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El presente artículo aborda las capacidades y experiencia que el CTC tiene en el campo de los materiales con cambio de fase (PCM)

CTC y los materiales con cambio de fase: gestión térmica eficiente

Ángel Yedra Martínez, responsable de la Unidad de Materiales Avanzados del CTC (Fundación Centro Tecnológico de Componentes)29/06/2012

29 de junio de 2012

Los materiales con cambio de fase (Phase Change Material-PCM) son materiales con un alto calor latente que, a la temperatura de cambio de fase (sólido líquido), son capaces de almacenar o liberar grandes cantidades de energía (hasta 100 veces más que si emplea el calor sensible). El interés de este tipo de materiales radica en que, durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante mientras que el material va absorbiendo o liberando energía. La temperatura de cambio de fase es característica de cada PCM. Se trata de materiales inteligentes (smart materials) y pasivos, los cuales actúan de manera reversible en base a la condiciones térmicas del entorno. En general son materiales de bajo coste.

Las ventajas principales que ofrece el almacenaje de calor mediante calor latente frente al que emplea el calor sensible son:

  • La densidad de almacenaje de calor es muy superior. Por ejemplo el agua líquida, su calor específico es 4,19 kJ/kg°C y el calor latente de fusión sólido-líquido (hielo) es 334,24 kJ/kg. Por consiguiente la densidad de calor almacenado por calor latente a 0 °C es equivalente al calor que almacena el agua al pasar de 0 a 80 °C por calor sensible.
  • El calor liberado/almacenado se realizará a temperatura constante.

Aplicaciones

Las principales aplicaciones que tienen estos materiales vienen definidas por:

  • Su alta capacidad de almacenaje de energía en forma de calor. Almacenar calor en un momento determinado para disponerlo más tarde. Esto permite obtener una gestión térmica más eficiente. Por ejemplo en un sistema colector solar, durante el día se almacenaría el exceso de calor y se dispondría por la noche y justo al día siguiente cuando no hay radiación solar.
  • Sus prestaciones como termorregulador para reducir las oscilaciones térmicas de un espacio, en torno a la temperatura de cambio de fase del PCM. Con esto se consigue reducir la dependencia con los sistemas de climatización convencionales y por tanto un ahorro energético. Por ejemplo en viviendas para reducir las oscilaciones de temperatura en torno a la temperatura confort (22 °C).

A continuación se enumeran algunas aplicaciones específicas donde han sido utilizados los PCM:

  • Almacenaje térmico de energía solar.
  • Almacenaje pasivo en edificios, para obtener temperaturas de confort constantes.
  • Para enfriamiento (banco de hielo).
  • Obtención de agua caliente sanitaria (ACS).
  • Mantenimiento de temperaturas constantes en habitaciones con ordenadores y dispositivos eléctricos.
  • Protección térmica de alimentos durante el transporte.
  • Protección térmica de productos agrícolas (vino, leche, verduras, etc).
  • Protección térmica de dispositivos electrónicos, evitando sobrecalentamientos.
  • Reducción de fatiga térmica en dispositivos.
  • Aplicaciones médicas: protección térmica para el transporte de sangre, mantenimiento de la temperatura de la mesa de operaciones, terapias de frío-calor.
  • Refrigerante de máquinas.
  • Obtención de confort térmico en vehículos.
  • Amortiguación de los picos de temperaturas exotérmicos en reacciones químicas.
  • Plantas de energía solar.
  • Sistemas aeroespaciales.

Tipología de PCM: ventajas y desventajas

Los PCM se pueden agrupar principalmente en dos grandes familias: materiales orgánicos e inorgánicos. Ambos casos presentan ventajas y desventajas en relación a las características que debe tener un PCM (tabla 1).

PCM INORGÁNICO

VENTAJAS

PCM ORGÁNICO

+

Calor latente

-

+

Densidad

-

+

Conductividad térmica

-

-

Estabilidad termo-química

+

-

Corrosivo

+

-

Disponibilidad y precio

+

Tabla 1. Ventajas y desventajas de los distintos PCM.

