PCM - Materialen met faseverandering

PCM - Materialen met faseverandering
Stimulus/respons:
thermisch / thermisch
Hoofdkenmerk:
Materialen met een faseverandering vormen een buffer tegen temperatuurschommelingen. Wanneer ze van
de ene in de andere fase overgaan (bv. vast-vloeibaar) slaan ze energie op of geven die opnieuw vrij terwijl de
omgevingstemperatuur constant blijft.
Omschrijving:
temperature rises
PCM melts
temperature
remains
constant
liquid
temperature
heat storage
melting
crystallization
heat emission
temperature
remains
constant
solid
PCM
solidifies
temperature
drops
energy content
Figuur 1: Principe van 'Phase change materials'
Elk materiaal dat een instroom van energie (meestal onder de
vorm van warmte) ondergaat zal deze energie gebruiken om de
fasetransitie te voltooien. Pas nadien zal de temperatuur van
het materiaal verder toenemen. De energie die nodig is om de
faseverandering te voltooien is sterk afhankelijk van de aard van
het materiaal en wordt latente warmte genoemd (figuur 1). Deze
warmte wordt terug afgestaan wanneer energie aan het materiaal
wordt onttrokken en het materiaal terug stolt of kristalliseert.
Aangezien de temperatuur van het materiaal tijdens een dergelijke
transitie constant blijft kan het dienen als een buffer om tijdelijke
temperatuursschommelingen op te vangen.
Gekend of potentieel gebruik:
•
•
•
•
•
koelelementen
hitteschild (ruimteveer)
warmteopslag
temperatuurbuffering in gebouwen, medische toepassingen,
elektronica
energierecuperatie
Materiaalvormen:
500
fully commercialized,
melting enthalpy [KJ/L]
400
salts and eutectic mixtures
large scale
water
300
salthydrates and
eutectic mixtures
aqueous salt solutions gas hydrates
200
paraffines
100
small scale,
sugar
alcohols
under investigation
partly commercialized
0
-100
0
+100
+200
melting temperature [°C]
Figuur 2: Latente energie inhoud, smelttemperatuur en
commerciële beschikbaarheid van PCM
Afhankelijk van de smelttemperatuur zijn verschillende materialen
beschikbaar. Zowel zouthydraten, paraffine, suikeralcohol en
zoutoplossingen kunnen daarvoor aangewend worden (figuur 2).
Temperatuursbereik en latente warmte inhoud:
Uit figuur 2 blijkt dat elke PCM klasse gegroepeerd is en een
welbepalende smelttemperatuur en latente warmte inhoud heeft.
Voor de meeste toepassingen zullen PCMs gebruikt worden die een
smelttemperatuur hebben tussen de 20 en 35°C. Er bestaan echter
PCMs die negatieve smelttemperaturen hebben, deze PCMs kunnen
ingezet worden voor het koelen van materialen. Langs de andere
kant zijn er ook PCMs beschikbaar met hoge smelttemperaturen,
die inzetbaar zijn voor het warm houden voor een lange tijd van
andere materialen.
Naast de smelttemperatuur is de latente warmte inhoud de andere
belangrijke parameter, hoe hoger deze ligt, hoe meer energie er
kan opgeslagen en afgegeven worden. Voor zouthydraten ligt deze
waarde in de meeste gevallen boven de 200J/g. Voor paraffines
wordt deze waarde grotendeels bepaald door de ketenlengte en
het even of oneven zijn van het aantal koolstofatomen. Waarden
variëren tussen de 150 en 250 J/g.
TIS - slimme materialen - Technische fiche - PCM - Centexbel 2010
Beperkingen :
•
•
•
•
•
Aangezien een faseverandering nodig is dient het materiaal ingekapseld te worden. Zo niet is de transitie eenmalig.
Vooral de paraffines zijn brandbaar.
Additieven zijn soms nodig om tot een efficiënte fasetransitie te komen.
Relatief grote hoeveelheden materiaal zijn nodig om een significant effect te bekomen.
Grote verschillen tussen smelt en stol temperatuur, superkoeling effect
Beschikbaarheid:
Zowel de paraffine- als zouthydraat types zijn commercieel beschikbaar.
Mogelijke leveranciers :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Devan: http://http://www.devan.net (Thermische microcapsules)
BASF: http://www.basf.be (Lurapret® microPCM’s)
OutlastTM (Microcapsules in coatings, schuim, vezels)
Comfortemp® - Freudenberg (Coating, nonwovens, microcapsules)
Smartcell® clima (smartfibres AG - paraffine in cellulose)
Rubitherm : http://www.rubitherm.com/ (Zouthydraten, ingekapselde en vrije paraffine)
PCM Energy P. Ltd : http://www.teappcm.com/ (Zouthydraten en eutectische oplossingen)
Autarkis : http://www.autarkis.nl/ (Zouthydraten en eutectische oplossingen)
Environmental process systems limited : http://www.epsltd.co.uk/ (Zouthydraten en organische componenten)
Climator : http://www.climator.com/ (Zouthydraten en water en additieven))
Pluss polymers: http://www.thermalenergystorage.in/page2-productsfrompluss.htm (Zouthydraten)
Microtek: http://www.microteklabs.com/ (paraffines die ge-encapsuleerd zijn)
Renewable alternatives: http://www.renewablealternatives.com/ (Biologische vetzuur afgeleide producten)
Cristopia: http://www.cristopia.com/index.html/ (Paraffine blends)
Textieltoepassingen:
• Primair doel: opvangen schommelingen in omgevingstemperatuur en/of lichamelijke activiteiten.
• Doelgroep: racepiloten, atleten, soldaten, arbeiders in diepvriesindustrie, brandweerlui
• Toepassingen: via schuimen in meubilair en matrassen,coating en vezels, kleding (fasion, workwear, outdoor en
sportswear), schoeisel, beddengoed, gordijnen, interieur/automotive, tapijt, medische toepassingen …
outlast®
Comfortemp®
Smartcel™ Clima
schoeller®-PCM™
NoTeReFiGa - FP7 Onderzoeksproject:
NoTeReFiGa of Noval Temperature Regulating Fibres and Garments is een Europees
project met als doel vezels en textielproducten te produceren met thermisch
regulerende eigenschappen op basis van PCMs.
Het concept is gebaseerd op 2 ideeën. Het eerste idee berust op het mengen van
PCMs met een geschikt polymeer om zo een verwerkbare viscositeit te verkrijgen
voor het smeltspinnen. Deze blend wordt in de kern van de vezels verwerkt via het
bicomponetspinnen. Het tweede idee is gebaseerd op het direct incorporeren van
PCMs via solventspinnen.
• Via Bicomponent smeltspinnen, rechtstreekse incorporatie van PCMs in vezels, > 80J/g
• Via Solvent spinning gebruik makend van silicaten en zuren, > 60J/g
Meer informatie: http://extra.ivf.se/noterefiga/template.asp
Niet textieltoepassingen
•
•
•
•
•
Constructie: vloertegels, windpanelen, beton, verf, airconditioning, opslag zonne-energie
Landbouw: serres
Transport: koeling voor explosieven, voeding, geneesmiddelen, organen, verwarmde elementen, automotive
Elektronica: koeling datacenter, verwarming batterijen
Medische sector: afkoeling (coldpacks) bij koorts, opwarming spieren