TRANSFERENCIA DE CALOR AVANZADA MEDIANTE … · etc.), en este Proyecto, se ha planteado un modelo de batería térmica con un doble umbral de temperaturas, es decir, una batería - [PDF Document] (2024)

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

TRANSFERENCIA DE CALOR AVANZADA MEDIANTE MATERIALES DE CAMBIO DE

FASE

Autor: Pablo José Cancillo Martínez Director: Isaac Prada y Nogueira

Madrid Mayo 2012

1

AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO DE DOCUMENTACIÓN

1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma.

El autor D. Pablo José Cancillo Martínez, como alumno de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA

que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con el proyecto de fin de carrera Transferencia de calor avanzada mediante Materiales de Cambio de Fase, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra.

En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita.

2º. Objeto y fines de la cesión.

Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita (con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-­‐ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente.

3º. Condiciones de la cesión.

Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá:

(a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar “marcas de agua” o cualquier otro sistema de seguridad o de protección.

2

(b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato. .

(c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet.

(d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital.

4º. Derechos del autor.

El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a:

a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento.

b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio.

c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación ([emailprotected]).

d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN.

e) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella.

5º. Deberes del autor.

El autor se compromete a:

a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro.

b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros.

c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión.

d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión.

3

6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional.

La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades:

a) Deberes del repositorio Institucional:

-­‐ La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas.

-­‐ La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras.

-­‐ La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro.

b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:

-­‐ retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros.

Madrid, a 30 de Mayo de 2012.

ACEPTA

Fdo……………………………………………………………

ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)

INGENIERO INDUSTRIAL

TRANSFERENCIA DE CALOR AVANZADA MEDIANTE MATERIALES DE CAMBIO DE

FASE

Autor: Pablo José Cancillo Martínez Director: Isaac Prada y Nogueira

Madrid Mayo 2012

A mis padres

“Investigar es ver lo que todo el mundo ha visto y pensar lo que nadie más ha pensado”

Werner Heisenberg

Agradecimientos: A Isaac Prada y Nogueira y a José María Cancer Abóitiz, directores de la empresa Keelwit Technology & Beyond, ya que sin su gran dedicación este proyecto no habría sido posible. A Ramón, por su inestimable ayuda en la fabricación de los bancos de ensayo, a Alberto, por aguantarme todas las mañanas, y al resto del equipo Keelwit: Ángel, Nacho V., Nacho R., Nuria y Joaquín; por su colaboración de un modo u otro. A Serigrafías Fernández Pacheco, por su afán investigador y sus consejos en la fabricación de adhesivos. A mi familia y amigos, por su apoyo constante … y en especial a mis padres, por el esfuerzo realizado en la lectura del proyecto.

TRANSFERENCIA DE CALOR AVANZADA MEDIANTE MATERIALES DE CAMBIO DE FASE

Autor: Cancillo Martínez, Pablo José.

Director: Prada y Nogueira, Isaac.

Entidad colaboradora: Keelwit Technology & Beyond.

RESUMEN DEL PROYECTO

La cumbre de la ONU celebrada en la ciudad sudafricana de Durban a finales del año 2011, puso de manifiesto la falta de consenso a nivel mundial en la toma de medidas para evitar el cambio climático y para alcanzar el objetivo de limitar el calentamiento global en menos de dos grados centígrados respecto de la era preindustrial. Por un lado, la Unión Europea y algunos otros países acordaron prolongar el protocolo de Kyoto, pero se quedaron fuera naciones como Canadá, Rusia, Japón, Estados Unidos, India, Brasil o China, es decir, los causantes del 85% de las emisiones del planeta. El único avance de la cumbre parece ser la posibilidad de conseguir para 2020 un régimen internacional más uniforme, que afecte a todos los países por igual. Esta realidad a la que nos enfrentamos nos obliga a hacer un uso racional de la energía y a abogar por nuevas alternativas. Gran parte de las pérdidas energéticas de numerosas aplicaciones se dan en forma de calor, por lo que la refrigeración cobra gran importancia a la hora de hacer un uso eficiente de la energía, o incluso para mejorar las prestaciones de una tecnología. El almacenamiento de energía se considera de gran interés debido a que tanto en la naturaleza, como en la industria, muchas de las fuentes de energía son intermitentes y no siempre el consumo se produce a la vez que la generación. De entre los diversos métodos de almacenamiento de energía térmica destacan el almacenamiento como calor sensible, que consiste en un incremento de la temperatura de un material debido al aporte de calor, y el almacenamiento como calor latente, en el que se emplea el cambio de fase de un material. Dentro de este último se engloban los Materiales de Cambio de Fase, conocidos como PCMs (del inglés, Phase Change Materials), que son sustancias caracterizadas por un alto calor latente de fusión y de solidificación, es decir, sustancias que absorben o disipan una gran cantidad de energía al cambiar entre los estados sólido y líquido. El interés de este Proyecto en los PCMs se debe a la alta densidad energética que presentan durante el cambio de fase y al estrecho margen de temperaturas en el que éste se produce. La posibilidad de desligar la demanda de energía de la oferta, tanto en el tiempo como en el espacio, es otra de sus ventajas.

El objetivo de este Proyecto es dar soluciones de gestión térmica en general, empleando Materiales de Cambio de Fase, para algunas aplicaciones en las cuales la capacidad de refrigeración limita la posibilidad de mejora, en las que se puede plantear por primera vez

el uso de los mismos o en las que su incorporación se realiza con arquitecturas novedosas. La primera parte del proyecto consiste en un análisis del Estado de la Técnica actual, mediante la revisión de la literatura científica y de las patentes relacionadas con los PCMs, procedimiento necesario para identificar posibles nichos de mercado en los que estos materiales sean una tecnología candidata. En una primera aproximación se han investigados las diversas clases de sustancias consideradas Materiales de Cambio de Fase, así como sus formas más habituales de comercialización, con la finalidad de comprender sus propiedades físico-químicas y sus limitaciones tecnológicas. En segundo lugar se han identificado diversos campos de aplicación, como son la climatización de viviendas, la gestión térmica de componentes electrónicos y de baterías, el almacenamiento y transporte de alimentos y material médico, la incorporación en textiles y en material terapéutico, la refrigeración de motores y generadores eléctricos o la climatización de vehículos. En el Proyecto se adjunta un listado de las patentes y solicitudes de patentes consultadas a la hora de seleccionar aquellas áreas susceptibles de mejora o innovación. Simultáneamente a la evaluación del Estado de la Técnica existente, se han llevado a cabo una serie de ensayos experimentales con Materiales de Cambio de Fase en algunas de sus diversas formas comerciales, para observar empíricamente su potencial en la gestión térmica. El objetivo de estos ensayos es comprobar que el comportamiento real de los distintos tipos de PCMs se corresponde con lo esperado a nivel teórico. Con este fin se han determinado sus densidades en estados sólido y líquido y los rangos de temperatura de cambio de fase. Para obtener los valores de los calores latentes de fusión y de solidificación y de los calores específicos en estados sólido y líquido, se ha propuesto un método sencillo basado en el balance energético del ensayo que, sin embargo, debido a las simplificaciones asumidas, no ha permitido obtener unos resultados coherentes en algunos casos, por lo que se toman como buenos los datos aportados por el fabricante. Visto que existen una gran cantidad de aplicaciones y productos que deben mantenerse en un rango de temperaturas determinado para evitar que se deterioren o que pierdan sus propiedades (componentes electrónicos y baterías, productos médicos y farmacéuticos, etc.), en este Proyecto, se ha planteado un modelo de batería térmica con un doble umbral de temperaturas, es decir, una batería con dos Materiales de Cambio de Fase de distinto punto de fusión. El PCM con el menor rango de cambio de fase será el encargado de ceder calor al sistema, si su temperatura desciende debido al frío del exterior. El PCM de mayor punto de cambio de fase será el encargado de absorber el calor generado por el sistema, para evitar que sobrepase dicha temperatura. Para validar este modelo se han realizado ensayos numéricos a través de la plataforma informática FLUENT y ensayos reales con un prototipo experimental. Ante un descenso de la temperatura del ambiente, la batería mantiene, de manera eficaz, el producto de su interior a la temperatura de solidificación del PCM de menor punto de fusión, durante un largo periodo de tiempo, como puede verse en las curvas de temperaturas recogidas en la Figura 2. Sin embargo,

los resultados muestran que la batería no es capaz de limitar la temperatura del objeto cuando se produce un cambio brusco de sus condiciones de operación, seguramente debido a que la conductividad de los PCMs es demasiado baja como para garantizar una correcta transferencia de calor. Como línea futura de investigación, se deja abierta la posibilidad de integrar aletas en el interior de la batería que favorezcan la conducción del calor.

Figura 1. Prototipo de batería térmica con doble umbral de temperaturas (izquierda) y medidas

del ensayo de enfriamiento (derecha) Otro campo de investigación en el que los PCMs muestran un gran potencial es la gestión térmica de vehículos, en especial vehículos eléctricos. Los materiales empleados en los vehículos actuales, por lo general metales, así como la abundancia de superficies acristaladas, hacen que el aislamiento térmico sea mínimo, produciéndose grandes fluctuaciones de temperatura que obligan a un consumo elevado en la climatización interior. Estas necesidades de climatización son aún más críticas en los vehículos eléctricos, ya que no disponen de un motor térmico cuyas pérdidas puedan aprovecharse para calentar el habitáculo. Algunas de las patentes estudiadas indican que la aplicación de los PCMs como elemento pasivo de gestión térmica permite lograr un aumento del confort de los ocupantes, que se traduce en un menor consumo y en una mayor eficiencia energética. Para determinar la viabilidad y el verdadero potencial de esta tecnología se ha comenzado un proyecto de investigación sobre la gestión térmica de vehículos empleando PCMs. Como primer paso se ha desarrollado un modelo del habitáculo de un vehículo genérico empleando la analogía termoeléctrica, mediante el software matemático MATLAB-Simulink. El modelo tiene en cuneta la transferencia de calor por conducción entre los diversos materiales presentes en el habitáculo, así como su capacidad de almacenamiento de calor, la convección con el aire interior y exterior, la radiación solar, el intercambio radiativo con el cielo y las pérdidas térmicas del motor de combustión, en el caso de vehículos convencionales, o del motor eléctrico y de la batería, en el caso de los vehículos eléctricos. Una de sus ramas se muestra en la Figura 2. Las primeras simulaciones muestran que los resultados del modelo son coherentes con lo esperado a nivel teórico. Sin embargo, la validación del mismo, mediante ensayos experimentales, revela que es necesario un refinamiento del modelo y un análisis de sensibilidad, que determine los parámetros más influyentes en las cargas térmicas de un vehículo. Posteriormente, debería simularse un PCM con Simulink, integrarlo en el modelo del

habitáculo y validar el conjunto mediante ensayos adicionales que permitan obtener unas conclusiones más detalladas.

Figura 2. Rama de la luna delantera del modelo térmico en MATLAB-Simulink

La última aplicación para los Materiales de Cambio de Fase descrita en este Proyecto es su integración en adhesivos de gota de resina mediante diversas técnicas, lo que proporciona una manera sencilla y económica de acoplar los PCMs a un gran número de dispositivos con requerimientos de gestión térmica, especialmente la refrigeración de componentes electrónicos. Sin embargo, el procedimiento de fabricación de las pegatinas revela ciertos problemas con difícil solución, en los que se debe seguir investigando, siendo el más importante que la cantidad de PCM a incorporar en el adhesivo se ve limitada por la variación de las propiedades de la resina. En la Figura 3, se muestra un ensayo realizado con estos adhesivos sobre el transformador de un ordenador portátil. Como líneas futuras de investigación se plantea el diseño de nuevas configuraciones que permitan la incorporación de los PCMs en adhesivos.

Figura 3. Transformador de un ordenador portátil con adhesivo de gota de resina

ADVANCED HEAT TRANSFER WITH PHASE CHANGE MATERIALS Author: Cancillo Martínez, Pablo José.

Director: Prada y Nogueira, Isaac.

Collaborating entity: Keelwit Technology & Beyond.

PROJECT ABSTRACT

The United Nations Climate Change Conference, which took place in Durban, South Africa, at the end of 2011, showed the lack of global consensus on taking actions to prevent climate change and to achieve the objective of limiting global warming to less than two degrees Celsius over the temperatures of the pre-industrial era. On the one hand, the European Union and some other countries agreed to extend the Kyoto protocol, but nations such as Canada, Russia, Japan, USA, India, Brazil or China, who are responsible for almost 85% of the planet emissions, decided to stay aside. The unique achievement of the conference seems to be the possibility to create a more uniform international regime by 2020, which would involve all countries. This reality obligates us to make a rational use of energy and to bet for alternative energies. The energy losses of many applications are heat losses, that´s why cooling becomes so important for making efficient use of energy or even for improving the performance of an existing technology. Energy storage is considered of great interest because both in nature and industry most of the energy sources are intermittent and generation and consumption do not occur simultaneously. Among the various methods of thermal energy storage, sensible heat storage, i.e., when heat transferred to a material leads to a temperature increase, and latent heat storage, which uses the phase change of a material, are the most common. In this latter, Phase Change Materials (PCMs) are substances with high latent heats of fusion and solidification, i.e., materials able to absorb or release high amounts of energy when changing phase from solid to liquid or vice versa, respectively. The interest of this Project in PCMs comes from their high energy density while changing phase and the narrow range of temperatures in which it happens. The possibility of separating both in time and space the demand of energy form the supply is another of their advantages. The aim of this Project is to provide thermal management solutions for applications whose capacity of improvement is limited by the cooling requirements of the system, for applications where PCMs have never been used or for applications where they can be incorporated in an innovative way. The first part of the project consists of an analysis of the current State of the Art. The research was carried out reviewing the scientific literature and several patents related to PCMs, which makes it possible to identify niches in which these materials could be a

candidate technology. Firstly, the different classes of PCMs attending to their nature and commercial PCMs have been investigated, in order to understand their physical and chemical properties and their technological limitations. Secondly, several areas of application have been identified, such as heating and cooling in buildings, thermal management of electronic equipment and batteries, storage and transport of food and medical products, integration into textiles and therapeutic products, cooling of electric motors and generators or vehicle thermal management. A list of the patents and patent applications consulted when selecting the areas susceptible of innovation is shown in the Project. At the same time, a series of experiments with PCMs in some of its various commercial forms have been carried out, in order to observe their potential for thermal management. The aim of these tests is to check if the different PCMs behave as expected theoretically. To this end, their solid and liquid densities have been determined as well as their phase change temperature ranges. A simple method based on the energy balance of the test has been proposed in order to obtain the values of the melting and solidification latent heats and of the solid and liquid specific heats. However, excess of simplifications leaded to incoherent results in some cases and manufacturer values were used instead. It has been seen that there are a lot of applications and products that must be kept in a determined temperature range in order to prevent damage or loss of properties (electronic equipment and batteries, medical and pharmaceutical products, etc.). In this Project, a thermal battery with a double temperature threshold model, i.e., a battery with two PCMs with different melting points, has been designed. The PCM with the lowest melting temperature is responsible for giving heat to the system if the system´s temperature drops due to a cold ambient. The PCM with the highest melting point will be responsible for absorbing the heat generated by the system in order to limit its temperature. On the one hand, numerical studies have been conducted with FLUENT software platform. On the other hand, real tests with an experimental prototype have been carried out. The results of both of them allow us to validate the model. If the ambient temperature decreases, the battery keeps the product inside at the solidification temperature of the lower melting point PCM for a long time, as shown in Figure 1. However, the results show that the battery is not able to limit the temperature of the object when it suffers from a sudden change in its operating conditions, probably because the conductivity of the PCMs is too low to ensure a correct heat transfer. The possibility of integrating fins inside the battery in order to increase conductivity has been proposed as future research.

Figure 1. Thermal battery with double threshold prototype (left) and test results (right)

Another field of research where PCMs have great potential is thermal management of vehicles, especially electric vehicles. Materials used for the manufacturing of vehicles are commonly lightweight materials such as metals and glazing surfaces, which provide little insulation against temperature gradients. This leads to air conditioning and heating systems consuming large amounts of energy. This energy consumption is even more critical in electric vehicles as they do not have an internal combustion engine whose losses could be used to heat the passenger compartment. Some of the patents reviewed indicate that the application of PCMs to vehicles as a passive thermal system shows an improvement of the passengers’ thermal comfort, which means lower energy consumption and greater efficiency. A research has begun in order to determine the feasibility and real potential of this technology for the thermal management of vehicles. As a first step, a thermal model of a generic vehicle interior cabin has been developed using the mathematical software MATLAB-Simulink. The model considers heat transfer by conduction among the materials inside the cabin as well as their heat storage capacity, convection with indoor and outdoor air, solar radiation, the radiative exchange with the sky and thermal losses form the combustion engine, in the case of conventional vehicles, or from the electric motor and form the battery, in the case of electric vehicles. One of the branches of the model is shown in Figure 2. The first simulations show that the results are consistent with those theoretically expected. However, its validation against the results of real testing revealed the need for a refinement of the model and for a detail sensitivity analysis in order to determine the most important parameters affecting vehicle thermal loads. Thereafter, a PCM model should be introduced into with Simulink and integrated into the passenger cabin model. Besides, the whole model should be validated against additional and extense tests to obtain more detailed conclusions.

Figure 2. Windshield branch of the MATLAB-Simulink thermal model

The last application for Phase Change Materials described in this project is related with their integration into silicon stickers using several techniques, which provides a simple and inexpensive way to attach PCMs to a large number of devices with thermal management requirements, especially cooling of electronic devices. However, the manufacturing process of the stickers presents certain problems, so much more research in this field is necessary. The most important problem is that the amount of PCM is limited by the variation of the properties of the resin. Figure 3 shows a test with one of the stickers. The design of new configurations for incorporating PCMs in adhesives is presented as future research.

Figure 3. Test of a silicon sticker with PCM on a portable computer transformer

ÍNDICE DE LA MEMORIA

I

Índice de la memoria

Capítulo 1 Introducción ....................................................................................... 1

1.1 Motivación del Proyecto .............................................................................................. 1

1.2 Interés en el almacenamiento de energía térmica mediante Materiales de Cambio

de Fase .................................................................................................................................... 2

1.3 Objetivos ....................................................................................................................... 4

1.4 Metodología ................................................................................................................... 5

Capítulo 2 Los Materiales de Cambio de Fase ................................................... 7

2.1 Propiedades ................................................................................................................... 7

2.1.1 Requisitos termo-físicos ........................................................................................................... 7

2.1.2 Requisitos tecnológicos ............................................................................................................ 8

2.1.3 Requisitos económicos ............................................................................................................. 9

2.2 Clasificación .................................................................................................................. 9

2.2.1 Materiales orgánicos .............................................................................................................. 10

2.2.2 Materiales inorgánicos ........................................................................................................... 10

2.3 Formas de comercialización ...................................................................................... 11

2.4 Métodos de determinación de propiedades .............................................................. 15

2.5 Campos de aplicación ................................................................................................. 15

2.5.1 Arquitectura y climatización .................................................................................................. 16

2.5.1.1 PCM integrado en materiales de construcción ............................................................... 19

2.5.1.2 PCM integrado en elementos de construcción ................................................................ 20

2.5.1.3 Free cooling .................................................................................................................... 20

2.5.1.4 PCM integrado en sistemas de climatización ................................................................. 21

2.5.2 Electrónica.............................................................................................................................. 25

2.5.3 Almacenamiento y transporte de alimentos y productos perecederos .................................... 30

2.5.4 Cuerpo humano ...................................................................................................................... 34

2.5.5 Motores y generadores eléctricos ........................................................................................... 37

2.5.6 Vehículos................................................................................................................................ 38

ÍNDICE DE LA MEMORIA

II

2.6 Propiedad intelectual ................................................................................................. 41

Capítulo 3 Ensayos de Caracterización............................................................. 51

3.1 Materiales de Cambio de Fase adquiridos ............................................................... 51

3.2 Determinación de las densidades en estado sólido y líquido................................... 56

3.3 Curvas de fusión y solidificación ............................................................................... 61

3.3.1 RT 28 HC ............................................................................................................................... 66

3.3.2 SP 29 ...................................................................................................................................... 68

3.3.3 RT 65 ..................................................................................................................................... 69

3.4 Conclusiones ............................................................................................................... 70

Capítulo 4 Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

………………………………………………………………………73

4.1 Ensayos experimentales ............................................................................................. 73

4.2 Modelado matemático ................................................................................................ 79

4.2.1 Fundamento teórico ................................................................................................................ 80

4.2.1.1 Ecuación de la energía .................................................................................................... 80

4.2.1.2 Ecuación de la cantidad de movimiento ......................................................................... 81

4.2.1.3 Modelo multifase ............................................................................................................ 82

4.2.1.4 Condiciones iniciales y de contorno ............................................................................... 83

4.2.2 Resultados .............................................................................................................................. 83

4.3 Conclusiones ............................................................................................................... 85

Capítulo 5 Gestión térmica de vehículos ........................................................... 87

5.1 Modelo termoeléctrico del habitáculo de un vehículo ............................................. 88

5.1.1 Analogía de la conducción ..................................................................................................... 88

5.1.2 Analogía de la convección ..................................................................................................... 91

5.1.3 Analogía de la radiación ......................................................................................................... 91

5.1.4 Modelo completo ................................................................................................................... 94

5.2 Validación del modelo .............................................................................................. 105

5.3 Incorporación de PCMs en un vehículo ................................................................. 110

Capítulo 6 Adhesivos con Material de Cambio de Fase ................................. 111

6.1 Proceso de fabricación ............................................................................................. 111

6.2 Ensayos experimentales ........................................................................................... 117

ÍNDICE DE LA MEMORIA

III

6.2.1 Comprobación de la estabilidad de los adhesivos ................................................................ 117

6.2.2 Ensayo con transformador de ordenador portátil ................................................................. 118

6.3 Conclusiones ............................................................................................................. 121

Capítulo 7 Conclusiones y líneas futuras ....................................................... 123

Bibliografía 125

ÍNDICE DE FIGURAS

IV

Índice de figuras

Figura 1. Proceso de sobrefusión ......................................................................................... 8

Figura 2. Clasificación de los PCMs en función de su entalpía y temperatura de fusión

[DOLA11] .......................................................................................................................... 11

Figura 3. Etiqueta de calidad para PCMs [PCMR12] ........................................................ 12

Figura 4. Macrocápsulas de plástico con PCM de la empresa Phase Change Material

Products [PCMP12] ........................................................................................................... 13

Figura 5. Macrocápsula de metal con PCM de la empresa RUBITHERM [RUBI12] ...... 14

Figura 6. Microcápsulas en vía húmeda (izquierda) y seca (derecha) [MICR12] ............. 14

Figura 7. Microcápsulas Micronal® [MICR12] ................................................................ 14

Figura 8. Fluctuación de la temperatura interior de un edificio con y sin PCM [MEHL08]

............................................................................................................................................ 17

Figura 9. Espesores de diversos materiales de construcción para que posean la misma

capacidad de almacenamiento de energía que un PCM genérico de 130MJ/m3 en un

intervalo de 4ºC [MEHL08] ............................................................................................... 17

Figura 10. Panel de yeso con PCM microencapsulado: izquierda [AHMA06] y derecha

[MICR12] ........................................................................................................................... 19

Figura 11. Hormigón con PCM microencapsulado [MICR12] ......................................... 20

Figura 12. Muro Tromble con PCM [DOMI02] ................................................................ 21

Figura 13. Pared con PCM macroencapsulado [DOMI05] ................................................ 21

Figura 14. Diversas configuraciones para intercambiadores con PCM (en color rosa)

[DOMI08] .......................................................................................................................... 23

Figura 15. Circuito de aire acondicionado con acumulador de PCM [DOMI08] .............. 23

Figura 16. Intercambiadores de calor con PCM: US4807697 izquierda y US7760502

derecha ............................................................................................................................... 25

ÍNDICE DE FIGURAS

V

Figura 17. Carga con altos picos de temperatura y pocos ciclos de trabajo [STUP10] ..... 26

Figura 18. Diversas configuraciones de un disipador de calor para componentes

electrónicos con PCM (en color gris oscuro) [STUP10] ................................................... 27

Figura 19. Funda para ordenadores portátiles con PCM (US7324340) ............................ 28

Figura 20. Caja con PCM para contener equipos electrónicos (US5069358) ................... 28

