BENEFICIILE OFERITE DE INTEGRAREA MATERIALELOR CU SCHIMBARE DE FAZĂ IN INSTALAȚIILE TERMICE Prof.dr.ing. GABRIEL IVAN- U.T.C.B Facultatea de Instalatii mgvivan@yahoo.com Prep.ing.CALOTĂ RĂZVAN- U.T.C.B Facultatea de Instalatii razvan.calota@yahoo.com Abstract PCMs are chemical substances which have proximate crystallisation and liquefaction points, used to store energy and to release it in the form of latent heat, when the energy source becomes unavailable. The PCMs are merchandised for a large range of liquefaction temperatures thus they are recomanded for a large number of thermal applications. Nowadays one concern is to obtain a energetical efficiency, especially in the buildings sector. PCMs can be integrated in solar pannels plants, so as to store solar energy during day and to release it by night. Solar energy can be stored also, by imputing of microcapsules with phase change materials in the envelope structure of the buildings. Microcapsules are used in slurries which are carried through the heating system for the energy accumulation. 1. Introducere Stocarea energiei termice, metoda studiata si testata de mult timp, prezinta un interes deosebit. Tehnicile de stocare moderne pun la dispozitia specialistilor o gama de metode utile pentru realizarea confortului in cladiri, in contextul energetic actual. Utilizarea materialelor cu schimbare de faza pentru stocarea energiei termice se practica de cativa ani. Initial principiul de stocare a energiei a fost aplicat in industria alimentara, aplicat la containerele ce contineau mixturi de saruri cu o temperatura joasa de inghet pentru a mentine produsele alimentare la o temperatura scazuta, controlata, pe timpul transportului acestora. Ideea utilizarii caldurii latente a materialelor cu schimbare de faza a aparut ulterior. Primele aplicatii au avut in vedere incalzirea corpului omenesc, atunci cand acesta este expus pentru mai mult timp la temperaturi joase. Prima inventie de acest tip a constat dintr-un costum cu saculeti heated bag pack, care eliberau caldura acumulata in materialul din saculeti, idee dezvoltata de Mauleos si Davy in 1965. Costumul era destinat exploratorilor, aviatorilor si continea un hidrat de litiu cu apa circuland in interiorul costumului printr-un schimbator de caldura. In ceea ce priveste incorporarea materialelor cu schimbare de faza in structura cladirilor, prima incercare a fost realizata in urma cercetarilor finalizate in 1940 prin constructia unor tipuri de casa pilot de catre Dr. Maria Telkes, din SUA. Astfel a fost recunoscut si pus in evidenta potentialul materialelor cu schimbare de faza, si utilitatea introducerii acestora in structura cladirilor. In anul 1946 a propus un model de casa numit The dover house, care a fost ulterior construita in Dover Mass la 7 km de Boston, casa avand 135 m 2 distribuiti pe cinci camere. Radiatia solara era colectata de 18 panouri absorbante negre, iar energia era transferata prin intermediul agentului de lucru catre trei rezervoare de stocare. Cele trei containere de stocare contineau in total 21 tone de material de schimbare de faza (Glauber s Salt). Cele mai multe cercetari in domeniul materialelor cu schimbare de faza s-au realizat in Marea Britanie, SUA, Germania si Franta. Ca rezultat al cresterii necesitatilor de stocare termica
in SUA, asociatia federala a oamenilor de stiinta (National Science Federation), a derulat un program pe scara larga in care s-au testat peste 20.000 de materiale cu schimbare de faza, din care doar 1% au fost selectate pentru viitoare cercetari. Cercetatorii din Germania, Universitatea din Stuttgart au realizat tabele si diagrame pentru aplicatii in constructii. Principalele cercetari s-au axat pe parafina si saruri hidrate considerate a fi cele mai bune materiale cu schimbare de faza (PCMs - phase change materials) pentru aplicatii sub 100 0 C. In Franta cele mai multe studii s-au realizat in Centrul National de Cercetare Stiintifica, din Nisa, construindu-se cateva cladiri utilizand tehnologia PCMs. Sistemele utilizau Clairolithe continand CaCl 2 6H 2 O in capsule incorporate in structura peretelui. Institutul British Research Establishment, Garston, Watford, din Marea Britanie a studiat timp de mai multi ani subiectul stocarii termice cu materiale cu schimbare de faza. Cercetatorii A.K.R.Bromley, E.M.McKay si J.P Wilkins au studiat implementarea tehnologiei la sisteme de incalzire. Tehnologia de stocare a fost utilizata in aplicatii tehnice de catre firme mari, cum ar fi Baltimore Cristopia. 