Analysis of microencapsulated phase change material slurries and phase change material emulsions as heat transfer fluid and thermal storage material (2013)

La presente tesis doctoral trata el analisis de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento termico. El interes de la tesis nace de la actual conyuntura energetica. Dentro de la linea de busqueda de un modelo energetico sostenible, el almacenamiento termico de energia contribuye a la utilizacion eficiente de la energia. Las aplicaciones del almacenamiento termico de energia mediante cambio de fase solido-liquido se encuentran en fase de expansion y es durante los ultimos anos cuando esta tomando mas relevancia el uso de estos materiales de cambio de fase suspendidos en agua. Por el momento existen todavia puntos criticos a tratar que permitan su integracion de forma mas extensa. Con este trabajo se ha pretendido avanzar en la resolucion de estas dificultades, y analizar su comportamiento termico y viabilidad tecnica 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 atencion a sus propiedades termofisicas y reologicas y al fenomeno de transferencia de calor. Dentro de esta revision bibliografica se han determinado cuales son las magnitudes objetivo a la hora de seleccionar una suspension o emulsion de materiales de cambio de fase para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento termico. Ademas de estas magnitudes objetivo se han determinado cuales son sus factores de influencia y como se da esta influencia. Se ha realizado una profunda busqueda de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase, en el mercado comercial, universidades y centros de investigacion, llegando a recopilar un total de doce muestras en el laboratorio. Aquellas que no han evidenciado ningun tipo de incompatibilidad con su recipiente contenedor ni ningun proceso de desestabilizacion fisica durante los primeros dias de almacenamiento en el laboratorio han sido analizadas. En primer lugar se han obtenido sus curvas Entalpia-Temperatura, analizando que muestras son las que presentan una mayor capacidad de almacenamiento termico, y analizando posibles fenomenos de histeresis y subenfriamiento. En base a estos primeros analisis han resultado candidatas dos muestras, con diversas fracciones masicas del material de cambio de fase en suspension para su uso como fluido caloportador y material de almacenamiento termico. De estas muestras candidatas se han obtenido las curvas de Conductividad termica-Temperatura, a partir de las medidas de densidad, calor especifico y difusividad termica. En el caso de las medidas de difusividad termica se ha planteado una metodologia de medida para la obtencion de valores fiables y reproducibles en la caracterizacion de suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase con un equipo Laser Flash. Para completar esta caracterizacion, se han determinado sus propiedades reologicas, obteniendo las curvas de Viscosidad-Velocidad de Cizalla y determinando su modelo de comportamiento. Dentro de este trabajo de caracter reologico, realizado con un reometro de esfuerzo controlado, se ha planteado una primera metodologia para la determinacion de la viscosidad del octadecano como material de cambio de fase, en estado liquido y durante su transicion de estado. Esta propuesta de metodologia permite la determinacion de la viscosidad de otros materiales de cambio de fase. Estos valores se pueden utilizar en los modelos numericos para simular la conveccion natural en los sistemas con el material de cambio de fase macroencapsulado. De forma complementaria a esta caracterizacion experimental, se ha analizado la estabilidad y compatibilidad tanto de sistemas tradicionales de almacenamiento de energia termica donde el material de cambio de fase esta macroencapsulado, como de sistemas donde el material de cambio de fase se encuentra en forma de suspension o emulsion. Se ha analizado la estabilidad fisica de suspensiones de materiales de cambio de fase microencapsulado, en cuanto a posibles problemas de estratificacion o cremado y en cuanto a la posible ruptura de sus microcapsulas cuando estas son sometidas a ciclos termo-mecanicos. Se ha completado este analisis de estabilidad con el analisis de posibles fenomenos de contaminacion microbiana. En terminos de compatibilidad, se ha evaluado la compatibilidad de diversos materiales de cambio de fase de baja temperatura con capsulas esfericas de plastico. Ademas se han analizado los posibles fenomenos de corrosion de aleaciones metalicas tipicas de instalaciones termicas, cuando entran en contacto con estas suspensiones de materiales de cambio de fase. En vista del analisis bibliografico, quedo patente la controversia en los resultados experimentales y numericos de los diversos autores acerca del fenomeno de transferencia de calor en estos nuevos fluidos. Es por este motivo que se ha disenado, puesto en marcha y validado una instalacion experimental, la cual permite el estudio del fenomeno de transferencia de calor y de la mecanica de fluidos en suspensiones y emulsiones de materiales de cambio de fase. Es en esta instalacion 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 analisis de aplicaciones. Se ha comparado el funcionamiento de un deposito de almacenamiento de energia termica con suspensiones de materiales de cambio de fase, frente a un deposito con capsulas esfericas de materiales de cambio de fase, y frente a un deposito de almacenamiento termico en sensible con agua. Esta comparacion se ha realizado en base a terminos de potencia, densidad energetica y perdida de carga.