Diseño y evaluación de la eficiencia de un sistema de generación termoeléctrica acoplado en el sistema de escape de un motor diésel

Aguiñaga Ramírez, Eder Armando (2019) Diseño y evaluación de la eficiencia de un sistema de generación termoeléctrica acoplado en el sistema de escape de un motor diésel. Maestría thesis, Universidad Autónoma de Nuevo León.

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Resumen

En los motores de combustión interna, se lleva a cabo una reacción química de oxidación de la cual se aprovecha su energía para obtener energía mecánica, de tal manera que, por ejemplo, se pueda mover un automóvil; desafortunadamente, no toda la energía se logra convertir en ello, presentándose pérdidas energéticas, principalmente en forma de calor. Por lo anterior, diversas tecnologías se han desarrollado para aprovechar dicha energía térmica. Los sistemas termoeléctricos son una de las tecnologías utilizadas para la tarea anterior, puesto que son capaces de transformar la energía térmica en energía eléctrica. En este trabajo se lleva a cabo la puesta a punto de un sistema de generación termoeléctrica automotriz con la finalidad de aprovechar la energía térmica contenida en los gases de escape de un motor de combustión interna por compresión. Se evalúa el desempeño del sistema de generación termoeléctrica mediante un banco de pruebas experimentales. El generador termoeléctrico está compuesto por tres partes, un intercambiador de calor por donde circulan los gases de escape. Dicho intercambiador está compuesto por tres secciones, una boquilla de entrada que adapta la sección circular del banco de pruebas a la forma rectangular de la sección central, ´esta, está integrada por 19 aletas de acero inoxidable las cuales conducen el calor de los gases de escape hasta la superficie del intercambiador en donde están montados los módulos termoeléctricos y una ´ultima sección de salida que adapta la forma rectangular de la sección central a la forma circular del banco de pruebas. La siguiente parte del generador termoeléctrico son los módulos termoeléctricos, en este caso, son 8 módulos termoeléctricos modelo TEG1-12610-4.3 de la empresa canadiense TECTEG. La ´ultima parte del generador termoeléctrico es el disipador de calor, el cual tiene 5 milímetros de espesor por donde fluye líquido refrigerante automotriz Akron al 33 %. El sistema termoeléctrico está instrumentado para leer la temperatura de la superficie caliente, de la superficie fría, de los gases de escape a la entrada y salida, así como la del refrigerante a la salida del sistema de generación termoeléctrica. El sistema también está instrumentado para leer los voltajes de los cuatro módulos termoeléctricos que hay desde la entrada hasta la salida del sistema. Se trabajan tres regímenes de 900, 1000 y 1100 rpm, así como tres temperaturas, 150, 175 y 200 ◦C para cada régimen. Se lleva a cabo la elaboración de un programa en MATLAB en el cual se consideran las ecuaciones de balance de energía y masa principales que rigen los fenómenos de transferencia de calor en el generador termoeléctrico. Se consideran la transferencia de calor que hay de los gases de escape hacia la superficie del intercambiador, de esta al lado caliente del módulo termoeléctrico, de este al lado frio del módulo termoeléctrico, de este al disipador, y de este al fluido refrigerante. Al igual que para la parte experimental, se trabajan los mismos tres regímenes y las mismas tres temperaturas para cada régimen. Se realiza un análisis numérico mediante el uso de ANSYS Workbench y ANSYS FLUENT. El análisis numérico se lleva a cabo de manera separada para el intercambiador de calor, que es por donde fluyen los gases de escape; para el disipador de calor, que es por donde fluye el líquido refrigerante; y para un termopar de los 63 que conforman al módulo termoeléctrico modelo TEG1-12610-4.3. Para el intercambiador se lleva a cabo un análisis numérico en tres dimensiones donde se analizan los parámetros de temperatura, presión y velocidad para los gases de escape que fluyen a través del mismo. Para el disipador de calor se lleva a cabo un análisis numérico bidimensional en donde se estudian los parámetros de temperatura, presión y velocidad para el líquido refrigerante. Para el termopar del módulo termoeléctrico se estudian las variables de temperatura, voltaje, flujo de calor y corriente eléctrica. De la misma manera que en la parte experimental y teórica, se utilizan los mismos tres regímenes y las mismas tres temperaturas para cada régimen. De los resultados experimentales se encuentra que la configuración del equipo para el prensado de los módulos termoeléctricos a través del intercambiador y disipador de calor es de vital importancia para el buen contacto entre los tres elementos que conforman al TEG, puesto que esto se traduce en una obtención de energía eléctrica directa. Se obtiene que en la posición tres y cuatro es en donde hay un mejor contacto entre los tres elementos del TEG. De los resultados se obtiene que la distribución de presión y temperatura superficial en el intercambiador de calor son casi idénticas para el análisis numérico como para lo datos experimentales recopilados, dejando entrever una correlación evidente entre los dos métodos de estudio. De la misma manera, los resultados obtenidos del análisis numérico para la distribución de temperatura para el líquido refrigerante es muy similar a lo obtenido experimentalmente. Se lleva también un análisis de la conversión de energía térmica en eléctrica mediante un análisis numérico, un análisis a partir de ecuaciones matemáticas y experimentación. La diferencia de energía que hay entre los resultados teóricos en promedio por módulo termoeléctrico es de 0.03 watts, mientras que si se comparan los resultados teóricos y experimentales, se encuentra una diferencia de 0.11 watts en promedio por módulo termoeléctrico. Una suposición de porque ocurre la discrepancia anterior se debe a que se cree que no se está dando el mejor contacto entre los elementos del generador termoeléctrico. Además de lo anterior, se calcula el error relativo que existe entre los valores teóricos y entre los valores teóricos con respecto a los experimentales. Para el primer caso, el error relativo máximo es de 4.17 %, mientras que el error relativo mínimo es de -4.35 %. Lo anterior indica que los resultados que arrojan la simulación y las ecuaciones matemáticas son prácticamente los mismos. Para el segundo caso, el error máximo relativo que se obtiene es de 11.7 % y el menor es de 7.6 %. Por ´último, se calcula la eficiencia de conversión de energía térmica a eléctrica para los tres análisis, numérico, maten ático y experimental. Para la experimentación es de 1.00 % para el caso de 900 rpm y 150 ◦C y aumenta conforme se incrementa la temperatura y el régimen de motor, hasta llegar a una eficiencia de 1.35 % para el caso de 1100 rpm y 200 ◦C. Para los resultados del análisis numérico, se aprecia que la eficiencia de conversión en promedio es de 1.31 %. Para los resultados de las ecuaciones matemáticas, se obtiene una eficiencia promedio de 1.36 %. Lo anterior implica que los resultados experimentales son similares a los calculados por el modelo maten ático usado y a los resultados arrojados del análisis numérico. La eficiencia obtenida representa aproximadamente 1/4 de lo que se obtendría en condiciones máximas de trabajo, de acuerdo a las hojas de especificaciones del módulo termoeléctrico utilizado. En resumen, si es posible diseñar y manufacturar un generador termoeléctrico automotriz en el cual se mantenga una diferencia de temperaturas constante entre la parte caliente y fría a lo largo del generador termoeléctrico, para así transformar la mayor cantidad de energía térmica en energía eléctrica aprovechable mediante el uso de módulos termoeléctricos.

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