Présentation d’une unité thermoélectrique innovante

IV.2Présentation d’une unité thermoélectrique innovante

IV.2.1 Fonction 1 : association en cascade

Le problème majeur qu’implique l’association en cascade telle que nous l’avons décrite

vient de la nécessité d’une boucle de circulation fermée de fluide entre chaque étage de la

cascade et donc d’un nombre important de pompes. Afin de parer cet inconvénient, nous

avons imaginé la possibilité d’effectuer le transfert thermique entre deux étages de la cascade

uniquement par conduction thermique au sein d’un unique échangeur au lieu du transfert

convectif au sein de deux échangeurs consécutifs. Nous observerons par la suite que la

résistance thermique entre deux étages de la cascade par conduction seule est bien inférieure à

celle par convection via deux échangeurs. Comme l’illustre la figure IV-1, lors d’un

fonctionnement en mode cascade complète du système :

- un échangeur (5) est parcouru par le fluide utile,

- un échangeur (1) est parcouru par le fluide source.

SOURCE

UTILE

1

2

3

4

5

1-2

2-3

3-4

4-5

Échangeur

Module

thermoélectrique

Fluide utile

Fluide source

Figure IV-1 : Association en cascade au moyen du système innovant.

Le phénomène de cascade thermique a lieu entre ces deux échangeurs via les modules

thermoélectriques et les échangeurs intermédiaires (2-3-4). La même intensité électrique est

appliquée à chacun des modules thermoélectriques. Le transfert thermique depuis le fluide

source vers le fluide utile a lieu :

- par convection au niveau de l’échangeur 1,

- par conduction seule au niveau des échangeurs 2, 3 et 4,

- par convection au niveau de l’échangeur 5 afin de céder le flux thermique au

fluide utile.

Signalons également que la cascade thermique pourrait être réduite en faisant circuler le

fluide utile dans l’échangeur 3 (par exemple) et en découplant du reste du système les

échangeurs 4 et 5 ainsi que les deux modules thermoélectriques associés (3-4 et 4-5) afin de

stopper le transfert thermique.

IV.2.2 Fonction 2 : association en parallèle

La configuration imaginée afin de répondre de manière optimale à l’association en

cascade d’unités thermoélectriques implique également un fonctionnement nouveau en mode

parallèle. Classiquement, les échangeurs utilisés pour les pompes à chaleur thermoélectriques

ne sont chauffés ou refroidis que sur une seule face. Or, la configuration imaginée nécessite

un transfert de chaleur depuis les deux faces des échangeurs au cœur du système. Seuls les

deux échangeurs aux extrémités du système permettront de dissiper ou absorber la chaleur sur

une seule face, pour ensuite la transférer aux fluides caloporteurs côtés source et utile. La

figure IV-2 représente un fonctionnement en parallèle du système.

SOURCE

UTILE

Échangeur

Module thermoélectrique

Puissance thermique

unitaire source

Fluide utile

Fluide source

1

2

3

4

5

Puissance thermique

unitaire utile

1 2 3 4

Figure IV-2 : Association en parallèle au moyen du système innovant.

Nous désignons par puissance unitaire source et utile les puissances optimales côtés

chaud et froid correspondant au COP maximal pour des conditions de température des fluides

données. Ces puissances thermiques unitaires source et utile ne varient pas d’un échangeur à

l’autre. En effet, le débit étant invariant d’un échangeur à l’autre, l’intensité optimale

(correspondant au COP maximal) à fournir à chaque module thermoélectrique sera identique.

Pour la réalisation de notre travail, nous avons considéré les échangeurs aux extrémités

comme identiques d’un point de vue géométrique à ceux au cœur du système. Ainsi, le débit

circulant dans ces deux échangeurs est également identique à ceux circulant dans les

échangeurs intermédiaires. On distingue les échangeurs servant à dissiper une puissance

thermique de ceux servant à absorber une puissance thermique.

Le système engendre quatre puissances unitaires utiles et sources. L’échangeur 3 dissipe

deux fois la puissance unitaire source et les échangeurs 1 et 5 la dissipent une fois. Les

échangeurs 2 et 4 dissipent tous les deux 2 fois la puissance unitaire utile.

Il est important de noter que le nombre d’échangeurs d’un tel système doit être impair et

donc posséder un ensemble pair de modules thermoélectriques entre les échangeurs. Si le

nombre d’échangeurs était pair, un des échangeurs absorberait une puissance thermique sur

une de ces faces et la dissiperait côté opposé, annulant ainsi tout bénéfice. De ce fait, le

nombre d’échangeurs du système répondra alors à la relation suivante :

1

ech ech

utile source

N =N − [IV.1]

IV.2.3 Dimensionnement de l’unité thermoélectrique

Une unité thermoélectrique est définie comme un ensemble de 3 échangeurs avec, entre

eux, un ensemble de module thermoélectrique. La configuration et le nombre de modules

thermoélectriques associés à un échangeur sont des éléments importants qu’il est nécessaire

de déterminer. Nous pouvons associer en parallèle thermiquement des modules

thermoélectriques afin de multiplier la puissance thermique fournie, ou bien les associer en

cascade afin d’améliorer le COP avec comme contrepartie une baisse de la puissance utile

unitaire optimale. Un mixe des deux associations est également possible (figure IV-3).

