Caractérisation des MCP microencapsulés en suspension

Dans le cadre de cette étude, nous nous intéressons aux matériaux à changement de phase (MCP). Ces matériaux apportent un élément de réponse aux problématiques actuelles de stockage/déstockage de l’énergie. En effet, durant la transition de phase du MCP, la chaleur latente que celui-ci absorbe ou relâche est nettement plus importante que la chaleur sensible. Cependant, le taux de transfert de cette énergie est limité, étant donné que les MCP sont caractérisés par une faible conductivité thermique (0.1-0.4 W/(m.K)) [1]. Pour pallier ce problème, une solution est d’augmenter la surface d’échange de chaleur pour un volume de MCP donné, via la division et l’encapsulation de celui-ci. Une manière d’utiliser les particules ainsi obtenues est de les placer en suspension dans un fluide caloporteur, permettant alors la mise en écoulement du système. Les suspensions de MCP encapsulés bénéficient d’un regain d’intérêt ces dernières années [2], nécessitant une caractérisation poussée de leur propriétés thermophysiques. Nous proposons une caractérisation complète des propriétés thermophysiques à l’échelle macroscopique d’une suspension aqueuse de MCP microencapsulées (MCPm). Ces travaux portent dans un premier temps sur une étude via calorimétrie des propriétés thermiques du MCP seul et de la suspension de MCPm. Les expérimentations ont permis la détermination précise des températures qui sont associées au changement de phase du matériau. Nos résultats soulignent le rôle déterminant et initiateur de la membrane sur le processus de cristallisation du MCP, cette dernière favorise la nucléation hétérogène du matériau [3], provoquant l’élargissement de la plage de température de solidification. En outre, nous vérifions comme attendu que la mise en suspension des MCPm dans une phase aqueuse permet une nette augmentation de la capacité thermique, comparativement au MCP pur. Par ailleurs, nous avons mené une étude densimétrique qui a également permis de mettre en évidence le changement de phase du matériau. En effet, nous remarquons durant celui-ci que la densité de la suspension varie de manière abrupte. Cette variation, à intervalle de température équivalent, s’avère environ treize fois moins importante lors des mesures effectuées en dehors de la plage de température de transition de phase. Finalement, la rhéologie de la suspension a été étudiée. Nous observons un caractère rhéofluidifiant de la suspension d’autant plus marqué que la concentration en particules augmente. Indépendamment de cette concentration, il semble que l’état physique (solide/liquide) du PCM présent dans la suspension n’ait pas un rôle prépondérant sur la viscosité du matériau. Mots clefs : matériaux à changement de phase, chaleur latente, transition énergétique, encapsulation, suspension.

[1] P. Cheng et al., Different dimensional nanoadditives for thermal conductivity enhancement of phase change materials: Fundamentals and applications, Nano Energy, 2021.

[2] M. Jurkowska et al., Review on properties of microencapsulated phase change materials slurries (mPCMS), Applied Thermal Engineering, 2015.

[3] B.Xie et al., Crystallization Behaviors of n-Octadecane in Confined Space : Crossover of Rotator Phase from Transient to Metastable Induced by Surface Freezing, J. Phys, 2008.

Work In Progress