Figura 21. Diseños con PCM para baterías: US3110633 arriba, US20100316821 medio y

US20070264535 abajo....................................................................................................... 29

Figura 22. Productos va-Q-tec [VAQT12] ........................................................................ 31

Figura 23. Productos Cryopak [CRYO12] ........................................................................ 32

Figura 24. Panel Food Transport RUBITHERM® ............................................................ 32

Figura 25. Recipientes con PCM: US6634417 izquierda y US7810348 derecha ............. 33

Figura 26. Plato con PCM (US4982722) ........................................................................... 33

Figura 27. Microcápsulas de PCM incorporadas directamente a la fibra (izquierda) y

aplicadas al tejido como un acabado adicional (derecha) (arriba [OUTL12] y abajo

[SANC07]) ......................................................................................................................... 35

Figura 28. Diversos chalecos de Glacier Tek [GLAC12] .................................................. 35

Figura 29. Cinturón Schoeller [MEHL08] ........................................................................ 36

Figura 30. Packs terapéuticos con PCM Lavatherm [LAVA12] ....................................... 36

Figura 31. Guante terapéutico con PCM (US6146413)..................................................... 37

Figura 32. Solenoide recubierto con PCM (US7069979) .................................................. 38

Figura 33. PCM en techo, salpicadero y asiento de un vehículo (US7320357) ................ 40

Figura 34. Frenos con PCM (US6528132) ........................................................................ 40

Figura 35. PCMs de la marca RUBITHERM® ................................................................. 52

Figura 36. RT 28 HC sólido .............................................................................................. 57

Figura 37. SP 29 A15 sólido (izquierda) y líquido (derecha) ............................................ 58

Figura 38. RT 65 sólido ..................................................................................................... 59

Figura 39. PX 42 a granel .................................................................................................. 60

Figura 40. GR 82 a granel ................................................................................................. 61

Figura 41. Ensayo de fusión .............................................................................................. 63

Figura 42. Ensayo de solidificación................................................................................... 63

ÍNDICE DE FIGURAS

VI

Figura 43 Curva de fusión del RT 28 HC .......................................................................... 67

Figura 44 Curva de solidificación del RT 28 HC .............................................................. 67

Figura 45 Curva de fusión del SP 29 ................................................................................. 68

Figura 46 Curva de solidificación del SP 29 ..................................................................... 69

Figura 47 Curva de fusión del RT 65................................................................................. 69

Figura 48 Curva de solidificación del RT 65 ..................................................................... 70

Figura 49. Batería térmica con doble umbral de temperaturas .......................................... 75

Figura 50. Batería térmica con sondas de temperatura ...................................................... 76

Figura 51. Ensayo de calentamiento de la batería térmica con doble umbral de

temperaturas ....................................................................................................................... 77

Figura 52. Medidas del ensayo de calentamiento de la batería térmica con doble umbral

de temperaturas .................................................................................................................. 77

Figura 53. Ensayo de enfriamiento de la batería térmica con doble umbral de

temperaturas ....................................................................................................................... 78

Figura 54. Medidas del ensayo de enfriamiento de la batería térmica con doble umbral de

temperaturas ....................................................................................................................... 79

Figura 55. Contornos de temperatura para un tiempo de 2000s, 4000s, 8000s, 15.000s y

25.000s (de izquierda a derecha) ....................................................................................... 84

Figura 56. Frontera de cambio de fase del RT 28 HC para un tiempo de 10.000s, 20.000s

y 40.000s (de izquierda a derecha) .................................................................................... 85

Figura 57. Sección transversal de una pared [INCR99] .................................................... 88

Figura 58. Diversos criterios para la representación de la analogía termoeléctrica

[ORTI04]............................................................................................................................ 90

Figura 59. Analogía termoeléctrica en Pi de la transferencia de calor unidimensional por

conducción ......................................................................................................................... 90

Figura 60. Analogía termoeléctrica de la transferencia de calor unidimensional por

convección ......................................................................................................................... 91

Figura 61. Comportamiento radiativo de una superficie [INCR99] .................................. 92

Figura 62. Intercambio radiante entre dos superficies ....................................................... 92

Figura 63. Analogía termoeléctrica de la transferencia de calor unidimensional por

radiación: irradiancia solar (izquierda) e intercambio radiativo con el cielo (derecha) .... 94

ÍNDICE DE FIGURAS

VII

Figura 64. Rama de la luna delantera ................................................................................ 95

Figura 65. Rama de la luna trasera y ventanillas laterales ................................................. 96

Figura 66. Rama del techo ................................................................................................. 97

Figura 67. Rama del suelo ................................................................................................. 98

Figura 68. Interior del habitáculo ...................................................................................... 99

Figura 69. Temperaturas del habitáculo para los valores (1)........................................... 102

Figura 70. Temperaturas del habitáculo para los valores (2)........................................... 103

Figura 71. Temperaturas del habitáculo para los valores (3)........................................... 104

Figura 72. Temperaturas del habitáculo para los valores (4)........................................... 105

Figura 73. Sondas de temperatura en Opel Omega ......................................................... 106

Figura 74. Temperaturas registradas en el primer ensayo con Opel Omega ................... 106

Figura 75. Temperaturas registradas en el segundo ensayo con Opel Omega ................ 107

Figura 76. Temperaturas del habitáculo simuladas para los valores del primer ensayo con

Opel Omega ..................................................................................................................... 109

Figura 77. Temperaturas del habitáculo simuladas para los valores del segundo ensayo

con Opel Omega .............................................................................................................. 109

Figura 78. PCM integrado en las puertas de un vehículo ................................................ 110

Figura 79. Resinas poliuretánicas y máquina de mezcla ................................................. 112

Figura 80. Aplicación de la resina a los adhesivos .......................................................... 113

Figura 81. Horno de secado de los adhesivos de gota de resina ...................................... 113

Figura 82. Primera tanda de adhesivos de gota de resina con PCM ................................ 114

Figura 83. Segunda tanda de adhesivos de gota de resina con PCM ............................... 115

Figura 84. Adhesivo de gota de resina con RT 65 antes de ser calentado (arriba) y durante

el ensayo (abajo) .............................................................................................................. 118

Figura 85. Medida de temperaturas del transformador de un ordenador portátil sin

adhesivo de gota de resina con PCM ............................................................................... 119

Figura 86. Transformador de un ordenador portátil con adhesivo de gota de resina con PX

42 ..................................................................................................................................... 120

Figura 87. Medida de temperaturas del transformador de un ordenador portátil con

adhesivo de gota de resina con PX 42 ............................................................................. 120

ÍNDICE DE FIGURAS

VIII

ÍNDICE DE TABLAS

IX

Índice de tablas

Tabla 1. Leyenda de extensiones de patentes .................................................................... 42

Tabla 2. Patentes sobre materiales de construcción........................................................... 43

Tabla 3. Patentes sobre climatización ................................................................................ 44

Tabla 4. Patentes sobre electrónica .................................................................................... 45

Tabla 5. Patentes sobre baterías ......................................................................................... 46

Tabla 6. Patentes sobre envases ......................................................................................... 47

Tabla 7. Patentes sobre ropa y tejidos ............................................................................... 48

Tabla 8. Patentes sobre guantes, gorros y calzado............................................................. 49

Tabla 9. Patentes sobre aplicaciones terapéuticas ............................................................. 49

Tabla 10. Patentes sobre motores y generadores ............................................................... 49

Tabla 11. Patentes sobre vehículos .................................................................................... 50

Tabla 12. Propiedades del RT 28 HC según el fabricante ................................................. 53

Tabla 13. Propiedades del RT 65 según el fabricante ....................................................... 53

Tabla 14. Propiedades del SP 29 A15 según el fabricante ................................................ 54

Tabla 15. Propiedades del PX 42 según el fabricante ....................................................... 55

Tabla 16. Propiedades del GR 82 según el fabricante ....................................................... 55

Tabla 17. Resultados del cálculo de la densidad para el RT 28 HC .................................. 57

Tabla 18. Resultados del cálculo de la densidad para el SP 29 A15 ................................. 58

Tabla 19. Resultados del cálculo de la densidad para el RT 65 ........................................ 59

Tabla 20. Resultados del cálculo de la densidad para el PX 42 ........................................ 60

Tabla 21. Resultados del cálculo de la densidad para el GR 82 ........................................ 61

Tabla 22. Propiedades del poliestireno expandido para la simulación con FLUENT ....... 84

ÍNDICE DE TABLAS

X

Tabla 23. Propiedades del vidrio ....................................................................................... 99

Tabla 24. Propiedades del textil ....................................................................................... 100

Tabla 25. Propiedades del acero ...................................................................................... 100

Tabla 26. Propiedades del vidrio ..................................................................................... 100

Tabla 27. Espesores de los materiales en las diversas partes del coche .......................... 100

Tabla 28. Superficie de las distintas partes de un Opel Omega ....................................... 101

Tabla 29. Valores de las variables (1) .............................................................................. 101

Tabla 30. Valores de las variables (2) .............................................................................. 102

Tabla 31. Valores de las variables (3) .............................................................................. 103

Tabla 32. Valores de las variables (4) .............................................................................. 104

Tabla 33. Valores de las variables para validar el primer ensayo con Opel Omega ........ 108

Tabla 34. Valores de las variables para validar el segundo ensayo con Opel Omega ..... 108

Introducción

1

Capítulo 1 INTRODUCCIÓN

1.1 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO

En este año 2012 expira el actual Protocolo de Kyoto, documento firmado en 1997 en

respuesta a la creciente preocupación por el medio ambiente que, en aquella época,

comenzaba a aflorar en una gran parte de la comunidad internacional. En la actualidad

son 184 países los comprometidos con el acuerdo, según el cual se pretende una

reducción de los gases causantes del efecto invernadero en, al menos, un 5% respecto de

los niveles medidos en 1990.

Debido a la proximidad de esta fecha límite, en los últimos años la mayoría de los países

del mundo se han reunido en diversas cumbres internacionales con el fin de prolongar

este tratado o encontrarle un sustituto.

Tras el fracaso de la cumbre de la ONU para el cambio climático celebrada en

Copenhague en 2009, 193 países se reunieron en Cancún a finales del año 2010 para abrir

el camino a una acción coordinada contra el calentamiento global. Aunque, en la práctica,

se trataba de una prolongación del Protocolo de Kyoto durante ocho años más, este nuevo

acuerdo era mucho más ambicioso, ya que pretendía una reducción de las emisiones de

los gases del efecto invernadero de entre un 25 y un 40% respecto a 1990, antes del 2020.

Sin embargo, no se fijó ninguno de los mecanismos concretos de actuación necesarios

para el cumplimiento de estos objetivos.

A finales del año 2011 se celebró una nueva cumbre en la cuidad sudafricana de Durban,

marcada plenamente por la crisis económica mundial, y en la que no se consiguió ningún

acuerdo que permitiera limitar el calentamiento global en menos de dos grados

centígrados respecto de la era preindustrial. Por un lado, la Unión Europea y algunos

otros países acordaron prolongar el protocolo de Kyoto, pero se quedaron fuera naciones

como Canadá, Rusia, Japón, Estados Unidos, India, Brasil o China, es decir, los causantes

del 85% de las emisiones del planeta. El único avance de la cumbre parece ser la

posibilidad de conseguir para 2020 un régimen internacional más uniforme, que afecte a

todos los países por igual.

Introducción

2

Esta realidad a la que nos enfrentamos nos obliga a hacer un uso racional de la energía y a

abogar por nuevas alternativas. Es por ello que el término de “eficiencia energética”

adquiere una gran importancia en nuestros días.

Gran parte de las pérdidas energéticas de numerosas aplicaciones se dan en forma de

calor, por lo que la refrigeración cobra gran importancia a la hora de hacer un uso

eficiente de la energía, o incluso para mejorar las prestaciones de una tecnología.

Ejemplos de esto son aplicaciones limitadas por la transferencia de calor, como la

electrónica de los equipos informáticos (con pérdida de propiedades a partir de unos

80ºC); aplicaciones de recuperación de energía térmica, como puede ser en motores

térmicos o eléctricos (cuyos rendimientos son de en torno al 30% y 90%

respectivamente); o aplicaciones de climatización, véase la de los vehículos eléctricos (de

una batería de 20kWh de un Renault Fluence Z.E, el aire acondicionado en nivel

intermedio consumiría 1,5kWh y la calefacción 2,2kWh). Por ello es necesario realizar

una optimización de las tecnologías ya existentes y desarrollar otras nuevas aún más

potentes.

1.2 INTERÉS EN EL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TÉRMICA

MEDIANTE MATERIALES DE CAMBIO DE FASE

Las primeras aplicaciones de almacenamiento de energía térmica surgieron hace miles de

años: desde la antigüedad el ser humano ha sido capaz de conservar los alimentos

valiéndose del hielo y ya los romanos supieron aprovechar la capacidad térmica de los

materiales de construcción para mantener el calor. Sin embargo, no ha sido hasta hace

unos siglos, con la llegada de la revolución industrial y el aumento de las tecnologías para

el confort humano (calefacción, aires acondicionados, frigoríficos…), cuando el

almacenamiento de energía térmica ha cobrado verdadera importancia.

El almacenamiento de energía se considera de gran interés debido a que tanto en la

naturaleza, como en la industria, muchas de las fuentes de energía son intermitentes y no

siempre el consumo se produce a la vez que la generación.

Existen diversos métodos de almacenamiento de energía térmica, siendo los dos más

Introducción

3

importantes el almacenamiento como calor sensible y el almacenamiento como calor

latente.

El almacenamiento de energía térmica en forma de calor sensible es el método más

común y extendido de todos, y consiste en un incremento de la temperatura de un

material debido al aporte energético.

En el almacenamiento de energía térmica como calor latente se emplea el cambio de fase

de un material, que, como es sabido, se produce sin una variación apreciable de su

temperatura. Dentro de este método se engloban los Materiales de Cambio de Fase,

normalmente conocidos como PCMs1, que son sustancias caracterizadas por un alto calor

latente, es decir, sustancias que absorben o disipan una gran cantidad de energía al

cambiar de fase.

Aunque el estado más común de la materia en el universo es el plasma, en la Tierra los

más habituales son el estado sólido, el líquido y el gaseoso. La transformación puede

darse tanto entre fases sólidas, como de fase sólida a líquida, de líquida a gas, de sólida a

gas y viceversa. Sin embargo, en la práctica la denominación de PCM hace referencia

solamente a materiales que cambian entre los estados sólido y líquido. Esto es debido a

los grandes volúmenes o altas presiones necesarios para el manejo de gases, lo que

descarta cualquier cambio de fase a gas, y a la lentitud de los cambios entre fases sólidas.

El interés de este Proyecto en los Materiales de Cambio de Fase se debe a dos motivos:

La alta densidad energética que estos materiales presentan en el rango de

temperaturas de cambio de fase, que les permiten almacenar una mayor cantidad de

energía térmica en un menor volumen del material.

El estrecho margen de temperaturas en el que se produce un cambio de fase, que

convierte a estos materiales en los candidatos idóneos para controlar aplicaciones

limitadas por la temperatura, tanto de calentamiento como de enfriamiento.

La posibilidad de desligar la demanda de energía de la oferta, tanto en el tiempo como

en el espacio.

1 PCM son las siglas de palabra inglesa Phase Change Material; en español, Material de Cambio de Fase.

El uso de las siglas MCF, aunque también puede encontrarse en una parte de la literatura científica

española, es menos corriente.

Introducción

4

1.3 OBJETIVOS

La transferencia de calor permite mejoras sustanciales en múltiples áreas de la ingeniería.

Este Proyecto se realiza con la intención de dar soluciones de refrigeración, gestión

térmica en general y almacenamiento de energía, empleando Materiales de Cambio de

Fase, para un diverso número de aplicaciones en las que se ha considerado que pueden

mejorarse los sistemas actuales, en las que se puede plantear por primera vez el uso de los

mismos o en las que su incorporación se realiza con arquitecturas novedosas.

Los campos de aplicación del Proyecto son muy amplios, pero sobre todo se centrará en

aplicaciones en las cuales la capacidad de refrigeración limita la posibilidad de mejora del

sistema, siendo algunos de ellos, como ya se ha comentado, la gestión térmica de

vehículos eléctricos, sistemas electrónicos o motores eléctricos.

En concreto, los objetivos de este Proyecto son:

Analizar en profundidad las características y el comportamiento de los Materiales de

Cambio de Fase, debido a su importancia en la transferencia de calor: propiedades

físicas y químicas, aspecto (viscosidad), impacto ambiental (toxicidad, Safety Data

Sheet,…), etc.

Identificar potenciales aplicaciones en áreas de ingeniería para las que una mejor

transferencia de calor permitiría mejoras sustanciales. En particular el Proyecto se

centrará en campos en los que los Materiales de Cambio de Fase sean una tecnología

candidata, demostrándose su viabilidad potencial en las simulaciones y ensayos

preliminares que se realicen.

Lograr una mejora de la eficiencia energética gracias a una transferencia de calor

avanzada en varias áreas de aplicación, como por ejemplo en gestión térmica de

vehículos eléctricos y de procesos industriales con elevadas pérdidas térmicas.

Desarrollar diseños modulares de elevada polivalencia para aumentar el número de

aplicaciones potenciales.

Estudiar el posible lanzamiento al mercado de las tecnologías desarrolladas.

Introducción

5

1.4 METODOLOGÍA

La metodología de trabajo a seguir será la típica de un proyecto de I+D tecnológico:

1. Estudio del estado de la técnica actual, mediante el análisis de la literatura

científica existente y de las patentes disponibles en el campo de la refrigeración y,

más específicamente, en el de los Materiales de Cambio de Fase.

2. Identificación de las áreas susceptibles de mejora o innovación y de los nichos de

mercado.

3. Propuesta de diferentes sistemas de refrigeración incluyendo Materiales de Cambio

de Fase para dichos campos de aplicación, ya sea mejorando los ya existentes o

desarrollando otros nuevos, mediante una lluvia de ideas (fase divergente).

4. Validación de las ideas anteriores y determinación de las líneas de investigación,

mediante selección y descarte de las mismas gracias a los cálculos y ensayos

preliminares (fase convergente).

5. Diseño de diferentes sistemas de transferencia de calor para las aplicaciones

objetivo.

6. Modelado y simulación de los diseños anteriores mediante herramientas y software

matemático y de ingeniería (MATLAB, Simulink, FLUENT).

7. Ensayos experimentales de los sistemas desarrollados para la validación de los

resultados numéricos.

8. Conclusiones del trabajo y determinación de las líneas futuras de investigación

derivadas de los resultados del proyecto y del grado de cumplimiento de los

objetivos planteados al comienzo.

Introducción

6

Los Materiales de Cambio de Fase

7

Capítulo 2 LOS MATERIALES DE CAMBIO DE FASE

En este capítulo se presenta el análisis del Estado de la Técnica actual, realizado a partir

de la revisión de la literatura científica y de las patentes sobre el tema.

2.1 PROPIEDADES

Además del alto calor latente que define a los PCMs, para que estos materiales se

consideren una alternativa en aplicaciones industriales, deben reunir algunas de las

siguientes características en función de su utilización. Estos requisitos pueden clasificarse

en termo-físicos, tecnológicos y económicos [MEHL08].

2.1.1 REQUISITOS TERMO-FÍSICOS

Hacen referencia a la capacidad de transferencia de calor del PCM:

Temperatura de cambio de fase relativamente constante e igual en ambos sentidos,

que asegure una transferencia óptima de calor en aplicaciones con un rango de

temperaturas determinado. Si las temperaturas de solidificación y fusión no coinciden,

se dice que el material presenta histéresis térmica.

Estabilidad cíclica, que permita la repetición del cambio de fase sin que se degraden

las propiedades del PCM. Si el material está formado de varios componentes, el

principal problema que puede darse es que se produzca una separación de las fases,

que consiste en la disgregación del compuesto en diversas fases con una composición

distinta de la correcta, la inicial, debido a sus diferentes densidades.

Sobrefusión limitada. La sobrefusión, también denominada subfusión o

superenfriamiento, es la propiedad de algunos materiales de enfriarse por debajo de su

punto de solidificación sin pasar a estado sólido. Esto se debe a que la solidificación

de un material comienza en presencia de un núcleo, alrededor del cual se forma la

Los Materiales de Cambio de Fase

8

estructura cristalina. En ausencia de núcleos, la temperatura descenderá hasta aquella

en la que se produce la nucleación hom*ogénea del cristal. Si el calor sensible liberado

hasta el comienzo de la nucleación es inferior al calor latente del material, su

temperatura aumentará a la de fusión y se completará el proceso. En la Figura 1

puede verse de forma esquemática este fenómeno.

Figura 1. Proceso de sobrefusión

Buena conductividad térmica, tanto en estado sólido como líquido, que permita la

absorción o disipación de energía en poco tiempo, lo que se traduce en una alta

potencia calorífica. Sin embargo, en algunas aplicaciones podría ser conveniente lo

contrario, emplear un material aislante en estado sólido y líquido, pero con una gran

capacidad de absorción o disipación de calor a una temperatura determinada. De todas

formas, en estado líquido hay que tener en cuenta la propia convección natural del

PCM, que favorece la transferencia de calor, mientras que en estado sólido este

fenómeno no se da.

2.1.2 REQUISITOS TECNOLÓGICOS

Hacen referencia a la interacción entre el PCM y su recipiente contenedor:

Poca variación de volumen en el cambio de fase, para optimizar el llenado del

recipiente.

Los Materiales de Cambio de Fase

9

Compatibilidad del PCM con los materiales del envase en el que se coloque, para

evitar la degradación del envase y que se produzcan posibles fugas del PCM, o que el

PCM quede contaminado al mezclarse con dicho material del envase.

Por motivos de salud y seguridad, los Materiales de Cambio de Fase no deben ser

tóxicos ni inflamables.

2.1.3 REQUISITOS ECONÓMICOS

Hacen referencia al desarrollo de un producto económicamente viable:

Bajo precio, que les permita competir con otras tecnologías de gestión térmica y ser

considerados una alternativa válida.

Posibilidad de reciclar los PCMs, por motivos de concienciación con el medio

ambiente.

Normalmente ningún Material de Cambio de Fase cumple todos los requisitos

previamente mencionados, debiendo considerarse cuáles son prioritarios a la hora de

elegir un PCM u otro para una aplicación concreta.

2.2 CLASIFICACIÓN

El Material de Cambio de Fase más conocido es el agua, que lleva empleándose en

aplicaciones de refrigeración desde hace más de 2000 años. Además es el PCM que

mejores propiedades presenta, ya que los valores de sus calores específicos y latente y de

su conductividad térmica son superiores a los del resto de estos materiales. Sin embargo,

su limitación se encuentra en que el cambio de fase sólo se da a 0ºC, lo que la hace

inapropiada para la mayoría de las aplicaciones industriales.

Desde mediados del siglo pasado numerosas sustancias y mezclas de ellas se han

investigado para su posible uso como PCMs, pero sólo algunas de ellas se comercializan

Los Materiales de Cambio de Fase

10

como tales en la actualidad. La principal clasificación de los PCMs puede realizarse en

función de su naturaleza:

2.2.1 MATERIALES ORGÁNICOS

Los PCMs orgánicos son principalmente las parafinas, los ácidos grasos y los azúcares

alcoholes, también llamados polialcoholes; y en menor medida los polietilenglicoles. Sus

principales ventajas son no ser corrosivos, ni tóxicos, ni presentar problemas de

subfusión, así como su buena estabilidad cíclica. Por el contrario, su conductividad

térmica suele ser baja y son materiales inflamables.

2.2.2 MATERIALES INORGÁNICOS

Los PCMs inorgánicos incluyen las soluciones de sales en agua y las sales hidratadas.

Estos materiales son más baratos que los orgánicos, no presentan problemas de

inflamabilidad y suelen tener calores latentes por unidad de volumen superiores, aunque

por unidad de masa son parecidos. Sin embargo, sí que sufren el problema de la

sobrefusión y de la separación de fases, aunque ambos tienen solución, por lo que su

mayor inconveniente pasa a ser la corrosión que provocan en determinados metales. Para

solucionar la sobrefusión se mezcla el PCM con nucleadores, sustancias que favorecen la

nucleación. Para evitar la separación de fases se recurre a mezclas eutécticas, que son

mezclas de dos o más componentes en las que todos ellos solidifican fuera del líquido a la

mínima temperatura. Otra posibilidad es añadir sustancias que incrementen la viscosidad

del material, consiguiendo así que las fases queden juntas.

