Miglioramento della densità di potenza TEG attraverso la struttura integrata del tubo di calore
Il dispositivo TEG con tubi di calore integrati migliora le prestazioni di trasferimento del calore tra fonti di freddo/calore e moduli termoelettrici. I ricercatori hanno introdotto strutture di tubi di calore nei tradizionali progetti impilati, utilizzando l’elevata conduttività termica dei tubi di calore per cambiare la direzione del trasferimento di calore, rendendo la direzione di impilamento coerente con la direzione del flusso di calore, il che aiuta a integrare più moduli termoelettrici in uno spazio limitato. Attraverso esperimenti al banco, con un flusso di calore di 650 K e 50 ms-1, il dispositivo TEG può generare una potenza di uscita di 848,37 W e una densità di potenza a livello di sistema ultraelevata di 48,22 WL-1, raggiungendo un miglioramento significativo della densità di potenza. Nel frattempo, può essere esteso a diversi scenari applicativi modificando la struttura di impilamento.
La struttura del TEG presenta una configurazione esagonale nel suo insieme, assemblata impilando piastre all'estremità calda, piastre all'estremità fredda e moduli termoelettrici tra i due. Ciascuna piastra hot-end è dotata di 12 tubi di calore hot-end, disposti in modo sfalsato tra diversi strati per garantire le prestazioni di trasferimento del calore tra i tubi di calore e il gas di scarico ad alta temperatura; Ciascuna piastra dell'estremità fredda è dotata all'interno di 12 tubi di calore dell'estremità fredda, che trasferiscono il calore ai difetti nella configurazione esagonale per il raffreddamento e migliorano l'utilizzo dello spazio.
Le applicazioni ingegneristiche TEG devono soddisfare due requisiti contemporaneamente: generare una potenza di uscita sufficiente in uno spazio limitato ed evitare un'eccessiva contropressione allo scarico. L'autore ha utilizzato una combinazione di modelli CFD e di accoppiamento termoelettrico per condurre simulazioni agli elementi finiti sulle prestazioni termodinamiche e di generazione di energia di TEG integrati con tubi di calore. La ricerca ha dimostrato che il generatore termoelettrico può creare una differenza di temperatura sufficientemente elevata su entrambe le estremità del modulo termoelettrico garantendo al tempo stesso una piccola contropressione allo scarico, con una potenza di uscita di un singolo modulo di 3,89 W.
I ricercatori hanno innanzitutto integrato il tubo termico con la piastra piana dell'estremità calda/fredda per formare un'unità terminale caldo/freddo; Successivamente, partendo dal primo strato di piastra piana hot end con ingresso di scarico, si procede all'assemblaggio strato dopo strato, fino ad arrivare alla produzione di un prototipo completo con 240 moduli termoelettrici. Durante il processo di assemblaggio di diversi componenti, viene applicato grasso termico sull'interfaccia di contatto per eliminare gli spazi vuoti. Il dispositivo TEG prodotto con questo metodo può regolare gli strati di impilamento in base a diversi scenari applicativi per generare una potenza di uscita sufficiente e ha un'ampia gamma di applicabilità.
Se vengono utilizzati materiali termoelettrici con prestazioni più elevate e moduli termoelettrici con temperature operative più elevate, il dispositivo TEG sarà in grado di sopportare un maggiore trasferimento di calore, ottenendo così una potenza di uscita e una densità di potenza più elevate.
