CNMP Parteneriate in domenii prioritare Directia 3 Mediu

Contract nr. 31-049/2007 NANOSTOC- finantat in cadrul PNCDI 2, Programul Parteneriate in domenii prioritare www.cnmp.ro

Romanian Academy of Science

Institute of Physical Chemistry Ilie Murgulescu

Spl. Independentei 202, 060021 Bucharest,

Romania ,fax 4021 312, 11 47, www.icf.ro

 

 

Elemente de constructie din nanocompozite pe baza de materiale cu schimbare de faza(PCM)-epoxi pentru stocarea energiei solare sau reziduale utilizate in cladiri cu consum redus de energie

Scurta prezentare

Participanti

Scop si obiective

Activitati

Rezultate preconizate

Rezultate obtinute

Scurta prezentare

- Unul din obiectivele acestui proiect este realizarea unor materiale de constructie nanocompozite cu schimbare de faza, stabile la schimbarea de faza atat dimensional, cat si ca performante tehnice. Aceste materiale trebuie sa satisfaca cerintele fizico-chimice, economice, si de mediu, iar tehnologiile de obtinere sa fie cu grad scazut de poluare.

- Conservarea si utilizarea energiilor recuperate ofera un potential important pentru reducerea consumului de energie primara si implicit reducerea emisiilor de CO2.

- Realizarea unor materiale capabile sa stocheze enrgia de nivel de temperatura coborat (10-50 grade C) sub forma de caldura latenta de transformare de faza este destinata mentinerii constante a temperaturii unei incinte, putand fi utilizat atat in constructii pentru incalzire sau racire a locuintelor, cat si in conditionarea diferitelor substante degradabile in timpul transportului.

- Incalzirea-racirea solara sau reziduala reprezinta o strategie importanta de inlocire a sistemelor traditionale in locuinte.

- Proiectul propus se distinge prin caracteristici tehnice complet diferite de cele clasice, dupa cum urmeaza:

- Prin micro- incapsularea PCM intr-o matrice tridimensionala de rasina epoxidica, compatibila cu materialul de stocare, nanocompozitele PCM-epoxi obtinute vor putea reduce atat spatiul cat si costurile pentru containerizare.

- Nanocompozitele organic-anorganic imbunatatesc substantial proprietatile materialelor:

- rezistenta mecanica, termica si chimica

- au o mica permeabilitate,

- au proprietati anticorozive si

- au o imflamabilitate redusa.

Fundamentarea stiintifica si dezvoltarea de tehnologii noi de obtinere da materiale curate, cu inalta valoare adaugata va contribui la dezideratul major de reducere a emisiilor de CO2 si de energie primara.

 

Participanti

Caracterul multidisciplinar al proiectului implica colaborarea specialistilor in chimie fizica, materiale plimere si nanomateriale, instalatii termice, si constructii..Consortiul angajat in realizarea proiectului contine specialisti din diferite Institute de cercetare cu experienta in activitatea de realizare a sistemelor de stocare a energiei de temperatura joasa in materiale nanocompozite:

ICF-AR - conducatorul de proiect

ICECHIM-Bucuresti

INCERC-Bucuresti

 

Scopul proiectului

Proiectul se incadreaza in scopul si obiectivele Programului 4 Parteneriate in domenii prioritare .Scopul acestuia este realizarea si analiza teoretica si experimentala pe model a nanocompozitelor PCM-epoxi, care asigura un comfort termic si fiziologic sporit cu consecinte favorabile asupra reducerii consumul energetic al cladirilor de locuit si publice.

 

Obiectivele proiectului:

- Fundamentarea fizico-chimica a obtinerii nanocompozitelor PCM-epoxi ca materiale de constructie cu diferite destinatii, in functie de temperatura de schimbare de faza si de caldura latenta de schimbare de faza .

- Realizarea de materiale nanocompozite PCM-epoxi si a unor materiale modul de geometrii diferite in functie de aplicatie.

-Realizarea Unitatilor de Stocaj Termic cu PCM-epoxi pentru aplicarea in constructii cu consum redus de energie pe baza modelelor matematice de simulare elaborate.

-Promovarea rezultatelor in cadrul politicilor energetice nationale este un scop final al proiectului urmarindu-se deschiderea pietei rom⮥sti catre materiale noi, nanocompozite, cu proprietati speciale pentru cladiri noi si reconditionarea celor existente.

