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