Repositorio Institucional de Documentos

Proyecto Fin de Carrera Ingeniería Técnica Industrial Especialidad Mecánica Septiembre 2012 Realizado por: Javier García Mayayo Dirigido por: Ana Lázaro Fernández Belén Zalba Nonay Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 2 Resumen y objetivo del proyecto La importancia del almacenamiento térmico de energía, la utilización de los materiales de cambio de fase (PCM) como ahorro energético y la necesidad del aumento de la eficiencia energética en las instalaciones nos mueve a la realización de este proyecto, con objeto de conocer, estudiar, caracterizar y desarrollar las posibilidades de los PCM. De esta manera, este proyecto pretende obtener las características de algunas sustancias en el cambio de fase sólido-líquido para almacenamiento térmico de energía. El trabajo consiste en el diseño y construcción de una nueva instalación para poder conocer y clasificar las propiedades térmicas y físicas de materiales de cambio de fase (PCM) a alta temperatura en un intervalo de temperaturas comprendido entre 20°C y 300°C. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 3 Agradecimientos Me gustaría aprovechar esta ocasión para mostrar mi más sincero agradecimiento a todas las personas que me han acompañado, ayudado o participado en mi vida mientras esta andadura se ha llevado a cabo. Gracias a Ana, Belén y Conchita por hacer posible este proyecto, por su tiempo y dedicación en él y por la calidad humana y disposición que han mostrado en todo momento. Gracias a Miguel Ángel y Esther, mis padres, por vuestra educación desde los valores y principios en los que he crecido y me he enriquecido como persona. Gracias a ti, Cristina, mi única hermana y mi hermana única, porque probablemente sin tu cariño, tus sonrisas y tu presencia en mí, esto no sería posible. Gracias a todas aquellas personas que desearon que esto saliera bien, y que con su apoyo y sus ánimos ha sido posible. Gracias a mis amigos de la carrera, esos con los que tan buenos momentos hemos pasado y que hoy siguen siendo mis amigos. Gracias a todos los profesores que han formado parte de mí, desde que era niño hasta hoy, por darme la posibilidad de aprender de su experiencia. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 4 Índice Resumen y Objetivo del proyecto Agradecimientos Índice Preludio Planing de trabajo SECUENCIA DEL TRABAJO TEÓRICO Y ESTADO DEL ARTE (PRIMERA PARTE) Capítulo 1: Introducción teórica de los materiales de cambio de fase y su clasificación 1.1. Formas de almacenamiento de energía térmica (TES) 1.1.1. Calor sensible 1.1.2. Calor latente 1.1.3. Energía química 1.2. Materiales de cambio de fase y tipos 1.2.1. Introducción 1.2.2. PCM orgánicos 1.2.3. PCM inorgánicos 1.2.4. Requerimientos deseables para que una sustancia sea utilizada como PCM Capítulo 2: Aplicaciones actuales de los materiales de cambio de fase 2.1. Textil 2.2. Construcción 2.3. Otras aplicaciones Capítulo 3: Revisión de otros métodos para la caracterización de las Propiedades termofísicas 3.1. Técnicas de medición de las propiedades del material en función de la temperatura 3.1.1. Calorímetros convencionales 3.1.2. Análisis térmico diferencial (DTA) 3.1.3. Calorímetro diferencial de barrido (DSC) 3.1.4. Calorímetro adiabático 3.1.5. Resumen 2 3 4 7 8 9 9 9 10 12 12 12 13 15 17 20 20 22 24 25 25 25 26 26 29 29 Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 5 Capítulo 4: El método T-History 4.1. Fundamento teórico SECUENCIA DEL TRABAJO EXPERIMENTAL (SEGUNDA PARTE) Capítulo 1: Estudio previo para el diseño de la instalación. Inconvenientes principales que se presentan en el desarrollo de dicho diseño 1.1. Introducción 1.2. Tipos de instalaciones analizadas para el diseño de nuestra instalación 1.2.1. Instalación 1 1.2.2. Instalación 2 1.2.3. Instalación 3 1.3. Análisis de las ventajas e inconvenientes que presentan cada una de las instalaciones 1.4. Elección final del diseño de la instalación 1.4.1. Debate Capítulo 2: Estudio de los elementos que se requieren y componen el sistema. Discusión y elección de las alternativas que se presentan 2.1. Punto crítico y fundamental para la instalación. Elección de una cámara aislada 2.1.1. Cámara aislada 2.1.2. Selección y características cámara final 2.1.3. Proceso de calentamiento 2.1.4. Sistema de enfriamiento de la cámara 2.2. Sondas de temperatura 2.3. Tubos de ensayo 2.4. Sistema de adquisición y almacenamiento de datos 2.5. Sistema de cálculos y tratamiento de datos 2.6. Balanza de precisión 2.7. Portamuestras 2.8. Aislante para probetas 2.9. Cableado de sondas y uniones vaina/cable 31 31 36 36 37 37 43 47 54 55 55 56 56 56 64 64 64 65 66 67 68 69 70 70 70 Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 6 Capítulo 3: Elección de la sustancia de referencia. Análisis de las distintas posibilidades Capítulo 4: Esquematización y descripción gráfica de la instalación final y del montaje 4.1. Esquema de la instalación 4.2. Montaje Capítulo 5: Conclusiones 5.1. Conclusiones del trabajo 5.2. Continuación y trabajo futuro Bibliografía Referencias de los componentes Nomenclatura Abreviaturas Lista de tablas Lista de figuras ANEXOS 71 73 73 74 75 75 75 77 79 80 82 83 84 85 Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 7 Preludio El presente proyecto forma parte de la continuación en la investigación en el almacenamiento térmico mediante materiales de cambio de fase sólido-líquido (PCM) que investiga y desarrolla el Grupo de Ingeniería Térmica y Sistemas Energéticos (GITSE) del Área de Máquinas y Motores Térmicos, Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Zaragoza y está enmarcado en el trabajo desarrollado en el proyecto ENE2011-28269-C03-01, MEJORA DE LA EFICIENCIA ENERGÉTICA EN EDIFICIOS MEDIANTE EL ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TÉRMICA, financiado por el MINISTERIO DE CIENCIA E INNOVACIÓN. Se desarrolla así una nueva línea de acción en la experimentación con materiales de cambio de fase mediante el diseño de una instalación basada en el método T-History (método desarrollado por Zhang [6]) para altas temperaturas. La investigación y experimentación del método T-History para bajas temperaturas fue desarrollado anteriormente por Lázaro A [2] con el GITSE. El agotamiento de los recursos naturales está muy presente en nuestros días. Necesitamos entender que estos recursos son de una cantidad limitada, éstos son combustibles fósiles como el carbón, petróleo o gas natural. Es por ello que surge la necesidad de buscar nuevas fuentes de energía, que van a ser fundamentales para el futuro cercano en nuestra vida. Aparecen así, los PCM como solución al ahorro energético, aprovechamiento de las fuentes renovables y los calores residuales. El GITSE ha trabajado en aplicaciones de refrigeración gratuita (free cooling), en la mejora del rendimiento de depósitos de agua caliente sanitaria con energía solar, en PCM’s microencapsulados en elementos de la construcción, almacenamiento térmico de energía en cogeneración, investigación de los PCM de forma teórica y experimental, etc. En este proyecto quedan constatados documentos bibliográficos en los que ya se ha trabajado con PCM’s, también hace mención de las instalaciones existentes actualmente y se procede al desarrollo del diseño de una nueva instalación para materiales de cambio de fase a altas temperaturas estudiando las posibilidades de la instalación, como de sus componentes y las ventajas e inconvenientes que se han presentado durante su desarrollo. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 8 Secuencia del trabajo teórico y estado del arte (primera parte) 1. Introducción teórica de los materiales de cambio de fase y su clasificación. 2. Aplicaciones actuales de los materiales de cambio de fase. 3. Revisión de otros métodos para la caracterización de las propiedades termofísicas de los PCM en función de la temperatura. 4. Método T-History. Secuencia del trabajo experimental (segunda parte) 1. Estudio previo para el diseño de la instalación. Inconvenientes principales que se presentan en el desarrollo de dicho diseño. 2. Estudio de los elementos que se requieren y componen el sistema. Discusión y elección de las alternativas que se presentan. 3. Elección de la sustancia de referencia. Análisis de distintas posibilidades. 4. Esquematización y descripción gráfica de la instalación final y del montaje. 5. Conclusiones. