Technologies de récupération d’énergie à l’échappement

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Echangeur thermique

De nombreux projets de développement thermoélectriques ont été effectués à partir d’échangeurs à plaques (plate & fins). Des modules de grandes tailles (> 50 x 50 mm²) ont été utilisés (projets américains : BSST Phase 1 en 2008 [124], General Motors en 2011 [87], etc…) mais sans obtenir les performances (puissance électrique et rendement) souhaitées. En effet, la planéité des plaques d’échangeur chaud et la qualité du bridage des modules sont deux paramètres majeurs pour qu’un tel générateur thermoélectrique soit performant, et aucune solution industrielle ne semble exister actuellement à coût acceptable. Plusieurs projets se sont donc portés sur l’utilisation de modules de plus faibles tailles (< 20 x 20 mm²), malgré l’inconvénient immédiat de la complexification du système (beaucoup plus de modules sont nécessaires, l’assemblage est plus complexe, et il faut relier tous les modules entre eux électriquement). Le CEA Tech s’est porté quant à lui sur l’utilisation de tubes fins (tubes & fins) et de modules de petites tailles. C’est également une solution similaire qui a été retenue dans le projet FP7-Transport HeatReCar [88] (générateur thermoélectrique de 500 W à partir de composants « commerciaux »). Les caractéristiques des échangeurs utilisés sont présentées dans l’annexe A.1. Il est également nécessaire de mentionner qu’une autre architecture, cylindrique (ring shape), a également été développée dans plusieurs projets de recherche, dont le projet FUI15 RENOTER2 avec entre autres HotBlock OnBoard et Valeo [125].

Echangeur monotube (Echangeur A)

L’échangeur monotube est composé d’un tube à ailettes internes, en acier inoxydable, monté entre deux brides. Les ailettes internes s’apparentent à un design « flat tube & fin » sur le plan de l’échange thermique mais sont construits à partir d’une architecture de type « plate & fin ». L’entrée et la sortie du fluide chaud dans l’échangeur thermique sont assurées respectivement par un convergent et par un collecteur divergent, chacun vissé à une flasque et étanchéifié par un joint en graphite. Aux extrémités extérieures du divergent et du convergent, sont soudés deux tubes pour assurer la connexion à l’échappement du moteur (Figure II.1).

Echangeur triple tubes (Echangeur B)

L’échangeur triple tube (échangeur B) est composé de 3 tubes à ailettes internes, montés en parallèle entre deux plaques collectrices. La distribution et la collecte du fluide chaud dans l’échangeur thermique sont assurées respectivement par un distributeur divergent et par un collecteur convergent. Pour limiter les déformations induites par le soudage, pouvant conduire à une dégradation des contraintes dimensionnelles (ex : défaut de parallélisme entre les tubes), deux tubes épais de section rectangulaire ont été soudés entre le divergent (la première plaque collectrice, à gauche sur la Figure II.2) et le convergent (la seconde plaque collectrice, à droite sur la Figure II.2). Ces tubes épais de section rectangulaire assurent ainsi une fonction de masse thermique lors du soudage, réduisant ainsi le retrait des pièces après cette opération. Aux extrémités extérieures du divergent et du convergent sont soudés deux tubes pour assurer les connexions à la source de chaleur côté chaud (Figure II.2).

Echangeur cinq tubes (Echangeur C)

L’échangeur cinq tubes est composé de η tubes (échangeur C) à ailettes internes, en acier inoxydable, montés en parallèle entre deux plaques collectrices (aussi appelées flasques).
Les ailettes internes de l’échangeur thermique côté chaud s’apparentent à un design « flat tube & fin » sur le plan de l’échange thermique mais sont construites à partir d’une architecture de type « plate & fin » avec un design d’ailettes en « Wavy ». Ces tubes sont composés d’ailettes en acier inoxydable brasés à l’intérieur d’un tube plat relativement fin (il est possible d’apercevoir les marques laissées par les modules), formé par 2 parois d’échanges thermiques et par 2 barrettes latérales. La distribution du fluide chaud dans l’échangeur thermique et sa collecte à la sortie sont assurées respectivement par un distributeur divergent et par un collecteur convergent, chacun vissé à un flasque et étanchéifié par un joint en graphite. Aux extrémités extérieures du divergent et du convergent sont soudés deux tubes afin d’assurer les connexions à la source de chaleur côté chaud (Figure II.3).
Figure II.3 – Echangeur cinq tubes

Echangeur thermique côté froid

L’échangeur thermique du côté froid sert à assurer le refroidissement des modules thermoélectrique positionnés sur la face inférieure et supérieure. Le refroidissement est obtenu par la circulation d’un fluide caloporteur (eau de ville pendant les essais) dans un réseau de tubes formant un circuit ouvert. La chaleur est ensuite transmise aux modules thermoélectriques via des diffuseurs thermiques en aluminium. Les échangeurs froids intègrent un système de serrage permettant de maintenir un contact mécanique optimum entre les modules thermoélectriques et les échangeurs chauds/froids. Pour chaque type d’échangeurs thermique qui a été intégré sur une ligne des gaz d’échappement, différentes solutions ont été mises en oeuvre afin d’assurer le bridage des modules (intégrant l’échangeur froid) et ces derniers sont présentés dans la suite du manuscrit.

