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Analysis of microencapsulated phase change material slurries and phase change material emulsions as heat transfer fluid and thermal storage material

Delgado Gracia, Mónica
Zalba Nonay, Belen (dir.) ; Lázaro Fernández, Ana (dir.)

Universidad de Zaragoza, 2013

Resumen: La presente tesis doctoral trata el análisis de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento térmico. El interés de la tesis nace de la actual conyuntura energética. Dentro de la línea de búsqueda de un modelo energético sostenible, el almacenamiento térmico de energía contribuye a la utilización eficiente de la energía. Las aplicaciones del almacenamiento térmico de energía mediante cambio de fase sólido-líquido se encuentran en fase de expansión y es durante los últimos años cuando está tomando más relevancia el uso de estos materiales de cambio de fase suspendidos en agua. Por el momento existen todavía puntos críticos a tratar que permitan su integración de forma más extensa. Con este trabajo se ha pretendido avanzar en la resolución de estas dificultades, y analizar su comportamiento térmico y viabilidad técnica frente a sistemas de almacenamiento en sensible con agua, o frente a los sistemas de almacenamiento donde el material de cambio de fase hasta el momento era macroencapsulado. Esta tesis doctoral parte de un exhaustivo estado del arte acerca de estos nuevos fluidos, prestando especial atención a sus propiedades termofísicas y reológicas y al fenómeno de transferencia de calor. Dentro de esta revisión bibliográfica se han determinado cuáles son las magnitudes objetivo a la hora de seleccionar una suspensión o emulsión de materiales de cambio de fase para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento térmico. Además de estas magnitudes objetivo se han determinado cuáles son sus factores de influencia y cómo se da esta influencia. Se ha realizado una profunda búsqueda de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase, en el mercado comercial, universidades y centros de investigación, llegando a recopilar un total de doce muestras en el laboratorio. Aquellas que no han evidenciado ningún tipo de incompatibilidad con su recipiente contenedor ni ningún proceso de desestabilización física durante los primeros días de almacenamiento en el laboratorio han sido analizadas. En primer lugar se han obtenido sus curvas Entalpía-Temperatura, analizando qué muestras son las que presentan una mayor capacidad de almacenamiento térmico, y analizando posibles fenómenos de histéresis y subenfriamiento. En base a estos primeros análisis han resultado candidatas dos muestras, con diversas fracciones másicas del material de cambio de fase en suspensión para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento térmico. De estas muestras candidatas se han obtenido las curvas de Conductividad térmica-Temperatura, a partir de las medidas de densidad, calor específico y difusividad térmica. En el caso de las medidas de difusividad térmica se ha planteado una metodología de medida para la obtención de valores fiables y reproducibles en la caracterización de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase con un equipo Láser Flash. Para completar esta caracterización, se han determinado sus propiedades reológicas, obteniendo las curvas de Viscosidad-Velocidad de Cizalla y determinando su modelo de comportamiento. Dentro de este trabajo de carácter reológico, realizado con un reómetro de esfuerzo controlado, se ha planteado una primera metodología para la determinación de la viscosidad del octadecano como material de cambio de fase, en estado líquido y durante su transición de estado. Esta propuesta de metodología permite la determinación de la viscosidad de otros materiales de cambio de fase. Estos valores se pueden utilizar en los modelos numéricos para simular la convección natural en los sistemas con el material de cambio de fase macroencapsulado. De forma complementaria a esta caracterización experimental, se ha analizado la estabilidad y compatibilidad tanto de sistemas tradicionales de almacenamiento de energía térmica donde el material de cambio de fase está macroencapsulado, como de sistemas donde el material de cambio de fase se encuentra en forma de suspensión o emulsión. Se ha analizado la estabilidad física de suspensiones de materiales de cambio de fase microencapsulado, en cuanto a posibles problemas de estratificación o cremado y en cuanto a la posible ruptura de sus microcápsulas cuando éstas son sometidas a ciclos termo-mecánicos. Se ha completado este análisis de estabilidad con el análisis de posibles fenómenos de contaminación microbiana. En términos de compatibilidad, se ha evaluado la compatibilidad de diversos materiales de cambio de fase de baja temperatura con cápsulas esféricas de plástico. Además se han analizado los posibles fenómenos de corrosión de aleaciones metálicas típicas de instalaciones térmicas, cuando entran en contacto con estas suspensiones de materiales de cambio de fase. En vista del análisis bibliográfico, quedó patente la controversia en los resultados experimentales y numéricos de los diversos autores acerca del fenómeno de transferencia de calor en estos nuevos fluidos. Es por este motivo que se ha diseñado, puesto en marcha y validado una instalación experimental, la cual permite el estudio del fenómeno de transferencia de calor y de la mecánica de fluidos en suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase. Es en esta instalación experimental donde se ha analizado la idoneidad de las suspensiones de materiales de cambio de fase candidatas para su uso como fluido caloportador. La tesis doctoral finaliza con un análisis de aplicaciones. Se ha comparado el funcionamiento de un depósito de almacenamiento de energía térmica con suspensiones de materiales de cambio de fase, frente a un depósito con cápsulas esféricas de materiales de cambio de fase, y frente a un depósito de almacenamiento térmico en sensible con agua. Esta comparación se ha realizado en base a términos de potencia, densidad energética y pérdida de carga.