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 9 Trabajo teórico y estado del arte Capítulo 1: Introducción teórica de los materiales de cambio de fase y su clasificación 1.1. Formas de almacenamiento de energía térmica (TES) 1.1.1. Calor sensible Calor sensible es aquél que recibe un cuerpo y hace que aumente su temperatura sin afectar su estructura molecular cristalina y por lo tanto sus estados inicial y final. La cantidad de calor necesaria para calentar o enfriar un cuerpo es directamente proporcional a la masa del cuerpo y a la diferencia de temperaturas. La constante de proporcionalidad recibe el nombre de calor específico. El calor sensible sí lo notamos y lo podemos percibir, puesto que aumenta la temperatura de la sustancia, haciendo que se perciba como "más caliente", o por el contrario, si se le resta calor, la percibimos como "más fría". Para aumentar la temperatura de un cuerpo hace falta aplicarle una cierta cantidad de calor. La cantidad de calor aplicada en relación con la diferencia de temperatura que se logre depende del calor específico del cuerpo, que es distinto para cada propiedad. Al emplear el material como sistema de almacenamiento, la energía térmica se almacena atendiendo al calor específico del medio utilizado. El material es calentado hasta una temperatura elevada en el proceso de carga y se enfría durante el proceso de descarga, liberando la energía almacenada. La energía que una sustancia puede acumular mediante calor sensible se puede calcular del siguiente modo: Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 16 Ventajas Inconvenientes Son más baratos El encapsulado es complejo, inconvenientes Alta entalpía de fusión Subenfriamiento Temperatura de cambio de fase definida Corrosión con el contacto con algunos metales Alta conductividad térmica El uso prolongado necesita aditivos No son inflamables Los aditivos para evitar la segregación de fases Son reciclables y biodegradables reducen la capacidad de calor latente almacenado Tabla 1.1. Tabla que refleja las ventajas e inconvenientes del uso de PCM inorgánicos (elaboración propia). Ventajas Inconvenientes Estabilidad térmica y química Baja entalpía de fusión No corrosivos Baja conductividad térmica No necesitan agentes nucleantes Inflamables No hay subenfriamiento Coste elevado Cambios de volumen significativos en el cambio de fase Tabla 1.2. Tabla que refleja las ventajas e inconvenientes del uso de PCM orgánicos (elaboración propia). Figura 1.3. Clasificación de materiales para la acumulación de energía térmica mediante cambio de fase [3]. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 17 En nuestro caso, el trabajo se centrará en la búsqueda y experimentación de materiales de cambio de fase (punto de fusión) entre 30°C y 300°C, para la instalación que se quiere diseñar. Figura 1.4. Relación Temperatura vs calor de fusión para sustancias utilizadas como PCM [2] 1.2.4. Requerimientos deseables para que una sustancia sea utilizada como PCM A continuación se recogen algunas características deseables en los PCM’s. No es necesario aclarar que el material perfecto o ideal no existe, como casi siempre en estas cuestiones de tipo técnico habrá que adoptar una solución de compromiso a la hora de elegir el PCM apropiado.  Propiedades térmicas  Rango estable de temperatura de cambio de fase. El valor de esta temperatura es la propiedad más importante a tener en cuenta a la hora de seleccionar el PCM más apropiado para nuestra aplicación.  Alta entalpía específica de cambio de fase.  Conductividad térmica alta en ambas fases, sólida y líquida. En la realidad esto es bastante complicado de encontrar, por esto se trabaja con materiales compuestos que no disminuyan mucho la Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 18 capacidad de almacenar energía y que, sin embargo, aumenten la conductividad térmica del PCM.  Propiedades físicas  Densidad alta. Esto implica menos volumen por unidad de masa y por tanto más capacidad de almacenamiento para un mismo tamaño.  Fusión del material de forma congruente, es decir, que no se produzca la segregación de material por la diferencia de densidades puede presentar variaciones de la composición del material a largo plazo.  Variaciones pequeñas de densidad entre las fases, es decir, pequeñas variaciones de volumen al pasar de un estado a otro; esto originaría problemas de dimensionado.  Propiedades químicas  Estabilidad. Los PCM’s para nuestra aplicación pueden sometidos a varios ciclos de carga; debemos trabajar con materiales que no se degraden debido a su uso reiterado.  Estabilidad química del sistema PCM-módulo. Es importante que estos dos componentes del equipo no tengan afinidad química para que no reaccionen al entrar en contacto. Es importante que el material no produzca reacciones químicas como la corrosión en el tubo contenedor de la muestra.  No tóxicos, inflamables ni contaminantes. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 19  Propiedades cinéticas  Debe poseer un subenfriamiento pequeño en la fusión, es decir, que no necesite aporte de frío adicional para que se inicie la fusión. Para ello se utilizan agentes nucleantes sobre el PCM.  Propiedades económicas  Otra característica importante a la hora de seleccionar el PCM es que sea de bajo coste, elevada disponibilidad y que no presente problemas ni limitaciones medioambientales. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 20 Capítulo 2: Aplicaciones actuales de los materiales de cambio de fase Los sistemas de almacenamiento de calor latente han ganado mucha importancia debido al aumento de la demanda energética en todo el mundo, ya que estos sistemas son una alternativa para conseguir un ahorro importante de la energía consumida. En particular, las aplicaciones más importantes son las utilizadas en sistemas de energía solar, en sistemas de acondicionamiento de aire, en edificios energéticamente sostenibles y cada vez más desarrollado en la industria textil. A continuación se detalla alguno de ellos. 2.1. Textil Los materiales de cambio de fase para la regulación térmica de la temperatura corporal es un campo realmente interesante. Cualquier material corriente absorbe calor en el proceso de calefacción al mismo tiempo que aumenta su temperatura de manera constante. El material libera el calor almacenado mediante el proceso de enfriamiento, entonces la temperatura disminuye. Para un material de cambio de fase, la cantidad de calor absorbida por el PCM es muy alta cuando este funde. Una parafina absorbe 200 kJ por kilogramo de calor al fundirse. Si un textil absorbe la misma cantidad de calor, la temperatura necesitaría ser aumentada en 200°C [7]. Durante el proceso de fundido la temperatura es constante. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 21 Figura 2.1. Funcionamiento de los tejidos con PCM [IM1]. En la aplicación de estos materiales de cambio de fase hay que especificar que estos son utilizados microencapsulados en esferas de plástico de tamaños del orden de micrómetros. Figura 2.2. PCM en fibras textiles [9]. Estos materiales resultan especialmente interesantes en las prendas deportivas para dar equilibrio entre el calor que genera nuestro cuerpo cuando practicamos deporte, entonces el calor se libera al ambiente. De esta manera se favorecen las regulaciones térmicas entre nuestro cuerpo y la prenda que llevemos puesta. El uso de materiales de cambio de fase ha sido ya implantado en la vida doméstica. Han sido utilizados en sábanas. Su principio de funcionamiento es Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 22 que mientras dormimos, tanto la temperatura corporal como la humedad son cambiantes, por lo que se puede generar una sensación de incomodidad. Estas sábanas pretenden amortiguar los cambios de temperatura para una correcta regulación de manera que absorba el exceso de calor o sea liberado si es necesario. El PCM se adapta al microclima de la piel. Este estudio fue realizado en EEUU, donde se obtuvo mejoras muy notables en el descanso de los participantes de dicho estudio. En el campo aeroespacial han sido utilizados los materiales de cambio de fase para trajes guantes y sábanas térmicas, ya que sufren cambios excesivamente bruscos de frío extremo a calor extremos cuando están en el espacio [8]. 