بررسی عددی اثر سطح مقطع کانال جریان بر عملکرد مولد توان ترموالکتریک یکپارچه

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه گلستان،گرگان،‌ ایران

چکیده

مولدهای ترموالکتریک یک تکنولوژی بادوام و سازگار با محیط زیست هستند که یکی از مهم‌ترین کاربرد‌های آن‌ها، بازیابی حرارت هدررفته از مصرف سوخت‌های فسیلی و تبدیل آن به الکتریسیته می‌باشد. در این میان، مولد‌های ترموالکتریک یکپارچه که با ایجاد کانال جریان در پایه‌های دستگاه ساخته می‌شود، توانسته‌اند عملکرد دستگاه را به مقدار قابل توجهی افزایش دهند. هدف از انجام این تحقیق، بررسی عددی اثر ساختار سطح مقطع کانال جریان بر عملکرد مولد توان ترموالکتریک یکپارچه می‌باشد. به این منظور، هندسه‌های مختلفی برای سطح مقطع کانال جریان شامل دایره، ذوزنقه، مربع و مستطیل درنظر گرفته شده و اثرات نسبت مساحت کانال جریان، طول نیمه‌هادی و عدد رینولدز بر روی عملکرد دستگاه مورد ارزیابی قرار می‌گیرد. در مطالعه حاضر، اتصال‌دهنده‌های مولد ترموالکتریک دارای دمای ثابت سرد بوده و حرارت با وارد شدن سیال گرم با سرعت یکنواخت به دستگاه اعمال می‌شود. بررسی نتایج بدست آمده نشان می‌دهد که در یک نسبت مساحت کانال جریان و طول نیمه‌هادی ثابت، عملکرد دستگاه ترموالکتریک برای کانال جریان دارای ۳۶ مستطیل از سایر کانال‌های ذکر شده بیشتر است. علاوه بر این، با افزایش مقدار نسبت مساحت کانال جریان از 0/28 به 0/68، مقادیر گرمای ورودی، توان خروجی و راندمان حرارتی به ترتیب 1/68، 1/77 و 1/52 برابر می‌شوند. در ضمن، در این تحقیق یک طول بهینه برای نیمه‌هادی محاسبه شده‌است که در آن، توان خروجی حداکثر حاصل می‌شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Numerical Investigation of Channel Cross-section Effect on the Performance of Integrated Thermoelectric Power Generator

نویسندگان [English]

  • Vahid Mofidian 1
  • mohammad kalteh 2
  • Masoud Hami 1
1 M.Sc. Graduate, Faculty of Mechanical Engineering, University of Guilan, Rasht, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, University of Guilan
چکیده [English]

Thermoelectric generators are a sustainable and environmentally friendly technology that can recover wasted heat energy and convert it to electricity. Meanwhile, integrated thermoelectric generators have been able to significantly increase the performance of thermoelectric generators. In this paper, the effect of flow channel cross-sections on integrated thermoelectric power generator performance is investigated numerically using the finite volume method. In this regard, various flow channel configurations including circles, trapezoids, squares, and rectangles have been taken into account and the effect of cross-sectional area ratio, semiconductor length, and Reynolds number on the performance of the device has been evaluated. In this study, the top and bottom of conductor surfaces are exposed to a cold temperature and a hot fluid with a constant velocity and temperature enters the channel. The results show that the power output, voltage, and thermal efficiency of 36 rectangular configurations are higher than other flow channels. Also, the heat input, power output, and thermal efficiency at a cross-sectional area ratio of 0.28 are respectively found to be 1.68, 1.77, and 1.52 times higher than at a cross-sectional area ratio of 0.68. In addition, an optimal length for a semiconductor is determined, in which the maximum output power is achieved.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Integrated thermoelectric
  • Flow channel
  • Power output
  • Numerical solution

