Análisis de ciclos fusión-solidificación de ceras de parafina

Analysis of melt-solidification cycles of paraffin waxes

El déficit mundial de energías renovables ha motivado la búsqueda de alternativas que permitan acumular energías renovables, entre ellas la energía solar. La cera de parafina es un material con cambio de fase (PCM) que permite acumular energía aprovechando que su temperatura de fusión se encuentra entre 40 y 65 oC, dependiendo de su composición. Sin embargo, no existe suficiente información del comportamiento de la cera después de un elevado número de ciclos fusión/solidificación. En el presente trabajo se diseñó e implementó un sistema fusión- solidificación de cera de parafina, junto con un sistema de adquisición de datos para analizar ciclos de fusión y solidificación y perfiles de temperatura en función del tiempo.La cera se calentó y enfrió en una celda Peltier, diseñada para producir cambios de fase sólido- líquido. Se analizaron 2 tipos de cera, durante 1000 ciclos. Los resultados permitieron analizar los periodos y amplitudes de cada ciclo. El tiempo de ciclo para la cera PT 58 y PT Ch fueron 340 y 160 segundos respectivamente. Las ceras estudiadas no mostraron diferencias significativas en sus perfiles de temperatura, durante los ciclos estudiados, por lo que las ceras no sufren cambios químico-estructurales después de los ciclos analizados.

1. Introducción 

Almacenamiento de energía térmica (TES) es el almacenamiento temporal de energía para su posterior utilización, con lo cual se cierra la brecha de tiempo entre las necesidades de energía y el uso de la energía. Sistemas TES contribuyen al uso eficaz de la energía: intensidad máxima de demanda eléctrica, recuperación de calor, utilización de la energía solar y el almacenamiento estacional. El almacenamiento térmio se clasifica como almacenamiento de calor sensible, latente (el cual acumula la energía durante la fusión) y como una combinación de éstos. Las ventajas del sistema de almacenamiento de calor latente son: alta densidad de calor de almacenamiento, un reducido tamaño de sistema y un mínimo cambio de temperatura durante la carga y descarga de los procesos [1].

Los PCM absorben o liberan el calor latente durante el proceso de fusión/solidificación [2]. Estos han recibido una alta atención en los últimos años para diversas aplicaciones tales como: recuperación de calor de desecho, sistema de calefacción solar y conservación de energía en edificios. Los PCM se agrupan en dos categorías: orgánicos e inorgánicos. Las ventajas de un material orgánico son: se puede fundir y solidificar numerosas veces sin segregación de fases y sin alterar su calor latente de fusión [3]. 

En los últimos años, diversas publicaciones informan el empleo de PCM en sistemas que utilizan la energía solar para el secado de productos agrícolas [4]. Las ventajas de estos sistemas en comparación con el almacenamiento de calor sensible es que poseen una mayor densidad de energía almacenada y una menor diferencia de temperatura operativa [5], [6]. 

La elección del PCM más apropiado debería considerar: costo, conductividad térmica, tanto en la fase líquida como sólida, capacidad de almacenamiento y temperatura de cambio de fase [7]. Hasta ahora, un gran número de PCM tales como sales hidratadas, parafinas, ácidos grasos y sus mezclas han sido ampliamente investigados [8], [9]. Para el secado solar de agro-productos, las parafinas son comúnmente utilizados como PCM [10], debido a su temperatura de fusión, alta capacidad de calor latente, buena estabilidad química y térmica, no es tóxica ni corrosiva [11]. 

Para aumentar la conductividad térmica de la cera de parafina, se ha estudiado la encapsulación del PCM en geometrías cilíndricas con o sin aletas, placas, o cápsulas esféricas. La geometría esférica parece ofrecer una serie de ventajas que lo ubica entre los métodos más efectivos de encapsulación [12], [13].