Almacenamiento de calor

Renewable and Sustainable Energy Reviews 12 (2008) 2438–2458[pic 1][pic 2]

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Características de transferencia de calor del sistema de almacenamiento de energía térmica usando cápsulas PCM: una revisión

A. Felix Regin, S.C. Solanki, J.S. Saini

Departamento de Ingeniería Mecánica e Industrial, Instituto Indio de Tecnología Roorkee, Roorkee 247 667, India

Recibido el 5 de enero de 2007; aceptado el 20 de junio de 2007[pic 4]

RESUMEN

El almacenamiento de energía térmica recientemente ha atraído un interés creciente relacionado con aplicaciones térmicas tales como el calentamiento de espacios y agua, utilización de calor residual, refrigeración y aire acondicionado. El almacenamiento de energía es esencial siempre que exista un desajuste entre el suministro y el consumo de energía. El uso de cápsulas de material de cambio de fase (PCM) ensambladas como lecho compacto es uno de los métodos importantes que se ha propuesto para lograr el objetivo de una alta densidad de almacenamiento con una mayor eficiencia. Un diseño adecuado de los sistemas de almacenamiento de energía térmica que utilizan PCM requiere información cuantitativa sobre la transferencia de calor y los procesos de cambio de fase en PCM. Este artículo revisa el desarrollo de las tecnologías disponibles de almacenamiento de energía térmica con calor latente. Se han llevado a cabo los diferentes aspectos del almacenamiento, como material, encapsulado, transferencia de calor, aplicaciones y la nueva innovación de la tecnología PCM. 2007 Elsevier Ltd. Todos los derechos reservados.

Palabras clave: cápsulas PCM; Cama empacada; Almacenamiento de energía térmica[pic 5]

Contents

1. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2439
2. Requirements of latent heat thermal energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2440

1. System components. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2441
2. Phase change materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2441

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Corresponding author. Tel.: +919818354268; fax: +911332285665. E-mail address: felixregin@gmail.com (A.F. Regin).

1364-0321/$-see front matter r 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

doi:10.1016 /j.rser. 2007.06.009

1. Encapsulation of PCM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2443

1. Functions and requirements of PCM containment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2443
2. Bulk storage. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2444
3. Macroencapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2444
4. Microencapsulation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2445
5. Design of PCM beds for thermal energy storage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2445
6. Design stages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2446

1. Heat transfer studies in packed bed system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2446
2. Heat transfer studies in phase change problem. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2448
3. Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2454
4. New PCM technological innovations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2454
5. Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455[pic 7]

1. Introducción

El almacenamiento de energía conduce al ahorro de combustibles premium y hace que el sistema sea más rentable al reducir el desperdicio de energía. En la mayoría de los sistemas, existe un desajuste entre el suministro de energía y el consumo de energía. El almacenamiento de energía puede compensar este desequilibrio y, por lo tanto, ayuda a ahorrar en costos de capital. Es deseable un uso de energía más efectivo y ambientalmente benigno. El almacenamiento de energía térmica es quizás tan antiguo como la civilización misma. Desde el tiempo registrado, las personas han recolectado hielo y lo han almacenado para su uso posterior. Una variedad de técnicas de almacenamiento de energía térmica se han desarrollado en las últimas cuatro o cinco décadas.

Las crecientes demandas de energía, la escasez de combustibles fósiles y las preocupaciones sobre el impacto ambiental han impulsado el desarrollo de fuentes de energía renovables. La energía solar, un importante recurso de energía renovable, es de naturaleza intermitente y su utilización efectiva depende en parte de sistemas de almacenamiento de energía eficientes y efectivos. Si no se utiliza almacenamiento de energía en los sistemas de energía solar, la mayor parte de la demanda de energía se cubrirá con la energía de respaldo o auxiliar y, por lo tanto, la fracción de carga solar anual será muy baja. La energía térmica se puede almacenar cuando la energía está disponible abundantemente y se usa cuando sea necesario. Sin embargo, está claro que para que la energía solar se convierta en una fuente de energía importante, habrá que desarrollar dispositivos y métodos de almacenamiento de energía solar térmica, eficientes, económicos y confiables.

Los sistemas de almacenamiento de energía térmica pueden ser almacenamiento de calor sensible o almacenamiento de calor latente, o combinación de ambos. En el almacenamiento de calor sensible, la temperatura del material de almacenamiento aumenta a medida que se almacena la energía, mientras que el almacenamiento de calor latente utiliza la energía almacenada cuando una sustancia cambia de una fase a otra. La Fig. 1 muestra el aumento de la energía interna cuando se agrega energía en forma de calor a una sustancia. La consecuencia bien conocida es un aumento de la temperatura (calentamiento sensible) o cambio de fase (calentamiento latente). Comenzando con un sólido inicial estado en el punto A, la adición de calor a la sustancia causa primero el calentamiento sensible del sólido (región A-B) seguido de un cambio de fase sólido-sólido por cambio de estructura cristalina (región B-C), nuevamente calentamiento sensible del sólido (región C-D), cambio de fase sólido-líquido (región D-E), calentamiento sensible del líquido (región E-F), cambio de fase líquido-gas (región F-G) y calentamiento sensible del gas (región G - H). La cantidad total de energía almacenada se puede escribir como

Z TD        Z TF        Z TH        

Q ¼ m        CpsðTÞdT þ Lp þ L þ        CplðTÞdT þ Lg þ        CpgðTÞdT ,        (1)

TA        TE        TG

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Fig. 1. Diagrama de temperatura y tiempo para el calentamiento de una sustancia.

donde m es la masa del material, Cps calor específico del material en fase sólida, Cpl calor específico del material en fase líquida, Cpg calor específico del material en fase gaseosa, Lp es calor latente de cambio de fase sólido-sólido, L es calor latente del cambio de fase sólido-líquido y Lg es el calor latente del cambio de fase líquido-gas.

La capacidad de almacenamiento del material depende tanto de su calor específico como de los valores de calor latente. Por lo tanto, es deseable que el medio de almacenamiento tenga una capacidad de calor específica alta y un valor de calor latente. El almacenamiento de calor latente puede clasificarse sobre la base del proceso de cambio de fase como sólido-sólido, sólido-líquido, sólido-gas y líquido-gas.

Las transformaciones de gas sólido y gas líquido generalmente no se emplean para el almacenamiento de energía a pesar de sus calores latentes más altos, ya que los gases ocupan grandes volúmenes. Grandes cambios en el volumen hacer que el sistema sea grande, complejo y poco práctico. En las transiciones sólido-sólido, el calor se almacena a medida que el material se transforma de una forma cristalina a otra. Estas transiciones generalmente tienen pequeños calores latentes que hacen que dichos materiales sean menos deseables. El almacenamiento de calor latente por transición de fase sólido-líquido es una técnica particularmente atractiva, ya que proporciona una alta densidad de almacenamiento de energía y tiene la capacidad de almacenar energía como calor de fusión latente a una temperatura constante correspondiente a la temperatura de transición de fase de los materiales de cambio de fase. (PCM) [1,2]. Esto significa que se necesita un peso y un volumen de material mucho más pequeños para almacenar una cierta cantidad de energía cuando se utiliza el almacenamiento de energía de cambio de fase. Este hecho se ilustra en la Tabla 1. La cera de parafina (como PCM sólido-líquido) de 20.513kg masa puede almacenar / release 5000kJ de energía a su punto de fusión (59.91C asumiendo su temperatura inicial de 351C. Para almacenar la misma cantidad de energía , otro medio de almacenamiento de calor sensible debería calentarse a temperaturas mucho más altas, como se muestra en la Tabla 2.

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