Faseendringsmateriale (termisk)

Vi kaller et faseendringsmateriale , eller PCM, ethvert materiale som er i stand til å endre fysisk tilstand innenfor et begrenset temperaturområde. Dette området er mellom 10 ° C og 80 ° C omtrent. I dette temperaturintervallet forblir den dominerende faseendringen fusjon / størkning. Disse temperaturene er tilgjengelige naturlig og er allestedsnærværende i hverdagen (omgivelsestemperatur i et hus, temperatur i en menneskekropp, varmt vann i hjemmet, etc. ).

Denne artikkelen diskuterer bare PCM-er hvis tilstandsendring er mellom væske- og fastfasene.

Prinsipp for faseendring: fornuftig varme og latent varme

Ethvert materiale, fast stoff, væske eller gass har kapasitet til å absorbere, lagre eller gi opp energi i form av varme. Det er to typer varmeoverføring (eller termisk overføring):

den varmeoverføring av fri varme ( CS ): i dette tilfellet kan det aktuelle materialet absorbere eller overføring av energi ved å se sin egen temperaturområdet uten å endre tilstand. Den mengde som brukes til å kvantifisere CS utvekslet med et materiale er den spesifikke varme , bemerket C p og uttrykt i J kg -1 K -1 . Eksempel: betyr at 4186 J er nødvendig for å heve 1 kg vann med 1 ° C (gyldig ved temperaturer nær 20 ° C ); ${\ displaystyle C_ {p_ {~ {\ text {water}}}} = 4 \; 186 ~ {\ rm {J \; kg ^ {- 1} \; K ^ {- 1}}}}$
den varmeoverføring av latent varme ( CL ): i dette tilfellet kan materialet absorbere eller overføre energi ved en enkel endring av tilstand , og samtidig opprettholde en konstant temperatur, som av den tilstandsendring. Mengden som brukes til å kvantifisere LC utvekslet av et materiale er den latente varmen for faseendring betegnet L f (f for fusjon ) for en væske / fast faseendring, og L v (v for fordampning ) for en flytende faseendring / damp. Dette uttrykkes i J / kg . Eksempel: betyr at smelting, det vil si smelting, av 1 kg is ved (konstant) temperatur på 0 ° C vil kreve en energi på 330 000 joule eller 330 kJ . ${\ displaystyle L _ {{\ text {f}} _ {~ {\ text {water}}}} = {330} \ times {10 ^ {3}} ~ {\ rm {J / kg}}}$

Fordeler med faseendringsmaterialer

Kompakthet eller energitetthet

Det er viktig å merke seg at energimengdene som spilles inn i faseendringsprosessen er mye større enn de som griper inn under sensitive overføringer (i den grad man arbeider med begrensede temperaturintervaller). Det er takket være disse latente overføringene at det nå er mulig å redusere volumet til et energilagringselement ( Compactness ) betraktelig, eller til og med i stor grad øke mengden energi som finnes i et enkelt lagringsvolum ( energitetthet ).

Det skal derimot bemerkes at en MCP kan kombinere de to typer varmeoverføringer beskrevet ovenfor.

Eksempel:

Etternavn	Natriumacetat trihydrat
T fusjon	55 til 58 ° C
L f	242,85 × 10 3 J / kg
C p solid	3,31 × 10 3 J kg −1 K −1 ved 30 ° C
C p væske	3,06 × 10 3 J kg −1 K −1 ved 70 ° C
ρ væske	1.279 kg / m 3 ved 70 ° C
ρ solid	1392 kg / m 3 ved 30 ° C

Energi tetthet

Energien E 30-70 akkumulert av 1 m 3 av denne MCP mellom 30 ° C og 70 ° C er verdt:

{\ displaystyle E _ {{\ text {MCP}} _ {~ 30-70}} = {V} \ times {\ rho _ {\ text {solid}}} \ times {C_ {p_ {~ {\ text {MCP}} ~ {\ text {solid}}}} \ times {\ Delta T _ {\ text {solid}}} ~ + ~ {V} \ times {\ rho} \ times {L _ {\ text {f}}} ~ + ~ {V} \ times {\ rho _ {\ text {liquid}}} \ times {C_ {p_ {~ {\ text {MCP}} ~ {\ text {liquid}}}} } \ times {\ Delta T _ {\ text {liquid}}}}

