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PCM – material de mudança de fase

Um segundo reservatório de calor é o simples aumento de temperatura sem mudança de fase. Para essas aplicações, a capacidade térmica específica do material de armazenamento e a sua densidade devem ser elevadas, a fim de armazenar uma quantidade máxima de calor numa quantidade mínima de material/espaço (capacidade de armazenamento). Este efeito é utilizado para o ar condicionado dos edifícios e para o seu conforto térmico. Para transferir bem a energia do PCM para o ambiente, este deve também ter uma elevada condutividade térmica condutividade térmica.

Propriedades do PCM

Os materiais de mudança de fase devem, por conseguinte, ter as seguintes propriedades

uma elevada capacidade de armazenamento ou calor latente por volume. Isto é conseguido quando o calor molar de fusão é elevado e, ao mesmo tempo, estão presentes uma elevada densidade e uma elevada capacidade térmica específica.
elevada condutividade térmica para uma rápida troca de calor entre o PCM e o ambiente
uma elevada taxa de nucleação para evitar o subarrefecimento e para conseguir a mudança de fase à temperatura de funcionamento.
uma pequena alteração de volume durante a transição de fase, a fim de evitar tensões mecânicas nos recipientes e fissuras na fase sólida.
Baixo custo por energia armazenada e boa disponibilidade
Elevada estabilidade química
sem decomposição, pelo que são possíveis muitos ciclos de fusão/congelação.

Os PCMs podem ser divididos em dois grupos: substâncias orgânicas e inorgânicas.

Vantagens dos materiais PCM

Os materiais orgânicos (principalmente hidrocarbonetos, parafinas e gorduras, mas também hidratos de carbono) têm temperaturas de funcionamento mais baixas do que os materiais inorgânicos e algumas outras vantagens, como a sua estabilidade térmica e química.

Desvantagens dos materiais PCM

No entanto, as desvantagens dos materiais orgânicos em comparação com os materiais inorgânicos são a sua inflamabilidade, a capacidade relativamente baixa de armazenamento de calor e a baixa condutividade térmica. Os PCM inorgânicos são principalmente hidratos de sal e sais. A maioria deles tem temperaturas de funcionamento elevadas e está disponível a baixo custo. A desvantagem é que podem ser corrosivos e sofrem frequentemente uma grande alteração de volume.

Diferentes aplicações requerem diferentes temperaturas de funcionamento que correspondem ao ponto de fusão do PCM. As temperaturas de funcionamento podem variar desde temperaturas próximas da temperatura ambiente (para a maioria dos PCM orgânicos, mas também para alguns inorgânicos, como o nitrato de lítio hidratado (LiNO3*3 H2O)) até várias centenas de graus Celsius (para os inorgânicos, como os sais de metais alcalinos).

Análise térmica de PCM

A análise térmica é uma ferramenta muito poderosa para o desenvolvimento e caraterização de PCMs:

A termogravimetria (TGA) é utilizada para analisar a estabilidade térmica ou a decomposição.

A calorimetria de varrimento diferencial (DSC) é utilizada não só para medir a temperatura de fusão (temperatura de funcionamento) e a entalpia de fusão, que fornecem informações úteis sobre a capacidade de armazenamento, mas também para medir a capacidade térmica específica (Cp).

Existem também numerosas técnicas conhecidas para medir a condutividade térmica, sendo o método do fio de aquecimento o mais eficiente para aplicações de PCM. Outros métodos incluem o método do fluxo de calor e o método do flash laser. Com todos os métodos de medição da condutividade térmica, o desafio particular é obter dados fiáveis precisamente durante a mudança de fase de um PCM, razão pela qual o método rápido de fio quente tem aqui vantagens decisivas.

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