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PCM – Phase Change Material (matériau à changement de phase)

Un deuxième réservoir de chaleur est la simple augmentation de la température sans changement de phase. Pour de telles applications, la capacité thermique spécifique du matériau de stockage ainsi que sa densité doivent être élevées afin de stocker un maximum de chaleur sur un minimum de matériau/espace (capacité de stockage). Cet effet est utilisé pour la climatisation des bâtiments et leur confort thermique. Afin de bien transférer l’énergie du MCP à l’environnement, celui-ci doit également présenter une conductivité thermique élevée.

Propriétés de la PCM

Les matériaux à changement de phase doivent donc présenter les propriétés suivantes :

une capacité de stockage élevée ou une chaleur latente par volume. Ce résultat est obtenu lorsque la chaleur molaire de fusion est élevée et que, parallèlement, la densité et la capacité thermique spécifique sont élevées.
une conductivité thermique élevée pour un échange de chaleur rapide entre le MCP et l’environnement
un taux de nucléation élevé pour éviter la surfusion et obtenir un changement de phase à la température de fonctionnement.
un faible changement de volume pendant la transition de phase afin d’éviter les contraintes mécaniques sur les récipients et les fissures dans la phase solide.
faible coût de l’énergie stockée et bonne disponibilité
grande stabilité chimique sans décomposition, permettant de nombreux cycles de fusion/congélation.

Les MCP peuvent être divisés en deux groupes : les matériaux organiques et les matériaux inorganiques.

Avantages des matériaux PCM

Les matériaux organiques (principalement les hydrocarbures, les huiles et les graisses, mais aussi les hydrates de carbone) ont des températures de fonctionnement plus basses que les matériaux inorganiques et présentent d’autres avantages tels que leur stabilité thermique et chimique.

Inconvénients des matériaux PCM

Cependant, les inconvénients des matériaux organiques par rapport aux matériaux inorganiques sont l’inflammabilité, une capacité de stockage de la chaleur relativement faible et une faible conductivité thermique. Les MCP inorganiques sont principalement des hydrates de sel et des sels. La plupart d’entre eux ont des températures de fonctionnement élevées et sont disponibles à bas prix. Leurs inconvénients sont qu’ils peuvent être corrosifs et qu’ils subissent souvent un changement de volume important. Les différentes applications requièrent des températures de fonctionnement différentes qui correspondent au point de fusion du MCP. Les températures de fonctionnement peuvent aller d’une température proche de la température ambiante (pour la plupart des MCP organiques, mais aussi pour certains MCP inorganiques tels que le nitrate de lithium hydraté (LiNO3*3_H2O)) à plusieurs centaines de degrés Celsius (pour les MCP inorganiques tels que les sels de métaux alcalins).

Analyse thermique du PCM

L’analyse thermique est un outil très puissant pour le développement et la caractérisation des MCP :

La thermogravimétrie (TGA) est utilisée pour étudier la stabilité thermique ou la décomposition.
La calorimétrie différentielle à balayage (DSC) est utilisée non seulement pour mesurer la température de fusion (température de fonctionnement) et l`enthalpie de fusion, qui fournissent des informations utiles sur la capacité de stockage, mais aussi pour mesurer la capacité thermique spécifique (Cp).

Il existe également de nombreuses techniques connues pour mesurer la conductivité thermique, la méthode du fil chaud étant la plus efficace pour les applications PCM. D’autres méthodes incluent les techniques de flux de chaleur et la méthode du flash laser. Dans toutes les méthodes de mesure de la conductivité thermique, le défi particulier consiste à obtenir des données fiables exactement pendant le changement de phase d’un MCP, ce qui explique les avantages décisifs de la méthode rapide du fil chaud.

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