Materiales de cambio de fase : diseño de una instalación para la caracterización de PCM a altas temperaturas

Este proyecto pretende obtener las características de algunas sustancias en el cambio de fase sólido-líquido para almacenamiento térmico de energía. El trabajo consiste en el diseño y construcción de una nueva instalación para poder conocer y clasificar las propiedades térmicas y físicas de materiales de cambio de fase (PCM) a alta temperatura en un intervalo de temperaturas comprendido entre 20°C y 300°C

Avances en determinación de propiedades termofísicas de materiales de cambio de fase: búsqueda y análisis de nuevos materiales PCM-TES de bajo coste

La presente tesis tiene dos partes diferenciadas pero complementarias. Por un lado se trata de avanzar en la determinación de las propiedades termofísicas de materiales de cambio de fase (en adelante PCM) y por otro, de buscar y analizar nuevos materiales de bajo coste que puedan servir para el almacenamiento térmico de energía. Los avances conseguidos y los procedimientos propuestos para cada propiedad se aplican en la caracterización de los materiales de bajo coste identificados. Desde el punto de vista del avance en determinación de propiedades termofísicas, tanto para el correcto diseño de los sistemas de almacenamiento térmico de energía como para su simulación, resulta imprescindible la caracterización completa del material (curva entalpía-temperatura, conductividad térmica del estado sólido y del estado líquido, viscosidad y densidad en función de la temperatura). La importancia de conocer las propiedades termofísicas de los materiales en función de la temperatura es mayor cuanto menor es el intervalo útil del material en la aplicación. Este tipo de materiales presentan fenómenos que dificultan la determinación de propiedades: subenfriamiento, histéresis, problemas de cristalización, amplia ventana térmica de cambio de fase. En algunos casos esto puede ser debido a que los materiales de cambio de fase utilizados no suelen ser sustancias puras. Además, en la revisión bibliográfica realizada se pone de manifiesto que se pueden encontrar diferencias de resultados entre distintas técnicas o incluso entre distintas condiciones de ensayo en una misma técnica (distinta velocidad de enfriamiento o calentamiento por ejemplo). Además, a alta temperatura se pueden encontrar dificultades añadidas como degradaciones y reacciones cruzadas. Todos estos problemas experimentales encontrados hacen que los métodos convencionales utilizados para el resto de sustancias no sean totalmente adecuados. A toda esta problemática se añade que no se dispone de métodos estandarizados de medida. En la presente tesis se ha avanzado en procedimientos de medida para la determinación de las siguientes propiedades en función de la temperatura: - Curva entalpía- temperatura y capacidad calorífica específica en estado sólido y en líquido con calorímetro diferencial de barrido (DSC) - Densidad con analizador termomecánico (TMA) y densímetro, - Difusividad térmica con Laser Flash (LFA) - Conductividad térmica a partir de capacidad calorífica específica, densidad y difusividad térmica. - Viscosidad con reómetro. Respecto a la búsqueda de materiales de bajo coste, se ha partido de la experiencia del impedimento que puede suponer el precio del PCM para la explotación comercial del almacenamiento térmico de energía con estos materiales en algunas aplicaciones. Se ha propuesto una metodología de búsqueda y análisis de materiales que puedan ser utilizados para el almacenamiento térmico de energía y sean de bajo coste. De acuerdo con trabajos previos encontrados en la bibliografía, se ha buscado en residuos o subproductos de procesos, ácidos grasos y mezclas, esteres de ácidos grasos, polímeros y polialcoholes. Se propone buscar un material de bajo coste que pueda ser utilizado en almacenamiento térmico de energía y una vez demostrada su adecuación, se buscan aplicaciones para él. Las aplicaciones son muchas y para casi todas las temperaturas desde -25ºC hasta 600ºC. La metodología propuesta consta de tres partes. En primer lugar se realizan unos ensayos previos que permiten conocer el rango de temperatura de cambio de fase del material y su comportamiento durante el proceso. Tras los ensayos previos, se realizan unos primeros ensayos que permiten clasificar el material en función de su capacidad de almacenamiento. Por último, se realiza una caracterización completa de los materiales con mayor potencial de almacenamiento. Se ha aplicado la metodología propuesta a cuarenta materiales. De ellos, 20 son residuos o subproductos, 4 son polímeros, 14 son productos naturales (mezclas de ácidos grasos), un azúcar y una sal hidratada. Se han encontrado 10 materiales con alto potencial de almacenamiento, 4 con potencial de almacenamiento, 22 con bajo potencial de almacenamiento y 4 con nulo material de almacenamiento. Se han caracterizado completamente 4 de los 10 materiales clasificados como con alto potencial de almacenamiento. Esta caracterización completa (entalpía de cambio de fase, conductividad térmica del estado sólido y del estado líquido, viscosidad y densidad en función de la temperatura) se ha realizado de acuerdo con los avances realizados en la primera parte de la tesis, en los procedimientos de medida de cada una de ellas. Además, se ha comprobado su resistencia a los ciclados y se han buscado aplicaciones para ellos. Por último se ha realizado una comparación de estos materiales ensayados con materiales comerciales con cambio de fase a temperatura similar. La comparación se ha realizado en términos de precio del material, de rango de temperatura de cambio de fase y de energía almacenada