{\ displaystyle = [{1} \ times {1 \; 392} \ times {C_ {p_ {~ {\ text {MCP}} ~ {\ text {solid}}}} \ times {(55-30) }] ~ + ~ [{1} \ times {1 \; 392} \ times {L _ {\ text {f}}}] ~ + ~ [{1} \ times {1 \; 279} \ times {C_ {p_ {~ {\ text {MCP}} ~ {\ text {liquid}}}}} \ ganger {(70-58)}]}

{\ displaystyle \ mathrm {= ~ 5,00 \ ganger 10 ^ {8} \, joule ~ = ~ 139 \, kWh}}

Over det samme temperaturintervallet vil det samme volumet vann (1 m 3 ) akkumulere en mengde E vann 30-70 :

{\ displaystyle E _ {{\ text {water}} _ {~ 30-70}} = {1} \ times {1 \; 000} \ times {C_ {p_ {~ {\ text {water}} ~ { \ text {liquid}}}}} \ times {(70-30)}}

{\ displaystyle \ mathrm {= ~ 1 {,} 67 \ ganger 10 ^ {8} \, joule ~ = ~ 46,4 \, kWh}}

MCP vurderte gjorde det mulig å lagre mer enn tre ganger så mye energi for samme volum. Den har derfor større energitetthet .

Kompaktitet

For å lagre 100 kWh ved 55 til 58 ° C , er det også nødvendig med følgende volumer V vann og V MCP :

{\ displaystyle V_ {~ {\ text {water}}} = {\ frac {{100 \; 000} \ times {3 \; 600}} {{C_ {p_ {~ {\ text {water}}}} } \ times {(58-55)} \ times {\ rho _ {~ {\ text {water}}}}}} = 28.7 \, \ mathrm {m ^ {3}}}

{\ displaystyle V_ {~ {\ text {MCP}}} = {\ frac {{100 \; 000} \ times {3 \; 600}} {{L _ {{\ text {f}} _ {~} {\ text {MCP}}}} \ times {\ rho _ {~ {\ text {MCP}}}}}} = 1,1 \, \ mathrm {m ^ {3}}}

MCP-volumet som brukes til å lagre 100 kWh mellom 55 ° C og 58 ° C er derfor mer enn 26 ganger mindre enn for vann. Den har derfor større kompakthet.

Termoregulerende materialer (passiv regulering, bufferrolle)

Den isotermiske eller kvasi-isotermiske naturen til energiladning og utladning av en MCP tillater bruk av den som en temperaturregulator i et termoregulerende materiale : faktisk, hvis denne MCP er integrert i et gips for eksempel konvolutt (yttervegger, gulv, tak osv . ) av en bygning, kan den lagre varme når den er overflødig (sommer) eller til stede på feil tidspunkt (om dagen om vinteren).

Sesongsyklus: Om sommeren kan en del av solenergien lagres gradvis ved veggene (uten overdreven temperatursvingning i bygningen). I følge CSTB er det da mulig å kutte temperaturtoppene i et rom med 3 til 5 ° C.
Daglig syklus: om vinteren kan varmen fra solen lagres på samme måte i PCM-er som er innlemmet i veggene (gips eller originalt materiale); disse vil gjenopprette denne varmen på slutten av dagen, om natten eller under kjøling.

Videre kan hvilken som helst MCP tjene som en "termisk faseskifter" : ethvert energitilførsel eller -tap (temperaturvariasjon, solstråling, etc. ) fra mediet kan føre til at materialet smelter eller krystalliserer ved en nesten konstant temperatur. Derfor føler mediet på den andre siden av MCP ikke umiddelbart effekten av denne innspillingen eller tapet, men begynner bare å føle det etter at materialet har smeltet eller fullstendig krystallisert .

Temperaturspenn

PCM-ene har takket være sitt store utvalg forskjellige smeltetemperaturer. Sistnevnte feier hele den restriktive temperatursonen der vi først plasserte oss. Dette gjør det for eksempel mulig å velge smeltetemperaturer nær henholdsvis 19 ° C og 27 ° C , henholdsvis vinter- og sommerkomfortgrense. Følgende avsnitt presenterer en ikke-uttømmende tabell over forskjellige faseendringsmaterialer, sammen med deres smeltetemperatur og andre tekniske data.

