Development of a thermoelectric generator for the exhaust of a vehicle

Abstract

The automotive industry is facing increasingly tighter targets regarding the emissions of greenhouse gases and pollutants. Added to this, there is a need to achieve higher energetic efficiencies in automotive applications. One of the ways to achieve this is to implement technologies and devices that allow to recover waste energy. The thermal power released by the exhaust gases has a great potential of recovery due to the high exhaust temperatures. This thermal energy can be converted into electricity by the Seebeck effect using thermoelectric generator modules. The research group of the Internal Combustion Engines Lab of UMinho has been exploring a concept of such a generator which has the ability of controlling the temperature to which the modules are subjected. This is made through the use of a thermosiphon / heat pipe (HP) device placed as a thermal buffer between the heat source (exhaust gases) and the thermoelectric modules. It converts the heat source temperature down to the desired level for the modules (~250 ºC) by means of a phase change process. The temperature control is made by controlling the phase change temperature with the inner pressure of the HP buffer. In the present work several sections of the thermoelectric generator concept have been modelled and assessed. This was made, on one hand, by improving and updating an existing MATLAB program which models the thermal and electric phenomena occurring in the generator through analytical and empirical analyses, and on the other hand, by modelling the exhaust heat exchanger through Computational Fluid Dynamics (CFD) techniques. The main contributions of the present work were: the update of the existing model with an unsteady heat transfer model of the exhaust heat exchanger based on explicit and implicit finite difference methods (a computational time reduction of more than 90% for driving cycle simulations was achieved with the implicit method, and with lower accumulated errors); the modelling of the heat transfer at the water cooling system, in which a comparison in terms of heat transfer and pressure drop was made between series and parallel ducts configuration; the improvement of the thermosiphon /HP model in order to allow inner pressure and boiling temperature variation. This modelling allowed to assess impact of the expansion tank size on the generator’s operation, this component being responsible to stabilize the pressure and operating temperature; and the CFD modelling of an exhaust heat exchanger based on a staggered tube bundle configuration with the assessment of the influence of parameters such as wall vanes and tube fins. The final exhaust heat exchanger design allowed to achieve an average effectiveness around 84% for a highway driving cycle, with a negligible pressure drop for a car engine.

O setor automóvel é confrontado cada vez mais com metas mais exigentes relativamente às emissões de gases com efeitos de estufa e outros poluentes. Associado a isto, há necessidade de se atingir maiores eficiências energéticas em aplicações para o ramo automóvel. Isto pode ser conseguido recorrendo à recuperação de energia térmica desperdiçada. A potência térmica libertada pelos gases de escape de um automóvel tem um bom potencial de recuperação, devido à elevada temperatura dos gases libertados. Esta energia térmica pode ser convertida em eletricidade utilizando módulos termoelétricos que funcionam segundo o efeito Seebeck. O grupo de investigação do Laboratório de Motores Térmicos e Termodinâmica Aplicada tem desenvolvido um conceito de gerador com a capacidade de controlar a temperatura a que os módulos estão sujeitos, com recurso a um sistema de termossifão/heat pipes usado como um buffer (acumulador intermédio) de energia térmica entre a fonte de calor (gases de escape) e os módulos termoelétricos, através de mudança de fase. O controlo da temperatura de mudança de fase, que está no nível desejado para os módulos termoelétricos (~250 ºC), é feito através da regulação da pressão interna do buffer. Neste trabalho são desenvolvidas e avaliadas várias partes constituintes do conceito do gerador termoelétrico. Isto foi feito, por um lado, pela melhoria e atualização do programa MATLAB existente, que faz a modelação térmica e elétrica dos fenómenos físicos que ocorrem no gerador através de análises analíticas e empíricas, e por outro lado, pela modelação do permutador de calor dos gases de escape através de análises de Computational Fluid Dynamics (CFD). As maiores contribuições deste trabalho são: a melhoria do modelo existente através do desenvolvimento de um modelo de transferência de calor para regimes não-estacionários do permutador de calor dos gases de escape, baseado no método das diferenças finitas, explícito e implícito (redução do tempo de computação em mais de 90% para simulações em ciclos de condução pelo método implícito, e com erros acumulados menores); a modelação da transferência de calor no sistema de arrefecimento a água, usando diferentes configurações; o modelo termossifão/heat pipe foi atualizado de modo a permitir a variação da pressão interna e da temperatura de ebulição. E avalia o impacto que o tamanho do tanque de expansão tem no funcionamento do gerador; e a modelação CFD do permutador de calor dos gases de escape, usando uma configuração de tubos em quincôncio, com a avaliação da influência de parâmetros como, os defletores de parede e o uso de alhetas nas superfícies externas dos tubos. Este permutador de calor dos gases de escape obteve uma eficácia média de cerca de 84% para um ciclo de condução em autoestrada, com uma perda de pressão desprezável para o motor de um carro.