Evaluación analítica y experimental de un sistema de calentamiento solar de agua a baja temperatura con tecnología de almacenamiento térmico con material de cambio de fase (PCM) en términos energéticos y exergéticos

En este trabajo se evaluó en términos energéticos y exergéticos la utilización de la tecnología de acumulación de energía térmica con material de cambio de fase (PCM) en taques de almacenamiento y colectores solares de placa plana, en comparación con tecnologías tradicionales para aplicaciones de calentamiento de agua a baja temperatura. Para el cumplimiento de los objetivos se desarrollaron modelos térmicos de los sistemas bajo estudio basados en la primera y segunda ley de la termodinámica, paralelamente se llevaron a cabo pruebas experimentales en ciclos típicos de operación con un colector solar de placa plana y un tanque de almacenamiento de agua a escala laboratorio, se utilizaron para cada caso, un equipo con incorporación de tecnología de almacenamiento con PCM y un equipo testigo con tecnología tradicional de almacenamiento de energía con calor sensible, éste último sirve como línea base para comparación energética y exergética, ya que fueron sometidos a las mismas condiciones operacionales, como PCM se utilizaron ceras de parafinas con diferentes temperaturas de fusión y propiedades térmicas. Finalmente, de acuerdo a los resultados obtenidos con la evaluación de las eficiencias se realizó un análisis para comparar el costo de la tecnología de almacenamiento en comparación con tecnologías tradicionales

Estado del arte de sistemas fotovoltaicos híbridos

El objetivo de este proyecto es realizar un estado del arte relativo a los sistemas fotovoltaicos híbridos. Para ello se divide el trabajo en cinco bloques. En primer lugar, se comienza con una introducción a las tres transformaciones energéticas que se han sucedido a lo largo de la historia humana. La tercera, de los combustibles fósiles tradicionales a las nuevas energías no fósiles se está produciendo en la actualidad. Para entender este fenómeno se analizan las emisiones de dióxido en la actualidad y la generación de energía producida en la actualidad a través de las energías renovables. En el segundo capítulo se realiza una introducción literaria a los estudios basados en los sistemas fotovoltaicos híbridos. Este repaso de la literatura abarca desde los primeros estudios hasta los análisis más recientes. Posteriormente, se presenta la tecnología fotovoltaica híbrida. Se propone una clasificación de las PVT, la cual, se utilizará en el resto del documento para presentar el estado del arte de los sistemas fotovoltaicos híbridos. El siguiente apartado se enfoca en el estado del arte, se presentarán los últimos avances respecto a materiales, rendimientos y aplicaciones. Para realizar este análisisse utilizará la clasificación descrita en el apartado anterior, haciendo distinción entre sistemas fotovoltaicos híbridos concentrados y no concentrados. El quinto apartado, recoge los sistemas fotovoltaicos híbridos comercializados, sus características y porque compañías son comercializados. El trabajo termina con una conclusión sobre todo lo desglosado en el presente documento.The objective of this project is to provide a review of photovoltaic thermal systems. To achieve this, the work is divided into five blocks. To begin, there will be an introduction of the three energy transformations that have taken place throughout human history. The third, from traditional fossil fuels to new non-fossil energies, is currently being produced. To understand this phenomenon, the current emissions of dioxide and the generation of energy produced today through renewable energies are analyzed. The second chapter provides a literary introduction to studies based on hybrid photovoltaic systems. This literature review ranges from the earliest studies to the most recent analyses. Subsequently, photovoltaic thermal technology is presented. A classification of PVTs is proposed, which will be used in the rest of the document to present the state of the art of hybrid photovoltaic systems. The next section focuses on the latest review, the latest advancements in material, performance and application will be presented. To carry out this analysis, the classification described in the previous section will be used, distinguishing between concentrated and non-concentrated photovoltaic thermal systems. The fifth section includes the commercialized photovoltaic thermal systems, their characteristics and why companies are commercialized. The work ends with a conclusion on everything detailed in this document.Universidad de Sevilla. Máster en Ingeniería Industria

Caracterización de los materiales de cambio de fase para el almacenamiento de energía

