Materiales con cambio de fase PCM
Súperpolímeros
Materiales con cambio de fase (PCM)
Los materiales con cambio de fase (PCM) mejoran el confort térmico de los zapatos. Los PCM poseen propiedades que les hacen muy atractivos en el almacenamiento de energía térmica. Los materiales con cambio de fase (PCMs) poseen la capacidad de almacenar de calor (unidades de almacenamiento de calor latente), alto calor de fusión y punto de transición de fase en el entorno de la temperatura de operación. Estos materiales combaten la pérdida de calor, absorbiendo y desprendiendo calor. Tienen un alto calor de fusión, y su punto de transición de fase se encuentra en el entorno de la temperatura de operación, capaces de almacenar y liberar cantidades sustanciales de energía. Cuando un material sólido se calienta a una temperatura superior a su punto de fusión, absorberá el calor y se fundirá. Al igual que un cubo de hielo, se derretirá mientras absorbe el calor de su refresco para mantenerlo fresco. Por otro lado, cuando enfriamos un líquido por debajo de su punto de fusión, se solidificará a una temperatura casi constante, como cuando ponemos agua en el congelador para hacer hielo. Para fundirse o solidificarse completamente, un material necesita absorber o liberar una cierta cantidad de energía llamada "calor latente" o "calor de fusión". En otras palabras, los PCM son materiales que, cuando cambian de fase (se derriten o congelan), absorben o liberan calor a una temperatura casi constante y, al hacerlo, se pueden utilizar eficazmente para almacenar calor o frío. Por ejemplo; el calor de fusión del agua a 0°C es 80 veces mayor que el calor necesario para calentar el agua líquida en 1 grado Celsius. Los PCM poseen propiedades que les hacen muy atractivos en el almacenamiento de energía térmica. Sus características deseables son:
• Temperatura de cambio de fase en el entorno de la temperatura de operación requerida
• Alto calor latente de fusión/solidificación
• Alta conductividad térmica
• Resistencia a las condiciones de operación
• Baja corrosividad
• Alta densidad
• Pequeño cambio de volumen en la transición de fase
• Medioambientalmente sostenible
• Viable desde el punto de vista económico
El
objetivo para el que son diseñados es evitar la pérdida de calor mediante la
absorción o desprendimiento del mismo. Una clasificación de los PCM en base a su composición se divide en tres familias: orgánicos, inorgánicos y eutécticos. Los orgánicos por exemplos son compuestos de parafina o compuestos sin parafina; los inorgánicos por ejemplo son los sales hidratadas
metálicos y los eutécticos puedn ser "Orgánico-Orgánico" , "Orgánico-Inorgánico" y "Inorgánico-Inorgánico".
Casi todos los materiales tienen la capacidad de fundirse y solidificarse. Sin embargo, no todos lo harán en un rango de temperatura útil o en condiciones que sean posibles de controlar sin degradarse tras varias repeticiones. Si bien el agua es el PCM más conocido y utilizado, otros PCM que se encuentran comúnmente son, por ejemplo, las mezclas de sal y agua. Para temperaturas más altas, se usan comúnmente parafinas, por ejemplo, cera, y varios tipos de alcoholes de azúcar para almacenar calor. Por ejemplo, el eritritol (un edulcorante que sustituye al azúcar) ha sido ampliamente investigado para el almacenamiento de calor debido a su bajo costo y su conveniente temperatura de fusión a 118 ° C, justo por encima de la temperatura de ebullición del agua. A temperaturas aún más altas, la fusión y solidificación de metales se ha estudiado durante milenios para poder moldear cualquier forma.
Hoy estamos especialmente interesados en los PCM
Los materiales de cambio de fase están ganando mucha atención en estos días, porque su nivel de preparación tecnológica (TRL) está cerca del uso comercial para el almacenamiento de energía térmica; Esto significa absorber el calor o el frío cuando esté en exceso y devolverlo más tarde cuando sea necesario.
Ventajas industriales de los PCM
Idealmente, el objetivo es almacenar el calor o el frío de manera similar a como almacenamos la energía eléctrica en las baterías, utilizando fases de carga y descarga. En comparación con otros métodos para almacenar calor, los materiales de cambio de fase hacen que las unidades de almacenamiento térmico sean más compactas y pueden operar en un rango de temperatura estrecho, lo que significa menores pérdidas de calor.
Dado que la fusión y solidificación se producen a una temperatura casi constante, es posible almacenar grandes cantidades de energía térmica de flujos fríos o calientes, solo unos pocos grados por encima o por debajo de la temperatura de funcionamiento. El almacenamiento de energía térmica es de gran interés en la industria, donde se realizan grandes esfuerzos para reducir el consumo total de energía y evitar el desperdicio de energía en exceso.
Otra ventaja del almacenamiento de energía térmica es la capacidad de reducir el consumo de energía mediante la reducción de picos. Al almacenar calor o frío durante la baja demanda y devolverlo durante la demanda máxima, podemos instalar dispositivos de calefacción o refrigeración más pequeños y reducir los costos de inversión. Esta ventaja, junto con una perspectiva futura de un precio de la energía mucho más alto durante los picos de demanda, es precisamente lo que acelerará la implementación de soluciones basadas en PCM. Un ejemplo de la aplicación de materiales de cambio de fase se centra en estufas de leña. En edificios nuevos y modernos, el aislamiento térmico es tan eficaz que las estufas de leña a menudo sobrecalientan la casa. Una solución es desarrollar un almacenamiento de calor utilizando PCM para absorber parte de este exceso de calor antes de que llegue a la habitación y devolver el calor también después de que finalice la combustión.
Los PCM actúan como “unidades de almacenamiento de calor latente” y entre las diversas aplicaciones :
• Interruptores electrónicos (primera aplicación).
• Envases “inteligentes” capaces de regular la temperatura de los alimentos (frío/calor).
• Incorporación a elementos constructivos para facilitar y abaratar el confort térmico en edificaciones.
• Aditivo en cementos y hormigones para mejorar el fraguado y las propiedades de grandes construcciones (puentes, etc.).
• Incorporación en textiles como elemento de confort térmico.
• Almacenamiento de energía térmica en energía solar de aplicación doméstica.
• Almacenamiento de energía térmica en plantas termosolares.
• Desarrollo de baterías avanzadas.