1 Applications des modules Applications des modules à à effet Peltier effet Peltier en r en r é é frig frig é é ration et en g ration et en g é é n n é é ration ration d d ’é ’é lectricit lectricit é é Pr. Lingai LUO LOCIE - Polytech’Savoie L'école thématique thermoélectricité 05 / 2008
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1
Applications des modules Applications des modules àà
effet Peltier effet Peltier en ren rééfrigfrigéération et en gration et en géénnéération ration
dd’é’électricitlectricitéé
Pr. Lingai LUOLOCIE - Polytech’Savoie
L'école thématique thermoélectricité05 / 2008
2
Sommaire
I.
Notion de thermoélectricitéII.
Bilan thermique (F. Penot)
III.
Exemples d’applications
3
T1 T2
V
Seebeck Effect
I
Q
Peltier Effect
T2
I
Q
Thomson Effect
I
Q
Joule Effect
Notions de thermoélectricité
T1
4
p pn njonctions p-n
jonctions n-p
e-
+ -
5
Pompe à
chaleur
6
Puissance en fonction de différence de température
7
Avantages:– Pas de pièces mobiles (peu de maintenance et zéro bruit)– Aucun fluide frigorigène– Faibles coût– Taille et poids réduits, grande durée de vie ……
Inconvénient:
> Efficacités inférieures aux P.A.C
8
QF
QC
PNI I
TF
TC
Le Bilan thermique on part de la vision classique
(F. Penot)
9
QF
QC
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
10
QF
QC
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
air
air
11
QF
QC
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
air
air
échangeur
12
QF
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
air
air
échangeurair
QC
13
QF
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
air
14
QF
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
air volume intérieur
Tint
15
QF
PNI I
TF
TC
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
air volume intérieur
TintPertes
16
Les équations de bilan des éléments Peltier
Bilan du côté
froid
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−−= FC
2FF TTKIR21TIαnQ
Bilan du côté
chaud
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−+α= FCCC TTKIRTInQ 2
21
17
Les équations de bilan des 2 échangeurs extrêmes
Bilan du volume intérieur
( ) Fintambintint
int QTTShtTCpm −−=∂
∂
pertes vers les ambiances côté
froid et côté
chaud
Bilan du volume extérieur
( ) Cambextextext
ext QTTShtTCpm −−=∂
∂
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QF
PNI I
TF
TC
Des anomalies possibles
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
air volume intérieur
TintPertes
fuitesinternes
19
Les équations de bilan
Bilan d’une céramique
( ) "int
'Fextcércér
cér
cércércércérF QTTS
etTCpmQ =−
λ=
∂∂
− −−
Bilan d’une résistance de contact équivalente à
une lame d’air
( ) 'int Fextairair
airairairextF QTTairS
etTCpmQ =−−
λ=
∂∂
− −
Bilan d’une seconde résistance de contact de l’autre côté
de la céramique
( ) '"" int Fextairair
airairairextF QTTairS
etTCpmQ =−−
λ=
∂∂
− −
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CorrectionsLa conductance thermique K, doit être modifiée
pour tenir compte de ces pertes dues aux échanges radiatifs, convectifs et conductifs àl’intérieur même de la CEP.
Les flux de chaleur extraits ne sont pas les flux de chaleur QF et QC.
Les pertes Joules ne sont pas équitablement réparties entre la face chaude et la face froide.
