Materiál pro fázovou změnu (tepelný)

Materiál s fázovou změnou neboli PCM nazýváme jakýkoli materiál schopný změnit fyzický stav v omezeném teplotním rozsahu. Tento rozsah je mezi 10  ° C a 80  ° C, přibližně. V tomto teplotním intervalu zůstává převládající fázovou změnou fúze / tuhnutí. Tyto teploty jsou přístupné přirozeně a jsou všudypřítomné v každodenním životě (okolní teplota domu, teplota lidského těla, teplá voda  atd. ).

Tento článek pojednává pouze o PCM, jejichž změna stavu je mezi kapalnou a pevnou fází.

Princip fázové změny: citelné teplo a latentní teplo

Jakýkoli materiál, pevná látka, kapalina nebo plyn má schopnost absorbovat, ukládat nebo se vzdát energie ve formě tepla. Existují dva typy přenosu tepla (nebo přenosu tepla):

• přenos tepla by citelné teplo ( CS ): v tomto případě daný materiál může absorbovat nebo přenos energie tím, že vidí svou vlastní teplotní rozsah bez změny stavu. Množství použité pro kvantifikaci CS vyměňovaného materiálem je specifické teplo , zaznamenané C p a vyjádřené v J kg -1  K −1 . Příklad: znamená, že ke zvýšení 1  kg vody o 1  ° C je potřeba 4 186  J (platí pro teploty blízké 20  ° C );VSp voda=4186 JkG-1K.-1{\ displaystyle C_ {p_ {~ {\ text {voda}}}} = 4 \; 186 ~ {\ rm {J \; kg ^ {- 1} \; K ^ {- 1}}}}
• přenos tepla od latentního tepla ( CL ): v tomto případě se materiál může absorbovat nebo přenos energie prostou změnou stavu , při udržování konstantní teploty, měření změny stavu. Množství použít ke kvantifikaci LC zaměněn materiálu je latentní teplo fázové změny poznamenat, L f (f pro fúzi ) pro změnu kapalné / pevné fáze, a L objem (objem pro odpařování ) pro kapalné fázové změny / páry. To je vyjádřeno v J / kg . Příklad: znamená, že roztavení, tj. Roztavení 1  kg ledu při (konstantní) teplotě 0  ° C bude vyžadovat energii 330 000 joulů nebo 330  kJ .LF voda=330×103 J/kG{\ displaystyle L _ {{\ text {f}} _ {~ {\ text {water}}}} = {330} \ krát {10 ^ {3}} ~ {\ rm {J / kg}}}

Výhody materiálů pro fázovou změnu

Kompaktnost nebo hustota energie

Je důležité si uvědomit, že množství energie přivedené do hry v procesu fázové změny je mnohem větší než množství, které zasahuje během citlivých přenosů (pokud pracuje v omezených intervalech teplot). Díky těmto latentním přenosům je nyní možné výrazně snížit objem prvku pro akumulaci energie ( kompaktnost ), nebo dokonce výrazně zvýšit množství energie obsažené v jednom akumulačním objemu ( hustota energie ).

Na druhé straně je třeba poznamenat, že MCP může kombinovat dva výše popsané typy přenosu tepla.

Příklad:

Příjmení	Trihydrát octanu sodného
T fúze	55  až  58  ° C
L f	242,85 x 10 3  J / kg
C p pevné	3,31 × 10 3  J kg −1  K −1 při 30  ° C
C p kapalina	3,06 x 10 3  J kg -1  K -1 při 70  ° C
ρ kapalina	1,279  kg / m 3 při 70  ° C
ρ pevné	1392  kg / m 3 při 30  ° C

• Hustota energie

Energie E 30-70 akumulovaná 1  m 3 tohoto MCP mezi 30  ° C a 70  ° C má hodnotu:

EMCP 30-70=PROTI×ρpevný×VSp MCP pevný×ΔTpevný + PROTI×ρ×LF + PROTI×ρkapalný×VSp MCP kapalný×ΔTkapalný{\ displaystyle E _ {{\ text {MCP}} _ {~ 30-70}} = {V} \ krát {\ rho _ {\ text {solid}}} \ krát {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}}}}=[1×1392×VSp MCP pevný×(55-30)] + [1×1392×LF] + [1×1279×VSp MCP kapalný×(70-58)]{\ displaystyle = [{1} \ krát {1 \; 392} \ krát {C_ {p_ {~ {\ text {MCP}} ~ {\ text {solid}}}}} \ krát {(55-30) }] ~ + ~ [{1} \ krát {1 \; 392} \ krát {L _ {\ text {f}}}] ~ + ~ [{1} \ krát {1 \; 279} \ krát {C_ {p_ {~ {\ text {MCP}} ~ {\ text {liquid}}}}} \ times {(70-58)}]}= 5,00×108jÓulEs = 139kŽh{\ displaystyle \ mathrm {= ~ 5,00 \ krát 10 ^ {8} \, jouly ~ = ~ 139 \, kWh}}

