Material de canvi de fase
Archiu:Heating pad in action.ogv Un material de canvi de fase (PCM per les seues sigles en anglés) és una substància que llibera/absorbix suficient energia en una transició de fase per a proporcionar calor o fret útil. Per lo general, la transició es produïx entre un dels dos primers estats fonamentals de la matèria (sòlit i líquit). La transició de fase també pot donar-se entre estats no clàssics de la matèria, com la conformitat dels cristals, en la que el material pansa d'ajustar-se a una estructura cristalina a ajustar-se a una atra, que pot ser un estat de major o menor energia.
L'energia lliberada/absorbida per la transició de fase de sòlit a líquit, o viceversa, el calor de fusió és generalment molt major que la calor sensible. El gèl, per eixemple, requerix 333,55 J/g per a fondre's, pero llavors l'aigua pujarà un grau més en l'adició de només 4,18 J/g. L'aigua/gele és, per tant, un material de canvi de fase molt útil i s'ha utilisat per a almagasenar la fredor hivernal i gelar els edificis en estiu a lo manco des de l'época del Imperi Aqueménida.
Al fondre's i solidificarse a la temperatura de canvi de fase (TCP), un PCM és capaç d'almagasenar i lliberar grans cantitats d'energia en comparació a l'almagasenament de calor sensible. La calor s'absorbix o es llibera quan el material pansa de sòlit a líquit i viceversa o quan canvia l'estructura interna del material; per això, els PCM es denominen materials d'almagasenament de calor latent (LHS).
Hi ha dos classes principals de materials de canvi de fase: els materials orgànics (que contenen carbono) derivats del petròleu, de plantes o d'animals; i els hidrats de sal, que generalment utilisen sals naturals de la mar o de depòsits minerals o són subproductes d'atres processos. Una tercera classe és el canvi de fase sòlit a sòlit.
Els PCM s'utilisen en moltes aplicacions comercials diferents en les que es requerix almagasenament d'energia i/o temperatures estables, incloent, entre unes atres, almohadillas tèrmiques, refrigeració per a caixes de conmutación telefònica i roba.
El major mercat potencial és, en diferència, el de la calefacció i refrigeració d'edificis. En este àmbit d'aplicació, els PCM tenen potencial a la llum de la progressiva reducció del cost de l'electricitat renovable, unida a la naturalea intermitent de dita electricitat. Açò pot provocar un desajust entre els picos de demanda i la disponibilitat de suministrament. En Norteamérica, China, Japó, Austràlia, el sur d'Europa i atres països desenrollats en estius calorosos, el pico de suministrament es produïx al migdia, mentres que el pico de demanda se situa entorn a les 17:00 i les 20:00 hores. Açò crea oportunitats per als mijos d'almagasenament tèrmic.
Els materials de canvi de fase sòlit-líquit solen encapsularse per a la seua instalació en l'aplicació final, per a contindre'ls en estat líquit. En algunes aplicacions, especialment quan es requerix l'incorporació a textils, els materials de canvi de fase es microencapsulan. La microencapsulación permet que el material permaneixca sòlit, en forma de chicotetes bombetes, quan el núcleu de PCM s'ha fos.
Característiques i classificació
[editar | editar còdic]L'almagasenament de calor latent pot conseguir-se per mig de canvis en l'estat de la matèria de líquit→sòlit, sòlit→líquit, sòlit→gas i líquit→gas. No obstant, només els canvis de fase sòlit→líquit i líquit→sòlit són pràctics per als PCM. Encara que les transicions líquit-gas tenen una major calor de transformació que les transicions sòlit-líquit, els canvis de fase líquit→gas no són pràctics per a l'almagasenament tèrmic perque es requerixen grans volums o altes pressions per a almagasenar els materials en la seua fase gaseosa. Els canvis de fase sòlit-sòlit solen ser molt llents i tenen una calor de transformació relativament baix.
