PCM ¿Qué son? ¿Cuáles son sus aplicaciones?

Los materiales de cambio de fase o (Phase Change Materials, PCM) son utilizados para el almacenamiento de energía y existen muchas aplicaciones, desde dispositivos electrónicos portátiles hasta plantas solares. Además, cubre una amplia gama de temperaturas: desde los -40°C hasta los 500°C.

Los materiales de cambio de fase (PCM) son materiales que experimentan la fase de transformación de estado sólido-líquido, también conocido como ciclo de fusión-solidificación. A medida que un material cambia de fase de sólido a líquido, absorbe energía de su entorno mientras se mantiene constante o casi constante la temperatura. La energía que es absorbida por el material actúa para aumentar la energía de los átomos o moléculas, provocando un estado de vibración. A una temperatura de fusión, los enlaces atómicos se aflojan y el material pasa de un sólido a un líquido. Por otro lado la solidificación es el reverso de este proceso, en el cual el material transfiere energía a su entorno y las moléculas pierden energía y se ordenan en su fase sólida.  

El calor latente de vaporización requiere un mayor proceso energético que el calor latente de fusión. Los PCMs se utilizan por su calor latente de fusión en lugar de su calor latente de vaporización. En general el proceso de ebullición/condensación absorbe y libera más energía, pero el cambio de densidad de un líquido a vapor es grande y trabajar con calderas y condensadores normalmente requieren equipo de apoyo que no siempre es conveniente.

El uso de PCM para la administración térmica transitoria tiene la ventaja de mantener un sistema constante de temperatura durante todo el proceso de fusión independientemente del flujo de calor aplicado. Otras ventajas es que los PCM son livianos, portátiles y altamente confiables dependiendo solo de las características del material.

Durante los años setenta y ochenta aumentó el interés en la aplicación de PCM en sistemas solares para el almacenamiento de energía térmica así como en grandes plantas solares como en aplicaciones domésticas más pequeñas, es el caso de los sistemas de agua caliente sanitaria. También en estos años inició el concepto de incrustar PCM en varios tipos de materiales de construcción, como tableros para paredes y pisos, con el fin de crear casas y oficinas con cargas de calefacción y refrigeración más bajas para una mayor eficiencia energética.

Gestión térmica

Durante 1980 y 1990 los circuitos integrados comenzaron a disipar cantidades significativas de calor y por motivos de fiabilidad, la mayoría de los paquetes de chips están limitados a operar por debajo de los 85°C y todo el calor generado debe disiparse en el ambiente durante las condiciones de funcionamiento de estado estacionario y transitorio. Normalmente se utiliza un disipador de calor junto con un ventilador para enfriar los componentes. La mayoría de los dispositivos electrónicos portátiles se utilizan en encendido/apagado o ciclos de trabajo pico, por lo que el uso de PCM para la gestión térmica es factible. Muchas tabletas y teléfonos inteligentes están en modo de espera de bajo consumo la mayor parte del día, con ráfagas aleatorias de actividad que provocan potencia de procesamiento al pico. Para estas aplicaciones, los PCM se pueden utilizar para absorber estas ráfagas de energía y luego disipar el calor almacenado cuando el ciclo de pico ha terminado.

La idea es que el calor penetre en el PCM cuando el comienza el ciclo de pico, derritiendo el PCM y manteniendo una constante temperatura de funcionamiento. La duración del ciclo de fusión de PCM debe coincidir con los intervalos de tiempo de uso común. Una vez fundido, el PCM debe arrojar su calor al medio ambiente a medida que se solidifica y “Recarga” para el siguiente ciclo. El uso de PCM en esta aplicación es para retrasar el inicio de las condiciones de estado estacionario durante el mayor tiempo posible. Una vez el  PCM está completamente fundido, si la electrónica aún permanece encendida, la temperatura aumenta a través del calentamiento sensible a una condición de funcionamiento de estado estable.

El uso de PCM de esta manera mantiene una temperatura más constante de la electrónica en operación de pico y es una solución térmica pasiva sin piezas mecánicas como ventiladores o bombas, por lo que aumenta de la fiabilidad. En este caso, el PCM se utiliza como una aplicación de gestión térmica, no como una solución de almacenamiento de energía, ya que el calor almacenado no se utiliza de manera productivamente en otras partes del sistema. Los PCM utilizados en estas aplicaciones típicamente tienen temperaturas de fusión entre 36 y 56 ° C para mantener la temperatura de unión muy por debajo de los 85 ° C permitidos para circuitos integrados.

Para la electrónica portátil, es importante no solo mantener la unión temperatura baja, pero también la temperatura de la carcasa baja para proteger el usuario de quemaduras. En general, la temperatura de la carcasa debe mantenerse por debajo 40–45 ° C para un uso seguro. Los PCM basados ​​en parafina son los más utilizados en estos sistemas, aunque a veces se implementan mezclas de metales líquidos.

Referencias:

(1). Fleischer, A. S. (2015). Thermal Energy Storage Using Phase Change Materials Fundamentals and Applications. Villanova University, Villanova, PA, USA: Springer.

(2). I. Assi et al., “Using phase change material in heat sinks to cool electronics devices with intermittent usage,” 2017 IEEE 7th International Conference on Power and Energy Systems (ICPES), Toronto, ON, 2017, pp. 66-69, doi: 10.1109/ICPESYS.2017.8215922.