Determinación experimental de propiedades termo físicas de un material orgánico de cambio de fase y simulación computacional del proceso de carga y descarga en un dominio cilindrico

Abstract

Determinación experimental de propiedades termo físicas de un material orgánico de cambio de fase y simulación computacional del proceso de carga y descarga en un dominio cilíndrico. La presente tesis ha sido realizada en el marco del desarrollo del proyecto FONDECYT Nº 11130168, relacionado con el almacenamiento de energía térmica mediante el uso de materiales orgánicos de cambio de fase (O-PCM) y la mejora de propiedades térmicas, a través del uso de mezclas de éstos materiales con nanopartículas. El proyecto incluye desarrollos experimentales y numéricos, además de la determinación de propiedades termo físicas y reológicas de los O-PCM y el material compuesto o nanofluido, caracterizados en función de la temperatura (283 – 313 K) y la concentración de las nano partículas (0-5% en peso). En particular, en la presente tesis de pregrado, el primer objetivo es determinar experimentalmente la variación de la conductividad térmica, capacidad calorífica, viscosidad dinámica y densidad del O-PCM denominado hexadecano en función de su temperatura. Para evaluar la conductividad térmica se utilizó un equipo llamado KD2-Pro, a través del cual se determinó que ésta varía entre los 0.135 y los 1.087 (W/mK), para temperaturas entre 283 y 313 K. En cuanto al calor especifico ha sido determinado usando un equipo DSC 2920, de lo cual resulta que ésta propiedad presenta una variación entre 1.040 y 6.040 (J/kgK) para temperaturas que varían entre 283 y 308 K, Por otra parte, la densidad ha sido determinada a través del uso de un picnómetro, resultando una variación de densidad de 764.3 a 799.5 (kg/m3) para temperaturas entre 283 y 301 K, Finalmente, para la viscosidad se ha establecido, en base a la literatura disponible, variación entre 0.00225 y 0.00348 (Pa·s) considerando temperaturas entre 293 y 313 K. A partir de éstas mediciones se han podido establecer ecuaciones que gobiernan el comportamiento de éstas propiedades en un determinado rango de temperatura, lo cual revierte importancia relevante para concretar el segundo objetivo de éste estudio, el cual trata sobre simular computacionalmente, mediante el software ANSYS/FLUENT con licencia académica, el proceso de carga y descarga de energía en el material orgánico de cambio de fase en un dominio cilíndrico bidimensional. Se presentan detalles de equipos y procedimientos experimentales que se llevan a cabo en cada una de las mediciones, además de un análisis de los datos extraídos. Se estudia el conocimiento sobre los PCM. Además se presentan ecuaciones que permiten predecir el comportamiento de dichas propiedades en función de su concentración de nanopartículas. Por otro lado, para cumplir con los objetivos, también es necesario definir la variación de las propiedades térmicas del agua en función de su temperatura, por lo que se presenta un estudio bibliográfico de sus propiedades junto con ecuaciones que describen su comportamiento. El modelo físico simulado computacionalmente corresponde a un par de tuberías concéntricas de diferente diámetro que se disponen una dentro de la otra, permitiendo que por sus intersticios se puedan alojar los fluidos, de los cuales se desea estudiar el tiempo de solidificación y la cantidad de calor almacenado del nanofluido en función de su concentración de nanopartículas. Se ha establecido que el tiempo de solidificación del fluido disminuye en un 4 % cuando la concentración de nanopartículas aumenta en un 5% en volumen mientras que la cantidad de calor almacenado aumenta en un 32 % bajo el mismo aumento de concentración de manopartículas.