مراجع

[1] G.R.C. R, N. Krishna, A.K. Johny, A Numerical Study and Demonstration of Exhaust Gas Heat Recovery System Using Thermoelectric Generator, International Journal of Innovative and Emerging Research in Engineering, 4(3) (2017) 73-81.
[2] S.B. Riffat, X. Ma, Thermoelectrics: a review of present and potential applications, Applied thermal engineering, 23(8) (2003) 913-935.
[3] T. Zhang, New thinking on modeling of thermoelectric devices, Applied Energy, 168 (2016) 65-74.
[4] B. Reddy, M. Barry, J. Li, M.K. Chyu, Three-dimensional multiphysics coupled field analysis of an integrated thermoelectric device, Numerical Heat Transfer, Part A: Applications, 62(12) (2012) 933-947.
[5] Y.-S. Byon, J.-W. Jeong, Annual energy harvesting performance of a phase change material-integrated thermoelectric power generation block in building walls, Energy and Buildings, 228 (2020) 110470.
[6] B. Reddy, M. Barry, J. Li, M.K. Chyu, Thermoelectric performance of novel composite and integrated devices applied to waste heat recovery, Journal of heat transfer, 135(3) (2013).
[7] T. Ma, Z. Qu, X. Yu, X. Lu, Y. Chen, Q. Wang, Numerical study and optimization of thermoelectric-hydraulic performance of a novel thermoelectric generator integrated recuperator, Energy, 174 (2019) 1176-1187.
[8] T. Ma, X. Lu, J. Pandit, S.V. Ekkad, S.T. Huxtable, S. Deshpande, Q.-w. Wang, Numerical study on thermoelectric–hydraulic performance of a thermoelectric power generator with a plate-fin heat exchanger with longitudinal vortex generators, Applied Energy, 185 (2017) 1343-1354.
[9] B. Reddy, M. Barry, J. Li, M.K. Chyu, Thermoelectric-hydraulic performance of a multistage integrated thermoelectric power generator, Energy conversion and management, 77 (2014) 458-468.
[10] Y. Hsiao, W. Chang, S. Chen, A mathematic model of thermoelectric module with applications on waste heat recovery from automobile engine, Energy, 35(3) (2010) 1447-1454.
[11] M. Chen, L.A. Rosendahl, T. Condra, A three-dimensional numerical model of thermoelectric generators in fluid power systems, International Journal of Heat and Mass Transfer, 54(1-3) (2011) 345-355.
[12] B. Reddy, M. Barry, J. Li, M. Chyu, Enhancement of Thermoelectric Device Performance Through Integrated Flow Channels, Frontiers in Heat and Mass Transfer, 4 (2013).
[13] S. Manikandan, S. Kaushik, Energy and exergy analysis of an annular thermoelectric cooler, Energy Conversion and Management, 106 (2015) 804-814.
[14] X. Meng, R.O. Suzuki, Helical configuration for thermoelectric generation, Applied Thermal Engineering, 99 (2016) 352-357.
[15] H. Hazama, Y. Masuoka, A. Suzumura, M. Matsubara, S. Tajima, R. Asahi, Cylindrical thermoelectric generator with water heating system for high solar energy conversion efficiency, Applied energy, 226 (2018) 381-388.
[16] S.-R. Yan, H. Moria, S. Asaadi, H.S. Dizaji, S. Khalilarya, K. Jermsittiparsert, Performance and profit analysis of thermoelectric power generators mounted on channels with different cross-sectional shapes, Applied Thermal Engineering, 176 (2020) 115455.
[17] H.A. Garmejani, S. Hossainpour, Single and multi-objective optimization of a TEG system for optimum power, cost and second law efficiency using genetic algorithm, Energy Conversion and Management, 228 (2021) 113658.
[18] K.S. Oliveira, R.P. Cardoso, C.J. Hermes, Numerical assessment of the thermodynamic performance of thermoelectric cells via two-dimensional modelling, Applied energy, 130 (2014) 280-288.
[19] A.Z. Sahin, B.S. Yilbas, The thermoelement as thermoelectric power generator: Effect of leg geometry on the efficiency and power generation, Energy Conversion and Management, 65 (2013) 26-32.
[20] B. Reddy, M. Barry, J. Li, M.K. Chyu, Convective heat transfer and contact resistances effects on performance of conventional and composite thermoelectric devices, Journal of Heat Transfer, 136(10) (2014).
نشریه مهندسی مکانیک امیرکبیر
دوره 54، شماره 9
آذر 1401
صفحه 2195-2212

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار