Conductividades térmicas de sistemas con cambio de fase: nano-fluidos y nano-compuestos

• Autores: Catalina Vélez Agudelo
• Directores de la Tesis: Mohamed Khayet Souhaimi (dir. tes.), José María Ortiz de Zárate Leira (codir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Complutense de Madrid ( España ) en 2016
• Idioma: español
• Número de páginas: 206
• Tribunal Calificador de la Tesis: Carlos Fernández Tejero (presid.), Carmen García Payo (secret.), Luis Lugo Latas (voc.), Carlos Alberto Nieto de Castro (voc.), Joan Manel Vallés Rasquera (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Física
• Materias:
  • Física
    • Termodinámica
      • Física de la transmisión del calor
      • Cambio de fase
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Docta Complutense (pdf)
• Resumen
  • español

    Esta Tesis Doctoral presenta, en una primera parte, mediciones experimentales de alta precisión de la conductividad térmica de la serie de alcanos lineales pares e impares (n-pentadecano, n-hexadecano, n-heptadecano, n-octadecano, n-nonadecano y n-eicosano) en función de la temperatura y a presión atmosférica. En todos los casos el rango de temperaturas incluye el punto de fusión, por lo que en algunas mediciones el material está en estado sólido y en otras en estado líquido. Para medir la conductividad térmica se ha utilizado la técnica del hilo caliente transitorio, con un dispositivo experimental específicamente desarrollado en el Departamento de Física Aplicada I (Universidad Complutense) para tal fin. Se incluye una descripción pormenorizada del dispositivo y del método de análisis y reducción de datos, así como un estudio detallado de la reproducibilidad, precisión y fiabilidad de las mediciones realizadas. En este dispositivo la muestra se congela en la celda de medida. Por tanto, en contra de otros trabajos previos, se miden conductividades térmicas en sólido y en líquido sobre la misma muestra, siendo la técnica y el análisis los mismos, independientemente de que la muestra esté en estado sólido o líquido.

    Los alcanos lineales estudiados están en la base de la formulación de muchos de los llamados Materiales de Cambio de Fase (PCM), que en la actualidad se están incorporando en diversas aplicaciones tecnológicas en el campo de las energías renovables, como el almacenamiento energético y la refrigeración. Los PCM son materiales con alto calor latente y por consiguiente son capaces de almacenar o liberar grandes cantidades de energía. Por esta razón, los PCM se emplean frecuentemente en procesos de almacenamiento de energía térmica. Un diseño racional de procesos que usen estos PCM requiere un conocimiento lo más preciso posible de las propiedades termofísicas de sus componentes. Las mediciones de la conductividad térmica realizadas en el curso de la presente Tesis Doctoral resultan útiles como referencia en este campo.

    El estudio de la conductividad térmica se ha complementado con mediciones de otras propiedades termofísicas de estos alcanos lineales, tales como temperaturas y entalpías de cambio de fase, capacidades caloríficas, densidades, parámetros de red (para los sólidos), etc. Las mediciones complementarias han sido realizadas usando diversas técnicas experimentales como la calorimetría diferencial de barrido (DSC), la difracción de rayos X (XRD) y la dispersión de rayos x a bajos ángulos (SAXS). En una segunda parte de esta Tesis, se dispersaron nanopartículas de diverso tipo en n-eicosano y se cuantificó el cambio en la conductividad térmica así conseguido, tanto con la dispersión en estado líquido (nanofluido) como con la dispersión en estado sólido (nanocompuesto). Como paso previo para realizar esas mediciones ha sido necesario adaptar el dispositivo experimental existente para usar hilos de longitud reducida. Los resultados obtenidos para la mejora en la conductividad térmica se han analizado a la luz de varios modelos clásicos de medio efectivo, detectando en algunos casos una anomalía significativa. La comparación de las mejoras obtenidas en estado sólido y en estado líquido permite estudiar una posible relación entre el movimiento browniano de las nanopartículas y la anomalía detectada, relación que ha resultado insignificante en los casos investigados.

    Palabras clave: 221302: Física de la transmisión del calor, 221307: Cambio de fase, 230601: Hidrocarburos alifáticos, 221129: Propiedades térmicas de los sólidos, 331113: Aparatos científicos.

  • English

    This Ph.D. dissertation splits into two parts. In the first one we present high accuracy experimental measurements of the thermal conductivity of even and odd‐numbered n‐alkanes (npentadecane, n‐hexadecane, n‐heptadecane, n‐octadecane, n‐nonadecane and n‐eicosane) as a function of the temperature and at atmospheric pressure. In all cases, the temperature range investigated included the melting point, hence, in some of the measurements the substance was in the solid state and in some other measurements the substance was in the liquid state. To carry out the thermal conductivity measurements, the transient hot‐wire technique was employed, with an experimental setup specifically designed and built in the Applied Physics I Department (Complutense University). We include a detailed description of the experimental setup, of the analysis and data reduction method, as well as a careful estimation of reproducibility, accuracy and reliability of the experimental data obtained. In our setup, the sample crystallizes inside the measurement cell. Hence, in opposition to some previous investigation in the field, the measurements of the thermal conductivity in solid and in liquid state are performed on exactly the same sample, and using the same method and data reduction procedure. The linear alkanes investigated are the basic components of many Phase Change Materials (PCM), which nowadays are being incorporated in various technological applications in the field of renewable energies, for thermal energy storage and thermal cooling...