I materiali a cambiamento di fase
PCM (Phase Change Materials)
Luigi De Nardo
Department of Chemistry, Materials and Chemical Engineering «G.
Natta» - Politecnico di Milano
[email protected]
Materials for innovation lab
People
Luigi De Nardo, PhD MSc
Assistant Professor
Materials Science and Eng.
Lina Altomare, PhD MSc
Post-Doc
Bioengineering
Ludovica Lattanzi
PhD student
Bioengineering
Virginia Melli
PhD student
Materials Science and Eng.
[email protected]
Elisabetta Bossi
PhD student
Chemistry
Materials for Innovation Lab
Next Materials group
Permanent staff:
Ú Alberto Cigada
Ú Roberto Chiesa
Ú Maria Pia Pedeferri
Ú Barbara Del Curto
Ú Gabriele Candiani
Ú Carmen Giordano
Ú Luigi De Nardo
Ú Lorenza Draghi
Materials Science
Biology
Industrial Design
[email protected]
Temporary staff:
Ú Lina Altomare (Post doc)
Ú Marta Tunesi (Post Doc)
Ú Daniele Pezzoli (Post Doc)
Ú Giulio Cotogno (PhD stud.)
Ú Cinzia Della Valle (PhD St.)
Ú Ludovica Lattanzi (PhD St)
Ú 20 master students
Ú 5 Assistant researchers
Technical Staff:
Ú Dr. Monica Moscatelli
Materials for innovation lab
aims
æ  Lo studio di materiali funzionali per applicazioni industriali
Ú Lo studio di materiali a memoria di forma e intelligenti finalizzato a
realizzare nuovi device medici e applicazioni nel packaging
Ú Lo sviluppo di modifiche di superficie basate su tecnologie chimiche ed
elettrochimiche
Ú Lo studio di materiali gerarchici
æ  Sviluppare conoscenze e competenze nell’insegnamento, al fine di
fornire le migliori competenze ed educazione a studenti universitari
[email protected]
Outline
1.  Scenario
1. 
2. 
I problemi della logistica
L’approccio TES (Thermal energy storage)
2.  Aspetti teorici dei PCM
3.  Applicazioni industriali
4.  PCM know-how @ PoliMI per il packaging termico attivo
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La catena logistica del freddo
Un cammino complesso
http://www.yanmar.co.jp/en/environment/coolcontainer/cold_chain/images/cold_chain_pict.jpg
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La catena logistica del freddo
Principali fattori di influenza
æ  Fattori non controllabili
Ú Condizioni Meteo
Ú Ritardi
Ú Handling
Ú Posizionamento dei beni trasportati
æ  Fattori prevedibili
Ú Packaging
Ú Percorsi
Ú Carrier
Ú Delivery time
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Approccio Thermal Energy Storage
æ  L’immagazinamento di energia termica (Thermal energy storage TES) rappresenta l’accumulo temporaneo di energia termica a
maggiore o minore temperatura, per un suo uso successivo
æ  Consente di colmare il divario temporale tra la richiesta di energia e il
suo uso
Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318–345
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I materiali a cambiamento di fase (PCM)
Principi fisici
æ  Tra le varie tecniche di accumulo di calore di interesse, l’accumulo di
calore latente è particolarmente interessante per la sua capacità di
fornire un'alta densità di immagazzinamento a condizioni quasi
isoterme ed è uno dei metodi più efficienti per la conservazione di
energia
æ  Contrariamente ai metodi di immagazzinamento di energia basati sul
