Experimental evaluation of thermal behavior of Mg(NO3)2 based PCMs after addition of nanoparticles for their enhancement

Abstract

The use of phase change materials (PCMs) for thermal energy storage (TES) is attractive due to their high-energy storage density within a narrow temperature range. Inorganic PCMs such as salt hydrates and eutectic mixtures are attractive options, although they do have drawbacks like subcooling. This study investigates the addition of commercial nanoparticles in inorganic PCMs to improve the subcooling issue. Specifically, two binary eutectic mixture of Mg(NO3)2·6H2O - NH4NO3 (61.2-38.8wt.%), and Mg(NO3)2∙6H2O – MgCl2∙6H2O (used as natural bischofite) (50.7-49.3wt.%), and an inorganic commercial SP58 PCM were experimentally tested in a lab-scale shell-and-tube finned thermal energy storage unit. The two eutectic mixtures were doped with 3% of a mixture of nanoparticles of γ-Al2O3 and Mg(OH)2 (50-50wt.%) as additives. All resulting PCMs underwent melting and solidification cycles in a temperature range between 30 °C and 70 °C. Results show that the use of additives reduced the subcooling from 3.5 °C to 2 °C and from 2 °C to 0°C in the case of the Mg(NO3)2·6H2O - NH4NO3 and Mg(NO3)2∙6H2O – MgCl2∙6H2O mixtures, respectively. The commercial PCM exhibited a sub-cooling of 6 °C. Moreover, no clear effect of the additives was observed on the heat transfer rate during melting and crystallization processes, as discrepancies in the results were obtained.

El uso de materiales de cambio de fase (PCM) para el almacenamiento de energía térmica (TES) resulta atractivo debido a su alta densidad de almacenamiento energético en un rango de temperatura estrecho. Los PCM inorgánicos, como las sales hidratadas y sus mezclas eutécticas, son opciones atractivas, aunque presentan inconvenientes como el subenfriamiento. Este estudio investiga la adición de nanopartículas comerciales en PCM inorgánicos para mejorar el problema del subenfriamiento. Específicamente, se probaron experimentalmente dos mezclas eutécticas binarias de Mg(NO3)2·6H2O - NH4NO3 (61.2-38.8 % en masa), y Mg(NO3)2∙6H2O – MgCl2∙6H2O (utilizado como bischofita natural) (50.7-49.3 % en masa) y un PCM inorgánico comercial SP58, en un estanque de almacenamiento de energía térmica tipo carcasa - tubos a escala de laboratorio. Las dos mezclas eutécticas se doparon con un 3% de una mezcla de nanopartículas de γ-Al₂O₃ y Mg(OH)₂ (50-50% en masa) como aditivos. Todos los PCM resultantes se sometieron a ciclos de fusión y solidificación en un rango de temperatura de entre 30 ºC y 70 ºC. Los resultados muestran que el uso de aditivos redujo el subenfriamiento de 3,5 ºC a 2 ºC y de 2 ºC a 0 ºC en el caso de las mezclas Mg(NO3)2·6H2O - NH4NO3 y Mg(NO3)2∙6H2O – MgCl2∙6H2O, respectivamente. El PCM comercial presentó un subenfriamiento de 6 ºC. Además, los procesos de fusión y cristalización se aceleraron con el uso de aditivos, lo que indica una mejora en la conductividad térmica de las mezclas.

This work was partially funded by the Ministerio de Ciencia e Innovación - Agencia Estatal de Investigación (PID2021- 123511OB-C31 - MCIN/AEI/10.13039/501100011033/FEDER, EU; and by Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades - Agencia Estatal de Investigación (AEI) (RED2024-153629- T). This work is partially supported by ICREA under the ICREA Academia programme. S. Ushak acknowledges for funding support to ANID/FONDAP N° 15110019, PUENTE N° 1523A0006 and ANID/FONDECYT REGULAR N° 1231721 projects. Franklin R. Martinez Alcocer thanks the National Doctorate Scholarship for foreign students ANID 2021 Folio 21211932. The authors would like to thank the Catalan Government for the quality accreditation given to their research group GREiA (2021 SGR 01615). GREiA is a certified agent TECNIO in the category of technology developers from the Government of Catalonia.