Ridurre il consumo energetico con i materiali a cambiamento di fase
Nuove emulsioni a base di materiali a cambiamento di fase come vettori di calore
I materiali a cambiamento di fase (PCM) sono un elemento importante per una gestione termica efficiente. Possono essere utilizzati per conservare l'energia. I ricercatori del Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE hanno collaborato con partner industriali per sviluppare emulsioni di PCM e acqua o miscele di acqua e glicole per applicazioni come il condizionamento dell'aria all'interno di edifici e il raffreddamento di macchinari industriali. Le nuove emulsioni di PCM raggiungono una densità di accumulo doppia rispetto all'acqua.
L'acqua ha dimostrato il suo valore come vettore di calore, ad esempio quando si tratta di trasferire il calore da una caldaia a un radiatore o di mantenere freddi i soffitti di raffreddamento. Ma c'è un nuovo concorrente sulla scena: Nel progetto Optimus, i ricercatori del Fraunhofer ISE di Friburgo stanno lavorando con partner industriali per sviluppare emulsioni di PCM ad alta densità di accumulo da utilizzare negli edifici e nell'industria, ma anche nei sistemi a pompa di calore e per raffreddare le batterie dei veicoli a motore.
I tensioattivi stabilizzano le goccioline di paraffina emulsionate ultrafini
Le emulsioni PCM sono una miscela di paraffine e acqua o miscele di acqua e glicole, utilizzate principalmente nel settore della mobilità, dove l'aggiunta di glicole impedisce alla miscela di congelare. I ricercatori utilizzano paraffine disperse o emulsionate in acqua o in miscele di acqua e glicole. I tensioattivi stabilizzano le goccioline ultrafini di paraffina distribuite nell'acqua, conferendo alla miscela stabilità termica e meccanica. Le emulsioni sfruttano l'elevata densità energetica delle paraffine durante la transizione di fase da solido a liquido. "Poiché emulsioniamo le paraffine in acqua, esse possono rimanere liquide indipendentemente dal loro stato di fase nell'emulsione creata ed essere utilizzate come liquidi di trasferimento del calore nelle reti di riscaldamento e raffreddamento, il che significa che le miscele possono essere pompate attraverso i tubi. Durante il cambiamento di fase, i PCM assorbono o rilasciano grandi quantità di calore anche se la loro temperatura rimane costante", spiega Stefan Gschwander, ricercatore del Fraunhofer ISE. Ciò consente ai ricercatori di ottenere una densità di accumulo doppia rispetto all'acqua - attualmente utilizzata come vettore di calore nelle reti di riscaldamento e raffreddamento convenzionali - nell'intervallo di fusione dei PCM, mantenendo lo stesso volume.
Oltre all'elevata densità di accumulo, le emulsioni di PCM presentano anche una serie di altri vantaggi. Grazie alla loro elevata capacità di accumulo di calore, i sistemi che utilizzano i PCM possono essere progettati per occupare meno spazio. Offrono un'elevata capacità termica, soprattutto quando il differenziale di temperatura è ridotto. "L'uso dei PCM è particolarmente interessante per le applicazioni che consentono solo minime differenze di temperatura, come il raffreddamento degli edifici o il condizionamento dell'aria. I sistemi di condizionamento convenzionali che utilizzano l'acqua come vettore di calore richiedono flussi volumetrici elevati e grandi volumi di stoccaggio. È qui che i PCM sono davvero eccezionali", spiega Gschwander.
PCM personalizzati con diverse temperature di fusione
Nell'ambito del progetto, i partner stanno sviluppando emulsioni di PCM con temperature di fusione comprese tra 12 e 18 gradi Celsius, 20 e 28 gradi Celsius e 45 e 50 gradi Celsius adatte a qualsiasi applicazione, dalla climatizzazione degli edifici agli impianti industriali, dal raffreddamento delle batterie alle pompe di calore. Tutte le emulsioni sviluppate sono già state sottoposte a test termomeccanici in un circuito idraulico di prova con una pompa centrifuga, varie valvole, un vaso di espansione a membrana e uno scambiatore di calore a piastre. Possono resistere fino a 100.000 cicli. I ricercatori hanno inizialmente sviluppato, caratterizzato e testato le emulsioni PCM in laboratorio, utilizzando volumi di produzione fino a cinque litri. Poi le formule sono state portate alla scala dell'impianto pilota, producendo volumi fino a 100 litri.
I piani prevedono di aumentare ulteriormente la scala delle emulsioni PCM, fino a raggiungere il metro cubo, in collaborazione con il partner industriale H&R Wax & Specialties GmbH. L'obiettivo è produrre le emulsioni in volumi maggiori per dimostrarne l'uso in serbatoi freddi utilizzati per il condizionamento degli ambienti interni o per il raffreddamento dei processi. Le emulsioni di PCM saranno inizialmente fornite per due dimostrazioni. Nella prima, il calore residuo delle sale server di un edificio giudiziario sarà immagazzinato durante il riscaldamento attivo e successivamente trasferito all'aria di alimentazione attraverso l'emulsione, rendendo disponibile l'energia termica per contribuire al riscaldamento dell'edificio. Nella seconda applicazione, si prevede di raffreddare le macchine per lo stampaggio a iniezione e di rilasciare il calore immagazzinato nei momenti di picco nell'aria fresca esterna (free cooling) durante la notte. "In questo momento stiamo ottimizzando le nostre formule per ottenere una stabilità e una densità di stoccaggio ancora maggiori", spiega Gschwander.
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