Ve stejném teplotním intervalu by stejný objem vody (1  m 3 ) nashromáždil množství vody E 30-70  :

Evoda 30-70=1×1000×VSp voda kapalný×(70-30){\ displaystyle E _ {{\ text {water}} _ {~ 30-70}} = {1} \ krát {1 \; 000} \ krát {C_ {p_ {~ {\ text {voda}} ~ { \ text {liquid}}}}} \ krát {(70-30)}}= 1,67×108jÓulEs = 46,4kŽh{\ displaystyle \ mathrm {= ~ 1 {,} 67 \ krát 10 ^ {8} \, jouly ~ = ~ 46,4 \, kWh}}

Uvažovaný MCP proto umožnil uložit více než třikrát více energie pro stejný objem. Má tedy větší hustotu energie .

• Kompaktnost

Podobně jsou pro skladování 100  kWh při 55  až  58  ° C zapotřebí následující objemy V vody a V MCP :

PROTI voda=100000×3600VSp voda×(58-55)×ρ voda=28,7m3{\ displaystyle V_ {~ {\ text {voda}}} = {\ frac {{100 \; 000} \ krát {3 \; 600}} {{C_ {p_ {~ {\ text {voda}}}} } \ times {(58-55)} \ times {\ rho _ {~ {\ text {water}}}}}} = 28,7 \, \ mathrm {m ^ {3}}}PROTI MCP=100000×3600LF MCP×ρ MCP=1,1m3{\ displaystyle V_ {~ {\ text {MCP}}} = {\ frac {{100 \; 000} \ krát {3 \; 600}} {{L _ {{\ text {f}} _ {~} {\ text {MCP}}}} \ times {\ rho _ {~ {\ text {MCP}}}}}} = 1,1 \, \ mathrm {m ^ {3}}}

Objem MCP použitého na skladování 100  kWh mezi 55  ° C a 58  ° C je tedy více než 26krát menší než u vody. Má tedy větší kompaktnost.

Termoregulační materiály (pasivní regulace, nárazníková role)

Izotermická nebo téměř izotermická povaha energetického náboje a výboje MCP umožňuje jeho použití jako regulátoru teploty v termoregulačním materiálu  : pokud je tento MCP integrován do omítky, například do pláště (vnější stěny, podlaha, strop  atd.) ) budovy, může akumulovat teplo, když je nadbytečné (léto) nebo je přítomno ve špatnou dobu (během dne v zimě).

• Sezónní cyklus: V létě může být část solární energie akumulována postupně zdmi (bez nadměrného kolísání teploty v budově). Podle CSTB je pak možné snížit teplotní píky v místnosti o 3  až  5  ° C.
• Denní cyklus: v zimě může být teplo dodávané sluncem uloženo stejným způsobem v PCM zabudovaných do stěn (omítka nebo původní materiál); tyto obnoví toto teplo na konci dne, v noci nebo během chlazení.

Jakýkoli MCP může navíc sloužit jako „posunovač tepelné fáze“  : jakýkoli vstup nebo ztráta energie (změna teploty, sluneční záření  atd. ) Z média může způsobit roztavení nebo krystalizaci materiálu při téměř konstantní teplotě. Proto médium na druhé straně MCP necítí okamžitě účinek tohoto vstupu nebo ztráty, ale začne je pociťovat až po roztavení nebo úplné krystalizaci materiálu .

Teplotní rozsah

PCM mají díky své velké rozmanitosti různé teploty tání. Ten druhý zametá celou omezující teplotní zónu, do které jsme se původně umístili. To umožňuje například zvolit teploty tání blízké 19  ° C a 27  ° C , respektive zimní a letní mezní teploty komfortu. Následující odstavec představuje neúplnou tabulku různých materiálů pro fázovou změnu spolu s jejich teplotou tání a dalšími technickými údaji.

