Tipik Bir Buji Ateşlemeli Motorda Egzoz Atık Isısı Enerjisinin Geri Kazanımı İçin Geliştirilen Termoelektrik Jeneratörün HAD Analizi

Yıl 2020, Cilt: 7 Sayı: 3, 1088 - 1100, 30.09.2020

Hüsameddin Akçay Habib Gürbüz Selim Demirtürk Ümit Topalcı

https://doi.org/10.31202/ecjse.724353

Cited By: 1

Öz

Bu çalışmada, buji ateşlemeli bir motorun egzoz atık ısı enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürüldüğü termoelektrik jeneratörün (TEJ) hesaplamalı akışanlar dinamiği (HAD) kullanılarak sayısal analizi gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, biri orta egzoz eşanjörü ve orta egzoz eşanjörünün her iki yüzeyine yerleştirilen iki adet soğutma suyu eşanjöründen oluşan 3 katmanlı bir TEJ tasarımı gerçekleştirilmiştir. TEJ tasarımında, 2 silindirli, su soğutmalı buji ateşlemeli bir motorun egzoz gaz sıcaklık ve debi değerlerinin yanında motor soğutma suyu (MSS) sıcaklık ve debi değerleri kullanılmıştır. TEJ’de sıcak ve soğuk taraf eşanjör yüzey alanı, hedef belirlenen 300 W DC elektrik enerjisi üretimi için seçilen 50x50 mm boyutlarındaki termoelektrik modüllerden 2x10 = 20 adet yerleştirilecek şekilde tasarlanmıştır. Orta egzoz ve MSS eşanjörlerinin iç hacmi ve bu hacim içerisinde bir seperatör, belli sınırlamalar dahilinde tasarlanmıştır. Seperatör plakanın her iki yüzeyine, egzoz gazı akışına direnç göstermeyecek şekilde, belirli açılarda yönlendirme kanatçıkları konumlandırılmıştır. Orta egzoz eşanjörünün girişine bir yayıcı, çıkışına ise bir lüle eklenmiştir. Soğutma suyu eşanjörü içerisinde, MSS’nun dolaşacağı labirent şeklinde kanallar oluşturulmuştur. Çalışma kapsamında tasarlanan TEJ’de gerçekleştirilen HAD analizeleri sonucu, sıcak ve soğuk eşanjör iç hacminde oluşturulan yapının TEM’lere temas eden eşanjör yüzeylerinde homojene yakın bir sıcaklık dağılımı oluşturduğu tespit edilmiştir. Mevcut tasarım ile TEJ’de kullanılan her bir TEM’de yaklaşık olarak eşit miktarda elektrik üretilebileceği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

Buji ateşlemeli motor, Egzoz atık ısı enerjisi, Termoelektrik Jeneratör, HAD analizi

Destekleyen Kurum

Süleyman Demirel Üniversitesi

Proje Numarası

SDÜ BAP Proje ID: 6726

Teşekkür

FDK-2018-6726 nolu proje, Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi tarafından desteklenmiştir. Bu çalışmanın ortaya çıkmasında verdiği destekten ötürü Bilimsel Araştırma Projeleri Birimine teşekkür ederiz. Bu çalışmada HAD analizlerinde kullanılan TEJ düzenlemeleri, Doç. Dr. Habib GÜRBÜZ ve Arş. Gör. Hüsameddin AKÇAY tarafından tasarlanmıştır. Çalışmada kullanılan SolidWorks yazılım programı Hüsameddin AKÇAY adına 2021 yılına kadar öğrenci lisansı kapsamında kayıtlıdır.