Figure IV-3 : Agencement possible des modules thermoélectriques

La mise en cascade de deux modules thermoélectriques engendre une réduction de la

puissance optimale sensiblement équivalente à celle générée par un unique module (fonction

de la valeur de la résistance de cascade) pour les mêmes conditions de température du fluide

source et utile (tableau III-1). Ainsi, avec un agencement de deux ensembles de deux modules

en cascade mis en parallèle on obtient une puissance optimale équivalente à celle d’un unique

module. Et dans le même temps, le COP optimal est amélioré (figure IV-4).

Figure IV-4 : Equivalence de deux configurations d’unités thermoélectriques

IV.2.3.1 Modules thermoélectriques en parallèle entre les échangeurs

Le nombre de modules thermoélectriques en parallèle entre deux échangeurs dicte la

puissance unitaire de l’unité thermoélectrique pour des températures de fluides données. Plus

le nombre de modules en parallèle sera élevé plus l’unité thermoélectrique aura une puissance

unitaire élevée. L’avantage d’opter pour une unité thermoélectrique à faible puissance unitaire

est d’offrir une modularité au système bien plus importante que dans le cas d’une unité

thermoélectrique très puissante. L’inconvénient d’une solution composée de petites unités

thermoélectriques est que la mise en cascade desdites unités donnent alors des puissances

optimales bien trop faibles. Ainsi, nous perdons un des avantages de la mise en cascade

d’unités thermoélectriques par le biais du système innovant (transfert par conduction

thermique seule) à savoir une amélioration du COP pour des conditions de température

données.

Il faut également considérer le problème important de planéité aussi bien des modules

thermoélectriques que des échangeurs. Dans sa thèse de doctorat, Cosnier avait mesuré

l’épaisseur de 50 modules thermoélectriques [Cosnier 2008]. Les résultats montraient une

épaisseur variant de 4,72 mm à 4,92 mm pour une valeur supposée dans le catalogue de 4,5

mm. Enfin, il avait analysé la planéité de chacune des faces de 5 modules thermoélectriques à

l’aide d’un marbre et au moyen de 49 points de mesure par face. Les résultats étaient assez

significatifs. La face froide du module présente un bombé en son centre avec un écart de

hauteur moyen de 0,15 mm (maximum 0,18 mm) avec la périphérie du module. Ces défauts

de planéité et d’homogénéité d’épaisseur entre les modules thermoélectriques sont de nature à

venir impacter les transferts de chaleur de manière significative. Nous avons donc choisi de ne

pas associer de modules thermoélectriques en parallèle entre les échangeurs. Ce choix permet

de s’affranchir du problème d’inhomogénéité des épaisseurs de module et de limiter l’impact

de la non planéité de ces mêmes modules thermoélectriques. Par ailleurs, assurer une parfaite

planéité à un échangeur de petite surface est plus aisé que pour une grande surface.

IV.2.3.2 Modules thermoélectriques en cascade directe entre les échangeurs

L’association en cascade directe de modules thermoélectriques pour des températures de

fluide données, améliore le COP en comparaison avec un unique module (III.4.2.3). Une telle

association implique également une baisse de la puissance utile optimale et nécessite donc un

nombre plus important de modules en comparaison à une solution classique pour produire une

puissance donnée. Il est nécessaire de confronter l’amélioration du COP par la mise en

cascade directe avec le surcoût d’investissement, afin de déterminer s’il existe un intérêt à la

mise en cascade directe, et combien de modules doivent être associés de la sorte. Le tableau

IV-1 illustre l’amélioration du COP qu’engendre la mise en cascade de 2, 3, 4 et 5 modules

thermoélectriques en comparaison avec le COP obtenu avec un unique module. Une nette

amélioration est obtenue dès lors que nous associons deux modules en cascade (environ 14%).

Ce pourcentage d’amélioration du COP devient plus faible dès la mise en cascade de 3

modules.

Tableau IV-1 : Pourcentage d’amélioration du COP par la mise en cascade directe de

modules thermoélectriques

Au vu de ces premiers résultats, nous décidons d’opter pour la mise en cascade directe de

deux modules thermoélectriques au maximum. En effet, au-delà, le nombre de modules

nécessaires devient beaucoup trop important au vu de l’amélioration en terme de COP que

cela engendre. Une analyse économique plus poussée sera présentée dans le dernier chapitre

lors du couplage du système à un bâtiment.

Dans le document Amélioration de l'efficacité énergétique d'une solution innovante de chauffage basse température et de rafraîchissement (Page 77-82)