2.2. Construcción Al igual que en el punto anterior los PCM utilizados en la construcción deben estar contenidos en recipiente debido a la fase en la que se presenta en estado líquido. Un edificio con paredes internas contenedoras de PCM encapsulado, con temperatura de fusión cercana a la temperatura ambiente, desarrolla el ahorro de energía de la siguiente manera, cuando se hace de noche y baja la temperatura del ambiente por debajo del promedio, el material empieza a solidificar generando calor que se elimina ventilando el interior del edificio. Al llegar el día y subir la temperatura el PCM absorbe calor del interior al fundirse, esto reduce el gasto de energía de climatización para mantener más frío el edificio en las horas de calor máximo. El problema técnico no puede separarse del económico y como estos materiales son ciertamente costosos, deben de optimizarse o tener un uso moderado de su empleo. Debemos tener presentes dos aspectos importantes, uno la capacidad de almacenamiento y otro la potencia térmica disponible y la facilidad de su carga. La capacidad de almacenamiento va estar relacionada en función de la masa y del calor latente, en la facilidad de carga tiene participación el área, el coeficiente global de transmisión, en el que la conductividad térmica del PCM tiene una gran importancia y el salto de temperatura. Se ha visto al analizar el comportamiento térmico de edificaciones en barro, que la evaporación del agua (el aprovechamiento de su calor latente de Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 23 evaporación) puede ser muy importante para reducir las entradas de calor en los meses cálidos en las edificaciones [10]. Los PCM resultan muy interesantes en la construcción, ya que al presentarse microencapsulados pueden ser agregados como áridos al cemento o al yeso [11], para su transporte en el agua [12], como transporte de calor. Esta línea de desarrollo y evolución de los PCM en la construcción está siendo investigada actualmente, sin embargo se sigue esperando que sea más desarrollado en los próximos años. También son aplicados en muros trombe, que son muros o paredes orientados hacia el sol. Estos están construidos con materiales acumuladores de calor en el interior (PCM), los materiales usados son piedra, hormigón, adobe, etc. En la siguiente figura se explica su funcionamiento de forma esquemática. Figura 2.3. Explicación funcionamiento muros trombe [IM2]. Los edificios incluyen aislamiento en su construcción por la disminución de consumo energético que esto conlleva. Este ahorro energético en calefacción y aire acondicionado se traduce directamente en una disminución de las emisiones de CO2. Cálculos teóricos preliminares constatan que un edificio típico de oficinas con aislamiento disminuye entre un 22 y un 52% sus emisiones de CO2 anuales con respecto al mismo edificio sin ningún tipo de aislamiento [14]. Se aplican también en casetas de telefonía, polideportivos, granjas u oficinas. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 24 2.3. Otras aplicaciones También pueden emplearse los PCM en el campo de las energías renovables, lo cual resulta realmente interesante en la sociedad en la que vivimos. El aumento de la eficiencia energética es el camino más importante que se puede realizar en estos momentos para mejorar la economía, el medio ambiente y permitir un crecimiento sostenible de la humanidad, sin llegar a revoluciones o medidas drásticas sociológicas, como las sufridas en el último siglo. Las energías renovables se caracterizan por su variabilidad en el tiempo y los materiales de cambio de fase (PCM) por requerir gran cantidad de calor para su intercambio y, manteniéndose constante la temperatura. Estas dos características han sido complementadas y su unión ha sido muy buena [13]. Los PCM’s con puntos de fusión por debajo de los 15°C están destinados a aplicaciones de frío, con puntos de fusión medios, de 20°C-30°C, están destinados a aplicaciones de confort térmico (textil, construcción…), con puntos de fusión superiores van destinados al almacenamiento térmico para calefacción. Se siguen estudiando algunas de las posibilidades del empleo de los PCM en diversas aplicaciones de las energías renovables como la solar, refrigeración gratuita, recuperación de calores residuales y la cogeneración, procedimiento en el que se obtiene al mismo tiempo energía eléctrica y energía térmica útil en un único proceso. En aplicaciones concretas como almacenamiento de energía térmica en energía solar de aplicación doméstica o el almacenamiento en sales en plantas termosolares para la producción de energía eléctrica, esta es una aplicación en gran desarrollo y estratégica, con interés en el almacenamiento para cubrir los picos de demanda, por la propia variabilidad de la fuente de energía y porque presenta una alta capacidad de almacenamiento. El método más avanzado de almacenamiento de energía térmica para plantas termosolares es un sistema basado en dos tanques de almacenamiento, donde el fluido caliente transferido también sirve como medio de almacenamiento. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 25 Capítulo 3: Revisión de otros métodos para la caracterización de las propiedades termofísicas de los PCM en función de la temperatura Como ya ha sido explicado anteriormente, se utilizan materiales de cambio de fase (PCM) debido a su alta densidad energética y su comportamiento isotérmico durante la carga y descarga. La selección del PCM adecuado para un sistema de almacenamiento de calor latente es tan compleja como necesaria, por lo tanto hay que medir las propiedades térmicas del PCM [2]. 3.1. Técnicas de medición de las propiedades del material en función de la temperatura Los métodos disponibles para determinar el calor de fusión, calor específico y punto de fusión son los siguientes: los métodos calorímetros convencionales, análisis térmico diferencial (DTA), calorimetría diferencial de barrido (DSC) y los calorímetros adiabáticos. 3.1.1. Calorímetros convencionales Los calorímetros convencionales son aparatos que se utilizan para determinar el calor específico de un cuerpo y cuantificar la cantidad de calor que absorbe o libera dicho cuerpo. Muchos calorímetros convencionales utilizan el principio de carga dual, en el cual una absorbe mientras la segunda hace de temperatura de referencia. Mientras más aumenta el calor lo mismo pasa con la temperatura. El sensor de temperatura registra la diferencia de temperatura entre esas dos cargas. Algunas de las ventajas que presentan los calorímetros son la alta precisión y la estabilidad de calibración, sin embargo presentan bajas velocidades de respuesta y suelen ser muy voluminosos. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 32 atmósfera con temperatura T. La curva que se obtiene en el proceso es la curva T-history. Cuando el Bi = hR/2k < 0.1, donde R es el radio del tubo, k la conductividad térmica del PCM y h el coeficiente de transferencia de calor por convección natural en la parte exterior del tubo la distribución de temperatura se puede definir uniforme [15]. Podemos hacer el balance: (mtcp,t + mpcp,l)(T0-Ts) = hAcA1 (1) Donde mp y mt son las masas del PCM y del tubo y cp,l y cp,t son los calores específicos medios del PCM líquido y del tubo respectivamente. Ac es el área de transferencia de calor convectiva del tubo A1 = . Se tiene entonces: mpHm = hAcA2 (2) Donde Hm es el calor de fusión del PCM y A2 = . El tiempo que transcurre durante el cambio de fase es el definido por t1 y t2. Tenemos que: (mtcp,t + mpcp,s)(Ts-Tr) = hAcA3 (3) Donde cp,s es el calor específico medio del PCM sólido. A3 = y Tr es la temperatura de la sustancia de referencia. Si consideramos un tubo cuyo contenido es agua pura y es expuesto al mismo ambiente y considerando que Bi<0.1 se tiene de forma análoga: (mtcp,t + mwcp,w)(T0-Ts) = hAcA’1 (4) (mtcp,t + mwcp,w)(Ts-Tr) = hAcA’2 (5) Donde mw es la masa del agua y cp,w el calor específico medio del agua. A’1 = , y A’2 = . Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 33 Si utilizamos la ecuación (4) podemos encontrar el coeficiente de convección natural en la parte exterior de un tubo (h). Su valor es de aproximadamente 5-6 Wm-1°C-1, así que la condición de Bi<0.1 puede satisfacerse cuando ks>0.2 Wm- 1°C-1, aquí, ks es siempre mayor de 0.3 Wm-1°C-1. De las ecuaciones (1) a la (5) se obtiene: De esta manera se observa que se puede obtener el calor específico del material de cambio de fase en sus dos fases, sólida y líquida, y su energía de cambio de fase [6]. Si las sustancias no son puras, la temperatura del cambio de fase no es constante. Existe un enfriamiento del tubo entre las temperaturas inicial y final de cambio de fase Tm1, Tm2: En el año 2002, este método fue mejorado [16]. Esta mejora es debida a que, al tratarse de sustancias no puras (por lo general), no es preciso el momento en el que el cambio de fase se inicia. Por lo tanto, es más correcto utilizar la entalpía en función de la temperatura. Realizando los cálculos anteriores, variando la temperatura en intervalos pequeños temporales Δti = ti+1 – ti, Δti’ = t’i+1 – t’i para el PCM y la referencia, resulta [2]: mp·Δhp(Ti) + mt·cp,t (Ti)(Ti-Ti+1) = hAcAi Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 34 Donde: Ai = . (mt· cp,t (T) + mw·cp,w (T))(Ti-Ti+1) = hAcA’1 Donde: A’1 = . Se obtiene para Δhi(T), la ecuación: Siendo Ti la temperatura media en el intervalo ΔTi. Presentando entonces, los valores Δhp(Ti) que se han obtenido frente al tiempo, se puede obtener la gráfica. Las curvas entalpía – temperatura se determinan como la suma de los intervalos de entalpía, tomando como valor fijo de referencia hp0, queda: A partir de aquí, se puede obtener el intervalo de temperaturas de cambio de fase, la entalpía de cambio de fase y los calores específicos de la sustancia en cada punto, hallando la derivada en ese punto: Esta mejora del método presenta algunas ventajas como [2]:  Tiene en cuenta las variaciones en los calores específicos de las sustancias al variar la temperatura.  Se cometen errores menores al no suponer constante el coeficiente de convección. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 35  Permite obtener los calores específicos en estado líquido y sólido a cada temperatura a partir de la curva entalpía – temperatura.  Para la elección de una sustancia acumuladora de energía mediante cambio de fase, se puede calcular la cantidad de calor sensible y calor latente de forma sencilla. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 36 Trabajo de diseño y experimental Capítulo 1: Estudio previo para el diseño de la instalación. Inconvenientes principales que se presentan en el desarrollo de dicho diseño. 1.1. Introducción. Se necesita diseñar una instalación para la caracterización de materiales de fase a altas temperaturas, moviéndonos en un rango de temperaturas de trabajo entre temperatura ambiente y 250°C - 300°C de temperatura máxima, en este intervalo se situará el punto de fusión del material de cambio de fase. La instalación actual nos permitía la caracterización de materiales de cambio de fase en un rango de trabajo propuesto inicialmente desde -10°C hasta 150°C [2]. Se tiene el conocimiento de algunas instalaciones que ya han sido utilizadas para este fin, sin embargo queda una línea abierta en la búsqueda y desarrollo de una instalación de alta temperatura. El método T-History, como ya se ha explicado en el capítulo anterior, es el sistema más interesante para la obtención de estas características. A partir de este método están basados los dos primeros tipos de instalación que se proponen. En esta investigación aparece un tercer tipo de instalación a analizar, basado en el transporte de un fluido caloportador a través de un almacenador (no utiliza el método T-History), donde se sitúa la sustancia de cambio de fase. Para los tres tipos de diseño de instalación que se proponen se adjuntan los croquis aproximados del aspecto gráfico de cada instalación con los componentes básicos que componen las instalaciones y se hace un análisis de dichos componentes y se citan las condiciones imprescindibles que deben cumplir dichas instalaciones para su preciso funcionamiento. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 37 1.2. Tipos de instalaciones analizados para el diseño de nuestra instalación. 1.2.1. Instalación 1 Figura 5.1. Prototipo (croquis) Instalación con recirculación con aire caliente. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 38 Análisis de viabilidad de la instalación 1 Principio de funcionamiento Se hace circular aire forzado mediante un ventilador, haciéndolo pasar a través de una resistencia térmica, que va a ser la fuente de calor. El aire fluye a su vez, a través de una malla reticulada con el fin de optimizar la distribución del aire, obteniendo un flujo uniforme y turbulento y una temperatura lo más controlada y estable posible, con el objetivo de mantener una temperatura de aire constante en el interior de la cámara. El flujo de aire llega a una cámara aislada donde se encuentran nuestras probetas, es decir, la muestra de PCM y la sustancia de referencia. Ambas probetas contienen sondas para medición de la temperatura y estarán conectadas a un sistema de almacenamiento y tratamiento de datos. Cuando la sustancia (PCM) acumula el calor necesario, cambia de fase. Entonces se apaga la resistencia y se deja funcionar el ventilador para facilitar la descarga (enfriamiento) del sistema. El sistema contará, además, con un sistema de conductos para la recirculación del aire, de esta manera se pretende que el aire caliente generado no sea desperdiciado y funcione como un ciclo cerrado. La cámara debe de estar sellada en sus uniones para evitar las pérdidas de flujo de aire. También debe estar aislada respecto al exterior para evitar pérdidas de flujo de calor. En la transferencia de calor por convección se provoca dicha transferencia del calor del aire a la superficie de los tubos. Dentro de la muestra, se produce la transferencia de calor por conducción. La convección se desprecia al quedar los tubos colocados en posición horizontal. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 39 Componentes y características de la instalación  Elementos calefactores: a) Resistencias térmicas especiales: Resistencias térmicas de aleaciones especiales capaces de llegar a altas temperaturas como las resistencias de disiliciuro de molibdeno (MoSi2), son usadas en hornos de laboratorios capaces de llegar a temperaturas de trabajo entorno a los 1800°C (a). b) Resistencias térmicas aleteadas: Fabricadas con blindaje de acero inoxidable y están provistas de aletas planas o circulares de forma helicoidal para generar una gran superficie de contacto y aumentar considerablemente la superficie de transferencia de calor. Están especialmente indicadas para el calentamiento de aire forzado. Además el aleteado garantiza que el gradiente térmico entre la temperatura del aire y la temperatura superficial del tubo sea mínimo (a). Resistencias indicadas para el calentamiento de fluidos para convección natural y forzada. Temperatura máxima de trabajo de 650°C para los modelos con aletas de acero inoxidable (b), especialmente indicadas para su utilización como resistencias calefactoras. c) Resistencias/calentadores de cartucho: Las resistencias de cartucho (c) tienen una altísima densidad superficial, lo que resulta muy interesante para nuestro fin. Alcanzan temperaturas de trabajo de 600°C. Entre sus características destacan las siguientes: Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 40 - Óptimo intercambio térmico debido a la proximidad del filamento de la resistencia a las paredes internas de la vaina. - Ahorro energético considerable. - Indicado para la convección de aire forzado y natural. - Posibilidad de incorporar un termopar en la resistencia para tener el control de la temperatura en todo momento.  Ventiladores: Tras varias búsquedas y comparativas los ventiladores son apropiados para un funcionamiento en torno a una temperatura máxima de trabajo de unos 180°C. Existen ventiladores industriales que son capaces de trabajar a 300°C, sin embargo estos ventiladores tienen dimensiones notablemente más grandes de las que para la instalación se plantea. También existen cajas de ventilación capaces de trabajar a 400°C pero tienen el accionamiento mediante turbinas, lo que supone un flujo muy grande y demasiada potencia para una instalación tan pequeña respecto a estos ventiladores.  Sondas medición de temperatura: Aquí aparecen varias opciones para la medición de temperatura. Por un lado se pueden utilizar termopares, que irían conectados al sistema de almacén de datos con una determinada frecuencia de registro. Tenemos los termopares tipo T, con rango de trabajo de -270°C a 400°C y los tipo K, con rango de trabajo de -270° a 1372°C. El principal inconveniente que presentan es que tienen limitación de exactitud, 1°C de error, lo que puede resultar demasiado. Por otro lado tenemos la posibilidad de utilizar termorresistencias Pt- 100. A continuación se muestra la tabla normalizada, donde quedan reflejadas las temperaturas de trabajo de las sondas y sus tolerancias. