Designing a thermoelectric energy generator for waste heat recovery in heavy-duty diesel engines

Abstract

A quantidade de energia térmica rejeitada nos gases de exaustão durante a operação de um motor diesel é aproximadamente 30 % da energia fornecida a partir do combustível. Uma alternativa para recuperar essa energia é a utilização de um gerador termoelétrico, o qual pode ser usado como energia para os sistemas auxiliares ou como energia suplementar, no caso de veículos elétricos híbridos. Este estudo tem como objetivo conceber um gerador termoelétrico e um trocador de calor acoplado à exaustão de um motor diesel, limitados por critérios de mínima eficiência térmica e máxima perda de carga no tubo de escape. O motor, o trocador de calor, e o gerador termoelétrico foram simulados em regimes permanente e transiente, usando um modelo zero dimensional para o motor e um modelo de uma dimensão para o trocador de calor/ gerador termoelétrico com propriedades em função da temperatura. O modelo de regime permanente e propriedades constantes foi usado para otimização através de duas estratégias, uma buscando a máxima potência e outra a máxima eficiência de conversão. A configuração otimizada consiste de um trocador de calor de 9 tubos, com diâmetro de 0,022 m e comprimento 0,414 m, operando com o fluido de arrefecimento do motor como fluido frio, utilizando silício-germânio como material das células termoelétricas. Quando em regime transiente, a configuração para máxima potência com 562 células termoelétricas por tubo atingiu um pico de 3500 W no início da operação e potência média de 811 W durante o transiente periódico, com eficiência termoelétrica igual a 4.27 % . A configuração para máxima eficiência de conversão contou com 150 células termoelétricas por tubo e foi capaz de gerar 1100 W no início de operação e obter potência média igual a 550 W durante o transiente periódico, com eficiência termoelétrica igual a 10.4 % . O modelo em regime transiente e com propriedades variáveis revelou o potencial de obter maior potência durante transientes curtos. Quando comparados com as realizações atuais, os resultados indicam a viabilidade do projeto para veículos de tamanho médio e pesados.

Abstract : The amount of heat energy wasted in the exhaust gas flow during operation of a diesel engine is grossly 30 % of the input energy from the fuel. An alternative to recover the heat lost through the exhaust in diesel engines is the use of thermoelectric generators, which could be used as source of power to propel auxiliary systems or as a supplement power source in case of hybrid electric vehicles. This study aims at developing and optimizing a thermoelectric generator and a heat exchanger adapted to the exhaust system, close-coupled to a diesel engine, restricted by criteria of minimum overall efficiency and maximum exhaust back-pressure. The engine, heat exchanger, and thermoelectric generator were evaluated in the steady-state and transient regime using a zero dimensional model for the engine and a one-dimensional model for the heat exchanger/thermoelectric generator with temperature dependent properties. The steady-state, constant property model was used for the optimization using two strategies, one aiming at maximum power and the other at maximum efficiency. The optimized configuration consisted of a heat exchanger with 9 tubes, with diameter of 0.022 m and length of 0.414 m, operating with engine coolant as cold fluid, using silicon germanium thermoelectric junctions. When simulated in transient regime, the configuration for maximum power with 562 thermoelectric junctions per tube was able to generate peak power at start-up of 3500 W, average power at periodic steady-state of 811 W, with 4.27 % thermoelectric efficiency. The configuration for maximum conversion efficiency had 150 thermoelectric junctions per tube, achieved peak power of 1100 W at start-up, average power at periodic steady-state of 550 W, and 10.4 % thermoelectric efficiency. The transient, variable properties simulation revealed the potential for higher power during short transients. When compared to current realizations, the results indicate the feasibility of the design for medium size and heavy-duty vehicles.