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系統識別號 U0002-1208200914264000
中文論文名稱 Gamma型態史特靈引擎之研製與測試
英文論文名稱 Fabrication and Test of Gamma-Type Stirling Engine
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 盧玟銨
研究生英文姓名 Wen-An Lu
電子信箱 696371953@s96.tku.edu.tw
學號 696371953
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-10
論文頁數 85頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-鄭金祥
委員-李永明
委員-蔡建雄
委員-楊龍杰
委員-康尚文
中文關鍵字 史特靈  再生器  輸出軸功  扭矩  制動熱效率 
英文關鍵字 Stirling engine  Hot-air engine  Regeneration  Shaft power  Torque  Brake thermal efficiency 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究為設計一Gamma型態史特靈引擎,製造並測試。在一大氣壓下,工作流體為空氣下使用交流電源供應器加熱測試。分別輸入200 W、250 W以及300 W,實際輸入熱源分別為156.3 W、187.6 W以及223.2 W。測試不同的輸入熱源,引擎在不同轉速下的負載扭矩、輸出軸功和制動熱效率。並比較單動力汽缸與雙動力汽缸之性能。
在輸入熱源為223.2 W下,單動力汽缸在轉速為405 rpm時有最大扭矩為0.13 Nm。在轉速為456 rpm時有最大輸出軸功5.73 W,最大制動熱效率2.57 %。雙動力汽缸在轉速為412 rpm時有最大扭矩為0.15 Nm。在轉速412 rpm時有最大輸出軸功6.47 W,最大制動熱效率2.9 %。
英文摘要 In this investigation, a gamma-configuration Stirling engine are designed and constructed. The single and twin power cylinder engines are tested with air at atmospheric pressure by using a electric heater as a heat source. The engine is tested with heater input of 156.3W, 187.6W, and 223.2W. Variations of engine torque, shaft power and brake thermal efficiency with engine speed and engine performance at various heat inputs are presented.
The results indicate that at the maximum heater input of 223.2 W, the heater temperature for single power cylinder and twin power cylinder are 612℃ and 574℃. The two engines produce a maximum torque of 0.13 Nm at 405 rpm and 0.15 Nm at 412 rpm; a maximum shaft power of 5.73 W at 456 rpm and 6.47 W at 412 rpm; a maximum brake thermal efficiency of 2.57 % at 456 rpm and 2.9 % at 412 rpm, respectively.
論文目次 誌謝 I
中文摘要 II
英文摘要 III
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 VIII
符號說明 IX
第一章 緒論 1
1-1 前言 1
1-2 文獻回顧 1
1-2-1 發展歷史 1
1-2-2 近期研究 5
1-3 研究動機與目的 18
第二章 相關簡介 19
2-1 史特靈引擎原理 19
2-2 史特靈引擎的優點 21
2-3 史特靈引擎分類 22
2-4 史特靈循環 26
2-5 再生器之介紹 28
2-6 輸出軸功(shaft power) 32
2-7 實際輸入熱(qin) 32
2-8 制動熱效率(brake thermal efficiency) 32
2-9 Beale number(NB) 33
第三章 史特靈引擎設計 35
3-1 冷卻水套與移氣器部分 37
3-2 連桿 38
3-3 曲柄軸 38
3-4 動力汽缸部份 39
3-5 飛輪 41
3-6 冷卻基板部分 42
3-7 增進效能的方法 43
3-7-1 再生器(regenerator) 43
3-7-2 減輕重量和減少剪應力 44
3-7-3 填充不同的壓力、氣體 45
3-7-4 冷卻方法 45
3-7-5 減少摩擦力 46
3-7-6 減少活塞作動區域外(dead space)的空間 46
第四章 實驗設備與測試 47
4-1 性能評估 47
4-2 測試設備之架設 47
4-3 系統校正 51
4-4 實驗測試與步驟 52
4-5 實驗分析與結果討論 54
4-5-1 熱源輸入評估 54
4-5-2 壓力量測分析 54
4-5-3 單動力汽缸性能 54
4-5-4 雙動力汽缸性能 57
4-5-5 性能比較與分析 60
第五章 總結與未來建議 62
5-1 結論 62
5-2 未來建議 63
參考文獻 66
附錄一 校正報告書 68
