CFD optimization of a heat exchanger for energy recovery in a stationary single-cylinder diesel engine

• Peñafiel Guzmán, Evelyn ^[1] ; Bermúdez Turizo, Osmar ^[1] ; Duarte Forero, Jorge Eliécer ^[1]
  1. [1] Universidad del Atlántico

     Universidad del Atlántico

     México

     
• Localización: Scientia et Technica, ISSN 0122-1701, Vol. 26, Nº. 3, 2021 (Ejemplar dedicado a: Julio-Septiembre 2021), págs. 298-307
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Optimización CFD de un intercambiador de calor para la recuperación energética en un motor diésel monocilíndrico estacionario
• Enlaces
  • Texto completo (pdf)
• Resumen
  • español

    La implementación de generadores termoeléctricos (TEG) ha sido una respuesta prometedora para la problemática energética en motores de combustión interna, lo cual ha motivado el estudio del potencial de recuperación energética en la corriente de gases de escape de un motor diésel monocilíndrico mediante un generador termoeléctrico, analizando la importancia de la geometría del intercambiador de calor en el desempeño del TEG. Tomando en cuenta diferentes investigaciones se desarrollaron 3 geometrías diferentes de intercambiador de calor; el comportamiento de los gases de escape se simuló mediante el software OpenFOAM ® empleando un modelo  realizable, donde se estableció un mallado de buena calidad al que, además, se le realizó un estudio de independencia de malla en donde se alcanzó estabilidad a partir de 1’000,000 de elementos. Se hizo una validación experimental, con la que se obtuvo un error relativo promedio de 2.23%, con lo cual se calificaron los resultados como confiables. Las simulaciones permitieron el análisis de variables como la transferencia de calor, el voltaje y la corriente generado por los módulos termoeléctricos, la caída de presión, la energía cinética de turbulencia (TKE) y la tasa de disipación de la turbulencia (TEDR). Finalmente se obtuvo que la geometría con caminos paralelos tuvo un mejor desempeño con respecto a las variables analizadas, permitiendo una generación de 63.56 W, una caída de presión 92% menor a las otras propuestas, y un mejor desempeño en la TKE y TEDR.

  • English

    The implementation of thermoelectric generators (TEG) has been a promising response to the energy problem in internal combustion engines, which has motivated the study of the potential for energy recovery in the exhaust gas stream of a single-cylinder diesel engine using a thermoelectric generator, analyzing the importance of the heat exchanger geometry in the performance of the TEG. Considering many investigations, 3 different heat exchanger geometries were developed; the behavior of the exhaust gases was simulated with the OpenFOAM ® software, using a realizable  model, where a good quality mesh was established. In addition, a mesh independence study was performed, where stability was achieved from 1’000,000 elements. Experimental validation was carried out, and an average relative error of 2.23% was obtained, with which the results were classified as reliable. The simulations allowed the analysis of variables such as heat transfer, voltage, and current generated by thermoelectric modules, pressure drop, turbulence kinetic energy (TKE), and turbulence eddy dissipation rate (TEDR). Finally, it was obtained that the geometry with parallel paths had a better performance with respect to the analyzed variables, allowing a generation of 63.56 W, a pressure drop 92% lower than the other proposals, and better performance in the TKE and TEDR.