淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
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系統識別號 U0002-2301201416584400
中文論文名稱 太陽能驅動史特靈引擎之模擬研究
英文論文名稱 Simulation study of a solar concentrator operated Stirling engine
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 102
學期 1
出版年 103
研究生中文姓名 周盈秀
研究生英文姓名 Ying-Hsiu Chou
學號 601400053
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2014-01-13
論文頁數 178頁
口試委員 指導教授-張煖
委員-陳錫仁
委員-程學恆
中文關鍵字 太陽能驅動  史特靈引擎  曲柄動力模式  動態模擬  最佳化 
英文關鍵字 Solar power  Stirling engine  Crankshaft kinematics  Dynamic simulation  Optimization 
學科別分類
中文摘要 本論文建立了Alpha 型史特靈引擎的二階數學模式與曲柄動力數學模式,以及太陽能集光碟之設計模式。利用這些模式,本論文完成了一個以氮氣為工作流體,由柴油引擎改裝之史特靈引擎的性能模擬與最佳化分析,且決定出史特靈引擎可提供給海水淡化薄膜蒸餾系統之能量。
相較於基本設計,最佳設計之篩網空隙率由0.489 調降為0.3,冷卻器長度減半,再生器通道高度減半。性能分析顯示引擎操作於0.45-3.1 MPa,工作流體溫度介於282-709 K,再生器效能達83.87%,引擎對外輸出功率為9.85 kW,熱效率為33.85%,轉動頻率為852 rpm。
集光碟之輻射接收面積約為32.4 m2。當再生器熱傳係數使用Kelly and McLand (2007)關聯式,在高輻射強度830 W/m2 且引擎工作流體之總質量分別為18.16、27.26 與36.32 g 時,引擎可輸出功率分別為7.89、8.42 與8.4 kW。中輻射強度670 W/m2 且總質量分別為27.26 與36.32 g 時,引擎可輸出功率分別為7.37 與7.4 kW。再生器熱傳係數若使用Gedeon and Wood (1996)之關聯式,在高輻射強度下且總質量分別為18.16、27.26 與36.32 g 時,引擎可輸出功率分別為7.88、8.22 與8.21 kW。中輻射強度下且總質量分別為27.26 與36.32 g 時,引擎可輸出功率分別為7.2 與7.24 kW。在低輻射強度560 W/m2,因能量太低,無法驅動引擎轉動。
英文摘要 This study has established a second order mathematical model of alpha type solar powered Stirling engine, and solar collectors of design. The study simulates a diesel engine
with nitrogen as the working fluid, basic design analysis and optimal design, and the decision the Stirling engine supply the desalination membrane distillation system energy.
The simulation of the optimal design case reveals the cyclic operating conditions of the working gas and the solid temperatures. For the gas, the pressure ranged 0.45-3.1 MPa, the maximum pressure difference in the engine is about 0.7 MPa and the temperature ranged 282-709 K. For the metal in the regenerator, the temperature distribution is linear and the effectiveness of the regenerator is 83.87%. The power output from the engine is 9.85 kW and the thermal efficiency is 33.85%. Rotational frequency is 852 rpm.
Solar collector receives radiation area is approximately 32.4 m2. When the regenerator heat transfer coefficient using Kelly and McLand (2007) correlation in high radiation
intensity 830 W/m2 and the total mass of the working fluid of the engine are 18.16,27.26 and 36.32 g, engine output power are 7.89,8.42 and 8.4 kW. The radiation intensity and the total mass of 670 W/m2, respectively 27.26 and 36.32 g, engine output power are 7.37 and 7.4 kW.
If regenerator heat transfer coefficient using Gedeon and Wood (1996) the correlation at high radiation intensity and total mass are 18.16,27.26 and 36.32 g, the engine output power, respectively 7.88,8.22 and 8.21 kW. Under the radiation intensity, and the total mass are 27.26 and 36.32 g, engine output power are 7.2 and 7.24 kW. In the low radiation intensity 560 W/m2, the energy is too low to drive the engine rotation.
