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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 −−=∂
∂
18
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=
∂∂
− −
20
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
23
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
26
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
27
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
28
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
31
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
32
Canal :
Hauteur: 0.7 mm
Largeur: 10 mm
Longueur: 135 mm
• Simplification
33
• 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
36
• Simplification
TE
Aluminium
Graisse thermiqueCuivre
Module thermoélectrique
Air
symétrie
37
• 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
38
• Mise en équation
TE
Coefficients de convection (hc )> Coté
air : Sieder & Tate (régime laminaire établi dans des canaux)> Coté
eau : Bowmann (échangeur à
chicane)
39
• 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
41
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
42
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
43
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)
44
• 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
45
Application 2Application 2
Fast Thermal Swing Adsorption Fast Thermal Swing Adsorption UUsing Thermoelectric Devices and sing Thermoelectric Devices and
NNewew AdsorbentAdsorbent
46
Ads
orbt
ion
quan
tity
Partial Pressure
Tc
Th
Adsorption
IsothermTSA
TSA
PSA
PhPl
PSA
47
Thermal Swing Adsorption TSA
Adsorption Desorption CoolingHot gas / Steam Cold gas
Direct Joule effect
Induction
Peltier
Effect Peltier
EffectPeltier
Effect
48
Objectives
Rapid adsorption cycles
Compact processes
Process optimization
Rapid input and
output of thermal energy
thermoelectric devices
Intensified heat transfer
new adsorbent
49
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
50
Use of thermoelectric devices
51
Transient
behaviorPower Intensification
52
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
53
Exfoliated graphite
Before compacting
After compactingDensity 400 kg.m-3
Density 70 g.m-3
54
Thermal conductivity
Parallel to graphite sheets Perpendicular to graphite sheets
55
Porous media
structure
Ther
moe
lect
ric D
evic
eW
aterHeat
Gas Gas
56
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
57
AdvantagesAdvantages
High thermal conductivityHigh thermal diffusivityNo increase of pressure dropNo loss of permeabilityAdsorption capacity
58
Adsorption columnAdsorption column
59
Experimental Set-up
He -
CO2 mix
60
Modeling
Thermoelectric Device Graphite
Gas
Activated carbon
Adsorbed phase
Water
Adsorption column
Heat flux
Gas inlet Gas outlet
Mass flux
61
Model equations
Kinetic equation
Adsorbate mass balance
Graphite heat balance
Activated carbon heat balance
Global heat balance
∂ Tgr+
∂ t+ +1 − γ
γ 1 − ε Rch + Rads Ad q + ∂ Tch+
∂ t+ +1 − γ
γ ε Rg y 1 + 1 − εε β
∂ Tg+
∂ t+ + u+∂ Tg+
∂ z =
1Peth
∂2 Tgr+
∂ z2 −1 – γ
γ Rads Ad ∂ q +
∂ t+Δ h ads Tads
cpadsTo+
1 − γγ ε Po
Pgr1 +
1 − εε β ∂ P+
∂ t+ + u+∂ P+
∂ z
1 − ε Rch + Ad Rads q+ ∂ Tch+
∂ t+ = 1 − ε Rg NtchLdp
Tgr+ − Tg
+
∂ Tgr+
∂ t+ = 1Pe th
∂2 Tgr+
∂ z2 + RgNtgr Tg+ − Tgr
+
1 + 1 − εε β ∂ x1
∂ t+ + u +∂ x1
∂ z + Ad T+
P+ x2∂ q+
∂ t+ = 1Pem
∂2 x1
∂ z2
∂ q+
∂ t+ = Stm q*+ − q+
62
Temperature
63
Concentration
64
Future workSeries -
parallel combination
Parallel High flow rate
SeriesIncreased Separation
Thermal Cycling Zone
65
Increase Productivity Rapid Cycling
Rapid Temperature Changes
High Thermal ConductivityAdsorption CapacityFlow Permeability
Low Thermal capacity
Energy ControlLow inertiaModularity
Materials Process
Composite Adsorbent Thermoelectric Device
Conclusion
66
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
+-
67
0123456789
0 5 10 15 20 25time (h)
Adsorption breakthrough
Feed concentration = 8g/m3
T=22°CFeed flowrate= 3,2 L/min
Toluene free effluent
68
Electrodesorption
front
0
2
4
6
8
10
0 1 2 3 4 5 6time (h)
I= 2A
Power= 18 W Purge flowrate= 1,6 L/minAdsorption
feed concentration = 23 g/m3
69
70
Quelques autres applications
- Production de froid ou de chaud
- Production électricité
71
Production de froid et de chaud : la fontaine réfrigérée et chauffée
1,5 L d’eauà la
températurede + 5°C
0,5 L d’eauà la
températurede 80 °C
breveté
2 cellules à
effet Peltier
72
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
73
réservoir d’eau de 5 L
réservoir d’eau froide
réservoir d’eau chaude
échangeur
74
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
75
Schematic of solar PV/battery thermoelectric refrigerator (prototype, Wang 2003)
Outdoor
use (2-3 persons), T = 5-10°C, COP = 0.3
76
Thermoelectric car cooler and warmer
Thermoelectric Wine Cellar
77
Polycarbonate thermoelectric plates and bowls for your healthy eating
78
Schematic of demotic hot water and solar-driven thermoelectric air conditioner hybrid system
(Khedari
1999)heat up water of 120 liters to 50� within 2 hours
79
Schematic of the active thermal wall
(Vazquez 2001)
80
Schematic of solar-driven thermoelectric cooling headgear(Hara 1998)
DT = 4 -
5 °C
81
- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique (imaginé pour des étudiants de l’ENSMA)
1 tricot de thermocouplesen série –
parallèle
100 000 jonctionsavec
un écart de température de l’ordre de 10°C.
82
83
2
21)( RITTKQAIT FCpFF +−+=1
6
22
21)( RITTKQAIT FCpCC +−−−=
3 ( ) RITTAIU FC −−=
4 nUU tot =
5 nII tot =
totCtot IRU =
Bilan énergétique
Bilan électriqueNombre de
jonctions
Résistance de charge
84
Mirco-générateurEn 1990, l’Institut de Thermoélectricité a développé un micro-générateur installé dans le couvercle arrière d'une montre.
Seiko. (module TE: 120*120 μ
)
85
L’institut Technologique thermoelectrique du Japon1242 couples, 13.8 μW/K et 515 mV/K
86