Příklady a typy materiálů pro fázovou změnu

Existuje mnoho typů materiálů pro fázovou změnu, které se velmi liší svou fyzikálně-chemickou povahou. Jsou to jejich charakteristiky tání a krystalizace, díky nimž jsou užitečné pro skladování latentního tepla. Mezi těmito materiály lze rozlišit následující tři hlavní rodiny:

• Sloučeniny minerální (nebo anorganické ). Z těchto sloučenin jsou zajímavé pouze hydratované soli pro jejich použití jako MCP. Jsou vyrobeny ze slitiny organických solí a vody. Mají tu výhodu, že mají velké latentní teplo a nízké ceny. Na druhé straně se jejich hlavní vada týká tendence k podchlazení  ;
• sloučeniny organické . S tepelnými vlastnostmi (zejména latentním teplem a tepelnou vodivostí ) nižšími než hydratované soli mají tyto výhodu v tom, že nejsou nebo jsou velmi málo ovlivněny podchlazením. Parafiny a mastné kyseliny, které patří do této rodiny, se používají zejména pro skladování latentního tepla ;
• eutectic . Eutektikum je směs čistých látek, které mají konstantní teplotu tání pro určitou hodnotu koncentrace. Může to být anorganické a / nebo organické.

Příjmení	T fúze (° C)	L f (kJ / kg)	C p pevná látka ( kJ kg -1  K -1 )	C p kapalina ( kJ kg -1  K -1 )	ρ pevná látka ( kg / m 3 )	ρ kapalina ( kg / m 3 )
Organické sloučeniny
Kyselina mravenčí	8.3	247	?	0,099	?	1220
Octová kyselina	16.7	194	?	?	1266	1049
Fenol	40.8	120	?	?	1070	?
Kyselina dodekanová	41-43	211.6	1,76	2.27	1007	862
Trihydrát octanu sodného	55-58	242,85	3,31 při 30  ° C	3,06 při 70  ° C	1392 při 30  ° C	1279 při 70  ° C
Anorganické sloučeniny
Voda (H 2 O)	0	330	2,06 při 0  ° C	4,186 při 20  ° C	917 při 0  ° C	998 při 20  ° C
Hydroxid sodný (NaOH)	318	272,15	1,88 při 30  ° C	2,18 při 70  ° C	1720 při 30  ° C	1670 až 70  ° C
Kyselina sírová (H 2 SO 4 )	10.4	100	?	?	?	1838
Oxid sírový (SO 3 )	16.9	108	?	0,024	?	1920
Kyselina fosforečná (H 3 PO 4 )	26.0	147	?	?	1834	1685
Gallium (Ga)	29.8	80	0,370	?	5 904	6095

Můžeme si nicméně všimnout nebezpečnosti některých z těchto látek.

Například oxid sírový reaguje, mimo jiné, prudce s vodou za vzniku kyseliny sírové (silná kyselina a hlavní znečišťující látka), přičemž uvolňuje značné teplo.

Aplikace

Vylepšení stratifikace solárního zásobníku teplé užitkové vody (TUV)

Hlavní problém spojený s využitím solární tepelné energie se týká jejího skladování: výroba teplé užitkové vody (TUV) cirkulací vody solárními panely je přímo závislá na slunečním světle. K tomuto příjmu energie dochází, ať už to potřebujeme (prospěšné), nebo ne (ztráta energie nadbytkem). Použití MCP pro skladování této energie latentním teplem by tento problém částečně vyřešilo:

• na jedné straně bude množství energie uložené v nádrži stejného objemu větší u PCM než u samotné vody (viz odstavec Kompaktnost nebo hustota energie ): bude proto možné akumulovat větší velké množství tepla než to potřebné pro jediný den zaměstnání;
• kromě toho, že není možné donekonečna zvyšovat teplotu akumulačního objemu (riziko odpařování kapaliny škodlivé pro oběhová čerpadla), je na druhé straně možné toto teplo akumulovat v latentní formě, aniž by se však zvýšila teplota materiálu (pomocí příkladu MCP, jehož teplota tání je kolem 60  ° C nebo 70  ° C ). Toto akumulované dodatečné teplo se poté přenese do sítě teplé užitkové vody.

Hlavním problémem akumulace energie ve solárním zásobníku teplé vody je absence stratifikace (celý objem horké vody obsažené v zásobníku je zřídka odebírán najednou): objem vody v nádrži má tendenci po opětovném návratu homogenizovat svoji teplotu a listy směrem k panelům. Jakmile je dosaženo příliš nízké teploty (například 40  ° C ), již není možné tuto vodu použít pro okruh teplé vody. Stačí však, aby toto teplo bylo „lépe distribuováno“, abychom mohli stále čerpat vodu při vhodné teplotě ( 100  l nádrž při 40  ° C obsahuje stejné množství energie jako dvě 50  ° C nádrže. L při příslušných teplotách o 30  ° C a 50  ° C ).

