Utilize este identificador para referenciar este registo:
https://hdl.handle.net/1822/39520
Título: | Development of a thermoelectric generator for the exhaust of a vehicle |
Outro(s) título(s): | Desenvolvimento de um gerador termoeléctrico para o escape dum automóvel |
Autor(es): | Oliveira, João Paulo Dourado |
Orientador(es): | Brito, Francisco Carrusca Pimenta Teixeira, J. Carlos |
Data: | 2015 |
Resumo(s): | 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. |
Tipo: | Dissertação de mestrado |
Descrição: | Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica |
URI: | https://hdl.handle.net/1822/39520 |
Acesso: | Acesso aberto |
Aparece nas coleções: | BUM - Dissertações de Mestrado DEM - Dissertações de Mestrado / MSc Thesis |
Ficheiros deste registo:
Ficheiro | Descrição | Tamanho | Formato | |
---|---|---|---|---|
Dissertação João Oliveira.pdf | 23,81 MB | Adobe PDF | Ver/Abrir |