Matériaux à changement de phase : Différence entre versions

De Ekopedia
Aller à : navigation, rechercher
Ligne 20 : Ligne 20 :
  
 
==Interêts des ''Matériaux à Changement de Phase''==
 
==Interêts des ''Matériaux à Changement de Phase''==
−
===La ''Compacité'' ou la ''Densité Énergétique''===
+
===''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
 
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'').
 
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'').
Ligne 63 : Ligne 63 :
  
 
:L'Énergie '''E<sub>30-70</sub>''' accumulée par 1 m³ de ce [[Matériaux à changement de phase|MCP]] entre 30°C et 70°C vaut :
 
:L'Énergie '''E<sub>30-70</sub>''' accumulée par 1 m³ de ce [[Matériaux à changement de phase|MCP]] entre 30°C et 70°C vaut :
−
  E<sub>MCP<sub>30-70</sub></sub> = 1*1392*'''C<sub>p<sub> MCP solide</sub></sub>'''*(56-30) + 1*1392*'''L<sub>f</sub>''' + 1*1279*'''C<sub>p<sub> MCP liquide</sub></sub>'''*(70-56)
+
  E<sub>MCP<sub>30-70</sub></sub> = 1*1392*'''C<sub>p<sub> MCP solide</sub></sub>'''*(55-30) + 1*1392*'''L<sub>f</sub>''' + 1*1279*'''C<sub>p<sub> MCP liquide</sub></sub>'''*(70-58)
−
  = 5,13.10? Joules = 142 kWh
+
  = 5,00.10<sup>8</sup> Joules = 139 kWh
 
:Sur le même intervalle de température, le même volume d'eau (1 m³) accumulerait une quantité '''E<sub>eau<sub>30-70</sub></sub>''' :
 
:Sur le même intervalle de température, le même volume d'eau (1 m³) accumulerait une quantité '''E<sub>eau<sub>30-70</sub></sub>''' :
 
  E<sub>MCP<sub>30-70</sub></sub> = 1*1000*'''C<sub>p<sub> eau liquide</sub></sub>'''*(70-30)
 
  E<sub>MCP<sub>30-70</sub></sub> = 1*1000*'''C<sub>p<sub> eau liquide</sub></sub>'''*(70-30)
−
  = 1,67.10? Joules = 46,4 kWh
+
  = 1,67.10<sup>8</sup> 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''.
 
: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''===
+
===''Régulation Thermique Passive'' ou ''Rôle Tampon''===
−
==Exemple de Matériaux à changement de phase==
+
:Le caractère isotherme ou quasi isotherme de la charge et de la décharge énergétique d'un [[Matériaux à changement de phase|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).
 +
:*En été, l'énergie solaire apportée au cours de la journée est stockée au fur et à mesure par les parois et ce, sans fluctuation excessive de la température à l'intérieur du bâtiment. Selon le [[CSTB]]<ref name="Webzine CSTB"> {{fr}} {{lien web | auteur=[[CSTB]] | titre=Matériaux à changement de phase : vers une 'climatisation' douce | date=06.12.07 | url = http://www.cstb.fr/actualites/webzine/thematiques/batimat/materiaux-a-changement-de-phase-vers-une-climatisation-douce.html}}</ref>, il est alors possible d'écrêter de 3°C à 5°C les pics de température d'une pièce.
 +
==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 [[Matériaux à changement de phase|MCP]]. Ils sont issus d'un alliage de sels organiques et d'eau.<br />Ils ont l'avantage de posséder des grandes chaleurs latentes et des prix bas.<br />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.<br />Ils peuvent être inorganiques et/ou organiques.
 +
 
 
{| border="1"
 