En la Figura 2 puede verse una clasificación de los diversos tipos de Materiales de

Cambio de Fase en función de sus temperaturas y de sus entalpías de fusión.

Los Materiales de Cambio de Fase

11

Figura 2. Clasificación de los PCMs en función de su entalpía y temperatura de fusión [DOLA11]

Además de los tipos de PCMs ya comentados, en la Figura 2 también se localiza un grupo

nuevo, los clatratos, que son sustancias químicas formadas por una red de un determinado

tipo de molécula que atrapa y retiene a un segundo tipo diferente de molécula, pudiendo

ser tanto orgánicas como inorgánicas.

2.3 FORMAS DE COMERCIALIZACIÓN

En la actualidad existen una gran variedad de PCMs que se comercializan en formas muy

diversas. Para garantizar la calidad de estos materiales, en el año 2004, el Bayerisches

Zentrum für Angewandte Energieforschung e.V. (ZAE Bayern) y el Fraunhofer-Institut

für Solare Energiesysteme ISE fundaron la “Gütegemeinschaft PCM e.V.”, cuya función

es el ensayo y documentación de los Materiales de Cambio de Fase. La etiqueta de

calidad que puede verse en la Figura 3 se entrega a aquellos PCMs que cumplen con la

normativa. Para más información sobre los procedimientos de ensayo puede consultarse

[RAL_09] o en la propia página web de la asociación [PCMR12].

Los Materiales de Cambio de Fase

12

Figura 3. Etiqueta de calidad para PCMs [PCMR12]

Las principales formas de comercialización de los PCMs son las siguientes:

PCM a granel:

En la actualidad los Materiales de Cambio de Fase que se comercializan cubren un

amplio rango de temperaturas: desde -100 hasta 900ºC aproximadamente. Su precio

depende en gran medida del tipo de material, pudiendo variar desde 0.5€/kg para algunos

PCMs inorgánicos, hasta 10€/kg que cuestan algunos orgánicos [MEHL08].

PCMs compuestos:

Un material compuesto está formado por diversos materiales distintos, con el objetivo de

modificar, mejorar o añadir propiedades a uno de ellos. En el caso de los Materiales de

Cambio de Fase, las tendencias actuales siguen dos líneas: embeber el PCM en una

matriz o espuma de otro material, o al contrario, embeber fibras de otro material en una

matriz de PCM, siendo el primer método más habitual que el segundo. Tanto en un caso

como en el otro, los materiales habitualmente empleados son el grafito o diversos

metales, que permiten lograr un aumento en la conductividad térmica del PCM.

Por otro lado, dentro de los materiales compuestos podemos incluir un grupo especial, los

shape-stabilized PCM (ss-PCM). Su nombre significa literalmente materiales con forma

estabilizada, ya que la estructura externa mantiene su forma original independientemente

del que el PCM esté en fase sólida o líquida. Las sustancias empleadas como matriz

Los Materiales de Cambio de Fase

13

suelen ser polímeros, la sílice en polvo, algunas arcillas porosas o la madera, todos ellos

materiales que confieren una alta estabilidad mecánica al PCM. Otra de las ventajas de

estos materiales es que pueden emplearse para rellenar recipientes flexibles o con formas

complicadas.

PCMs encapsulados:

La encapsulación de los PCMs cobra sentido en cuanto que queramos contener el

material en estado líquido y evitar que entre en contacto con el ambiente. En función del

tamaño del encapsulado podemos clasificarlo en dos grupos: macroencapsulado, si el

recipiente posee dimensiones macroscópicas, o microencapsulado, si el PCM se encierra

en partículas de diámetro menor de 1mm.

En la macroencapsulación, a la hora de seleccionar el material que formará la cápsula,

hay que tener en cuenta la naturaleza del PCM, para que no se produzca corrosión. Es por

ello que los Materiales de Cambio de Fase inorgánicos se encapsulan mediante plásticos,

que en la actualidad se fabrican fácilmente en infinidad de formas y tamaños, debiéndose

dimensionar correctamente su espesor para que permitan una buena transmisión de calor.

Sin embargo el tipo de plástico seleccionado no debe permitir la migración de las

moléculas de agua del PCM, fenómeno que degrada sus propiedades. Los PCMs

orgánicos también pueden encapsularse en plásticos, aunque es preferible contenerlos en

materiales metálicos, que gracias a su buena conductividad mejoran la transferencia

térmica. En la Figura 4 se muestran algunos PCMs macroencapsulados en recipientes

plásticos y en la Figura 5 en un envase metálico.

Figura 4. Macrocápsulas de plástico con PCM de la empresa Phase Change Material Products [PCMP12]

Los Materiales de Cambio de Fase

14

Figura 5. Macrocápsula de metal con PCM de la empresa RUBITHERM [RUBI12]

En la microencapsulación sólo podemos emplear PCMs orgánicos, ya que la tecnología

actual no permite el uso de materiales solubles en agua. Además los materiales de las

cápsulas, normalmente resinas u otros polímeros, no son suficientemente gruesos para

evitar la mencionada migración de las moléculas de agua. Las microcápsulas presentan

una forma aproximadamente esférica y pueden suministrarse en vías seca o húmeda,

como se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Microcápsulas en vía húmeda (izquierda) y seca (derecha) [MICR12]

En la Figura 7 se muestra una imagen de microcápsulas con PCM Micronal® de la

empresa BASF.

Figura 7. Microcápsulas Micronal® [MICR12]

Los Materiales de Cambio de Fase

15

2.4 MÉTODOS DE DETERMINACIÓN DE PROPIEDADES

En [GIBB95] se comenta que existe una gran incertidumbre acerca de las propiedades de

los PCMs, ya que normalmente los fabricantes nos dan los valores correspondientes a las

sustancias puras, por lo que es recomendable emplear algún método adecuado para

caracterizar el PCM previamente a su uso.

A continuación se exponen los sistemas de caracterización de Materiales de Cambio de

Fase más habituales:

Calorimetría de barrido diferencial (DSC2): esta técnica compara una muestra del

PCM a ensayar con otra de un material de referencia, del que ya se conocen las

propiedades, en un rango de temperaturas determinado. Las diferencias en las

señales registradas de ambas muestras permiten determinar el calor almacenado en

el material.

T-History Method: esta técnica consiste en comparar las curvas de temperatura de

una muestra del PCM a ensayar y otra de un material de referencia, del que ya se

conocen las propiedades, obtenidas al dejarlos enfriar en el ambiente desde la misma

temperatura inicial. Este método es mucho más sencillo que el anterior y

proporciona unos resultados suficientemente fiables para aplicaciones de ingeniería

No es objeto de este Proyecto profundizar en cada uno de estos métodos. Para ello puede

consultarse [MEHL06], documento en el que se comparan ambas técnicas mediante el

ensayo de diversos PCMs.

2.5 CAMPOS DE APLICACIÓN

Desde que se comenzó a investigar con Materiales de Cambio de Fase en el ámbito de la

gestión térmica, han surgido multitud de aplicaciones en las que el uso de esta tecnología

2 DSC son las siglas de la palabra inglesa Differential Scanning Calorimetry; en español, Calorimetría de

barrido diferencial.

Los Materiales de Cambio de Fase

16

podría resultar muy prometedor. Prueba de ello es el gran número de patentes y de

literatura científica disponibles acerca de estos materiales.

Sin embargo, a pesar de toda esta investigación sobre el papel, en la práctica el empleo de

los PCMs aún se encuentra en una fase de evolución, ya que no sólo depende del

conocimiento del tema sino del convencimiento de sus ventajas, requiriéndose un cierto

tiempo para que se pase por el natural desarrollo de sus aplicaciones [DOMI09].

A continuación se comentan más en detalle algunos de estos campos de aplicación,

mediante referencias específicas a documentos científicos y patentes.

2.5.1 ARQUITECTURA Y CLIMATIZACIÓN

La integración de los PCMs como elemento de gestión térmica en la arquitectura es una

de sus aplicaciones más extendida y estudiada. En la mayoría de los países desarrollados,

aunque dependiendo de las condiciones climáticas, el gasto energético que consume una

vivienda se distribuye de media en un 60% para climatización, 18% para agua caliente,

6% para el frigorífico y 3% para la iluminación, quedando un 13% para otros usos

[ARCE11]. Esta gran demanda de energía suele focalizarse en unas horas concretas,

denominadas horas pico, lo que se traduce en subidas de los precios de la electricidad. Ya

en los años cuarenta se desarrollaron los primeros sistemas para la climatización de

viviendas con PCMs, aunque no ha sido hasta finales del siglo pasado cuando, debido a

este aumento del precio de la electricidad, los PCMs se han empezado a considerar como

una alternativa económicamente viable.

El uso de los PCMs para la climatización de edificios, entendiéndola en un sentido

amplio, es decir, incluyendo tanto aire acondicionado como calefacción, sigue una doble

vía.

Por un lado, los PCMs resultan muy interesantes en la climatización, ya que pueden

proporcionar un rango de temperaturas muy concreto y adecuado para el confort humano.

Las casas modernas se construyen normalmente con materiales de poca inercia térmica,

para que los edificios sean ligeros, por lo que se producen grandes fluctuaciones de la

temperatura interior según varíe la temperatura ambiente. Incorporando PCMs podemos

limitar dichas fluctuaciones (véase la Figura 8), ya que estos materiales absorberían calor

del ambiente cuando la temperatura fuera superior a la suya de fusión, y lo soltarían a la

estancia al disminuir la temperatura ambiente por debajo de la suya de solidificación.

Los Materiales de Cambio de Fase

17

Figura 8. Fluctuación de la temperatura interior de un edificio con y sin PCM [MEHL08]

Como se muestra en la Figura 9, se necesita un mayor espesor de cualquier material de

construcción para que este posea la misma capacidad de almacenamiento de energía que

un PCM genérico de 130MJ/m3, en un intervalo de 4ºC, por lo que incorporando PCMs

en las paredes de los edificios no se añade un peso extra excesivo.

Figura 9. Espesores de diversos materiales de construcción para que posean la misma capacidad de

almacenamiento de energía que un PCM genérico de 130MJ/m3 en un intervalo de 4ºC [MEHL08]

Por otro lado, mantener un rango de temperaturas no basta por sí sólo, ya que a veces será

necesario un aporte extra de frío o calor. Los equipos de aire acondicionado, tanto de frío

como de calor, pueden mejorarse empleando PCMs para el almacenamiento de energía

Los Materiales de Cambio de Fase

18

térmica, pudiendo desligarse la demanda de la oferta. Por ejemplo, en [NAGA06],

Katsunori Nagano et al. demostraron que con su sistema de aire acondicionado hasta un

89% de la energía necesaria para climatizar una planta de oficinas podía almacenarse en

PCMs durante las horas valle de la noche.

Parece obvio que el sector de la construcción posee un gran potencial para la obtención

de mejoras significativas, de coste reducido y que además, dada la larga vida de los

edificios, perdurarán en el tiempo.

A nivel europeo existe un proyecto enfocado en la integración de los Materiales de

Cambio de Fase en la arquitectura denominado MESSIB (Multi-source Energy Storage

System Integrated in Buildings). Sus objetivos son el desarrollo, evaluación y

experimentación de sistemas de almacenamiento de energía integrados en edificios,

basados en nuevos materiales, tecnologías y sistemas de control, para conseguir una

reducción notable del consumo y un control activo de la demanda de energía [MESS12].

Ya se han realizado algunos estudios financiados por esta iniciativa, véase [ROME08],

documento que recoge diversos ensayos para la caracterización de la piedra natural, en

concreto Bateig azul, tratada con Materiales de Cambio de Fase de temperaturas

adecuadas para el confort humano, o [BECH11], donde se habla de incorporar PCMs para

la climatización del Museo Santa Croce de Florencia.

En España pueden localizarse dos focos principales de investigación en el campo de los

Materiales de Cambio de Fase.

Por una parte está GREA Innovació Concurrent, grupo multidisciplinar de profesores

implicados en los estudios de Ingeniería Técnica Industrial de la Universidad de Lleida,

dirigidos por la doctora Luisa F. Cabeza, cuyas líneas de trabajo se centran en tecnologías

energéticas, automatización, control, diseño y optimización de maquinaria. En la página

web [GREA12] pueden consultarse diversas publicaciones sobre la integración de

Materiales de Cambio de Fase en la arquitectura. Algunos de ellos son [CAST07], donde

se muestra una serie de ensayos en edificios de hormigón con PCM microencapsulado; o

las tesis doctorales [CAST09] y [ARCE11].

Por otro lado, el antiguo Instituto del Frío de Madrid, actualmente reconvertido en el

Instituto de Ciencia y Tecnología de Alimentos y Nutrición (ICTAN), supeditado al

Consejo Superior de Investigación Científica (CSIC), lleva a cabo una importante labor

de investigación en diversos campos relacionados con los PCMs. Muchas de sus

Los Materiales de Cambio de Fase

19

aportaciones en materia de climatización se recogen en [GRUP12], referenciándose

alguna en particular en apartados posteriores.

En general existen una gran variedad de arquitecturas a la hora de emplear los Materiales

de Cambio de Fase en la climatización de edificios. Algunas de las más habituales se

comentan a continuación, aunque para una mayor profundización en el tema puede

consultarse [SUNL10], [VELR08], [DOLA11] o [MEHL08]

2.5.1.1 PCM integrado en materiales de construcción

Se han realizado multitud de investigaciones con el fin de integrar PCMs en materiales de

construcción, como son el yeso, la madera, el hormigón o los paneles de fibras. La

primera solución encontrada consistía en impregnar los materiales de construcción con el

PCM, resultando un método bastante ineficaz por las frecuentes fugas. Gracias a la

microencapsulación, en la actualidad podemos incorporar PCMs en los materiales de

construcción, que se manejan igual que si no los llevaran.

En [JAWO11], Maciej Jaworsky et al. ensayan diversas muestras de yeso con PCM

microencapsulado para determinar la conductividad del material, mientras que en

[OLIV11] se emplea la Calorimetría Diferencial de Barrido para caracterizarlo. En la

Figura 10 pueden verse dos muestras de este material y en la Figura 11 un ladrillo de

hormigón que también incorpora PCM microencapsulado.

Figura 10. Panel de yeso con PCM microencapsulado: izquierda [AHMA06] y derecha [MICR12]

Los Materiales de Cambio de Fase

20

Figura 11. Hormigón con PCM microencapsulado [MICR12]

2.5.1.2 PCM integrado en elementos de construcción

Este método de integración de los PCMs difiere del anterior en que los elementos para la

construcción suelen tener una forma y un diseño característico por lo que pueden

fabricarse previamente a la construcción del edificio, lo que permite el uso de materiales

macroencapsulados [MEHL08]. Los elementos más comunes para la integración de los

PCMs son los tejados, los suelos y las persianas.

Xu Xu et al. desarrollan en [XU__05] un modelo para analizar el comportamiento de un

shape-stabilized PCM incorporado en bloques en el suelo de una vivienda, cotejando los

resultados con ensayos experimentales.

2.5.1.3 Free cooling

Los dos métodos vistos previamente son sistemas pasivos de gestión térmica, ya que no

se provoca el movimiento forzado de ningún fluido. Por el contrario, si para mejorar la

disipación de calor empleamos ventilación con aire, nuestro sistema será activo.

Normalmente el aire empleado es el aire nocturno, de menor temperatura que el diurno,

por lo que se habla de free cooling o refrigeración gratuita. Estos sistemas suelen situarse

en falsos suelos, en el techo o en las paredes.

En [NEIL08] Francisco Javier Neila et al. nos presentan un prototipo de edificio

bioclimático y autosuficiente, que incorpora Material de Cambio de Fase en un falso

suelo junto con un sistema inteligente de ventilación para controlar su correcta

solidificación.

Por otro lado, en [RAVI05] Ravikumar et al. estudian la influencia de diversos tipos de

tejados con PCM en la climatización de una vivienda.

Los Materiales de Cambio de Fase

21

En [DOMI02], Manuel Domínguez et al., del Instituto del Frío, explican los resultados de

ensayar una caseta experimental realizada en Toledo con muros tipo Tromble rellenos de

PCM. Un muro tipo Tromble, que puede verse en la Figura 12, es un muro de vidrio o

plástico transparente orientado al sol que funciona como un colector solar con ventilación

forzada.

Figura 12. Muro Tromble con PCM [DOMI02]

En la Figura 13 puede verse una pared de un edificio con un conjunto de placas de PCM

macroencapsulado que permiten la circulación de aire entre ellas.

Figura 13. Pared con PCM macroencapsulado [DOMI05]

2.5.1.4 PCM integrado en sistemas de climatización

Como ya se ha comentado en la introducción, en las instalaciones de aire acondicionado

los máximos relativos de las curvas de demanda de energía eléctrica se corresponden con

las horas de más altas temperaturas del día. Es por ello que los rendimientos de las

instalaciones de climatización suelen ser desfavorables. Hay que tener en cuenta que, por

cada grado Celsius que se baje la temperatura de condensación, se disminuye

Figura nº1 Conjunto de placas de MCF separadas 10 mm para que pueda circular el aire entre ellas. Con aire frío se cargan y con aire caliente se descargan (pasa el MCF de sólido a líquido). Figura nº 2 Principio del sistema de climatización para oficinas con el acumulador dentro de tubos

Figura nº 3 Tanque de 400 kg de acumulador, vista de la batería de agua

Los Materiales de Cambio de Fase

22

aproximadamente un 3 % el gasto energético en la producción de frío, por lo que

trabajando en horas nocturnas y empleando la acumulación de frío obtenemos dos

importantes beneficios: una mayor eficiencia energética y un menor coste de la

electricidad [GARC09].

En muchos países la acumulación de frío con tanques de hielo ha sido de obligado

cumplimiento hasta hace pocos años, cuando se demostró su baja eficiencia energética,

debida a la necesidad de tener que evaporar a temperaturas muy bajas y emplear agua

glicolada, de mayor viscosidad que el agua normal, lo que aumenta enormemente los

consumos eléctricos en los sistemas de bombeo.

La conclusión es que el empleo de PCMs con temperaturas de cambio de fase superiores

a las del hielo genera enormes ventajas, como es el permitir el uso de máquinas mayores

y más eficientes al poder regularse su capacidad [MORA10].

Por otro lado, la acumulación de calor con PCMs en las instalaciones domésticas de

bombas de calor permite incrementar el tiempo de los ciclos de funcionamiento,

aumentando la vida útil de los equipos de compresión y facilitando el funcionamiento en

condiciones desfavorables [DOMI05].

En la Figura 14 pueden verse diversos intercambiadores con PCMs: dos que funcionan

con aire en la parte superior, uno de placas y otro de tubos con aletas; dos de agua en la

parte inferior, igualmente uno de placas y el otro de aletas; y a la derecha un

intercambiador agua-agua con doble circuito y el PCM entre los tubos aleteados

[DOMI08]. En la Figura 15 se muestra un ejemplo genérico de un sistema de aire

acondicionado incorporando un acumulador de cambio de fase.

Los Materiales de Cambio de Fase

23

Figura 14. Diversas configuraciones para intercambiadores con PCM (en color rosa) [DOMI08]

Figura 15. Circuito de aire acondicionado con acumulador de PCM [DOMI08]

Los Materiales de Cambio de Fase

24

El efecto del rango de temperaturas de cambio de fase de un PCM encapsulado para un

intercambiador de calor se estudia en [REGI09], y en las tesis [DOLA11], [NING11],

[ESTE11] y [MACI07] se desarrollan modelos teóricos y análisis experimentales para la

validación de tanques de almacenamiento con PCM en aplicaciones de climatización.

En [GUER11] se presenta un sistema de aire acondicionado de un centro comercial que

emplea dos cubas de 70m3 rellenas de sales eutécticas con cambio de fase a 0ºC.

Las últimas investigaciones en este campo apuntan a la incorporación de PCMs

microencapsulados en los circuitos de climatización para realizar tanto el transporte de

energía térmica como su almacenamiento de manera simultánea.

Por último, el empleo de los acumuladores de Materiales de Cambio de Fase resulta

también interesante para el aprovechamiento de la energía solar y en el caso de la

poligeneración.

En [GARC06] se describe una instalación solar térmica para el suministro de agua

caliente sanitaria a un edificio de 24 viviendas que incorpora una tanque de PCM, lo que

permite salvar la diferencia temporal entre la energía ofrecida y la demanda de agua con

mejoras sustanciales respecto al sistema convencional.

Con su uso en instalaciones de cogeneración, que son aquellas que generan calor y

electricidad a la vez, y de trigeneración, aquellas que además también generan frío, se

consigue reducir el periodo de amortización de la instalación al aumentar el tiempo de

funcionamiento anual y se permite la utilización de equipos de mayor potencia

[DOMI08].

Hasta ahora se han aportado diversas referencias a la literatura científica sobre las

aplicaciones de los PCMs al campo de la arquitectura y al de la climatización, pero la

aportación de la comunidad científica al Estado de la Técnica en forma de patentes

también es remarcable.

Stovall y Tomlinson en su patente “Metod of energy load management using PCM for

heating and cooling of buildings” y Pause en sus solicitud “Building conditioning

technique using phase change materials” explican cómo la incorporación de PCM en las

Los Materiales de Cambio de Fase

25

paredes de un edificio ayuda al mantenimiento de las cargas térmicas, reduciendo los

gastos de climatización.

En “Composite materials for thermal energy storage” Benson, Barrow y Shinton

presentan un PCM compuesto para su uso en paredes, y en “Phase change device”

Anders describe un PCM transparente con el propósito de incorporarlo en las ventanas de

las viviendas.

Los intercambiadores de calor diseñados por Colvin y Mulligan en “Thermal energy

storage apparatus using encapsulated phase change material” y por Meyer et al. en

“Cooling system employing a heat exchanger with phase change material, and method of

operation thereof” pueden verse en la Figura 16.

Figura 16. Intercambiadores de calor con PCM: US4807697 izquierda y US7760502 derecha

En la patente “Thermal energy storage apparatus” Horton diseña un contenedor térmico

con PCM para aplicaciones relacionadas con la captación de energía solar.

En la Tabla 2 y en la Tabla 3 pueden consultarse una lista más extensa de patentes

relacionadas con el tema.

2.5.2 ELECTRÓNICA

La vida útil de la mayor parte de los equipos electrónicos depende en gran medida de su

temperatura de funcionamiento y de las temperaturas máximas que alcance en momentos

Los Materiales de Cambio de Fase

26

puntuales. De hecho, aproximadamente un 55% de los fallos de componentes electrónicos

se deben a altas temperaturas. El empleo de los PCMs para proporcionar un rango de

funcionamiento resulta muy prometedor, sobre todo en aquellas aplicaciones con altos

picos de temperatura pero con pocos ciclos de trabajo separados en el tiempo, como se

muestra en la Figura 17.

Figura 17. Carga con altos picos de temperatura y pocos ciclos de trabajo [STUP10]

De esta forma el material es capaz de absorber el exceso de energía y disiparla al

ambiente en los periodos de inactividad. Algunos ejemplos de componentes electrónicos

que cumplen este requisito son los super-condensadores o los transistores IGBT.

La incorporación de Materiales de Cambio de Fase en disipadores de calor con aletas para

componentes electrónicos se estudia en [STUP10], donde Stupar et al. evalúan las

diferentes configuraciones que pueden verse en la Figura 18. Los resultados muestran una

disminución de la temperatura máxima de los componentes, planteándose también la

cuestión de fabricar un disipador de menor tamaño que los actuales pero con su misma

capacidad de refrigeración. En [SHAN97] se estudia la influencia de variar el número de

aletas, cambiar la masa del sistema o añadir pequeñas aletas horizontales a las verticales,

obteniéndose una mejora del 10% con esta última modificación; y en [KRIS05] Shankar

Krishnan et al. someten a investigación los efectos de la anchura de las aletas y del uso

del PCM mezclado con aleaciones metálicas para mejorar su conductividad.

Los Materiales de Cambio de Fase

27

Figura 18. Diversas configuraciones de un disipador de calor para componentes electrónicos con PCM (en

color gris oscuro) [STUP10]

Por otro lado, en la actualidad existe una gran cantidad de dispositivos electrónicos

portátiles, como teléfonos móviles, Smartphones, PDAs, Notebooks, Tablets, ordenadores

portátiles, cámaras digitales, etc. Para limitar la temperatura de estos aparatos en

[ALAW03] se describe una unidad de control térmico formada por un PCM y otro

material cuya finalidad es mejorar la conductividad térmica del conjunto, logrando

resultados muy efectivos.