Eksempler og typer faseendringsmaterialer

Det er mange typer faseendringsmaterialer, som er veldig forskjellige i sin fysisk-kjemiske natur. Det er deres smelte-krystallisasjonsegenskaper som gjør dem nyttige for lagring av latent varme. Blant disse materialene kan følgende tre hovedfamilier skilles ut:

Forbindelser mineral (eller uorganisk ). Blant disse forbindelsene er bare de hydratiserte saltene av interesse for deres bruk som MCP. De er laget av en legering av organiske salter og vann. De har fordelen av å ha god latent varme og lave priser. På den annen side gjelder deres viktigste mangel deres tendens til superkjøling ;
de forbindelser organisk . Med termiske egenskaper (latent varme og spesielt varmeledningsevne ) som er lavere enn hydratiserte salter, har disse fordelen av å ikke bli eller veldig lite påvirket av superkjøling. Paraffiner og fettsyrer som tilhører denne familien brukes spesielt til lagring av latent varme ;
den eutektiske . En eutektisk er en blanding av rene stoffer med konstant smeltetemperatur for en bestemt konsentrasjonsverdi. Det kan være uorganisk og / eller organisk.

Etternavn	T fusjon (° C)	L f (kJ / kg)	C p solid ( kJ kg −1 K −1 )	C p væske ( kJ kg −1 K −1 )	ρ fast ( kg / m 3 )	ρ væske ( kg / m 3 )
Organiske forbindelser
Myresyre	8.3	247	?	0,099	?	1.220
Eddiksyre	16.7	194	?	?	1.266	1.049
Fenol	40.8	120	?	?	1.070	?
Dodekansyre	41-43	211.6	1,76	2.27	1.007	862
Natriumacetat trihydrat	55-58	242,85	3,31 ved 30 ° C	3,06 ved 70 ° C	1392 ved 30 ° C	1 279 ved 70 ° C
Uorganiske forbindelser
Vann (H 2 O)	0	330	2,06 ved 0 ° C	4,186 ved 20 ° C	917 ved 0 ° C	998 ved 20 ° C
Natriumhydroksid (NaOH)	318	272.15	1,88 ved 30 ° C	2,18 ved 70 ° C	1720 ved 30 ° C	1670 til 70 ° C
Svovelsyre (H 2 SO 4 )	10.4	100	?	?	?	1.838
Svoveltrioksid (SO 3 )	16.9	108	?	0,024	?	1.920
Fosforsyre (H 3 PO 4 )	26.0	147	?	?	1.834	1.685
Gallium (Ga)	29.8	80	0,370	?	5,904	6.095

Vi kan likevel merke farligheten til noen av disse stoffene.

For eksempel reagerer svoveltrioksid voldsomt med vann for å danne svovelsyre (en sterk syre og et stort forurensende stoff) mens den frigjør betydelig varme.

applikasjoner

Forbedring av stratifiseringen av en varmtvannsbeholder (DHW)

Hovedproblemet knyttet til bruk av termisk solenergi gjelder lagring: produksjon av varmt vann (varmt vann) via sirkulasjon av vann gjennom solcellepaneler er direkte avhengig av sollys. Dette energiinntaket finner sted enten vi trenger det (gunstig) eller ikke (energitap ved overflod). Bruk av MCP for lagring av denne energien ved latent varme vil delvis løse dette problemet:

på den ene siden vil mengden energi som er lagret i en tank med samme volum være større med en PCM enn med vann alene (se avsnitt Kompaktitet eller energitetthet ): det vil derfor være mulig å akkumulere en større mengde varme enn som kreves for en enkelt okkupasjonsdag;
dessuten er det ikke mulig å øke temperaturen på lagringsvolumet på ubestemt tid (fare for fordampning av væsken som er skadelig for sirkulasjonspumpene), men på den annen side er det mulig å lagre denne varmen i latent form uten å heve temperaturen på materialet (ved å bruke eksempel et MCP hvis smeltetemperatur er rundt 60 ° C eller 70 ° C ). Denne akkumulerte tilleggsvarmen vil deretter overføres til varmtvannsnettet.

Hovedproblemet med energilagring i en solvarmtank er fraværet av stratifisering (hele volumet varmt vann i tanken tas sjelden på en gang): vannvolumet i tanken har en tendens til å homogenisere temperaturen når den kommer tilbake og blader mot panelene. Når en temperatur som er for lav har nådd (for eksempel 40 ° C ), er det ikke lenger mulig å bruke dette vannet til varmtvannskretsen. Det er imidlertid tilstrekkelig at denne varmen blir "bedre fordelt" slik at vi fremdeles kan trekke vann ved en passende temperatur (en 100 L tank ved 40 ° C inneholder samme mengde energi som to 50 ° C tanker. L ved respektive temperaturer ved 30 ° C og 50 ° C ).

