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Mortar energy storage using microencapsulated paraffin

Mortero acumulador de energía mediante parafina microencapsulada

Vicente Zetola Vargas. Académico. Universidad Católica del NorteAlfonso García Santos. Catedrático. Universidad Politécnica de Madrid

Francisco Javier Neila González. Catedrático: Universidad Politécnica de Madrid

Noviembre 7 de 2013

• Permite adaptar los periodos de suministro a los de demanda energética (Oliver A., 2009) .

• Hay básicamente tres posibilidades (Zalba 2002):

Por calor sensible.

Por reacción termoquímica

Por calor latente: (hielo, parafinas, sales hidratadas,…) Materiales de cambio de fase (PCM)

Almacenamiento de energía

• El almacenamiento de energía en edificios se puede mejorar mediante la incorporación de PCM (Xin, YinPing, Wei, RuoLang, & Qunli, 2009) (Wang, Shi, Xia, Zhang, & Feng, 2012).

Aumenta el confort térmico

Aumenta la inercia térmica

Disminuir los cambios de temperatura del aire interior

Mejorar el rendimiento térmico.


• Los PCM se pueden incorporar en los materiales de construcción mediante (Zhang, Zhou, Lin, Zhang, & Di, 2007):

Aplicación directa

Inmersión

Encapsulación (macrocápsulas y microcápsulas) y

Tableros laminados


• Microcápsulas.

Parafina microencapsulada

Estructura de microcápsula (Tyagi V. et al. 2011)

Partículas de PCM, antes y después de la mezcla (Oliver, 2009)

Aspecto de parafinas microencapsuladas en polvo

• Usos en el hormigón (Tyagi, et al, 2011):

Como reductor del calor de hidratación

Para el control microbiano y

Control de temperatura.

Aplicación de PCM en hormigón

• Impregnación de áridos


Impregnación de áridos (Tyagi V. et al. 2011)

• Aplicación directa de microcápsulas


Módulos de hormigón con PCM (Cabeza et al. 2007)

• Aplicación directa de microcápsulas


Hormigón autocompactante (Hunger et al. 2009)

Verificar el comportamiento de los PCM en la mezcla de morteros de cemento Portland en cuanto a trabajabilidad, densidad y resistencia.

Establecer la proporción optima de PCM microencapsulado en morteros.

Estimar teóricamente la capacidad de almacenamiento.

Objetivos del estudio

•Cemento: Tipo CEM I 42,5 R,. Densidad 3050 kg/m3, resistencia habitual a compresión 28 días 57 MPa. Superficie específica Blaine 3500 cm2/g.

•Arena: Se utiliza arena de rio . Arena gruesa con baja cantidad de material bajo 0,5 mm, y poco fino menor a 0,063 mm. Su densidad real es de 2620 kg/m3.

•Agua: Se utiliza agua potable.

•Aditivo superplastificante: ADVA Flow 340, fabricado por Grace, en base de polímeros de carboxilatos sintéticos modificados. Contenido de sólidos de 32 %, su densidad de 1.070 kg/m3.

•Microcápsulas de PCM con núcleo de parafina: Micronal DS 5008 X, polvo seco, compuesto por una mezcla de parafina microencapsuladas con polimetilmetacrilato altamente entrecruzado, sin formaldehido. Fabricante Basf. pH 7,5 a 8,5. tamaño de 5 a 10 µm, agrupadas en partículas de 0,1 a 0,3 mm.

Materiales utilizados

Ensayos realizados

Ensayos mecánicos Ensayos mortero fresco

Plan de ensayosMezcla de prueba % PCM

Relación W/CN° IdentificaciónRespecto al peso

del cemento

Respecto al peso total de

muestra1 M0(0,5) 0 0,0 0,502 M5(0,5) 21,5 5,0 0,503 M10(0,5) 33,0 10,0 0,504 M20(0,5) 41,0 20,0 0,505 MM(0,5) 54,0 28,0 0,506 M0(0,7) 0 0,0 0,707 M5(0,7) 30,0 5,0 0,708 M10(0,7) 46,0 10,0 0,709 M20(0,7) 63,3 20,0 0,70

10 MM(0,7) 63,3 20,0 0,7011 M0(0,9) 0 0,0 0,9012 M5(0,9) 38,5 5,0 0,9013 M10(0,9) 59,0 10,0 0,9014 M20(0,9) 75,5 20,0 0,9015 MM(0,9) 81,2 21,9 0,9016 MSA(0,9) 104,6 35,6 0,90

Dosificaciones por 1 m3

Mezcla de prueba Cantidades en peso corregidas , kg

Relación W/CN° Identificación

PCM% Cemento PCM Arena Agua

Aditivo Super plastificante

1 M0(0,5) 0 447 0 1517 220 4,5 0,506 M0(0,7) 0 318 0 1632 220 3,2 0,70

11 M0(0,9) 0 246 0 1695 220 2,5 0,902 M5(0,5) 5 574 102 1078 249 3,9 0,447 M5(0,7) 5 332 100 1326 230 3,3 0,70

12 M5(0,9) 5 257 99 1394 230 2,6 0,903 M10(0,5) 10 546 180 806 270 5,5 0,507 M10(0,7) 10 389 179 950 270 3,9 0,70

13 M10(0,9) 10 302 178 1030 270 3,0 0,904 M20(0,5) 20 709 291 103 384 7,3 0,558 M20(0,7) 20 466 295 393 349 4,8 0,76

14 M20(0,9) 20 391 295 438 350 3,9 0,9016 MSA(0,9) 34 388 406 0 411 4,1 1,07

Resultados obtenidos y análisisResultados promedios. Cantidades de PCM, cemento y agua.