Las baterías también son otro componente interesante al que pueden aplicarse los PCMs,

ya que temperaturas muy bajas (de -10 a -15°C) ralentizan su capacidad de

carga/descarga y temperaturas elevadas (80°C en las celdas) las degradan. Por ejemplo,

en el caso de los vehículos eléctricos, es frecuente que las baterías se refrigeren con

sistemas de aire acondicionado y en algunos casos mediante líquidos (como en el Opel

Ampera y en el Chevrolet Volt). Con los Materiales de Cambio de Fase puede

conseguirse un aumento considerable de la vida útil de las baterías a la vez que una mejor

eficiencia energética.

En materia de propiedad intelectual, Langari en su patente “Cooling system for pulsed

power electronics” y Chu en “Cooling system with auxiliary thermal buffer unit for

cooling an electronics module” consideran diversos sistemas de disipación de calor para

componentes electrónicos incorporando PCMs.

Los Materiales de Cambio de Fase

28

En la Figura 19, se muestra la funda con PCM que Wei Xiong describe en “Conductive

cooling pad for use with a laptop computer” para almacenar el calor generado por los

ordenadores portátiles.

Figura 19. Funda para ordenadores portátiles con PCM (US7324340)

Avery et al. diseñan la caja con PCM en sus paredes para equipos electrónicos con

necesidades de gestión térmica que puede verse en la Figura 20, en la patente “Media

case”.

Figura 20. Caja con PCM para contener equipos electrónicos (US5069358)

Para limitar la temperatura de las diversas clases de baterías con Materiales de Cambio de

Fase, Woodward en “Temperature-sustaining apparatus for automobiles”, Chang et al.

en “Multi-layer films, sheets, and hollow articles with thermal management function for

uses as casings of secondary batteries and supercapacitors, and sleeves of secondary

battery and supercapacitor packs“ y Lee et al. en “Small battery pack employing PCM

on side sealing part” describen algunos de los diseños que se muestran en la Figura 21.

Los Materiales de Cambio de Fase

29

Figura 21. Diseños con PCM para baterías: US3110633 arriba, US20100316821 medio y US20070264535

abajo.

Los Materiales de Cambio de Fase

30

Por último, como ejemplos de que el empleo de los PCMs para limitar la temperatura de

componentes electrónicos se extiende mucho más allá de las aplicaciones mencionadas,

en la patente “Systems and methods of cooling a fiber amplifier with an emulsion of

phase change material” Davis describe diversos recubrimientos con PCM para cables de

fibra óptica, y en la solicitud de patente “Heat Sink Using Latent Heat of LED Street

Light” Shin y Chang proponen un sistema para LEDs. En la Tabla 4 y en la Tabla 5 se

muestran el resto de las patentes consultadas en este campo.

2.5.3 ALMACENAMIENTO Y TRANSPORTE DE ALIMENTOS Y PRODUCTOS

PERECEDEROS

Las empresas del servicio de comida a domicilio tienen serias dificultades para mantener

una mínima temperatura de 65º en los alimentos calientes, según establece la legislación

europea HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points), ya que a veces los

pedidos sufren retrasos, es necesario abrir la caja de transporte en demasiadas ocasiones o

las temperaturas exteriores son muy bajas.

En la situación contraria nos encontramos con alimentos que deben cumplir la cadena del

frio, es decir, mantenerse en todo momento por debajo de una determinada temperatura

para que conserven sus características nutricionales y organolépticas intactas y no se

estropeen, como es el caso de los pescados, mariscos, carnes y otros alimentos

congelados.

También los productos médicos y farmacéuticos, los órganos para trasplantes o la sangre

requieren unas condiciones apropiadas de temperatura: algunos entre 20ºC y 24ºC, otros

entre 2ºC y 6ºC, y otros entre -30ºC y -26ºC. Aunque debido a su gran valor económico,

el transporte de estos productos suele realizarse en vehículos con sistemas de aire

acondicionado, el problema aparece a la hora de llevarlos del hospital al transporte y de

este al destino final [MEHL08].

Para todas estas aplicaciones, los Materiales de Cambio de Fase resultan una tecnología

adecuada cuando no se dispone de una conexión a la red eléctrica que permita el uso de

frigoríficos o calentadores. Frente a los aislamientos convencionales, los PCMs actúan

cediendo calor al producto cuando su temperatura disminuye por debajo de la de

solidificación, o absorbiendo el calor del ambiente para evitar que la temperatura del

Los Materiales de Cambio de Fase

31

producto aumente por encima de la de fusión, creando en ambos casos una envoltura

isoterma hasta que finaliza el cambio de fase.

Para una mayor comprensión del tema y de los requerimientos específicos de cada

aplicación pueden consultarse [DOMI08] y [CABE02].

Existen multitud de empresas que comercializan diversas configuraciones con PCM para

la gestión térmica en las aplicaciones mencionadas. Por ejemplo, las marcas va-Q-tec y

Cryopak venden desde pequeños packs y otros envases mayores con PCM que pueden

introducirse en los recipientes usados habitualmente para el transporte de productos

médicos, hasta cajas de pequeño y gran tamaño que ya incorporan diseños modulares con

PCM. Todos los productos pueden acomodarse a las necesidades de la aplicación

incorporando el PCM con la temperatura de cambio de fase apropiada. Algunos de ellos

pueden verse en la Figura 22 y en la Figura 23.

Figura 22. Productos va-Q-tec [VAQT12]

Los Materiales de Cambio de Fase

32

Figura 23. Productos Cryopak [CRYO12]

En la Figura 24 puede verse un panel de fibras con un ss-PCM embebido en él de la

marca RUBITHERM®. Su punto de fusión de 65ºC lo convierte en un elemento pasivo

adecuado para situarlo en el interior de cajas de comida que pretenda conservarse

caliente.

Figura 24. Panel Food Transport RUBITHERM®

La utilidad de los PCMs en este campo se ha demostrado recientemente en el Gran

Premio de Malasia de Formula 1, donde se emplearon para evitar el calentamiento

excesivo del agua que los pilotos beben en marcha durante la carrera, y en la Estación

Espacial Internacional, donde se emplean cápsulas envueltas en PCM para asegurar que

las muestras recogidas permanecen a la misma temperatura hasta su apertura [PCMP12].

En materia de propiedad intelectual, Zielinsky y Bostic, en las patentes “Heat retentive

food server” y “Food delivery container” diseñan tapas para cubrir diversos alimentos,

por ejemplo pizza, y que estos conserven su calor.

Los Materiales de Cambio de Fase

33

Mientras que en la patente “Thermal receptacle with Phase Change Material” Kolowich

propone varias versiones de recipientes (tazas, jarras, biberones…) que incorporan un

recubrimiento exterior de PCM, lo que permite mantener el fluido a una temperatura

determinada durante más tiempo, Shewchuck diseña en “Beverage container with freeze

pack” una botella con PCM en su interior. Algunas de estas invenciones se muestra en la

Figura 25.

Figura 25. Recipientes con PCM: US6634417 izquierda y US7810348 derecha

En la Figura 26 se presenta un plato con PCM en su base que Burk Wyatt describe en la

patente “Heat retentive server with phase change core”.

Figura 26. Plato con PCM (US4982722)

Por otro lado, Purdum y Wynne diseñan envases con PCMs en “Phase change system for

temperature control” y “Container for transporting good at a constant temperature”

respectivamente.

En la Tabla 6 se muestra una lista más extensa de algunas de las patentes relacionadas

con este campo.

Los Materiales de Cambio de Fase

34

2.5.4 CUERPO HUMANO

El cuerpo humano necesita mantener su temperatura en torno a los 36-37ºC para

desarrollar correctamente las funciones metabólicas, siendo el propio metabolismo el

encargado de generar ese calor (aproximadamente 100W en reposo, 1000W trabajando y

2000W haciendo deporte [MEHL08]). Si elevamos la temperatura corporal por encima de

los 38.3ºC el cuerpo hierve, y si la reducimos por debajo de los 35.5ºC se congela. La

termorregulación se produce de manera natural intercambiando calor con el entorno a

través de la convección, la conducción, la radiación y, en particular, la evaporación.

Los Materiales de Cambio de Fase pueden incorporarse en diversas prendas de vestir para

crear un rango de temperaturas de confort para el ser humano, absorbiendo el calor

desprendido al entorno y devolviéndoselo al cuerpo cuando fuera necesario. Estos tejidos

se engloban en los denominados tejidos inteligentes, que son aquellos capaces de alterar

su naturaleza en respuesta a la acción de diversos estímulos externos, físicos o químicos,

modificando alguna de sus propiedades, con el objetivo de conferir beneficios adicionales

a los usuarios [SANC07].

En [SANC07], [FABI10] y [CUI_12] se describen los métodos de fabricación de diversos

tejidos que incorporan PCMs microencapsulados, lo que permite su corte y manipulación

para la confección de cualquier prenda de vestir. En la Figura 27 pueden verse dos formas

de incorporar las cápsulas de PCM: directamente a las fibras textiles o aplicadas como un

acabado adicional.

Los Materiales de Cambio de Fase

35

Figura 27. Microcápsulas de PCM incorporadas directamente a la fibra (izquierda) y aplicadas al tejido

como un acabado adicional (derecha) (arriba [OUTL12] y abajo [SANC07])

Esta tecnología permite el empleo de los PCMs no sólo en cualquier prenda de vestir,

sino también en ropa de cama y como recubrimiento de sillas.

La empresa Glacier Tek ha desarrollado una amplia línea de chalecos con PCM, que van

desde chalecos militares y chalecos para actividades deportivas hasta chalecos para

perros, como puede verse en la Figura 28.

Figura 28. Diversos chalecos de Glacier Tek [GLAC12]

Los Materiales de Cambio de Fase

36

Los PCMs macroencapsulados pueden emplearse si se confeccionan prendas especiales

que los contengan, como el cinturón para motociclistas desarrollado por Schoeller que se

muestra en la Figura 29.

Figura 29. Cinturón Schoeller [MEHL08]

Los PCM también pueden emplearse para aplicaciones terapéuticas, ya sea como

sustitutos del hielo en el tratamiento de lesiones o para bajar la fiebre, así como para el

tratamiento de diversas partes del cuerpo con calor, beneficioso al aumentar el riego

sanguíneo. Algunos packs desarrollados por Lavatherm para estas aplicaciones se

muestran en la Figura 30.

Figura 30. Packs terapéuticos con PCM Lavatherm [LAVA12]

También existen multitud de patentes en este campo de aplicación de los PCMs.

Colvin y Bryant en su patente “Thermally enhanced foam insulation” presentan un

material con PCM microencapsulado embebido en él para su posible uso como suela de

zapatos.

Los Materiales de Cambio de Fase

37

Doherty en su patente “Cool garment”, y Yiding en “Human body cooling suit and heat

pipe transfer”, entre muchos otros, han creado tejidos y prendas de ropa con PCM que

almacenan el calor extra que generamos, para así estar cómodos a lo largo del día.

En “Therapeutic cold pack for hand, wrist and forearm” Susan Harman describe el

guante con PCM para aplicaciones terapéuticas que puede verse en la Figura 31.

Figura 31. Guante terapéutico con PCM (US6146413)

En la Tabla 7 se muestra una lista más extensa de patentes relacionadas con ropa y

tejidos, en la Tabla 8 las relacionadas con accesorios de vestir (guantes, gorros, calzado,

etc.) y en la Tabla 9 las correspondientes a aplicaciones terapéuticas.

2.5.5 MOTORES Y GENERADORES ELÉCTRICOS

Los motores y generadores eléctricos pierden una cierta cantidad de energía en forma de

calor debido al paso de la corriente eléctrica por los cables, a las pérdidas en el hierro y a

la fricción entre partes móviles, entre otras. Este flujo de calor marca la temperatura de

funcionamiento del aparato. El funcionamiento y la fiabilidad de los motores y

generadores eléctricos está determinada por dicha temperatura de funcionamiento, ya que

los materiales empleados en los conductores y aislamientos podrían verse dañados y

además la corriente del aparato se reduce al aumentar la resistencia de los cables con la

Los Materiales de Cambio de Fase

38

temperatura. Actualmente los motores y generadores se sobredimensionan para

compensar las limitaciones que pueda provocar este aumento de la temperatura.

Los Materiales de Cambio de Fase son una tecnología apropiada para ciclos de trabajo

cortos, como ocurría en el caso de las aplicaciones electrónicas, en cuanto que permiten

almacenar el calor disipado a la vez que mantienen el aparato a una temperatura

determinada, la de cambio de fase.

En “Phase change heat sink for use in electrical solenoids and motors”, Lee describe

diversas formas de cubrir cualquier solenoide con PCM. En la Figura 32 puede verse una

de dichas configuraciones, en la que el PCM contenido en un material flexible se acopla

externamente a las bobinas.

Figura 32. Solenoide recubierto con PCM (US7069979)

Una lista completa de las patentes consultadas en relación con el tema se muestra en la

Tabla 10.

2.5.6 VEHÍCULOS

Los materiales empleados en los vehículos actuales, por lo general metales, así como la

abundancia de superficies acristaladas, hacen que el aislamiento térmico sea mínimo,

produciéndose grandes fluctuaciones de temperatura que obligan a un consumo elevado

en la climatización interior (aproximadamente el 10% del consumo energético total).

Estas necesidades de climatización son aún más críticas en los vehículos eléctricos, ya

que no disponen de un motor térmico cuyas pérdidas puedan aprovecharse para calentar

el habitáculo (un motor eléctrico tiene un rendimiento de en torno al 90%, frente al 30%

de los motores de combustión). La energía necesaria para el sistema de climatización se

Los Materiales de Cambio de Fase

39

obtiene de la batería, lo que reduce considerablemente la autonomía del vehículo (de una

batería de 20kWh de un Renault Fluence Z.E, el aire acondicionado en nivel intermedio

consumiría 1,5kWh y la calefacción 2,2kWh). Es por ello que los vehículos eléctricos

incorporan sistemas alternativos de climatización, como bombas de frío/calor,

calentadores de agua por resistencias para la calefacción, calderas adicionales de etanol o

paneles solares. La conexión remota del sistema de climatización a través del móvil o del

ordenador permite obtener la energía eléctrica de la red, lográndose un ahorro sustancial

ya que durante el viaje solo es necesario mantener la temperatura de confort. Los últimos

estudios se centran en sistemas de aislamiento más potentes, como las cabinas

superaisladas, que calientan el habitáculo solamente con el calor corporal de los

ocupantes.

Estudios de la UE sitúan en un 15% el porcentaje mínimo de participación de los

vehículos eléctricos en el mercado automovilístico para 2030, con una previsión de

lanzamiento de al menos 91 modelos diferentes antes de 2014. Los vehículos híbridos

podrían llegar hasta el 20% en ese mismo horizonte temporal en Europa en su escenario

más conservador. Estudios similares en EEUU sitúan por encima de los 50 millones de

unidades los vehículos con algún tipo de tracción eléctrica que recorrerán sus carreteras

en el año 2036 [MINI10].

A la vista de este nuevo panorama, resulta fundamental el de cualquier tecnología que

permita reducir el gasto en climatización. La aplicación de los PCMs como elemento

pasivo de gestión térmica, al igual que el caso de la arquitectura, permite lograr un

aumento del confort de los ocupantes, que se traduce en un menor consumo y en una

mayor eficiencia energética.

Los PCMs pueden situarse en muchas de las partes de los vehículos. Por ejemplo, en los

asientos de los ocupantes, como describen Fourrey en la patente “Method and system of

regulating heat in a vehicle seat” y Doherty en “Infant and child car seat for thermally

conditioning a body”, en el volante, como explica Paul en “Component part comprising

a heat accumulating medium“, en los propios circuitos de climatización, como comenta

Sih-Lee Cheng en “Natural air-conditioning system for a car” o en el techo, las puertas,

el salpicadero y el suelo. En la Figura 33 se muestra la configuración con PCMs para un

vehículo que Hildegar propone en su patente “Thermal control of automotive interiors

with phase change material”.

Los Materiales de Cambio de Fase

40

Figura 33. PCM en techo, salpicadero y asiento de un vehículo (US7320357)

Por otro lado, en “Phase change cooling of brake components”, Naerheim explica cómo

los PCMs pueden mejorar la frenada de un vehículo acumulando el calor disipado por los

frenos. En la Figura 34 puede verse su diseño.

Figura 34. Frenos con PCM (US6528132)

En la Tabla 11 se muestra una lista de todas las patentes relacionadas con la

incorporación de PCMs en vehículos.

Los Materiales de Cambio de Fase

41

2.6 PROPIEDAD INTELECTUAL

En este apartado se pretenden explicar brevemente las diversas modalidades de

protección de la propiedad intelectual en lo relativo a invenciones industriales y así

mismo mostrar un listado de algunas de las diversas patentes y solicitudes de patentes que

comprenden el Estudio de la Técnica actual de los PCMs, para identificar áreas

susceptibles de mejora o de innovación y posibles nichos de mercado.

Según la ley 11/1986 de patentes y modelos de utilidad, para que la propiedad industrial

pueda protegerse intelectualmente, debe cumplir una serie de requisitos, siendo estos:

Que sea novedad, es decir, que previamente no se haya divulgado nada igual.

Que presente actividad inventiva, esto es, que solucione de manera no obvia un

problema conocido.

Que presente aplicación industrial.

Que presente suficiencia descriptiva, es decir, que el documento esté escrito de

manera suficientemente clara y completa de modo que un experto en la materia

pudiera ejecutar la invención.

Existen dos modalidades a la hora de proteger la propiedad industrial: la patente y el

modelo de utilidad.

Por un lado, las patentes otorgan derechos exclusivos de empleo de la tecnología

desarrollada a su inventor durante un periodo de veinte años, e impide su explotación a

terceras personas. La solicitud de una patente puede realizarse por distintas vías según la

extensión: vía nacional, para obtener en nuestro caso la Patente Española, vía europea,

para obtener la Patente Europea, o vía internacional, mediante una solicitud de patente

PCT, aunque las patentes que se obtienen son las nacionales de cada uno de los 144

países que abarca el convenio.

Por otro lado, los modelos de utilidad se aplican para invenciones que consisten en dar a

un objeto una configuración, estructura o constitución de la que resulte alguna ventaja

apreciable para su uso o fabricación, otorgando derechos de protección durante un

periodo de diez años.

A continuación puede verse una lista de las patentes y solicitudes de patente examinados

con el objetivo de tener una idea general sobre las invenciones a nivel mundial en el

ámbito de los Materiales de Cambio de Fase e identificar posibles nichos de mercado. En

Los Materiales de Cambio de Fase

42

todas ellas se presenta el nombre del documento, su año de prioridad y la extensión y el

número de referencia. En la Tabla 1 puede consultarse la leyenda de las extensiones.

Todos los documentos que se mencionan se han obtenido a través de las páginas web

[LPES12] y [FREE12].

WO Solicitud de patente mundial PCT

EP Patente o solicitud de patente europea

US Patente estadounidense

US0000 (año) Solicitud de patente estadounidense

ES Patente o solicitud de patente española

GB Patente o solicitud de patente inglesa

Tabla 1. Leyenda de extensiones de patentes

MATERIALES DE CONSTRUCCIÓN:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Phase change energy storage panel for environmentally

driven heating and cooling system 1978 US4290416

Solar shutter or blind system for windows 1978 US4212289

Heat absorbing panel 1979 US4178727,

EP0003442

Aqueous heat-storage compositions containing fumed silicon

dioxide and having prolonged heat-storage efficiencies 1979 US4237023

Solar heating system for greenhouses and the like 1981 US4416260

Phase-change heat storage building panels 1982 US4498459

Composite materials for thermal energy storage 1985 US4572864

Method of energy load management using PCM for heating

and cooling of buildings 1993 US5501268

Phase change insulation system 1994 US5626936

Human body cooling suit with heat pipe transfer 1994 US5386701

Phase change thermal insulation structure 1995 US5770295

Thermal barriers for buildings, appliances and textiles 1995 EP0764081,

US5532039

Building conditioning technique using phase change materials 1997 EP0981675

Building products incorporating phase change materials and

method of making same 1998

US5755216,

EP0830438

Individual cooling system 2002 US6584798

Active thermal insulation system utilizing phase change 2006 US7797950

Los Materiales de Cambio de Fase

43

material and a cool air source

Active thermal insulation system utilizing phase change

material and a cool air source 2007 US7735327

Methods and compositions for inhibiting surface icing 2007 US7514017

Gown with secure fit and comfort feature 2008 US20090320177

Phase change device 2010 US20100225989

Tabla 2. Patentes sobre materiales de construcción

CLIMATIZACIÓN:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Method and system for the compact storage of heat and

coolness by phase change materials 1978 US4294078

Double tubular thermal energy storage element 1979 US4250958

Earth-embedded, temperature-stabilized heat exchanger 1979 US4327560

Thermal energy storage apparatus 1979 US4285389

Compact storage of seat and coolness by phase change

materials while preventing stratification 1981 US4403645

Latent heat storage apparatus for cooling 1986 EP0203501

Thermal energy storage apparatus using encapsulated phase

change material 1987 US4807697

Method of using a PCM slurry to enhance heat transfer in

liquids 1989 US4911232

Heat exchanger 1990 US5228504,

EP0405613

Multi-temperature evaporator refrigerator system with

variable speed compressor 1992 US5231847

Method and apparatus for cooling refrigerant recovery system

tanks and the like 1992 US5233840

Method and apparatus for hydride heat pumps 1992 US5497630

Phase change heat exchanger 1992 US5220954

Temperature-stabilized heat exchanger 1992 US5323842

Control system for thermoelectric refrigerator 1994 US5505046

Heat accumulator for heat energy and cold energy

accumulating system 1994 US5445213

Passive cooling of enclosures using heat pipes 1995 US5579830

Thermoplastic, moldable, non-exuding phase change

materials 1995

US5565132,

EP0747431

Thermal energy storage and delivery apparatus and vehicular

systems incorporating same 1996

WO9813222,

US5871041

Cooling unit with integral thermal energy storage 1997 US5765389

Heat exchange members for thermal storage apparatus 1998 US6247522

Phase change insulation for subsea flowlines 1998 US6000438

Domestic refrigerator with peltier effect, heat accumulators

and evaporative thermosyphons 1998

US6418729,

EP1130344

Multistage rapid product refrigeration apparatus and method 1999 US6148634

Los Materiales de Cambio de Fase

44

Heat absorbent device for backup cooling 1999 US6170561

Heat transfer device 2000 US6341491

Downhole sorption cooling and heating in wireline logging

and monitoring while drilling 2001 US6672093

Direct current mini air conditioning system 2001 US6453678

Heat pump system 2002 US6679321

Phase change material heat exchanger with heat energy

transfer elements extending through the phase change

material

2002 US6400896

Passive air conditioning system 2002 ES2173010

Thermoactive wall and ceiling element 2003 EP1470372,

WO03064931

Dehumidifier with Peltier effect and heat accumulators 2004 ES2184529

Latent heat storage for efficient cooling and heating systems 2005 WO2006100047,

EP1861663

Compact heat battery 2005 US7225860

Multi compartment green shelter 2007 WO2008147838

Cooling system employing a heat exchanger with phase

change material, and method of operation thereof 2007 US7760502

Evaporator Phase Change Thermal Siphon 2007 US20100313587

Phase change based cooling for high burst mode heat loads

with temperature regulation above the phase change

temperature

2008 US7633980

A heat exchanger, a heat sink and a heat exchange system 2008 WO2008051098

Heat accumulator 2008 WO2009011656

Method and apparatus for absorbing thermal energy 2008 US7316262

Phase change material cooling system 2008 US7859845B2

Peak-load cooling of electronic components by phase change

materials 2009 US20090180250

Active multiphase heat transportation system 2009 US20090301691

Thermal energy storage 2009 US20100051227

Two fluid thermal storage device to allow for independent

heating and cooling 2009 US7980293B2

Energy storage systems 2009 WO2011058383

Temperature regulation system and method 2010 WO2011027306

An energy cell 2010 WO2010074616

Cooling system with integral enerdy storage 2010 US20110083827

Water heating unit with integral thermal energy storage 2010 US20110081134

Tabla 3. Patentes sobre climatización

Los Materiales de Cambio de Fase

45

ELECTRÓNICA:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Mechanical heat transfer device 1979 US4273183

