Matériaux à changement de phase : Différence entre versions
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Version du 5 avril 2009 à 19:35
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- Le terme Matériau à Changement de Phase - ou MCP - désigne, de manière générale, tout matériau capable de changer d'état physique. Cependant, seuls certains MCP sont intérressants et utilisables dans les domaines d'application actuels (isolation thermique, capteurs solaires thermiques sous vide,...).
- Par la suite, nous n'évoquerons que les MCP dont les domaines d'utilisation concernent les phases liquides/solides.
Principe du changement de phase : Chaleur Sensible et Chaleur Latente
- Tout matériau, solide ou liquide (ou gazeux) possède une capacité à stocker ou céder de l'énergie sous forme de chaleur. On distingue 2 types de transfert de chaleur (ou transfert thermique):
- Le transfert thermique par l'utilisation de la Chaleur Sensible (CS) : dans ce cas, le matériau en question peut céder ou stoker de l'énergie en voyant varier sa propre température, sans pour autant changer d'état. La grandeur utilisée pour quantifier la CS échangée par un matériau est la Chaleur Massique notée Cp dans le cas d'un solide ou d'un liquide et exprimée en J/(kg.K).
Exemple : Cp eau = 4186 J/(kg.K) signifie qu'il faut 4186 Joules pour élever 1 kg d'eau de 1°C (valable aux températures proches de 20°C)
- Le transfert thermique par l'utilisation de la Chaleur Latente (CL) : dans ce cas, le matériau peut stocker ou céder de l'énergie par simple changement d'état, tout en conservant une température constante, celle du changement d'état. La grandeur utilisée pour quantifier la CL échangée par un matériau est la Chaleur Latente de Changement de Phase notée Lf (pour fusion) pour un changement de phase Liquide/Solide, et Lv (pour vaporisation) pour un changement de phase Liquide/Vapeur. Celle-ci est exprimée en J/kg.
Exemple : Lf eau liquide = 330.10³ J/kg signifie que la fusion, c'est-à-dire la fonte, de 1 kg de glace à la température (constante) de 0°C nécessitera une énergie de 330000 Joules soit 330 kJ.
Interêts des Matériaux à Changement de Phase
Compacité ou Densité Énergétique
Il est important de noter que les quantités d'énergie mises en jeu dans le processus de Changement de Phase sont bien plus importantes que celles qui interviennent lors de transferts sensibles (dans la mesure où l'on travaille sur des intervalles restreints de températures). C'est grâce à ces transferts latents qu'il est aujourd'hui possible de réduire considérablement le volume d'un élément de stockage d'énergie (Compacité), ou encore d'augmenter très fortement la quantité d'énergie contenue dans un même volume de stockage (Densité Énergétique).
- On notera, d'autre part, qu'un MCP peut cumuler les 2 types de transferts thermiques décrits précédemment.
Exemple : | Acétate trihydrate de sodium |
---|---|
Tfusion | 55-58 °C |
Lf | 242,85.10³ J/kg |
Cpsolide | 3,31.10³ J/(kg.K) à 30°C |
Cpliquide | 3,06.10³ J/(kg.K) à 70°C |
ρ liquide | 1279 kg/m³ à 30°C |
ρ solide | 1392 kg/m³ à 70°C |
- Compacité
- De la même manière, pour stocker 100kWh de 55°C à 58°C, il faut des volumes V eau et V MCP :
V eau = 100000*3600/(Cp eau*(58-55)*ρ eau) = 28,7 m³ V MCP = 100000*3600/(Lf MCP*ρ MCP) = 1,1 m³
- Le volume du MCP utilisé pour stocker 100kWh entre 55°C et 58°C est donc plus de 26 fois plus petit que celui de l'eau. Il possède donc une plus grande Compacité.