論文目次 中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 III
圖目錄 VI
表目錄 X
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與範疇 3
1.3 論文組織與架構 4
第二章 文獻回顧 6
2.1 太陽能史特靈引擎 6
2.2 史特靈引擎系統模式 8
第三章 引擎與集光碟概念設計 12
3.1 史特靈引擎基本類型 12
3.2 史特靈引擎設計 18
3.2.1 加熱器 18
3.2.2 再生器 19
3.2.3 冷卻器 20
3.2.4 曲柄系統 21
3.3 太陽能集光碟設計 23
第四章 太陽能集光碟製作 26
4.1 裝置規格 26
4.2 太陽能集光碟製作步驟 29
第五章 單元模式建立 36
5.1 Alpha型史特靈引擎 36
5.1.1 二階數學模式 37
5.1.2 幾何尺寸與參數設定 40
5.1.3 流力與熱傳係數 43
5.1.3.1 熱對流係數 43
5.1.3.2 泛寧摩擦因子(Fanning friction factor) 44
5.1.4 工作流體物理與傳輸性質 44
5.1.5 金屬性質 46
5.1.6 模式求解 47
5.2 曲柄系統 48
5.2.1 數學模式 49
5.2.2 裝置尺寸與參數設定 54
5.2.3 模式求解 54
5.3 太陽能集光碟 55
5.3.1 數學模式 55
5.3.1.1 計算集光碟尺寸與引擎接收之能量 55
5.3.1.2 太陽之方位角和仰角 63
5.3.2 計算結果 67
5.3.2.1 引擎接收之能量 67
5.3.2.2 計算太陽之方位角和仰角 68
第六章 模式驗證 71
第七章 引擎基本設計之模擬分析 75
7.1 史特靈引擎與曲柄結合系統說明 75
7.2 工作流體狀態特性 77
7.3 金屬狀態特性 86
7.4 系統能量分析 88
7.5 關聯式比較 95
7.5.1 計算流體力學模式說明 95
7.5.2 結果比較 97
第八章 引擎設計與操作敏感度分析 102
8.1 工作流體 105
8.2 熱交換器幾何參數 106
8.2.1 加熱器尺寸 106
8.2.1.1 加熱器長度 106
8.2.1.2 加熱器通道截面積 107
8.2.2 冷卻器尺寸 109
8.2.2.1 冷卻器長度 109
8.2.2.2 冷卻器通道截面積 110
8.2.3 再生器尺寸 112
8.2.3.1 再生器長度 112
8.2.3.2 再生器流體通道截面積 113
8.2.3.3 再生器篩網空隙率 114
8.2.3.4 篩網金屬比熱 115
8.2.4 熱對流係數 117
8.2.4.1 加熱器流體 117
8.2.4.2 冷卻器流體 118
8.2.4.3 加熱器與冷卻器流體 119
8.2.5 曲柄系統尺寸 121
8.3 操作條件 123
8.3.1 工作流體總質量 123
8.3.2 冷卻器壁溫 124
8.3.3 加熱器壁溫 125
8.4 含曲柄系統分析 127
8.4.1 加熱器熱通量 127
8.4.2 加熱器通道截面積85% 130
8.4.3 冷卻器通道截面積85% 131
8.4.4 冷卻器長度50% 132
8.4.5 再生器通道截面積50% 133
8.4.6 再生器長度125% 134
8.4.7 再生器篩網空隙率0.3 135
第九章 引擎最佳設計之模擬分析 136
9.1 裝置尺寸與操作條件 136
9.2 工作流體狀態特性 139
9.3 金屬狀態特性 148
9.4 系統能量分析 150
9.5 供應海水淡化薄膜蒸餾系統之能量分析 157
第十章 結論與建議 167
符號說明 170
參考文獻 174

圖目錄
圖1.2 集光型太陽能史特靈引擎電力系統 3
圖2.1史特靈引擎之PV與TS圖 8
圖3.1 α型史特靈引擎之結構 13
圖3.2 α型史特靈引擎之作動 14
圖3.3 β型史特靈引擎之結構 15
圖3.4 β型史特靈引擎之作動 15
圖3.5 γ型史特靈引擎之結構 16
圖3.6 γ型史特靈引擎之作動 17
圖3.7加熱器內部結構 19
圖3.8 再生器內部結構 20
圖3.9 冷卻器內部結構 21
圖3.10 曲柄結構 22
圖3.11 複鏡式集光碟與光線之示意圖 23
圖3.12 複式鏡集光碟座標示意圖 25
