Investigación de los efectos de la relación de aspecto del recinto en las características de transferencia de calor de fusión de materiales compuestos de espuma metálica/material de cambio de fase". Revista internacional de métodos numéricos para el flujo de calor y fluidos . 29 (9): 2994–3011. doi :10.1108/HFF-11-2018-0659. ISSN  0961-5539. S2CID  198459648.
  24. ^ Belessiotis, George; Papadokostaki, Kyriaki; Favvas, Evangelos; Efthimiadou, Eleni; Karellas, Sotirios (2018). "Preparación e investigación de nanoesferas de PCM compuestas de parafina/SiO2 con forma estable y diferenciadas". Conversión y gestión de energía . 168 : 382–394. doi :10.1016/j.enconman.2018.04.059. S2CID  102779105.
  25. ^ Gorbacheva, Svetlana N.; Makarova, Veronika V.; Ilyin, Sergey O. (abril de 2021). "Partículas de grafito estabilizadas con nanosílice hidrofóbicas para mejorar la conductividad térmica de materiales de cambio de fase a base de cera de parafina". Journal of Energy Storage . 36 : 102417. doi :10.1016/j.est.2021.102417. S2CID  233608864.
  26. ^ Makarova, VV; Gorbacheva, SN; Antonov, SV; Ilyin, SO (diciembre de 2020). "Sobre la posibilidad de un aumento radical de la conductividad térmica mediante partículas dispersas". Revista rusa de química aplicada . 93 (12): 1796–1814. doi :10.1134/S1070427220120022. ISSN  1070-4272. S2CID  232061261.
  27. ^ Omer, A (2008). "Sistemas de energía renovable para edificios y soluciones pasivas para el confort humano". Renewable and Sustainable Energy Reviews . 12 (6): 1562–1587. doi :10.1016/j.rser.2006.07.010.
  28. ^ Chatterjee, Rukmava; Beysens, Daniel; Anand, Sushant (2019). "Retraso de la formación de hielo y escarcha mediante líquidos con cambio de fase". Materiales avanzados . 31 (17): 1807812. Bibcode :2019AdM....3107812C. doi :10.1002/adma.201807812. ISSN  1521-4095. PMID  30873685.
  29. ^ Aravind, Indulekha; Kumar, KP Narayana (2 de agosto de 2015). "Cómo dos innovaciones de bajo costo fabricadas en India, MiraCradle y Embrace Nest, están ayudando a salvar las vidas de los recién nacidos". timesofindia-economictimes .
  30. ^ "MiraCradle - Nevera portátil para neonatos". miracradle.com .

Fuentes

Lectura adicional