附錄二 溫度校正 70
附錄三 熱源評估 71
附錄四 壓力量測數據 74
附錄五 實驗數據 83

圖目錄

圖1-1 Sir George Cayley’s Engine, 1807[1]………………………………….. 2
圖1-2 Robert Stirling’s engine of 1816 [1]…………………………………… 3
圖1-3 微熱電混合(Micro CHP)能源轉換概況[4]………………………….. 5
圖1-4 Hirata所設計之史特靈引擎原型[6]………………………………….. 6
圖1-5 加裝密封結構後的史特靈引擎[6]…………………………………… 6
圖1-6 於不同汽缸充填壓力下之實驗結果[6]……………………………… 7
圖1-7 Hirata等提出之多缸式史特靈引擎示意圖[7]……………………….. 8
圖1-8 多缸式史特靈引擎實驗結果[7]……………………………………… 9
圖1-9 β型史特靈引擎[8]…………………………………………………….. 10
圖1-10 Kongtragool與Wongwises製作之雙動力汽缸之低溫史特靈引擎[9] 11
圖1-11 Kongtragool與Wongwises製作之四動力汽缸之低溫史特靈引擎[9] 12
圖1-12 引擎與測試設備[10]………………………………………………….. 14
圖1-13 Kongtragool與Wongwises以鹵素燈為模擬太陽能熱源之實驗[11].. 15
圖1-14 汽缸內壁有無溝槽對於輸出軸功的比較[13]……………………….. 17
圖1-15 汽缸內壁有無溝槽對於扭矩的比較[13]…………………………….. 17
圖2-1 加熱時汽缸的壓力 [3]……………………………………………….. 19
圖2-2 冷卻時汽缸的壓力[3]………………………………………………… 20
圖2-3 移氣器的圓柱加熱和冷卻示意圖跟動力活塞的反應[3]…………… 20
圖2-4 雙活塞式史特靈引擎[16]…………………………………………….. 23
圖2-5 同軸式史特靈引擎[16]……………………………………………….. 24
圖2-6 分置式史特靈引擎[16]……………………………………………….. 25
圖2-7 自由活塞式史特靈引擎[17]………………………………………….. 26
圖2-8 理想史特靈循環P-V與T-S圖[3] ……………………………………. 27
圖2-9 外接型再生器…………………………………………………………. 29
圖2-10 外環型再生器…………………………………………………………. 30
圖2-11 滑塊型再生器…………………………………………………………. 31
圖2-12 加熱溫度與NB的關係圖[3] ………………………………………….. 34
圖3-1 γ型態的雙缸式史特靈引擎…………………………………………... 35
圖3-2 γ型態的單缸式史特靈引擎…………………………………………... 36
圖3-3 冷卻水套、移氣器部分與連桿及其剖面圖…………………………... 37
圖3-4 連桿……………………………………………………………………. 38
圖3-5 曲柄軸…………………………………………………………………. 39
圖3-6 動力汽缸、活塞與連桿………………………………………………... 40
圖3-7 動力汽缸底部…………………………………………………………. 40
圖3-8 飛輪……………………………………………………………………. 41
圖3-9 基板剖面圖……………………………………………………………. 42
圖3-10 有再生器汽缸剖面圖[1] ……………………………………………... 43
圖4-1 實驗架設示意圖………………………………………………………. 49
圖4-2 交流電源供應器………………………………………………………. 50
圖4-3 環形加熱器……………………………………………………………. 50
圖4-4 恆溫水槽與流量計……………………………………………………. 50
圖4-5 imc SPARTAN-L溫度擷取器………………………………………… 51
圖4-6 壓力計…………………………………………………………………. 51
圖4-7 實驗架設完成圖………………………………………………………. 52
圖4-8 單動力汽缸轉速與負載扭矩關係圖…………………………………. 55
圖4-9 單動力汽缸轉速與輸出軸功關係圖…………………………………. 56
圖4-10 單動力汽缸負載與制動熱效率關係圖………………………………. 56
圖4-11 單動力汽缸轉速與汽缸底部溫度關係圖……………………………. 56
圖4-12 單動力汽缸汽缸底部溫度與輸出軸功及Beale number關係圖……. 57
圖4-13 雙動力汽缸轉速與負載扭矩關係圖…………………………………. 58
圖4-14 雙動力汽缸轉速與輸出軸功關係圖…………………………………. 58
圖4-15 雙動力汽缸負載扭矩與制動熱效率關係圖…………………………. 59
圖4-16 雙動力汽缸轉速與汽缸底部溫度關係圖……………………………. 59
圖4-17 雙動力汽缸汽缸底部溫度與輸出軸功及Beale number關係圖……. 59
圖4-18 qin為156.3 W下轉速與汽缸底部溫度關係………………………….. 61
圖4-19 qin為187.6 W下轉速與汽缸底部溫度關係………………………….. 61
圖4-20 qin為223.2 W下轉速與汽缸底部溫度關係…………………………. 61
圖5-1 一體成型的曲柄軸[1] ………………………………………………... 64
圖5-2 外環型再生器…………………………………………………………. 64
圖5-3 內環型再生器…………………………………………………………. 65

表目錄

表1-1 Hirata引擎規格[7]…………………………………………………….. 8