Thermal storage device 1986 GB2160965

Transducer thermal protection system 1990 US5046365

Device for temporarily overcooling a cooled detector and

detector comprising such a cooling device 1991

US4991399,

EP0322028

Media case 1991 US5069358

Support for card with electronic components having a low

thermal resistance. 1992 EP0541455

Electronic assembly including heat absorbing material for

limiting temperature through isothermal solid-solid phase

transition

1993 US5315154

Active thermal control of ultrasound transducers 1994 US5560362

Module cooling system 1994 US5325913

Packaging system for thermally controlling the temperature of

electronic equipment 1996 US6104611

Enclosure for electronic components 1998 US6169247

Cooling system for pulsed power electronics 1999 US6848500

Portable electronic device with enhanced battery life and

cooling 2000 US6570362

Thermally conductive interface member 2000 US6400565

Cooling system with auxiliary thermal buffer unit for cooling

an electronics module 2001 US6397618

Heat spreading thermal interface structure 2004 US7078109

Cooling failure mitigation for an electronics enclosure 2004 US7327578

Fuel cell system with inverter and phase change material 2005 US7352578

Systems and methods of cooling a fiber amplifier with an

emulsion of phase change material 2005 US7457502

Integrated cooling system with multiple condensing passages

for cooling electronic components 2006 US7661465

Method and apparatus for cooling with a phase change

material and heat pipes 2006 US7416017

Thermal energy storage transfer system 2007 US7505269

IGBT packaging and cooling using PCM and liquid 2008 US7646606

Device and method for cooling components using

magnetizable Phase-Change Material 2009 US20110167838

Lightweight electric conductor assembly 2009 US20090242271

Heat Sink Using Latent Heat of LED Street Light 2010 US20110017441

Tabla 4. Patentes sobre electrónica

Los Materiales de Cambio de Fase

46

BATERÍAS:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Storage battery cell 1942 US2273244

Temperature-sustaining apparatus for automobiles 1963 US3110633

Encapsulations for thermal management system for battery 1993 US5449571

Battery system thermal management 2000 US6468689

Method and device relating to battery temperature regulation 2001 US6596433

Battery system thermal management 2002 US6942944

Method and apparatus for amplitude limiting battery

temperature spikes 2002 US6586912

Method and apparatus for amplitude limiting battery

temperature spikes 2003 US7443136

Thermally insulated cabinet and method for inhibiting heat

transfer 2004 US7286356

Small battery pack employing PCM on side sealing part 2005 WO2007061262

Battery system containing phase change material-containing

capsules in interior configuration thereof 2005

US7931979,

WO2006014061

Small battery pack employing PCM on side sealing part 2006 US20070264535

Battery with a phase-changing material 2007 US20090169983

Thermally insulated cabinet and method for inhibiting heat

transfer 2007 US7489509

Method and apparatus for amplitude limiting battery

temperature spikes 2008 US7893659B2

Device and method for conditioning the temperature of

vehicles 2009 WO2011072988

Lithium secondary battery 2009 WO2011058979

Multi-layer films, sheets, and hollow articles with thermal

management function for uses as casings of secondary

batteries and supercapacitors, and sleeves of secondary

battery and supercapacitor packs

2009 US20100316821

Temperature management system 2009 US20100273041

Battery thermal management with phase transition 2010 US20120003523

Tabla 5. Patentes sobre baterías

ENVASES:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Food holder temperature maintenance system 1976 US4182405

Articles for cooling beverages 1985 US4761314

Method of constructing fire resistant enclosures 1985 US4574454

Cooling beverages 1987 US4825665

Food storage cart with thermo wall 1988 US4936377

Thermally regenerative hot beverage container 1988 US4765393

Low temperature storage container for transporting

perishables to space station 1988 US4821914

Heat retentive server with phase change core 1989 US4982722

Los Materiales de Cambio de Fase

47

Heat retaining food container 1990 US5052369

Heat-retaining food service container 1991 US5125391

Cooking utensil with improved heat retention 1994 US5643485

Heat retentive food server 1995 US5520103

Heat retentive food service base 1995 US5611328

Microwavable thermal energy storage material 1996 US5804266

Heat retentive food service base 1997 US5901699

Heat retentive food servingware with temperature self-

regulating phase change core 1997 US5954984

Wide mouth vacuum-insulated receptacle 1997 US6029457

Food delivery container 1998 US6060696

Device for heating and cooling a beverage 1998 US6082114

Thermal receptacle with phase change material 1998 US6634417

Thermal retention device with outer covering receiving a

warmer and food to be heated 1998 US5999699

Phase change system for temperature control 1998 US5899088

Food warning device containing a rechargeable phase change

material 1999 US6108489

Relating to cooling containers of beverages 1999 US6151911

Non-freezing watering dish for animals 2001 US6167945

Residually heated food carrier 2001 US6501057

Container for transporting good at a constant temperature 2002 WO2003086269

Heat retentive inductive-heatable laminated matrix 2003 US6774346

Thermal receptacle with phase change material 2003 US6968888

Food and beverage storage and serving vessel comprising an

integral phase change material 2004 US7431174

Thermal receptacle with phase change material 2005 US7059387

Method and device for ensuring maintained temperature

inside a transport container or the like 2005 US8056357

Containers and packagings for regulating heat transfer 2006 US7836722

Self-heating fluid connector and self-heating fluid container 2006 EP1871204

Thermal receptacle with phase change material 2006 US7934537

Passively temperature-regulated shipping container suitable

for biological, pharmaceutical materials or food products 2006 US20070186577

Beverage container with freeze pack 2007 US7810348

Container incorporating integral cooling element 2007 WO2009052036

Inserted thermal barrier liner for containers 2008 US8096035

Container for special materials 2009 WO2009152889

PCM modules/packs/PCM arrangements 2009 WO2009101398,

EP2255133

Multiple walled primary package with Phase Change

Material 2010 US20110155621

Tableware 2010 WO2003079869

A1

Tabla 6. Patentes sobre envases

Los Materiales de Cambio de Fase

48

ROPA Y TEJIDOS:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Heat storage composition 1986 EP0240583

Fiber with reversible enhanced thermal storage properties

and fabrics made therefrom 1987 US4756958

Method of forming and using a therapeutic device 1988 US4753241

Micro-climate control vest 1988 US4856294

Method for preparing polyolefin composites containing a

phase change material 1989 US4908166

Temperature adaptable textile fibers and method of preparing

same 1989 US4908238

Dry powder mixes comprising phase change materials 1990 US5106520

Fabric with reversible enhanced thermal properties 1992 US5366801

Micro-climate cooling garment 1993 US5415222

Thermal insulating coating employing microencapsulated

phase change material and method 1995 US5804297

Phase change thermal control materials, method and

apparatus 1997 US5722482

Passive thermal capacitor for cold water diving garments 1998 US6120530

Cool garment 1999 US6185742

Body armor 2000 US6418832

Microcapsules and/or nanocapsules 2001 WO0162376,

EP1257353

Phase change material thermal capacitor clothing 2001 US6855410

Device for providing microclimate control 2003 US6858068

Garments for heating or cooling body parts 2003 GB2399734

Cooling garment having Phase Change Material in its

extremity portions 2005 WO2006014338

Process for preparing a non-woven fibrous web 2005 US7300530

Therapeutic pack 2006 US8012191

A fabric 2007 WO2008149127

Tabla 7. Patentes sobre ropa y tejidos

Los Materiales de Cambio de Fase

49

GUANTES, GORROS Y CALZADO

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Flexible composite material with phase change thermal

storage 1999 US6004662

Heating or cooling pad or glove with phase change material 2003 US20030109910

Induction heating of footwear and apparel 2007 US20070267398

Inductively heated clothing 2008 US7816632

Interactive leather for gloves, shoes, garments and upholstery 2002 US20020035755

Material consisting of a polyurethane gel, production method

and uses thereof 2002 WO03008500

Moldable foam insole with reversible enhanced thermal

storage properties 1994 US5499460

Regenerable non-venting cooler for protective suit 1990 US5115859

Self-modeling thermoregulating shoe arch-support 2005 WO2005020735

Tabla 8. Patentes sobre guantes, gorros y calzado

APLICACIONES TERAPÉUTICAS:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Orthopedic device having gel pad with phase change material 1988 US4964402

Electrically heated therapeutic pillow 1988 US4777346

Therapeutic cold pack for hand, wrist and forearm 1997 US5935157

Therapeutic cold pack for hand, wrist and forearm 1999 US6146413

Cooling comfort seat cushion 1999 US6132455

Heating pad having a phase change material 2004 US7135036

Therapeutic pack 2006 US8012191

Portable heating pad with improved control system 2011 EP2371324

Tabla 9. Patentes sobre aplicaciones terapéuticas

MOTORES Y GENERADORES:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Hard disc drive with base incorporating a spindle motor

stator 1999 US6501616

Apparatus and method for cooling power transformers 2000 US6909349

Cooling of electromechanical actuator with phase change

material and thermosyphons containing working fluid 2000 US6294853

Phase change heat sink for use in electrical solenoids and

motors 2002 US7069979

Electromagnetic device with closed heat transfer system 2006 US7629716

Heat recovery system 2008 US20100126437

Tabla 10. Patentes sobre motores y generadores

Los Materiales de Cambio de Fase

50

VEHÍCULOS:

Título Año de

prioridad

Extensión y

número

Apparatus and method of phase change disc brake 1990 US5139118

Heat exchanger for fuel filler pipe for on-board fuel vapor

recovery 1995 US5636668

Electric seat heater 1998 US6093910

Component part comprising a heat accumulating medium 1999 EP1222102

Phase change cooling of brake components 2000 US6528131

Method and system of regulating heat in a vehicle seat 2000 US6291803

Natural air-conditioning system for a car 2001 US6474089

Thermal control of automotive interiors with phase change

material 2002 US7320357

Steering wheel with heat accumulating mechanism 2002 US20020166407

Heat pipe having a wick structure containing phase change

materials 2005 US6889755

Engine cooling system with overload handling capability 2007 US7464672

Infant and child car seat for thermally conditioning a body 2007 US20080136231

Engine cooling system with overload handling capability 2008 US7735461

Air conditioning system for cooling the cabin of a Hybrid-

Electric Vehicle 2009 US20100300140

Heat exchanger able to cool a refrigerant flowing inside said

exchanger and comprising at least one phase-change material 2010 WO2010046349

Motor drive with heat pipe air cooling 2010 US7791884

Tabla 11. Patentes sobre vehículos

Ensayos de Caracterización

51

Capítulo 3 ENSAYOS DE CARACTERIZACIÓN

Simultáneamente a la evaluación del Estado de la Técnica existente, se han llevado a

cabo una serie de ensayos experimentales con Materiales de Cambio de Fase en algunas

de sus diversas formas comerciales, para observar empíricamente su potencial en la

gestión térmica.

El objetivo de estos ensayos es doble. Por un lado, se pretende comprobar que el

comportamiento real de los distintos tipos de PCMs se corresponde con lo esperado a

nivel teórico. Con este fin se determinarán los valores de las principales características de

los PCMs a ensayar, como son sus rangos de temperaturas y sus calores latentes de fusión

y de solidificación, así como sus densidades y calores específicos en estados sólido y

líquido, para cotejarlos con los datos aportados por el fabricante que, como ya se ha

comentado, suelen corresponder a las sustancias puras. Por otro lado se pretende observar

el proceso de solidificación y fusión, para entender en particular el comportamiento de la

frontera de cambio de fase del PCM.

3.1 MATERIALES DE CAMBIO DE FASE ADQUIRIDOS

Para la realización de este Proyecto se han comprado diversos PCMs de la marca

RUBITHERM®, que cumplen con la normativa del Gütegemeinschaft PCM e.V. Para

más información sobre la compañía y sus productos puede consultarse su página web

[RUBI12]. En la Figura 35 se muestran todos los materiales adquiridos y a continuación

se comentan sus principales características, según la información recogida en las hojas de

datos y las “Safety Data Sheets” proporcionadas por el fabricante.

Ensayos de Caracterización

52

Figura 35. PCMs de la marca RUBITHERM®

1. RT 28 HC: se trata de un PCM orgánico, con base de parafina, por lo que no corroe

otros materiales. Además es un material ecológico y no tóxico, que no tiene

problemas de sobrefusión ni de separación de fases. La denominación HC hace

referencia a Heat Capacity, ya que este PCM tiene una capacidad de almacenamiento

de calor del 25-30% por encima de la gama clásica RT. En la

Tabla 12 se muestran los valores de las principales propiedades del material.

RT 28 HC

Rango de fusión 27 - 28 ºC

Rango de solidificación 28 - 27 ºC

Calor latente 245 kJ/kg

Calor específico sólido 2 kJ/kgºC

Calor específico líquido 2 kJ/kgºC

Densidad sólido 0.88 kg/l

5

3 2

1 4

6

3

Ensayos de Caracterización

53

Tabla 12. Propiedades del RT 28 HC según el fabricante

2. RT 65: es un PCM de la misma gama que el anterior, por lo que sus características

son semejantes: orgánico, base de parafina, no corroe otros materiales, ecológico, no

tóxico, no presenta sobrefusión ni separación de fases. En la Tabla 13 se muestran los

valores de las principales propiedades del material.

RT 65

Rango de fusión 57 - 68 ºC

Rango de solidificación 67 - 58 ºC

Calor latente 152 kJ/kg

Calor específico sólido 2 kJ/kgºC

Calor específico líquido 2 kJ/kgºC

Densidad sólido 0.88 kg/l

Densidad líquido 0.78 kg/l

Contracción volumétrica c.a. 12%

Conductividad térmica 0.2 W/mK

Viscosidad cinemática 38.96 mm2/s

Punto flash > 100 ºC

Tabla 13. Propiedades del RT 65 según el fabricante

Densidad líquido 0.768 kg/l

Contracción volumétrica 14%

Conductividad térmica 0.2 W/mK

Viscosidad dinámica 3.1 mPas

Punto flash 165 ºC

Ensayos de Caracterización

54

3. SP 29 A15: se trata de un PCM compuesto por una mezcla de sales hidratadas y

parafinas, para obtener un material no inflamable ni tóxico, que presenta poca

sobrefusión y buena estabilidad cíclica. Sin embargo, no se ha solucionado el

problema de la corrosión de metales. Este PCM es recomendado para su integración

en materiales de construcción. En la Tabla 14 se muestran los valores de las

principales propiedades del material.

SP 29 A15

Rango de fusión 28 - 30 ºC

Rango de solidificación 28 - 27 ºC

Calor latente 190 kJ/kg

Calor específico sólido 1.5 kJ/kgºC

Calor específico líquido 1.5 kJ/kgºC

Densidad sólido 1.53 kg/l

Densidad líquido 1.51 kg/l

Contracción volumétrica 1.3 %

Conductividad térmica 0.6 W/mK

Viscosidad cinemática 75.2 mm2/s

Punto flash 165 ºC

Tabla 14. Propiedades del SP 29 A15 según el fabricante

4. PX 42: es un ss-PCM, parafina en una matriz de sílice en polvo. Se caracteriza por ser

un material ecológico, químicamente inerte, tener una buena estabilidad cíclica y no

presentar problemas de sobrefusión. En la Tabla 15 se muestran los valores de las

principales propiedades del material.

PX 42

Rango de cambio de fase 38 - 43 ºC

Densidad 0.694 kg/l

Ensayos de Caracterización

55

Tamaño medio de partícula 250 μm

Calor latente 114 kJ/kg

Calor específico sólido 1.6 kJ/kgºC

Calor específico líquido 1.6 kJ/kgºC

Contracción volumétrica No hay

Conductividad térmica 0.1 W/mK

Punto flash 192 ºC

Temperatura máxima de operación 62 ºC

Tabla 15. Propiedades del PX 42 según el fabricante

5. GR 82: se trata de un ss-PCM, parafina en una matriz de arcilla porosa. Se caracteriza

por ser un material ecológico, químicamente inerte y tener una buena estabilidad

cíclica. En la Tabla 16 se muestran los valores de las principales propiedades del

material.

GR 82

Rango de cambio de fase 77 - 84 ºC

Densidad 0.8 kg/l

Tamaño medio de partícula 1 - 3 μm

Calor latente 58 kJ/kg

Calor específico sólido 1.5 kJ/kgºC

Calor específico líquido 1.5 kJ/kgºC

Contracción volumétrica No hay

Conductividad térmica 0.2 W/mK

Punto flash 270 ºC

Temperatura máxima de operación 110 ºC

Tabla 16. Propiedades del GR 82 según el fabricante

Ensayos de Caracterización

56

6. Panel “Food Transport” de GR 65: es un ss-PCM de la misma gama que el anterior

sólo que en este caso se incorpora en un panel de fibras. RUBITHERM recomienda

su uso en el transporte de alimentos calientes, como ya se comentó en la sección

2.5.3.

3.2 DETERMINACIÓN DE LAS DENSIDADES EN ESTADO SÓLIDO Y

LÍQUIDO

Este primer ensayo consiste en determinar experimentalmente las densidades en estado

sólido y líquido de cada uno de los PCMs previamente comentados.

A continuación se enumeran los materiales empleados en los ensayos:

Balanza electrónica AC 500 (GRAM PRECISION, S.L.), con una sensibilidad de

0.1g y una pesada máxima de 500g.

Vaso graduado para medida de volúmenes.

PCM correspondiente.

Por un lado, para el RT 28 HC, el SP 29 A15 y el RT 65 el procedimiento seguido

consistió en fundir el PCM, realizar la medición del volumen en estado líquido, dejar

solidificar el material en el mismo recipiente y realizar la medición de volumen en estado

sólido. El motivo de no medir el volumen del PCM en estado sólido previamente a fundir

el material es la dificultad de adaptarlos al recipiente contenedor sin descompactar el

material, lo que falsearía el resultado.

A continuación se muestran las medidas realizadas y los resultados obtenidos para cada

PCM:

Ensayos de Caracterización

57

RT 28 HC: en la Figura 36 se muestra este material en estado sólido a la hora medir

su masa y en la Tabla 17 se pueden ver los resultados obtenidos.

Figura 36. RT 28 HC sólido

RT 28 HC Masa [kg] Volumen [l] Densidad

[kg/l]

Contracción

volumétrica

Sólido

0.3

0.375 0.8

12% Líquido 0.420 0.714

Tabla 17. Resultados del cálculo de la densidad para el RT 28 HC

Los valores de las densidades obtenidos son algo menores que los aportados por el

fabricante, al igual que la contracción volumétrica.

Ensayos de Caracterización

58

SP 29 A15: en la Figura 37 se muestra este material en estado sólido a la hora medir

su masa y en estado líquido. En la Tabla 18 se pueden ver los resultados obtenidos.

Figura 37. SP 29 A15 sólido (izquierda) y líquido (derecha)

SP 29 A15 Masa [kg] Volumen [l] Densidad

[kg/l]

Contracción

volumétrica

Sólido

0.3

0.190 1.58

5.3% Líquido 0.200 1.50

Tabla 18. Resultados del cálculo de la densidad para el SP 29 A15

El valor de la densidad del PCM líquido obtenido es muy similar al aportado por el

fabricante, aunque el de la densidad en estado sólido es algo mayor, por lo que

también se obtiene un valor más alto de contracción volumétrica.

Ensayos de Caracterización

59

RT 65: en la Figura 38 se muestra este material en estado sólido a la hora medir su

masa y en la Tabla 19 se pueden ver los resultados obtenidos.

Figura 38. RT 65 sólido

RT 65 Masa [kg] Volumen [l] Densidad

[kg/l]

Contracción

volumétrica

Sólido 0.3

0.350 0.86 10%

Líquido 0.385 0.78

Tabla 19. Resultados del cálculo de la densidad para el RT 65

El valor de la densidad del PCM líquido obtenido es el mismo que el aportado por el

fabricante, aunque el de la densidad en estado sólido es algo menor, por lo que

obtenemos un valor más bajo de contracción volumétrica.

En todos los casos, las diferencias entre los valores obtenidos y los aportados por el

fabricante pueden deberse a inexactitudes en las medidas del volumen, ya que el PCM se

Ensayos de Caracterización

60

queda adherido a las paredes del vaso al solidificar y no puede apreciarse claramente la

contracción.

Por otro lado, para el PX 42 y el GR 82, dado que estos materiales mantienen el estado

sólido de la matriz aunque el PCM cambie de fase, sólo es posible determinar la densidad

del producto a granel.

A continuación se muestran las medidas realizadas y los resultados obtenidos para cada

PCM:

PX 42: en la Figura 39 se muestra este material en estado sólido a la de hora medir su

masa y en la Tabla 20 se pueden ver los resultados obtenidos.

Figura 39. PX 42 a granel

Masa [kg] Volumen [l] Densidad [kg/l]

0.3002 0.480 0.625

Tabla 20. Resultados del cálculo de la densidad para el PX 42

El valor de la densidad obtenido es algo menor que el aportado por el fabricante,

seguramente porque la medida del volumen se realizó con un menor grado de

compactación.

Ensayos de Caracterización

61

GR 82: en la Figura 40 se muestra este material en estado sólido a la hora medir su

masa y en la Tabla 21 se pueden ver los resultados obtenidos.

Figura 40. GR 82 a granel

Masa [kg] Volumen [l] Densidad [kg/l]

0.150 0.190 0.79

Tabla 21. Resultados del cálculo de la densidad para el GR 82

El valor de la densidad obtenido es prácticamente el mismo que el aportado por el

fabricante.

3.3 CURVAS DE FUSIÓN Y SOLIDIFICACIÓN

En este segundo ensayo se pretende obtener las curvas de fusión y solidificación de los

PCMs RT 28 HC, SP 29 y RT 65, para determinar los rangos de temperaturas de cambio

de fase y los valores de los calores específicos en estado sólido y líquido y del calor

latente.

Ensayos de Caracterización

62

A continuación se enumeran los materiales empleados en los ensayos:

Recipiente de material PIREX de 1l.

Recipiente de metal de 5l.

Brasero eléctrico 400/500/900W.

Equipo de medida de temperaturas: para realizar la medida de las diversas

temperaturas se ha decidido emplear termopares de tipo K, debido a su bajo coste

y a su amplio rango de funcionamiento, que va desde -270 a 1372ºC. Para la

adquisición de datos se emplea el receptor PicoLog TC-08, que dispone de 8

canales y que se conecta a un ordenador mediante puerto USB, lo que nos permite

realizar fácilmente ensayos tanto en laboratorio como en campo.

Poliestireno expandido.

Balanza electrónica AC 500 (GRAM PRECISION, S.L.), con una sensibilidad de

0.1g y una pesada máxima de 500g.

PCM correspondiente.

El ensayo consta de dos partes. Primero se introduce el PCM en el recipiente de PIREX, y

este a su vez se mete en el interior del recipiente de metal a una altura intermedia. Con el

brasero eléctrico se realiza un aporte de energía constante de 900W sobre el recipiente de

metal, que se encuentra relleno de agua, con la finalidad de uniformizar la temperatura

alrededor del PCM. Una vez que el material se encuentra completamente fundido, se saca

junto con su conteniente del recipiente de metal y se dejan enfriar a temperatura

ambiente, empleando soportes aislantes para evitar el contacto con la mesa, hasta que

solidifica.

En la Figura 41 puede verse la primera parte del ensayo, en la que se calienta el PCM y

en la Figura 42 la segunda, en la que se deja enfriar.

Ensayos de Caracterización

63

Figura 41. Ensayo de fusión

Figura 42. Ensayo de solidificación

Ensayos de Caracterización

64

Las lecturas realizadas en el ensayo con los termopares corresponden a los siguientes

parámetros, indicándose junto a ellos la nomenclatura empleada:

Ensayo de fusión

Temperatura interior del PCM:

Tres medidas: PCM_izq, PCM_centro, PCM_der

Temperatura interior del agua:

Dos medidas: Agua_lateral, Agua_fondo

Temperatura ambiente: Ambiente

Ensayo de solidificación:

Temperatura interior del PCM:

Tres medidas: PCM_izq, PCM_centro, PCM_der

Temperatura ambiente: Ambiente

Los rangos de temperaturas de cambio de fase del material pueden obtenerse de las

curvas de fusión y solidificación registradas.

Los valores de los calores específicos y latentes de los PCMs se pretendía obtenerlos

realizando el balance de energía del sistema en el ensayo de fusión, con las siguientes

consideraciones:

Toda la potencia del brasero se transmite al agua contenida en el recipiente

metálico, y por consiguiente al PCM.