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 41 Figura 5.2. Clasificación termorresistencias pt 100 [IM6]. En la figura se puede observar que para el estudio a altas temperaturas en las termorresistencias de Clase A, se tiene un error en torno a 1°C, prácticamente igual que los termopares. Al ser iguales en cuanto al error, se optaría por las termorresistencias ya que resultan menos susceptibles de sufrir interferencias por la cercanía de otros equipos y la instalación que se plantea se instalará en un laboratorio. Si se obtienen termorresistencias de la Clase 1/10, entonces se van a obtener valores mucho más precisos para esas altas temperaturas.  Elementos (portamuestras, tubos, cámara): Los materiales de los tubos pueden ser de aluminio. El portamuestras y la cámara se propone que se utilicen de acero inoxidable austenítico (serie 300), ya que son excelentes para la resistencia a la corrosión y soporta temperaturas de 1150°C. También se propone como alternativa la adquisición de una cámara ya construida y aislada para facilitar el proceso. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 48 Análisis de viabilidad de la instalación 3 Principio de funcionamiento La instalación dispone de un baño termostático o un tanque de aceite con una resistencia térmica (foco de calor). El fluido alcanza altas temperaturas y circula como fluido caloportador a través del tubo interno del almacenador del PCM. Es entonces cuando se produce la transferencia de calor a la muestra, se produce el cambio de fase y entonces se desconecta la resistencia o el baño termostático. La instalación dispone de una bomba centrífuga que fuerza el caudal del fluido caloportador hacia el almacenador de PCM. El principio de medida de esta instalación estaría basado en el modelo matemático bidimensional en estado no estacionario, con la herramienta numérica FLUENT®, que es una plataforma que ya ha sido utilizada para realizar las simulaciones de fusión/solidificación aplicando el método entalpíaporosidad. En esta técnica la interfase fundida no se obtiene de forma explícita. En cambio, una cantidad llamada fracción líquida, que indica la fracción de volumen en forma líquida que está asociado con cada celda del volumen de control. La fracción líquida es computada en cada iteración, sobre el balance de entalpía. Para la formulación del modelo matemático se tienen en cuenta las siguientes suposiciones:  El PCM es isotrópico y homogéneo.  El fluido de transferencia de calor (HTF) se considera incompresible y newtoniano.  La velocidad y temperatura de entrada del HTF son constantes.  La temperatura inicial del sistema de almacenamiento de energía es uniforme y el PCM se encuentra en la fase sólida para el proceso de fusión. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 49  En el PCM, fluido de transferencia de calor y las paredes del tubo, las variaciones de temperatura en la dirección angular son asumidas despreciables.  El problema se considera axisimétrico.  Las propiedades termofísicas del fluido de transferencia de calor, las paredes del tubo y el PCM se consideran constantes. Para el balance de energía, la entalpía se presenta en la siguiente ecuación, y es la contribución de calor sensible y calor latente (ΔH): Siendo href, la entalpía de referencia, Tref la temperatura de referencia y cp el calor específico. En la ecuación se observa que la entalpía por calor sensible está constituida por dos elementos, que son la entalpía de referencia, que es la condición inicial y tiene otro elemento que es la energía que va ganando a medida que aumenta la temperatura, la cual se sabe por definición que es función del calor específico del PCM [5]. La fracción líquida (β) se define a partir de la regla de la palanca: β = 0, si T < Tsólido β = 1, si T > Tlíquido β = , si Tsólido < T < Tlíquido A partir de la definición de fracción líquida, la cual mide la cantidad de material fundido que se encuentra en cada celda de control, se define el calor latente en la siguiente ecuación, en términos del calor latente del material (L) y la fracción fundida (β), variando entre 0 para el sólido y 1 para la fusión (título). ΔH = βL Reemplazando esta ecuación en la anterior, queda: Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 50 Con el modelo se obtienen perfiles de temperatura del PCM y el HTF durante el proceso de solidificación y fusión. Una de las principales debilidades del modelo es considerar las propiedades físicas del PCM constantes debido a esta suposición el modelo no logra tener un comportamiento cercano al experimental durante el cambio de fase [5]. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 51 Componentes y características de la instalación  Tanque térmico con resistencia térmica: Se necesita una resistencia térmica capaz de soportar la corrosión para poder entrar en contacto directo con el aceite del tanque térmico y que este pueda incrementar su temperatura hasta alcanzar la idónea para el ensayo.  Baño termostático: Si se diseña la instalación con baño termostático tendremos mayor precisión y estabilidad y uniformidad en cuanto a la regulación de la temperatura. Además se evitaría el inconveniente de la corrosión que puede aparecer en la resistencia térmica por estar en contacto continuamente con el aceite térmico.  Aceites para circulación en sistemas cerrados: Se dispone en el mercado de varios aceites térmicos para circulación forzada, que alcanzan temperaturas máximas de 350°C, (Chevron Heat Transfer Oil grado 22). El aceite térmico para baños termostáticos utilizado puede ser cualquiera de los propuestos para la instalación 2 (aceite para baños, Syltherm 800 que alcanza 400°C).  Bombas centrífugas: Para forzar el caudal del fluido caloportador se necesitan bombas centrífugas. En el mercado existe una amplia gama de bombas para impulsar aceites térmicos a altas temperaturas. Aquí están presentes las Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 52 referencias de algunas de ellas, capaces de impulsar aceite térmico hasta 350°C (finderpompe.com y etanorm SYA).  Construcción del almacenador: Para la construcción del almacenador podemos pensar en el acero inoxidable, sin embargo este presenta una baja conductividad térmica. El material del almacenador deberá ser entonces un material de gran conductividad térmica ya que la pared interna del almacenador es la que entra en contacto entre el fluido caloportador y el almacenador. Las posibilidades que aparecen son el aluminio o el cobre: - Aluminio: Posee una conductividad térmica de 237 W/m·K y un punto de fusión a 660°C. - Cobre: Tiene una conductividad térmica aún superior a la del aluminio, en torno a 400 W/m·K y un punto de fusión de 1084°C. Además, especialmente el cobre es altamente resistente a la corrosión y la oxidación.  Aislante: Se tiene que colocar un aislante alrededor del almacenador, ya que tenemos que evitar las pérdidas de flujo de calor del material de cambio de fase al entrar en contacto con el aire la cara exterior del almacenador. Los materiales para el aislante pueden ser los especificados para el aislante de la instalación 1. Esquema del almacenador Figura 5.6. Esquema del almacenador de energía [5]. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 53 Un aspecto importante a tener en cuenta La disposición del almacenador es una decisión importante. Se tiene que tener en cuenta el gradiente de temperatura. El almacenador del PCM aumentará de temperatura desde las zonas más internas (cercanas al fluido caloportador) hacia el exterior (lejanas al fluido caloportador). Del mismo modo, al cambiar de fase, los puntos más cercanos a la pared interior del almacenador solidificarán primero, por lo que puede aparecer un gradiente de temperaturas y una segregación de fases. Esto puede llevar a errores en la medición de temperatura. Si la disposición se realiza de manera vertical, el gradiente será máximo. Sin embargo con el almacenador en posición horizontal, el gradiente se reducirá notablemente, por lo que se propone como mejor disposición para nuestra instalación. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 54 1.3. Análisis de las ventajas e inconvenientes que presentan cada una de las instalaciones. Instalación 1 Instalación 2 Instalación 3 INCONVENIENTES  Difícil encontrar ventiladores que trabajen > 180°C  Con termopares incertidumbre mayores a 1°C  Complejidad construir una cámara casera y obtener las condiciones que necesitamos  Comportamiento variable de los aceites. Viscosidad y posible solidificación y complicaciones a temperatura ambiente  Limitación de los baños termostáticos convencionales a temperaturas de trabajo máximas de 300°C  Estabilidad del baño fluidizado de más de 0.05°C  Dificultad para obtener temperaturas en la cámara del orden de la temperatura del aceite al pasar por el intercambiador de calor  Sistema complejo y poco desarrollado, se sale del método T- history  Atendiendo al almacenador, segregación de fases, densidades desiguales partes sólida-líquida  Dificultad encontrar bombas centrífugas de temperaturas de trabajo > 350°C  Colocación de las sondas de temperatura VENTAJAS  Usando Pt 100, minimizamos incertidumbre a alta T hasta ± 0.18 a 300°C y ± 0.28 a 500°C  Existen calentadores y resistencias indicados para convección de aire forzado que alcanzan hasta 600°C  Aislantes de altas temperaturas fáciles de encontrar y con amplias posibilidades de aplicación  El uso del aire como flujo de calor nos da temperaturas de operación casi ilimitadas  Fluido para baños termostáticos convencionales tienen baja viscosidad y buena conductividad térmica  Conducto para intercambio de calor de cobre, se favorece la transferencia de calor, la conductividad térmica y optimizamos transferencia de calor (400 W/m·K)  Aceites térmicos ofrecen temperaturas de 400°C  Aislantes de altas temperaturas fáciles de encontrar  Usando pt 100 minimizamos incertidumbre a alta T  Construcción del almacenador en cobre para facilitar la transferencia de calor y obtener gran densidad superficial  Aislantes adaptables al contorno del almacenador y a altas temperaturas  Beneficio de utilizar el cobre en cuanto a la corrosión Tabla 5.1. Ventajas e inconvenientes de las instalaciones propuestas. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 55 1.4. Elección final del diseño de la instalación. 1.4.1 Debate Los prototipos de instalaciones fueron estudiados, analizados y se hizo una revisión de las ventajas e inconvenientes que presentaban. Se tomó la decisión de diseñar una instalación mejorada del primer modelo explicado anteriormente. Las decisiones más significativas fueron:  Suprimir la circulación cerrada de aire debido a la dificultad de encontrar ventiladores a altas temperaturas.  Búsqueda de una cámara con sistema de calentamiento/enfriamiento, de construcción o ya construida disponible en el mercado, capaz de alcanzar temperaturas de trabajo elevadas como mínimo hasta 300°C y con precisión de regulación de temperatura.  Utilización de sondas de contacto superficial para medición de la temperatura de las probetas de la muestra, de la referencia y del aire de la cámara.  Tubos de ensayo de material adecuado para facilitar la conductividad térmica y el trabajo a altas temperaturas.  Soporte para los tubos de ensayo capaz de soportar las altas temperaturas y de tal disposición que favorezca la correcta transferencia de calor y no haya pérdidas entre las probetas ni lugar a error entre ellas.  Utilización de varios de los componentes para el T-history de baja temperatura y conectarlos con los componentes nuevos del T-history de alta temperatura. Estos son el sistema de adquisición y almacenamiento de datos y la balanza de precisión. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 56 Capítulo 2: Estudio de los elementos que se requieren y que componen nuestra instalación. Discusión y elección entre las alternativas que se presentan. 2.1. Punto crítico y fundamental para la instalación. Elección de una cámara aislada. 2.1.1. Cámara aislada. Características que debemos tener en cuenta para la elección de la cámara:  Adiabaticidad: La cámara debe tener un perfecto aislamiento con el exterior para que no haya pérdidas de calor y las muestras experimenten un ensayo estable.  Aislamiento: Si la cámara la adquirimos ya fabricada, el aislamiento ya lo ha estudiado el fabricante. Si la cámara es de construcción propia, tenemos que hacer un estudio a cerca de los posibles aislantes viables para nuestra cámara.  Temperatura interior uniforme: Hay de tener en cuenta que, a menor volumen, mayor facilidad de distribución de la temperatura de la cámara y mayor velocidad de calentamiento de la misma. Se necesita un calentamiento rápido de la cámara, tiempos de respuesta rápidos.  Temperatura regulable: La temperatura de trabajo de la cámara se tiene que poder regular con precisión y estabilidad con la mayor exactitud posible para el rango requerido para la instalación, de 20°C hasta 300°C (como mínimo).  Recinto accesible: Se necesita que la apertura de la cámara sea de fácil acceso para poder introducir los contenedores de la muestra, la referencia y nuestro portamuestras. Además, debe ser posible la apertura de la puerta de la cámara a altas temperaturas si es necesario. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 57  Sistema de enfriamiento: Posibilidad de adaptar un sistema de enfriamiento, soplos de aire a temperatura ambiente, etc.  Dimensiones: Las medidas de la cámara se tienen que adecuar al espacio destinado en el laboratorio para su ubicación, de manera que quede bien situado y no interrumpa el acceso a otras instalaciones colindantes. Teniendo en cuenta los requisitos citados se procede al estudio de la búsqueda de la cámara tipo. A continuación se exponen las distintas opciones: Hornos industriales y Hornos (estufas) La principal variable por la que se hace diferenciación entre hornos industriales y estufas es la temperatura. Los hornos tipo estufa pueden alcanzar temperaturas máximas de trabajo de 700°C, mientras que los hornos industriales pueden alcanzar 1500°C - 2000°C. Además de esto, los hornos industriales suelen tener dimensiones mayores a las de las estufas y suelen tener variaciones en cuanto a la forma de regulación de temperatura. Las estufas son hornos de laboratorio para altas temperaturas que disponen de un motor de circulación forzada de aire, que puede ser accionado para calentamiento pero no tiene enfriamiento controlado, aunque en algunas se puede accionar a modo de ventilación a temperatura ambiente. Tienen regulador electrónico de temperatura y poseen termostatos con sondas de temperatura o termopares. Sus dimensiones interiores se sitúan en torno a 500 x 500 x 500 mm (altura x anchura x profundidad). Las estufas presentan estabilidades de temperatura de ± 0.1°C a ± 5°C, dependiendo del modelo, dimensiones, calidad de la estufa y temperatura a la que trabajan. La velocidad térmica se sitúa en 0.1°C/min a 40°C/min. Presentan buena uniformidad de temperatura con controladores y en muchas se pueden programar rampas de calentamiento. Además tienen datos muy buenos en cuanto a homogeneidad de la temperatura en la cámara. El horno es un equipo para calentamiento que suele ser de gran volumen y pesado. Los hornos industriales se utilizan para el secado de material y para secar sales químicas, llegando a alcanzar temperaturas de hasta 3000°C. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 64 2.1.2. Selección y características de la cámara final Tabla 7.2. Selección de la cámara elegida (en rojo). La elección de la cámara estuvo basada en los requerimientos necesarios para la instalación. Se adquirió así, la cámara Binder M, para ensayos de precisión, cuya temperatura máxima de trabajo se sitúa en los 300°C y tiene una capacidad de 115 litros. Las características de la adquisición de la cámara, así como sus opcionales quedan detalladas en el anexo. 