Analisis pengaruh desain flattened plate thermoelectric generator terhadap resistansi termal exhaust mesin diesel berbasis computational fluid dynamics

Airlangga Nanda Suprapto, Dr. Eng. Ir. Yosephus Ardean Kurnianto Prayitno, S.T., M.Eng

2026 | Tugas Akhir | D4 TEKNOLOGI REKAYASA MESIN

Gas buang mesin diesel mengandung energi panas yang masih dapat dimanfaatkan kembali melalui sistem Thermoelectric Generator (TEG) sebagai teknologi waste heat recovery. Salah satu faktor yang memengaruhi kinerja sistem TEG adalah besarnya resistansi termal pada jalur perpindahan kalor dari exhaust menuju modul TEG. Resistansi termal yang tinggi menyebabkan panas tidak dapat ditransfer secara optimal sehingga menurunkan kemampuan sistem dalam memanfaatkan energi panas gas buang. Oleh karena itu, diperlukan pengembangan desain yang mampu meningkatkan karakteristik termal sistem TEG. Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis pengaruh desain Flattened Plate Thermoelectric Generator terhadap resistansi termal exhaust mesin diesel berbasis Computational Fluid Dynamics (CFD). Penelitian dilakukan dengan membandingkan sistem konvensional dan sistem Flattened Plate pada kondisi operasi 780 RPM dan 1500 RPM. Simulasi numerik dilakukan menggunakan ANSYS Fluent, kemudian divalidasi melalui pengujian eksperimen menggunakan sensor termokopel tipe-K pada beberapa titik pengukuran. Karakteristik termal sistem dianalisis berdasarkan distribusi temperatur, resistansi termal, perbedaan temperatur (?T), dan efektivitas perpindahan kalor. Hasil validasi menunjukkan bahwa simulasi CFD memiliki tingkat kesesuaian yang baik terhadap hasil eksperimen dengan nilai galat relatif di bawah 10% pada seluruh titik pengukuran. Hasil analisis menunjukkan bahwa penerapan desain Flattened Plate mampu menurunkan resistansi termal total dari 0,64338 K/W menjadi 0,59806 K/W atau sebesar 7,04%. Nilai resistansi termal tersebut tetap sama pada kondisi operasi 780 RPM dan 1500 RPM karena ditentukan oleh dimensi geometri, luas bidang kontak, dan konduktivitas termal material yang tidak berubah terhadap putaran mesin. Selain itu, perbedaan temperatur (?T) meningkat dari 16,20°C menjadi 22,42°C pada 780 RPM dan dari 36,50°C menjadi 43,77°C pada 1500 RPM, sedangkan efektivitas perpindahan kalor meningkat dari 0,931 menjadi 0,954 pada 780 RPM dan dari 0,913 menjadi 0,976 pada 1500 RPM. Berdasarkan hasil penelitian, desain Flattened Plate mampu meningkatkan karakteristik termal sistem Thermoelectric Generator melalui penurunan resistansi termal, peningkatan perbedaan temperatur, serta peningkatan efektivitas perpindahan kalor sehingga berpotensi meningkatkan pemanfaatan energi panas gas buang mesin diesel.

Diesel engine exhaust contains a considerable amount of waste heat that can be recovered through a Thermoelectric Generator (TEG) to improve energy utilization. One of the main challenges in TEG applications is the thermal resistance along the heat-transfer path from the exhaust gas to the thermoelectric module, which limits the amount of heat transferred to the module. This study aims to analyze the effect of a Flattened Plate design on the thermal characteristics of a diesel engine exhaust system using a Computational Fluid Dynamics (CFD) approach. The study compares a conventional configuration with a Flattened Plate configuration under engine operating conditions of 780 RPM and 1500 RPM. The numerical model was developed using ANSYS Fluent and validated using experimental temperature measurements at the inner exhaust wall, TEG hot side, TEG cold side, and Heatsink. Thermal performance was evaluated based on thermal resistance, temperature difference (?T), and heat-transfer effectiveness. The validation results showed good agreement between the CFD simulation and experimental data, with relative errors below 10% at all measurement points. The results show that the total thermal resistance decreased from 0.64338 K/W in the conventional configuration to 0.59806 K/W in the Flattened Plate configuration, corresponding to a reduction of 7.04%. The temperature difference increased from 16.20°C to 22.42°C at 780 RPM and from 36.50°C to 43.77°C at 1500 RPM, corresponding to increases of 38.40% and 19.92%, respectively. Furthermore, the heat-transfer effectiveness increased from 0.931 to 0.954 at 780 RPM and from 0.913 to 0.976 at 1500 RPM, corresponding to increases of 2.47% and 6.90%, respectively. These results demonstrate that the Flattened Plate design shortens the conduction path, reduces total thermal resistance, and improves the temperature difference and heat-transfer effectiveness of the TEG system. Therefore, the proposed configuration has the potential to improve the utilization of waste heat from diesel engine exhaust systems.

Kata Kunci : Computational Fluid Dynamics (CFD), Flattened Plate, Resistansi Termal, Thermoelectric Generator (TEG), Waste Heat Recovery