Echangeur monotube

L’échangeur thermique du côté froid est composé de 2 plaques froides, assurant le refroidissement des modules thermoélectrique positionnés sur les faces inférieure et supérieure. Le refroidissement est obtenu par la circulation du fluide caloporteur dans un réseau de tubes ¼ po en cuivre. La chaleur est ensuite transmise aux modules thermoélectriques via des diffuseurs thermiques en aluminium brasés autour des tubes en cuivre (Figure II.4). Chaque module thermoélectrique est donc refroidi individuellement par un diffuseur thermique. Le réseau de tube en cuivre est assemblé avec des flexibles en acier inoxydable.
Figure II.4 – Echangeur froid, TEG monotube

Echangeur triples tubes

L’échangeur thermique du côté froid est presque identique à celui de monotube, à la différence que les diffuseurs thermiques sont montés sur un réseau de tubes en cuivre pour former un système de refroidissement commun pour tous les modules. Le réseau de tubes en cuivre est assemblé de sorte qu’il assure un échange à co-courant ou contrecourant avec l’écoulement du gaz de l’échangeur thermique côté chaud (suivant le sens de circulation du fluide). Dans l’étude réalisée, la circulation de fluide froid a été choisie à contre-courant. Par face, 3 tubes en cuivre sont donc en parallèles, alimentant chacun 5 diffuseurs thermiques en série (Figure II.5).

Echangeur cinq tubes

L’échangeur thermique du côté froid du TEG η tubes est composé de 2 plaques froides, assurant le refroidissement des modules thermoélectrique positionnés sur les faces inférieure et supérieure de l’échangeur thermique côté chaud. Chaque plaque froide est composée 8 MPE (Multi Port Extrusion) en aluminium, disposés en parallèle, brasés aux extrémités à un collecteur et à un distributeur. Chaque MPE est composé de 8 canaux hydrauliques (Figure II.6). Le refroidissement est obtenu par la circulation du fluide caloporteur dans le réseau de MPE. Chaque MPE assure le refroidissement d’une rangée de modules thermoélectrique. Le comportement malléable et conformable des MPE assure un très bon contact thermique avec les modules thermoélectrique une fois bridés et surtout un coût d’utilisation très faible. Lorsque les plaques froides sont en place, le réseau de MPE assure un échange thermique à courant croisé avec l’écoulement du gaz circulant dans l’échangeur de chaleur côté chaud.

Système de bridage

Pour assurer un bon contact thermique entre les modules thermoélectriques et les échangeurs thermiques, un système de bridage équipe le dispositif expérimental. Son objectif est de garantir une contrainte de compression permanente et permettre le réglage entre les modules thermoélectriques et les échangeurs thermiques.

Echangeur monotube

Le système de bridage du TEG monotube est individuel pour chaque colonne, d’où la présence de deux systèmes de bridage dont chacun est composé de 2 plaques équipées d’un ensemble tige filetée/ressort/écrou (Figure II.7), permettant d’appliquer individuellement une contrainte de compression maximale de 8.9 MPa (soit 3560 N appliquée pour une module de 20 x 20 mm²) sur chaque module TE de part et d’autre de l’échangeur chaud.
L’effort de bridage des modules étant transmis par les plaques froides, chaque diffuseur thermique en aluminium est pourvu d’une empreinte sur sa face extérieure assurant le calage du système de bridage et minimisant ainsi la résistance thermique de contact entre les plaques froides et les modules thermoélectriques.

Echangeur triple tubes

Le système de bridage complet du TEG triple tubes est composé de 6 plaques, chacune équipée de η ensembles tige filetée/ressort/rotule, permettant d’appliquer individuellement la contrainte de compression sur chaque module TE. Les plaques sont montées par paire, le long des tubes de l’échangeur thermique côté chaud et solidarisées par 3 tirants traversant. Avant serrage, les ressorts sont libres, donc dépourvus de précontrainte (Figure II.8). La contrainte de compression d’un ressort évoluant  linéairement en fonction du déplacement, chaque tour de tirants entraine un rapprochement de 1mm et applique un effort de 141 N sur les modules thermoélectrique.
Le système est bridé de telle sorte à avoir une contrainte de 0.7 MPa.tours-1 de vis (soit 280 N appliquée pour une module de 20 x 20 mm²) si le système est complet, et aux alentours de 0.35 MPa.tour-1 de vis si la partie supérieure est montée seule.
L’effort de bridage des modules étant transmis par les plaques froides, chaque diffuseur thermique en aluminium est pourvu d’une empreinte sur sa face extérieure assurant le calage du système de bridage.

