Informe de actividades realizadas durante la estancia de investigación.
URIEL MUCIENTES SAUCEDO Estancia de investigación en Sistemas de Almacenamiento Térmico en Sistemas Constructivos. LABORATORIO DEL FUEGO -ESCUELA POLITÉCNICA SUPERIOR DE EDIFICACIÓN DE BARCELONA, UPC, ESPAÑA
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Metodología Para esta ocasión se utilizó un material cambio de fase de la marca BASF Micronal DS 5001 con un punto de fusión de 26 º C (Tabla 1). Este material consiste en una parafina que se encuentra contenida en microcapsulas en un material polimérico y que físicamente tiene la apariencia de un polvo (Fig.1). En el núcleo de la microcapsula (tamaño aproximado de 5 micras), es donde se contiene el calor latente de almacenamiento gracias a la mezcla de parafina, que absorbe la energía excedente de calor una vez que la temperatura se eleva por encima del umbral de temperatura definido (Fig.2). Esta energía térmica se almacena en la cera líquida y se libera de nuevo.
Propiedad Región de transición [ºC] Capacidad de almacenamiento de calor (calor sensible + latente) [kJ/kg] Capacidad de calor específico [kJ/kg·K] Densidad [kg/m3] Conductividad de calor [W/m·K]
DS 5001 (Micronal) 23.5 – 25.7
Fig 1. Micronal DS 5001
110 kJ/kg 1.7 350 0.33
Tabla 1. Propiedades del PCM
Con base en la tesis elaborada en la licenciatura y al Yeso Propiedad estudio de las temperaturas en la Ciudad de México, el punto de fusión escogido que los PCM Conductividad térmica [W/m·K] se debe a 0.32 3] Densidad [kg/m 720.8 con puntos de fusión cercanos al límite superior del 1 Capacidad de calor específico [kJ/kg·K] rango de confort, se comportan como0.04materiales Espesor [m] Absorbancia térmica 0.9 de alto rendimiento, amortiguando y manteniendo temperaturas interiores térmicamente confortables. Para esta práctica se incorporan los PCM en materiales de construcción, por este motivo no se utilizan materiales puros para evitar escurrimientos al producirse el cambio de estado y un visible cambio de volumen.
Fig 2. Imagen microscopica de Micronal DS 5001
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Este problema se ve resuelto al utilizar microcapsulas o al consolidarse a otro material, los cambios se producen dentro y microscópicamente el material está seco y no existen diferencia en el cambio de volumen. Esto también facilita su directa incorporación con los materiales de construcción.
Ensayos realizados yeso con PCM. Se considera interesante el estudio con yeso, por la economía del material, la facilidad de incorporación, y su amplía utilización en construcción.
Fig.3 Molde para preparación de las placas
Se considera la realización de dos placas con las mismas dimensiones (20 cm de largo, 20 cm de ancho y 3 cm de espesor), con las siguientes composiciones: yeso sólo, yeso con 50% de PCM DS 5001 (Tabla 2) .
Materiales
Placa de Yeso
Placa de yeso con PCM (50 % PCM-DS 5001)
Yeso (gr) PCM (gr) Agua (gr)
780 0 540
520 260 480
Tabla 2. Proporciones de las mezclas
Las placas a mitad de su grosor, se coloca un termopar para registrar los valores de temperatura en el centro de la placa. Para esto, se vierte una capa de la mezcla en el molde hasta la mitad del grosor final de la placa (h=1.5 cm), se coloca el cable, y se vierte la segunda capa hasta la parte superior del molde (Fig.3 y 4). Después de haber realizado las 2 placas, cuidadosamente se retiraran del molde y se introducen a una estufa a una temperatura de 40 °C durante 3 días para el secado de las placas (Fig. 5 y 6)
Fig. 4 Placa de yeso con Micronal
Fig. 5 Colocación de placa en la estufa.
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Fig. 7 Introducción de placas a cámara climática y termopar
Fig.6 Programación de temperatura en la estufa a 40°C
Las placas tienen colocado en su interior un termopar para poder recoger los datos de las temperaturas interiores. Estos se conectan con el termómetro digital y se graban los datos que luego se leerán mediante el software del aparato. En los experimentos, ni las temperaturas ni la duración de los procesos se ajustan a la realidad, pero lo que se quiere analizar son los diferentes comportamientos de cada placa con material PCM respecto la placa de yeso solo, sometidas ambas a las mismas circunstancias. Después del secado de las placas, se introdujeron a una cámara climática para acondicionarlas durante 24 horas (Fig.7 y 8). Se programó la cámara para que cada 3 horas la temperatura subiera y descendiera, teniendo una temperatura máxima de 40°C y la mínima de 15 °C. También se comienza a grabar datos en el termómetro de los 3 termopares: placa con PCM, placa de yeso y temperatura ambiente de la cámara (Fig 9).
Fig. 8 Cámara climática
Fig. 8 Termómetro digital con tres canales de medición.