{| border="1"
−
! Nom !! T<sub>fusion</sub> (°C) !! L<sub>f</sub> (kJ/kg) !! C<sub>p<sub>solide</sub></sub> (kJ/(kg.K)) !! 'C<sub>p<sub>liquide</sub></sub> (kJ/(kg.K) !! &rho;<sub> solide</sub> (kg/m³) !! &rho;<sub> liquide</sub> (kg/m³)
+
! Nom !! T<sub>fusion</sub> (°C) !! L<sub>f</sub> (kJ/kg) !! C<sub>p<sub>solide</sub></sub> (kJ/(kg.K)) !! C<sub>p<sub>liquide</sub></sub> (kJ/(kg.K) !! &rho;<sub> solide</sub> (kg/m³) !! &rho;<sub> liquide</sub> (kg/m³)
 +
|-
 +
! colspan="7" bgcolor="#939393" | ''Composés Organiques''
 +
|-
 +
|'''Acide formique'''
 +
|8,3
 +
|247
 +
|?
 +
|0,099
 +
|?
 +
|1220
 +
|-
 +
|'''Acide acétique'''
 +
|16,7
 +
|194
 +
|?
 +
|?
 +
|1266
 +
|1049
 
|-
 
|-
−
|'''Eau'''
+
|'''Phénol'''
−
|0
+
|40,8
−
|330
+
|120
−
|2,06 à 0°C
+
|?
−
|4,186 à 20°C
+
|?
−
|998 à 20°C
+
|1070
−
|917 à 0°C
+
|?
 +
|-
 +
|'''Acide dodécanoïque'''
 +
|41-43
 +
|211,6
 +
|1,76
 +
|2,27
 +
|1007
 +
|862
 
|-
 
|-
 
|'''Acétate trihydrate de sodium'''
 
|'''Acétate trihydrate de sodium'''
Ligne 98 : Ligne 136 :
 
|1720 à 30°C
 
|1720 à 30°C
 
|1670 à 70°C
 
|1670 à 70°C
 +
|-
 +
! bgcolor="#939393" colspan="7" | ''Composés Inorganiques''
 +
|-
 +
|'''H<sub>2</sub>''' ('''Eau''')
 +
|0
 +
|330
 +
|2,06 à 0°C
 +
|4,186 à 20°C
 +
|998 à 20°C
 +
|917 à 0°C
 +
|-
 +
|'''H<sub>2</sub>SO<sub>4</sub>''' ('''Acide Sulfurique''')
 +
|10,4
 +
|100
 +
|?
 +
|?
 +
|?
 +
|1838
 +
|-
 +
|'''SO<sub>3</sub>''' ('''Trioxyde de Soufre''')
 +
|16,9
 +
|108
 +
|?
 +
|0,024
 +
|?
 +
|1920
 +
|-
 +
|'''H<sub>3</sub>PO<sub>4</sub>''' ('''Acide Phosphorique''')
 +
|26,0
 +
|147
 +
|?
 +
|?
 +
|1834
 +
|1685
 +
|-
 +
|'''Ga''' ('''Gallium''')
 +
|29,8
 +
|80
 +
|0,370
 +
|?
 +
|5904
 +
|?
 +
|-
 
|}
 
|}
 
==Applications==
 
==Applications==
 
==Limites==
 
==Limites==

Version du 5 avril 2009 à 19:32

HILLBLU indici.png
Cette publication est une ébauche. L'article est à compléter. N'hésitez pas à l'améliorer ou en discuter.

Noia 64 apps kfm home.png
Cet article fait partie du
Thème Se loger

Autoconstruction
Construire son habitat
Coopérative d'habitation
Entretenir son habitat
Gestion de l'eau
Gestion des déchets
Maçonnerie
Menuiserie: Outils / Matériaux
Rénover son habitat
Se chauffer
Utilisation de l'énergie

Catégorie:Se loger

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).
  • En été, l'énergie solaire apportée au cours de la journée est stockée au fur et à mesure par les parois et ce, sans fluctuation excessive de la température à l'intérieur du bâtiment. Selon le CSTB[1], il est alors possible d'écrêter de 3°C à 5°C les pics de température d'une pièce.

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

  1. ↑ (fra) CSTB, « Matériaux à changement de phase : vers une 'climatisation' douce », 06.12.07
Récupérée de « https://www.ekopedia.fr/index.php?title=Matériaux_à_changement_de_phase&oldid=66038 »