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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 material de cambio de fase ( PCM ) es una sustancia que libera/absorbe suficiente energía en la transición de fase para proporcionar calor o enfriamiento útil. 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 de la materia no clásicos, 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 mayor o menor energía.

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 derretirse, pero luego el agua aumentará un grado más con la adición de sólo 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 el frío del invierno para enfriar los edificios en verano desde al menos 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; En consecuencia, los PCM se denominan materiales de almacenamiento de calor latente (LHS).

Hay dos clases principales de materiales de cambio de fase: 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.

Con diferencia, el mayor mercado potencial es el de calefacción y refrigeración de edificios. En esta área de aplicación, los PCM tienen potencial a la luz de la reducción progresiva del costo de la electricidad renovable, junto con la naturaleza intermitente de dicha electricidad. Esto puede resultar en 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 el pico de demanda se produce entre las 17:00 y las 20:00 horas. Esto crea oportunidades para los medios de almacenamiento térmico.

Los materiales de cambio de fase sólido-líquido generalmente se encapsulan para su instalación en la aplicación final, para contenerlos en estado líquido. En algunas aplicaciones, especialmente cuando se requiere la incorporación a textiles, los materiales de cambio de fase están microencapsulados . La microencapsulación permite que el material permanezca sólido, en forma de pequeñas burbujas, cuando el núcleo de PCM se ha derretido.

Características y clasificación

El almacenamiento de calor latente se puede lograr mediante cambios en el estado de la materia de líquido→sólido, sólido→líquido, sólido→gas y líquido→gas. Sin embargo, sólo los cambios de fase sólido→líquido y líquido→sólido son prácticos para los PCM. Aunque las transiciones líquido-gas tienen un mayor calor de transformación que las transiciones sólido-líquido, los cambios de fase líquido-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-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); su temperatura aumenta a medida que absorben calor. Sin embargo, a diferencia de los materiales SHS convencionales, 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 y libera su calor latente almacenado. Hay disponible una gran cantidad de PCM 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 eficaces y almacenan más de 200 kJ/kg de calor latente, frente a 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 un cambio de temperatura de 10 °C. [2] Sin embargo, dado que la masa de la mampostería es mucho mayor que la del PCM, esta capacidad calorífica específica (por masa) se ve algo compensada. Una pared de mampostería podría tener una masa de 200 kg/m 2 , por lo que para duplicar la capacidad calorífica se necesitarían 10 kg/m 2 adicionales de PCM.

Imagen de 3 capas de ENRG Blanket, un PCM orgánico encapsulado en una película de poliéster/lámina.
[3] Ejemplo de PCM orgánico de base biológica en una encapsulación de poliéster/lámina para mayor durabilidad en aplicaciones de construcción, donde funciona 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 de Infinite R
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 lámina termoplástica. Se aplicó la estabilización pasiva de la temperatura para dar como resultado la conservación de energía HVAC del edificio. [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 así:

Si bien este proceso libera una pequeña cantidad de energía, las grandes superficies permiten un calentamiento o enfriamiento significativo (1-2 °C) en los edificios. Los materiales correspondientes son aislamientos de lana y acabados de revoques de tierra/arcilla.

PCM sólido-sólido

Un grupo especializado de PCM que experimentan una transición de fase sólido/sólido con la absorción y liberación asociada 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 PCM sólidos/líquidos más eficaces. Estos materiales son útiles porque, a diferencia de los PCM sólidos/líquidos, no requieren nucleación para evitar el sobreenfriamiento. Además, debido a que se trata de un cambio de fase sólido/sólido, no hay ningún cambio visible en la apariencia del PCM y no hay problemas asociados con el manejo de líquidos, por ejemplo, contención, posibles fugas, etc. Actualmente, el rango de temperatura de sólido-sólido Las soluciones PCM abarcan desde -50 °C (-58 °F) hasta +175 °C (347 °F). [15]

Criteria de selección

El material de cambio de fase debe poseer las siguientes propiedades termodinámicas: [16]

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 la variación de volumen y la capacidad calorífica volumétrica .

Tecnología, desarrollo y encapsulación.

Los PCM más utilizados son los hidratos de sal , los ácidos y ésteres grasos 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 absorción de agua. Ambos tipos ofrecen ciertas ventajas y desventajas y si se aplican correctamente algunas de las desventajas se convierten en ventajas para determinadas 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 [17] para aplicaciones ferroviarias [18] y por carretera [19] y, por 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 una aplicación nueva como para una actualización alternativa. El cambio de fase de temperatura positiva permite que los enfriadores centrífugos y de absorción, así como los sistemas convencionales de enfriadores alternativos y de tornillo, o incluso condiciones ambientales más bajas utilicen una torre de enfriamiento o un enfriador seco para cargar el sistema TES.

El rango de temperatura que ofrece la tecnología PCM proporciona un nuevo horizonte para los ingenieros de refrigeración y servicios de construcción con respecto a las aplicaciones de almacenamiento de energía a temperatura media y alta. El alcance de esta aplicación de energía térmica abarca una amplia gama de aplicaciones de calefacción solar, agua caliente, rechazo de calefacción (es decir, torre de enfriamiento) y almacenamiento de energía térmica en circuitos de refrigeración seca.

Dado que los PCM se transforman entre sólido y líquido en ciclos térmicos, la encapsulación [20] se convirtió naturalmente en la opción de almacenamiento obvia.

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

En PCM se pueden dispersar nanopartículas como nanotubos de carbono, grafito, grafeno, metales y óxidos metálicos. 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 denominado NePCM. [21] Se pueden agregar NePCM a espumas metálicas para crear una combinación de conductividad térmica aún mayor. [22]

Compuestos térmicos

Compuestos térmicos es un término dado a combinaciones de materiales de cambio de fase (PCM) y otras estructuras (generalmente 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 compuesto térmico. Estos materiales híbridos se crean para lograr propiedades globales o de volumen específicas (un ejemplo es la encapsulación de parafina en distintas nanoesferas de dióxido de silicio para aumentar la relación superficie-volumen y, por lo tanto, mayores velocidades de transferencia de calor [23] ).

La conductividad térmica es una propiedad común que se pretende 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 [24] ) al PCM de conductividad relativamente baja, aumentando así la conductividad (térmica) general o en masa. [25] 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 se refieren a una fibra (kevlar o 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 referirse de manera similar a una matriz (sólida) y al PCM, que por supuesto suele ser líquido y/o sólido dependiendo de las condiciones. También están destinados a descubrir elementos menores en la tierra.

Aplicaciones

Las aplicaciones [1] [26] de materiales de cambio de fase incluyen, entre otras:

Problemas de seguridad e incendios

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

Ver también

Referencias

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  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 con 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 'Latent Heat Storage in Concrete II, Solar Energy Materials, Hawes DW, Banu D. , Feldman D, 1990, 21, págs. 61–80.
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Fuentes

Otras lecturas