Un matériau à changement de phase (MCP) stocke une grande quantité de chaleur latente dans une plage de température étroite autour de son point de fusion. Amortir les pics de charge de l'électronique, tamponner un pack batterie et constituer de l'inertie thermique dans le bâtiment en sont des applications types.
La vraie contrainte est la puissance, pas la capacité
La conductivité thermique des MCP est faible — pour les MCP organiques courants, elle est inférieure à celle de l'eau. À mesure que la fusion progresse, la couche liquide s'épaissit et une résistance sans cesse croissante apparaît entre la source de chaleur et la zone encore solide.
La conséquence : le matériau peut stocker assez d'énergie mais ne peut pas l'absorber assez vite. Le travail de conception porte donc sur l'augmentation de la conductivité — ailettes, mousse métallique, matrice graphite ou encapsulation.
Ne négligez pas la convection naturelle
Dans la zone fondue, le liquide circule sous l'effet de la flottabilité, et cette circulation accroît nettement la vitesse de fusion. Un modèle de conduction seule surestime systématiquement le temps de fusion. Voir la note sur la convection naturelle.
Décisions de modélisation
Approche enthalpie-porosité. L'interface n'est pas suivie explicitement ; on affecte à chaque cellule une fraction liquide et la zone solide est immobilisée par une résistance élevée. C'est la voie pratique pour les problèmes industriels.
Plage de fusion. Hors corps purs, la fusion se produit sur une plage et non à une température unique. Fixer la plage près de zéro déstabilise la solution.
Hystérésis. Les courbes de fusion et de solidification ne sont pas identiques, et dans un système fonctionnant de façon cyclique cet écart s'accumule.
Variation de volume. La fusion s'accompagne typiquement de quelques pour cent de dilatation ; dans une capsule étanche, cela signifie de la pression.
Validation
Les analyses de MCP sont extrêmement sensibles aux données matériaux. Sans indiquer la source de la chaleur latente, de la plage de fusion et de la conductivité, le résultat ne peut pas être discuté. Voir la note sur les chiffres significatifs.
Références
- Shah, R. K. & Sekulić, D. P. (2003). Fundamentals of Heat Exchanger Design. John Wiley & Sons. DOI: 10.1002/9780470172605
- Churchill, S. W. & Chu, H. H. S. (1975). Correlating equations for laminar and turbulent free convection from a vertical plate. International Journal of Heat and Mass Transfer, 18(11), 1323–1329. DOI: 10.1016/0017-9310(75)90243-4