Material de cambio de fase

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

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 sólidos-líquidos 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. 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. 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/m², por lo que para duplicar la capacidad calorífica se necesitarían 10 kg/m² adicionales de PCM.

PCM orgánicos

Hidrocarburos, principalmente parafinas (C_nH_2n+2) y lípidos, pero también alcoholes de azúcar. .

• Ventajas
  • Congela sin mucho supercooling
  • Capacidad para fundir congruencia
  • Propiedades autonucleantes
  • Compatibilidad con material convencional de construcción
  • No hay segregación
  • Químicamente estable
  • Segura y no reactiva
• Desventajas
  • Baja conductividad térmica en su estado sólido. Se requieren altas tasas de transferencia de calor durante el ciclo de congelación. Se encontraron compuestos nano para producir un aumento efectivo de la conductividad térmica hasta el 216%.
  • Capacidad de almacenamiento de calor volumétrico puede ser baja
  • Flammable. Esto se puede aliviar parcialmente mediante contención especializada.

Inorgánica

Hidratos de sal (M_xN_y·nH₂O)

• Ventajas
  • Capacidad de almacenamiento de calor alto volumétrico
  • Disponibilidad y bajo costo
  • Punto de fusión
  • Alta conductividad térmica
  • Alto calor de la fusión
  • No inflamable
  • Sostenibilidad
• Desventajas
  • Dificultad para prevenir la fusión incongruente y la separación de fases en el ciclismo, lo que puede causar una pérdida significativa en la entropia de calor latente.
  • Puede ser corrosivo a muchos otros materiales, como metales. Esto se puede superar utilizando únicamente emparejamientos metálico-PCM específicos o encapsulación en pequeñas cantidades en plástico no reactiva.
  • El cambio de volumen es muy alto en algunas mezclas
  • Super refrigeración puede ser un problema en la transición de líquido sólido, que requiere el uso de agentes nucleantes que pueden ser inoperantes después del ciclo repetido

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:

• La condensación (gas a líquido) ΔH obtenidos0; disminuciones enthalpy (proceso exotérmico) da calor.
• Vaporización (líquido a gas) ΔH título0; aumentos enthalpy (proceso endotérmico) absorbe calor (o refrigeración).

Si bien este proceso libera una pequeña cantidad de energía, las superficies grandes permiten una calefacción o refrigeración significativa (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 cambios visibles en la apariencia del PCM y no hay problemas asociados con el manejo de líquidos, p. contención, posibles fugas, etc. Actualmente, el rango de temperatura de las soluciones PCM sólido-sólido abarca desde -50 °C (-58 °F) hasta +175 °C (347 °F).

Criterios de selección

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

• Temperatura de fusión en el rango de temperatura de funcionamiento deseado
• Alto calor latente de fusión por volumen de unidad
• Alta temperatura específica, alta densidad y alta conductividad térmica
• Pequeños cambios de volumen en la transformación de fase y pequeña presión de vapor a temperaturas operativas para reducir el problema de contención
• Congruente fusión

Propiedades cinéticas

• Alta tasa de nucleación para evitar el supercooling de la fase líquida
• Alta tasa de crecimiento de cristal, para que el sistema pueda satisfacer las demandas de recuperación de calor del sistema de almacenamiento

Propiedades químicas

• Estabilidad química
• Ciclo completo de congelación reversible/de fundición
• No hay degradación después de un gran número de ciclo de congelación / fundición
• Materiales no corrosivos, no tóxicos, no inflamables y no explosivos

Propiedades económicas

• Bajo costo
• Disponibilidad

Propiedades termofísicas

Las propiedades termofísicas clave de los materiales de cambio de fase incluyen: punto de fusión (Tm), calor de fusión (ΔHfus), calor específico (cp) (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 para aplicaciones ferroviarias y por carretera 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 media y alta temperatura. El alcance de esta aplicación de energía térmica abarca una amplia gama de aplicaciones de almacenamiento de energía térmica en circuitos de enfriamiento seco, agua caliente, rechazo de calefacción (es decir, torres de enfriamiento).

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

• Encapsulación de PCMs
  • Macro-encapsulación: El desarrollo temprano de macro-encapsulación con contención de gran volumen falló debido a la mala conductividad térmica de la mayoría de los PCMs. Los PCM tienden a solidificarse en los bordes de los contenedores evitando la transferencia efectiva de calor.
  • Micro-encapsulación: La micro-encapsulación por otro lado no mostró tal problema. Permite que los PCM se incorporen en materiales de construcción, como concreto, fácil y económico. Micro-encapsulado Los PCM 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 como 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 polímero. Permite la capacidad de almacenamiento de hasta 515 kJ/m2 para un tablero de 5 mm (103 MJ/m3). La encapsulación molecular permite perforar y cortar a través del material sin filtración PCM.

Dado que 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.

Las nanopartículas como nanotubos de carbono, grafito, grafeno, metal y óxido metálico 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 denominado NePCM. Se pueden agregar NePCM a las espumas metálicas para crear una combinación de conductividad térmica aún mayor.

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 tanto, mayores velocidades de transferencia de calor).

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) al PCM de conductividad relativamente baja, aumentando así la conductividad (térmica) general o en masa. 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 de los materiales de cambio de fase incluyen, entre otras:

• Almacenamiento de energía térmica, como el FlexTherm Eco de Flamco.
• Cocina solar
• Batería de energía fría
• Acondicionamiento de edificios, como 'storage de hielo '
• Refrigeración de motores eléctricos y de calor
• Refrigeración: comida, bebidas, café, vino, productos lácteos, casas verdes
• Delaying ice and frost formation on surfaces
• Aplicaciones médicas: transporte de sangre, mesas de operaciones, terapias de frío caliente, tratamiento de asfixia por nacimiento
• Enfriamiento del cuerpo humano bajo ropa o trajes voluminosos.
• Recuperación de calor
• Utilización de la energía fuera del pico: Calefacción agua caliente y refrigeración
• Sistemas de bomba de calor
• Almacenamiento pasivo en construcción/arquitectura bioclimática (HDPE, parafina)
• picos de temperatura exotérmica relajantes en reacciones químicas
• Plantas de energía solar
• Sistemas térmicos espaciales
• Confort térmico en vehículos
• Protección térmica de dispositivos electrónicos
• Protección térmica de alimentos: transporte, comercio hotelero, helado, etc.
• Textiles utilizados en la ropa
• Refrigeración informática
• Turbine Inlet Chilling con almacenamiento de energía térmica
• Alojamientos de telecomunicaciones en regiones tropicales. Protegen el equipo de alto valor en el refugio manteniendo la temperatura del aire interior por debajo del máximo permisible absorbiendo el calor generado por el equipo hambriento de energía como un subsistema de estación de base. En caso de una falla de energía en los sistemas de refrigeración convencionales, los PCM minimizan el uso de generadores diesel, lo que puede traducirse en enormes ahorros en miles de sitios de telecomunicaciones en trópicos.

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.