Heat transfer solutions to improve performances of compact thermoelectric generators

This work describes the strategies developed for the improvement of the performance of a thermoelectric generator through the techniques of convective heat transfer enhancement for millimetric scale systems. The project has been carried out by studying a hexagonal generator prototype of dimensions 30*75 mm2 and a weight of 400 g. The device comprises a catalytic combustor fed by propane and air stoichiometric mixture and a cooling stage made by 3 water heat exchangers for thermal gradient management to the faces of six commercial thermoelectric modules. The challenge is to optimize the heat transfer in the system improving prototype’s overall efficiency and electrical power output in order to make it suitable for commercial product development. The project has been developed starting from a deep analysis of the thermodynamic conditions of each component of the thermoelectric generator, to arrive at a global analytical model that allows the description and variation of operating conditions to increase efficiency. The PhD work is developed in various stages: from experimental data collection for the characterization of the performances of the device, to the design of new components following the results of system computational modelling, up to the preparation of new components taking advantage of 3D building techniques. Experimental tests highlighted some critical issues of the thermoelectric generator, in particular the one related to the coupling of thermoelectric modules with the mini-catalytic combustor and the water-cooling system. Through computational analysis, the input conditions have been identified to carry out a global analytical model, which describes the efficiency of thermoelectric conversion with the change of heat transfer parameters. The results of the analytical models identify the operating conditions to obtain the maximum output of electrical power from the generator, selecting the design changes needed to achieve such results, in compliance with project targets and thermal management within the system. The resulting improvements are able to increase the power transmitted to each module from 1.7 W to 8.4 W. The use of additive manufacturing solutions allowed the production of the new improved components of the system, integrating the solutions for increased convective heat exchange; from the ones involving curved channels with unconventional sections at the cold side up to the integration of mini channels in the walls of the combustion chamber.

Il presente lavoro descrive il progetto per il miglioramento delle performance di un generatore termoelettrico tramite tecniche d’innalzamento dell’accoppiamento termico per sistemi di scala millimetrica. Il progetto è stato svolto studiando un prototipo di generatore esagonale di dimensioni 30*75 mm2 e peso 400g. il dispositivo è costituito da un combustore catalitico dove reagisce una miscela stechiometrica di propano e aria e un sistema di scambiatori a acqua per la gestione del gradiente termico alle facce di sei moduli termoelettrici commerciali. La sfida è ottimizzare il trasferimento di calore nel prototipo per incrementarne l’efficienza e renderlo idoneo all’industrializzazione. Il progetto è stato sviluppato partendo da un’analisi approfondita delle condizioni termo fluidodinamiche di ogni componente del generatore termoelettrico, per arrivare a un modello globale che ne permetta la descrizione e la variazione delle condizioni operative per incrementare l’efficienza. Il lavoro di dottorato si sviluppa in varie fasi: dalla sperimentazione per la caratterizzazione del dispositivo, alla progettazione dei nuovi componenti attraverso la modellazione computazionale fino alla realizzazione dei nuovi componenti tramite tecniche di stampaggio 3D. I test di laboratorio e le modellazioni hanno evidenziato le criticità del generatore, nello specifico l’accoppiamento dei moduli termoelettrici con il mini-combustore catalitico e il sistema di raffreddamento ad acqua. Tramite un’analisi computazionale sono state individuate le condizioni in ingresso per realizzare un modello analitico globale, il quale descrive l’efficienza della conversione termoelettrica al variare dei fattori di scambio che influenzano la trasmissione del calore. I risultati del modello analitico evidenziano le condizioni operative per ottenere la massima produzione di potenza elettrica dal generatore, con successiva proposta di modifiche progettuali per rendere queste condizioni attuabili, nel rispetto dei target progettuali e della gestione termica all’interno del sistema. Con tali accorgimenti si incrementa la potenza trasmessa a ogni modulo da 1,7 W a 8,4 W termici. Tramite l’utilizzo di tecnologie additive, sono stati realizzati i nuovi componenti del sistema, con l’integrazione di tecniche d’incremento di scambio termico convettivo; dalle soluzioni a canali curvi a sezioni non convenzionali per il lato freddo fino all’integrazioni di mini canali nelle pareti della camera di combustione.