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