 

Activitati:

ICF-AR - conducatorul de proiect este autorul conceptului si va lucra impreuna cu ICECHIMul la realizarea elementelor de constructie PCM-epoxi precum si la realizarea modelelor matematice precum si la implementarea rezultatelor.

- Selectionarea candidatilor optimi atat pentru PCM cat si pentru rasina epoxi tinand cont de compatibilitatea lor si se va crea o baza de date de obtinere si proprietati.

- Stabilirea metodologiei de obtinere a materialelor nanocompozite PCM-epoxi. Determinarea parametrilor de proces.

- Caracterizarea fizico-chimica a materialelor compozite.

- Modelarea matematica a proceselor de incarcare - descarcare termica a elementelor PCM-epoxi.

 

INCERC-ul se va ocupa in special de:

- Modelarea transferului de caldura in medii anizotrope neliniare.

- Dimensionarea Unitatilor de Stocaj Termic cu PCM-epoxi pentru aplicarea in constructii cu consum redus de energie, precum si la realizarea experimentelor respective.

- Va participa activ la propagarea rezultatelor atat in tara cat si in strainatate

 

Rezultate preconizate

- Realizarea unor materiale de constructie nanocompozite cu schimbare de faza stabile atat dimensional, cat si ca performante tehnice.

- Stabilirea parametrilor de realizare a nanocompozitelor din testele de laborator pe materialele obtinute.

- Modelele matematice de simulare a procesului de schimbare de faza si de transfer termic in diferite geometrii precum si modelarea procesului de incarcare-descarcare termica a elementelor PCM-epoxi vor permite dimensionarea si realizarea unei unitati de stocare reale.

- Se vor realiza modele fizice dotate cu aparatura de masura corespunzatoare . Rezultatele vor fi diseminate atat in tara cat si in strainatate si se va incerca conectarea la retelele de cercetare nationale si internationale.

- Toti partenerii vor participa la programul de diseminare a rezultatelor, inclusiv la completarea site-ului de proiect.

- Impactul major al proiectului este de natura economica si sociala prin realizarea si cercetarea complexa, a unor noi sisteme si echipamente care contribuie la reducerea consumului de energie. Elaborarea unei baze de date care sa contina informatii despre materialelePCM studiate si asistenta consumatorilor pentru alegerea solutiilor adecvate energetice si functionale a produselor studiate;

- Aplicarea elementelor nanocompozite prin dotarea cladirilor existente dar si a celor noi va conduce la

- reducerea consumului de caldura fara afectarea confortului termic si fiziologic;

- reducerea emisiilor de CO2

- transformarea sistemului de incalzire interioara intr-un sistem elastic ca urmare a utilizarii mai multor tipuri de nanomateriale pentru diferite tipuri de incalzire pasiva sau activa.

Rezultate obtinute

  • Produse: “Nanocompozite pe baza de materiale cu schimbare de faza (PCM)-epoxi pentru stocarea energiei solare sau reziduale” si tehnologiile de obtinere a acestora

ü       PEG 1000-epoxi (30 ºC)

ü       2. PEG 1500-epoxi (43 ºC)

ü       3. PEG 2000-epoxi (52 ºC)

Tehnologii

ü       3 Tehnologii de obtinere a materialelor nanocompozite pe baza de materiale cu schimbare de faza (PCM)-epoxi pentru stocarea energiei solare sau reziduale (Parametrii se modifica pentru fiecare material PEG-epoxi in parte),Utilajele si echipamentele de procesare a tehnologiei pentru faza de laborator au fost realizare in cadrul proiectului. Pentru alta scala se vor face prin transfer de tehnologie

 

  • Brevet de Inventie   “Materiale  nanocompozite de construcţie şi procedeu de obţinere a acestora” Notificare 97 2010
  • Model fizic:Realizarea unui model conceptual si experimental demonstrativ pentru geometrie plana (element de stocare 4kg) pentru aplicare in pasiv.

 

Stadiul de realizare:

-S-au realizat retetele si s-au propus parametrii de obtinere -S-au caracterizat  atat materialele cat st elementele de constructie  pentru model conceptual, model experimental demonstrativ si cu tehnologiile propuse s-au realizat toate materialele atat pentru model conceptual, model experimental demonstrativ cat si pentru calpsarea modelelor matematice de transfer termic.