Inicialment, els PCM sòlit-líquit es comporten com a materials d'almagasenament de calor sensible (SHS); la seua temperatura aumenta a mida que absorbixen calor. No obstant, a diferència dels materials SHS convencionals, quan els PCM alcancen la seua temperatura de canvi de fase (el seu punt de fusió) absorbixen grans cantitats de calor a una temperatura casi constant fins que tot el material es fon. Quan la temperatura ambiente al voltant d'un material líquit descendix, el PCM es solidifica, lliberant la seua calor latent almagasenada. Existix un gran número de PCM en qualsevol interval de temperatura necessari, des de -5 fins a 190 °C.[1] Dins de l'interval de confort humà entre 20 i 30 °C, alguns PCM són molt eficaços, ya que almagasenen més de 200 kJ/kg de calor latent, front a una capacitat calorífica específica d'al voltant d'un kJ/(kg*°C) per a la mampostería. Per tant, la densitat d'almagasenament pot ser 20 voltes superior a la de la mampostería per kg si s'admet una oscilació de temperatura de 10 °C.[2] No obstant, com la massa de la mampostería és molt superior a la de el PCM, esta capacitat calorífica específica (per massa) queda alguna cosa compensada. Un mur de mampostería pot tindre una massa de 200 kg/m2, per lo que per a duplicar la capacitat calorífica es necessitarien 10 kg/m2 adicionals de PCM.
PCM orgànics
[editar | editar còdic]
Hidrocarburs, principalment parafina (CnH2n+2) i lípits, pero també alcohols de sucre.[4][5][6] Un atre eixemple de material de canvi de fase en esta categoria és la cera d'abelles. [7]
- Ventages
- Congelació sense molt sobreenfriamiento
- Capacitat de fusió congruent
- Propietats autonucleantes
- Compatibilitat en materials de construcció convencionals
- Sense segregació
- Químicament estable
- Segur i no reactiu
- Desventages
- Baixa conductivitat tèrmica en estat sòlit. Es requerixen altes taxes de transferència de calor durant el cicle de congelació. S'ha observat que els nanocompuestos aumenten la conductivitat tèrmica efectiva fins a un 216 %.[8][9]
- La capacitat volumètrica d'almagasenament de calor latent pot ser baixa.
- Inflamable. Açò pot paliar-se parcialment per mig d'un confinament especialisat.
Inorgànics
[editar | editar còdic]Hidrats de sal (MxNi·nH2O)[10]
- Ventages
- Elevada capacitat volumètrica d'almagasenament de calor latent
- Disponibilitat i baix cost
- Punt de fusió elevat
- Alta conductivitat tèrmica
- Alt calor de fusió
- No inflamable
- Sostenibilitat
- Desventages
- És difícil evitar la fusió incongruent i la separació de fases al ciclar, lo que pot causar una pèrdua significativa d'entalpia de calor latent.[11]
- Pot ser corroent per a molts atres materials, com els metals.[12][13][14] Açò pot superar-se utilisant únicament emparejamientos específics de metal i PCM o encapsulándolos en chicotetes cantitats en plàstic no reactiu.
- El canvi de volum és molt elevat en algunes mescles
- El superenfriamiento pot ser un problema en la transició sòlit-líquit, lo que fa necessari l'us d'agents nucleantes que poden deixar de funcionar despuix de repetits cicles
Materials higroscòpics
[editar | editar còdic]
Molts materials de construcció naturals són higroscòpics, és dir, poden absorbir (l'aigua es condensa) i lliberar aigua (l'aigua s'evapora). El procés és el següent
- Condensació (de gas a líquit) ΔH<0; l'entalpia disminuïx (procés exotèrmic) desprén calor.
- Vaporisació (líquit a gas) ΔH>0; l'entalpia aumenta (procés endotèrmic) absorbix calor (o gela).
Encara que este procés llibera una chicoteta cantitat d'energia, les grans superfícies permeten un calfament o refredat significatiu (1-2 °C) en els edificis. Els materials corresponents són l'aïllament de llana i els acabaments de terra/argila.