Bruk av MCP tillater deretter dannelse av "lagdelte lag" hvis temperaturer vil være rundt smeltetemperaturene til de forskjellige materialene som brukes. Dermed fører en intermitterende eller engangsavtrekking av varmtvann til at temperaturen på den øvre delen av tanken faller (se diagram ) uten MCP-knuter (= kapsler). På den annen side innebærer en lengre tegning bruk av energien som ligger i de nedre lagene av ballongen, det vil si den latente varmen i knutene. Disse stivner om nødvendig og gir dermed opp energien til tappevannet ved å varme det opp.

Passiv klimaanlegg

Noen selskaper som Dupont de Nemours tilbyr allerede termiske treghetspaneler ved hjelp av PCM. Disse kommer i form av stive paneler som inneholder en MCP-polymerblanding. Disse panelene er generelt dekket med aluminiumsfolie for å gi strukturell stivhet, og fungerer muligens som en metallisert dampsperre i tilfelle disse panelene blir brukt i bygningskonvolutten.

Bruken av slike materialer har dobbelt interesse:

På grunn av sin store kompakthet tillater PCM-er bygningen å oppnå stor termisk treghet og derfor være mindre følsom for daglige temperaturvariasjoner. I følge studier ville det være mulig å redusere temperaturtoppene i en bygning med maksimalt 7 til 8 ° C ved å bruke slik isolasjon;
faseendringsfenomenet gjør det mulig å absorbere en del av varmen fra rommet så snart omgivelsestemperaturen overstiger smeltetemperaturen til materialet. Denne temperaturforskjellen mellom materialet og delen (energireserve) vil reduseres, og temperaturen på delen vil ha en tendens til materialets: i den grad energiutvekslingen som finner sted mellom de to systemene skjer nesten isoterm for MCP, det er miljøet som vil se temperaturfallet for å tillate fusjon av MCP.

Ved å velge en MCP med en smeltetemperatur på 20 ° C eller 21 ° C , og ved å spesifisere at oppvarmingssettpunktstemperaturen for en individuell bolig er maksimalt 19 ° C , vil vi kunne akkumulere varme i MCP-panelene takket være solstråling som går gjennom åpninger (vinduer, karnappvinduer), uten å forbruke mer varme eller øke temperaturen i rommet. Denne varmen kan dermed gjenopprettes i løpet av natten, så snart temperaturen i bygningen synker under størkningstemperaturen til MCP.

Integrering i tekstiler: kropps termisk regulering

Utviklet i flere år nå av romforskning i USA, har PCM nylig dukket opp i tekstilindustrien. Det ønskede målet er å passivt regulere kroppstemperaturen som en funksjon av temperaturen i miljøet. Det blir da spesielt viktig å finne materialer som har smelte- og krystalliseringstemperaturer veldig nær overflatetemperaturen til menneskekroppen.

Materialene som brukes til denne typen applikasjoner er generelt parafiner, et organisk materiale med en rett karbonkjede, inneholdende en kombinasjon av eikosan , oktadekan , nonadekan , heptadekan og heksadekan . Disse forbindelsene har alle forskjellige temperaturforandringstemperaturer, men når de er blandet og innkapslet, holdes de ved en gjennomsnittstemperatur på 30 til 34 ° C , noe som er veldig behagelig for menneskekroppen.

Bruk av disse tekstilene kan gjøres i områder som:

bilindustrien, der problemet med klimaanlegg fortsatt er stort: En korrekt integrering av MCP i kupeen vil muliggjøre bedre regulering av varmetopper, og dermed en reduksjon i bruken av skadelig klimaanlegg til miljøet
tekniske klær: disse gjør det vanligvis ikke mulig å oppnå en balanse mellom varmen som produseres av kroppen og den som overføres til miljøet under idrettsutøvelsen. Dette overskuddsvarmen som ikke evakueres, forårsaker vanligvis varmespenningssituasjoner som er skadelige for aktiviteten.
Bruken av varmeregulerende klær kan da gjøre det mulig å redusere dette ubehaget og dermed øke kapasiteten og effektiviteten til mennesker under fysiske aktiviteter eller under stressende situasjoner;
romfart: noen produkter på markedet i dag ble opprinnelig utviklet for å lage astronautdrakter. Hensikten var å beskytte dem mot de ekstreme temperaturvariasjonene som var utenfor skyttelbussene under utflukter.