calore sensibile, il calore latente consente di avere
Ú Una più alta densità di immgazzinamento
Ú Più basse differenze di temperatura tra l’immagazzinamento e il
rilasiodifference between storing and releasing heat
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I materiali a cambiamento di fase (PCM)
Principi fisici
Applied Thermal Engineering 28 (2008) 1536–1550
æ  L’immagazzinamento di calore latente è basato sul calore assorbito o
rilasciato quanto un PCM va incontro ad una trasformazione di fase
Ú da solido a liquido (e viceversa)
Ú Liquido a gas
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Phase Change Materials
Classificazione
Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318–345
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Uso dei PCM
æ  I PCM possono essere usati in varie forme fisiche:
Ú In ogni caso è necessario prevedere un involucro protettivo/contenitivo per
i cambiamenti di fase
æ  Microencapsulation
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Phase Change Materials
Applicazioni industriali
æ  I cartongessi sono economici e
utilizzati in un ampio ventaglio di
applicazioni
æ  Il calore latente e I principi di
immagazzinamento dello stesso
possono essere utilizzati in
diversi tipi di materiali per
l’edilizia
Renewable and Sustainable Energy Reviews 13 (2009) 318–345
Energy Conversion and Management 45 (2004) 263–275
[email protected]
Phase Change Materials
Applicazioni industriali
[email protected]
Phase Change Materials
Applicazioni industriali
æ  Greenbox technology
Ú www.greenboxsystems.com
Ú currently used for high-payload
shippings
Ú Modified Wal Mart chain
perception
[email protected]
Nanotechnology in PCM
æ  Nanotechnology meets PCM in producing more effective systems for
composite materials design
æ  Incorporation in nanostructures
Current Applied Physics 8 (2008) 508–511
[email protected]
Phase Change Materials
Realizzazione di materiali compositi
æ  PCM µparticles:
Ú Tm = 6-10 °C
Ú Easily suspended in common
hydrophilic solvents
Ú Good dimension dispersion
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Phase Change Materials
Realizzazione di materiali compositi
50 PCM panels and disks
[email protected]
Phase Change Materials
One dimensional heat transfer problem
∂H
∂ 2T
ρ
=k 2
∂t
∂z
⎛
L ⎞ ⎞
∂T
⎛
hext ⎜⎜T∞ − T ⎜ z = , t ⎟ ⎟⎟ = k
2 ⎠ ⎠
∂z
⎝
⎝
∂T
∂z
=0
hext = 15 ÷ 20Wm −2 °C −1
∀z ∈ [0, L / 2]
T (z, t = 0) = T0
z=
L
2
Fourier number: Fo =
∀t > 0
∀t > 0
Thermal diffusivity:
α ⋅t
(L / 2)2
α=
z =0
paper
k
ρ ⋅ CP
50 PCM
40
40
Text
b
T
int
30
Text
c
T
int
30
T
T
numerical
numerical
mid
mid
20
10
0
-10
-10
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Fo
L. Melone, De Nardo et al., Applied Energy 2012, 89, 339–346
[email protected]
10
0
-20
a
T (°C)
°
T ( C)
20
3
3.5
4
-20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
Fo
Markers: experimental data
Solid line: numerical calculations
4
Phase Change Materials
Towards pratical applications
10mL flask containing
5mL water:ethylene
glycol 1:1 (v:v)
Experimental apparatus kept in
deep freezer at -15°C for 12h
then