S-au realizat 20 kg de materiale nanocompozite de geometrie sferica in folii de polipropilena pentru realizarea unei unitati de stocare in sistem activ. Din pacate nu au fost resurse suficiente pentru obtinerea unui schimbator de caldura apa –aer.

 

 

Servicii:

1.S-a pus la punct o metoda de determinare a difuzivitatii termice

2.S-au realizat 3 modele matematice pentru 3 geometrii diferite 

3. Realizarea modelelor de laborator(3 instalatii de laborator) pentru validarea modelelor matematice aferente diferitelor geometrii (plana, sferica si cilindrica)  in vederea dimensionarii unitatilor de stocaj (model fizic). Evaluarea vitezei de propagare a frontului de schimbare de faza.

4. Dimensionarea sistemelor precum si estimarea eficientei energiei in conditiile climatice respective necesita cunoasterea raspunsului Unitatilor de Stocare Termica (UST) la incarcare cuprinzand parametrii climatici si necesitatile spatiului de incalzit precum si maximum de caldura acumulata intr-o anumita perioada asociata cu capacitatea sursei folosite.  

v      Caracterizare fizico-chimica a celor 3 compozite  si tehnologia relativ simpla de obtinere a acestora:

-Rezultatele termodinamice sunt satisfacatoare atat in privinta temperaturilor de topire cat si a caldurilor te topite respectiv cristalizare. (corespund standardului RAL)

-Comportarea la schimbarea de faza este dependenta de istoria termica de preparare (tehnologia) cat si de viteza de incarcare/descarcare a elementului.

-Cunoasterea proprietatilor fizico- chimice (densitate, viscozitate, cp,conductivitate termica,difuzivitate termica) precum si a structurii materialului permite proiectarea unitatii de stocare atat in activ cat si in pasiv, pe baza modelelor matematice corespunzatoare, putand alege designul corespunzator in functie de caldura maxima extrasa si de aplicatie. Aceste studii aduc informatii noi despre febomebul de schimbare de faza si despre influenta matricei epoxi in nanocompozite.

-Rezultatele sunt bune privind stabilitatea chimica a elementelor nanocompozite la temperaturi sub 180ºC fara foc deschis.  (S-au facut studii de degradare prin chemiluminiscenta si de flamabilitate).

-Reproductibilitatea  compozitiei este satisfacatoare prin tehnologia propusa

-Nu necesita containere perfect inchise iar prezentarea lor in folii de polipropropilena este suficienta pentru folosire in sistem activ cu fluid de transport aer.

La topire sub70ºC materialul compozit in stare topita nu curge, matricea de epoxi solida mentinand PCM-ul in interior.

-Nu sunt toxice si nu polueaza mediul reducand emisiile de CO2 prin reducerea consumului de materiale conventionale de incalzire.

-Promovarea sistemelor de incalzire/racire neconventionala necesita echiparea lor cu unitati de stocare termica in unitati continand substante cu schimbare de faza (PCM) care prezinta avantajul de reducere a volumului cu de 2-3ori fata de cele de stocare in sensibil. -Tehnologia de obtinere e simpla si nu prezinta conditii speciale.

1 Latent heat storage in building materials

M.Constantinescu, L.Dumitrache, S.Serban, P.M.Pavel, A.Stoica, M.Ghiurea, M.Ladaniuc M.Olteanu

Incarca

International Conference of Physical Chemistry Romphyschem-13, 2008, Bucharest - ROMANIA

 

2. Heat transfer of nano composite PCM-epoxi heat store

P.M.Pavel M.Constantinescu

Incarca

International Conference of Physical Chemistry Romphyschem-13, 2008, Bucharest - ROMANIA

 

3. A Nano- Composite Polyethylene glycol-epoxy as Building Element

M.Constantinescu,E.M.Anghel, M.Olteanu, A.Stoica, L.Dumitrache, .Ladaniuc, D.Constantinescu, C.Perianu Marin

Incarca

Frontiers in Polymer Science, Mainz, (2009) Germany, ISI , Jubiliar Conference

4. Phase change (PCM)-epoxi composite building materials

M.Constantinescu, D.Constantinescu, L.Dumitrache, S.Serban, P.M.Pavel, A.Stoica, C.Perianu-Marin, M.Ladaniuc and M.Olteanu

Incarca

Proc. of the Thermal Energy Storage for Efficiency and Sustenability, Effstock, Stockholm, June, 2009

