A novel heat sink design and numerical analysis of heat transfer on thermoelectric generator surfaces to improve thermoelectric power generation
Termoelektrı̇k güç üretı̇mı̇nı̇n ı̇yı̇leştı̇rilmesi ı̇çı̇n yenı̇ bı̇r ısı kuyusu tasarımı ve termoelektrı̇k jeneratör yüzeylerı̇ndekı̇ ısı transferı̇nı̇n sayısal analı̇zı̇
- Tez No: 826911
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENES KILINÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 93
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.
Özet (Çeviri)
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.
Benzer Tezler
- Study and design of an immersion-cooling system for a computer using numerical and experimental analysis
Sayısal ve deneysel analiz kullanılarak bir bilgisayar için daldırma soğutma sisteminin çalışması ve tasarımı
AYAD AWAD ZAIDAN ZAIDAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine MühendisliğiAltınbaş ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. YASER ALAIWI
- Numerical study of implemented eco-friendly nanofluid in the pinfin-equipped heatsinks with novel C-shaped and V-shaped patterns
Yeni C-şekilli ve V- şekilli desenlere sahip iğne-kanat donanımlı soğutucularda uygulanan çevre dostu nanoakışkanın sayısal incelenmesi
FARNAZ NOJAVAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERSİN SAYAR
- An experimental and numerical investigation of immersion cooled blue LED combined with yag:ce phosphor for thermal, electrical and optical performance
Termal, elektriksel ve optik performans için yag:ce fosfor ile birleştirilmiş sıvı soğutmalı mavi LED'in deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
CEREN CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
- Design, fabrication, and experimental evaluation of microchannel heat sinks in CPU cooling
İşlemci soğutmada mikrokanal ısı alıcıların tasarımı, üretimi ve deneysel incelenmesi
AZİZ KOYUNCUOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2010
Makine MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. FARUK ARINÇ
YRD. DOÇ. DR. TUBA OKUTUCU ÖZYURT
- Development of novel methodologies for rotational dynamics applications
Rotasyonel dinamik uygulamaları için özgün metodolojilerin geliştirilmesi
AHMAD ABBASI
Yüksek Lisans
İngilizce
2020
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ POLAT ŞENDUR