Transcript Presentación PPT - Hormigón Sustentable

Mortar energy storage using microencapsulated paraffin
Mortero acumulador de energía
mediante parafina microencapsulada
Vicente Zetola Vargas. Académico. Universidad Católica del Norte
Alfonso García Santos. Catedrático. Universidad Politécnica de Madrid
Francisco Javier Neila González. Catedrático: Universidad Politécnica de Madrid
Noviembre 7 de 2013
Almacenamiento de energía
• Permite adaptar los periodos de suministro a los de demanda
energética (Oliver A., 2009) .
• Hay básicamente tres posibilidades (Zalba 2002):
 Por calor sensible.
 Por reacción termoquímica
 Por calor latente: (hielo, parafinas, sales hidratadas,…)
 Materiales de cambio de fase (PCM)
Almacenamiento de energía
• El almacenamiento de energía en edificios se puede mejorar
mediante la incorporación de PCM (Xin, YinPing, Wei, RuoLang, &
Qunli, 2009) (Wang, Shi, Xia, Zhang, & Feng, 2012).
 Aumenta el confort térmico
 Aumenta la inercia térmica
 Disminuir los cambios de temperatura del aire interior
 Mejorar el rendimiento térmico.
Almacenamiento de energía
• Los PCM se pueden incorporar en los materiales de
construcción mediante (Zhang, Zhou, Lin, Zhang, & Di, 2007):
 Aplicación directa
 Inmersión
 Encapsulación (macrocápsulas y microcápsulas) y
 Tableros laminados
Parafina microencapsulada
• Microcápsulas.
Aspecto de parafinas
microencapsuladas en polvo
Estructura de microcápsula
(Tyagi V. et al. 2011)
Partículas de PCM, antes y después
de la mezcla (Oliver, 2009)
Aplicación de PCM en hormigón
• Usos en el hormigón (Tyagi, et al, 2011):
 Como reductor del calor de hidratación
 Para el control microbiano y
 Control de temperatura.
Aplicación de PCM en hormigón
• Impregnación de áridos
Impregnación de áridos (Tyagi V. et al. 2011)
Aplicación de PCM en hormigón
• Aplicación directa de microcápsulas
Módulos de hormigón con PCM (Cabeza et al. 2007)
Aplicación de PCM en hormigón
• Aplicación directa de microcápsulas
Hormigón autocompactante (Hunger et al. 2009)
Objetivos del estudio
 Verificar el comportamiento de los PCM en la mezcla de
morteros de cemento Portland en cuanto a trabajabilidad,
densidad y resistencia.
 Establecer
la
proporción
microencapsulado en morteros.
optima
de
PCM
 Estimar teóricamente la capacidad de almacenamiento.
Materiales utilizados
•Cemento: Tipo CEM I 42,5 R,. Densidad 3050 kg/m3, resistencia habitual
a compresión 28 días 57 MPa. Superficie específica Blaine 3500 cm2/g.
•Arena: Se utiliza arena de rio . Arena gruesa con baja cantidad de
material bajo 0,5 mm, y poco fino menor a 0,063 mm. Su densidad real
es de 2620 kg/m3.
•Agua: Se utiliza agua potable.
•Aditivo superplastificante: ADVA Flow 340, fabricado por Grace, en
base de polímeros de carboxilatos sintéticos modificados. Contenido de
sólidos de 32 %, su densidad de 1.070 kg/m3.
•Microcápsulas de PCM con núcleo de parafina: Micronal DS 5008 X,
polvo
seco,
compuesto
por
una
mezcla
de
parafina
microencapsuladas con polimetilmetacrilato altamente entrecruzado,
sin formaldehido. Fabricante Basf. pH 7,5 a 8,5. tamaño de 5 a 10 µm,
agrupadas en partículas de 0,1 a 0,3 mm.
