Reduzir o consumo de energia com materiais de mudança de fase
Novas emulsões feitas de materiais de mudança de fase como transportadores de calor
Os materiais de mudança de fase (PCM) são um elemento importante para uma gestão térmica eficiente. Podem ser utilizados para conservar energia. Investigadores do Instituto Fraunhofer para Sistemas de Energia Solar ISE juntaram-se a parceiros industriais para desenvolver emulsões feitas de PCMs e água ou misturas de água e glicol para aplicações como o ar condicionado no interior de edifícios e o arrefecimento de máquinas industriais. As novas emulsões de PCM atingem uma densidade de armazenamento duas vezes superior à da água.
A água já provou o seu valor como transportador de calor, por exemplo, quando se trata de transferir calor de uma caldeira para um radiador ou de manter refrigerados os tectos de refrigeração. Mas há um novo concorrente em cena: No projeto Optimus, os investigadores do Fraunhofer ISE em Freiburg estão a trabalhar com parceiros da indústria para desenvolver emulsões de PCM com elevada densidade de armazenamento para utilização em edifícios e na indústria, mas também em sistemas de bombas de calor e para arrefecer baterias em veículos automóveis.
Os tensioactivos estabilizam as gotículas de parafina emulsionadas ultrafinas
As emulsões PCM são uma mistura de parafinas e água ou misturas de água e glicol, que são utilizadas principalmente no sector da mobilidade, onde a adição de glicol impede que a mistura congele. Os investigadores utilizam parafinas que são dispersas ou emulsionadas em água ou em misturas de água e glicol. Os tensioactivos estabilizam as gotículas de parafina ultrafinas distribuídas pela água, o que confere à mistura estabilidade térmica e mecânica. As emulsões utilizam a alta densidade de energia das parafinas durante a transição de fase de sólido para líquido. "Uma vez que emulsionamos as parafinas em água, estas podem permanecer líquidas independentemente do seu estado de fase na emulsão criada e ser utilizadas como líquidos de transferência de calor em redes de aquecimento e arrefecimento, o que significa que as misturas podem ser bombeadas através de tubagens. Durante a mudança de fase, os PCMs absorvem ou libertam grandes quantidades de calor, mesmo que a sua temperatura permaneça constante", explica Stefan Gschwander, investigador do Fraunhofer ISE. Isto permite aos investigadores atingir o dobro da densidade de armazenamento da água - que é atualmente utilizada como transportador de calor nas redes convencionais de aquecimento e arrefecimento - na gama de fusão dos PCM, mantendo o mesmo volume.
Para além da sua elevada densidade de armazenamento, as emulsões de PCM têm também uma série de outras vantagens. Devido à sua elevada capacidade de armazenamento de calor, os sistemas que utilizam PCMs podem ser concebidos para ocupar menos espaço. Oferecem uma elevada capacidade térmica, especialmente quando o diferencial de temperatura é pequeno. "A utilização de PCMs é especialmente interessante para aplicações que permitem apenas diferenças mínimas de temperatura, como o arrefecimento de edifícios ou o ar condicionado. Os sistemas convencionais de ar condicionado que utilizam a água como transportador de calor requerem elevados caudais volumétricos e grandes volumes de armazenamento. É aqui que os PCMs realmente brilham", diz Gschwander.
PCMs personalizados com diferentes temperaturas de fusão
No projeto, os parceiros estão a desenvolver emulsões de PCM adequadas com temperaturas de fusão que variam entre 12 e 18 graus Celsius, 20 e 28 graus Celsius e 45 e 50 graus Celsius para qualquer aplicação, desde o ar condicionado em edifícios até instalações industriais, arrefecimento de baterias e bombas de calor. Todas as emulsões desenvolvidas já foram submetidas a testes termomecânicos num circuito de teste hidráulico com uma bomba centrífuga, várias válvulas, um tanque de expansão de membrana e um permutador de calor de placas. Podem suportar até 100.000 ciclos. Os investigadores começaram por desenvolver, caraterizar e testar as emulsões PCM à escala laboratorial, utilizando volumes de produção até cinco litros. Em seguida, as fórmulas foram aumentadas para a escala da fábrica piloto, produzindo volumes de até 100 litros.
Os planos prevêem aumentar ainda mais a escala das emulsões PCM, até à escala do metro cúbico, em colaboração com o parceiro industrial H&R Wax & Specialties GmbH. O objetivo é produzir as emulsões em maiores volumes para demonstrar a sua utilização em reservatórios frios utilizados para ar condicionado interior ou arrefecimento de processos. As emulsões PCM serão inicialmente fornecidas para duas demonstrações. Na primeira, o calor residual das salas de servidores de um edifício do tribunal será armazenado durante o aquecimento ativo e posteriormente transferido para o fornecimento de ar através da emulsão, disponibilizando essa energia térmica para ajudar a aquecer o edifício. Na segunda aplicação, os planos prevêem o arrefecimento de máquinas de moldagem por injeção e a libertação do calor armazenado nas horas de ponta para o ar fresco exterior (arrefecimento livre) durante a noite. "Neste momento, estamos a otimizar as nossas fórmulas para alcançar uma estabilidade e uma densidade de armazenamento ainda maiores", explica Gschwander.
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