Buji Ateşlemeli Motorun Egzoz Atık Isı Dönüşümü İçin Tasarlanan Termoelektrik Jeneratörde Optimum Egzoz Eşanjörü Düzenlemesinin HAD Analizi
CFD Analysis of Optimum Exhaust Heat Exchanger Arrangement in Thermoelectric Generator Designed for Exhaust Waste Heat Recovery of Spark Ignition Engine
Yazar: Gürbüz, Habib; Ökmen, Ahmet Baturalp
Dergi: El-Cezeri, Vol. 8 No. 2, 2021
Anahtar kelimeler: Engineering ; Mühendislik ; Buji ateşlemeli motor,Egzoz atık ısı enerjisi,Termoelektrik jeneratör,Hesaplamalı akışkanlar  mekaniği ; Spark ignition engine,Exhasut waste heat recovery,Rhermoelectric generator

İçten yanmalı bir motorda alınan yakıtın ısı enerjisinin yaklaşık %40’ı egzoz gazları ile atık ısı olarak atmosfere atılmaktadır. Bu ısı enerjisinin bir kısmının geri kazanılması yakıt dönüşüm verimini önemli oranda artırabilir. Bu çalışmada, buji ateşlemeli motorun egzoz atık ısı enerjisinden elektrik enerjisinin üretildiği termoelektrik jeneratörde sıcak taraf (egzoz) eşanjör yüzey sıcaklığı ve dağılımının optimize edilebilmesi için farklı kanatçık sayısı ve düzenlemesine sahip eşanjörler, hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile analiz edilmiştir. Çalışmada, daha önceki çalışmada tasarlanarak ana boyutları belirlenen egzoz eşanjörünün iç hacmi, bir seperatör plaka yardımıyla iki eşit parçaya bölünerek literatürde akordiyon şekli, balık kılçığı şekli ve seri plaka şekli olarak bilinen kanatçık dizilimlerinin kullanıldığı eşanjör düzenlemeleri oluşturulmuştur. Eşanjör düzenlemelerinde literatürde yaygın olarak kullanılan kanatçık geometrilerinden (kare, dikdörtgen, üçgen ve yamuk prizmalar) farklı olarak yağmur damlası geometrisi kullanılmıştır. Ayrıca, seperatör plakanın giriş yayıcı ağzı düzlemine dikdörtgen prizma geometriye sahip akış yönlendirme kanatçıkları eklenmiştir. Eşanjör düzenlemeleri için gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizlerinde, tek silindirli buji ateşlemeli bir motorun 2200 devrinde yapılan deneysel çalışmada elde edilen egzoz gaz sıcaklık ve debi değerleri kullanılmıştır. Her bir eşanjör düzenlemesi için hesaplamalı akışkanlar dinamiği analizleri sürekli rejimde gerçekleştirilerek sıcaklık dağılımı, hız vektörleri, giriş-çıkış sıcaklıkları, eşanjör içi basınç düşümüne ait konturlar elde edilmiştir. Tasarlanan egzoz eşanjörü düzenlemeleri için gerçekleştirilen hesaplamalı akışkanlar dinamiği analiz sonuçlarına göre; girişte altı adet akış yönlendirme kanadı ile birlikte 15°, 30° ve 45° açılı ver ters yönlü seri plaka dizilimi ile oluşturulan eşanjör düzenlemelerinin diğer modellere oranla eşanjör yüzey sıcaklığı, dağılımı ve eşanjör içi basınç düşümü açısından daha verimli olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte, yağmur damlası kanatçık yapısına sahip eşanjör düzenlemeleri ile referans (içi boş) eşanjör düzenlemesine göre daha yüksek eşanjör içi basınç düşümüne karşın daha yüksek ve homojen eşanjör yüzey sıcaklığı elde edilmiştir.

Approximately 40% of the heat energy of the fuel in internal combustion engines is emitted to the atmosphere as waste heat along with exhaust gases. Recovery of some of the exhaust waste heat energy could remarkably increase the fuel conversion efficiency. In this study, to optimize the hot side (exhaust) heat exchanger surface temperature and distribution in the thermoelectric generator where electrical energy is generated from the exhaust waste heat energy of the spark-ignition engine, the heat exchangers having different fin number and arrangement were analyzed by computational fluid dynamics method. In the study, the internal volume of the exhaust heat exchanger, whose main dimensions were determined by designing in the previous study, was divided into two equal parts with the using a separator plate, and heat exchanger arrangements were created by three different fins ranking types using in the literature (i.e. accordion, fishbone, and serial plate). Different from the fin geometries (i.e. square, rectangular, triangular, and trapezoidal prisms) commonly used in the literature, raindrop geometry was used in heat exchanger arrangements. Also, flow guiding vanes having rectangular prism geometry was added to the plane of the inlet diffuser of the separator plate. Exhaust gas temperature and flow rate values obtained in the experimental study performed at 2200 rpm of a single-cylinder spark-ignition engine was used in the computational fluid dynamics analyzes performed for exchanger arrangements. For each heat exchanger arrangement, computational fluid dynamics analyzes were performed steady-state, and the contours of temperature distribution, velocity vectors, inlet-outlet temperatures, pressure drop inside the exchanger were obtained. According to the results of the computational fluid dynamics analysis performed for the designed exhaust exchanger arrangements; the reverse direction serial plate arrangement having six flow guiding fins and 15°, 30°, and 45° angled raindrop geometries have more optimum values in terms of heat exchanger surface temperature, distribution and pressure drop in the exchanger compared to other models. Furthermore, with the heat exchanger arrangements with raindrop fin structure, a higher and homogeneous heat exchanger surface temperature was achieved despite higher pressure drop compared to the reference (empty) heat exchanger arrangement.