5 New composite building materials

M.Constantinescu, D.Constantinescu, L.Dumitrache, E,M,Anghel, P.M.Pavel, M.Olteanu, A.Stoica si V.T.Popa

Romphyschem-14, 2010, Bucharest

6 Methods for characterization of New Materials PCM-epoxi for using in Buildings

M.Constantinescu, E.Buixadera, D.Constantinescu, L.Dumitrache, E,M,Anghel, , A.Stoica si V.T.Popa

Romphyschem-14, 2010, Bucharest

7 PRINCIPLES AND METHOD OF DETERMINING THE THERMAL DIFFUSIVITY OF HOMOGENEOUS AND ISOTROPIC MATERIALS

Dan CONSTANTINESCU, Mariella CONSTANTINESCU, Constanţa MARIN-PERIANU, Horia PETRAN, Cristian PETCU, Angela-Gabriela CARACAŞ and Elena Maria ANGHEL

Romphyschem-14, 2010, Bucharest

8. ANALYSIS ON THE THERMAL BEHAVIOUR OF THE THERMAL STORAGE UNITS FOR PHASE CHANGE MATERIALS

Dan CONSTANTINESCU, Mariella CONSTANTINESCU, Constanţa MARIN-PERIANU, Horia PETRAN, Cristian PETCU, Angela-Gabriela CARACAŞ and Elena Maria ANGHEL

Romphyschem-14, 2010, Bucharest

9. PHASE-CHANGE STUDY OF A PCM COMPOSITE SYSTEMPEG 1500-EPOXY AROUND A HORIZONTAL PIPE,

P.M.Pavel, M. Constantinescu and M.Olteanu

ICOSECS, 2010, Bucharest - ROMANIA

5. Materiale nanocompozite de construcţie şi procedeu de obţinere a acestora

M.Constantinescu,D.Constantinescu,L.Dumitrache, E.M.Anghel,M.Olteanu,C.Perianu,A.stoica,M.Ladaniuc

 

TRATAT DE INGINERIE TERMICA, Termotehnica in constructii, vol1 Dan Constantinescu

Ed.Agir Bucuresti 2008, ISBN 978-973-720-221-5, vol1, cap182,149-160

Analiza comportamentului termic al unitatilor de stocaj termic cu substante cu schimbare de faza Dan Constantinescu

Rev. Constructii nr.1, (2008) 25-33

1. Latent heat nano composite building materials 

M. Constantinescu, L. Dumitrache, D. Constantinescu , E.M. Anghel, V.T. Popa,A. Stoica, M. Olteanu,

 

2. ANALYSIS ON THE THERMAL BEHAVIOUR OF THE THERMAL STORAGE UNITS FOR PHASE CHANGE MATERIALS

Dan CONSTANTINESCU, Mariella CONSTANTINESCU, Horia PETRAN, Cristian PETCU, Angela-Gabriela CARACAŞ Elena Maria ANGHEL,

3. PRINCIPLES AND METHOD OF DETERMINING THE THERMAL DIFFUSIVITY OF HOMOGENEOUS AND ISOTROPIC MATERIALS

 Dan CONSTANTINESCU, Mariella CONSTANTINESCU, Constanţa MARIN-PERIANU, Horia PETRAN, Cristian PETCU, Angela-Gabriela CARACAŞ and Elena Maria ANGHEL,

4 Laser Synthesized Carbon Nanopowdwes for Nanoscale Reinforced Hybrid Composites

 

4 L.Dumitrache,C.Nistor, V.Stefan,S.Serban,D.Donescu,L.Gavrila Florescu,E.Popovici, I.Sandu, I.Voicu,G.Prodan,V. Ciupina, , Materials Science and Engineering C27 (2007) 1010-1014 (ISI)

 

 

 

Polymer Journal, 46 (2010), pp. 2247-2254

 

 

 

 

Rev.Roumaine Chim. acceptata 

2010

 

 

 

 

 

Rev.Roumaine Chim. acceptata 

2010

 

 

 

 

 

 

Materials Science and Engineering C27 (2007) 1010-1014 (ISI

 

M.Constantinescu, D.Constantinescu, L.Dumitrache, E,M,Anghel, P.M.Pavel, M.Olteanu, A.Stoica si V.T.Popa

New composite building materials

Next Generation cost effective phase change materials for increased energy efficiency in renewable energy systems in buildings TU0802 (NeCoE-PCM)

www.cost.esf.org/.../NeCoE-PCM

 

COST  EU Mobility Program