表1-2 在環境溫度307 K下,雙動力汽缸引擎最大性能與Beale number[9]. 12
表1-3 在環境溫度307 K下,四動力汽缸引擎最大性能與Beale number[9]. 12
表1-4 在環境溫度307 K下,引擎最大性能與Beale number[10]…………... 13
表1-5 在環境溫度307 K下,引擎最大性能與Beale number[11]…………... 15
表1-6 以電熱器控溫加熱之實驗綜合結果[12]…………………………….. 16
表1-7 引擎在氣化爐產氣加熱下之各項數據[12]………………………….. 16
表4-1 單動力汽缸與雙動力汽缸的設計參數………………………………. 47
表4-2 單動力汽缸與雙動力汽缸之比較……………………………………. 60
表4-3 本研究與Kongtragool與Wongwises製作之雙動力汽缸比較……… 60
參考文獻 [1] Roy Darlington and Keith Strong, Stirling and Hot Air Engines, The Crowood Press Ltd.
[2] C. M. Hargreaves, The Philips Stirling Engine, Amsterdam ; New York : Elsevier ; New York, NY, U.S.A. : Distributors for the U.S. and Canada, Elsevier Science Pub. Co., 1991.
[3] G.. Walker, Stirling Engines, Oxford University Press, New York, 1980.
[4] J. Harrison, “Micro Combined Heat & Power”, EA Technology.
[5] http://www.stirlingenergy.com/default.asp
[6] K. Hirata, “Mechanical Loss Reduction of a 100W Class Stirling Engine”, 11th International Stirling Engine Conference, Rome, pp.338-343, 2003.
[7] K. Hirata, M. Kawada, “Development of a Multi-Cylinder Stirling Engine”, 12th International Stirling Engine Conference, United_Kingdom, pp. 315-324, 2005.
[8] 林育煌,2005, “使用菱形驅動機構之同軸式史特靈引擎研究”, 大同大學碩士論文。
[9] B. Kongtragool, S. Wongwises, “Performance of Low-Temperature Differential Stirling Engines”, Renewable Energy, Vol.32(4), pp.547-566, 2007.
[10] B. Kongtragool, S. Wongwises, “Performance of a Twin Power Piston Low Temperature Differential Stirling Engine Powered by a Solar Simulator”, Solar Energy, Vol.81(7), pp.884-895, 2007.
[11] B. Kongtragool, S. Wongwises, “A Four Power-Piston Low-Temperature Differential Stirling Engine Using Simulated Solar Energy as a Heat Source”, Solar Energy, Vol.82(6), pp.493-500, 2008.
[12] 張翔宇,2008,“小型分置式史特靈引擎應用於熱電共生系統之研究”, 國立台灣大學機械工程學系碩士論文。
[13] Halit Karabulut, Huseyin Serdar Yucesu, Can Cinar, Fatih Aksoy,“An experimental study on the development of a β-type Stirling engine for low and moderate temperature heat sources”, Applied Energy 86 (2009) 68-73.
[14] J.R. Senft, Ringbom Stirling Engines, Oxford University Press, New York, 1993.
[15] SH. Walpita, Development of the solar receiver for a small Stirling engine. In:Special study project report no. ET-83-1. Bangkok:Asian Institude of Technology;1983.
[16] K. Hirata, “Schmidt theory for Stirling engines,” www.bekkoame.ne.jp, 1997
[17] David M. Berchowitz Chief Engineer, “Free-Piston Rankine Compression and Stirling Cycle Machines for Domestic Refrigeration”, Sunpower Inc., Athens, Ohio
[18] 林貴添、林祥輝、簡國祥,2003,「史特靈引擎的性能數值分析」,能源季刊 第三十三卷 第三期 第78-93頁。
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