I ricercatori del Fraunhofer Institut hanno collaborato con partner industriali per sviluppare emulsioni a base di PCM per applicazioni come la climatizzazione degli edifici e il raffreddamento di macchinari industriali. Le nuove emulsioni PCM raggiungono una densità di accumulo doppia rispetto a quella dell’acqua.
I materiali a cambiamento di fase (PCM) sono un elemento fondamentale per una gestione termica efficiente e potrebbero sostituire l’acqua come vettore termico. All’interno del progetto Optimus, i ricercatori del Fraunhofer Institut SE di Friburgo stanno collaborando con partner del settore per sviluppare emulsioni di PCM ad alta densità di accumulo da utilizzare in edifici e industrie, ma anche in sistemi di pompe di calore e per il raffreddamento delle batterie dei veicoli a motore.
I tensioattivi stabilizzano le goccioline di paraffina emulsionate ultrafini
Le emulsioni di PCM sono una miscela di paraffine e acqua o miscele di acqua e glicole, utilizzate principalmente nel settore della mobilità, dove l’aggiunta di glicole impedisce il congelamento della miscela. I ricercatori utilizzano paraffine disperse o emulsionate in acqua o in miscele di acqua e glicole. I tensioattivi stabilizzano le goccioline di paraffina ultrafini distribuite nell’acqua, conferendo alla miscela stabilità termica e meccanica. Le emulsioni sfruttano l’elevata densità energetica delle paraffine durante la transizione di fase da solido a liquido. “Grazie all’emulsione delle paraffine in acqua, queste possono rimanere liquide indipendentemente dal loro stato di fase nell’emulsione creata e possono essere utilizzate come fluidi termovettori nelle reti di riscaldamento e raffreddamento, quindi le miscele possono essere pompate attraverso le tubazioni. Durante il cambiamento di fase, i PCM assorbono o rilasciano grandi quantità di calore anche a temperatura costante” spiega Stefan Gschwander, ricercatore presso il Fraunhofer ISE. Questo permette ai ricercatori di raggiungere una densità di accumulo doppia rispetto all’acqua – attualmente utilizzata come vettore termico nelle reti di riscaldamento e raffreddamento convenzionali – nell’intervallo di fusione dei PCM, mantenendo invariato il volume.
Oltre all’elevata densità di accumulo, le emulsioni di PCM offrono anche numerosi altri vantaggi. Grazie alla loro elevata capacità di accumulo termico, i sistemi che utilizzano PCM possono essere progettati per occupare meno spazio. Offrono un’elevata capacità termica, soprattutto in presenza di un differenziale di temperatura ridotto. “L’utilizzo dei PCM è particolarmente interessante per le applicazioni che consentono solo minime differenze di temperatura, come il raffreddamento degli edifici o la climatizzazione. I sistemi di climatizzazione convenzionali che utilizzano l’acqua come vettore di calore richiedono flussi volumetrici elevati e grandi volumi di accumulo. È qui che i PCM danno il meglio di sé”, afferma Gschwander.
PCM personalizzati con diverse temperature di fusione
Nel progetto, i partner stanno sviluppando emulsioni di PCM adatte con temperature di fusione comprese tra 12 e 18 °C, 20 e 28 °C e 45 e 50 °C per qualsiasi applicazione, dalla climatizzazione degli edifici agli impianti industriali, dal raffreddamento delle batterie alle pompe di calore. Tutte le emulsioni sviluppate sono già state sottoposte a test termomeccanici in un circuito di prova idraulico con una pompa centrifuga, diverse valvole, un vaso di espansione a membrana e uno scambiatore di calore a piastre. Possono resistere fino a 100.000 cicli. I ricercatori hanno inizialmente sviluppato, caratterizzato e testato le emulsioni di PCM su scala di laboratorio, utilizzando volumi di produzione fino a cinque litri. Successivamente, le formule sono state portate su scala pilota, producendo volumi fino a 100 litri.
Si prevede di aumentare ulteriormente la produzione delle emulsioni PCM, fino a raggiungere la scala del metro cubo, in collaborazione con il partner industriale H&R Wax & Specialties GmbH. L’obiettivo è produrre le emulsioni in volumi maggiori per dimostrarne l’utilizzo in serbatoi di raffreddamento utilizzati per la climatizzazione interna o il raffreddamento di processo. Le emulsioni PCM saranno inizialmente fornite per due dimostrazioni. Nella prima, il calore di scarto proveniente dalle sale server di un tribunale verrà immagazzinato durante il riscaldamento attivo e successivamente trasferito all’aria di mandata tramite l’emulsione, rendendo tale energia termica disponibile per contribuire al riscaldamento dell’edificio. Nella seconda applicazione, si prevede di raffreddare le macchine per stampaggio a iniezione e di rilasciare il calore accumulato nelle ore di punta nell’aria esterna fresca (free cooling) durante la notte. “Al momento, stiamo ottimizzando le nostre formule per ottenere una stabilità e una densità di stoccaggio ancora maggiori” spiega Gschwander.
Foto: Fraunhofer ISE
