Development of a heat exchanger for exhaust gas energy exploitation

Abstract

The road transport industry faces the need to develop its fleet for lower energy consumption, pollutants and CO2 emissions. Waste heat recovery systems with Thermoelectric generators (TEGs) can directly convert the exhaust heat into electric energy, aiding the electrical needs of the vehicle, thus reducing its depen dency on fuel energy. The present work assesses the optimization and evaluation of a LaMoTa Uminho temperature-controlled thermoelectric generator (TCTG) concept to be used in a commercial heavy-duty vehicle (HDV). The system consists of a heat exchanger (HE) with wavy fins (WFs) plates in an aluminium matrix along with vapour chambers (VC), machined directly into the matrix, that grant the thermal control. Above are the TEGs and cooling plates (CPs) for heat dissipation. The TCTG concept behaviour was analysed under realistic driving conditions. With a 1D model (Matlab algorithm) of the system was possible to predict its thermal and thermoelectric performance along with the given driving cycles. An HDV with a 16 L Diesel engine was simulated in AVL software. Data regarding the exhaust gas temperature and mass flow were obtained for each point of two cycle runs, which were implemented in the 1D model. Additionally, a 2D heat transfers simulation in COMSOL provided the thermal resistances of the system which were added to the algorithm. The developed system proved to have a good capacity for applications with volatile thermal loads since it was able to avoid the overheating of the TEGs by spreading the heat to areas with lower available thermal loads. It was predicted a maximum average electrical production of 2.4 kW, which resulted in fuel savings of about 2% and CO2 emissions reduction of around 37 g/km.

A indústria de transportes rodoviários tem o dever de desenvolver a sua frota para diminuir o consumo de energia, poluentes e emissões de CO2 . Geradores termoeléctricos (TEGs) convertem diretamente o calor dos gases de escape em energia eléctrica, o que auxilia as necessidades eléctricas do veículo e reduz a dependência da energia do combustível. O presente estudo realiza a optimização e avaliação de um gerador termoeléctrico com controlo de temperatura (conceito LaMoTa Uminho) num veículo comercial pesado (HDV). O sistema consiste num permutador de calor com placas de alhetas ondulada numa matriz de alumínio juntamente com câmaras de vapor, maquinadas diretamente na matriz, que concedem o controlo térmico. Acima estão os TEGs e as placas de arrefecimento para dissipação de calor. O sistema foi analisado em condições de condução reais. Com um modelo 1D (algoritmo Matlab) do sistema foi possível prever o seu desempenho térmico e termoeléctrico durante ciclos de condução. Um HDV com um motor Diesel de 16 L foi simulado no software AVL. Foram obtidos dados relativos à temperatura dos gases de escape e ao fluxo de massa para cada ponto de dois ciclos de condução, que foram implementados no modelo 1D. Uma simulação de transferência de calor 2D em COMSOL forneceu as resistências térmicas do sistema, que foram adicionadas ao algoritmo. O sistema demonstrou ter boa capacidade para aplicações com cargas térmicas voláteis, dado que foi capaz de evitar o sobreaquecimento dos TEGs, espalhando o calor para áreas com cargas térmicas baixas. Preveu-se uma produção eléctrica média máxima de 2,4 kW, o que significa uma poupança de combustível de cerca de 2% e redução de emissões de CO2 de cerca de 37 g/km.