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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
2
p pn njonctions p-n
jonctions n-p
e-
+ -
Pompe à chaleur
3
Puissance en fonction de différence de température
4
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
5
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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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
8
Canal :
Hauteur: 0.7 mm
Largeur: 10 mm
Longueur: 135 mm
• Simplification
9
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
10
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)
11
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%
12
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
13
COP froid en fonction de la différence de températureentre les faces des modules
14
Modélisation du procédé de rafraîchissement Thermoélectrique (VMC-DF)• Description : Système double flux
Air extrait (pièces humides ou
polluées)
Air soufflé (pièces
principales)
Échangeur Air extrait/Air soufflé
15
Modélisation (suite)• Description :Système double flux thermoélectrique
Utilisation de l’air extrait pour réduire la différence de température entre faces des modules
Air soufflé
Air extrait
ModulesPeltier
16
Intégration au bâtiment• But
– Dimensionnement– Effet de la température de soufflage (Tsoufflé
variable)– Possibilité de couplage direct avec le
Photovoltaïque? (COP fixé)• Description
2 étages
120 m² au sol
Maison récente
Text
Tint_étage
Tint_RDC
Soufflage (T, débit)
17
• Aide au dimensionnementCas le plus défavorable: Tint =28.8°C Text = 35°CTsoufflage = Tint – 5°C = 23.8°C Pf max = 1800 W et COP>1.5
12001400
160018002000
220024002600
28003000
0 1 2 3 4 5
COP
Pf
(W)
Nm=30 Nm=40
Nm=50 Nm=60
Nm=70
18
Application 2Application 2
Fast Thermal Swing Adsorption Fast Thermal Swing Adsorption UUsing Thermoelectric Devices and sing Thermoelectric Devices and
NNewew AdsorbentAdsorbent
19
Ads
orbt
ion
quan
tity
Partial Pressure
Tc
Th
Adsorption
IsothermTSA
TSA
PSA
PhPl
PSA
20
Thermal Swing Adsorption TSA
Adsorption Desorption CoolingHot gas / Steam Cold gas
Direct Joule effect
Induction
Peltier Effect Peltier EffectPeltier Effect
21
Objectives
Rapid adsorption cycles
Compact processes
Process optimization
Rapid input and output of thermal energy
thermoelectric devices
Intensified heat transfer
new adsorbent
22
Heat pumped
Heat rejected
Devices used* 6,2 cm x 6,2 cm x 0,45 cm* Imax = 14 A Tmax = 80°C DTmax = 65°* Qc =120W 31 kW.m-2
* Qh =300W 78 kW.m-2
Performance
( ) ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −−−= GTTk2GρIαIT2NQ ch
2
cc
( ) ⎟⎠
⎞⎜⎝
⎛ −−−= GTTk2GρIαIT2NQ ch
2
hh
23
Use of thermoelectric devices
24
Transient behavior Power Intensification
25
Granular Porous Medium
low thermal conductivity
Intensified heat transfer* multimodal mix, powder compaction, monoliths* add of graphite or metallic foams* use of graphite or metallic fins
26
Exfoliated graphite
Before compacting
After compactingDensity 400 kg.m-3
Density 70 g.m-3
27
Thermal conductivity
Parallel to graphite sheets Perpendicular to graphite sheets
28
Porous media structure
Ther
moe
lect
ric D
evic
eW
aterHeat
Gas Gas
29
Porous Medium
Activated carbon Natural Exfoliated Graphite
Low thermal conductivityλ = 0,1 W.m-1.K-1
Adsorbent
High thermal conductivityλ = 300 W.m-1.K-1
Not adsorbent
New adsorbent
High thermal conductivityλ = 60 W.m-1.K-1
Adsorption capacity 80%
l x 600 C x 0.8
30
AdvantagesAdvantages
High thermal conductivityHigh thermal diffusivityNo increase of pressure dropNo loss of permeabilityAdsorption capacity
31
Adsorption columnAdsorption column
32
Temperature
33
Future workSeries - parallel combination
Parallel High flow rate
SeriesIncreased Separation
Thermal Cycling Zone
34
Principle
Air + VOC
Adsorption step
Clean air
Regeneration step
Nitrogen
Electrical
current
Activated charcoal monolith
Compact heat exchanger
Cross current water
10°C150°C
Liquid VOC recovery
Peltier effectdevice
-70°C
+-
35