Ensayos realizados
Ensayos mecánicos
Ensayos mortero fresco
Plan de ensayos
Mezcla de prueba
N°
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Identificación
M0(0,5)
M5(0,5)
M10(0,5)
M20(0,5)
MM(0,5)
M0(0,7)
M5(0,7)
M10(0,7)
M20(0,7)
MM(0,7)
M0(0,9)
M5(0,9)
M10(0,9)
M20(0,9)
MM(0,9)
MSA(0,9)
% PCM
Respecto al peso
del cemento
0
21,5
33,0
41,0
54,0
0
30,0
46,0
63,3
63,3
0
38,5
59,0
75,5
81,2
104,6
Respecto al
peso total de
muestra
0,0
5,0
10,0
20,0
28,0
0,0
5,0
10,0
20,0
20,0
0,0
5,0
10,0
20,0
21,9
35,6
Relación W/C
0,50
0,50
0,50
0,50
0,50
0,70
0,70
0,70
0,70
0,70
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
0,90
Dosificaciones por 1 m3
Mezcla de prueba
N°
1
6
11
2
7
12
3
7
13
4
8
14
16
Identificación
M0(0,5)
M0(0,7)
M0(0,9)
M5(0,5)
M5(0,7)
M5(0,9)
M10(0,5)
M10(0,7)
M10(0,9)
M20(0,5)
M20(0,7)
M20(0,9)
MSA(0,9)
Cantidades en peso corregidas , kg
PCM
%
0
0
0
5
5
5
10
10
10
20
20
20
34
Cemento PCM
447
0
318
0
246
0
574
102
332
100
257
99
546
180
389
179
302
178
709
291
466
295
391
295
388
406
Aditivo Super
Arena Agua plastificante
1517
220
4,5
1632
220
3,2
1695
220
2,5
1078
249
3,9
1326
230
3,3
1394
230
2,6
806
270
5,5
950
270
3,9
1030
270
3,0
103
384
7,3
393
349
4,8
438
350
3,9
0
411
4,1
Relación
W/C
0,50
0,70
0,90
0,44
0,70
0,90
0,50
0,70
0,90
0,55
0,76
0,90
1,07
Resultados obtenidos y análisis
Resultados promedios. Cantidades de PCM, cemento y agua.
Escurrimiento
%
PCM
kg
Cemento
kg
Agua
litros
Escurrimiento
promedio
mm
0
0
337
220
125
5
100
388
236
160
10
179
413
270
174
20
293
522
361
169
34
406
388
411
143
PCM
Resultados obtenidos y análisis
Cantidad de agua en función de la cantidad de PCM
450
Cantidad de agua, litros
400
350
300
250
Cantidad de agua, por m3
200
Poly. (Cantidad de agua, por m3)
150
100
y = -6E-06x3 + 0.0043x2 - 0.262x + 221.03
R² = 0.9975
50
0
0
100
200
300
Cantidad de PCM , kg
400
500
Resultados obtenidos y análisis
Variación de densidad al agregar PCM
2500
Densidad, Kg/m3
2000
1500
Mortero fresco
1000
Mortero endurecido
500
0
0
50
100
150
200
250
Cantidad de PCM , kg
300
350
400
450
Resultados obtenidos y análisis
Determinación de resistencia a partir de relación W/C
Cantidad PCM, kg
Función para determinar resistencia
0
0
R = 293,67x2 - 496,14x + 223,66
5
100
R = 96,354x2 - 179,11x + 97,269
10
179
R = 84,743x2 - 145,84x + 76,804
20
293
R = 38,871x2 - 83,702x + 56,11
R es la resistencia
x es la relación agua/cemento
Resistencia a compresión,
MPa
PCM
%
Corrección de resistencias
25.0
20.0
15.0
y = 38.871x2 - 83.702x + 56.11
R² = 1
10.0
20 % de PCM
Poly. (20 % de PCM)
5.0
0.0
0.00
0.20
0.40
0.60
Relación agua/cemento
0.80
1.00
Resultados obtenidos y análisis
Curva relación agua/cemento, según cantidad de PCM
Resistencia a compresión MPa
60.0
50.0
40.0
0 % PCM
30.0
5% PCM
10 % ¨PCM
20.0
20 % PCM
10.0
0.0
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Relación agua/cemento
0.9
1
Resultados obtenidos y análisis
Resistencia en función de cantidad de PCM, para varias
relaciones agua/cemento
Resistencia a compresión, MPa
60.0
50.0
40.0
Relacion W/C = 0,5
30.0
Relación W/C= 0,7
20.0
Relacion W/C = 0,9
10.0
0.0
0
50
100
150
200
Cantidad de PCM, en kg
250
300
350
Verificación de rotura de microcápsulas
Microscopio óptico x50.
