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 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.

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.

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

• Ventajas
  • Congelar sin sobreenfriar demasiado
  • Capacidad de fundirse congruentemente
  • Propiedades autonucleantes
  • Compatibilidad con materiales de construcción convencionales.
  • Sin segregación
  • Químicamente estable
  • Seguro y no reactivo
• Desventajas
  • Baja conductividad térmica en estado sólido. Se requieren altas tasas de transferencia de calor durante el ciclo de congelación. Se ha descubierto que los nanocompuestos producen un aumento efectivo de la conductividad térmica de hasta un 216 %. ^{[7] [8]}
  • La capacidad de almacenamiento de calor latente volumétrico puede ser baja
  • Inflamable. Esto se puede mitigar parcialmente mediante un confinamiento especializado.

Hidratos de sal (M _x N _y · n H ₂ O) ^[9]

• Ventajas
  • Alta capacidad de almacenamiento de calor latente volumétrico
  • Disponibilidad y bajo costo
  • Punto de fusión agudo
  • Alta conductividad térmica
  • Alto calor de fusión
  • Ininflamable
  • Sostenibilidad
• Desventajas
  • Es difícil evitar la fusión incongruente y la separación de fases durante el ciclo, lo que puede causar una pérdida significativa de entalpía de calor latente. ^[10]
  • Puede ser corrosivo para muchos otros materiales, como los metales. ^{[11] [12] [13]} Esto se puede superar utilizando únicamente combinaciones específicas de metal-PCM o encapsulando 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.

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:

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

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.

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]}

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

• 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 operación para reducir el problema de contención.
• Fusión 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 reversible de congelación/fusión
• 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

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 .

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.

• Encapsulación de PCM
  • Macroencapsulación: el desarrollo inicial de la macroencapsulación con contención de gran volumen fracasó debido a la baja 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 que los PCM se incorporen a materiales de construcción, como el hormigón , de manera fácil y económica. Los PCM microencapsulados también proporcionan un sistema portátil de almacenamiento de calor. Al recubrir un PCM de tamaño microscópico con una capa protectora, las partículas pueden suspenderse dentro de una fase continua como el agua. Este sistema puede considerarse una suspensión 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 / m2 para una placa de 5 mm (103  ^MJ /  m3 ⁾ . La encapsulación molecular permite perforar y cortar el material sin que se produzcan fugas 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 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]

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.

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

• Almacenamiento de energía térmica
• Cocina solar
• Batería de energía fría
• Acondicionamiento de edificios , como por ejemplo 'depósitos 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 ^[28]
• Aplicaciones médicas: transporte de sangre, mesas de operaciones, terapias de frío-calor, tratamiento de la asfixia al nacer ^{[29] [30]}
• Enfriamiento del cuerpo humano bajo ropa o disfraces voluminosos.
• Recuperación de calor residual
• Uso de energía fuera de horas pico : calefacción, agua caliente y refrigeración
• Sistemas de bomba de calor
• Almacenamiento pasivo en edificación /arquitectura bioclimática ( HDPE , parafina)
• Suavizar los picos de temperatura exotérmicos en las 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, heladerías, etc.
• Textiles utilizados en la confección
• Refrigeración de la computadora
• Refrigeración por entrada de turbina con almacenamiento de energía térmica
• Refugios de telecomunicaciones en regiones tropicales. Protegen los equipos de alto valor que se encuentran en el refugio manteniendo la temperatura del aire interior por debajo del máximo permitido, absorbiendo 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 refrigeración convencionales, los PCM minimizan el uso de generadores diésel , 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 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.

• Tubo de calor

• Materiales de almacenamiento de energía basados ​​en materiales de cambio de fase (PCM) y ejemplos de aplicaciones globales, Zafer URE M.Sc., C.Eng. MASHRAE Aplicaciones HVAC
• Diseño de sistemas de enfriamiento pasivo basados ​​en materiales de cambio de fase y ejemplos de aplicación global, Zafer URE M.Sc., C.Eng. Aplicación de enfriamiento pasivo MASHRAE

• Raoux, S. (2009). "Materiales de cambio de fase". Revista anual de investigación de materiales . 39 : 25–48. Código Bibliográfico :2009AnRMS..39...25R. doi :10.1146/annurev-matsci-082908-145405. S2CID  137035578.
• El cambio de fase es importante (blog de la industria)