2.1.3. Proceso de calentamiento. Como ya queda reflejado en la tabla, en el proceso de calentamiento, la media de este es de 8.3°C por minuto hasta la temperatura máxima de trabajo de la cámara, los 300°C, todo ello con una desviación momentánea de la temperatura de 0.3°C. 2.1.4. Sistema de enfriamiento de la cámara. En principio, no se dispone de un enfriamiento controlado por la cámara, ni se dispone de velocidades de enfriamiento, la forma de enfriamiento que se Temperatura max [°C] Velocidad media calientamento [°C/min] Velocidad media enfriamento [°C/min] Desviacíon momentanea de la temperatura [°C] Precio [€] Dimension [l] CCI 500 3.3 a 400°C 2.7 a 500°C 13.75 a 650°C --- 19850 120 BINDER MK-53 180 4.6 4.1 0.1-0.5 10800 53 BINDER MK- 115 180 5.3 5.0 0.1-0.5 16025 115 Binder M 300 8.3 a 300°C --- 0.3 6480 115 Binder MDl 350 30 a 300°C --- 0.5 10825 115 Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 65 propone para el proceso de enfriamiento es la apertura de la puerta, cuando el PCM ya haya cambiado de fase, de manera que el ambiente vaya asumiendo el calor que la cámara contiene al llegar a temperaturas tan altas y se produzca el proceso de enfriamiento. A falta de realizar las primeras pruebas con los primeros materiales de cambio de fase, se esperan los resultados para, si estos son favorables mantener nuestro sistema de enfriamiento o en su defecto, proponer un nuevo sistema de enfriamiento para la cámara adquirida y las mejoras pertinentes al respecto. 2.2. Sondas de temperatura. Aquí aparecen varias opciones para la medición de temperatura. Por un lado se pueden utilizar termopares, que irían conectados al sistema de almacén de datos con una determinada frecuencia de registro. Aparecen los termopares tipo T, con rango de trabajo de -270°C a 400°C y los tipo K, con rango de trabajo de -270°C a 1372°C. El principal inconveniente que presentan es que tienen limitación de exactitud, 1°C de error, lo que puede resultar demasiado. Se hizo un estudio para adquirir sondas de temperatura Pt-100 de contacto superficial, de manera que estas se colocaran ‘pegadas’ a los tubos de ensayo. Finalmente se adquirieron sondas de temperatura Pt-100 que se acoplaban a los tubos mediante un anillo ajustable con un sensor. Están disponibles en un número de tamaños para adaptarse a su diámetro de tubería. Las características de estas sondas son las siguientes:  Configuración de tres hilos  Elemento Pt-100 cumple con la norma BS EN 60751:1996 Clase A  Versiones para tubos de 32mm-50mm, 50-150mm o 300mm  Rango de funcionamiento: -50°C a 350°C  Leads: 2 metros de fibra de vidrio aislado con un acero inoxidable overbraid Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 66 Figura 7.3. Sensor de temperatura Pt-100 con abrazadera (k). Del mismo modo, se pidió a la misma empresa, TC Direct la calibración de una de las sondas de temperatura Pt-100 y calibrar las demás sondas a partir de la primera. 2.3. Tubos de ensayo. Se estudiaron las distintas posibilidades de los materiales de los tubos contenedores de las muestras. Las dos posibilidades más viables a priori para nuestro caso eran tubos huecos fabricados en cobre o aluminio. Una de las opciones que se han propuesto es la de utilizar un tocho macizo de cobre para ser utilizado directamente como sustancia de referencia. La alternativa es utilizar el aluminio e introducir dentro la sustancia de referencia. Se puso en contacto con el departamento de metal para adquirir tubos de cobre y aluminio y hacer pruebas en ambos casos. Los tubos finalmente son de los dos materiales: un tubo de cobre con diámetro interior de 10 mm y espesor de 0.8 mm y un tocho macizo del mismo diámetro exterior. El otro tubo es de aluminio con diámetro interior de 13 mm y espesor de 1.5 mm. Todos ellos normalizados y ya disponibles. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 67 2.4. Sistema de adquisición y almacenamiento de datos. Se dispone en el laboratorio de determinación de propiedades termofísicas en el área de Máquinas y Motores Térmicos de una unidad de adquisición y conmutación de datos de Agilent Technologies, modelo 34970A, serial MY41018117. Este equipo de medida deja cubiertas las necesidades que requiere nuestra instalación. Además es utilizada en otras instalaciones disponibles en el laboratorio. Las características del equipo son:  Resolución de 6 ½ dígitos  22 bits  Precisión básica de 0.004% Vdc  Termopares, Termoresistencias y termistores  Tensión, corriente AC, DC  Resistencia, frecuencia y periodo  50 K de memoria no volátil con marca de tiempo  Comunicación RS-232 e IEEE-488  Posibilidad de conexión de hasta 3 tarjetas multiplexoras de 40 canales cada una Este equipo de medida ya fue utilizado con éxito en la caracterización de materiales a baja temperatura [2]. Se conectó un modulo multiplexor de 20 canales de tensión y 2 de corriente con características de:  Muestreo de 20 canales por segundo  Medidas de 2 y 4 hilos  Tensión máxima de entrada de 300 V  Corriente máxima de 1 A  Potencia máxima de 50 W  Ancho de bando 10 MHz  Compensación interna de temperatura en unión fría para termopares  Medida de TC, RTD, termistores  Voltaje e intensidad AC DC, resistencia, frecuencia, periodo Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 68 Las sondas de temperatura van conectadas al módulo multiplexor, en concreto las Pt-100 van montadas a cuatro hilos, ya que ocupan dos canales por sonda. Además, el equipo es ampliable si fuera necesario en un momento determinado. 2.5. Sistema de cálculos y tratamiento de datos. Para el sistema de cálculos y tratamientos de datos se dispone de una aplicación en Labview que nos permite el tratamiento de datos en tiempo real. Este sistema de cálculos ya fue utilizado con éxito para la caracterización de materiales de cambio de fase a bajas temperaturas [2]. Los datos se introducen en una pantalla del programa, que dispone de las características de velocidad, promedio y media, los nombres de los ficheros generados con los cálculos, etc. Por la segunda pantalla aparecen los resultados obtenidos de dichos cálculos. El programa se comunica con el sistema de adquisición de datos de Agilent Technologies y le proporciona pares de datos: - Pares de datos de temperatura de la sustancia de referencia (°C) y tiempo (s). - Pares de datos de temperatura del PCM (°C) y tiempo (s). - Pares de datos de temperatura ambiente (°C) y tiempo (s). El sistema permite variaciones en cuanto a su configuración, atendiendo a tipos de sensor de temperatura, velocidades de adquisición de datos, etc. Además se introducen los siguientes datos: - Material del tubo - Masa del tubo (g) - Calor específico del tubo (J/°C·g) - Sustancia de referencia que se va a utilizar - Masa de la sustancia de referencia (g) - Calor específico de la sustancia de referencia (J/°C·g) - Material del PCM - Masa del PCM (g) - Temperatura de referencia entalpía (0°C) Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 69 - Entalpía de referencia (0 J/g) Los datos de salida son: - Representación en tiempo real de la evolución de las tres temperaturas (°C). - Pares de datos entalpía PCM (J/g), Temperatura (°C) representados gráficamente. - Pares de datos de calor específico del PCM (J/°C·g), Temperatura (°C) representados gráficamente. Además se generaran ficheros directamente: - Fichero con los datos adquiridos de las tres temperaturas y el tiempo. - Pares de datos de la entalpía del PCM y de la temperatura representados gráficamente. - Pares de datos del calor específico del PCM y de la temperatura representados gráficamente. - Cálculos realizados en cada paso del programa. 2.6. Balanza de precisión. La elección de una balanza de precisión es de gran importancia, ya que es de aquí de donde provienen principalmente los errores en las medidas de temperaturas en función de la masa, ya que la medida viene dada en J/g. Es por esto por lo que tiene que existir una gran precisión en la medida del peso de nuestro conjunto formado por el PCM, la sustancia de referencia y los tubos contenedores de las mismas. La balanza disponible en el laboratorio es una balanza de precisión Mettler- Toledo, que presenta las siguientes características:  Capacidad de 120g  Precisión de 0.01mg hasta 31g/0.1mg hasta 120g.  Repetibilidad de 0.03mg hasta 31g/0.1mg hasta 120g.  Linealidad de ±0.2mg Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 70 2.7. Portamuestras. Se fabricará un portamuestras en material capaz de soportar las altas temperaturas de los ensayos a realizar, donde se situarán los tubos con la sustancia de referencia y el PCM. Estos tubos se colocarán en el portamuestras a la mínima distancia entre ambos y a la misma distancia del eje central del portamuestras con el objetivo de que no exista diferencia de temperatura ambiente entre ellos, de esta manera se pretende minimizar los gradientes de temperatura. 