Avances en determinación de propiedades termofísicas de materiales de cambio de fasebúsqueda y análisis de nuevos materiales PCM-TES de bajo coste

Resumen

La presente tesis tiene dos partes diferenciadas pero complementarias. Por un lado se trata de avanzar en la determinación de las propiedades termofísicas de materiales de cambio de fase (en adelante PCM) y por otro, de buscar y analizar nuevos materiales de bajo coste que puedan servir para el almacenamiento térmico de energía. Los avances conseguidos y los procedimientos propuestos para cada propiedad se aplican en la caracterización de los materiales de bajo coste identificados. Desde el punto de vista del avance en determinación de propiedades termofísicas, tanto para el correcto diseño de los sistemas de almacenamiento térmico de energía como para su simulación, resulta imprescindible la caracterización completa del material (curva entalpía-temperatura, conductividad térmica del estado sólido y del estado líquido, viscosidad y densidad en función de la temperatura). La importancia de conocer las propiedades termofísicas de los materiales en función de la temperatura es mayor cuanto menor es el intervalo útil del material en la aplicación. Este tipo de materiales presentan fenómenos que dificultan la determinación de propiedades: subenfriamiento, histéresis, problemas de cristalización, amplia ventana térmica de cambio de fase. En algunos casos esto puede ser debido a que los materiales de cambio de fase utilizados no suelen ser sustancias puras. Además, en la revisión bibliográfica realizada se pone de manifiesto que se pueden encontrar diferencias de resultados entre distintas técnicas o incluso entre distintas condiciones de ensayo en una misma técnica (distinta velocidad de enfriamiento o calentamiento por ejemplo). Además, a alta temperatura se pueden encontrar dificultades añadidas como degradaciones y reacciones cruzadas. Todos estos problemas experimentales encontrados hacen que los métodos convencionales utilizados para el resto de sustancias no sean totalmente adecuados. A toda esta problemática se añade que no se dispone de métodos estandarizados de medida. En la presente tesis se ha avanzado en procedimientos de medida para la determinación de las siguientes propiedades en función de la temperatura: - Curva entalpía- temperatura y capacidad calorífica específica en estado sólido y en líquido con calorímetro diferencial de barrido (DSC) - Densidad con analizador termomecánico (TMA) y densímetro, - Difusividad térmica con Laser Flash (LFA) - Conductividad térmica a partir de capacidad calorífica específica, densidad y difusividad térmica. - Viscosidad con reómetro. Respecto a la búsqueda de materiales de bajo coste, se ha partido de la experiencia del impedimento que puede suponer el precio del PCM para la explotación comercial del almacenamiento térmico de energía con estos materiales en algunas aplicaciones. Se ha propuesto una metodología de búsqueda y análisis de materiales que puedan ser utilizados para el almacenamiento térmico de energía y sean de bajo coste. De acuerdo con trabajos previos encontrados en la bibliografía, se ha buscado en residuos o subproductos de procesos, ácidos grasos y mezclas, esteres de ácidos grasos, polímeros y polialcoholes. Se propone buscar un material de bajo coste que pueda ser utilizado en almacenamiento térmico de energía y una vez demostrada su adecuación, se buscan aplicaciones para él. Las aplicaciones son muchas y para casi todas las temperaturas desde -25ºC hasta 600ºC. La metodología propuesta consta de tres partes. En primer lugar se realizan unos ensayos previos que permiten conocer el rango de temperatura de cambio de fase del material y su comportamiento durante el proceso. Tras los ensayos previos, se realizan unos primeros ensayos que permiten clasificar el material en función de su capacidad de almacenamiento. Por último, se realiza una caracterización completa de los materiales con mayor potencial de almacenamiento. Se ha aplicado la metodología propuesta a cuarenta materiales. De ellos, 20 son residuos o subproductos, 4 son polímeros, 14 son productos naturales (mezclas de ácidos grasos), un azúcar y una sal hidratada. Se han encontrado 10 materiales con alto potencial de almacenamiento, 4 con potencial de almacenamiento, 22 con bajo potencial de almacenamiento y 4 con nulo material de almacenamiento. Se han caracterizado completamente 4 de los 10 materiales clasificados como con alto potencial de almacenamiento. Esta caracterización completa (entalpía de cambio de fase, conductividad térmica del estado sólido y del estado líquido, viscosidad y densidad en función de la temperatura) se ha realizado de acuerdo con los avances realizados en la primera parte de la tesis, en los procedimientos de medida de cada una de ellas. Además, se ha comprobado su resistencia a los ciclados y se han buscado aplicaciones para ellos. Por último se ha realizado una comparación de estos materiales ensayados con materiales comerciales con cambio de fase a temperatura similar. La comparación se ha realizado en términos de precio del material, de rango de temperatura de cambio de fase y de energía almacenada.