El uso de materiales de cambio de fase (PCM, por sus siglas en inglés) para el almacenamiento de energía térmica ha surgido como una solución prometedora en el campo de la eficiencia energética y la gestión de la demanda de energía. Los PCM son materiales capaces de almacenar y liberar grandes cantidades de energía térmica durante su proceso de cambio de fase, generalmente de sólido a líquido o de líquido a gas, a temperaturas y presiones constantes. La mezcla de nitrato de sodio y nitrato de potasio han mostrado propiedades termofísicas favorables, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de almacenamiento de energía térmica. En el presente trabajo se realizó caracterización de la mezcla de sal binaria, además se llevó a cabo una comparación con una sal ternaria, ampliando así el análisis. Se evaluó las posibles ventajas y desventajas de cada una de ellas en términos de sus propiedades y capacidad de almacenamiento de energía. La caracterización de los PCM se realizó a través de la técnica de Calorimetría Diferencial de Barrido (DSC), que permitió determinar las temperaturas de fusión y solidificación, las entalpías de fusión y otros parámetros termofísicos relevantes. Estos resultados mejorarán la información crucial para evaluar la idoneidad de la mezcla de sal binaria como PCM y comparar su desempeño con la sal ternaria.The use of phase change materials (PCM) for thermal energy storage has emerged as a promising solution in the field of energy efficiency and energy demand management. PCMs are materials capable of storing and releasing large amounts of thermal energy during their phase change process, generally from solid to liquid or liquid to gas, at constant temperatures and pressures. The mixture of sodium nitrate and potassium nitrate have shown favorable thermophysical properties, making them suitable for thermal energy storage applications. In the present work, characterization of the binary salt mixture was carried out, in addition, a comparison with a ternary salt was carried out, thus expanding the analysis. The possible advantages and disadvantages of each of them in terms of their properties and energy storage capacity were evaluated. The characterization of the PCM was carried out through the Differential Scanning Calorimetry (DSC) technique, which allowed determining the melting and solidification temperatures, the fusion enthalpies and other relevant thermophysical parameters. These results will provide crucial information for evaluating the suitability of the binary salt mixture as a PCM and comparing its performance with ternary salt.Máster Universitario en Ingeniería de Materiales y Fabricación por la Universidad Pública de NavarraMaterialen eta Fabrikazioaren Ingeniaritzako Unibertsitate Masterra Nafarroako Unibertsitate Publikoa

Almacenamiento Térmico en Hormigón para la Descarbonización de Calor de Procesos

En este Trabajo de Fin de Grado se estudiará un sistema de almacenamiento basado en un material económico como es el hormigón. Principalmente se centra en un sistema de almacenamiento ubicado en centrales térmicas. Se expone como esta tecnología favorece a la descarbonización industrial, una cuestión que se encuentra en el punto de mira de los 196 países que componen el Acuerdo de París. En primer lugar, se presentará un análisis teórico de las diferentes tecnologías de almacenamiento presentes en la actualidad. Posteriormente se expondrá los diferentes tipos de almacenamiento térmico existentes. Por último, se explicarán los diferentes tipos de materiales usados en sistemas de almacenamiento térmico en hormigón y el papel que tiene esta tecnología en las aplicaciones industriales.In this Final Degree Project, a storage system based on an economical material such as concrete will be studied. It mainly focuses on a concrete storage system located in thermal power plants. It is exposed how this technology favors industrial decarbonization, an issue that is in the spotlight of the 196 countries that make up the París Agreement. First, a theoretical analysis of the different storage technologies present today will be presented. Subsequently, the different types of thermal storage existing today will be exposed. Finally, the different types of materials used in concrete thermal storage systems and the role of this technology in industrial applications will be explained.Universidad de Sevilla. Grado en Ingeniería de la Energía