Table des matières

Introduction
Chapitre I Etude bibliographique
I.1 Contexte économique et environnementale du secteur marin
I.2 Technologies de récupération d’énergie à l’échappement
I.2.1 Turbo-compound
I.2.2 Cycle à Vapeur
I.2.3 Cycle de Rankine
I.2.4 Thermoélectricité
I.3 Principe thermoélectrique (effet Peltier et Seebeck)
I.3.1 Effets thermoélectriques
I.3.2 Principe physique de l’effet Seebeck
I.4 Matériaux thermoélectrique
I.4.1 Facteur de mérite (ZT)
I.4.2 Historique des matériaux thermoélectriques
I.5 Applications industrielles de la thermoélectricité
I.5.1 Applications matures
I.5.2 Applications en développement
I.6 Etat de l’art des générateurs thermoélectriques pour application moteur à combustion
I.6.1 Description d’un générateur thermoélectrique
I.6.2 Générateurs thermoélectriques pour application automobile
I.7 Etat de l’art des moyens de tests d’échangeurs thermoélectriques
I.8 Etat de l’art de la modélisation en thermoélectricité
I.8.1 Modèle Simplifié
I.8.2 Modèle simplifié amélioré
I.8.3 Modélisation analytique
I.8.4 Modélisation en utilisant une analogie électrique
I.8.5 Modèle numérique basé sur une discrétisation éléments finis
I.8.6 Comparaison des différents modèles
I.9 Etat de l’art de l’effet de pulsation des gaz à l’échappement sur les échangeurs thermiques et thermoélectriques
Chapitre II Dispositifs expérimentaux
II.1 Générateurs thermoélectriques
II.1.1 Echangeur thermique
II.1.2 Echangeur thermique côté froid
II.1.3 Système de bridage
II.2 Banc d’essais du générateur thermoélectrique
II.2.1 Instrumentation et contrôle de l’environnement
II.2.2 Instrumentation de l’échangeur côté chaud
II.2.3 Instrumentation de l’échangeur coté froid
II.2.4 Banc de charge électrique
II.3 Banc moteur
II.3.1 Présentation générale
II.3.2 Instrumentation moteur
II.3.3 Capteurs de pressions instantanées
II.4 Banc culasse
II.4.1 Contrôle du banc culasse
II.4.2 Instrumentation
II.5 Système d’acquisition
Chapitre III Caractérisation expérimentale
III.1 Présentation des modules thermoélectriques utilisés pendant la thèse
III.1.1 Module Bi2Te3 (CIDETE)
III.1.2 Module Bi2Te3 (ThermoGen)
III.1.3 Module Si80Ge20 (HotBlock OnBoard)
III.2 Caractérisation des modules thermoélectriques installés dans l’échangeur monotube (échangeur A) sur banc d’essai à air chaud
III.2.2 Caractérisation des modules Bi2Te3 de ThermoGen
III.2.3 Caractérisation des échangeurs thermiques A, B et C sur banc d’air chaud
III.3 Effet de la pression de serrage
III.3.1 Procédure expérimentale
III.3.2 Résultats expérimentaux (échangeur B)
III.3.3 Rendement de conversion
III.4 Mise en équation et analyse
III.4.1 Pression de contact
III.4.2 Analyse
Chapitre IV Modélisation
IV.1 Présentation du logiciel GT Suite
IV.2 Modèle 0D/1D échangeur
IV.3 Résultats expérimentaux – mesure des flux
IV.3.1 Fluxmètres
IV.3.2 Analyse
IV.4 Modélisation
IV.4.1 Circuit chaud
IV.4.2 Circuit froid
IV.4.3 Module thermoélectrique
IV.5 Etude des différentes configurations
Chapitre V Caractérisation expérimentale des écoulements pulsés
V.1 Essais Moteur
V.1.1 Influence de la composition de gaz
V.1.2 Influence des pulsations
V.2 Essais avec le banc culasse
V.2.1 Performance modules
Conclusion et perspectives
Publications
Annexe A Détails des équipements utilisés durant les essais
A.1 Dimensions des échangeurs
A.2 Banc TEG et Banc culasse
A.2.1 Liste des appareils
A.2.2 Liste du matériel d’instrumentation/acquisition
A.2.3 Liste des instruments de contrôle/commande
A.3 Banc moteur
A.3.1 Liste des appareils
A.3.2 Liste du matériel d’instrumentation/acquisition de la maquette TE
A.3.3 Liste du matériel d’instrumentation/acquisition du moteur
A.3.4 Incertitude des appareils de mesure du moteur
A.3.5 Liste des instruments de contrôle/commande
Annexe B Points de fonctionnement moteur
Bibliographie

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