2.8. Aislante para probetas. Se realizó la búsqueda de un aislante para acoplar a los tubos de las probetas. Finalmente se optó por adquirir una manta de fibra cerámica refractaria que resiste temperaturas de trabajo de hasta 1260°C. Tiene un calor específico a 1000°C de 1.1 kJ/kg·K, y una conductividad térmica a 400°C de 0.12 W/m·K. Este tipo de aislante está dirigido especialmente para aislamiento térmico, pantallas térmicas, etc. El resto de las características vienen especificadas y detalladas en el anexo. 2.9. Cableado de sondas y uniones vaina/cable: El cableado de las sondas y la unión del cable con dicha sonda quedan fijados por el proveedor de las sondas, ya que establece las especificaciones sobre el cable y la unión. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 71 Capítulo 3: Elección de la sustancia de referencia. Análisis de distintas posibilidades. Se presentan tres condiciones necesarias para la elección de un buen material de referencia: 1. Se debe elegir una sustancia de la que conocemos su calor específico, que es la cantidad de calor que hay que proporcionar a un gramo de una sustancia para que eleve su temperatura en un grado. 2. Necesitamos elegir una sustancia que no cambie de fase en todo el proceso en el rango de temperaturas de trabajo a los que la vamos a someter. 3. La sustancia de referencia debería ser lo más parecida posible a las sustancias a analizar en cuanto a propiedades como conductividad térmica, viscosidad, etc, para que la precisión en el ensayo sea lo más correcta posible. Se presenta como una posible sustancia de referencia el cobre, que posee un punto de fusión de 1084°C, por lo que, para nuestros ciclos la sustancia permanecería en estado sólido durante todo el proceso. El cobre además, posee buena resistencia a la corrosión, gran durabilidad, no requiere mantenimiento ni limpieza, es un gran conductor térmico (400 W/m·K), es un gran conductor eléctrico, y conocemos su calor específico, cp = 0.385 J/g·K. Hay que tener en cuenta la dilatación del material de referencia dentro del tubo, ya que podrían aparecer problemas al estar contenido en dicho tubo. Sin embargo, resulta interesante pensar en la búsqueda de una sustancia que permanezca en estado líquido durante todo el proceso, una sustancia que se amolde de forma casi perfecta al recipiente que la contiene. Se estudian entonces distintos materiales de referencia con temperaturas de fusión cercanas a la temperatura ambiente y temperaturas de ebullición lejos de los 300°C. Aparecen así materiales como el Francio, el Cesio, el Galio o el Potasio. De éstos, el Francio, 27°C-677°C (temperatura fusión-ebullición), quedó descartado debido a su alta toxicidad, además el calor específico del mismo no queda bien definido. El Cesio, 28°C-671°C, cp = 240 J/ kg·K, reacciona vigorosamente con el oxígeno formando óxidos y también posee niveles altos de toxicidad. El potasio, 63°C-759°C, cp = 757 J/ kg·K, es altamente tóxico y hay que almacenarlo recubierto en aceite por su rápida oxidación. El Galio, 30°C-2204°C, cp = 370 J/ kg·K, resulta un material interesante, su toxicidad es Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 72 tan baja que no es considerado como tóxico, sólo en exposiciones muy largas y prolongadas puede causar un pequeño enrojecimiento en la piel. Lo único a tener en cuenta es que se expande al solidificar en torno a un 3 %. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 73 Capítulo 4: Esquematización y descripción gráfica de la instalación final y del montaje. 4.1. Esquema de la instalación Figura 9.1. Esquema del montaje final de la instalación [IM7,8,9]. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 80 NOMENCLATURA H Entalpía del sistema (kJ) h Entalpía (kJ/kg) ∆h Variación de entalpía (kJ/kg) href Entalpía de referencia (kJ/kg) hcf Entalpía de cambio de fase (kJ/kg) U Energía interna del sistema (kJ) u Energía interna (kJ/kg) ∆u Variación de la energía interna (kJ/kg) n Número de moles de una sustancia cP Calor específico a presión constante (kJ/kg·K) cV Calor específico a volumen constante (kJ/kg·K) T Temperatura (K) Tcf Temperatura de cambio de fase (K) Tref Temperatura de referencia (K) Tm1, Tm2 Intervalo de temperaturas en los que se produce el cambio de fase (K) t1 Temperatura inicial (K) t2 Temperatura final (K) t Tiempo (s) t1, t2 Intervalo de tiempo en el que transcurre el cambio de fase (s) hf Entalpía de cambio de fase (kJ/kg) M, m Masa (kg) Qs Calor sensible (kJ) Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 81 Ql Calor latente (kJ) R Radio del tubo (m) k Conductividad térmica del PCM (W/m·K) h Coeficiente de transferencia de calor por convección natural (W/m2·K) mp Masa del PCM (kg) mt Masa del tubo (kg) cp,l Calor específico medio PCM líquido (kJ/kg·K) cp,t Calor específico medio tubo (kJ/kg·K) Ac Área de transferencia de calor convectiva del tubo (m2) cp,s Calor específico medio PCM sólido (kJ/kg·K) Tr Temperatura de la sustancia de referencia (K) mw Masa del agua (kg) cp,w Calor específico medio del agua (kJ/kg·K) Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 82 ABREVIATURAS PCM Phase Change Material (Material de cambio de fase) TES Thermal Energy Storage (Almacenamiento de energía térmica) DTA Análisis térmico diferencial DSC Calorimetría diferencial de barrido Bi Número de Biot HTF Fluido de transferencia de calor Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 83 LISTA DE TABLAS Tabla 1.1. Tabla que refleja las ventajas e inconvenientes del uso de PCM inorgánicos. Tabla 1.2. Tabla que refleja las ventajas e inconvenientes del uso de PCM orgánicos. Tabla 5.1. Ventajas e inconvenientes de las instalaciones propuestas. Tabla 7.1. Resumen tipos de cámara. Tabla 7.2. Selección de la cámara elegida. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 84 LISTA DE FIGURAS Figura 1.1. Cambios de fase entre los distintos estados. Figura 1.2. Curva teórica del calor frente a la temperatura. Temperaturas del cambio de fase. Figura 1.3. Clasificación de materiales para la acumulación de energía térmica mediante cambio de fase. Figura 1.4. Relación Temperatura vs calor de fusión para sustancias utilizadas como PCM. Figura 2.1. Funcionamiento de los tejidos con PCM. Figura 2.2. PCM en fibras textiles. Figura 2.3. Explicación de funcionamiento de los muros trombe. Figura 3.1. Esquema básico calorímetro convencional. Figura 3.2. Esquema de análisis térmico mediante DSC. Figura 3.3. Ejemplo de termograma de DSC. Figura 5.1. Prototipo (croquis) Instalación con recirculación con aire caliente. Figura 5.2. Clasificación termoresistencias pt 100. Figura 5.3. Descripción gráfica colocación portamuestras. Figura 5.4. Prototipo (croquis) Instalación con intercambio de calor. Figura 5.5. Prototipo (croquis) de la instalación con almacenador de PCM y fluido calotransportador. Figura 5.6. Esquema del almacenador de energía. Figura 7.1. Disposición gráfica del aislamiento de la cámara. Figura 7.2. Comparativa Densidad frente a Temperatura. Figura 7.3. Sensor de temperatura Pt-100 con abrazadera. Figura 9.1. Esquema del montaje final de la instalación. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 85 Anexos Anexo 1.1. Calibración sistema de adquisición de datos. Anexo 1.2. Balanza de precisión disponible. Anexo 1.3. Características sondas temperatura. Anexo 1.4. Acreditación calibración sondas. Anexo 1.5. Aislante probetas. Anexo 1.6. Oferta de cámara. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 86 Anexo 1.1. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 87 Anexo 1.2. Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 88 Anexo 1.3. SONDA DE TEMPERATURA PT-100 AJUSTABLE SENSOR RTD - PT100 Para la medición de temperatura del tubo hasta 350ºC. Este sensor incorpora un sensor Pt-100 unido a un anillo ajustable. Están disponibles en un número de tamaños para adaptarse a su diámetro de tubería. Para un mejor rendimiento se recomienda que se queden después de conectar el sensor a la tubería.  Configuración de 3 hilos  Elemento Pt100 cumple con la norma BS EN 60751:1996 Clase B  Versiones para tubos de 32mm-50mm, 50-150mm o 300mm-150 ofrece  Rango de funcionamiento: -50 º C a 350 º C  Leads: 2 metros de fibra de vidrio aislado con un acero inoxidable overbraid Los siguientes modelos están disponibles: Pt100 Abrazadera Pt100 Abrazadera Código Descripción Precio:1- 9 Precio:10- 24 Precio:25-49 515-270 Pt100 abrazadera, 32-50mm € 36,10 € 32,60 € 28,70 515-273 Pt100 abrazadera, 50-150mm € 37,80 € 34,30 € 30,20 515-276 Pt100 abrazadera, 150-300mm € 41,20 € 37,70 € 33,20 Materiales de Cambio de Fase. Diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas. 89 Anexo 1.4.