Partículas de PCM sin
hidratar (Izquierda).
Partículas de PCM
hidratadas (centro).
Microcápsulas de PCM
dispersándose (derecha)
Figura 2. Microscopio óptico x50. Partículas de PCM sin hidratar (Izquierda). Partículas de PCM
hidratadas (centro). Microcápsulas de PCM dispersándose (derecha)
Microscopio óptico 400x.
Microcápsulas de PCM
recuperadas de mezcla
(izquierda). Microcápsulas
sin mezclar dispersas en
agua (derecha).
Figura 3. Microscopio óptico 400x. Microcápsulas de PCM recuperadas de mezcla (izquierda).
Microcápsulas sin mezclar dispersas en agua (derecha).
Acumulación de calor
Energía por m3 de mortero, kJ
Acumulación de calor en función del gradiente de
temperatura y el contenido de PCM
60000
50000
Gradiente de temperatura 10 °C
40000
Gradiente de temperatura 20 °C
30000
Gradiente de temperatura 5 °C
20000
Poly. (Gradiente de temperatura 10
°C)
10000
Poly. (Gradiente de temperatura 20
°C)
0
0%
10%
20%
Contenido de PCM, %
30%
40%
Poly. (Gradiente de temperatura 5
°C)
Acumulación de calor y espesor
Acumulación de energía respecto al mortero sin PCM y espesor de mortero que
acumula igual cantidad de energía respecto a mortero sin PCM de 10 cm de
espesor
Gradiente de
temperatura 5 °C
% de PCM
0%
5%
10%
20%
34%
Gradiente de
temperatura 10 °C
Gradiente de
temperatura 20 °C
Acumulación de
energía
respecto al
mortero sin PCM
%
Espesor del
mortero
respecto con
igual energía
acumulada
cm
Acumulación
de energía
respecto al
mortero sin PCM
%
Espesor del
mortero
respecto con
igual energía
acumulada
cm
Acumulación
de energía
respecto al
mortero sin
PCM
%
Espesor del
mortero
respecto con
igual energía
acumulada
cm
100
181
252
323
415
10,0
5,5
4,0
3,1
2,4
100
135
166
193
226
10,0
7,4
6,0
5,2
4,4
100
111
123
127
132
10,0
9,0
8,1
7,9
7,6
Conclusiones
•Se confirma que las microcápsulas producen problemas de trabajabilidad,
requiriendo mayores cantidades de agua al aumentar su contenido.
•Las microcápsulas en bajas proporciones mejoran la trabajabilidad de los
morteros.
•La densidad disminuye, al aumentar el contenido de PCM.
•La resistencia a compresión se ve afectada por la incorporación de las
microcápsulas, sin embargo es posible lograr resistencias sobre 20 MPa en
los morteros con cantidades de 20 % de PCM.
•Las observaciones mediante microscopio óptico no
rompimiento de microcápsulas con 3 minutos de mezcla.
detectan
el
•Al agregar parafinas microencapsuladas, se puede producir un aumento
de acumulación de energía, dependiendo del gradiente de temperatura y
la cantidad de PCM incorporado. Es más eficiente el almacenamiento de
calor latente en gradientes menores.