Mejora de la densidad de potencia de TEG mediante una estructura de tubo de calor integrada
El dispositivo TEG con heatpipes integrados mejora el rendimiento de la transferencia de calor entre fuentes de frío/calor y módulos termoeléctricos. Los investigadores han introducido estructuras de tubos de calor en diseños apilados tradicionales, utilizando la alta conductividad térmica de los tubos de calor para cambiar la dirección de la transferencia de calor, haciendo que la dirección de apilamiento sea consistente con la dirección del flujo de calor, lo que ayuda a integrar más módulos termoeléctricos en un espacio limitado. A través de experimentos en banco, bajo un flujo de calor de 650 K y 50 ms-1, el dispositivo TEG puede generar una potencia de salida de 848,37 W y una densidad de potencia de nivel de sistema ultra alto de 48,22 WL-1, logrando una mejora significativa en la densidad de potencia. Mientras tanto, se puede ampliar a diferentes escenarios de aplicación cambiando la estructura de apilamiento.
La estructura del TEG presenta una configuración hexagonal en su conjunto, ensamblada apilando placas de extremo caliente, placas de extremo frío y módulos termoeléctricos entre ambas. Cada placa de extremo caliente está equipada con 12 tubos de calor de extremo caliente, que están dispuestos de manera escalonada entre diferentes capas para garantizar el rendimiento de transferencia de calor entre los tubos de calor y los gases de escape de alta temperatura; Cada placa de extremo frío está equipada con 12 tubos de calor de extremo frío en el interior, que transfieren calor a los defectos en la configuración hexagonal para enfriar y mejorar la utilización del espacio.
Las aplicaciones de ingeniería de TEG deben cumplir dos requisitos simultáneamente: generar suficiente potencia de salida en un espacio limitado y evitar una contrapresión excesiva en el escape. El autor utilizó una combinación de modelos CFD y de acoplamiento termoeléctrico para realizar simulaciones de elementos finitos sobre el rendimiento termodinámico y de generación de energía de TEG integrado con tubos de calor. Las investigaciones han demostrado que el generador termoeléctrico puede generar una diferencia de temperatura suficientemente alta en ambos extremos del módulo termoeléctrico al tiempo que garantiza una pequeña contrapresión de escape, con una potencia de salida de un solo módulo de 3,89 W.
Los investigadores primero integraron el tubo de calor con la placa plana del extremo caliente/frío para formar una unidad del extremo caliente/frío; Luego, a partir de la primera capa de placa plana hot end con entrada de escape, se realiza el montaje capa por capa y finalmente se produce un prototipo completo con 240 módulos termoeléctricos. Durante el proceso de ensamblaje de diferentes componentes, se aplica grasa térmica a la interfaz de contacto para eliminar espacios. El dispositivo TEG producido mediante este método puede ajustar las capas de apilamiento según diferentes escenarios de aplicación para generar suficiente potencia de salida y tiene una amplia gama de aplicabilidad.
Si se utilizan materiales termoeléctricos de mayor rendimiento y módulos termoeléctricos con temperaturas de funcionamiento más altas, el dispositivo TEG podrá soportar una mayor transferencia de calor, logrando así una mayor potencia de salida y densidad de potencia.
