A NOVEL HEAT SINK DESIGN AND NUMERICAL ANALYSIS OF HEAT TRANSFER ON THERMOELECTRIC GENERATOR SURFACES TO IMPROVE THERMOELECTRIC POWER GENERATION

Abstract

ABSTRACT

Waste heat recovery systems are very significant applications for reducing global warming and carbon dioxide gas emissions and reducing energy shortage crises. Such challenges lead researchers and scientists to develop and optimize these systems by recovering a huge amount of waste heat and to generate more electrical energy instead. In this study, thermoelectrical technology is utilized to develop a waste heat recovery system, since it uses a thermoelectric generating system which includes a thermoelectric generator (TEG) with two heat sinks that are embedded into hot and cold channels where hot exhaust gases are harvested to heat a TEG hot surface and cooling water is utilized to cool the cold surface. This is accomplished by establishing a three-dimensional model as a novel prototype that includes modern modifications within computational fluid dynamics (CFD). This research presents a novel heat sink design since the optimization on a square pin fin heat sink is achieved by changing the cross-sectional area of the pins with a constant number of pins for the heat sink to obtain different horizontal and vertical gaps. This study attains three models (A, B and C) of heat sinks according to pin size such that the pins gradually increase in size from Model A to Model C. Novel physical parameters are considered, including inlet temperatures and inlet mass flow rates throughout the literature investigation.

The Reynolds number for hot exhaust gas is in the range of 4,457 to 14,246 and for cooling water 7,197. Exhaust gas temperatures are in the range of 403.15 K to 553.15 K, whereas the cooling water temperature is 303.15 K. Numerical analyses for these three models are performed and comparisons among them are carried out in terms of temperature distribution, heat transfer rates, pressure drop, output power and conversion efficiency. The results show that the optimal inlet mass flow rate and optimal inlet temperatures are 0.028 kg/s and 553.15 K to achieve the best performance. In addition, the temperature difference of 185.56 K is the best obtained difference in the present study. The heat transfer rates increase when the surface area of the square pins is increased, and the vertical and horizontal gaps decrease. Moreover, the highest heat transfer rate on the hot surface is 113.69 W. The best output power and conversion efficiency were up to 4.44 W and 3.903%, respectively, and all of these high findings occurred in Model C. It was also observed that the highest pressure drop and highest pumping power occurred in Model C, in which net output power decreased and was equivalent to 4.07 W. A parametric study was performed on Model C under different inlet temperatures and various mass flow rates.

ÖZET

Atık ısı geri kazanım sistemleri, küresel ısınma ve karbondioksit gazı emisyonlarının azaltılması ve enerji kıtlığı krizlerinin azaltılması için çok önemli uygulamalardır. Bu tür zorluklar, araştırmacıları ve bilim insanlarını büyük miktarda atık ısıyı geri kazanarak ve bunun yerine daha fazla elektrik enerjisi üreterek bu sistemleri geliştirmeye ve optimize etmeye yönlendirmektedir.

Bu çalışmada, bir atık ısı geri kazanım sisteminin geliştirilmesi için termoelektrik teknolojisi kullanılmıştır. Bunun için sıcak egzoz gazlarının sıcak yüzeyini ısıttığı ve soğuk yüzeyin soğutulması için soğutma suyunun kullanıldığı sıcak ve soğuk kanallara gömülü iki ısı kuyusuna sahip bir termoelektrik jeneratör (TEJ) sistemi kullanılmıştır. Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) kullanılarak modern modifikasyonlar içeren üç boyutlu yeni bir model oluşturulmuştur. Bu modelde, farklı yatay ve dikey boşlukların elde edilmesi için ısı kuyusunda kanatçık sayısı sabit tutularak kanatçıkların kesit alanı değiştirilmiş, kare kesitli kanatçığa sahip ısı kuyusu üzerinde optimizasyon gerçekleştirilerek yeni bir ısı kuyusu tasarımı yapılmıştır. Bu çalışmada, kanatçık boyutuna göre üç farklı modelde (A, B ve C) ısı kuyusu elde edilmiştir. Kanatçıların boyutu Model A'dan Model C'ye kademeli olarak artmaktadır.

Sıcak egzoz gazı için Reynolds sayısı 4.457 ile 14.246 aralığında değiştirilmiştir. Soğutma suyu için ise Reynolds sayısı 7.197'dir. Egzoz gazı sıcaklıkları 403.15 K ile 553.15 K aralığında iken soğutma suyu sıcaklığı 303.15 K'dir. Bu üç model için sayısal analizler gerçekleştirilmiş ve sıcaklık dağılımı, ısı transfer hızı, basınç düşüşü, çıkış gücü ve dönüşüm verimliliği açısından aralarında karşılaştırmalar yapılmıştır. Sonuçlar, en iyi performansı elde etmek için optimum giriş kütle akış hızının ve optimum giriş sıcaklıklarının 0,028 kg/s ve 553,15 K olduğunu göstermektedir. Ayrıca, 185,56 K sıcaklık farkı bu çalışmada elde edilen en iyi sıcaklık farkıdır. Kare kanatçıkların yüzey alanı artırıldığında ve dikey ve yatay boşluklar azaldığında ısı transfer oranları artmaktadır. En iyi çıkış gücü ve dönüşüm verimi sırasıyla 4,44 W ve %3,903'e kadar çıkmış ve bu yüksek bulguların tümü Model C için gerçekleşmiştir. Ayrıca, en yüksek basınç düşüşünün ve en yüksek pompalama gücünün, net çıkış gücünün azaldığı ve 4,07 W'a eşdeğer olduğu Model C'de meydana geldiği gözlemlenmiştir. Farklı giriş sıcaklıkları ve çeşitli kütle akış hızları altında Model C üzerinde parametrik bir çalışma yapılmıştır.