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Resultados Con base a los resultados de las 2 placas estudiadas, la ahora el almacenamiento se da de manera de calor placa con PCM presento un mejor comportamiento ante sensible. las temperaturas, a comparación de la placa de yeso. Cuando la placa con PCM llega a la temperatura de 30 °C se puede evidenciar como el material trabaja de Al comparar la evolución de temperaturas de las manera sensible, además de que los 30°C es el punto placas respecto a la temperatura ambiente, cuando máximo de operación del material, esto se ve reflejado se alcanza una temperatura de 40 °C la placa con en una línea curva que tiende aplanarse en el sentido yeso tiene un aumento de su temperatura casi a la horizontal. par que la temperatura ambiente. En cambio la placa con PCM tiene un aumento en su temperatura más lento, tomándole a la placa más tiempo para aumentar Después de las 3 horas y haber alcanzado una su temperatura, esto debido a que el material (PCM) temperatura objetivo de 40°C la cámara comienza con tiene una mayor capacidad de almacenamiento de calor el descenso de la temperatura hasta los 15 °C. Tanto sensible como de calor latente. la placa de yeso como la placa con PCM presentan un retraso de 1 hora en alcanzar sus temperaturas Aunque la cámara climática fue programada para máximas. llegar a una temperatura de 40°C cada 3 horas, la temperatura máxima a la que se mantuvo fue en un Se observa que la placa de yeso ahora le toma un poco promedio de 38.5°C aproximadamente, esto debido a más de tiempo para el descenso de su temperatura una falla con la compuerta de la antes dicha. pero manteniendo una línea inclinada. En el caso de la placa con PCM el descenso de la temperatura del En la fig. se puede observar que al alcanzar la material de igual manera se mantiene en una línea temperatura ambiente los 38.5 °C aproximadamente, inclinada como en la placa de yeso. la placa de yeso tiende a realizar una curva hasta Cuando la placa con PCM llega a su punto de fusión se aplanarse en el sentido horizontal. Esto representa que puede observar una ligera inclinación en la línea de la la placa de yeso al no presentar un cambio de estado, temperatura, la cual indica que el material comienza a tiene un almacenamiento de calor sensible. Al mantener ceder el calor latente almacenado. una temperatura constante, el material se mantendrá a la misma temperatura de la fuente a la que se encuentra Cuando la temperatura ambiente llega a los 15 °C, la expuesta. placa con yeso presenta un amortiguamiento de 1°C y En el caso de la placa con PCM se observa que el un ligero retardamiento. En el caso de la placa con PCM material al llegar a la temperatura de fusión de 26°C, se puede observar que este amortigua la temperatura este presenta una ligera inclinación en la curva lo cual hasta 5 °C. Esto debido a que al implementarse el PCM representa que está habiendo un cambio de estado con yeso este tiene una mayor densidad de energía y por lo tanto un almacenamiento de calor latente. Al térmica a comparación del sistema de placa de yeso. haber cambiado de estado y almacenado calor latente, la temperatura de la placa sigue en aumento ya que 5
Temperaturas de placas
45 40
TEMPERATURA [ ° C ]
35 30 25 20 15 10 5 0
0
3
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9
12
15
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21
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Tiempo [Horas] T_yeso
T_PCM
T_amb
Temperaturas de placas
45 40
TEMPERATURA [ ° C ]
35 30 25 20 15 10 5 0
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Tiempo [Horas] T_yeso
T_PCM
T_amb
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Conclusiones Durante el estudio de los PCM, estos mostraron una buena capacidad de almacenamiento de calor sensible, pero también mostraron una alta capacidad de almacenamiento de calor latente. Al implementar PCM en sistemas constructivos, la amortiguación de las temperaturas ambiente aumento. Se observó que al elegir un punto de fusión cercano al límite superior del rango de confort, la amortiguación de las temperaturas era mayor y por lo tanto, las oscilaciones térmicas en la placa con PCM eran menores. El hecho de implementar un material con un punto de fusión más alto, implica un mayor tiempo para la absorción y almacenamiento de calor latente hasta cambiar de fase. Cuando en el ambiente exterior se alcanza la temperatura máxima pico, a la par, comienza la liberación del calor latente almacenado en el material, tomándole un menor tiempo en la liberación del calor. En el caso de los sistemas con PCM, estos no presentan un retardamiento térmico como un material convencional con propiedades de masa térmica. Al tener los PCM una alta capacidad de almacenamiento de calor latente y de calor sensible, estos permiten un mayor amortiguamiento térmico. En el caso del estudio con la placa de PCM no se pudo observar un amortiguamiento en las temperaturas máximas debido a que la temperatura ambiente superaba la temperatura de fusión y operación del PCM. Sin embargo, al caer la temperaturas ambiente hasta 15°C la placa con PCM presenta una mayor densidad de energía térmica la cual permite amortiguar las temperaturas hasta 5°C (20°C temperatura mínima de la placa con PCM) a comparación de la placa de yeso la cual amortiguaba solo 1 °C.
Sería adecuado programar las temperaturas ambiente hasta los 30°C para poder observar el amortiguamiento que tendría el material, pero por el momento se pude deducir que el material tiene una alta capacidad de almacenamiento de calor sensible como de calor latente, viéndose reflejado en el amortiguamiento de las temperaturas mínimas hasta 5 °C gracias a su alta densidad energética. Por lo tanto se puede deducir que al implementar un PCM microencapsulado con un material como el yeso, este puede llegar a ser de gran beneficio por la economía del material, la facilidad de incorporación y su amplia utilización en la construcción ya sea para morteros o paneles de yeso en muro o techo. Como trabajos a futuro sería importante hacer las mediciones de las propiedades térmicas (Calor específico, conductividad y difusividad térmica) de las placas de yeso con PCM y poder introducir los valores a un software de simulación energética y poder analizar su comportamiento en un espacio dado con un clima como el de la ciudad de México. Otro aspecto importante a estudiar en un futuro son las propiedades mecánicas (flexo-tracción y compresión) del material agregando PCM y determinar que tanto puede llegar a afectar al sistema en su aplicación a sistemas constructivos.
Por lo tanto aunque la temperatura ambiente en este estudio supera las temperaturas que existen en la Ciudad de México en meses cálidos (30°C) se le puede considerar a la placa de yeso con PCM como un sistema de alto rendimiento. 7