Development, manufacture and full experimental validation of an exhaust heat thermoelectrical generator with temperature control.

Abstract

The automotive industry is pressed with increasingly stringent efficiency and emissions goals. Vehicles are having increasing degrees of hybridization. Therefore, on-board electricity production seems highly attractive. Thermoelectric (TE) generators can directly convert the exhaust heat into electricity with no moving parts and unlike competing technologies, need little to no maintenance if carefully designed. However, they are temperature limited, and their electric output is very sensible to the thermal level. So, it is a challenge to design a system with optimized operation under the wide range of driving conditions. A novel Temperature-Controlled Thermoelectric Generator (TCTG) concept incorporating thermal control through a phase change heat spreading device incorporated into the exhaust of a vehicle was previously proposed and modelled by the group. It incorporates corrugated pipes for exhaust flow, which are embedded in a cast aluminium matrix along with variable conductance heat pipes (VCHPs) working as excess heat spreaders. This concept is designed to maximize the absorption of exhaust heat under highly variable thermal load applications while still avoiding both thermal dilution at low loads and overheating at high loads. Wherever the temperature limit is exceeded at the hotter upstream regions of the heat exchanger (HX), heat is absorbed by vaporization and spreads to the colder regions of the heat exchanger by condensation. Therefore, in high thermal load events the excess heat is spread along the HX instead of being wasted through by-pass systems, as done in existing systems. The present work performed the first full experimental validation of this concept and of the corresponding numerical model. Firstly, a previously built proof-of-concept prototype was instrumented and tested at ambient pressure with a resulting heat spreading temperature around 100ºC. Subsequently, a new TCTG prototype capable of withstanding the operating pressures needed for optimal heat spreading temperature (∼40 bar / 250ºC) was built, attached to the exhaust of an Internal Combustion Engine (ICE) and tested. Evidence for the temperature control and heat spreading previously claimed for the concept was thus obtained for the first time. Results indicate that the system is able to maximize heat absorption under highly variable thermal load and achieve TE conversion efficiencies close to the theoretical maximum, with an electrical output level that seems to be a breakthrough for road vehicle TE generators, also showing promising results in terms of fuel consumption and 𝐶𝑂2 emissions reduction.

A indústria automóvel é pressionada com objetivos de eficiência e emissões cada vez mais rigorosos. Os veículos apresentam graus crescentes de hibridização, sendo que a produção de eletricidade a bordo parece altamente atrativa. Os geradores termoelétricos (TE) podem converter diretamente o calor de escape em eletricidade sem peças móveis se forem cuidadosamente concebidos. Porém, têm limitações de temperatura, e a sua produção elétrica é muito sensível ao nível térmico. Desse modo, é um desafio conceber um sistema com funcionamento otimizado sob a vasta gama de condições de condução. Um novo conceito de gerador termoelétrico com controlo de temperatura (TCTG), incorporando o controlo térmico através de um dispositivo de distribuição de calor por mudança de fase foi anteriormente proposto e modelado pelo grupo. Este, incorpora tubos corrugados para o fluxo de escape numa matriz de alumínio fundido juntamente com os heat pipes de condutância variável (VCHPs) funcionando como espalhadores de calor em excesso. Este conceito maximiza a absorção de calor de escape sob aplicações de carga térmica variável, evitando ao mesmo tempo a diluição térmica com cargas baixas e o sobreaquecimento com cargas altas. Sempre que o limite de temperatura é excedido nas regiões mais quentes a montante do permutador de calor (HX), o calor é absorvido por vaporização e espalha-se para as regiões mais frias do permutador de calor onde condensa. Portanto, em eventos de carga térmica elevada, o excesso de calor é espalhado ao longo do HX em vez de ser desperdiçado através de sistemas de by-pass, como acontece nos sistemas existentes. O presente trabalho efetuou a primeira validação experimental deste conceito e do modelo numérico correspondente. Primeiramente, um protótipo previamente construído foi instrumentado e testado à pressão ambiente, com uma temperatura de espalhamento de calor de cerca de 100ºC. De seguida, foi construído um novo protótipo TCTG capaz de suportar as pressões de funcionamento necessárias para uma temperatura ótima de espalhamento de calor (∼40 bar / 250ºC), ligado ao escape de um Motor de Combustão Interna (ICE) e testado. Foram assim obtidas, pela primeira vez, provas para o controlo da temperatura anteriormente reivindicado para o conceito. Os resultados indicam que o sistema é capaz de maximizar a absorção de calor sob carga térmica variável e alcançar eficiências de conversão próximas do máximo teórico, com um nível de potência elétrica inovador para geradores TE de veículos rodoviários, mostrando também resultados promissores em termos de consumo de combustível e de redução de emissões de CO2.