mortar energy storage using microencapsulated paraffin mortero acumulador de energía mediante...
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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.
Almacenamiento de energía
• 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
Almacenamiento de energía
• 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
Aplicación de PCM en hormigón
Impregnación de áridos (Tyagi V. et al. 2011)
• Aplicación directa de microcápsulas
Aplicación de PCM en hormigón
Módulos de hormigón con PCM (Cabeza et al. 2007)
• Aplicación directa de microcápsulas
Aplicación de PCM en hormigón
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
Resultados obtenidos y análisis
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
Resultados obtenidos y análisis
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
Resultados obtenidos y análisis
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
Resultados obtenidos y análisis
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
Gradiente de temperatura 10 °C
Gradiente de temperatura 20 °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
respecto con igual energía acumulada
cm
Acumulación de energía respecto al mortero sin
PCM %
Espesor del mortero
respecto con igual energía acumulada
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