Materiais de mudança de fase (PCM) para aplicações em refrigeração ou criogenia

Abstract

O recurso a energias verdes é, cada vez mais, um tema incontornável já que as energias não renováveis se tornaram num problema devido à grande dependência que temos delas e ao respetivo impacto ambiental. Por exemplo, as arcas congeladoras são equipamentos de produção de frio que servem para conservar alimentos necessitando de estar permanentemente ligadas à rede elétrica, de modo a que o compressor possa ser ligado assim que seja necessário. Estes equipamentos acabam por consumir alguma energia, principalmente quando requerem congelamento de alimentos ou quando são sujeitos a aberturas frequentes. Assim, um controlo inteligente destes equipamentos poderá ser uma das soluções para minimizar os custos energéticos, adequando os consumos a períodos de menor tarifa ou à disponibilidade de energias renováveis e deslocalizadas. De modo a conseguir-se um consumo mais eficiente de uma arca frigorifica, surgiu a ideia de desenvolver um sistema de refrigeração combinando um painel solar e armazenamento de frio com recurso a materiais de mudança de fase (PCM), com temperaturas de fusão adequadas para o congelamento de alimentos, tais como as composições eutécticas nos sistemas H2O-NaCl ou H2O-KCl. Entretanto, no sentido de garantir a estabilização e organização do sistema, foi adicionado um gelificante. Os gelificantes estudados foram a gelatina, que é constituída por colagénio; e o amido de milho. Foi ainda adicionada uma fase condutora à base de grafite com vista a aumentar a condutividade térmica das formulações. A metodologia Taguchi foi utilizada com vista a selecionar a melhor formulação tendo-se recorrido à medição da massa específica e da condutividade térmica como critério de escolha. As formulações mais relevantes foram ainda analisadas por calorimetria diferencial de varrimento (DSC) para avaliar o desempenho térmico, bem como por difração de raios-X (DRX) e por microscopia eletrónica de varrimento (SEM) para caracterizar estruturalmente os diferentes sistemas. O impacto da composição das formulações na organização macromolecular dos diferentes sistemas, foi avaliado por comparação com os dados recolhidos para um outro sistema semelhante, contendo óleo de girassol, preparado paralelamente por outro estudante. Os resultados obtidos indicaram que o sistema com óleo era o mais indicado, pois a presença do óleo parece conferir maior estabilidade e homogeneidade à emulsão de mudança de fase. Para este sistema, obteve-se uma condutividade térmica de 0,58 W/m·K, e uma gama de temperatura de operação entre -25 ºC e 0 ºC, enquanto que para a melhor formulação (preparada na sua ausência de óleo) a condutividade térmica foi de 0,66 W/m·K, e a gama de temperatura de operação encontra-se entre -25 ºC e 0 ºC.

The use of green energy is a topic more and more discussed because the use of non-renewable energies has become a major issue due to our enormous dependence on the type of resources used and the corresponding environmental impact. An example of this problem is the use of freezers which are equipments widely used to preserve food. Freezers need to be permanently connected to the power grid so that the compressor can be started when it’s necessary. These devices end up consuming some energy, especially when they are needed for fast freezing of food or are often opened. Thus, intelligent control of these devices is one possible solution to minimize energy costs. In order to achieve a more efficient consumption of energy by a freezer, the idea of developing a cooling system combining a solar panel and the use of phase change emulsions (PCM) emerged, to allow preferential energy consumption at low tariff periods or to cope with intermittency and variability of renewable electricity. For that purpose, one considered development of phase change materials with melting temperatures in the range required for fast freezing of food, such as H2O-NaCl or H2O.KCl eutectics. In order to ensure stabilization and organization of the system, a gelling agent was added. The gelling agents studied were gelatine, which consists of essentially in collagen; and corn starch. A graphite-based conductive phase was also added in to increase the thermal conductivity of the formulations. The Taguchi method was used to select the best formulation using data from thermal conductivity and density as criteria of choice. The most relevant formulations were further analysed by differential scanning calorimetry (DSC) to assess the thermal performance and by X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscopy (SEM) to structurally characterize the different systems. The impact of formulations composition on the macromolecular organization of the different systems was evaluated by comparison with data collected for another similar system containing sunflower oil and which had been prepared in parallel, by another student. The results obtained indicate that the system containing oil is the most promising as the presence of oil seems to confer better stability and homogeneity to the ensuing phase change emulsion. For this system, the thermal conductivity was 0.58 W/m·K, and the operating temperature range was between -25 °C and 0 °C, whilst for the best formulation prepared in the absence of oil, the thermal conductivity was 0.66 W/m·K and the operating temperature range was between -25 °C and 0 °C