Escurrimiento

PCM%

PCM kg

Cementokg

Agua litros

Escurrimiento promedio

mm

0 0 337 220 125

5 100 388 236 160

10 179 413 270 174

20 293 522 361 169

34 406 388 411 143

Resultados obtenidos y análisis

0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

50

100

150

200

250

300

350

400

450

f(x) = − 6.06320900599364E-06 x³ + 0.00426228214552566 x² − 0.262011046605258 x + 221.032334524107R² = 0.99746011134844

Cantidad de agua en función de la cantidad de PCM

Cantidad de agua, por m3

Polynomial (Cantidad de agua, por m3)

Cantidad de PCM , kg

Canti

dad d

e a

gua,

lit

ros


0 50 100 150 200 250 300 350 400 4500

500

1000

1500

2000

2500

Variación de densidad al agregar PCM

Mortero frescoMortero endurecido

Cantidad de PCM , kg

Den

sid

ad

, K

g/m

3


0.50 0.55 0.60 0.65 0.70 0.75 0.80 0.85 0.90 0.950.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

f(x) = 38.8713942923064 x² − 83.7024660815098 x + 56.1097477338521R² = 1

Corrección de resistencias

20 % de PCMPolynomial (20 % de PCM)

Relación agua/cemento

Resis

tencia

a c

om

pre

sió

n,

MP

a

Determinación de resistencia a partir de relación W/CPCM% Cantidad PCM, kg Función para determinar resistencia

0 0 R = 293,67x2 - 496,14x + 223,66

5 100 R = 96,354x2 - 179,11x + 97,269

10 179 R = 84,743x2 - 145,84x + 76,804

20 293 R = 38,871x2 - 83,702x + 56,11 R es la resistencia x es la relación agua/cemento


0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 10.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

Curva relación agua/cemento, según cantidad de PCM

0 % PCM5% PCM10 % ¨PCM20 % PCM

Relación agua/cemento

Resis

tencia

a c

om

pre

sió

n M

Pa


0 50 100 150 200 250 300 3500.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

Resistencia en función de cantidad de PCM, para varias relaciones agua/cemento

Relacion W/C = 0,5

Relación W/C= 0,7

Relacion W/C = 0,9

Cantidad de PCM, en kg

Resis

ten

cia

a c

om

pre

sió

n,

MP

a

Verificación de rotura de microcápsulas

Figura 2. Microscopio óptico x50. Partículas de PCM sin hidratar (Izquierda). Partículas de PCM

hidratadas (centro). Microcápsulas de PCM dispersándose (derecha)

Figura 3. Microscopio óptico 400x. Microcápsulas de PCM recuperadas de mezcla (izquierda).

Microcápsulas sin mezclar dispersas en agua (derecha).

Microscopio óptico x50. Partículas de PCM sin hidratar (Izquierda). Partículas de PCM hidratadas (centro). Microcápsulas de PCM dispersándose (derecha)

Microscopio óptico 400x. Microcápsulas de PCM recuperadas de mezcla (izquierda). Microcápsulas sin mezclar dispersas en agua (derecha).

Acumulación de calor

0% 5% 10% 15% 20% 25% 30% 35% 40%0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

Acumulación de calor en función del gradiente de temperatura y el contenido de PCM

Gradiente de temperatura 10 °CPolynomial (Gradiente de tem-peratura 10 °C)Gradiente de temperatura 20 °CPolynomial (Gradiente de tem-peratura 20 °C)Gradiente de temperatura 5 °CPolynomial (Gradiente de tem-peratura 5 °C)

Contenido de PCM, %

En

erg

ía p

or

m3

de m

ort

ero

, kJ

Acumulación de calor y espesor Acumulación de energía respecto al mortero sin PCM y espesor de mortero

que acumula igual cantidad de energía respecto a mortero sin PCM de 10 cm de espesor

% de PCM

Gradiente de temperatura 5 °C



Acumulación de energía

respecto al mortero sin

PCM %

Espesor del mortero

respecto con igual energía acumulada

cm

Acumulación de energía

respecto al mortero sin

PCM %

Espesor del mortero


cm

Acumulación de energía respecto al mortero sin

PCM %

Espesor del mortero


cm

0% 100 10,0 100 10,0 100 10,0

5% 181 5,5 135 7,4 111 9,0

10% 252 4,0 166 6,0 123 8,1

20% 323 3,1 193 5,2 127 7,9

34% 415 2,4 226 4,4 132 7,6

•Se confirma que las microcápsulas producen problemas de trabajabilidad, requiriendo mayores cantidades de agua al aumentar su contenido.

•Las microcápsulas en bajas proporciones mejoran la trabajabilidad de los morteros.

•La densidad disminuye, al aumentar el contenido de PCM.

•La resistencia a compresión se ve afectada por la incorporación de las microcápsulas, sin embargo es posible lograr resistencias sobre 20 MPa en los morteros con cantidades de 20 % de PCM.

•Las observaciones mediante microscopio óptico no detectan el rompimiento de microcápsulas con 3 minutos de mezcla.

•Al agregar parafinas microencapsuladas, se puede producir un aumento de acumulación de energía, dependiendo del gradiente de temperatura y la cantidad de PCM incorporado. Es más eficiente el almacenamiento de calor latente en gradientes menores.

Conclusiones

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