Material de cambio de fase


Un material de cambio de fase ( PCM ) es una sustancia que libera / absorbe suficiente energía en la transición de fase para proporcionar calor / 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 ajustarse a una estructura cristalina a ajustarse a otra, que puede ser un estado de mayor o menor energía.

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

La energía liberada / absorbida por la transición de fase de sólido a líquido, o viceversa, el calor de fusión es generalmente mucho más alto que el calor sensible . El hielo, por ejemplo, requiere 333.55 J / g para derretirse, 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 invernal para enfriar 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 material de cambio de fase: materiales orgánicos (que contienen carbono) derivados del petróleo, de plantas o de animales; e 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 sólida a sólida.

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 de teléfonos y ropa.

Con mucho, el mercado potencial más grande es el de la calefacción y la refrigeración de edificios. Actualmente, los PCM están atrayendo mucha atención para esta aplicación debido a la reducción progresiva en el costo de la electricidad renovable, junto con las horas limitadas de disponibilidad, lo que resulta 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, la oferta pico es al mediodía, mientras que la demanda máxima es de 17:00 a 20:00. Esto crea una gran demanda de medios de almacenamiento.

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.

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, solo los cambios de fase sólida → líquida y líquida → sólida son prácticos para los PCM. Aunque las transiciones líquido-gas tienen un calor de transformación más alto 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-sólida 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 derrita. Cuando la temperatura ambiente alrededor de un material líquido cae, el PCM se solidifica, liberando su calor latente almacenado. Hay 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, ya que almacenan más de 200 kJ / kg de calor latente, frente a una capacidad calorífica específica de alrededor de un kJ / (kg * ° C) para mampostería. . Por lo tanto, la densidad de almacenamiento puede ser 20 veces mayor que la de la mampostería por kg si se permite una variación 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) está algo compensada. Un muro 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.

Image of 3 layers of ENRG Blanket, an organic PCM encapsulated in a poly/foil film.
[3] Ejemplo de PCM de base biológica orgánica en un encapsulado de poli / lámina para mayor durabilidad en aplicaciones de construcción, donde trabaja para reducir el consumo de energía 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]

  • Ventajas
    • Congelar sin mucho sobreenfriamiento
    • Capacidad para fundirse de forma congruente
    • Propiedades autonucleantes
    • Compatibilidad con material de construcción convencional
    • Sin segregación
    • Químicamente estable
    • Seguro y no reactivo
  • Desventajas
    • Baja conductividad térmica en su estado sólido. Se requieren altas tasas de transferencia de calor durante el ciclo de congelación. Se encontró que los nanocompuestos producen un aumento efectivo de la conductividad térmica de hasta 216%. [7] [8]
    • La capacidad volumétrica de almacenamiento de calor latente puede ser baja
    • Inflamable. Esto puede aliviarse parcialmente mediante contención especializada.

Inorgánico

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

  • Ventajas
    • Gran capacidad de almacenamiento de calor latente volumétrico
    • Disponibilidad y bajo costo
    • Punto de fusión agudo
    • Alta conductividad térmica
    • Alto calor de fusión
    • No es inflamable
  • Desventajas
    • Difícil de prevenir la fusión incongruente y la separación de fases durante el ciclo, lo que puede causar una pérdida significativa en la entalpía del calor latente. [10]
    • Corrosivo para muchos otros materiales, como los metales. [11] [12] [13] Esto puede superarse mediante la encapsulación en pequeñas cantidades en plástico no reactivo.
    • El cambio de volumen es muy alto en algunas mezclas.
    • El sobreenfriamiento puede ser un problema en la transición sólido-líquido, lo que requiere el uso de agentes nucleantes que pueden volverse inoperantes después de ciclos repetidos.
      Infinite R Energy Sheet
      Ejemplo: PCM de sal eutéctica hidratada con agentes de nucleación y gelificación para estabilidad térmica a largo plazo y durabilidad física de macroencapsulación de lámina termoplástica. Se aplicó para la estabilización pasiva de temperatura para dar como resultado la conservación de energía de HVAC en 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 así:

  • Condensación (de gas a líquido) ΔH <0; la entalpía disminuye (proceso exotérmico) emite calor.
  • Vaporización (líquido a gas) ΔH> 0; aumenta la entalpía (proceso endotérmico) absorbe calor (o enfría).

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

PCM sólido-sólido

Un grupo especializado de PCM que experimentan una transición de fase sólida / sólida con la absorción y liberación asociadas de grandes cantidades de calor. Estos materiales cambian su estructura cristalina de una configuración de celosía a otra a una temperatura fija y bien definida, y la transformación puede involucrar calores latentes comparables a los PCM sólidos / líquidos más efectivos. Dichos materiales son útiles porque, a diferencia de los PCM sólidos / líquidos, no requieren nucleación para evitar el sobreenfriamiento. Además, debido a que es un cambio de fase sólida / sólida, 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 sólido-sólido Las soluciones PCM abarcan desde -50 ° C (-58 ° F) hasta +175 ° C (347 ° F). [15]

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

  • Temperatura de fusión en el rango de temperatura de funcionamiento deseado
  • Alto calor latente de fusión por unidad de volumen
  • Alto calor específico, alta densidad y alta conductividad térmica.
  • Pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas de funcionamiento para reducir el problema de contención
  • Derretimiento congruente
  • Propiedades cinéticas
  • Alta tasa de nucleación para evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida.
  • Alta tasa de crecimiento de cristales, de modo que el sistema puede satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento.
  • Propiedades químicas
  • Estabilidad química
  • Ciclo completo de congelación / derretido reversible
  • Sin degradación después de un gran número de ciclos de congelación / fusión
  • Materiales no corrosivos, no tóxicos, no inflamables y no explosivos
  • Propiedades económicas
  • Bajo costo
  • Disponibilidad