La transferencia de calor con el aire del ambiente sólo se produce en las paredes

del recipiente metálico, suponiéndose un coeficiente de convección de 5 W/m2K.

Se desprecian el recipiente metálico y el de PIREX para la transferencia de calor.

El balance resultante de energía se corresponde con la ecuación 3.1.

Ensayos de Caracterización

65

Siendo:

: la potencia que genera el brasero eléctrico, 900W.

: el intervalo de tiempo entre la toma de dos medidas, 1s.

: la masa de agua contenida en el recipiente metálico, 4.5 kg.

: el calor específico del agua, que puede obtenerse de la ecuación 3.2 en función de

su temperatura.

: la variación de temperatura del agua en cada intervalo de tiempo.

: el coeficiente de convección natural del aire, 5 W/m2K.

: el área lateral del cubo hasta la altura del agua.

: la temperatura del agua en cada instante de tiempo.

: la temperatura ambiente en cada instante de tiempo.

: la masa total de PCM.

: calor específico del PCM en estado sólido.

: calor específico del PCM en estado líquido.

: calor latente del PCM.

: la variación de temperatura del PCM en cada intervalo de tiempo.

: la masa de PCM que funde en el instante de tiempo n.

(E. 3.2)

(E. 3.1)

Ensayos de Caracterización

66

Cuando el PCM sufre el calentamiento en estado sólido la masa de material fundido es

nula, lo que nos permite despejar de la ecuación el valor del calor específico en estado

sólido al suprimirse los dos últimos términos de la ecuación. Cuando el PCM se

encuentra en estado líquido, como toda la masa ya se ha fundido, se anulan el cuarto y el

quinto término de la ecuación, lo que nos permite determinar el valor del calor específico

en estado líquido. Durante el cambio de fase despejaremos la cantidad de PCM que funde

en cada intervalo de tiempo, suponiendo el valor del calor latente. El valor real se

obtendrá cuando el sumatorio de todas las masas fundidas en cada intervalo de tiempo se

corresponda con la total del PCM.

A continuación se muestran los resultados obtenidos en los ensayos realizados con cada

uno de los PCMs.

3.3.1 RT 28 HC

En la Figura 43 puede verse el ensayo de fusión realizado con el RT 28 HC. La curva de

temperaturas obtenida indica que la fusión de este PCM se ha producido

aproximadamente en un intervalo de 23 a 28ºC, comenzando 4 grados antes que lo

indicado por el fabricante.

Ensayos de Caracterización

67

Figura 43 Curva de fusión del RT 28 HC

En la Figura 44, se muestra el ensayo de solidificación realizado con el RT 28 HC. La

curva de temperaturas obtenida indica que este PCM ha solidificado aproximadamente a

28ºC, correspondiendo con lo indicado por el fabricante. También puede verse que este

material ha sufrido una ligera sobrefusión, aunque de apenas medio grado Celsius.

Figura 44 Curva de solidificación del RT 28 HC

Ensayos de Caracterización

68

A la hora de determinar las características del RT 28 HC mediante la ecuación 3.1 no se

han logrado unos resultados coherentes.

3.3.2 SP 29

En la Figura 45 puede verse el ensayo de fusión realizado con el SP 29. La curva de

temperaturas obtenida indica que la fusión de este PCM se ha producido

aproximadamente en un intervalo de 24 a 28ºC. Los datos aportados por el fabricante

establecían dicho rango en 28-30ºC, por lo que los valores no se corresponden.

Figura 45 Curva de fusión del SP 29

En la Figura 46, se muestra el ensayo de solidificación realizado con el SP 29. La curva

de temperaturas obtenida indica que este PCM ha solidificado aproximadamente a 28ºC,

uno por encima del rango aportado por el fabricante. Puede verse claramente una fuerte

sobrefusión del material, que llega a alcanzar los 19ºC.

Ensayos de Caracterización

69

Figura 46 Curva de solidificación del SP 29

A la hora de determinar las características del SP 29 mediante la ecuación 3.1 tampoco se

han logrado unos resultados coherentes.

3.3.3 RT 65

En la Figura 47 puede verse el ensayo de fusión realizado con el RT 65. La curva de

temperaturas obtenida no permite apreciar claramente el rango de fusión de este PCM.

Figura 47 Curva de fusión del RT 65

Ensayos de Caracterización

70

En la Figura 48, se muestra el ensayo de solidificación realizado con el RT 65. La curva

de temperaturas obtenida indica que este PCM ha solidificado aproximadamente en un

intervalo de 64 a 60ºC, valores comprendidos dentro del rango aportado por el fabricante.

No se aprecia sobrefusión alguna.

Figura 48 Curva de solidificación del RT 65

A la hora de determinar las características del RT 65 mediante la ecuación 3.1 tampoco se

han logrado unos resultados coherentes.

3.4 CONCLUSIONES

Se ha pretendido desarrollar un nuevo método para la caracterización de Materiales de

Cambio de Fase de manera relativamente sencilla. Sin embargo, se han encontrado una

serie de problemas que no han permitido llegar a los resultados deseados:

En el manejo de los PCMs, es frecuente que estos queden adheridos a los envases

al solidificar o que solidifiquen antes de poder traspasarlos de un recipiente a otro

si su punto de fusión es alto.

La muestra del PCM debe ser suficientemente grande para asegurar que

representa fielmente al material. Esto puede ocasionar problemas con la detección

Ensayos de Caracterización

71

del superenfriamiento, ya que esta propiedad depende en gran medida de la

cantidad del PCM que se ensaye.

La toma de medidas de temperatura en ensayos con PCMs no es una tarea

sencilla. Los termopares deben estar bien sujetos para que el material no mueva

las sondas al cambiar de estado y se adquieran medidas anómalas de la

temperatura.

El ensayo de solidificación nos permite obtener unas medidas de temperaturas

más fiables, ya que la disipación de calor al ambiente por parte del PCM se realizó

a un ritmo menor que la absorción de calor en el ensayo de fusión. Por eso los

intervalos de solidificación coinciden por lo general con los datos aportados por el

fabricante y los de fusión no.

Las simplificaciones del balance energético de la ecuación 3.1 han resultado ser

excesivas, ya que seguramente no toda la energía aportada por el brasero se

transmite al agua y el coeficiente de convección no está bien estimado. Al no

haberse obtenido unos valores coherentes para las propiedades de los PCMs

ensayados, en apartados posteriores se considerarán como válidos los datos

aportados por el fabricante.

Ensayos de Caracterización

72

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

73

Capítulo 4 MODELADO DE UNA BATERÍA TÉRMICA

CON DOBLE UMBRAL DE TEMPERATURAS

El estudio del Estado de la Técnica actual permite identificar diversos campos en los que

los PCMs resultan una tecnología prometedora. Se ha visto que existen una gran cantidad

de aplicaciones y productos que deben mantenerse en un rango de temperaturas

determinado para evitar que se deterioren o que pierdan sus propiedades. En este apartado

se va a desarrollar un modelo de batería térmica con un doble umbral de temperaturas, es

decir, una batería con dos PCMs de distinto punto de fusión. El PCM con el menor rango

de cambio de fase será el encargado de ceder calor al sistema si su temperatura desciende

debido al frío del exterior. El PCM de mayor punto de cambio de fase será el encargado

de absorber el calor generado por el sistema para evitar que sobrepase dicha temperatura.

Para validar este modelo se han realizado ensayos con un prototipo experimental y

mediante software informático.

4.1 ENSAYOS EXPERIMENTALES

Se ha construido un prototipo experimental con la finalidad de obtener resultados reales

de la capacidad de los Materiales de Cambio de Fase para limitar la temperatura de un

objeto entre dos valores determinados.

En [KRIS04] se estudia el almacenamiento térmico de una unidad con PCM aplicando

cargas en diversas posiciones: en la parte superior, en la parte inferior y en los laterales;

demostrándose que los mejores resultados se obtienen cuando la transferencia de calor se

realiza desde debajo del material, ya que los tiempos de cambio de fase y las temperaturas

máximas disminuyen. Sin embargo, por facilidad de diseño y limitaciones constructivas,

la batería térmica diseñada realiza la transferencia de calor a través de las superficies

laterales. La configuración elegida consiste en tres cilindros concéntricos de aluminio que

forman dos cámaras estancas destinadas a contener a cada PCM. Para simular el objeto

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

74

cuya temperatura se pretende limitar se ha introducido agua en el cilindro central,

realizando el aporte energético a través de un calentador conectado a una fuente de

tensión. Toda la batería se recubre con poliestireno expandido para mejorar el aislamiento

respecto del exterior. Los Materiales de Cambio de Fase seleccionados para el ensayo son

el RT 28 HC y el RT 65, debido a su naturaleza orgánica, para que no se produzca

corrosión en el aluminio.

A continuación se enumeran los materiales empleados en los ensayos:

Aluminio.

Poliestireno expandido.

Calentador, extraído de la cámara de combustión de un automóvil.

Equipo de medida de temperaturas: PicoLog TC-08, termopares tipo K y

ordenador para la recepción de los datos.

Balanza electrónica AC 500 (GRAM PRECISION, S.L.), con una sensibilidad de

0.1g y una pesada máxima de 500g.

HQ POWER™ PS3020. Adjustable DC Power Supply (0-30V, 0-20A).

RT 28 HC.

RT 65.

El ensayo consta de dos partes. En la primera, se calienta el agua hasta que su

temperatura sobrepasa la de fusión del RT 65, para comprobar si el PCM es capaz de

mantener la batería a dicha temperatura. En la segunda parte, la batería se introduce en

una nevera para simular un ambiente de bajas temperaturas y comprobar si el RT 28 HC

impide que la de la batería disminuya por debajo del punto de solidificación del PCM.

En la Figura 49 puede verse el prototipo de batería construido con los dos PCMs en su

interior. La posición estos materiales no es aleatoria: el RT 28 HC se ha colocado en el

interior ya que, como el material se encuentra en fase líquida durante los ensayos, se

pretende aprovechar el efecto de la convección natural para favorecer la transferencia de

calor.

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

75

Figura 49. Batería térmica con doble umbral de temperaturas

Las lecturas realizadas en el ensayo con los termopares corresponden a los siguientes

parámetros, indicándose junto a ellos la nomenclatura empleada:

Temperatura interior del RT 28 HC:

Dos medidas: PCM28_izquierda, PCM28_derecha

Temperatura interior del RT 65:

Dos medidas: PCM65_izquierda, PCM65_derecha

Temperatura del agua: Agua

Temperatura exterior de la batería: Exterior

Temperatura ambiente: Ambiente

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

76

En la Figura 50 puede verse cómo se han introducido los termopares en la batería.

Figura 50. Batería térmica con sondas de temperatura

En la Figura 51 se muestra una imagen del ensayo de calentamiento y en la Figura 52

pueden verse las medidas de temperatura obtenidas durante el mismo.

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

77

Figura 51. Ensayo de calentamiento de la batería térmica con doble umbral de temperaturas

Figura 52. Medidas del ensayo de calentamiento de la batería térmica con doble umbral de temperaturas

Al comienzo del ensayo, el agua del interior de la batería se encontraba a una temperatura

de 52ºC y el RT 28 HC a 46ºC, por lo tanto en fase líquida, para simular unas condiciones

reales en las que podría trabajar la batería. A partir de ese punto se ha simulado un

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

78

calentamiento del agua para, como ya se ha comentado, comprobar que no supera los

65ºC.

Sin embargo, los resultado no han sido los esperados ya que el PCM no consigue limitar

la temperatura del agua. La causa parece ser que la conductividad térmica del RT 28 HC

es demasiado baja para garantizar una rápida y correcta transferencia de calor en

aplicaciones que así lo requieran. Esta propiedad de aislamiento de los PCMs se puede

apreciar también en la diferencia de temperaturas que registran las dos sondas del RT 65,

ya que una de ellas está situada un centímetro más alejada que la otra respecto del eje de

la batería.

Por otro lado, las curvas de temperatura del RT 65 no muestran el cambio de fase

correctamente. El motivo podría ser que las sondas se hayan visto desplazadas como

consecuencia de un frente de fusión no uniforme. Es decir, que el PCM haya fundido bajo

la sonda antes que en el punto de medida y un trozo de PCM aun sólido haya descendido

por su propio peso arrastrando a la sonda consigo y sumergiéndola en el fluido.

En la Figura 53 se muestra una imagen del ensayo de enfriamiento y en la Figura 54

pueden verse las medidas de temperatura obtenidas durante el mismo.

Figura 53. Ensayo de enfriamiento de la batería térmica con doble umbral de temperaturas

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

79

Figura 54. Medidas del ensayo de enfriamiento de la batería térmica con doble umbral de temperaturas

Las condiciones al inicio del ensayo son similares a las comentadas para el de

calentamiento. En este caso no se realiza ningún aporte de energía a la batería, sino que se

introduce en un entorno de temperaturas muy bajas para simular su comportamiento en

condiciones extremas. Los resultados muestran que el RT 28 HC limita la temperatura del

agua a unos 27ºC durante casi cinco horas. Sin embargo, puede verse que la temperatura

del agua es ligeramente inferior a la de fusión del RT 28 HC. Esto puede deberse a una

diferencia de altura de las sondas y a que el aislamiento superior no es ideal.

4.2 MODELADO MATEMÁTICO

Para validar los ensayos experimentales se han realizado las simulaciones

correspondientes al ensayo de enfriamiento del prototipo de batería térmica con doble

rango de temperaturas en dos dimensiones y considerando una disposición axil-simétrica.

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

80

La Dinámica de Fluidos Computacional o CFD3, es una rama de la Mecánica de Fluidos

que realiza el análisis del comportamiento de los fluidos en movimiento y de sus

fenómenos asociados a través de la simulación por ordenador. Los programas CFD

comerciales son potentes y fáciles de utilizar, por lo que su uso es muy frecuente a nivel

industrial, ya que permiten reducir el número de ensayos experimentales y los tiempos de

desarrollo de los productos, así como proporcionar una gran cantidad de información y

dibujos detallados.

La Dinámica de Fluidos Computacional surge como una necesidad para resolver las

ecuaciones de Navier-Stokes, ecuaciones diferenciales en derivadas parciales cuya

resolución analítica sólo es posible en casos sencillos. Estas ecuaciones describen

cualquier situación de flujo de fluidos, difiriendo cada caso en las condiciones de

contorno.

En este Proyecto, para el modelado matemático de la fusión/solidificación se ha

empleado la plataforma FLUENT, que usa el método de la entalpía-porosidad para la

resolución de este tipo de problemas. La frontera de cambio de fase se modela como un

medio poroso, cuyo valor de porosidad es el correspondiente a la fracción líquida del

material, es decir, a la fracción de volumen en forma líquida asociada a cada celda del

volumen de control, tomando valores entre 0 y 1.

4.2.1 FUNDAMENTO TEÓRICO

4.2.1.1 Ecuación de la energía

La entalpía total de un material de cambio de fase resulta de la suma de la entalpía

sensible y del calor latente:

3 CFD son las siglas de la palabra inglesa Computational Fluid Dynamics; en español Dinámica de Fluidos

Computacional.

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

81

La fracción líquida se define como:

Ahora podemos considerar el calor latente del material en función de la fracción líquida,

por lo que variará entre 0 para la parte sólida y L para la líquida.

Por último, la ecuación de conservación de la energía para los problemas de cambio de

fase se corresponde con la 4.1. El primer término representa la acumulación de energía

en el material, el segundo el transporte convectivo de energía y el término de la derecha

de la igualdad el transporte de energía por conducción [MACI07].

4.2.1.2 Ecuación de la cantidad de movimiento

La ecuación que rige la conservación de la cantidad de movimiento en un problema de

cambio de fase se corresponde con la 4.2. El primer término representa la aceleración del

fluido y el segundo el efecto convectivo en el interior del PCM: al otro lado de la

igualdad tenemos en orden de izquierda a derecha: el gradiente de presiones, el tensor de

esfuerzos τ, que se describe en la ecuación 4.3, los efectos por las fuerzas de cuerpo

gravitacional y el término S, denominado sumidero de la cantidad de movimiento, se

explica a continuación

(E. 4.2)

(E. 4.1)

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

82

El sumidero de la cantidad de movimiento surge debido a que en la zona sólida del

material la porosidad es nula, por lo que las velocidades deben hacerse cero. Es por ello

que introducimos este término, cuya expresión se muestra en la ecuación 4.4.

ε es un número muy pequeño (0.001) para evitar divisiones por cero, Amush es la constante

del frente de cambio de fase, pudiendo tomar valores 104 y 10

7, y la velocidad hace

referencia a la relativa entre ambas fases.

4.2.1.3 Modelo multifase

Dado que en nuestra geometría se estudian dos Materiales de Cambio de Fase de forma

simultánea, es necesario emplear un modelo multifase. De entre todos los modelos

disponibles (VOF, euleriano y mixto), el más adecuado para resolver problemas de

solidificación/fusión es el modelo VOF4, ya que considera que los fluidos son

inmiscibles. La formulación matemática consiste en incorporar una variable adicional por

cada fluido, que represente la fracción de volumen de los mismos en cada celda, de tal

forma que el sumatorio sea la unidad. Es decir, si la fracción de volumen del fluido

genérico q se representa por αq, entonces puede ocurrir:

αq = 0, luego la celda no contiene al fluido q.

αq = 1, luego la celda esta completamente llena del fluido q.

0 < αq < 1, luego la celda contiene la frontera entre el fluido q y uno o varios más.

La ecuación de continuidad que el sistema resuelve para el fluido genérico q se representa

en 4.5, teniendo en cuenta que el término de la derecha se anula en nuestro caso al no

darse transferencia de masa alguna entre los fluidos.

4 VOF son las siglas de la palabra inglesa Volume of Fluid; en español Volumen de Fluido.

(E. 4.4)

(E. 4.3)

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

83

Para el primer fluido no se resuelve la ecuación de continuidad, sino que se aplica la

expresión 4.6:

4.2.1.4 Condiciones iniciales y de contorno

Como condición inicial de todo el sistema se ha fijado una temperatura de 313K, similar a

la inicial del ensayo de enfriamiento realizado en el apartado anterior y el cual queremos

validar.

Las condiciones de contorno son de convección para el lateral, suponiendo una

temperatura del ambiente de 270ºC y un coeficiente de película de 6W/m2K; de

asilamiento ideal tanto en la parte superior como en la inferior; y de eje de axil-simetría

para el eje de la batería, por lo que debe coincidir con el eje X de FLUENT, el horizontal.

Debido a esta condición la batería se representa girada 90º.

4.2.2 RESULTADOS

En este apartado se muestran los resultados obtenidos en la simulación con FLUENT en

las condiciones previamente mencionadas.

Las propiedades del RT 28 HC y del RT 65 pueden verse en la Tabla 12 y en la Tabla 13

respectivamente. Las propiedades asumidas para el poliestireno expandido se muestran en

la Tabla 22. Las propiedades del aluminio son las que el propio FLUENT tiene

almacenadas en su base de datos de materiales.

(E. 4.6)

(E. 4.5)

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

84

Densidad [kg/m3] 15

Calor específico [J/kgK] 1700

Conductividad térmica [W/mK] 0.04

Tabla 22. Propiedades del poliestireno expandido para la simulación con FLUENT

En la Figura 55 puede verse la distribución de temperaturas para varios instantes de

tiempo y en la Figura 56 el movimiento de la frontera de cambio de fase a medida que el

RT 28 HC solidifica.

Figura 55. Contornos de temperatura para un tiempo de 2000s, 4000s, 8000s, 15.000s y 25.000s (de

izquierda a derecha)

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

85

Figura 56. Frontera de cambio de fase del RT 28 HC para un tiempo de 10.000s, 20.000s y 40.000s (de

izquierda a derecha)

Los resultados muestran que la temperatura del interior de la batería no desciende por

debajo de 28ºC hasta aproximadamente un tiempo de cuarenta mil segundos, bastante

mayor que los 20.000 segundos obtenidos experimentalmente, algo lógico si tenemos en

cuenta que, en las simulaciones por ordenador, se considera que no se producen pérdidas

de calor por la parte superior e inferior de la batería, y que las propiedades del aislante del

lateral son mejores que en la realidad.

4.3 CONCLUSIONES

La batería térmica con doble umbral de temperaturas diseñada, no realiza correctamente

sus funciones de limitar la temperatura del objeto del interior cuando se produce un

aumento de la generación de energía, ya que la conductividad de los Materiales de

Cambio de Fase es demasiado baja para garantizar una correcta transferencia de calor. Es

necesario desarrollar nuevas arquitecturas que mejoren la conductividad térmica del

sistema, como puede ser la incorporación de aletas al interior de la batería, ya que, como

se ha visto en el ensayo de enfriamiento y en las simulaciones con software matemático,

cuando esto se consigue, los PCMs resultan una tecnología con un gran potencial.

Modelado de una Batería Térmica con Doble Umbral de Temperaturas

86

Gestión térmica de vehículos

87

Capítulo 5 GESTIÓN TÉRMICA DE VEHÍCULOS

En el apartado 2.5.6 se comentaban las elevadas necesidades de climatización de los

diferentes tipos de vehículos y cómo los PCMs parecen una tecnología candidata para

conseguir un ahorro importante en el consumo de energía y una mejora de la eficiencia.

En este capítulo se pretende determinar la viabilidad de esta tecnología como elemento

pasivo de gestión térmica, cuando estos materiales se sitúan en el techo, suelo y puertas

del vehículo.

El trabajo realizado en este capítulo se enmarca dentro de un proyecto de mayor

amplitud, que consta de los siguientes puntos:

1. Desarrollo del modelo térmico del habitáculo de un vehículo genérico, empleando la

analogía termoeléctrica con el software matemático MATLAB-Simulink.

2. Validación del modelo mediante ensayos reales.

3. Refinamiento del modelo y análisis de sensibilidad para determinar los parámetros

más influyentes en las cargas térmicas de un vehículo.

4. Modelado de un Material de Cambio de Fase empleando la analogía termoeléctrica,

mediante el software matemático MATLAB-Simulink.

5. Incorporación del modelo térmico de los PCMs al del habitáculo del vehículo

desarrollado en el punto 1.

6. Validación del modelo conjunto mediante ensayos reales con un vehículo al que se le

incorpora un PCM en el techo, el suelo y las puertas.

En este Proyecto se han completado tanto el primero como el segundo punto y se ha

comenzado a trabajar en el cuarto y en el sexto. Una parte del trabajo realizado se ha

Gestión térmica de vehículos

88

presentado al European Electric Vehicle Congress, que se celebrará en Bruselas del 19 al

22 de Noviembre de 2012. Para más información puede consultarse la página web

[EEVC12].

5.1 MODELO TERMOELÉCTRICO DEL HABITÁCULO DE UN

VEHÍCULO

El programa MATLAB, gracias a la biblioteca SimPowerSystems comprendida en la

herramienta Simulink, nos permite resolver circuitos eléctricos tanto en régimen

permanente como transitorio. Mediante la analogía termoeléctrica podemos transformar

un problema de transferencia de calor en un circuito eléctrico, lo que nos facilita

enormemente su resolución.

A continuación se comentan las analogías termoeléctricas correspondientes a los diversos

modos de transferencia de calor (conducción, convección y radiación), necesario para

comprender el modelo del habitáculo que se describirá más adelante.

5.1.1 ANALOGÍA DE LA CONDUCCIÓN

Considérese una pared, cuya sección transversal se muestra en la Figura 57, en la que las

superficies extremas se encuentran a temperaturas T1 y T2.

Figura 57. Sección transversal de una pared [INCR99]

Entre ambas superficies se establecerá un flujo de calor en el sentido de las temperaturas

decrecientes. En este caso se dice que la potencia calorífica se transfiere por conducción,

que rige para sistemas en los que hay un gradiente térmico sin movimiento macroscópico

Gestión térmica de vehículos

89

entre sus partículas, típicamente en los materiales sólidos [INCR99].

La ecuación de Fourier rige la transferencia de calor por conducción a través de un

cuerpo. En 5.1 puede verse esta ecuación considerando un flujo de calor unidimensional:

donde q representa el flujo de calor, k la conductividad térmica del material, A su sección

y el gradiente de temperatura en la dirección del flujo de calor. El signo menos indica

que el flujo calorífico lleva el sentido de las temperaturas decrecientes.

Por lo tanto, para el caso de una pared plana de espesor L, la ecuación queda como la 5.2.

Si realizamos una analogía con la ley de Ohm podemos asemejar la temperatura al voltaje

y el flujo de calor a la intensidad, por lo que el valor de la resistencia térmica sería el que

se muestra en la ecuación 5.3.

