Enceinte réfrigérée par thermoélectricité

Contexte du projet

Ce projet est mon TIPE (Travaux d’Initiative Personnelle Encadrés) réalisé en CPGE et présenté à l’épreuve orale d’admission en école d’ingénieur. L’objectif était d’étudier le refroidissement par thermoélectricité (effet Peltier) : ce phénomène physique permet de transférer de la chaleur d’une face froide vers une face chaude par application d’un courant électrique. Pour mener cette étude, j’ai réalisé un dispositif expérimental complet : une enceinte isolante équipée d’un module Peltier, de sondes de température et d’électronique de mesure.

Problématique et contraintes

• Double objectif : construire un dispositif de mesure fiable et développer un modèle numérique prédictif validé par l’expérience
• Matériel disponible au laboratoire limité : achat du matériel sur budget personnel
• Durée des expériences thermiques incompatible avec les séances en cours : mesures réalisées à domicile

Réalisations

Construction de l’enceinte

La structure est une enceinte isolante en polystyrène expansé. À l’intérieur, un radiateur “froid” est en contact avec la face froide du module Peltier pour refroidir l’intérieur de l’enceinte. À l’extérieur, un radiateur “chaud” est en contact avec la face chaude du module Peltier et dissipe la chaleur dans l’air environnant.

J’ai réalisé l’électronique sur une carte maison brasée à la main, intégrant :

• Lecture des sondes de température sur bus 1-Wire
• Écriture des données en CSV sur carte micro-SD par liaison SPI
• Lecture position du joystick par convertisseur analogique-numérique
• Affichage sur écran LCD via bibliothèque dédiée
• Relais pour le pilotage du module et du radiateur intérieur
• Carte Arduino comme microcontrôleur central

Programmation système embarqué

La partie “hardware” étant opérationnelle, j’ai ensuite :

• Développé le programme de la carte arduino pour monitorer les sondes, écrire les données en csv sur la carte sd et gérer l’interface utilisateur.
• Développé un programme python sur ordinateur, communiquant par liaison série avec le programme de la carte, pour pourvoir voir le tracé en direct pendant l’expérience des courbes de température.

Mesure expérimentales et modélisation informatique

A l’aide d’un processus expérimental et de relevés de température, j’ai finalement :

• Modélisé en équations les transferts thermiques entre les composants du système.
• Construit une simulation numérique temporelle de l’évolution des températures du système
• Comparé l’évolution de la simulation avec les données réelles mesurées pour confirmer le modèle.

Résultats

Succès du projet TIPE présenté à l’épreuve orale et obtient la note de 17/20. Pour une variation mesurée de 10 °C de la température du verre d’eau, la simulation affiche un écart de 1,9 °C. Cette erreur relative est inférieure à 20 %, un ordre de grandeur acceptable pour un modèle linéaire simplifié appliqué à un système thermique réel.

Bilan du projet et apprentissages

Une approche purement théorique de modélisation du système aurait été bien trop complexes à résoudre analytiquement. Cependant à l’aide d’un dispositif expérimental et de simplifications des équations par linéarisation, il est possible de construire un modèle numérique représentatif d’un système. Ce projet est le premier où j’ai programmé un système embarqué, conçu une carte électronique et utilisé une liaison série entre un microcontrôleur et un ordinateur. Ces fondations seront réréutilisées dans beaucoup de projets futurs.