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Los materiales con cambio de fase (Phase Change Material-PCM) son materiales con un alto calor latente que, a la temperatura de cambio de fase (sólido ↔ líquido), son capaces de almacenar o liberar grandes cantidades de energía (hasta 100 veces más que si emplea el calor sensible). El interés de este tipo de materiales radica en que, durante el cambio de fase, la temperatura se mantiene constante mientras que el material va absorbiendo o liberando energía. La temperatura de cambio de fase es característica de cada PCM. Se trata de materiales inteligentes (smart materials) y pasivos, los cuales actúan de manera reversible en base a la condiciones térmicas del entorno. En general son materiales de bajo coste.
Las ventajas principales que ofrece el almacenaje de calor mediante calor latente frente al que emplea el calor sensible son:
La densidad de almacenaje de calor es muy superior. Por ejemplo el agua líquida, su calor específico es 4,19 kJ/kg°C y el calor latente de fusión sólido-líquido (hielo) es 334,24 kJ/kg. Por consiguiente la densidad de calor almacenado por calor latente a 0 °C es equivalente al calor que almacena el agua al pasar de 0 a 80 °C por calor sensible.El calor liberado/almacenado se realizará a temperatura constante.
Aplicaciones
Las principales aplicaciones que tienen estos materiales vienen definidas por:
Su alta capacidad de almacenaje de energía en forma de calor. Almacenar calor en un momento determinado para disponerlo más tarde. Esto permite obtener una gestión térmica más eficiente. Por ejemplo en un sistema colector solar, durante el día se almacenaría el exceso de calor y se dispondría por la noche y justo al día siguiente cuando no hay radiación solar.Sus prestaciones como termorregulador para reducir las oscilaciones térmicas de un espacio, en torno a la temperatura de cambio de fase del PCM. Con esto se consigue reducir la dependencia con los sistemas de climatización convencionales y por tanto un ahorro energético. Por ejemplo en viviendas para reducir las oscilaciones de temperatura en torno a la temperatura confort (22 °C).
A continuación se enumeran algunas aplicaciones específicas donde han sido utilizados los PCM:
Almacenaje térmico de energía solar.Almacenaje pasivo en edificios, para obtener temperaturas de confort constantes.Para enfriamiento (banco de hielo).Obtención de agua caliente sanitaria (ACS).Mantenimiento de temperaturas constantes en habitaciones con ordenadores y dispositivos eléctricos.Protección térmica de alimentos durante el transporte.Protección térmica de productos agrícolas (vino, leche, verduras, etc).Protección térmica de dispositivos electrónicos, evitando sobrecalentamientos.Reducción de fatiga térmica en dispositivos.Aplicaciones médicas: protección térmica para el transporte de sangre, mantenimiento de la temperatura de la mesa de operaciones, terapias de frío-calor.Refrigerante de máquinas.Obtención de confort térmico en vehículos.Amortiguación de los picos de temperaturas exotérmicos en reacciones químicas.Plantas de energía solar.Sistemas aeroespaciales.
Tipología de PCM: ventajas y desventajas
Los PCM se pueden agrupar principalmente en dos grandes familias: materiales orgánicos e inorgánicos. Ambos casos presentan ventajas y desventajas en relación a las características que debe tener un PCM (tabla 1).
PCM INORGÁNICO
VENTAJAS
PCM ORGÁNICO
+
Calor latente
-
+
Densidad
-
+
Conductividad térmica
-
-
Estabilidad termo-química
+
-
Corrosivo
+
-
Disponibilidad y precio
+
Tabla 1. Ventajas y desventajas de los distintos PCM.
Encapsulado
Para el empleo de los materiales con cambio de fase en aplicaciones, es necesario
Las ventajas principales que ofrece el almacenaje de calor mediante calor latente frente al que emplea el calor sensible son:
La densidad de almacenaje de calor es muy superior. Por ejemplo el agua líquida, su calor específico es 4,19 kJ/kg°C y el calor latente de fusión sólido-líquido (hielo) es 334,24 kJ/kg. Por consiguiente la densidad de calor almacenado por calor latente a 0 °C es equivalente al calor que almacena el agua al pasar de 0 a 80 °C por calor sensible.El calor liberado/almacenado se realizará a temperatura constante.
Aplicaciones
Las principales aplicaciones que tienen estos materiales vienen definidas por:
Su alta capacidad de almacenaje de energía en forma de calor. Almacenar calor en un momento determinado para disponerlo más tarde. Esto permite obtener una gestión térmica más eficiente. Por ejemplo en un sistema colector solar, durante el día se almacenaría el exceso de calor y se dispondría por la noche y justo al día siguiente cuando no hay radiación solar.Sus prestaciones como termorregulador para reducir las oscilaciones térmicas de un espacio, en torno a la temperatura de cambio de fase del PCM. Con esto se consigue reducir la dependencia con los sistemas de climatización convencionales y por tanto un ahorro energético. Por ejemplo en viviendas para reducir las oscilaciones de temperatura en torno a la temperatura confort (22 °C).
A continuación se enumeran algunas aplicaciones específicas donde han sido utilizados los PCM:
Almacenaje térmico de energía solar.Almacenaje pasivo en edificios, para obtener temperaturas de confort constantes.Para enfriamiento (banco de hielo).Obtención de agua caliente sanitaria (ACS).Mantenimiento de temperaturas constantes en habitaciones con ordenadores y dispositivos eléctricos.Protección térmica de alimentos durante el transporte.Protección térmica de productos agrícolas (vino, leche, verduras, etc).Protección térmica de dispositivos electrónicos, evitando sobrecalentamientos.Reducción de fatiga térmica en dispositivos.Aplicaciones médicas: protección térmica para el transporte de sangre, mantenimiento de la temperatura de la mesa de operaciones, terapias de frío-calor.Refrigerante de máquinas.Obtención de confort térmico en vehículos.Amortiguación de los picos de temperaturas exotérmicos en reacciones químicas.Plantas de energía solar.Sistemas aeroespaciales.
Tipología de PCM: ventajas y desventajas
Los PCM se pueden agrupar principalmente en dos grandes familias: materiales orgánicos e inorgánicos. Ambos casos presentan ventajas y desventajas en relación a las características que debe tener un PCM (tabla 1).
PCM INORGÁNICO
VENTAJAS
PCM ORGÁNICO
+
Calor latente
-
+
Densidad
-
+
Conductividad térmica
-
-
Estabilidad termo-química
+
-
Corrosivo
+
-
Disponibilidad y precio
+
Tabla 1. Ventajas y desventajas de los distintos PCM.
Encapsulado
Para el empleo de los materiales con cambio de fase en aplicaciones, es necesario
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