Comparación de un Material de Cambio de Fase (PCM) y un Material Convencional para Almacenamiento de Energía Térmica

Los materiales de cambio de fase (PCM) tienen características únicas que los hacen ideales para el almacenamiento de energía térmica. Pero, ¿por qué elegirlos en lugar de otros materiales, como los metales, que también pueden almacenar calor? Mediante una simulación numérica en el software COMSOL Multiphysics 6.0, te demostramos las razones por las cuales los PCM pueden ser una mejor alternativa.

En el post ¿Qué son y para qué se utilizan los materiales de cambio de fase (PCM)? se discutieron las características, principales ventajas y usos de los PCM. Sin embargo, también se hizo énfasis en que sus ventajas dependen de su adecuada selección. Además, es importante que el diseño de sistemas de almacenamiento de energía con PCM considere la ubicación, cantidad y tipo de PCM a utilizar.

Ventajas de un PCM con respecto a otros posibles materiales para almacenamiento de calor

Dados los cuidados requeridos en cuanto a la selección y diseño de un sistema de almacenamiento de energía térmica con PCM, quizás te preguntes, ¿Por qué no almacenar calor utilizando otro tipo de material, por ejemplo, un material metálico (hierro, cobre, acero…)?.

Con miras a demostrar las ventajas para almacenamiento de calor que ofrece un PCM con respecto a un material metálico, estaré modelando el comportamiento de carga y descarga de dos bloques cilíndricos: uno de cera de abejas y el otro de hierro.

Para este fin, he utilizado el software COMSOL Multiphysics, versión 6.0. Este es un software de simulación numérica que permite modelar y analizar una amplia variedad de fenómenos físicos en varias disciplinas de la ingeniería y la ciencia. COMSOL Multiphysics proporciona herramientas de modelado intuitivas y una amplia selección de módulos de física, lo que permite a los usuarios crear modelos complejos con acoplamiento de múltiples físicas. Mayores detalles sobre cómo utilizar esta herramienta serán presentados en publicaciones porteriores.

Cabe destacar que una simulación numérica es una técnica utilizada para resolver problemas complejos en ciencia e ingeniería mediante el uso de computadoras. En lugar de realizar experimentos físicos costosos y a menudo imposibles, se utilizan modelos matemáticos para predecir cómo se comportará un sistema en diferentes situaciones. Estos modelos son resueltos por computadoras mediante cálculos matemáticos complejos. Esto permite a los investigadores y diseñadores explorar diferentes escenarios y hacer predicciones precisas sobre cómo se comportará un sistema en el mundo real.

Retomando el desarrollo de nuestro modelo demostrativo, he realizado una simulación de un bloque de cera de abejas cilíndrico, cómo el de la Figura 1. Voy a asumir que este bloque tiene las dimensiones mostradas (basadas en dimensiones comerciales de una vela de cera de abejas).

Figura 1. Cilindro de cera de abejas y sus dimensiones.

Se mencionó que la cera de abejas tiene una temperatura de cambio de fase de alrededor de 63 °C. Esto quiere decir que la cera de abejas solamente se fusionará y acumulará altos niveles de energía cuando la temperatura alcance aproximadamente 63 °C.

De manera específica, el rango de fusión de la cera de abejas es de entre 62 y 64°C. Es decir, la cera de abejas comienza a derretirse a una temperatura de alrededor de 62°C y se funde completamente a una temperatura de alrededor de 64 °C. Si la temperatura no llega a ese punto el PCM actuará cómo cualquier otro material pues no habrá cambio de fase y, por lo tanto, no habrá ese elevado almacenamiento de energía que se desea aprovechar.

Otras propiedades importantes a considerar te las comparto en la tabla mostrada a continuación. Esta propiedades son la temperatura de cambio de fase, el calor latente de fusión, la densidad (fases líquida y sólida), conductividad térmica (fases líquida y sólida) y calor específico (fases líquida y sólida). Sin información sobre estas propiedades, es imposible predecir el comportamiento de nuestro bloque de cera de abejas de manera correcta mediante una simulación en COMSOL Multiphysics.

De igual manera, he simulado el comportamiento de un bloque cilíndrico de hierro con igual masa que la del cilindro de cera de abejas. A continuación te muestro las propiedades térmicas consideradas para la simulación del comportamiento del hierro.

La representación grafica de los bloques cilíndricos de cera de abejas y de hierro en COMSOL Multiphysics 6.0 se muestran en las Figuras 2 y 3.

Figura 2. Bloque cilíndrico de Cera de Abejas en COMSOL Multiphysics 6.0.

Figura 3. Bloque cilíndrico de Hierro en COMSOL Multiphysics 6.0.

Resultados de nuestra simulación en COMSOL Multiphysics 6.0.

En nuestro modelo, consideramos el caso hipotético en el que la temperatura externa de los cilindros incrementa desde 30 °C hasta una temperatura de 140 °C. Este periodo de «carga» de calor de ambos cilindros se mantiene por un periodo de 2 horas y media. Seguido, los cilindros se dejan de calentar y la temperatura externa de ambos disminuye hasta la temperatura inicial de 30 °C. Se permite que ambos bloque liberen la energía que lograron acumular por un alrededor de 3 horas más. Veamos los resultados de este pequeño experimento en la Figura 4.

Figura 4. Resultados de Temperatura vs Tiempo para la carga y descarga de calor de un bloque cilíndrico de cera de abejas (PCM) y uno de hierro de igual masa.

Cómo se observa, el hierro rápidamente alcanza la máxima temperatura de 140 °C. Por otro lado, la cera de abejas demora mucho más en acercarse a la temperatura máxima, y finalmente no la alcanza, siendo su temperatura maxima de aproximadamente 138 °C tras las 2 horas y media de carga.

Sin embargo, al momento en que ambos bloque dejan de calentarse, notamos que el bloque de hierro se descarga rapidamente y llega a la temperatura de 30 °C en tan sólo 1 hora. En cambio, la cera de abejas mantiene una temperatura por arriba de 40 °C durante aproximadamente 2 horas ; y alcanza la temperatura de 30 °C tras las 3 horas de descarga.

También se observa que existe una deflexión en la curva de temperatura de la cera de abejas cuando esta alcanza alrededor de 60 grados tanto en su periodo de calentamiento cómo de enfriamiento. Es en esos periodos cuando la cera sufre los procesos de cambio de fase. Cabe destacar que las temperaturas mostradas en la gráfica son temperaturas promedio de las temperaturas de todo el bloque lo que atenúa un tanto la visibilidad de esta deflexión; sin embargo, sigue siendo ilustrativa de los fenómenos de derretimiento y solidificación del PCM cómo se muestra en la Figura 5.

Figura 5. Zonas de derretimiento (carga de energía) y derretimiento (descarga de energía) en la cera de abejas (PCM) en el proceso modelado.

Se logra concluir a partir de esta gráfica que no importa que el hierro alcance la temperatura máxima más rápido. Al momento de querer utilizar la energía que el hierro acumuló este la liberará rápidamente. En cambio, el PCM, ofrece una entrega de la energía de una manera más gradual y estable; manteniendo a la vez, temperaturas más altas por un mayor tiempo.

Conclusiones 

La principal ventaja de un PCM con respecto a otros posibles materiales para almacenamiento de calor es su alta capacidad de almacenamiento de energía térmica en su proceso de cambio de fase, lo que permite almacenar y liberar grandes cantidades de energía con una variación mínima de temperatura. Además, a diferencia de los materiales convencionales como los metales, los PCM no experimentan cambios bruscos en la temperatura durante el proceso de fusión o solidificación, lo que puede dañar o comprometer la integridad del sistema de almacenamiento de energía térmica.

En este post, se presentó un experimento hipotético a nivel de una simulación computacional en COMSOL Multiphysics version 6.0 en el que se analiza el comportamiento de dos materiales diferentes en cuanto a su capacidad de acumulación y liberación de energía térmica (calor). Los resultados muestran que aunque ambos materiales pueden alcanzar casi la misma temperatura máxima, la cera de abejas como material de cambio de fase ofrece una entrega de energía más gradual y estable en comparación con el hierro, que libera la energía acumulada de manera más rápida. Estos hallazgos tienen importantes implicaciones para el diseño y desarrollo de sistemas de almacenamiento de energía térmica eficientes y sostenibles.

En conclusión, los PCM se presentan como una alternativa prometedora gracias a su alta capacidad de almacenamiento y entrega gradual de energía. Los resultados de la simulación comparativas del rendimiento de un bloque cilindrico de PCM (cera de abejas) y un metal (hierro) de igual masa, sugieren que la cera de abejas como material de cambio de fase puede ser una opción más eficiente y estable que los metales convencionales. La investigación continua en este campo puede llevar a soluciones más efectivas y sostenibles para el almacenamiento de energía térmica, lo cual beneficiará a diversos sectores de la sociedad.

Esperamos que este artículo haya resultado ilustrativo y de gran utilidad para comprender el comportamiento de los PCM en comparación con otros materiales en el almacenamiento de energía térmica. Cualquier duda o comentario sobre este fascinante tema, es bienvenido en la sección de comentarios.