PCM comunes

Capacidad calorífica volumétrica (VHC) J · m −3 · K −1

Inercia térmica (I) = efusividad térmica (e) J · m −2 · K −1 · s −1/2

PCM disponibles comercialmente

El conjunto de datos anterior también está disponible como una hoja de cálculo de Excel de UCLA Engineering

Los PCM más utilizados son los hidratos de sal , los ácidos grasos y ésteres , y varias parafinas (como el octadecano ). Recientemente también se investigaron 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 una ventaja 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 [119] para aplicaciones ferroviarias [120] y por carretera [121] 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 una aplicación nueva como para una actualización alternativa. El cambio de fase de temperatura positiva permite enfriadoras centrífugas y de absorción, así como sistemas convencionales de enfriamiento alternativo y de tornillo o incluso condiciones ambientales más bajas que utilizan una torre de enfriamiento o un enfriador en seco para cargar el sistema TES.

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

Dado que los PCM se transforman entre sólido y líquido en ciclos térmicos, la encapsulación [122] se convirtió naturalmente en la opción de almacenamiento obvia.

  • Encapsulación de PCM
    • Macroencapsulación: el desarrollo temprano de la macroencapsulación con contención de gran volumen falló debido a la mala conductividad térmica de la mayoría de los PCM. Los PCM tienden a solidificarse en los bordes de los contenedores, lo que impide una transferencia de calor eficaz.
    • Microencapsulación: la microencapsulación, por otro lado, no mostró tal problema. Permite incorporar los PCM a materiales de construcción, como el hormigón , de forma sencilla y económica. Los PCM microencapsulados también proporcionan un sistema portátil de almacenamiento de calor. Al recubrir un PCM de tamaño microscópico con un recubrimiento protector, las partículas se pueden suspender dentro de una fase continua como el agua. Este sistema puede considerarse una lechada de cambio de fase ( PCS ).
    • La encapsulación molecular es otra tecnología, desarrollada por Dupont de Nemours, que permite una concentración muy alta de PCM dentro de un compuesto polimérico. Permite una capacidad de almacenamiento de hasta 515  kJ / m 2 para un tablero de 5  mm (103  MJ / m 3 ). La encapsulación molecular permite perforar y cortar el material sin ninguna fuga de PCM.

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 del 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 cambios de fase. También debe restringir el paso del agua a través de las paredes, para que los materiales no se sequen (o se derramen, si el material es higroscópico ). El embalaje también debe resistir las fugas y la corrosión . Los materiales de embalaje comunes que muestran compatibilidad química con PCM a temperatura ambiente incluyen acero inoxidable , polipropileno y poliolefina .

Los compuestos térmicos es un término dado a las 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 se puede considerar un material compuesto, denominado compuesto térmico. Dichos materiales híbridos se crean para lograr propiedades generales o globales específicas.

La conductividad térmica es una propiedad común cuyo objetivo es 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 grafito [123] ) en el PCM de relativamente baja conductividad, aumentando así la conductividad general o general (térmica). [124] 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 (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 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.

Material de cambio de fase que se utiliza en el tratamiento de recién nacidos con asfixia al nacer [125] [126]
Potencial antihielo del líquido de cambio de fase solidificado (S-PSL), [127] una clase de materiales de cambio de fase.

Las aplicaciones [1] [128] de los materiales de cambio de fase incluyen, pero no se limitan a:

  • Almacenamiento de energía térmica
  • Cocina solar
  • Batería de energía fría
  • Acondicionamiento de edificios , como 'almacenamiento de hielo'
  • Refrigeración de motores térmicos y eléctricos
  • Refrigeración: alimentos, bebidas, café, vino, productos lácteos, invernaderos
  • Retraso de la formación de hielo y escarcha en las superficies [127]
  • Aplicaciones médicas: transporte de sangre, mesas de operaciones, terapias de frío y calor, tratamiento de la asfixia al nacer [125]
  • Enfriamiento del cuerpo humano bajo ropa o disfraces voluminosos.
  • Recuperación de calor residual
  • Utilización de energía en horas de poca actividad: calefacción de agua caliente y refrigeración
  • Sistemas de bomba de calor
  • Almacenamiento pasivo en edificio / arquitectura bioclimática ( HDPE , parafina)
  • Suavizar picos de temperatura exotérmica en reacciones químicas
  • Plantas de energía solar
  • Sistemas térmicos de naves espaciales
  • Confort térmico en vehículos
  • Protección térmica de dispositivos electrónicos.
  • Protección térmica de alimentos: transporte, hostelería, helados, etc.
  • Textiles utilizados en la confección
  • Refrigeración por computadora
  • Enfriamiento de entrada de turbina con almacenamiento de energía térmica
  • Refugios de telecomunicaciones en regiones tropicales. Protegen el equipo de alto valor en el refugio al mantener la temperatura del aire interior por debajo del máximo permitido al absorber el calor generado por equipos que consumen mucha energía, como un subsistema de estación base . En caso de un corte de energía en los sistemas de enfriamiento convencionales, los PCM minimizan el uso de generadores diesel , y esto puede traducirse en enormes ahorros en miles de sitios de telecomunicaciones en los trópicos.

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

  • Tubo de calor

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