Kaynakça

• [1] Bettoja, F., Perosino, A., Lemort, V., Guillaume, L., Reiche, T., Wagner, T., NoWaste: waste heat re-use for greener truck. Transportation Research Procedia, 2016, 14, 2734-2743.
• [2] Arsie, I., Cricchio, A., Marano, V., Pianese, C., De Cesare, M., Nesci, W., Modeling analysis of waste heat recovery via thermo electric generators for fuel economy improvement and CO2 reduction in small diesel engines. SAE International Journal of Passenger Cars-Electronic and Electrical Systems, 2014, 7(2014-01-0663), 246-255.
• [3] Lefebvre, A., Guilain, S., Transient response of a Turbocharged SI Engine with an electrical boost pressure supply. SAE transactions, 2003, 1310-1318.
• [4] Arsie, I., Cricchio, A., Pianese, C., Ricciardi, V., De Cesare, M., Evaluation of CO2 reduction in SI engines with Electric Turbo-Compound by dynamic powertrain modelling. IFAC-PapersOnLine, 2015, 48(15), 93-100.
• [5] Zhang, C., Shu, G. Q., Tian, H., Wei, H., Yu, G., Liang, Y. (). Theoretical Analysis of a Combined Thermoelectric Generator (TEG) and Dual-loop Organic Rankine Cycle (DORC) System Using for Engines' Exhaust Waste Heat Recovery, SAE Technical Paper. 2014, No. 2014-01-0670.
• [6] Naik-Dhungel, N., Waste heat to power systems. US Environmental Protection Agency, 2012.
• [7] Jouhara, H., Khordehgah, N., Almahmoud, S., Delpech, B., Chauhan, A., Tassou, S. A., Waste heat recovery technologies and applications. Thermal Science and Engineering Progress, 2018, 6, 268-289.
• [8] Armstead, J. R., Miers, S. A., Review of waste heat recovery mechanisms for internal combustion engines. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2014, 6(1), 014001.
• [9] Shu, G., Liang, Y., Wei, H., Tian, H., Zhao, J., Liu, L., A review of waste heat recovery on two-stroke IC engine aboard ships. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013, 19, 385-401.
• [10] Bell, L. E., Cooling, heating, generating power, and recovering waste heat with thermoelectric systems. Science, 2008, 321(5895), 1457-1461.
• [11] Ringler, J., Seifert, M., Guyotot, V., Hübner, W., Rankine cycle for waste heat recovery of IC engines. SAE International Journal of Engines, 2009, 2(1), 67-76.
• [12] Orr, B., Akbarzadeh, A., Mochizuki, M., Singh, R., A review of car waste heat recovery systems utilising thermoelectric generators and heat pipes. Applied Thermal Engineering, 2016, 101, 490-495.
• [13] He, J., Tritt, T. M., Advances in thermoelectric materials research: Looking back and moving forward. Science, 2017, 357(6358), eaak9997.
• [14] Chen, W. H., Lin, Y. X., Chiou, Y. B., Lin, Y. L., Wang, X. D., A computational fluid dynamics (CFD) approach of thermoelectric generator (TEG) for power generation. Applied Thermal Engineering, 2020, 115203.
• [15] Enescu, D., Thermoelectric Energy Harvesting: Basic Principles and Applications. In Green Energy Advances. IntechOpen, 2019.
• [16] Yu, J., Zhao, H., Xie, K., Analysis of optimum configuration of two-stage thermoelectric modules. Cryogenics, 2007, 47(2), 89-93.
• [17] Chen, W. H., Lin, Y. X., Wang, X. D., Lin, Y. L., A comprehensive analysis of the performance of thermoelectric generators with constant and variable properties. Applied energy, 2019, 241, 11-24.
• [18] Çengel, Y. A., Cimbala, J. M. “Akışkanlar mekaniği temelleri ve uygulamaları (çev. T. Engin, H. R. Öz, H. Küçük, Ş. Çeşmeci, İzmir: Güven Bilimsel Yayınevi, İzmir, 2010, 818-830.
• [19] Chen, W. H., Wu, P. H., Lin, Y. L., Performance optimization of thermoelectric generators designed by multi-objective genetic algorithm. Applied Energy, 2018, 209, 211-223.
• [20] Weng, C. C., Huang, M. J., A simulation study of automotive waste heat recovery using a thermoelectric power generator. International journal of thermal sciences, 2013, 71, 302-309.
• [21] Hsiao, Y. Y., Chang, W. C., Chen, S. L., A mathematic model of thermoelectric module with applications on waste heat recovery from automobile engine. Energy, 2010, 35(3), 1447-1454.
• [22] Rezania, A., Rosendahl, L. A., Thermal effect of a thermoelectric generator on parallel microchannel heat sink. Energy, 2012, 37(1), 220-227.
• [23] Kempf, N., Zhang, Y., Design and optimization of automotive thermoelectric generators for maximum fuel efficiency improvement. Energy Conversion and Management, 2016, 121, 224-231.
• [24] Kim, S., Analysis and modeling of effective temperature differences and electrical parameters of thermoelectric generators. Applied energy, 2013, 102, 1458-1463.
• [25] Liu, X., Deng, Y. D., Li, Z., Su, C. Q., Performance analysis of a waste heat recovery thermoelectric generation system for automotive application. Energy Conversion and Management, 2015, 90, 121-127.
• [26] Favarel, C., Bédécarrats, J. P., Kousksou, T., Champier, D., Experimental analysis with numerical comparison for different thermoelectric generators configurations. Energy Conversion and Management, 2016, 107, 114-122.
• [27] Demir H., “Doğal Havalandırma Yöntemlerinin Sayısal Modellemesi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2013.
• [28] SolidWorks, “Enhanced turbulence modeling in SolidWorks flow simulation,” Dassault Systèmes SolidWorks Corporation Waltham, USA, 2013, MKTURBMO DWPENG0313.
• [29] Balık G., “Geniş Hacimlerde Duman Hareketinin Sayısal İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul, 2003.