Por otro lado, el calor instantáneo que el material es capaz de almacenar vendrá dado por

la ecuación 5.4.

siendo C el calor específico del material, que normalmente se da en unidades de J/kgK, y

M su masa, que se corresponde con la de un condensador en un circuito eléctrico.

En la Figura 58 pueden verse diversos diseños de analogías termoeléctricas.

(E. 5.4)

(E. 5.3)

(E. 5.2)

(E. 5.1)

Gestión térmica de vehículos

90

Figura 58. Diversos criterios para la representación de la analogía termoeléctrica [ORTI04]

En el modelo desarrollado se ha empleado la analogía en Pi, según la cual cada material

se representa mediante dos condensadores, simulando cada uno de ellos el

almacenamiento de calor en cada mitad del material, y una sola resistencia conductiva

para todo él, lo que nos permite determinar las temperaturas en sus extremos de manera

fiable. En la Figura 59 se muestra un ejemplo del modelo en Pi.

Figura 59. Analogía termoeléctrica en Pi de la transferencia de calor unidimensional por conducción

Otra modelo muy habitual es la analogía termoeléctrica en T. Frente a la analogía en Pi,

cada material se representa mediante dos resistencias conductivas, simulando cada una de

ellas la mitad del material, y un solo condensador, que simula el almacenamiento de calor

en todo él, lo que nos permite determinar de manera fiable la temperatura del punto

medio.

Gestión térmica de vehículos

91

5.1.2 ANALOGÍA DE LA CONVECCIÓN

La convección es la transferencia de calor entre un sólido y un fluido debido a la

diferencia de temperaturas. Se rige por la ley de enfriamiento de Newton, que se

corresponde con la ecuación 5.5.

donde q representa el flujo de calor, h el coeficiente de película o de convección, A el

área de intercambio de calor, Ts la temperatura de la superficie del material y T∞ la

temperatura de la corriente libre del fluido. Al igual que antes podemos expresarla en

términos de la denominada resistencia convectiva (véase la ecuación 5.6).

En la Figura 60 se muestra un ejemplo de la analogía termoeléctrica de la convección con

el ambiente, cuya temperatura se simula mediante una fuente de tensión.

Figura 60. Analogía termoeléctrica de la transferencia de calor unidimensional por convección

5.1.3 ANALOGÍA DE LA RADIACIÓN

La radiación es energía en forma de ondas electromagnéticas emitida por toda clase de

materia a temperatura superior al cero absoluto. La transferencia de calor por radiación se

rige por la ley de Stefan-Boltzmann, que se corresponde con la ecuación 5.7.

donde q representa el flujo de calor, Ts la temperatura superficial, σ es la constante de

Stefan-Boltzmann, correspondiente a 5,67·10-8

W/m2K

4, y

ε es una propiedad del material

(E. 5.7)

(E. 5.6)

(E. 5.5)

Gestión térmica de vehículos

92

denominada emitancia, que depende de su temperatura y del acabado superficial,

tomando valores entre 0 y 1.

Como puede verse en la Figura 61, si se considera una lámina de un material sobre la que

incide una radiación térmica por unidad de área, a la que se denomina irradiancia o

radiación incidente G, parte de esta radiación será reflejada, ρ·G, otra absorbida, α·G, y la

restante, y sólo si el material no es completamente opaco, lo atravesará como radiación

transmitida, τ·G. Además, la lámina contará con su emisión propia E [INCR99].

Figura 61. Comportamiento radiativo de una superficie [INCR99]

Por lo tanto, las propiedades radiativas de un material son la reflectancia ρ, la absortancia

α y la transmitancia τ, que dependen fundamentalmente del material y rugosidad de la

superficie, de la longitud de onda de la radiación incidente, de la inclinación de ésta y, en

el caso de sustancias semitransparentes, del espesor de material.

Un caso importante de intercambio de energía radiante está constituido por una pequeña

superficie isoterma a temperatura T1, que se encuentra completamente envuelta por otra

superficie isoterma mucho mayor, a temperatura T2, como se muestra en la Figura 62.

Figura 62. Intercambio radiante entre dos superficies

Gestión térmica de vehículos

93

En este caso, si consideramos que la superficie 1 se comporta como un cuerpo gris, es

decir, que su absortancia y emitancia presentan el mismo valor, la potencia calorífica

intercambiada entre las dos superficies se corresponde con la ecuación 5.8.

Para el modelo del habitáculo de un vehículo es necesario considerar la radiación solar.

Por un lado, el sol radia como un cuerpo negro a unos 5765 K, siendo la radiación

incidente en el exterior de la atmósfera terrestre de 1353 W/m2 de media anual. Debido a

las absorciones y reflexiones atmosféricas, la radiación solar que llega a la superficie de

la Tierra es de unos 1000 W/m2 al mediodía de un día despejado en el ecuador. Por otro

lado, según el modelo de la temperatura efectiva, el intercambio radiativo con el cielo

puede obtenerse mediante la ecuación 5.8, siendo su temperatura la del ambiente si hay

nubes bajas o un valor por debajo de los cero grados Celsius si está despejado.

En la Figura 63 puede verse un ejemplo de la analogía termoeléctrica para la transferencia

de la potencia calorífica por radiación, que se representa mediante dos fuentes de

intensidad con los valores apropiados.

(E. 5.8)

Gestión térmica de vehículos

94

Figura 63. Analogía termoeléctrica de la transferencia de calor unidimensional por radiación: irradiancia

solar (izquierda) e intercambio radiativo con el cielo (derecha)

La radiación emitida por el terreno sobre el que circula el vehículo, así como la reflejada

en él, se consideran despreciables de cara al modelo del habitáculo.

5.1.4 MODELO COMPLETO

A continuación se presenta el modelo térmico del habitáculo de un vehículo empleando la

analogía termoeléctrica previamente comentada. El modelo consta de cuatro ramas, ya

que las superficies con las mismas características relativas a la transferencia de calor se

han agrupado para simplificar la visualización del conjunto. Aun así, el modelo sigue

siendo demasiado grande para mostrarlo de una sola vez, por lo que cada una de sus

ramas se muestra por separado.

En la Figura 64 puede verse la rama correspondiente al flujo de calor a través de la luna

delantera del vehículo, en la Figura 65 la correspondiente a la luna trasera y a las

ventanillas laterales, en la Figura 66 la correspondiente al techo, que también incluye la

Gestión térmica de vehículos

95

transferencia de calor lateral, y en la Figura 67 la correspondiente al suelo. Por último, en

la Figura 68 pueden verse las analogías eléctricas correspondientes a la capacidad de

almacenamiento de calor del aire del interior del habitáculo, a la radiación solar

transmitida a través de los cristales y a la potencia calorífica que el motor de combustión,

en el caso de vehículos convencionales, o el motor eléctrico y las baterías, en el caso de

coches eléctricos, ceden al habitáculo.

Figura 64. Rama de la luna delantera

Gestión térmica de vehículos

96

Figura 65. Rama de la luna trasera y ventanillas laterales

Gestión térmica de vehículos

97

Figura 66. Rama del techo

Gestión térmica de vehículos

98

Figura 67. Rama del suelo

Gestión térmica de vehículos

99

Figura 68. Interior del habitáculo

Las propiedades asumidas inicialmente para los materiales presentes en el modelo pueden

verse en la Tabla 23, en la Tabla 24, en la Tabla 25 y en la Tabla 26. Los espesores de los

mismos en cada una de las partes del vehículo se muestran en la Tabla 27.

Vidrio:

Densidad [kg/m3] 2500

Calor específico [J/kgK] 836

Conductividad térmica [W/mK] 0,95

Absortancia [-] 0,1

Transmitancia [-] 0,8

Emitancia [-] 0,1

Tabla 23. Propiedades del vidrio

Gestión térmica de vehículos

100

Textil:

Densidad [kg/m3] 1380

Calor específico [J/kgK] 400

Conductividad térmica [W/mK] 0,2

Tabla 24. Propiedades del textil

Acero:

Densidad [kg/m3] 7850

Calor específico [J/kgK] 480

Conductividad térmica [W/mK] 58

Absortancia [-] 0,7

Emitancia [-] 0,2

Tabla 25. Propiedades del acero

Aire:

Densidad [kg/m3] 1,27

Calor específico [J/kgK] 1012

Absortancia [-] 0,5

Tabla 26. Propiedades del vidrio

Vidrio Textil Acero

Luna delantera 4 mm - -

Luna trasera y ventanillas

laterales 2 mm

- -

Techo y laterales - 2 mm 1 mm

Suelo - 2 mm 1 mm

Tabla 27. Espesores de los materiales en las diversas partes del coche

Gestión térmica de vehículos

101

En la Tabla 28 se muestran los valores de las superficies del vehículo, que se

corresponden con las de un Opel Omega, ya que posteriormente los ensayos

experimentales se realizarán con dicho automóvil.

Área [m2]

Luna delantera 1,05

Luna trasera 0,91

Ventanillas laterales 1,3

Techo 1,95

Lateral 3,36

Suelo 3,12

Tabla 28. Superficie de las distintas partes de un Opel Omega

Para comprobar que el modelo nos permite obtener unos resultados coherentes, se han

realizado las simulaciones iniciales que pueden verse a continuación.

En la Figura 69 se muestra la curva de temperaturas del habitáculo del vehículo obtenida

con los valores de las variables de la Tabla 29.

Temperatura ambiente [ºC] 30

Temperatura del cielo [ºC] -5

Temperatura inicial del vehículo [ºC] 20

Coeficiente de convección exterior [W/m2K] 60

Coeficiente de convección interior [W/m2K] 5

Irradiancia solar [W/m2] 900

Potencia del motor de combustión/motor

eléctrico y baterías cedida al habitáculo [W] 0

Tabla 29. Valores de las variables (1)

Gestión térmica de vehículos

102

Figura 69. Temperaturas del habitáculo para los valores (1)

En la Figura 70 se muestra la curva de temperaturas del habitáculo del vehículo obtenida

con los valores de las variables de la Tabla 30.

Temperatura ambiente [ºC] 30

Temperatura del cielo [ºC] -5

Temperatura inicial del vehículo [ºC] 20

Coeficiente de convección exterior [W/m2K] 60

Coeficiente de convección interior [W/m2K] 5

Irradiancia solar [W/m2] 0

Potencia del motor de combustión/motor

eléctrico y baterías cedida al habitáculo [W] 0

Tabla 30. Valores de las variables (2)

Gestión térmica de vehículos

103

Figura 70. Temperaturas del habitáculo para los valores (2)

En este caso puede verse cómo, al alcanzar el régimen estacionario, la temperatura del

habitáculo no sobrepasa la temperatura ambiente al no darse ningún aporte radiativo

sobre el vehículo.

En la Figura 71 se muestra la curva de temperaturas del habitáculo del vehículo obtenida

con los valores de las variables de la Tabla 31.

Temperatura ambiente [ºC] -5

Temperatura del cielo [ºC] -5

Temperatura inicial del vehículo [ºC] 20

Coeficiente de convección exterior [W/m2K] 60

Coeficiente de convección interior [W/m2K] 5

Irradiancia solar [W/m2] 0

Potencia del motor de combustión/motor

eléctrico y baterías cedida al habitáculo [W] 0

Tabla 31. Valores de las variables (3)

Gestión térmica de vehículos

104

Figura 71. Temperaturas del habitáculo para los valores (3)

Lógicamente en este caso la temperatura del habitáculo desciende hasta igualarse con la

temperatura ambiente.

En la Figura 72 se muestra la curva de temperaturas del habitáculo del vehículo obtenida

con los valores de las variables de la Tabla 32.

Temperatura ambiente [ºC] -5

Temperatura del cielo [ºC] -5

Temperatura inicial del vehículo [ºC] 20

Coeficiente de convección exterior [W/m2K] 60

Coeficiente de convección interior [W/m2K] 5

Irradiancia solar [W/m2] 0

Potencia del motor de combustión/motor

eléctrico y baterías cedida al habitáculo [W] 1000

Tabla 32. Valores de las variables (4)

Gestión térmica de vehículos

105

Figura 72. Temperaturas del habitáculo para los valores (4)

Al recibir un aporte energético desde el motor, en el régimen estacionario el habitáculo

alcanza una temperatura más alta que el caso anterior.

Los resultados obtenidos son coherentes con lo esperado a nivel teórico.

5.2 VALIDACIÓN DEL MODELO

Para comprobar que el modelo desarrollado en MATLAB se ajusta a la realidad, se han

llevado a cabo una serie de ensayos en circuito urbano, monitorizando en todo momento

durante los trayectos las temperaturas de diversas partes del vehículo: suelo, techo, luna

delantera, luna trasera, puerta delantera, ventanilla trasera, asiento del copiloto e interior

del habitáculo.

En la Figura 73 puede verse la instalación de las sondas de temperatura en el vehículo,

que, cómo ya se comentó en el apartado anterior, se corresponde con un Opel Omega de

150CV.

Gestión térmica de vehículos

106

Figura 73. Sondas de temperatura en Opel Omega

El primer ensayo, cuyos resultados pueden verse en la Figura 74, se realizó a primeras

horas de la mañana para evitar temperaturas altas y la incidencia directa de la radiación

solar. La temperatura ambiente durante el recorrido se mantuvo en 11ºC.

Figura 74. Temperaturas registradas en el primer ensayo con Opel Omega

Gestión térmica de vehículos

107

El segundo ensayo, cuyos resultados pueden verse en la Figura 75, se realizó a media

mañana para que la radiación solar fuera más elevada, así como la temperatura ambiente,

que en este caso era de 20ºC.

Figura 75. Temperaturas registradas en el segundo ensayo con Opel Omega

En ambos ensayos se observó que los aumentos súbitos de temperatura de las sondas se

corresponden con una incidencia directa de la radiación solar sobre ellas, por lo que la

posición del vehículo respecto del sol influye enormemente en las medidas tomadas.

Para ver si nuestro modelo nos ofrece los mismos resultados, es necesario realizar las

simulaciones con las mismas condiciones que los ensayos reales. En la Tabla 33 se

muestran los valores asumidos para el primer ensayo con el Opel Omega, y en la Tabla

34 los asumidos para el segundo. En ambos casos, la potencia calorífica cedida por el

motor se ha estimado en aproximadamente un 1% de la total y el coeficiente de

convección exterior en 25W/m2K, un valor típico para una velocidad media de 30km/h.

Gestión térmica de vehículos

108

Temperatura ambiente [ºC] 11

Temperatura del cielo [ºC] -5

Temperatura inicial del vehículo [ºC] 15

Coeficiente de convección exterior [W/m2K] 25

Coeficiente de convección interior [W/m2K] 5

Irradiancia solar [W/m2] 300

Potencia del motor de combustión/motor

eléctrico y baterías cedida al habitáculo [W] 1200

Tabla 33. Valores de las variables para validar el primer ensayo con Opel Omega

Temperatura ambiente [ºC] 20

Temperatura del cielo [ºC] -5

Temperatura inicial del vehículo [ºC] 25

Coeficiente de convección exterior [W/m2K] 25

Coeficiente de convección interior [W/m2K] 5

Irradiancia solar [W/m2] 900

Potencia del motor de combustión/motor

eléctrico y baterías cedida al habitáculo [W] 1200

Tabla 34. Valores de las variables para validar el segundo ensayo con Opel Omega

Los resultados obtenidos con el modelo en Simulink para el primer y el segundo ensayo

se muestran en la Figura 76 y en la Figura 77 respectivamente.

Gestión térmica de vehículos

109

Figura 76. Temperaturas del habitáculo simuladas para los valores del primer ensayo con Opel Omega

Figura 77. Temperaturas del habitáculo simuladas para los valores del segundo ensayo con Opel Omega

En ambos casos las gráficas no se corresponden con los ensayos experimentales, ya que

las pendientes del transitorio obtenidas son mucho más elevadas que en la realidad.

Es necesario realizar una mejora del modelo refinando los valores supuestos de las

propiedades de los materiales, así como del resto de parámetros, para que los resultados

matemáticos concuerden con los de la realidad. Sin embargo, este trabajo queda ya fuera

del ámbito del presente Proyecto.

Gestión térmica de vehículos

110

5.3 INCORPORACIÓN DE PCMS EN UN VEHÍCULO

De acuerdo con los puntos expuestos al comienzo de este capítulo y en los que se centra

este trabajo sobre la gestión térmica en vehículos, el último paso consiste en incorporar

los Materiales de Cambio de Fase a un vehículo, para realizar una serie de ensayos reales

que permitan determinar su capacidad de limitación de las cargas térmicas.

En la Figura 78 se muestran los primeros esfuerzos por integrar estos materiales en un

vehículo, en este caso, en las puertas delanteras.

Figura 78. PCM integrado en las puertas de un vehículo

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

111

Capítulo 6 ADHESIVOS CON MATERIAL DE

CAMBIO DE FASE

La última aplicación para los Materiales de Cambio de Fase descrita en este Proyecto es

su integración en adhesivos de gota de resina, lo que proporciona una manera sencilla y

económica de acoplar los PCMs a un gran número de dispositivos con requerimientos de

refrigeración.

6.1 PROCESO DE FABRICACIÓN

El proceso de fabricación de un adhesivo de gota de resina tiene tres partes:

1. El primer paso consiste en fabricar la resina, que se consigue mediante mezcla a

partes iguales de dos resinas poliuretánicas líquidas, durante 5 minutos, en un

recipiente en el que se ha hecho el vacío. En la Figura 79 puede verse la máquina

empleada para este proceso.

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

112

Figura 79. Resinas poliuretánicas y máquina de mezcla

2. La segunda parte del proceso consiste en esparcir la resina líquida por encima de los

adhesivos, realizándose su aplicación mediante una aguja que funciona a presión. La

alta tensión superficial de la resina evita que ésta se extienda fuera de las pegatinas.

En la Figura 80 puede verse este proceso.

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

113

Figura 80. Aplicación de la resina a los adhesivos

3. El tercer paso consiste en secar la resina a una temperatura de entre 35 y 40ºC,

durante un tiempo de unas 3 ó 4 horas, hasta que solidifica por completo. En la Figura

81 puede verse el típico horno empleado para este proceso.

Figura 81. Horno de secado de los adhesivos de gota de resina

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

114

En la Figura 82 puede verse la primera tanda de adhesivos de gota de resina fabricados y

en la Figura 83 la segunda. A continuación se comenta qué PCM se ha integrado en cada

una de las pegatinas así como el método empleado.

Figura 82. Primera tanda de adhesivos de gota de resina con PCM

1

1

1

1

1

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

115

Figura 83. Segunda tanda de adhesivos de gota de resina con PCM

1. El primer método de integración de un PCM en adhesivos de gota de resina consiste

en añadir PX 42, que, como ya se sabe, es un ss-PCM de tamaño medio de partícula

250μm, a las resinas poliuretánicas previamente a la mezcla en la máquina de vacío,

resultando la proporción final en una parte de PCM por cada dos de resina. Aunque en

la Figura 82 pueden verse claras diferencias entre los adhesivos numerados con un 1,

todos ellos se realizaron mediante este procedimiento. El motivo es que al comienzo

de la aplicación de la resina, aunque la aguja empleada tenía un diámetro de 1mm y la

mezcla parecía bastante hom*ogénea, incluso a máxima presión, las partículas de PX

42 se quedaban en el émbolo obstruyendo la salida. Las dos pegatinas de la columna

izquierda apenas llevan PCM integrado en la resina, lo que puede apreciarse en su

transparencia. A medida que el PX42 conseguía salir de la aguja se obtenían

adhesivos con una mayor concentración de este material, perdiendo la transparencia

en favor de un cúmulo de partículas blancas. La pegatina de la esquina inferior

2

3

4

5

5

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

116

izquierda es, obviamente, la que mayor concentración de PX 42 presenta. De todas

formas, la perturbación de la resina con las partículas del PCM afecta a su tensión

superficial, de tal forma que la mezcla no se ajustaba perfectamente a las dimensiones

de los adhesivos. Otro problema de este método es la completa incertidumbre acerca

de la cantidad de PCM aplicada a cada adhesivo.

2. Vistas las dificultades del primer método de integración de PCMs en adhesivos de

gota de resina, se consideró la posibilidad de colocar el material encima de la pegatina

y esparcir la resina de la manera habitual, con la finalidad de crear un compartimento

estanco que impidiera la fuga del PCM al fundir. La pegatina número 2 está fabricada

con dos gramos de RT 65. Al igual que antes, al introducir una perturbación en la

pegatina, la resina no se ajustaba al contorno, derramándose ligeramente por fuera.

3. La pegatina número 3 se fabricó con el mismo método que la 2, sólo que en este caso

se emplearon tres gramos de RT 28 HC, en vez de RT 65. Puede verse que al

introducir el adhesivo en el horno a 40ºC, el PCM pasó a fase líquida y, al no estar la

resina completamente solidificada, se salió fuera de la pegatina.

4. La pegatina número 4 se fabricó igual que la 2 y la 3, pero con dos gramos de PX 42,

aunque no se consiguió evitar el problema de la perturbación de la tensión superficial

de la resina.

5. En las pegatina numeradas con un 5, el método de integración del PCM consistió en

realizar la aplicación de la resina de la manera convencional y posteriormente esparcir

PX 42 por encima, que se introduciría en la resina por su propio peso. Aunque con

poco PX 42 no se producía ningún problema, a medida que se aumentaba la cantidad

de PCM la resina tendía a derramarse por los bordes del adhesivo.

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

117

6.2 ENSAYOS EXPERIMENTALES

A continuación se describen los ensayos realizados con los adhesivos de resina con PCM

fabricados. En una primera parte cada una de las pegatinas se somete a una temperatura

superior a la de fusión de sus respectivos PCMs para comprobar que no se producen

pérdidas de material. Posteriormente se comenta un ensayo realizado incorporando uno

de los adhesivos a un dispositivo electrónico con requerimientos de refrigeración.

6.2.1 COMPROBACIÓN DE LA ESTABILIDAD DE LOS ADHESIVOS

Todos los adhesivos de gota de resina fabricados se sometieron a unas temperaturas

superiores a las de fusión de cada de sus respectivos PCMs, para comprobar si al fundir

se producían fugas en la pegatina.

Todas las pegatinas que incorporan PX 42 no dieron ningún problema al ser ensayadas,

más allá de unas pocas partículas que se desprendían, pero en una proporción mínima

respecto del total.

Por el contrario, los resultados no fueron tan buenos al ensayar el adhesivo con RT 65. La

resina no consiguió cubrir por completo una gran cantidad de este material que, al fundir,

se derramó por el exterior. En la Figura 84 puede verse este adhesivo antes del

calentamiento y cómo, durante el ensayo, se produjo el fenómeno descrito.

Por otro lado, los ensayos también sirvieron para evaluar el comportamiento de la resina a

esas temperaturas, determinándose que su estabilidad y sus propiedades no se ven

afectadas.

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

118

Figura 84. Adhesivo de gota de resina con RT 65 antes de ser calentado (arriba) y durante el ensayo

(abajo)

6.2.2 ENSAYO CON TRANSFORMADOR DE ORDENADOR PORTÁTIL

Para realizar un primer ensayo con los adhesivos fabricados se ha elegido un

transformador del cargador de un ordenador portátil. La razón es que, ante determinados

requerimientos, su temperatura asciende desde unos 35 hasta unos 50ºC, intervalo que

nos permite comprobar claramente si los adhesivos con PX 42 consiguen limitar la

temperatura del dispositivo.