2. Baze termodinamice Caldura sensibila este cea mai comuna metoda pentru stocarea energiei termice, prin transfer catre un mediu de stocare, avand ca rezultat o crestere a temperaturii acestuia. Aceasta crestere este proportionala cu capacitatea calorica a mediului de stocare. δq=c T=m c T Mediile in care se realizeaza stocarea energiei sensibile pot fi solide - caramizi, lichide - apa. Substantele gazoase au o capacitate calorica volumetrica scazuta, si, drept urmare, nu sunt folosite ca medii de stocare. Atunci cand apare in timpul procesului de stocare o schimbare de faza, caldura poarta numele de caldura latenta. Prin schimbarea de faza solid-lichid sau invers se pot stoca cantitati mari de caldura daca se alege materialul corespunzator. In timpul topirii, cand caldura este transferata mediului de stocare materialul isi pastreaza temperatura constanta, aceasta temperatura purtand numele de temperatura de schimbare de faza. Datorita modificarii minime de volum in timpul procesului de schimbare de faza, caldura stocata este egala cu diferenta de entalpie din timpul procesului. δq= H=m h Astfel caldura latenta este echivalenta cu diferenta de entalpie dintre starea solida si starea lichida a mediului de stocare. Exista doua mari categorii de aplicatii cu materiale cu schimbare de faza, si anume: - aplicatii de control a temperaturii (care constau in mentinerea temperaturii unui mediu la o valoare constanta); - aplicatii de stocare a caldurii sau frigului. Caldura poate fi livrata sau extrasa dintr-un material cu schimbare de faza fara o modificare importanta a temperaturii. Astfel, PCMs pot fi utilizate pentru a stabiliza temperatura intr-o aplicatie. Drept exemplu se poate da folosirea ghetii la pastrarea temperaturii scazute a bauturilor, sau a produselor alimentare, sau la stabilizarea temperaturii interioare dintr-o cladire.
Pe de alta parte aceste materiale sunt capabile sa stocheze cantitati mari de caldura sau frig la diferente mici de temperatura. Datorita modificarii fazei la temperatura constanta,caldura latenta este proportionala cu modificarea entropiei in timpul schimbarii de faza. δq= T (S 2 - S 1 ) In Figura 1 se prezinta modul in care se realizeaza transferul de caldura care implica atat schimb de caldura sensibila cat si de caldura latenta. Fig.1 Reprezentarea transferului de caldura la schimbarea de faza O comparatie intre principalele tipuri de stocare a energiei este prezentata in tabelul urmator. Tip de energie Caldura stocata kj/kg Observatii CALDURA SENSIBILA Granit 17 T=20 0 C Apa 84 T=20 0 C CALDURA LATENTA DE SCHIMBARE DE FAZA Apa 330 t=0 0 C Parafina 200 t=5-130 0 C Saruri hidrate 200 t=5-130 0 C Saruri 300-700 t=300-800 0 C Tabel 1: Comparatie intre tipurile de stocare a energiei 3. Moduri de implementare a materialelor cu schimbare de faza Exista mai multe moduri prin care materialele cu schimbare de faza pot fi implementate in cadrul locuintelor, si anume: - prin contact direct intre materialul cu schimbare de faza si fluidul care realizeaza transferul de caldura.
In acest caz materialele trebuie sa fie stabile din punct de vedere chimic pentru perioade mai indelungate de contact direct.concluzia cercetatorilor, in urma diferitelor experimente este ca aceasta solutie nu este una viabila, deoarece afecteaza in timp materialele de constructii. In continuare sunt prezentate diferitele tipuri de incapsulari: - prin capsule macroscopice Aceasta este metoda cea mai intalnita de incapsulare a materialelor cu schimbare de faza. Cele mai utilizate sunt modulele de plastic, care sunt neutre din punct de vedere chimic, atat in contact cu fluidul care transfera caldura cat si din punct de vedere al materialului cu schimbare de faza. Aceste macrocapsule au diametre de cativa centimetri. - prin microcapsule Aceasta tehnica este utilizata pentru parafine si consta in introducerea in microcapsule de diametre foarte mici de ordinul a cativa micrometri, acestea fiind realizate din diferiti polimeri. Pudra astfel rezultata poate fi incorporata in diferite tipuri si structuri de constructii. In figurile 2, 3 si 4 sunt prezentate diferite tipuri de incapsulare practicate de firmele care comercializeaza aceste produse. Fig 2- PCMs in microcapsule comercializate de firma BASF Firma Cristopia, incorporeaza PCMs in noduli sferici- Figura 3. Rubitherm a dezvoltat o stocare de energie cu granule avand 35% material cu schimbare de faza- Figura 4. Fig 3- Nodul sferic umplut cu PCM, dezvoltat de firma CRISTOPIA Fig 4- Granulatii cu PCM comercializate de firma RUBITHERM
