Cellules à effet Peltier Bilan thermique et exemples d ...gdr-thermoelectricite.cnrs.fr/GDR2007-2010/Contibutions_Caen2007/... · 29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique

29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen

Cellules à effet PeltierBilan thermique

etexemples d’application

François PenotCNRS – LET – ENSMAPoitiers - Futuroscope


Intérêts pratiques de la thermoélectricité,

le point de vue du thermicien________

Production de froid, sans pièces mécaniques en mouvement.

Production d’électricité directement àpartir d’écarts de température


Machine thermique

dont on fait le bilan énergétique global

par uneapproche système thermique


Le Bilan thermique_________

on part de la vision classique


Le Bilan thermiqueon part de la vision classique

QF

TF

PNI I

TC

QC


Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent

QF

QC

PNI I

TFcéramique

céramique TC



QF

céramique

QC

PNI I

TFair

aircéramique TC



QF

céramique

QC

PNI I

TFair

aircéramique TC

échangeur



QF

céramique

PNI I

TF

céramique

air

air

TC

échangeurair

QC



QF

aircéramique

PNI I

TF

céramique

air

air

TC

échangeurair

Tamb

QC volume extérieur



QF

aircéramique

PNI I

TF

céramique

air

air

TC

échangeurair

Tamb



QF

PNI I

TF

TC


céramique

céramique

air

air

échangeurair

Tamb


volume intérieurair


QF

PNI I

TF

TC


céramique

céramique

air

air

échangeurair

Tamb


volume intérieur

Tint

air


QF

PNI I

TF

TC


céramique

céramique

air

air

échangeurair

Tamb


volume intérieur

TintPertes

air


Les équations de bilandes éléments Peltier

Bilan du côté froid

( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−−α= FCFF TTKIRTInQ 2

21

Bilan du côté chaud

( )⎥⎦⎤

⎢⎣⎡ −−+α= FCCC TTKIRTInQ 2

21


Les équations de bilandes 2 échangeurs extrêmes

Bilan du volume intérieur

( ) Fintambintint

int QTTSht

Tm −−=∂∂

pertes vers les ambiances côté froid et côté chaud

Bilan du volume extérieur

( ) Cambextextext

ext QTTSht

Tm −−=∂∂


QF

PNI I

TF

TC

Des anomalies possibles

céramique

céramique

air

air

échangeurair

Tamb


volume intérieur

TintPertes

fuitesinternes

air


Corrections

La conductance thermique K, doit être modifiée pour tenir compte de ces pertes dues aux échanges radiatifs,

convectifs et conductifs à l’intérieur même de la CEP.


Les équations de bilan

Bilan d’une résistance de contact équivalente à une lame d’air

( ) 'int Fextairair

airairairextF QTTairS

etTCpmQ =−−

λ=

∂∂

− −

Bilan d’une céramique

( ) "int

'Fextcércér

cér

cércércércérF QTTS

etTCpmQ =−

λ=

∂∂

− −−

Bilan d’une seconde résistance de contact de l’autre côté de la céramique

( ) '"" int Fextairair

airairairextF QTTairS

etTCpmQ =−−

λ=

∂∂

− −


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.


Modélisation par une approche nodaleanalogie thermique – électrique

température

flux de chaleur

masse thermique

résistance thermique

tension électrique

intensité

capacité

résistance électrique

⇒

⇒

⇒

⇒


L’approche nodaleanalogie thermique – électrique

température

flux de chaleur

masse thermique

résistance thermique

tension électrique

intensité

capacité

résistance électrique

⇒

⇒

⇒

⇒

On obtient un réseau électrique équivalentau réseau thermique


Tamb

Tamb

QC

QF

QF

PNI

TF

I

TCTamb


volume intérieur

TintPertes

fuitesinternes


Quelques réalisations

- Production de froid ou de chaud :

Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.

jet annulaire régulé en température

Breveté

Objet

ECHANGEUR

Sortie du jetAspiration

ventilateur


Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :


double circuit de ventilationextérieur CELLULE PELTIERECHANGEUR VENTILATEUR MOTEUR

ZONE DE RECIRCULATION D'AIR

toit

intérieur




CELLULE PELTIERECHANGEUR VENTILATEUR MOTEUR

ZONE DE RECIRCULATION D'AIR

15 cellules à effet Peltier réparties sur une couronne circulaire





CEP disposées autour du ventilateur et détail




échangeur à aiguilles (très performant) et détail





Coupe horizontale

Visualisations par tomographie laserCoupe verticale




Visualisations par tomographie laser, avec un mannequin




Visualisations par tomographie laser, avec un mannequin,vues en coupe verticale montrant le volume climatisé.




froid chaudchamps de vitesse

froid chaudchamps de température





- Production de froid et de chaud :

la fontaine réfrigérée et chauffée


Quelques réalisations- Production de froid et de chaud :


1,5 L d’eauà la

températurede + 5°C

0,5 L d’eauà la

températurede 80 °C




1,5 L d’eauà la


0,5 L d’eauà la


breveté

2 cellules à effet Peltier




1,5 L d’eauà la


0,5 L d’eauà la


breveté

2 cellules à effet Peltier

1 échangeuren

convection forcée



la fontaine réfrigérée et chauffée, vue de l’échangeur

emplacement de la CEPpour le réservoir

d’eau chaude

CEP pour le réservoird’eau froide

échangeur latéralpour le réservoir

d’eau froide

échangeur à ailettesventilé



la fontaine réfrigérée et chauffée, vue du prototype

réservoir d’eau de 5 L

réservoir d’eau froide

réservoir d’eau chaude

échangeur



la fontaine réfrigérée et chauffée, résultats de mesures

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 660 720 780 840 900 960 1020 1080 1140

Eau froide

Eau chaude

T2

T1

T3

entretoise

ambiante





- Production de froid et de chaud :


- Production d’électricité :

le pull thermoélectrique

Quelques réalisations- Production d’électricité :

le pull thermoélectrique (imaginé pour des étudiants de l’ENSMA)

1 tricot de thermocouplesen série – parallèle100 000 jonctions

avec un écart de température

de l’ordre de 10°C.



le pull thermoélectrique : agencement des fibres




le pull thermoélectrique : modèle couplé thermique, électrique

2

21)( RITTKQAIT FCpFF +−+=1 Bilan

énergétique2

2

21)( RITTKQAIT FCpCC +−−−=

( ) RITTAIU FC −−=

Bilan électrique

3

4 nUU tot =

5 nII tot =Nombre de jonctions

totCtot IRU = Résistance de charge

6



le pull thermoélectrique : des résistances thermiques de contact



le pull thermoélectrique : un modèle électrique équivalent


le pull thermoélectrique : une simulation : 2,5 W sous 10 Ω

PuissanceW

m

K


Conclusion

L’approche thermique des CEP apporte des renseignements complémentaires.

On peut faire des réalisations concrètes mais avec de mauvais rendements. Les CEP ne sont pas optimisées thermiquement

Il faut considérer le système thermique complet,Faciliter les flux thermiquesMinimiser les pertes

Des progrès restent à faire dans l’intégration des CEP dans les systèmes thermiques

Concevoir des cellules spécifiques aux applications souhaitées.


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