Phénomènes physiques lors du changement de phase

Phénomènes physiques lors du changement de phase

Matériaux à changement de phase pour le stockage d’énergie thermique

L’énergie thermique peut être stockée sous forme d’énergie sensible ou latente en chauffant ou en refroidissant une masse de matériau. Cette énergie devient alors disponible lorsque le processus inverse est appliqué. Les matériaux à changement de phase (MCP) sont largement utilisés pour stocker de l’énergie thermique à une température fixe en exploitant leur chaleur latente (chaleur de fusion) lors du changement de phase. La température de fusion varie dans un large intervalle pour différents MCP, par exemple les paraffines fabriquée par la société allemande Rubitherm qui fournit même des paraffines avec des points de fusion négatifs, les acides gras, les alcools de sucre, les hydrates de sel, etc.

Historique des MCP

Depuis le premier choc pétrolier des années 70, des études sur les MCP ont été entreprises avec les sels hydratés. Ils étaient testés au début pour stocker l’énergie solaire. Or, de nombreux problèmes se sont présentés et la communauté scientifique se rendit rapidement compte que ce type de MCP ne pouvait être utilisé à cause des principaux problèmes rencontrés :
Une mauvaise transition de phase.
La surfusion.
Un mauvais conditionnement (poches, capsules, barres …).
La durée de vie très faible (limitation du nombre de cycles).
Beaucoup de ces inconvénients ont mis à l’écart l’étude de ces matériaux. Ce n’est que dans le cadre du « Grenelle de l’Environnement » qu’un intérêt nouveau s’est manifesté, avec de nouvelles substances et de nouveaux modes de conditionnement. En effet, l’apparition de nouveaux MCP solide/liquide à forme stabilisée a permis de relancer les applications dans de nombreux domaines. La majorité des MCP à forme stabilisée sont des composites comportant une matrice solide inerte dont la porosité est remplie par le MCP. Cette matrice inerte assure la stabilité structurelle de l’ensemble et évite l’écoulement de la phase liquide du MCP à travers le conteneur.

Changement de densité lors du changement de phase

Au cours du changement de phase, nous pouvons identifier deux types de changements de densité dans le matériau, En raison du changement de température dans une phase, car la densité dépend de la température. En raison de la différence de densité entre le solide et le liquide à la température de fusion.
Lors de la fusion, le MCP occupe plus de volume, ce qui augmente la pression sur le récipient, tandis que pour la solidification, lorsque le retrait se produit, le MCP occupe moins de volume, sous-pressurisant le récipient. Ce dernier implique la formation de vides (bulles ou espaces à partir de la vapeur du matériau et d’autres gaz) au sein du MCP. Ces vides sont plus susceptibles de se former entre le MCP et le stockeur puisque les forces d’adhérence les plus faibles sont exercées entre eux.

Structures ‎d’échange ‎thermique

Choisir une structure adaptée
Certains critères optimaux doivent être respectés pour la réalisation d’une bonne structure d’échange. Pour cela, deux aspects doivent être pris en compte : la géométrie de la structure interne et la nature du matériau .
Du point de vue géométrique, la structure doit avoir une porosité maximale pour garantir la meilleure densité énergétique possible par unité de volume. Ensuite, sa géométrie et sa nature doivent permettre un transfert thermique suffisant pour la viabilité du système de stockage. Ce transfert thermique s’effectuera par conductivité ou par diffusivité thermique à travers la structure puis à travers le MCP, mais aussi par convection naturelle du MCP en phase liquide si la géométrie de la structure le permet. Enfin, pour ce qui est uniquement relatif à la nature du matériau, la structure ne doit pas réagir avec le MCP (réaction chimique, infiltration, dégradation…) et ne doit pas être utilisée dans des gammes proches de ses températures de changement d’état.

Applications MCP

Les points ci-dessous répertorient certaines des différentes applications trouvées dans la littérature. Ces applications peuvent être divisées en deux groupes principaux: la protection thermique ou l’inertie et le stockage. Une différence entre ces deux domaines d’application importants concerne la conductivité thermique de la substance. Dans certains cas de protection thermique, il convient d’avoir des valeurs de conductivité faibles, alors que dans les systèmes de stockage, ces valeurs faibles peuvent poser un sérieux problème car il peut y avoir une quantité d’énergie stockée suffisante, mais une capacité insuffisante pour l’éliminer suffisamment rapidement.
Stockage thermique de l’énergie solaire : Centrales solaires
Stockage passif dans un bâtiment bioclimatique / architecture
Protection thermique des aliments: transports, hôtellerie, glaces, etc.
Protection thermique des appareils électroniques (intégrée à l’appareil)
Applications médicales: transport de sang, tables d’opération, thérapies à chaud et à froid
Confort thermique dans les véhicules : refroidissement des moteurs (électriques et à combustion).

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Matériaux à changement de phase
I.1. Introduction
I.1.1. Matériaux à changement de phase pour le stockage d’énergie thermique
I.2. Matériaux à changement de phase
I.2.1. Historique des MCP
I.2.2. Classification des types des matériaux à changement de phase
I.3. Phénomènes physiques lors du changement de phase
I.3.1. Interface mobile solide-liquide
I.3.2. Changement de densité lors du changement de phase
I.3.3. Effet de flottabilité dans la région de fusion
I.3.4. Changement de phase sur une large plage de température
I.3.5. Hystérésis d’enthalpie
I.4. Structures d’échange thermique
I.4.1. Choix d’une structure adaptée
I.4.2. Structures possibles
I.5. Applications MCP
Chapitre II : Revue bibliographique
II.1. Introduction
II.2. Travaux antérieurs
Chapitre III : Procédure expérimentale
III.1. Introduction
III.2. Description de l’installation
III.3. Etalonnage, précision et sensibilité des capteurs
III.4. Méthodes de réalisation
III.4.1. Réalisation de l’enceinte MCP
III.5. Logiciel utilisé
III.5.1. LabVIEW
III.5.1.1.Description du logiciel
III.5.1.2.Etapes de création d’une interface LabVIEW
III.5.1.3.Présentation de l’interface LabVIEW
III.5.2. IRSoft Testo i875
III.5.2.1.Description du logiciel
III.5.2.2.Présentation de l’interface IRSoft Testo i875
III.5.2.3.Analyse des images
III.5.2.4.Représentation de l’image
III.6. Expériences menées
Chapitre IV : Résultats et discussions
IV.1. Introduction
IV.2. Fusion de la paraffine chauffée par le côté
IV.2.1. Evolution du front de la fusion de la paraffine chauffée par le côté
IV.2.2. Evolution des isothermes
IV.2.3. Evolution temporelle de la température de la paraffine
IV.3. Fusion de la paraffine chauffée par le bas
IV.3.1. Evolution du front de la fusion de la paraffine chauffée par le bas
IV.3.2. Evolution des isothermes
IV.3.3. Evolution temporelle de la température de la paraffine
IV.4. Fusion de la paraffine dans une cavité inclinée de 45 °
IV.4.1. Evolution du front de la fusion de la paraffine dans une cavité inclinée
IV.4.2. Evolution des isothermes
IV.4.3. Evolution temporelle de la température de la paraffine
IV.5. Evolution de la fraction volumique du liquide
Conclusion générale et perspectives