Encapsulado

Para el empleo de los materiales con cambio de fase en aplicaciones, es necesario encapsular el PCM con el fin de evitar pérdidas cuando el material cambie de estado (fase líquida). Existen principalmente dos posibilidades: macroencapsulado y microencapsulado.

Para el caso macroencapsulado, se han desarrollado diferentes formas, geometrías y tipos de materiales, dependiendo de la aplicación. Los materiales empleados generalmente son plásticos, y en particular, polietileno de alta densidad (HDPE), polipropileno (PP), aunque existen algunos casos en que se han empleado contenedores metálicos.

Por otro lado, los PCM se han microencapsulado, facilitando su incorporación en diferentes matrices como una carga/aditivo. Por ejemplo en cementos, yeso, plásticos, …dándoles un carácter termorregulador además de su función puramente estructural.

CTC y los PCM

Aunque el campo de los PCM se inicia a finales de los años 70, un incremento significativo de trabajos científicos-tecnológicos, a nivel mundial, ha tenido lugar en los últimos 8 años (véase figura 1). Por lo tanto se trata de una tecnología incipiente y con gran recorrido, donde ya existen trabajos científicos y además empiezan a surgir importantes empresas que comercializan estos nuevos materiales, como BASF.

El CTC comenzó a trabajar en el campo de los PCM en el año 2005. Desde esa fecha se han desarrollado numerosos proyectos en este campo, siendo de dos tipologías:

  • Aplicaciones de PCM en sistemas industriales
  • Desarrollo de nuevos PCM con altas prestaciones
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Figura 1. Evolución de los trabajos científicos en el campo de los PCM a nivel mundial. Un incremento significativo se produce a partir del año 2005. Fuente: base de datos SCOPUS. Fecha de realización: mayo de 2011.

Aplicaciones de PCM

El CTC ha desarrollado numerosos proyectos en los que ha utilizado la tecnología de los materiales con cambio de fase en diferentes aplicaciones industriales. A continuación se muestran los más significativos.

PCM en un sistema de Agua Caliente Sanitaria (ACS) conectado a un colector solar

Se integró PCM en un depósito de ACS que a su vez estaba conectado a un colector térmico solar. El objetivo fue almacenar el exceso de calor durante las horas diurnas y disponerlo durante la noche y justo a la mañana siguiente. Se llevó a cabo un análisis comparativo mediante simulación e instalación real (véase figura 2) de un sistema integrando PCM y otro sin él, y teniendo en cuenta condiciones ambientales, consumos de agua, etc. Los resultados mostraban que justo a la mañana siguiente la temperatura del agua del depósito con PCM era hasta 25 °C superior a la del agua del depósito sin PCM.

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Figura 2. Montaje experimental de los dos sistemas idénticos de depósito de ACS conectado al colector solar, donde uno de ellos integra PCM, para la realización del análisis comparativo.

PCM en un sistema de energía por geotermia de baja entalpía

Se diseñó y dimensionó un acumulador térmico incorporando PCM para un sistema de energía por geotermia de baja entalpía. El objetivo fue mantener las mismas prestaciones de un acumulador comercial pero reduciendo sus dimensiones y conseguir que las bombas de circulación del sistema trabajasen menor tiempo durante el día y más por la noche, y así beneficiarse de las tarifas eléctricas de discriminación horaria.

PCM en grandes cámaras de ultra-congelado (-20 °C) alimentarias

La integración de PCM tuvo como objetivo disponer de un sistema termorregulador pasivo para reducir las fluctuaciones térmicas que perjudican la conservación de los alimentos y modificar los tiempos de funcionamiento del sistema de frío para aprovechar tarifas eléctricas de discriminación horaria.

