Numerical analysis and optimization of novel hybrid heat exchanger designs for enhanced thermoelectric power generation
Gelişmiş termoelektrik güç üretimi için yeni hibrit isi değiştirici tasarimlarinin sayisal analizi ve optimizasyonu
- Tez No: 983428
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ ENES KILINÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD), Sıcaklık dağılımı, Termoelektrik jeneratör, Computational fluid dynamics (HAD), Temperature distribution, Thermoelectric generator
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez, atık ısı geri kazanımını ve elektrik üretimini artırmaya yönelik olarak termoelektrik jeneratörler için hibrit ısı değiştirici tasarımlarının kapsamlı bir sayısal incelemesini ve optimizasyonunu sunmaktadır. Çalışmada, üç adet kanat aralıklı model ve üç adet aşağı akımda düz kanat kullanan hibrit model olmak üzere toplam altı farklı sıcak taraf ısı alıcı konfigürasyonu analiz edilmiştir. ANSYS Fluent'te gerçekleştirilen Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği simülasyonları ile bağımsız bir termoelektrik modeli birleştiren doğrulanmış iki aşamalı bir hesaplama çerçevesi kullanılarak Reynolds sayısının (3378-6375) ve giriş sıcaklığının (523 K, 553 K ve 573 K) ısıl ve elektriksel performans üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuçlar, Reynolds sayısındaki artışla birlikte çıkış gücünün yaklaşık iki katına çıktığını göstermiştir; Model 1'de 3,49 W'tan 7,46 W'a, Model 6'da ise 3,90 W'tan 8,24 W'a yükselmiştir. Dönüşüm verimliliği de iyileşmiştir: Model 1 için %1,08'den %1,57'ye, Model 6 için %1,14'ten %1,66'ya çıkmıştır.Hibrit konfigürasyonlar sürekli olarak aralıklı modellere üstün gelmiştir; Re=6375'te Model 6, geliştirilmiş aşağı akım ısı tutma ve daha düzgün sıcaklık dağılımı sayesinde %15 daha fazla çıkış gücü ve biraz daha yüksek dönüşüm verimliliği (%1,66'ya karşı %1,53) sağlamıştır. Giriş sıcaklığının yükseltilmesi performansı daha da artırmıştır: Re=6375'te net çıkış gücü 523 K'de 7,96 W iken 573 K'de 11,85 W'a yükselmiş ve dönüşüm verimliliği neredeyse iki katına çıkarak %1,14'ten %2,00'ye ulaşmıştır. Bu sonuçlar, akış koşullarının ve kanat geometrisinin optimize edilmesinin pompalama maliyetlerini aşırı artırmadan termoelektrik dönüşümü önemli ölçüde geliştirdiğini ortaya koymaktadır. Elde edilen bulgular, gelişmiş termoelektrik jeneratör ısı değiştiricilerinin tasarımı için pratik bir kılavuz sunarak otomotiv ve endüstriyel atık ısı geri kazanımı uygulamaları için verimli ve ölçeklenebilir sistemlerin geliştirilmesine katkıda bulunmaktadır.
Özet (Çeviri)
This thesis presents a comprehensive numerical investigation and optimization of hybrid heat sink designs for thermoelectric generators aimed at enhancing waste heat recovery and electrical power generation. The six different configurations of the hot side heat sink are examined, of which three are the spacing models, with the other three being the respective combinations of the downstream straight heat sinks. Employing the two-stage, computational approach, which is backed by computational fluid dynamics in the ANSYS Fluent toolbox, the work explored the influence of Reynolds numbers ranging from 3378 to 6375, with three different inlet temperatures of 523 K, 553 K, and 573 K on the system's performance. The production of the heat sink was observed to double with the increment of the Reynolds number, with Models 1 and 6 doubling from 3.49 W and 3.90 W to 7.46 W and 8.24 W, respectively. Conversion efficiency also improved, from 1.08 % to 1.57 % for Model 1 and from 1.14 % to 1.66 % for Model 6. The hybrid configurations always performed better than the spaced models, with Model 6 achieving 15% greater output power and slightly greater conversion efficiency (1.66% compared with 1.53%) because of better downstream heat retention and temperature homogeneity. A greater inlet temperature also brought greater benefits, with Re = 6375 net output power increasing from 7.96 W to 11.85 W with an inlet temperature increase from 523 K to 573 K, with conversion efficiency increasing from 1.14% to 2.00%, nearly doubling. All these outcomes clearly reveal that, by appropriately optimizing the flow characteristics and the geometric design of the vortex fin array, the efficiency of the thermoelectric conversion process can be substantially improved without requiring excessive pumping penalty. They are beneficial for guiding the design of the heat sink with superior thermoelectric conversion efficiency, facilitating the successful realization of highly efficient thermoelectric converters for automotive waste heat harvesting.
Benzer Tezler
- Numerical investigation of micro- and nanoparticle behaviour in fluid flow and heat transfer
Mikro ve nanotaneciklerin ısı geçişi ve akışkan akışı içindeki davranışının sayısal olarak incelenmesi
OKTAY ÇİÇEK
Doktora
İngilizce
2025
Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET CİHAT BAYTAŞ
- Design and implementation of magnetic bearings in rotary blood pump
Dönel kan pompasında manyetik rulmanların tasarlanması ve uygulanması
HARIS SHEH ZAD
Doktora
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKoç ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER TUNGA ERDOĞAN
PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Lityum-iyon batarya modüllerinin ısıl davranışının tasarım ve optimizasyon odaklı sayısal incelenmesi
Numerical investigation of the thermal behavior of lithium-ion battery modules based on design and optimization
OSMAN BEDRETTİN KARATAŞ
Doktora
Türkçe
2026
Makine MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. KEMAL FÜRKAN SÖKMEN
- Antenlerin hızlı ve doğru tasarımı için esnek hesaplamaya dayalı sayısal karma yöntemler
Numerical hybrid methods based on soft computing for fast and accurate design of antennas
MAHMUD ESAD YİĞİT
Doktora
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT TAYFUN GÜNEL
- Design and structural finite element analysis of an artificial neural network based optimized alpha type stirling engine
Yapay sinir ağı bazlı optimize edilmiş bir stırlıng motorunun tasarımı ve yapısal sonlu elemanlar analizi
CENGİZ YILDIZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ATA MUGAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATMA BAYATA