warming up to r.t. (≈22°C)
Thermocouples
air
(≈22°C)
5mm
air
≈150mm
[email protected]
Phase Change Materials
Towards pratical applications
25
20
15
T (°C)
10
T_ext
Tw_ext
5
paperboard
Tw_int
0
T_box
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-5
T_flask
-10
-15
-20
time (min)
25
20
15
T (°C)
10
T_ext
TwPCM_ext
5
TwPCM_int
0
T_boxPCM
0
10
20
30
40
-5
-10
-15
-20
time (min)
[email protected]
50
60
70
80
T_flaskPCM
50 PCM
Phase Change Materials
Verso le applicazioni pratiche
≈5min
25
20
15
T (°C)
10
T_ext
Tw_ext
5
paperboard
Tw_int
0
T_box
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-5
T_flask
-10
-15
-20
time (min)
≈20min
25
20
15
T (°C)
10
T_ext
TwPCM_ext
5
TwPCM_int
0
T_boxPCM
0
10
20
30
40
-5
-10
-15
-20
time (min)
[email protected]
50
60
70
80
T_flaskPCM
50 PCM
Phase Change Materials
Verso le applicazioni pratiche
25
20
15
≈10min
T (°C)
10
T_ext
Tw_ext
5
paperboard
Tw_int
0
T_box
0
10
20
30
40
50
60
70
80
-5
T_flask
-10
-15
-20
time (min)
≈25min
25
20
15
T (°C)
10
T_ext
TwPCM_ext
5
TwPCM_int
0
T_boxPCM
0
10
20
30
40
-5
-10
-15
-20
time (min)
[email protected]
50
60
70
80
T_flaskPCM
50 PCM
Phase Change Materials
Towards pratical applications
L=5mm
QCOND =
k
⋅ A ⋅ ΔT ⋅ time ≈ 26500J
L
⎛ 0.082Wm −1°C −1 ⎞
⎟⎟ ⋅ 0.135m 2 ⋅ (10°C ) ⋅ (20 min) ⋅ 60s min−1 ≈ 26500J
QCOND = ⎜⎜
−3
5 ⋅ 10 m
⎝
⎠
(
QPCM = mPCM ⋅ λPCM ≈ 21500J
(
)
QPCM = (0.150 kg ) ⋅ 143,000 Jkg −1 ≈ 21500 J
ΔT≈10÷15°C
)
(
)
This is the max amount of thermal
energy that can be absorbed by
PCM (≈150g)
25
PCM’s really buffer the conductive heat flux
20
15
T (°C)
10
T_ext
TwPCM_ext
5
TwPCM_int
0
T_boxPCM
0
10
20
30
40
-5
50
60
70
80
T_flaskPCM
Prolunged buffering times can be
obtained reducing the k/L ratio
•  higher L
•  lower k
-10
-15
-20
time (min)
≈20min
[email protected]
1.  Materials
2.  Packaging design
Phase Change Materials
Verso le applicazioni pratiche
L=5mm
QCOND =
k
⋅ A ⋅ ΔT ⋅ time ≈ 26500J
L
⎛ 0.082Wm −1°C −1 ⎞
⎟⎟ ⋅ 0.135m 2 ⋅ (10°C ) ⋅ (20 min) ⋅ 60s min−1 ≈ 26500J
QCOND = ⎜⎜
−3
5 ⋅ 10 m
⎝
⎠
(
QPCM = mPCM ⋅ λPCM ≈ 21500J
(
)
QPCM = (0.150 kg ) ⋅ 143,000 Jkg −1 ≈ 21500 J
ΔT≈10÷15°C
)
(
)
This is the max amount of thermal
energy that can be absorbed by
PCM (≈150g)
25
PCM’s really buffer the conductive heat flux
20
15
T (°C)
10
T_ext
TwPCM_ext
5
TwPCM_int
0
T_boxPCM
0
10
20
30
40
-5
50
60
70
80
T_flaskPCM
Prolunged buffering times can be
obtained reducing the k/L ratio
•  higher L
•  lower k
-10
-15
-20
time (min)
≈20min
[email protected]
1.  Materials
2.  Packaging design
Conclusioni
æ  I Materiali a cambiamento di fase:
Ú Consentono di accumulare energia termica legata alle transizioni di fase
Ú L’accumulo e il rilascio avvengono a temperatura controllata e quasi
costante
æ  L’approccio di immagazzinamento termico consente di realizzare:
Ú Prodotti industriali con maggiori performace
Ú Costi contenuti
æ  Al Politecnico di Milano sono presenti competenze:
Ú progettazione (legata alla selezione dei materiali)
Ú Caratterizzazione teorica e sperimentale
Ú Scale up industriale
[email protected]
Thanks for your attention
Warming up your ideas…
By cooling down your products!
[email protected]