Použití MCP pak umožňuje vytváření „vrstevnatých vrstev“, jejichž teploty budou kolem teplot tání různých použitých materiálů. Přerušovaný nebo jednorázový odběr TUV tedy způsobí pokles teploty horní části nádrže (viz obrázek ) bez MCP uzlin (= tobolek). Na druhou stranu delší kresba zahrnuje použití energie obsažené ve spodních vrstvách balónku, to znamená latentního tepla obsaženého v uzlících. Tyto v případě potřeby ztuhnou, a tím se vzdají své energie pro vodu z vodovodu zahříváním.

Pasivní klimatizace

Některé společnosti, jako je Dupont de Nemours, již nabízejí panely tepelné setrvačnosti využívající PCM. Ty přicházejí ve formě tuhých panelů obsahujících směs MCP-polymer. Tyto panely jsou obecně pokryty hliníkovou fólií, aby poskytly strukturální tuhost a případně působily jako metalizovaná parotěsná zábrana v případě, že jsou tyto panely použity v obvodovém plášti budovy.

Použití těchto materiálů má dvojí zájem:

• Díky své velké kompaktnosti umožňují PCM budově získat velkou tepelnou setrvačnost, a proto jsou méně citlivé na denní teplotní výkyvy. Podle studií by bylo možné pomocí této izolace snížit teplotní špičky v budově maximálně o 7  až  8  ° C ;
• fenomén fázové změny umožňuje absorbovat část tepla z místnosti, jakmile okolní teplota překročí teplotu tání materiálu. Tento teplotní rozdíl mezi materiálem a částí (energetická rezerva) se sníží a teplota součásti bude mít sklon k teplotě materiálu: pokud výměna energie, která probíhá mezi těmito dvěma systémy, probíhá pro MCP téměř izotermicky, je to prostředí, které uvidí svůj pokles teploty, aby umožnilo fúzi MCP.

Takže výběrem MCP s teplotou tání 20  ° C nebo 21  ° C a stanovením, že požadovaná teplota topení pro jednotlivé obydlí je maximálně 19  ° C , budeme schopni akumulovat teplo v panelech MCP díky slunečnímu záření, které prochází otvory (okna, arkýři), aniž by spotřebovávalo více tepla nebo zvyšovalo teplotu v místnosti. Toto teplo se tak může obnovit během noci, jakmile teplota budovy poklesne pod teplotu tuhnutí MCP.

Integrace do textilií: tepelná regulace těla

PCM, které již několik let vyvíjí vesmírný výzkum ve Spojených státech, se nedávno objevily v textilním průmyslu. Požadovaným cílem je pasivně regulovat tělesnou teplotu v závislosti na teplotě prostředí. Poté je obzvláště důležité najít materiály, jejichž teploty tání a krystalizace jsou velmi blízké povrchové teplotě lidského těla.

Materiály používané pro tento typ aplikace jsou obecně parafiny, organický materiál s přímým uhlíkovým řetězcem, který obsahuje kombinaci eikosanu , oktadekanu , nonadekanu , heptadekanu a hexadekanu . Všechny tyto sloučeniny mají různé teploty fázové změny, ale po smíchání a zapouzdření se udržují na průměrné teplotě 30  až  34  ° C , což je pro lidské tělo velmi pohodlné.

Použití těchto textilií lze provádět v oblastech, jako jsou:

• automobilový průmysl, ve kterém zůstává problém s klimatizací zásadní: správná integrace MCP do prostoru pro cestující by umožnila lepší regulaci tepelných špiček, a tudíž omezení používání škodlivé klimatizace pro životní prostředí;
• technické oděvy: tyto obecně neumožňují dosáhnout rovnováhy mezi teplem produkovaným tělem a teplo přenášeným do životního prostředí při sportu. Toto přebytečné teplo, které není evakuováno, obecně způsobuje situace tepelného stresu škodlivé pro prováděnou činnost.
  Použití oděvů regulujících teplo by pak umožnilo snížit tyto nepohodlí a zvýšit tak kapacitu a efektivitu lidí při fyzických činnostech nebo při stresových situacích;
• letectví a kosmonautika: některé produkty na dnešním trhu byly původně vyvinuty pro vytváření obleků astronautů. Jejich účelem bylo chránit je před extrémními teplotními výkyvy přítomnými mimo raketoplány během výletů.