PCM sòlits
[editar | editar còdic]Grup especialisat de PCM que experimenten una transició de fase sòlit/sòlit en la consegüent absorció i lliberació de grans cantitats de calor. Estos materials canvien la seua estructura cristalina d'una configuració reticular a una atra a una temperatura fixa i ben definida, i la transformació pot implicar calors latents comparables als dels PCM sòlits/líquits més eficaços. Estos materials són útils perque, a diferència dels PCM sòlits/líquits, no requerixen nucleación per a evitar el sobreenfriamiento. Ademés, en tractar-se d'un canvi de fase sòlit/sòlit, no es produïx cap canvi visible en l'aspecte de el PCM, i no hi ha problemes associats a la manipulació de líquits, per eixemple, contenció, possibles fugues, etc. Actualment, el ranc de temperatura de les solucions PCM sòlit-sòlit comprén des de -50 °C (-58 °F) fins a +175 °C (347 °F).[16]
Criteris de selecció
[editar | editar còdic]El material de canvi de fase deu posseir les següents propietats termodinàmiques:[17]
- Temperatura de fusió en l'interval de temperatures de funcionament desijat
- Alt calor latent de fusió per unitat de volum
- Alt calor específica, alta densitat i alta conductivitat tèrmica
- Menuts canvis de volum en la transformació de fase i chicoteta pressió de vapor a temperatures de funcionament per a reduir el problema de contenció
- Fusió congruent
Propietats cinètiques
- Alta taxa de nucleación per a evitar el sobreenfriamiento de la fase líquida
- Alta taxa de creiximent de cristals, per a que el sistema puga satisfer les demandes de recuperació de calor del sistema d'almagasenament
Propietats químiques
- Estabilitat química
- Cicle complet reversible de congelació/fusió
- No es degrada despuix d'un gran número de cicles de congelació/fusió
- Materials no corroents, no tòxics, no inflamables i no explosius
Propietats econòmiques
- Baix cost
- Disponibilitat
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ “Solar energy storage using phase change materials” (2007). Renewable and Sustainable –1965 11 (9): 1913–1965. doi:.
- ↑ “Review on thermal energy storage with phase change materials and applications” (2009). Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2): 318–345. doi:.
- ↑ «ENRG Blanket powered by BioPCM».
- ↑ "Heat storage systems"
- Archivat el 29 de juny de 2020 archivat en Wayback Machine. (PDF) by Mary Anne White, brings a list of advantages and disadvantages of Paraffin heat storage. A more complete list ca be found in AccessScience from McGraw-Hill Education, DOI 10.1036/1097-8542.YB020415, last modified: March 25, 2002 based on 'Latent heat storage in concrete II, Solar Energy Materials, Hawes DW, Banu D, Feldman D, 1990, 21, pp.61–80.
- ↑ “Lipid derived diamide phase change materials for high temperature thermal energy storage” . Solar Energy 139: 23–28. doi:. Bibcode: 2016SoEn..139...23F.
- ↑ “Experimental study on the melting and solidification behaviour of a medium temperature phase change storage material (Erythritol) system augmented with fins to power a LiBr/H2O absorption cooling system” (1 de giner 2011). Renewable Energy 36 (1): 108–117. doi:.
- ↑ «¿Qué són i para qué s'utilisen els Materials de Canvi de Fase (PCM)?» (en és).
- ↑ Fleishcher, A.S.. “Improved heat recovery from paraffn-based phase change materials due to the presence of percolating graphene networks”. Improved Heat Recovery from Paraffn-based Phase Change Materials Due to the Presence of Percolating Graphene Networks 79: 324–333.
- ↑ (2015). Thermal energy storage using phase change materials: fundamentals and applications. Springer
- ↑ «Phase Change Energy Solutions».
- ↑ Cantor, S.. “DSC study of melting and solidification of salt hydrates”. Thermochimica Acta 26 (1–3): 39–47. doi:.
- ↑ “Corrosion of metals and salt hydrates used for thermochemical energy storage” . Renewable Energy 75: 519–523. doi:.
- ↑ “Review on thermal energy storage with phase change materials and applications” . Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2): 318–345. doi:.
- ↑ “Phase Change Materials for Low Temperature Solar Thermal Applications” . Res. Rep. Fac. Eng. Mie Univ. 29: 31–64.
- ↑ «Infinite R». Insolcorp, Inc.
- ↑ «Phase Change Energy Solutions PhaseStor».
- ↑ “Phase change material-based building architecture for thermal management in residential and commercial establishments” (2008). Renewable and Sustainable Energy Reviews 12: 39–64. doi:.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Material de cambio de fase» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.