- Densité Énergétique
- L'Énergie E30-70 accumulée par 1 m³ de ce MCP entre 30°C et 70°C vaut :
EMCP30-70 = 1*1392*Cp MCP solide*(55-30) + 1*1392*Lf + 1*1279*Cp MCP liquide*(70-58) = 5,00.108 Joules = 139 kWh
- Sur le même intervalle de température, le même volume d'eau (1 m³) accumulerait une quantité Eeau30-70 :
EMCP30-70 = 1*1000*Cp eau liquide*(70-30) = 1,67.108 Joules = 46,4 kWh
- Le MCP considéré a donc permis de stocker plus de 3 fois plus d'énergie pour un même volume. Il possède donc une plus grande Densité Énergétique.
Régulation Thermique Passive ou Rôle Tampon
- Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et de la décharge énergétique d'un MCP permet son utilisation en temps que régulateur de température : en effet, si l'on intègre ce dernier à la structure extérieure (murs extérieurs, plancher bas) d'un bâtiment, il devient alors possible de stocker de la chaleur lorsque celle-ci est surabondante(été) ou présente au mauvais moment(dans la journée l'hiver).
Exemples et Types de Matériaux à changement de phase
- Il existe de nombreux types de matériaux à changement de phase, de nature physico-chimique très différentes les unes des autres.
Ce sont leurs caractéristiques de fusion-cristallisation qui les rendent intéressants pour le stockage de chaleur latente. Parmi ces matériaux, on distingue les 3 grandes familles suivantes:
- Les composés minéraux (ou inorganiques)
Parmi ces composés, seuls les sels hydratés présentent un intérêt pour leur utilisation en tant que MCP. Ils sont issus d'un alliage de sels organiques et d'eau.
Ils ont l'avantage de posséder des grandes chaleurs latentes et des prix bas.
En revanche, leur principal défaut concerne leur tendance à la surfusion.
- Les composés organiques
De propriétés thermiques (chaleur latente et conductivité thermique en particulier) moindre que les sels hydratés, ceux-ci présentent l'avantage de n'être pas ou très peu concernés par la surfusion. On utilise en particulier, pour le stockage de chaleur latente, les paraffines et les acides gras qui appartiennent à cette famille.
- Les composés eutectiques
Les Eutectiques sont un mélange de sels possédant une température de fusion constante s'ils pour une valeur particulière de concentration.
Ils peuvent être inorganiques et/ou organiques.
Nom | Tfusion (°C) | Lf (kJ/kg) | Cpsolide (kJ/(kg.K)) | Cpliquide (kJ/(kg.K) | ρ solide (kg/m³) | ρ liquide (kg/m³) |
---|---|---|---|---|---|---|
Composés Organiques | ||||||
Acide formique | 8,3 | 247 | ? | 0,099 | ? | 1220 |
Acide acétique | 16,7 | 194 | ? | ? | 1266 | 1049 |
Phénol | 40,8 | 120 | ? | ? | 1070 | ? |
Acide dodécanoïque | 41-43 | 211,6 | 1,76 | 2,27 | 1007 | 862 |
Acétate trihydrate de sodium | 55-58 | 242,85 | 3,31 à 30°C | 3,06 à 70°C | 1392 à 30°C | 1279 à 70°C |
Hydroxyde de Sodium | 64,3 | 272,15 | 1,88 à 30°C | 2,18 à 70°C | 1720 à 30°C | 1670 à 70°C |
Composés Inorganiques | ||||||
H2 (Eau) | 0 | 330 | 2,06 à 0°C | 4,186 à 20°C | 998 à 20°C | 917 à 0°C |
H2SO4 (Acide Sulfurique) | 10,4 | 100 | ? | ? | ? | 1838 |
SO3 (Trioxyde de Soufre) | 16,9 | 108 | ? | 0,024 | ? | 1920 |
H3PO4 (Acide Phosphorique) | 26,0 | 147 | ? | ? | 1834 | 1685 |
Ga (Gallium) | 29,8 | 80 | 0,370 | ? | 5904 | ? |
Applications
Limites
Références
- ↑ (fra) CSTB, « Matériaux à changement de phase : vers une 'climatisation' douce », 06.12.07