Nevýhody

Cena

Přestože jsou PCM na trhu již několik let, zůstávají méně dostupnými technologiemi než konvenční izolace, zejména s ohledem na jejich použití v domácnosti. Dodatečné náklady generované investicí však mohou být rychle odepsány díky dosaženým úsporám energie, jak dokazuje studie INSA Lyon o produktu, který je již na trhu, jehož návratnost investice je přibližně osm let.

Přechlazení

Tyto přechlazení odpovídá kapalném stavu subjektu, zatímco jeho teplota je nižší než teplota krystalizace. Zobrazuje se pouze u určitých typů PCM, jako jsou anorganické materiály. Tento problém lze vyřešit mnoha způsoby:

• začlenění přísad povrchově aktivních látek;
• usnadňují nukleaci pomocí pevných krystalů stabilních kolem teploty krystalizace: slouží jako připojovací body pro krystalizaci materiálu;
• udržujte uvnitř materiálu chladnou oblast.

Podchlazení zabraňuje použití latentního tepla fázové změny při požadované teplotě.

Kinetika krystalizace

Míry krystalizace MCP jsou relativně nízké. Pokud materiál akumuluje nebo uvolňuje energii příliš dlouho, ztrácí účinnost v praktických aplikacích (například neschopnost „vyhladit“ teplotní špičky).

Tuto kinetiku lze ale zlepšit zavedením rozpouštědel s vysokou polaritou a vysokou dielektrickou konstantou do MCP. Tato rozpouštědla umožňují snížit povrchové napětí na úrovni rozhraní kapalina / pevná látka.

Odpor tepelného přenosu

Během fázové změny MCP probíhá výměna tepla na rozhraní pevná látka / kapalina. Když se pohybuje tuhnoucí nebo tavicí čelo, zanechává za sebou novou fázi (pevnou nebo kapalnou), kterou musí proud tepla procházet, než dosáhne dotyčné čela. Čím větší je tloušťka této fáze, tím větší tepelný odpor vytváří.

Naneštěstí mají PCM poměrně nízkou tepelnou vodivost (řádově 0,15  W m -1  K 1 ), což již brání dobrému přenosu tepla. Tento jev je pak zesílen tloušťkou fáze, která má být překročena. Je proto nutné, pokud si přejeme omezit tyto jevy odporu v důsledku posunutí tepelného čela, zajistit, aby tloušťka, která má být překročena, byla co nejmenší. Proto často používáme sférické mikrokapsle, které snadno mění fázi po celém svém objemu.

Vězení

Zapouzdření se jeví jako dobré řešení pro omezení obsahu PCM. Když je posledně uvedená v kapalném stavu, již nemá žádnou fyzickou sílu a vyžaduje nádobu. Technologická obtíž spočívá v maximalizaci tepelné výměny všemi prostředky (například výběrem dobrých tepelných vodičů pro výrobu kapslí).

Život

Podle CSTB mají PCM používané v bydlení stejnou nebo vyšší životnost než současné budovy.

Aspekty zdraví a bezpečnosti

Protože PCM jsou v současnosti velmi různorodé a málo využívané, je pochopitelné, že bylo provedeno několik systematických studií o jejich dopadu na zdraví a rizicích, která představují.

Reference

1. CSTB, „  Materiály pro fázovou změnu: směrem k měkké„ klimatizaci “  “ ,6. prosince 7
2. (in) Dupont, „  Informační list produktu Dupont Energain  “ [PDF] ,11. června
3. CSTB, „  Použití MCP v pasivní klimatizaci a mimo sezónu  “ [PDF] ,28. prosince 2004
4. Joseph Virgone, „  Integrace materiálů pro fázovou změnu v BATimentu  “ [PDF] ,červen 2007
5. CSTB, "  Kapaliny nebo pevné látky - materiály pro fázovou změnu  " ,prosince 2006

Bibliografie

• .

Související články

• Zásobárna energie
• Solární ohřívač vody

externí odkazy

• (en) Osobní stránka doktoranda v MCP
• D. Quénard, H. Sallée, K. Johannes, A. Husaunnde, „Použití materiálů pro fázovou změnu (PCM) při pasivním chlazení a mimo sezónu“ .
• J. Noël, S. Lepers, J. Virgone, „Zlepšení letního pohodlí v budovách s lehkým rámem pomocí materiálů pro fázovou změnu“ .