RT Dissertation/Thesis
T1 Development of oil-in-oil phase change emulsions     with enhanced heat storage properties
A1 Delgado Sánchez, Clara
AB El avance hacia unas tecnologías innovadoras es una cuestión fundamental para abordar los actuales desafíos de sostenibilidad y transición energética. En este contexto, las Emulsiones de Materiales de Cambio de Fase ofrecen una solución prometedora para el almacenamiento y transferencia eficiente de energía térmica. De este modo, al integrar materiales de cambio de fase en fluidos de transferencia de calor, se mejora la capacidad de almacenamiento energético de éstos. Así, el propósito de esta tesis conlleva formular emulsiones no acuosas de materiales de cambio de fase, es decir, mediante la utilización de dos fases oleosas, lo cual representa un avance significativo al permitir ampliar su rango de temperatura de servicio y mejorar su estabilidad química y térmica a largo plazo. Asimismo, esta investigación abre nuevas posibilidades para aplicaciones innovadoras, como pueden ser su uso en colectores solares de alta eficiencia, recuperación de calor industrial, sistemas de temperatura intermedia-alta o para sistemas de refrigeración o de almacenamiento de energía fría.A lo largo de la tesis doctoral se han desarrollado dos grupos de materiales de cambio de fase no acuosas estables. El primer grupo de emulsiones, formulado con polietilenglicol de peso molecular aproximado 4000 g/mol, con un punto de fusión de 60 °C, dispersado en un aceite de silicona, se consideran pioneras en la literatura científica, abriendo un nuevo campo de estudio. La formulación de estos sistemas superó numerosos desafíos, como la falta de datos sobre emulsionantes adecuados para dispersiones aceite en aceite o la necesidad de que el sistema se mantenga estable después de la transición sólido-líquido de la fase dispersa. Los resultados propusieron tensioactivos siliconados como una alternativa eficiente para la estabilización. También se puso de manifiesto no solo la dificultad de su estabilización, sino también el efecto de la composición (concentraciones de tensioactivo y fase dispersa) y las condiciones de procesado (agitación, temperatura, tiempo, etc.) en las propiedades morfológicas, reológicas y termo-físicas finales de las emulsiones de materiales de cambio de fase. Estas propiedades también se vieron significativamente afectadas por los cambios de estructura y principalmente por la cristalinidad, los mecanismos de cristalización o la modificación de estos, de la fase dispersa (material de cambio de fase) de la emulsión y, así como, su compatibilidad parcial con el resto de componentes.Por otro lado, también se ha desarrollado un segundo grupo de emulsiones estables de ácido esteárico, que presenta un punto de fusión de 70˚C, disperso en aceite de silicona, la cuales mantienen su cristalinidad después del procesado y mejoran las propiedades de almacenamiento térmico respecto de las emulsiones de polietilenglicol. Estas emulsiones evidenciaron una elevada estabilidad físico-química y térmica bajo ciclos mecánico-térmicos (soportando más de 100 ciclos se calentamiento-enfriamiento), comprobando su estabilidad durante las operaciones en servicio. De esta forma, presentaron un gran potencial como nuevos fluidos de transferencia de calor en sistemas de almacenamiento de energía térmica gracias a su entalpía de cambio de fase de 22.32 J/g en emulsiones con un 10%wt. de material de cambio de fase. Además, ellos mantenían su estabilidad y capacidad de almacenamiento prácticamente intactas durante, al menos, un mes.Adicionalmente, se exploró su potencial uso como lubricantes, observándose una reducción significativa del factor de fricción, en todo el intervalo de temperaturas, en comparación con el aceite de silicona. De este modo se plantea el uso de las emulsiones con material de cambio de fase como un nuevo lubricante inteligente con habilidad de amortiguar cambios de temperatura gracias a su capacidad de almacenamiento térmico. Finalmente, la notable innovación de la investigación y la efectiva transferencia y aplicación de los resultados en la industria queda constatado a través de la solicitud de una patente de invención. En ella se detalla emulsiones de materiales de cambio de fase no acuosas aptas para aplicaciones en un rango de temperatura de 100 a 800 °C.En resumen, esta tesis especifica los principales desafíos encontrados en el desarrollo de estas emulsiones y resalta la importancia de su estabilidad y fiabilidad térmica en aplicaciones prácticas.
AB Addressing today's sustainability and energy transition challenges requires a move towards innovative technologies. Phase Change Material Emulsions offer a promising solution for the efficient storage and transfer of thermal energy. By integrating phase change materials into heat transfer fluids, the energy storage capacity of these fluids is enhanced. The purpose of this thesis is to formulate non-aqueous emulsions of phase change materials using two oily phases. This represents a significant advance by extending their service temperature range and improving their long-term chemical and thermal stability. This research suggests new possibilities for innovative applications, such as high-efficiency solar collectors, industrial heat recovery, intermediate-high temperature systems, refrigeration, or cold energy storage systems.During the PhD thesis, two groups of stable non-aqueous phase change materials were developed. The first group consists of emulsions formulated with polyethylene glycol of molecular weight approximately 4000 g/mol, with a melting point of 60 °C, dispersed in silicone oil. These emulsions are considered pioneering in the scientific literature, opening a new field of study. The development of these systems overcame several challenges, including the absence of data on appropriate emulsifiers for oil-in-oil dispersions and the requirement for the system to remain stable after the solid-liquid transition of the dispersed phase. The findings suggested that silicone surfactants are a viable option for stabilization. They also revealed not only the difficulty of their stabilisation but also the effect of composition (surfactant and dispersed phase concentrations) and processing conditions (agitation, temperature, time, etc.) on the final morphological, rheological and thermo-physical properties of phase change material emulsions. The properties mentioned were significantly influenced by changes in structure, particularly by the crystallinity, crystallisation mechanisms, or their modification, of the dispersed phase (phase change material) of the emulsion, as well as its partial compatibility with the other components.On the other hand, a second group of stable stearic acid emulsions dispersed in silicone oil have been developed. These emulsions have a melting point of 70 °C and maintain their crystallinity after processing. They also improve the thermal storage properties compared to polyethylene glycol emulsions. The emulsions showed high physicochemical and thermal stability under mechanical-thermal cycles, withstanding more than 100 heating-cooling cycles. This proves their stability during in-service operations. Therefore, they have demonstrated significant potential as novel heat transfer fluids in thermal energy storage systems, owing to their high phase change enthalpy of 22.32 J/g in emulsions containing 10%wt. of phase change material. Additionally, they retained their stability and storage capacity almost entirely for a minimum of one month. Furthermore, the thesis explored the potential use of phase change emulsions as lubricants and found a significant reduction in the friction factor across the entire temperature range when compared to silicone oil. Therefore, the study proposes the use of these emulsions as a new intelligent lubricant due to its thermal storage capacity, which enables it to buffer temperature changes.Finally, the thesis confirms the innovation of the research and the successful transfer and application of the results in industry through the application for a patent. It describes emulsions of non-aqueous phase change materials suitable for use in a temperature range of 100 to 800 °C.In summary, the main challenges encountered in the development of these emulsions are specified in this thesis, and the importance of their thermal stability and reliability in practical applications is highlighted.
PB Universidad de Huelva
YR 2024
FD 2024
LK https://hdl.handle.net/10272/24476
UL https://hdl.handle.net/10272/24476
LA eng
DS Repositorio Institucional de la Universidad de Huelva
RD 14 jul 2026