Cellules à effet Peltier Bilan thermique et exemples d...
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29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
Cellules à effet PeltierBilan thermique
etexemples d’application
François PenotCNRS – LET – ENSMAPoitiers - Futuroscope
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
Intérêts pratiques de la thermoélectricité,
le point de vue du thermicien________
Production de froid, sans pièces mécaniques en mouvement.
Production d’électricité directement àpartir d’écarts de température
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Machine thermique
dont on fait le bilan énergétique global
par uneapproche système thermique
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Le Bilan thermique_________
on part de la vision classique
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Le Bilan thermiqueon part de la vision classique
QF
TF
PNI I
TC
QC
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Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
QF
QC
PNI I
TFcéramique
céramique TC
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
QF
céramique
QC
PNI I
TFair
aircéramique TC
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Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
QF
céramique
QC
PNI I
TFair
aircéramique TC
échangeur
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
QF
céramique
PNI I
TF
céramique
air
air
TC
échangeurair
QC
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
QF
aircéramique
PNI I
TF
céramique
air
air
TC
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
QF
aircéramique
PNI I
TF
céramique
air
air
TC
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
QF
PNI I
TF
TC
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
volume intérieurair
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
QF
PNI I
TF
TC
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
volume intérieur
Tint
air
29 juin 2007 GDR Thermoélectricité Réunion scientifique Caen
QF
PNI I
TF
TC
Le Bilan thermiqueDes résistances thermiques existent
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
volume intérieur
TintPertes
air
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Les équations de bilandes éléments Peltier
Bilan du côté froid
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−−α= FCFF TTKIRTInQ 2
21
Bilan du côté chaud
( )⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ −−+α= FCCC TTKIRTInQ 2
21
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Les équations de bilandes 2 échangeurs extrêmes
Bilan du volume intérieur
( ) Fintambintint
int QTTSht
Tm −−=∂∂
pertes vers les ambiances côté froid et côté chaud
Bilan du volume extérieur
( ) Cambextextext
ext QTTSht
Tm −−=∂∂
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QF
PNI I
TF
TC
Des anomalies possibles
céramique
céramique
air
air
échangeurair
Tamb
QC volume extérieur
volume intérieur
TintPertes
fuitesinternes
air
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Corrections
La conductance thermique K, doit être modifiée pour tenir compte de ces pertes dues aux échanges radiatifs,
convectifs et conductifs à l’intérieur même de la CEP.
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Les équations de bilan
Bilan d’une résistance de contact équivalente à une lame d’air
( ) 'int Fextairair
airairairextF QTTairS
etTCpmQ =−−
λ=
∂∂
− −
Bilan d’une céramique
( ) "int
'Fextcércér
cér
cércércércérF QTTS
etTCpmQ =−
λ=
∂∂
− −−
Bilan d’une seconde résistance de contact de l’autre côté de la céramique
( ) '"" int Fextairair
airairairextF QTTairS
etTCpmQ =−−
λ=
∂∂
− −
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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.
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Modélisation par une approche nodaleanalogie thermique – électrique
température
flux de chaleur
masse thermique
résistance thermique
tension électrique
intensité
capacité
résistance électrique
⇒
⇒
⇒
⇒
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L’approche nodaleanalogie thermique – électrique
température
flux de chaleur
masse thermique
résistance thermique
tension électrique
intensité
capacité
résistance électrique
⇒
⇒
⇒
⇒
On obtient un réseau électrique équivalentau réseau thermique
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Tamb
Tamb
QC
QF
QF
PNI
TF
I
TCTamb
QC volume extérieur
volume intérieur
TintPertes
fuitesinternes
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Quelques réalisations
- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
jet annulaire régulé en température
Breveté
Objet
ECHANGEUR
Sortie du jetAspiration
ventilateur
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Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
double circuit de ventilationextérieur CELLULE PELTIERECHANGEUR VENTILATEUR MOTEUR
ZONE DE RECIRCULATION D'AIR
toit
intérieur
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Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
CELLULE PELTIERECHANGEUR VENTILATEUR MOTEUR
ZONE DE RECIRCULATION D'AIR
15 cellules à effet Peltier réparties sur une couronne circulaire
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Quelques réalisations
- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
CEP disposées autour du ventilateur et détail
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Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
échangeur à aiguilles (très performant) et détail
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Quelques réalisations
- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
Coupe horizontale
Visualisations par tomographie laserCoupe verticale
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Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
Visualisations par tomographie laser, avec un mannequin
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Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
Visualisations par tomographie laser, avec un mannequin,vues en coupe verticale montrant le volume climatisé.
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Quelques réalisations- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
froid chaudchamps de vitesse
froid chaudchamps de température
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Quelques réalisations
- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
- Production de froid et de chaud :
la fontaine réfrigérée et chauffée
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Quelques réalisations- 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
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Quelques réalisations- 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
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Quelques réalisations- 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
1 échangeuren
convection forcée
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Quelques réalisations- Production de froid et de chaud :
la fontaine réfrigérée et chauffée, vue de l’échangeur
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
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Quelques réalisations- Production de froid et de chaud :
la fontaine réfrigérée et chauffée, vue du prototype
réservoir d’eau de 5 L
réservoir d’eau froide
réservoir d’eau chaude
échangeur
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Quelques réalisations- Production de froid et de chaud :
la fontaine réfrigérée et chauffée, résultats de mesures
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
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Quelques réalisations
- Production de froid ou de chaud :
Modulclim, dispositif de climatisation de voiture électrique.
- Production de froid et de chaud :
la fontaine réfrigérée et chauffée
- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique
Quelques réalisations- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique (imaginé pour des étudiants de l’ENSMA)
1 tricot de thermocouplesen série – parallèle100 000 jonctions
avec un écart de température
de l’ordre de 10°C.
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Quelques réalisations- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique : agencement des fibres
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Quelques réalisations- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique : modèle couplé thermique, électrique
2
21)( RITTKQAIT FCpFF +−+=1 Bilan
énergétique2
2
21)( RITTKQAIT FCpCC +−−−=
( ) RITTAIU FC −−=
Bilan électrique
3
4 nUU tot =
5 nII tot =Nombre de jonctions
totCtot IRU = Résistance de charge
6
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Quelques réalisations- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique : des résistances thermiques de contact
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Quelques réalisations- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique : un modèle électrique équivalent
Quelques réalisations- Production d’électricité :
le pull thermoélectrique : une simulation : 2,5 W sous 10 Ω
PuissanceW
m
K
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Conclusion
L’approche thermique des CEP apporte des renseignements complémentaires.
On peut faire des réalisations concrètes mais avec de mauvais rendements. Les CEP ne sont pas optimisées thermiquement
Il faut considérer le système thermique complet,Faciliter les flux thermiquesMinimiser les pertes
Des progrès restent à faire dans l’intégration des CEP dans les systèmes thermiques
Concevoir des cellules spécifiques aux applications souhaitées.
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