Reconocimiento de objetos a partir de imágenes termográficas

La termografía es un método de inspección y diagnóstico basado en la radiación infrarroja que emiten los cuerpos. Permite medir dicha radiación a distancia y sin contacto, obteniendo un termograma o imagen termográfica, objeto de estudio de este proyecto. Todos los cuerpos que se encuentren a una cierta temperatura emiten radiación infrarroja. Sin embargo, para hacer una inspección termográfica hay que tener en cuenta la emisividad de los cuerpos, capacidad que tienen de emitir radiación, ya que ésta no sólo depende de la temperatura del cuerpo, sino también de sus características superficiales. Las herramientas necesarias para conseguir un termograma son principalmente una cámara termográfica y un software que permita su análisis. La cámara percibe la emisión infrarroja de un objeto y lo convierte en una imagen visible, originalmente monocromática. Sin embargo, después es coloreada por la propia cámara o por un software para una interpretación más fácil del termograma. Para obtener estas imágenes termográficas existen varias técnicas, que se diferencian en cómo la energía calorífica se transfiere al cuerpo. Estas técnicas se clasifican en termografía pasiva, activa y vibrotermografía. El método que se utiliza en cada caso depende de las características térmicas del cuerpo, del tipo de defecto a localizar o la resolución espacial de las imágenes, entre otros factores. Para analizar las imágenes y así obtener diagnósticos y detectar defectos, es importante la precisión. Por ello existe un procesado de las imágenes, para minimizar los efectos provocados por causas externas, mejorar la calidad de la imagen y extraer información de las inspecciones realizadas. La termografía es un método de ensayo no destructivo muy flexible y que ofrece muchas ventajas. Por esta razón el campo de aplicación es muy amplio, abarcando desde aplicaciones industriales hasta investigación y desarrollo. Vigilancia y seguridad, ahorro energético, medicina o medio ambiente, son algunos de los campos donde la termografía aportaimportantes beneficios. Este proyecto es un estudio teórico de la termografía, donde se describen detalladamente cada uno de los aspectos mencionados. Concluye con una aplicación práctica, creando una cámara infrarroja a partir de una webcam, y realizando un análisis de las imágenes obtenidas con ella. Con esto se demuestran algunas de las teorías explicadas, así como la posibilidad de reconocer objetos mediante la termografía. Thermography is a method of testing and diagnosis based on the infrared radiation emitted by bodies. It allows to measure this radiation from a distance and with no contact, getting a thermogram or thermal image, object of study of this project. All bodies that are at a certain temperature emit infrared radiation. However, making a thermographic inspection must take into account the emissivity of the body, capability of emitting radiation. This not only depends on the temperature of the body, but also on its surface characteristics. The tools needed to get a thermogram are mainly a thermal imaging camera and software that allows analysis. The camera sees the infrared emission of an object and converts it into a visible image, originally monochrome. However, after it is colored by the camera or software for easier interpretation of thermogram. To obtain these thermal images it exists various techniques, which differ in how heat energy is transferred to the body. These techniques are classified into passive thermography, active and vibrotermografy. The method used in each case depends on the thermal characteristics of the body, the type of defect to locate or spatial resolution of images, among other factors. To analyze the images and obtain diagnoses and defects, accuracy is important. Thus there is a image processing to minimize the effects caused by external causes, improving image quality and extract information from inspections. Thermography is a non-­‐destructive test method very flexible and offers many advantages. So the scope is very wide, ranging from industrial applications to research and development.Surveillance and security, energy saving, environmental or medicine are some of the areas where thermography provides significant benefits. This project is a theoretical study of thermography, which describes in detail each of these aspects. It concludes with a practical application, creating an infrared camera from a webcam, and making an analysis of the images obtained with it. This will demonstrate some of the theories explained as well as the ability to recognize objects by thermography

Evaluación de impacto ambiental mediante análisis de ciclo de vida (ACV) de la incorporación de materiales de cambio de fase (PCM) en edificación

Análisis de los Materiales de Cambio de Fase (PCM) en la edificación, teniendo en cuenta la degradación de éstos. Evaluación de impacto ambiental mediante Análisis de Ciclo de Vida en términos de categorías de impacto ambiental midpoint, de la incorporación de 4 PCM distintos en 3 soluciones constructivas. Se analiza si el ahorro energético alcanzado al incorporar el PCM compensa el impacto ambiental asociado a la fabricación y montaje del PCM en la solución constructiva y se verifica la existencia de un beneficio en términos ambientales gracias a la utilización de esta tecnología

Evaluación de la variabilidad en la estimación de propiedades térmicas en materiales de cambio de fase y su efecto en la modelación numérica

La caracterización de propiedades termofísica de materiales de cambio de fase es compleja al no existir un estándar para materiales empleados en el contexto del almacenamiento térmico de energía (TES, por su sigla en inglés). En esta investigación se realizó una caracterización exhaustiva de una parafina comercial utilizada en aplicaciones TES bajo diferentes condiciones experimentales con el que se obtuvieron un conjunto variado de resultados de las propiedades. Se realizaron experimentos de fusión y solidificación en contenedores cilíndricos bajo condiciones distintas de operación, los cuales fueron utilizados para validar los modelos numéricos desarrollados, con el objetivo de evaluar el efecto de la variabilidad de la caracterización termofísica sobre la modelación numérica del proceso de cambio de fase. Se desarrollaron modelos numéricos utilizando dos métodos: entalpía-porosidad y el método del cp efectivo y los resultados obtenidos en esta investigación permitieron encontrar que el método de la entalpía es más sensible al término fuente de la ecuación de cantidad de movimiento que al conjunto variado de propiedades medidas experimentalmente. Mientras que el método del cp efectivo mostró mejor ajuste cuando las propiedades son obtenidas a velocidades similares a las de la experimentación. Los resultados derivados de esta investigación constituyen un aporte para la obtención de resultados numéricos más confiables.DoctoradoDoctor en Ingeniería Mecánic