applications des modules à à effet peltier en
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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
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2
p pn njonctions p-n
jonctions n-p
e-
+ -
Pompe à chaleur
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Puissance en fonction de différence de température
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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
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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
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Canal :
Hauteur: 0.7 mm
Largeur: 10 mm
Longueur: 135 mm
• Simplification
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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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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)
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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%
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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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COP froid en fonction de la différence de températureentre les faces des modules
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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
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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
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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)
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• 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
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Application 2Application 2
Fast Thermal Swing Adsorption Fast Thermal Swing Adsorption UUsing Thermoelectric Devices and sing Thermoelectric Devices and
NNewew AdsorbentAdsorbent
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Ads
orbt
ion
quan
tity
Partial Pressure
Tc
Th
Adsorption
IsothermTSA
TSA
PSA
PhPl
PSA
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Thermal Swing Adsorption TSA
Adsorption Desorption CoolingHot gas / Steam Cold gas
Direct Joule effect
Induction
Peltier Effect Peltier EffectPeltier Effect
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Objectives
Rapid adsorption cycles
Compact processes
Process optimization
Rapid input and output of thermal energy
thermoelectric devices
Intensified heat transfer
new adsorbent
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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
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Use of thermoelectric devices
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Transient behavior Power Intensification
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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
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Exfoliated graphite
Before compacting
After compactingDensity 400 kg.m-3
Density 70 g.m-3
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Thermal conductivity
Parallel to graphite sheets Perpendicular to graphite sheets
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Porous media structure
Ther
moe
lect
ric D
evic
eW
aterHeat
Gas Gas
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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
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AdvantagesAdvantages
High thermal conductivityHigh thermal diffusivityNo increase of pressure dropNo loss of permeabilityAdsorption capacity
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Adsorption columnAdsorption column
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Temperature
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Future workSeries - parallel combination
Parallel High flow rate
SeriesIncreased Separation
Thermal Cycling Zone
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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
+-
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