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Figura 3. Ejemplo de modelización térmico-fluida que se realizó de la cámara de ultracongelado alimentaria como paso previo a la experimentación real en la misma.

PCM en mezclas asfálticas

PCM fue incorporado en mezclas bituminosas con el objetivo de reducir la temperatura óptima de mantenimiento del betún en las plantas de fabricación, y para que la puesta en obra sea la más adecuada. Esta temperatura se pudo reducir de 180 a 165 °C manteniendo la viscosidad constante, implicando un ahorro energético en los sistemas de calentamiento (véase figura 4).

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Figura 4. Disminución de la temperatura de mantenimiento del betún en función de la cantidad de PCM. La viscosidad permanece constante a 198 mPas.

Desarrollo de nuevos PCM con altas prestaciones

Desde el punto de vista del material, el CTC se ha centrado en desarrollar nuevos PCM con prestaciones mejoradas. En la figura 5 se muestra un esquema donde se resumen las líneas de trabajo llevadas a cabo por el CTC en este campo.

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Figura 5. Esquema resumen de las diferentes líneas de trabajo en el CTC en el campo de los materiales con cambio de fase con propiedades avanzadas. Izquierda: desarrollo de composites matriz base carbono/PCM de alta conductividad térmica. Derecha: Desarrollo de PCM microencapsulado.

Por un lado se han desarrollado composites de matrices base carbono (grafitos, nanotubos de carbono multipared-MWCNT y nanofibras de carbono-CNF) y PCM. En este caso se ha llegado aumentar la conductividad térmica del material hasta un 1.500% respecto al PCM puro. La conductividad térmica de los PCM normalmente es baja, pero en muchas aplicaciones se requiere que el PCM absorba y libere calor de manera rápida, teniendo que ser la conductividad térmica elevada. Para el desarrollo de estos composites, previamente se ha llevado un proceso de expansión del grafito con el fin de aumentar la capacidad de albergar el PCM en su microestructura (véase figura 6).

Por otro lado se han microencapsulado diferentes PCM. Se trata de un polvo muy fino cuyo tamaño de partícula es inferior a 15 micras. En este caso el material se puede integrar en otros como el cemento, yeso, plásticos, etc, actuando como un aditivo. Por ejemplo, en este caso, el cementó tendrá varias funciones: estructural pero a la vez con capacidad termorreguladora.

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Figura 6. Esquema que representa el desarrollo de los composites grafito/PCM. Consiste en los procesos de expansión del grafito y la integración posterior del PCM. GIC: compuesto de intercalación de grafito.

Área Materiales Avanzados del CTC

El Centro Tecnológico de Componentes (CTC-www.ctcomponentes.com) es una fundación privada al servicio de la sociedad y del tejido industrial, ubicada en Santander-Cantabria (España). Su principal objetivo es contribuir al desarrollo económico y social, ayudando a las empresas a evaluar la viabilidad tecnológica de sus ideas, así como a ejecutar técnicamente sus proyectos de investigación, desarrollo e innovación, como parte del sistema ciencia-tecnología-empresa.

El modelo operativo del CTC está basado en Unidades de Negocio de carácter sectorial, con una clara orientación al cliente y alta especialización y capacitación. Las unidades son: Aeroespacial, Energía Nuclear, Energías Renovables, Automoción, y Materiales Avanzados.

El equipo de trabajo del Área Materiales Avanzados está especializado en el estudio y desarrollo de nuevos materiales con altas prestaciones, destinados a aplicaciones de alto valor añadido, orientados a las necesidades del mercado. En ella se desarrollan dos líneas de investigación:

  • Desarrollo y estudio de materiales con cambio de fase (PCM) y su aplicación a sistemas para la mejora de eficiencia energética.
  • Desarrollo de nuevos materiales compuestos/nanocompuestos poliméricos con prestaciones mejoradas y/o multifuncionales, mediante la inclusión de materiales nanoestructurados, cargas y aditivos.

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