Applications des modules à effet Peltier. d électricité. Pr. Lingai LUO LOCIE - Polytech Savoie

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Sylvaine Morel
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1 Applications des modules à effet Peltier en réfrigr frigération ration et en génération g d électricité Pr. Lingai LUO LOCIE - Polytech Savoie 1

2 p n p n jonctions p-n jonctions n-p e Pompe à chaleur 2

3 Puissance en fonction de différence de température 3

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 4

5 Application 1 Production de chaud et de froid utilisant des modules thermoélectrique avec alimentation photovoltaïque 5

6 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 6

Échangeur air Module Peltier Échangeur eau eau thermocouple

7 Description du dispositif expérimental But de l expérience: Faisabilité Valider un modèle Schéma (vue de dessus): Échangeur air Module Peltier Échangeur eau eau thermocouple mousse isolante échangeur courant continu 6cm 6cm 120 W max (froid) 14 A max 7

8 Simplification Canal : Hauteur: 0.7 mm Largeur: 10 mm Longueur: 135 mm 8

9 Modélisation du dispositif expérimental Écoulements Profil de vitesse Pertes de charge Transferts thermiques Validé par les résultats expérimentaux Généralisation au double flux Profil de températures Puissances 9

10 Relation linéaire Qf = f (Tc-Tf) Pfroide (W) I=1A I=2A I=3A I=4A I=5A T c -T f ( C) 10

11 Confrontation Expérience/Modèle perte de charge (Pa) Rectangulaire plate Shah&london exp débit volumique air à 1atm et 25 C (m3/h) Écarts < 5% 11

12 Processus expérimental Plage de débits : 100 à 500 sl/mn (21.1 C et 1 atm) Résultats typiques : (débits à 200 sl/mn) Plage d intensité : courant continu de 1 à 5 A Face chaude Air entrée Eau entrée 1A Eau sortie Air milieu échangeur 2A Air sortie 3A 4A 5A Face froide Temps (h) 12

13 COP froid en fonction de la différence de température entre les faces des modules 13

14 Modélisation du procédé de rafraîchissement Thermoélectrique (VMC-DF) Description : Système double flux Air soufflé (pièces principales) Air extrait (pièces humides ou polluées) Échangeur Air extrait/air soufflé 14

15 Modélisation (suite) Description :Système double flux thermoélectrique Air soufflé Modules Peltier Air extrait Utilisation de l air extrait pour réduire la différence de température entre faces des modules 15

16 Intégration au bâtiment But Dimensionnement Effet de la température de soufflage (T soufflé variable) Possibilité de couplage direct avec le Photovoltaïque? (COP fixé) Description 2 étages 120 m² au sol Maison récente T ext T int_étage T int_rdc Soufflage (T, débit) 16

17 Aide au dimensionnement Cas le plus défavorable: T int =28.8 C T ext = 35 C Tsoufflage = Tint 5 C = 23.8 C Pf max = 1800 W et COP>1.5 Pf (W) COP Nm=30 Nm=50 Nm=70 Nm=40 Nm=60 17

18 Application 2 Fast Thermal Swing Adsorption Using Thermoelectric Devices and New Adsorbent 18

19 Adsorption Isotherm TSA PSA Adsorbtion quantity PSA TSA T c T h P l P h Partial Pressure 19

20 Thermal Swing Adsorption TSA Adsorption Desorption Cooling Hot gas / Steam Cold gas Direct Joule effect Peltier Effect Induction Peltier Effect Peltier Effect 20

21 Objectives Rapid adsorption cycles Compact processes Process optimization Rapid input and output of thermal energy thermoelectric devices Intensified heat transfer new adsorbent 21

22 Performance Heat pumped Q c 2 ρi = 2N αit k G c h c 2G ( T T ) Heat rejected Q h 2 ρi = 2N αit k G h h c 2G ( T T ) Devices used * 6,2 cm x 6,2 cm x 0,45 cm * I max = 14 A T max = 80 C DT max = 65 * Q c =120W 31 kw.m -2 * Q h =300W 78 kw.m -2 22

23 Use of thermoelectric devices 23

24 Transient behavior Power Intensification 24

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 25

26 Exfoliated graphite After compacting Density 400 kg.m -3 Before compacting Density 70 g.m -3 26

27 Thermal conductivity Parallel to graphite sheets Perpendicular to graphite sheets 27

28 Thermoelectric Device Water Porous media structure Heat Gas Gas 28

29 Porous Medium Activated carbon Low thermal conductivity λ = 0,1 W.m -1.K -1 Adsorbent Natural Exfoliated Graphite High thermal conductivity λ = 300 W.m -1.K -1 Not adsorbent l x 600 C x 0.8 New adsorbent High thermal conductivity λ = 60 W.m -1.K -1 Adsorption capacity 80% 29

30 Advantages High thermal conductivity High thermal diffusivity No increase of pressure drop No loss of permeability Adsorption capacity 30

31 Adsorption column 31

32 Temperature 32

33 Future work Series - parallel combination Parallel High flow rate Series Increased Separation Thermal Cycling Zone 33

34 Principle Adsorption step Clean air Regeneration step Nitrogen Peltier effect device Activated charcoal monolith Electrical current Compact heat exchanger -70 C + - Air + VOC 150 C 10 C Liquid VOC recovery Cross current water 34

35 35

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