En la Figura 85 se muestra la curva de temperaturas registrada para el transformador en

su funcionamiento habitual. Las lecturas realizadas en el ensayo con los termopares

corresponden a los siguientes parámetros, indicándose junto a ellos la nomenclatura

empleada:

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

119

Envolvente del transformador:

Dos medidas (caras opuestas): Dispositivo1, Dispositivo2

Temperatura ambiente: Ambiente

Figura 85. Medida de temperaturas del transformador de un ordenador portátil sin adhesivo de gota de

resina con PCM

En la Figura 86 puede verse el dispositivo con uno de los adhesivos de gota de resina

número 5 pegado a él, y en la Figura 87 se muestran las curvas de temperatura

registradas. Las lecturas realizadas en el ensayo con los termopares corresponden a los

siguientes parámetros, indicándose junto a ellos la nomenclatura empleada:

Envolvente del transformador bajo el adhesivo: Dispositivo1

Envolvente del transformador (cara opuesta): Dispositivo2

Exterior del adhesivo: Adhesivo

Temperatura ambiente: Ambiente

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

120

Figura 86. Transformador de un ordenador portátil con adhesivo de gota de resina con PX 42

Figura 87. Medida de temperaturas del transformador de un ordenador portátil con adhesivo de gota de

resina con PX 42

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

121

Los resultados muestran que el adhesivo no es capaz de limitar la temperatura del

dispositivo por debajo de la de fusión del PX 42, esto es, entre 38 y 43ºC. Sin embargo, sí

que se aprecia una ligera reducción de la temperatura medida debajo de la pegatina

respecto a la de la cara opuesta del transformador, y cómo, a los 1700 segundos, cuando

todo el PCM ya ha fundido, puesto que la temperatura exterior de adhesivo son 43ºC,

ambas temperaturas se igualan. Seguramente la cantidad de PX 42 que incorpora el

adhesivo en esta primera fase de ensayos no ha resultado ser suficiente para realizar una

correcta gestión térmica del transformador.

6.3 CONCLUSIONES

Se ha estudiado la integración de algunos Materiales de Cambio de Fase en adhesivos de

gota de resina mediante diversas técnicas, ya que se considera una forma sencilla y

económica para aplicar estos materiales a multitud de dispositivos con requerimientos de

gestión térmica. Sin embargo, el procedimiento de fabricación de las pegatinas revela

ciertos problemas con difícil solución, en los que se debe continuar investigando, siendo

el más importante que la cantidad de PCM a incorporar en el adhesivo se ve limitada por

la variación de las propiedades de la resina.

Por lo tanto, podemos concluir que a este procedimiento de fabricación, tal cual se ha

realizado, no es el más adecuado para la consecución de los objetivos descritos, debiendo

investigar con nuevas configuraciones que permitan la incorporación de los PCMs en

adhesivos, puesto que la aplicación tiene un enorme potencial.

Adhesivos con Material de Cambio de Fase

122

Conclusiones y líneas futuras

123

Capítulo 7 CONCLUSIONES Y LÍNEAS FUTURAS

El presente Proyecto pretende servir como una aproximación a diversas vías de

investigación en campos donde los Materiales de Cambio de Fase puedan emplearse para

dar soluciones de gestión térmica.

A continuación se comentan las conclusiones del proyecto y algunas de las líneas futuras

de investigación, derivadas del grado de cumplimiento de los objetivos del Proyecto.

Por un lado, se pretendía analizar en profundidad las características y el comportamiento

de los Materiales de Cambio de Fase. Para ello se han adquirido una serie de PCMs en

diversas formas comerciales y se han llevado a cabo una serie de ensayos experimentales.

Aunque algunas de las propiedades de estos materiales no se han podido determinar, los

ensayos han demostrado ser de gran valor, ya que la toma de medidas de temperatura en

los PCMs no es una tarea sencilla, siendo necesario realizarlas empíricamente para

entender y solucionar muchos de los problemas que se presentan.

Por otro lado, se pretendía identificar potenciales aplicaciones para los PCMs en áreas de

ingeniería en las que una mejor transferencia de calor permitiría mejoras sustanciales.

Una vez identificadas dichas áreas, el objetivo consistía en desarrollar diseños modulares

de elevada polivalencia que pudieran ser usados en el mayor número de aplicaciones

posibles. Gracias a una revisión minuciosa del Estado de la Técnica actual,

fundamentalmente literatura científica y patentes, se ha podido identificar un gran número

de aplicaciones de los PCMs. A partir de ese punto, se han seguido tres vías distintas de

investigación:

Dado que existen una gran cantidad de aplicaciones y productos que deben

mantenerse en un rango de temperaturas determinado para evitar que se deterioren o

que pierdan sus propiedades, la primera línea de investigación de este Proyecto

consiste en el diseño de una batería térmica con doble umbral de temperaturas. La

primera configuración diseñada, que se ha ensayado tanto experimentalmente como

con software informático, no es capaz de responder adecuadamente ante cambios

bruscos de sus condiciones de operación, seguramente debido a la baja conductividad

térmica de los PCMs. Sin embargo, ante un descenso de la temperatura del ambiente,

la batería es capaz de mantener el producto de su interior a la temperatura de

Conclusiones y líneas futuras

124

solidificación del PCM de menor punto de fusión durante un largo periodo de tiempo.

Como primera línea futura de investigación se plantea la posibilidad de integrar aletas

en el interior de la batería, de forma que se favorezca la transferencia de calor por

conducción, pues se considera esta área como de un gran potencial.

La segunda línea de investigación se centra en la gestión térmica de vehículos, tanto

convencionales como eléctricos. Se ha comenzado el desarrollo de un modelo térmico

del habitáculo de un vehículo que incorpora Materiales de Cambio de Fase. El primer

paso ha consistido en crear el modelo térmico del habitáculo del vehículo empleando

la analogía termoeléctrica con la herramienta matemática MATLAB-Simulink. Las

primeras simulaciones muestran que los resultados del modelo son coherentes con lo

esperado a nivel teórico. Sin embargo, la validación del mismo mediante ensayos

experimentales revela que es necesario un refinamiento del modelo y un análisis de

sensibilidad, que determine los parámetros más influyentes en las cargas térmicas de

un vehículo. Como líneas futuras de investigación también se plantean la simulación

de un PCM con Simulink, su integración en el modelo del habitáculo y la validación

del conjunto mediante ensayos reales. Este último punto ya se ha comenzado,

mediante la integración de PCMs en las puertas de un vehículo.

La tercera línea de investigación consiste en la incorporación de Materiales de

Cambio de Fase en adhesivos de gota de resina mediante diversas técnicas con el fin

de refrigerar diversos dispositivos eléctricos. Sin embargo, el procedimiento de

fabricación de las pegatinas revela ciertos problemas con difícil solución, en los que

se debe continuar investigando, siendo el más importante que la cantidad de PCM a

incorporar en el adhesivo se ve limitada por la variación de las propiedades de la

resina. Por lo tanto, podemos concluir que a este procedimiento de fabricación, tal

cual se ha realizado, no es el más adecuado para la consecución de los objetivos

descritos, planteándose como una posible línea futura de investigación el desarrollo

de nuevas configuraciones que permitan la incorporación de los PCMs en adhesivos,

puesto que la aplicación tiene un gran potencial.

Por último, el objetivo de realizar un estudio de mercado para alguno de los diseños

desarrollados, no ha podido cumplirse, ya que en ninguna de las aplicaciones

consideradas, los diseños planteados han alcanzado un grado de desarrollo tal que se

pueda considerar su lanzamiento al mercado. La futura investigación en las líneas

previamente mencionadas debería permitir la consecución de este objetivo.

Bibliografía

125

BIBLIOGRAFÍA

[AHMA06] Ahmad, M., Bontemps, A., Sallée, H., Quenard, D., “Experimental

investigation and computer simulation of thermal behaviour of wallboards

containing a phase change material”. Energy and Buildings 38 (4), 357-

366, 2006.

[ALAW03] Alawadhi, E., Amon, C., “PCM thermal control unit for portable

electronic devices. Experimental and numerical studies”. IEEE

Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 26,

Marzo, 2003.

[ARCE11] Arce, P., “Application of passive termal energy storage in buildings using

PCM and awnings”. Universidad de Lleida, 2011.

[BECH11] Becherini, F., Bernardi, A., Favaro, M., Lupi, G., Vidorni, G., Carcereri,

V., Pockelè, L., De Grandi, S., “New technologies for energy storage

applied to Cultural Heritage buildings: the microclimatic monitoring of S.

Croce Museum in Florence”. MESSIB Project, 2011.

[CABE02] Cabeza, L. F., Roca, J., Nogués, M., Zalba, B., Marín, J. M.,

“Transportation and conservation of temperatura sensitive materials with

phase change materials: state of the art”. 2nd

Workshop IEA ECES Annex

17, Abril, 2002.

[CAST07] Castellón, C., “Use of Microencapsulated Phase Change Material in

Buildings ”. Universidad de Lleida, 2008.

[CAST09] Castell, A., “Analysis and implementation of termal energy storage using

Phase Change Materials for cooling applications ”. Universidad de Lleida,

2009.

[CUI_12] Cui, R., Liu, X., Yu, W., He, L., Jia, Q., Liu, X., “Preparation and

Characterization of Microencapsulated n-octadecane as Phase Change

Bibliografía

126

Materials”. Journal of Fiber Bioengineering & Informatics 51–58, 2012.

[DOLA11] Dolado, P., “Almacenamiento térmico de energía mediante cambio de

fase. Diseño y modelización de equipos de almacenamiento para

intercambio de calor con aire”. Departamento de Ingeniería Mecánica,

Universidad de Zaragoza, 2011.

[DOMI02] Domínguez, M., Arias, J. M., Díaz, R., Velasco, J., “Incorporación de

acumuladores de cambio de fase en la construcción”. Instituto del Frío,

2002.

[DOMI05] Domínguez, M., Arias, J. M., García, C., Culubert, J., “Posibilidades de los

acumuladores de cambio de fase en la climatización”. Instituto del Frío,

2005.

[DOMI08] Domínguez, M., García, C., Arias, J. M., “Los PCM en el transporte de

productos perecederos”. Instituto del Frío, 2008.

[DOMI09] Domínguez, M., García, C., Arias, J. M., “Los Materiales de Cambio de

Fase (PCM) en la construcción”. Instituto del Frío, 2009.

[ESTE11] Estévez, E., “Seasonal Heat Storage Phase Change Materials”. DTU

Danmarks Tekniske Universitet, Agosto, 2009.

[FABI10] Fabien, S., “The Manufacture of Microencapsulated Thermal Energy

Storage Compounds Suitable for Smart Textile”. Developments in Heat

Transfer. Univ Lille Nord de France, 2010.

[GARC06] García, J., Castell, A. Cabeza, L. F., “Estudio sobre el sistema de

almacenamiento de agua caliente sanitaria en un sistema solar térmico”.

Departamento de Proyectos de Ingeniería, Universidad Politécnica de

Cataluña, 2006.

[GARC09] García, C., Domínguez, M., “Aprovechamiento de los Materiales de

Cambio de Fase (PCM) en la climatización”. Instituto del Frío, 2009.

[GIBB95] Gibbs, B. M., Hasnain, S. M., “DSC study of technical grade phase change

heat storage materials for solar heating applications”. ASME/JSME/JSEJ

Bibliografía

127

International Solar Energy Conference, part 2, 1995.

[GUER11] Guerra, S., “Almacenamiento de energía térmica mediante cambio de fase

como estrategia de ahorro en sistemas de climatización”. ForoClima, 2011

[INCR99] Incropera, F. P., DeWitt, D. P., “Fundamentos de transferencia de calor”.

Pearson Educación, 1999.

[JAWO11] Jaworski, M., Abeid, S., “Thermal conductivity of gypsum with

incorporated phase change material (PCM) for building applications”.

Journal of Power Technologies, 2011.

[KRIS04] Krishnan, S., Garimella, S.V., “Analysis of a phase change energy storage

system for pulsed power dissipation”. Cooling Technologies Research

Center, Purdue University. CTRC Research Publications, 2004.

[KRIS05] Krishnan, S., Garimella, S.V., Kang, S. S., “A novel hybrid heat sink using

phase change materials for transient thermal management of electronics”.

Cooling Technologies Research Center, Purdue University. CTRC

Research Publications, 2005.

[MACI07] Macía, A. F., “Almacenamiento de energía solar térmica usando cloruro de

magnesio hexahidratado”. Tesis de grado para optar al título: Magister en

Ingeniería en el área de Ingeniería Química. Universidad Nacional de

Colombia, Medellín, 2007.

[MEHL06] Mehling, H., Ebert, H. P., Schossig, P., “Development of standards for

materials testing and quality control of PCM”. 7th IIR Conference on

Phase Change Materials and Slurries for Refrigeration and Air

Conditioning, Francia, 2006

[MEHL08] Mehling, H., Cabeza, L. F., “Heat and cold storage with PCM: An up to

date introduction into basics and applications”. Heat and Mass Transfer,

Springer, 2008.

[MINI10] Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, “The electric vehicle in the

EU”, Marzo, 2010.

Bibliografía

128

[MORA10] Moratilla, B. Y., “Acumulación de energía”. Seminario Permanente en

Tecnologías Energéticas, Publicaciones de la Universidad Pontificia

Comillas, 2010.

[NAGA06] Nagano, K., Takeda, S., Mochida, T., Shimakura, K., Nakamura T., “Study

of a floor supply air conditioning system using granular phase change

material to augment building mass thermal storage - Heat response in

small scale experiments”. Energy and Buildings, 2006.

[NEIL08] Neila, F. J., Acha, C., Higueras, E., Bedoya, C., “Los Materiales de

Cambio de Fase (MCF) empleados para la acumulación de energía en la

arquitectura. Su aplicación en el prototipo Magic Box”. Materiales de

Construcción Vol. 58, 291, 119-126, Julio-Septiembre 2008.

[NING11] Ning-Wei Chiu, J., “Heat Transfer Aspects of Using Phase Change

Material in Thermal Energy Storage Applications”. KTH School of

Industrial Engineering and Management, Division of Heat and Power

Technology, Stockholm, 2011.

[OLIV11] Oliver, A., Neila, F. J., García, A., “Incorporación de materiales de cambio

de fase en placas de yeso para almacenamiento de energía térmica

mediante calor latente: caracterización térmica del material mediante la

técnica DSC”. Informes de la construcción, volumen 63, 522, 61-70, Abril-

Junio 2011.

[ORTI04] Ortiz-Rodríguez, J. M., “Electro-thermal modeling of a power electronic

module”. Master of Science in Electrical Engineering. Universidad de

Puerto Rico, 2004.

[RAL_09] RAL Deutches Institut für Gütegemeinschaft und Kennzeichnung e.V.,

“Phase Change Material Quality Assurance RAL-GZ 896 ”, 2009.

[RAVI05] Ravikumar, M., Srinivasa, “Phase Change as a Thermal Energy Storage

Material for Cooling of Building”. Journal of Theoretical and Applied

Information Technology, 2005-2008.

[REGI09] Regin, A. F., Solanki, S. C., Saini, J. S., “An analysis of a packed bed

Bibliografía

129

latent heat thermal energy storage system using PCM capsules: Numerical

investigation”. Renewable Energy 34, An International Journal, 2009.

[ROME08] Romero-Sánchez, M. D., Rodes, J. M., Guillem_López, C., López-

Buendía, A. M., “Phase Change Materials (PCMs)-treated Natural Stone

for Thermal Energy Storage in Buildings: Influence of PCM melting

temperature”. AIDICO, Technological Institute of Construction, MESSIB

Project, 2008.

[SHAN97] Shanmugasundaram, V., Brown, J. R., Yerkes, K. L., “Thermal

management of high heat-flux sources using phase change materials”.

American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc, 1997.

[SHAN07] Sánchez, J. R., “Los tejidos inteligentes y el desarrollo tecnológico de la

industria textil”. Técnica industrial 268, Marzo-Abril, 2007.

[STUP10] Stupar, A., Drofenic, U., Kolar, J. W., “Application of phase change

materials for low duty cycle high peak load power supplies”. Power

Electronic Systems Laboratory, ETH Zurich. CIPS, 16-18, Marzo, 2010.

[SUNL10] Sunliang, C., “State od the art termal energy storage solutions for high

performance buildings”. University of Jyväskylä (Norway), Department

of Physics, Master’s Degree Programme in Renewable Energy, 2010.

[VELR08] Velraj, R., Pasupathy, A., “Phase change material-based building

architecture for thermal management in residential and commercial

establishments”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2008

[XU__05] Xu, X., Zhang, Y., Lin, K., Di, H., Yang, R., “Modeling and simulation on

the thermal performance of shape-stabilized phase change material

floor used in passive solar buildings”. Energy and Buildings, 37, 2005.

Bibliografía

130

Páginas web:

[CRYO12] www.cryopak.com Página web de los productos Cryopak de TCP

Company. Última visita: Mayo 2012.

[EEVC12] www.eevc.eu Página web del European Electric Vehicle Congress EEVC-

2012. Última visita: Mayo 2012.

[FREE12] www.freepatentsonline.com Página web de para búsqueda de patentes con

el motor FPO, del grupo SumoBrain Solutions. Última visita: Abril 2012.

[GLAC12] www.glacierek.com Página web de la empresa Glacier Tek, Inc. Última

visita: Mayo 2012.

[GREA12] www.grea.udl.cat/es/start.php Página web de GREA Innovació

Concurrent. Última visita: Abril 2012.

[GRUP12] www.grupodominguezinstitutodelfrio.es Página web del grupo de

investigación de PCMs del Instituto del Frío . Última visita: Abril 2012.

[MICRO12] www.microsuntech.com Página web de la empresa MicroSun

Technologies, LLC. Última visita: Mayo 2012.

[LAVA12] www.lavatherm.com Página web la empresa Lavatherm. Última visita:

Mayo 2012.

[LPES12] lp.espacenet.com/ Página web del programa Latipat para búsqueda de

patentes, que utiliza la plataforma esp@cenet. Última visita: Abril 2012.

[MESS12] www.messib.eu Página web del MESSIB. Última visita: Abril 2012.

[MICR12] www.micronal.de Página web de la empresa BASF. Última visita: Mayo

2012.

[OUTL12] www.outlast.com Página web de la empresa Outlast. Última visita: Mayo

2012.

Bibliografía

131

[PCMP12] www.pcmproducts.net Página web de la empresa Phase Change Material

Products, Ltd. Última visita: Mayo 2012.

[PCMR12] www.pcm-ral.de Página web de la asociación Gütegemeinschaft PCM e.V.

Última visita: Abril 2012.

[RUBI12] www.rubitherm.de Página web de la empresa RUBITHERM Technologies

GmbH. Última visita: Mayo 2012.

[VAQT12] www.va-q-tec.com Página web de la empresa va-Q-tec. Última visita:

Mayo 2012.

TRANSFERENCIA DE CALOR AVANZADA MEDIANTE … · etc.), en este Proyecto, se ha planteado un modelo de batería térmica con un doble umbral de temperaturas, es decir, una batería - [PDF Document] (2024)

FAQs

¿Cómo se llaman los 3 mecanismos de transferencia de calor? ›

Figura 1.19 En una chimenea, la transferencia de calor se produce por los tres métodos: conducción, convección y radiación.

¿Cómo se lleva a cabo el proceso de transferencia de calor? ›

Cuando se agrega calor a una sus- tancia, sus átomos o moléculas se mueven más rápido y su temperatura se ele- va, o viceversa. Cuando dos cuerpos que tienen distintas temperaturas se ponen en contacto entre sí, se produce una transferencia de calor desde el cuerpo de mayor temperatura al de menor temperatura.

¿Qué papel juega la energía térmica en los procesos de transferencia de calor? ›

La energía térmica es la energía contenida dentro de un sistema debido al movimiento de las partículas. El calor es la transferencia de energía térmica de un sistema / objeto más cálido a un sistema / objeto más frío.

¿Cómo se transmite el calor 5 ejemplos? ›

Sistemas propuestos:
  • Radiador en una habitación.
  • Cazuela con leche en una vitrocerámica.
  • Globo aerostático.
  • Sol.

¿Cuáles son los cuatro mecanismos del intercambio de calor y cómo se definen? ›

La conducción transfiere calor de un objeto a otro mediante contacto físico. La convección transfiere calor al aire o al agua. La radiación transfiere calor a través de radiación infrarroja. La evaporación transfiere calor a medida que el agua cambia de estado de líquido a gas.

¿Qué es transferencia de calor y sus tipos? ›

La transferencia del calor es pues el proceso por el que se intercambia energía en forma de calor entre distintos cuerpos, o entre diferentes partes de un mismo cuerpo que están a distinta temperatura. Este calor puede transferirse de tres formas: por conducción, por convección y por radiación.

¿Cómo se lleva a cabo la transferencia del calor? ›

La conducción es el mecanismo de transferencia de calor en el que la energía térmica se transfiere de un punto a otro por medio de la interacción entre los átomos o moléculas de la materia. La conducción tiene lugar en sólidos, líquidos y gases. La conducción no implica movimiento masivo de materia.

¿Cómo calcular la cantidad de calor que se transfiere? ›

La cantidad de calor que gana o pierde una muestra (q) se puede calcular con la ecuación q = mcΔT, donde m es la masa de la muestra, c es el calor específico y ΔT es el cambio de temperatura.

¿Cómo funciona la transferencia de energía térmica y qué es la conducción? ›

La transferencia de calor por conducción es el resultado de interacciones moleculares. Las moléculas de un objeto que está a una temperatura más alta vibran con mayor rapidez, estas chocan contra las moléculas menos energéticas situadas en la parte de menor temperatura del objeto.

¿Cómo se llama la energía térmica que se transfiere? ›

Conducción . La conducción es la transferencia de energía térmica de una sustancia a otra o dentro de una sustancia.

¿Qué causa que la energía térmica se transfiera entre dos sustancias? ›

Si dos objetos se ponen en contacto entre sí, la energía térmica fluye desde el objeto más caliente (con partículas que se mueven más rápido) al objeto más frío (con partículas que se mueven más lentamente). Cuando las partículas más rápidas chocan con las más lentas, transfieren parte de su energía a las partículas más lentas .

¿Cómo se lleva a cabo el proceso de transmisión de calor por radiación? ›

La radiación es la transferencia de calor a través del espacio vacío. Todos los cuerpos con una temperatura superior a 0 °K emiten calor por radiación electromagnética en todas las direcciones. Cuando los rayos de calor alcanzan un cuerpo, parte de la energía se absorbe y se transforma para calentar ese cuerpo.

¿Cómo se convierte el calor en electricidad? ›

El calor puede aprovecharse para obtener energía eléctrica mediante el uso de materiales con propiedades muy específicas conocidos como termoeléctricos.

¿Cómo aprovechar la transferencia de calor? ›

Hay muchas formas de aprovechar la transferencia de calor. Las formas más comunes son: Disipadores de calor, que son dispositivos que extraen el calor de un objeto transfiriéndolo a otro medio (normalmente aire o agua) a una temperatura inferior a la del propio objeto.

¿A través de qué proceso se transmite directamente el calor? ›

La conducción es el proceso por el cual se transmite energía térmica mediante colisiones entre átomos o moléculas vecinas . La conducción ocurre más fácilmente en sólidos y líquidos, donde las partículas están más juntas que en gases, donde las partículas están más separadas.

¿Qué es conducción y 3 ejemplos? ›

La conducción es una forma de transferir el calor entre dos cuerpos cuando están en contacto o en el momento que el calor dentro de un mismo cuerpo pasa de un lado a otro. El ejemplo perfecto es cuando calientas una barra de hierro en el fuego.

¿Cuántas formas de transmisión de calor hay? ›

Existen tres tipos principales de transferencia de calor: conducción, radiación y convección. La conducción térmica se produce cuando el calor se transfiere a través de un material sólido o en contacto directo entre dos objetos.

¿Qué es radiación y 3 ejemplos? ›

La radiación es energía que viaja en forma de ondas o partículas de alta velocidad. Puede ocurrir naturalmente o ser creada por el hombre. Existen dos tipos: Radiación no ionizante: Incluye ondas de radio, teléfonos celulares, microondas, radiación infrarroja y luz visible.

¿Cuáles son los tres mecanismos de transferencia de calor en la atmósfera? ›

La conducción, la radiación y la convección desempeñan un papel en el movimiento del calor entre la superficie de la Tierra y la atmósfera. Dado que el aire es un mal conductor, la mayor parte de la transferencia de energía por conducción ocurre cerca de la superficie de la Tierra. La conducción afecta directamente la temperatura del aire a sólo unos pocos centímetros de la atmósfera.

Top Articles
Latest Posts
Article information

Author: Geoffrey Lueilwitz

Last Updated:

Views: 6305

Rating: 5 / 5 (60 voted)

Reviews: 91% of readers found this page helpful

Author information

Name: Geoffrey Lueilwitz

Birthday: 1997-03-23

Address: 74183 Thomas Course, Port Micheal, OK 55446-1529

Phone: +13408645881558

Job: Global Representative

Hobby: Sailing, Vehicle restoration, Rowing, Ghost hunting, Scrapbooking, Rugby, Board sports

Introduction: My name is Geoffrey Lueilwitz, I am a zealous, encouraging, sparkling, enchanting, graceful, faithful, nice person who loves writing and wants to share my knowledge and understanding with you.