Ulemper

Pris

Selv om PCM-er er til stede på markedet i noen år nå, er de fortsatt rimeligere teknologier enn konvensjonell isolasjon, spesielt med hensyn til bruken i hjemmet. Imidlertid kan tilleggskostnadene som genereres av investeringen raskt avskrives takket være oppnådde energibesparelser, som vist av en studie fra INSA Lyon på et produkt som allerede er på markedet, og avkastningen på investeringen er omtrent åtte år.

Superkjøling

De underkjøling tilsvarer den flytende tilstand av et legeme, mens dens temperatur er lavere enn krystalliseringstemperaturen. Det vises bare for visse typer MCP, for eksempel uorganiske materialer. Det er mange løsninger for å avhjelpe dette problemet:

inkorporering av tilsetningsstoffer med overflateaktivt middel;
lette kimdannelse ved hjelp av faste krystaller som er stabile rundt krystalliseringstemperaturen: disse tjener som festepunkter for krystallisering av materialet;
ha et kjølig område inne i materialet.

Superkjøling forhindrer bruken av den latente varmen fra faseendring ved ønsket temperatur.

Krystalliseringskinetikk

Krystalliseringshastighetene til MCP er relativt lave. Hvis materialet tar for lang tid å akkumulere eller frigjøre energi, mister det effektiviteten i praktiske anvendelser (for eksempel manglende evne til å "glatte" temperaturtopper).

Men denne kinetikken kan forbedres ved innføring av løsningsmidler med høy polaritet og høy dielektrisk konstant i MCP. Disse løsningsmidlene gjør det mulig å senke overflatespenninger ved væske / fast-grensesnittet.

Termisk overføringsmotstand

Under faseendringen av MCP skjer varmeveksling ved fast / væske-grensesnittet. Når størknings- eller smeltefronten beveger seg, etterlater den en ny fase (fast eller væske) som varmestrømmen må passere før den når fronten i spørsmålet. Jo større tykkelsen på denne fasen er, jo større blir den termiske motstanden.

Dessverre har PCM-er en ganske lav varmeledningsevne (i størrelsesorden 0,15 W m -1 K -1 ) som allerede forhindrer god termisk overføring. Dette fenomenet forsterkes deretter av tykkelsen på fasen som skal krysses. Det er derfor nødvendig, hvis man ønsker å begrense disse motstandsfenomenene på grunn av forskyvningen av den termiske fronten, å sikre at tykkelsen som skal krysses er så liten som mulig. Dette er grunnen til at det ofte brukes sfæriske mikrokapsler som enkelt endrer fase over hele volumet.

Inneslutning

Innkapsling ser ut til å være en god løsning på inneslutningen av MCP. Når sistnevnte er i flytende tilstand, har den ikke lenger noen fysisk styrke og krever en beholder. Den teknologiske vanskeligheten består i å maksimere termisk utveksling på alle måter (ved å velge gode varmeledere for fremstilling av kapsler, for eksempel).

Livstid

I følge CSTB har PCM-ene som brukes i boliger en levetid som er lik eller større enn dagens bygninger.

Helse- og sikkerhetsaspekter

Siden PCM er svært forskjellige og for tiden lite brukt, er det forståelig at det er utført få systematiske studier på deres helseeffekt og risikoen de representerer.

Referanser

CSTB, “ Faseendringsmaterialer: mot mykt” klimaanlegg ” ” ,6. desember 7
(in) Dupont, " Dupont Energain Product Information Sheet " [PDF] ,11. juni
CSTB, " Bruk av MCP i passiv klimaanlegg og oppvarming utenfor sesongen " [PDF] ,28. desember 2004
Joseph Virgone, " Integrering av faseendringsmaterialer i BATimentet " [PDF] ,juni 2007
CSTB, " Væsker eller faste stoffer - Faseendringsmaterialer " ,desember 2006

Bibliografi

Relaterte artikler

Eksterne linker

(en) Personlig side for en doktorgrad i MCP
D. Quénard, H. Sallée, K. Johannes, A. Husaunnde, “Use of Phase Change Materials (PCM) in passive cooling and off-season heating” .
J. Noël, S. Lepers, J. Virgone, “Forbedring av sommerkomforten i lette rammebygninger ved bruk av faseskiftende materialer” .