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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

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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

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%

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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

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

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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

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