21
Modélisation par une approche nodale analogie thermique – électrique
température
flux de chaleur
masse thermique
résistance thermique
tension électrique
intensité
capacité
résistance électrique
⇒
⇒
⇒
⇒
22
L’approche nodale analogie thermique – électrique
température
flux de chaleur
masse thermique
résistance thermique
tension électrique
intensité
capacité
résistance électrique
⇒
⇒
⇒
⇒
On obtient un réseau électrique équivalentau réseau thermique
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QF
PNI I
TF
TCTamb
QC volume extérieur
volume intérieur
TintPertes
fuitesinternes
Tamb
Tamb
QC
QF
24
ApplicationsProduction de chaud et de froid utilisant des modules thermoélectrique avec alimentation photovoltaïque
Fast Thermal Swing Adsorption Using Thermoelectric Devices and New Adsorbent
Quelques autres applications
25
Application 1
production de chaud et de froid utilisant des modules thermoélectrique avec alimentation
photovoltaïque
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Introduction• Secteur résidentiel et tertiaire
– 1er consommateur d’énergie en France– 25% des émissions totale de gaz à effet de serre
• Les systèmes de conditionnement d’air :– 15% de la production électrique mondiale – 45% de la consommation énergétique globale des
bâtiments commerciaux et des habitats individuels
• Ventilation : 1/3 des besoins énergétiques des habitats
• La demande en refroidissement coïncide avec les période d’ensoleillement fort
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Enjeux :• Étudier un procédé de rafraîchissement d’air par module Thermoélectrique
– Approche expérimentale et numérique (détaillée + simplifiée)
• Réalisation d’un prototype de système de rafraîchissement
• Étudier l’intégration énergétique et thermique du système dans le bâtiment (TRNSYS)– Rafraîchissement : couplage VMC DF / Peltier– Évaluation : confort d’été, consommations, environnement, exergie …– Comportement en hiver ? (système réversible)– Contrôle-commande (au fil du soleil ou non)
• Collaboration avec Y.Fan dans le cadre du projet Cluster– Étude du comportement Peltier/ailettes/air– Optimisation des échanges : approche constructale
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Description du dispositif expérimental• But de l’expérience:
– Faisabilité– Valider un modèle
• Schéma (vue de dessus):
mousse isolante
eau
échangeurcourant continu
thermocouple
Échangeur air
Module Peltier
Échangeur eau
6cm6cm
120 W max (froid)
14 A max
29
0
10
20
30
40
50
60
70
80
0 5 10 15 20 25 30 35
Tc-Tf (°C)
Pfro
ide
(W) I=1A
I=2A
I=3A
I=4A
I=5A
Relation linéaire Qf = f (Tc-Tf)
30
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0 5 10 15 20 25 30 35
Tc-Tf (°C)
CO
P fr
oid
I=1A
I=2A
I=3A
I=4A
I=5A
f
élec
Q=P• COP Possibilité
de COP convenables
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Modélisation du dispositif expérimental
• Écoulements
– Profil de vitesse– Pertes de charge
• Transferts thermiques
– Profil de températures– Puissances
Validé par les résultats expérimentaux
Généralisation au double flux
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Canal :
Hauteur: 0.7 mm
Largeur: 10 mm
Longueur: 135 mm
• Simplification
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• Hypothèses– Vitesses en entrée homogène et égale à la vitesse débitante– Caractéristiques physiques du fluide constantes– Écoulement laminaire établi
• Profil de vitesse– Modèle de Couette– Profil parabolique avec maximum au centre du canal
• Pertes de chargeD’après Navier Stokes:
– cas des sections rectangulaires plates (h<<Dh )– Relation de Shah & London (dépend du rapport d’aspect
h/Dh )
2
42d
apph
VLP fD
ρΔ =
34
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30 35débit volumique air à 1atm et 25 °C (m3/h)
perte
de
char
ge (P
a)
Rectangulaire plate
Shah&london
exp
• Confrontation Expérience/Modèle
Écarts < 5%
35
• Simplification
mousse isolante
eau
échangeurcourant continu
thermocouple
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• Simplification
TE
Aluminium
Graisse thermiqueCuivre
Module thermoélectrique
Air
symétrie
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• Conditions aux limites
TE
Aluminium
Graisse thermiqueCuivre
Module thermoélectrique
Air
0ϕ =
Flux nuls> Symétrie axiale
0ϕ =
0ϕ = > Entre chaque canalTemoy
Terme convectif> Transfert coté
eau
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• Mise en équation
TE
Coefficients de convection (hc )> Coté
air : Sieder & Tate (régime laminaire établi dans des canaux)> Coté
eau : Bowmann (échangeur à
chicane)
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• Flux fourni par l’air :
Linéarité de la température d’air
Discrétisation de l’écoulement
. .( )f in outQ mCp T T= −&
2in out
flT TT +
=
?
40
Processus expérimentalRésultats typiques : (débits à 200 sl/mn)
Temps (h)
1A
2A
3A 4A5A Face froide
Air sortie
Air milieu échangeur
Eau sortie
Eau entrée
Face chaude
1 2 3 4 5
Air entrée
Plage de débits : 100 à 500 sl/mn (21.1°C et 1 atm)
Plage d’intensité : courant continu de 1 à 5 A
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Modélisation du procédé de rafraîchissement Thermoélectrique (VMC-DF)• Description : Système double flux