4. Aplicatii cu materiale cu schimbare de faza in domeniul constructiilor si instalatiilor a) Introducerea PCM in materialele de constructii Un aspect important pe care trebuie sa-l indeplineasca materialele este al securitatii la incendiu, unii componenti ai anumitor substante cu schimbare de faza - compusii halogenati organici - imbunatatind raspunsul la foc al materialului. Atmosfera din interiorul unei incaperi se poate considera confortabila daca nu variaza in cursul unei zile. Pentru acest motiv, casele cu pereti foarte grosi se considera confortabile, ofera o temperatura joasa vara si caldura iarna. Pentru a realiza acest confort si la casele mai putin masive, pentru care exista cerere in zilele noastre, se pot introduce in anvelopa cladirii microcapsule cu materiale de tip PCM. Prin absorbtia caldurii in momentele de varf - in timpul puterii maxime a Soarelui- si eliberarea acesteia noaptea, cand Soarele este indisponibil, in majoritatea cazurilor confortul se poate obtine chiar si fara un sistem de conditionare. Fig 6. Impregnarea peretilor cu solutii PCMs b) Incalzirea locuintelor cu apa calda menajera Energia solara nu este disponibila tot timpul si astfel instalatiile solare necesita o stocare intermediara a energiei pentru incalzirea ulterioara a apei. Un sistem bazat pe PCMs ofera unele beneficii fata de un sistem conventional, avand un volum scazut in comparatie cu sistemele de stocare a apei; Stocarea de caldura latenta poate fi de asemenea implementata in sistemele conventionale de incalzire. Prin sistemele utilizand PCMs, bazate pe apa incalzita prin energia solara se va obtine si un control mai bun al temperaturii. Cea mai simpla schema de implementare a acestei tehnologii este prezentata in Figura 7. Fig 7. Sistem de inclzire cu PCM utilizand energie solara
O alta modalitate de implementare a acestor tipuri de materiale practicata la instalatiile termice este aplicarea lor la captusirea conductelor, astfel incat sa acumuleze caldura in momentele de varf ale functionarii instalatiei si sa o cedeze ulterior, cand instalatia nu functioneaza la capacitate maxima. c) Echipamente electronice Circuitele electronice sunt extrem de sensibile la supraincalzire, aceasta influentand in mod negativ atat durata de viata cat si fiabilitatea pieselor. Pentru imbunatatirea capacitatii de racire sunt folosite sisteme de racire cu puteri mari ale ventilatoarelor. Un sistem utilizand PCM care sa acumuleze caldura cedata de aceste echipamente si apoi sa o utilizeze in alte scopuri, este o solutie de actualitate. 5. Concluzii Cercetarile efectuate pana in prezent recomanda utilizarea materialelor cu schimbare de faza pentru realizarea unei economii de energie, atat in cadrul instalatiilor de incalzire cu energie solara, in special, cat si ca parte integranta a anvelopei cladirilor. Datorita beneficiilor oferite, in ultimul timp s-a studiat si s-a aplicat aceasta tehnologie si in domeniul autovehiculelor - bateria latenta BMW, la imbracamintea sportivilor sau costume spatiale, la mentinerea temperaturii la o anumita valoare in cadrul serelor, la realizarea CD-urilor si DVD-urilor reinscriptibile, chiar si la realizarea carcaselor unor telefoane ecologice echipate cu baterie solara. Cu toate acestea domeniul cu cea mai larga utilizare ramane domeniul constructiilor si instalatiilor, si se asteapta realizarea unor aplicatii in tara noastra, pe baza rezultatelor bune obtinute pana in prezent in ceea ce priveste economia de energie. 6. Bibliografie [1] G. Ivan, R. Calotă: Utilizarea pompelor de caldură la casele de construcție specială cu consum redus de energie,a XV-a Conferința Confort, Eficiența, Conservarea Energiei ți Protecția Mediului, 26-28 noiembrie 2008, Bucurețti; [2] Mehling, Cabeza- Heat and cold storage with pcm, Ed. Springer, 2009; [3] Simone Raoux, Mathias Wutting- Phase change materials- science and applications, Ed. Springer, 2009; [4] K. Johannes, F. Joussellin s.a. - Integrated PCMs solar system within the building envelope Heat SET 2007; [5] Flashman M.- Energy Storage Using A Phase Change Material In A Domestic Dwelling, 1999 University of Brighton; [6] Ip, K.C.W, and Gates, J.R.- Thermal storage for sustainable dwellings, International Conference Sustainable Building 2000, Maastricht, Netherlands ; [7] Peter Schossig- Phase Change materials for cold storage applications-fraunhofer-institute for solar energy systems, workshop at CETIAT,2006, Lyon; [8] Peter Schossig, Hans-Martin Henning, Thomas Haussmann- Water cooled PCM-walls -Institut for Solar Energy systems ISE 2005, Fraunhofer.