Dizel motorlarda egzozdan atılan ısıdan termoelektrik jeneratör ile elektrik üretiminin deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
Experimental and numerical investigation of electricity generation by thermoelectric generator from exhaust waste heat in diesel engines
Yazar: KAĞAN DURAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BEYTULLAH ERDOĞAN
Zonguldak Bülent Ecevit Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin toplam üretimdeki payı giderek artsa da teknolojisi; dünya ihtiyacının tamamını yenilenebilir kaynaklardan karşılamaktan çok uzaktır. Bu yüzden fosil yakıtlarla enerji üreten sistemlerin verimlerinin arttırılması son derece önemlidir. Fosil yakıtlara bağlı kirleticilerin en önemli kaynaklarından birisi de içten yanmalı motorlardır. Özellikle büyük şehirlerimizde trafikte bulunan milyonlarca araç hava kalitesini olumsuz etkilemektedir.
İçten yanmalı motorlarda salınan emisyona göre elde edilen enerji karşılığını arttırmak yani yakılan yakıttan daha yüksek verim elde etmek, kirletici emisyonların azaltılmasında çok büyük rol oynayacaktır. İçten yanmalı motorlarda verim arttırma üzerine yapılan çalışmalardan biri de egzozdan salınan emisyon gazlarıyla birlikte atılan ısının termolektrik jeneratörler vasıtasıyla enerjiye dönüştürülmesidir. Termoelektrik jeneratörler sıcaklık farkından elektrik üreten ve seebeck etkisi olarak adlandırılan bir sistemle çalışmaktadırlar. 
Termoelektrik jeneratörlerin malzeme kalitesini belirleyen ZT boyutsuz sayısı ticari termoelektrik jeneratörlerde 0 ile 1 arasındadır. Bu nedenle enerji üretim potansiyelleri sınırlıdır. Teknolojik gelişmelerle gelecekte bu değerin artışıyla termoelektrik jeneratör uygulamaları çoğu durumda konvansiyonel enerji üretim yöntemlerinin yerine tercih edilebilir.
Yapılan çalışmada alüminyumdan üretilen altıgen ısı değiştiricisi sıcak yüzeylerine eşit olarak dağıtılmış birbiriyle seri bağlı 24 adet Termoelektrik Jeneratör (TEJ) yerleştirilmiş ve soğuk yüzey içten yanmalı motorlarda yaygın olarak kullanılan radyatör, pompa ve fandan oluşan bir soğutma sistemiyle sağlanmıştır. İki faklı akışkanla deneyler tekrarlanmış ve soğutucu akışkan olarak %50-50 etil glikol, saf su karışımı kullanılan deneyde 1929d/d devirde ve tüm bloklarda 1,5lt/dk soğutucu akışkan debisinde 10,678W güç değerine ulaşılmıştır. Sistemin teorik verimi %2,32 olarak hesaplanmış deney sonuçlarında ise en yüksek %0,35 verim elde edilebilmiştir.
Deneysel çalışmalarda elde edilen değerlerle, kullanılan ısı değiştiricisinin iç yapısında değişiklik yapılıp ANSYS FLUENT yardımıyla analiz edilerek daha yüksek verim elde edilmesi olanakları araştırılmıştır. Analizlerde altıgen ısı değiştiricisinin merkezine yerleştirilen ve dış geometriye paralel olan bir saptırıcı ile TEJ'lerin yerleştirildiği yüzeylerde en fazla 10°C artış yapılabilmektedir.

Abstract:
Today, although the share of energy obtained from renewable energy sources in total production increases gradually, its technology; it is far from meeting all of the world needs from renewable sources. Therefore, increasing the efficiency of systems producing energy with fossil fuels is extremely important. One of the most important reasons of pollutants related to fossil fuels are internal combustion engines. Especially in big cities, millions of vehicles in traffic affect the air quality negatively.
It is very important to increase the rate of energy and emission. İn other words, it is possible to gain more energy from fuels with the same amount of emissions. Due to higher efficiency, this approach will play a key role in reducing the pollution environment from vehicles. One of the studies on increasing efficiency in internal combustion engines is the recovery of the heat from the exhaust. This is method directly converts heat into electricity and called the thermoelectric  
generator. Thermoelectric generators work with a system that generates electricity from the temperature difference by the Seebeck effect.
The figure of merit ZT, which determines the material quality of thermoelectric generators. ZT is between 0 and 1 for commercial thermoelectric generators. Therefore, their energy production potential is limited. With technological developments, this value will increase in the future and thermoelectric generator applications will be preferred in most cases instead of conventional energy production methods. 
In the study carried out, on the aluminum hexagonal heat exchanger's hot surfaces was placed 24 pieces TEG and connected serial each other. The cooling system was created with a radiator, pump and fan as like on internal combustion engines for the experimental study. Experiments were repeated with two different fluids pure water and mixture of %50ethyl glycol-%50pure water. In the experiment When used mixture of ethyl glycol and pure water as a coolant fluid, It was reached 10,678W power, at 1929rpm engine speed and 1.5l/min fluid flow in all cooling blocks. The theoretical efficiency of the system was calculated as 2.32% and in the experimental results was reached %0.35 as the highest efficiency.
Based on values obtained in experimental studies, heat exchanger design investigeted via  ANSYS FLUENT in the cases when the internal structure of the heat exchanger changed with two different deflectors. When the deflector model parallel to the external geometry placed center of the hexagonal heat exchanger inside can increase the maximum 10°C on hot surfaces of TEGs.