Estudio CFD de la transición sólido-líquido y líquido-sólido en un material cambio de fase

Abstract

El almacenamiento energético en sistemas de energías renovables, es una tecnología en crecimiento y vital para impulsar la transición energética en beneficio de combatir el cambio climático. Hoy en día existen diversos sistemas que se encuentran listos para ser comercializados; sin embargo, aún queda cabida para innovar en nuevas soluciones que permitan que estas tecnologías sean más eficientes y óptimas, y que además sean comercialmente atractivas. El uso de materiales de cambio de fase, también conocidos como PCM, surgen como una de las posibles alternativas para ser utilizados como material térmico en sistemas de acumulación de energía, debido a que sus características permiten tener un mayor control con respecto a la temperatura y a la presión en la sustancia, aspectos que son bastante apreciados durante el funcionamiento de este tipo de sistemas. De este modo, investigar esta práctica utilizando las herramientas disponibles es relevante para promover el avance en este tipo de tecnologías.

El presente estudio se enfoca en la utilización de simulaciones que apliquen la dinámica de fluidos computacional (CFD) con la finalidad de analizar el fenómeno de cambio de fase en un PCM. A través de simulaciones se investiga el efecto de diferentes configuraciones geométricas, las cuales se basan en la inclusión de superficies extendidas y en la variación de la forma de la cavidad interior del recipiente de almacenamiento en la cual se ubica el material cambio de fase, a modo de poder observar el comportamiento térmico que tiene el PCM durante las transiciones sólido-líquido y líquido-sólido, además de permitir evaluar el impacto que tiene la geometría en la transferencia de calor existente en este tipo de sistemas.

Los resultados logrados muestran que la transición de un estado a otro se ve beneficiada por la adición de aletas, debido a que estas aumentan el área de contacto entre el PCM y el fluido de transferencia de calor, lo cual provoca que exista una mayor tasa de intercambio térmico, acelerando de esta forma el proceso de cambio de fase en el material. Adicionalmente, las simulaciones revelaron que la forma de la cavidad interior del recipiente de almacenamiento también influye en la velocidad de transición, obteniendo que en la geometría con cavidad cilíndrica se logra el cambio de fase en menor tiempo, debido a que esta forma geométrica permite una mejor distribución del calor, de forma más uniforme y homogénea en comparación con la geometría con cavidad rectangular.

Durante el estudio se logran apreciar algunas discrepancias numéricas en los resultados obtenidos, especialmente en la transición sólido-líquido, las cuales se asocian principalmente al algoritmo utilizado para la resolución de las ecuaciones de Navier-Stokes que el software emplea. Sin embargo, se encuentra que el modelo propuesto es adecuado para simular el comportamiento térmico de un PCM en su proceso de cambio de fase bajo diferentes condiciones geométricas, proporcionado información de interés para avanzar en el desarrollo de tecnologías sostenibles para la gestión de energía térmica en las aplicaciones que se consideren pertinentes.