Reducir el consumo de energía con materiales de cambio de fase
Nuevas emulsiones de materiales de cambio de fase como portadores de calor
Los materiales de cambio de fase (PCM) son un componente importante de la gestión térmica eficiente. Pueden utilizarse para conservar energía. Investigadores del Instituto Fraunhofer de Sistemas de Energía Solar (ISE) han colaborado con socios industriales para desarrollar emulsiones de PCM y agua o mezclas de agua y glicol para aplicaciones como la climatización de edificios y la refrigeración de maquinaria industrial. Las nuevas emulsiones de PCM alcanzan una densidad de almacenamiento dos veces superior a la del agua.
El agua ha demostrado su valor como portador de calor, por ejemplo cuando se trata de transferir calor de una caldera a un radiador o mantener fríos los techos refrigerantes. Pero hay un nuevo contendiente en escena: En el proyecto Optimus, investigadores del Fraunhofer ISE de Friburgo trabajan con socios de la industria en el desarrollo de emulsiones de PCM con alta densidad de almacenamiento para su uso en edificios y en la industria, pero también en sistemas de bombas de calor y para refrigerar las baterías de los vehículos de motor.
Los tensioactivos estabilizan las gotitas ultrafinas de parafina emulsionada
Las emulsiones PCM son una mezcla de parafinas y agua o mezclas de agua y glicol, que se utilizan sobre todo en el sector de la movilidad, donde la adición de glicol evita que la mezcla se congele. Los investigadores utilizan parafinas dispersas o emulsionadas en agua o en mezclas de agua y glicol. Los tensioactivos estabilizan las gotitas ultrafinas de parafina distribuidas por el agua, lo que confiere a la mezcla estabilidad térmica y mecánica. Las emulsiones aprovechan la alta densidad energética de las parafinas durante la transición de fase de sólido a líquido. "Como emulsionamos las parafinas en agua, pueden permanecer líquidas independientemente de su estado de fase en la emulsión que se crea y utilizarse como líquidos de transferencia de calor en redes de calefacción y refrigeración, lo que significa que las mezclas pueden bombearse por tuberías. Durante el cambio de fase, los PCM absorben o liberan grandes cantidades de calor aunque su temperatura permanezca constante", explica Stefan Gschwander, investigador del Fraunhofer ISE. Esto permite a los investigadores alcanzar el doble de densidad de almacenamiento que el agua -que actualmente se utiliza como portador de calor en las redes convencionales de suministro de calefacción y refrigeración- en el rango de fusión del PCM manteniendo el mismo volumen.
Además de su elevada densidad de almacenamiento, las emulsiones de PCM presentan otras ventajas. Gracias a su gran capacidad de almacenamiento de calor, los sistemas que utilizan PCM pueden diseñarse para ocupar menos espacio. Ofrecen una gran capacidad calorífica, sobre todo cuando el diferencial de temperatura es pequeño. "El uso de PCM es especialmente interesante para aplicaciones que sólo permiten diferencias mínimas de temperatura, como la refrigeración de edificios o el aire acondicionado. Los sistemas convencionales de aire acondicionado que utilizan agua como portador de calor requieren elevados caudales volumétricos y grandes volúmenes de almacenamiento. Aquí es donde realmente brillan los PCM", afirma Gschwander.
PCM personalizados con distintas temperaturas de fusión
En el proyecto, los socios están desarrollando emulsiones de PCM adecuadas con temperaturas de fusión que oscilan entre 12 y 18 grados centígrados, 20 y 28 grados centígrados y 45 y 50 grados centígrados para cualquier aplicación, desde aire acondicionado en edificios hasta instalaciones industriales, refrigeración de baterías y bombas de calor. Todas las emulsiones que se han desarrollado ya han sido sometidas a pruebas termomecánicas en un circuito hidráulico de pruebas con una bomba centrífuga, varias válvulas, un depósito de expansión de membrana y un intercambiador de calor de placas. Pueden soportar hasta 100.000 ciclos. Los investigadores desarrollaron, caracterizaron y probaron inicialmente las emulsiones PCM a escala de laboratorio, utilizando volúmenes de producción de hasta cinco litros. A continuación, las fórmulas se ampliaron a escala de planta piloto, produciendo volúmenes de hasta 100 litros.
Está previsto ampliar aún más la escala de las emulsiones PCM, hasta el metro cúbico, en colaboración con el socio industrial H&R Wax & Specialties GmbH. El objetivo es producir las emulsiones en mayores volúmenes para demostrar su uso en depósitos fríos utilizados para la climatización de interiores o la refrigeración de procesos. Inicialmente, las emulsiones PCM se destinarán a dos demostraciones. En la primera, el calor residual de las salas de servidores de un edificio judicial se almacenará durante la calefacción activa y posteriormente se transferirá al suministro de aire a través de la emulsión, con lo que esa energía térmica estará disponible para ayudar a calentar el edificio. En la segunda aplicación, se prevé refrigerar las máquinas de moldeo por inyección y liberar el calor almacenado en las horas punta al aire fresco exterior (refrigeración gratuita) por la noche. "Ahora mismo estamos optimizando nuestras fórmulas para conseguir una estabilidad y densidad de almacenamiento aún mayores", explica Gschwander.
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