Teste em protótipo de um sistema gerador de eletricidade com entalpia dos gases de escape

Abstract

A eficiência energética na indústria automóvel é, nos dias que correm, um tema premente devido às exigências impostas pelas metas relativas às emissões de poluentes e gases com efeito de estufa. Os meios convencionais de produção de energia elétrica a bordo, nomeadamente o alternador, recorrem à energia mecânica produzida pelo motor. No entanto, existe um elevado potencial de recuperação de energia libertada pelos gases de escape que não tem vindo a ser aproveitada. A temperatura é bastante elevada e a potência térmica existente nos gases de escape é da mesma ordem de grandeza da potência útil do motor de combustão interna. O aproveitamento da energia de gases de escape pode ser feito de forma inovadora através da conversão de calor em energia elétrica com recurso a geradores termoelétricos (TEG) sem recurso a peças móveis. Para serem eficientes, necessitam de funcionar perto do seu limite de temperatura, sem, contudo, a ultrapassar. Uma das formas de o garantir é fornecer calor de escape por intermédio de um fenómeno de mudança de fase com temperatura de saturação controlada por intermédio de termossifões de condutância variável. O presente trabalho é fundamentalmente experimental e tem como base um protótipo, existente no laboratório de motores e desenvolvido no âmbito do projeto Exhaust2Energy. Procurou-se testar de forma a otimizar este gerador termoelétrico de controlo de temperatura (TCTG) através da alteração de algumas variáveis, nomeadamente a utilização de gases como o azoto, hélio e árgon a diferentes pressões iniciais, diferentes regimes de funcionamento do motor e através da alteração da direção do fluxo de gás no protótipo. Os resultados indicam que se conseguiu obter uma melhor estratificação dos gases permitindo uma melhor distribuição de calor pelos TEG de acordo com o calor disponível e melhor transferência de calor, permitindo um aumento na potência gerada e eficiência do sistema. Alterações de desenho e conceção do protótipo para permitir uma maior absorção do calor por parte do protótipo e equipamento que permita cargas mais elevadas são sugestões para trabalhos futuros.

Energy efficiency in the automotive industry is a pressing issue these days due to the requirements imposed by emissions targets. Conventional means of producing on-board electrical power, such as the alternator, rely on mechanical energy produced by the engine. However, there is a high potential for Exhaust waste heat energy recovery that is not being harnessed. The temperature is quite high and the thermal power existing in the exhaust gases is about the same magnitude as the useful power in the internal combustion engine. Exhaust gas energy can be used in an innovative way by converting heat into electrical energy using thermoelectric generators (TEG) with no moving parts. To be efficient, they need to work close to their temperature limit, without, however, exceeding it. One way of ensuring this, is to provide exhaust heat by means of a phase change phenomenon with controlled saturation temperature through variable conductance thermosiphons. This work is mostly experimental and is based on an existing prototype, present in the engines laboratory, previously developed by Exhaust2Energy project. Several experimental tests were made in order to optimize this thermoelectric temperature control generator (TCTG) by changing some variables, namely the use of gases such as air, helium and argon at different starting pressures, different engine operating speeds and by changing the direction of gas flow in the prototype. The results obtained indicate that a better stratification of the gases was achieved, allowing a better heat distribution by the TEG according to the available heat and better heat transfer, allowing an increase in the generated power and efficiency of the system. Changes in the design and conception of the prototype to allow higher heat absorption and equipment that allow higher thermal loads are suggestions for future work.