圖4.1 太陽能集光碟之座標系統與檢驗光線 28
圖4.2 主鏡模具與基板 29
圖4.3 玻璃纖維布 31
圖4.4 次鏡示意圖 32
圖4.5 次鏡反射鏡膜裁切方式 33
圖4.6 主鏡反射鏡膜裁切方式 33
圖4.7 集光碟支架系統 34
圖4.8 主體承載支架側視圖 35
圖4.9 主體承載支架後視圖 35
圖5.1 Alpha型史特靈引擎示意圖 37
圖5.2 篩網示意圖 40
圖5.3 曲柄系統 48
圖5.4 活塞受力 51
圖5.5連接桿受力 52
圖5.6 曲柄軸受力 53
圖5.7 複式鏡集光碟曲面計算示意圖 59
圖5.8 次鏡聚焦點之偏差 60
圖5.9 兩鏡距離之計算示意圖 60
圖5.10 複鏡式集光碟輻射量計算示意圖 62
圖5.11 座標系統轉換 63
圖5.12 太陽之座標位置示意圖 65
圖5.13 淡水地區每月最大輻射量 67
圖5.14 淡水地區每月每時之太陽方位角 69
圖5.15 淡水地區每月每時之太陽仰角 69
圖6.1 GPU-3引擎之熱通量分佈 73
圖6.2 GPU-3引擎之壓降能耗分佈 74
圖7.1史特靈引擎與曲柄結合系統 76
圖7.2 基本設計工作流體體積之循環變化 78
圖7.3 基本設計工作流體壓力之循環變化 78
圖7.4 基本設計膨脹空間與壓縮空間壓力之循環變化 79
圖7.5 基本設計工作流體壓力差之循環變化 79
圖7.6 基本設計工作流體質量之循環變化 80
圖7.7 基本設計工作流體質量流率之循環變化 81
圖7.8 基本設計工作流體雷諾數之循環變化 81
圖7.9 基本設計系統內氣體粒子運動軌跡 82
圖7.10 基本設計工作流體溫度之循環變化 83
圖7.11 基本設計冷側工作流體與冷卻流體出口溫度之循環變化 84
圖7.12 基本設計再生器工作流體溫度之循環變化 84
圖7.13 基本設計熱側工作流體溫度之循環變化 85
圖7.14 基本設計工作流體溫度差分佈 85
圖7.15 基本設計系統內部金屬溫度之循環變化 86
圖7.16 基本設計系統內部金屬溫度差分佈 87
圖7.17 基本設計工作流體熱通量與活塞作功之循環變化 88
圖7.18 基本設計系統週期累積能量 89
圖7.19 基本設計曲柄力矩之循環變化 90
圖7.20 基本設計曲柄與飛輪之週期累積功 90
圖7.21 基本設計模擬過程引擎轉速變化 91
圖7.22 基本設計穩定運轉之曲柄轉速變化 91
圖7.23 基本設計膨脹空間與壓縮空間壓力與體積關係 92
圖7.24 基本設計整體系統壓力與體積關係 92
圖7.25 基本設計系統能量平衡 93
圖7.26 基本個案之摩擦因子變化 99
圖7.27 CFD回歸關聯式個案之摩擦因子變化 99
圖7.28 CFD回歸關聯式個案之摩擦因子變化(放大y軸刻度) 100
圖7.29 基本個案之熱傳係數變化 101
圖7.30 CFD回歸關聯式個案之熱傳係數變化 101
圖8.1 加熱器通道截面積對系統效率之影響 108
圖8.2 加熱器通道截面積對平均熱通量之影響 108
圖8.3加熱器長度對系統效率之影響 108
圖8.4 加熱器長度對平均熱通量之影響 108
圖8.5 冷卻器通道截面積對系統效率之影響 111
圖8.6 冷卻器通道截面積對平均熱通量之影響 111
圖8.7 冷卻器長度對系統效率之影響 111
圖8.8 冷卻器長度對平均熱通量之影響 111
圖8.9再生器長度對系統效率之影響 116
圖8.10 再生器長度對平均熱通量之影響 116
圖8.11再生器通道截面積對系統效率之影響 116
圖8.12 再生器通道截面積對平均熱通量之影響 116
圖8.13 再生器篩網空隙率對系統效率之影響 116
圖8.14 再生器篩網空隙率對平均熱通量之影響 116
圖8.15 篩網金屬比熱對系統效率之影響 116
圖8.16 篩網金屬比熱對平均熱通量之影響 116
圖8.17 加熱器熱傳係數對系統效率之影響 120
圖8.18 加熱器熱傳係數對平均熱通量之影響 120
圖8.19 冷卻器熱傳係數對系統效率之影響 120
圖8.20 冷卻器熱傳係數對平均熱通量之影響 120
圖8.21 加熱器與冷卻器熱傳係數對系統效率之影響 120
圖8.22 加熱器與冷卻器熱傳係數對平均熱通量之影響 120
圖8.23 曲柄尺寸對系統效率之影響 122
圖8.24 曲柄尺寸對平均熱通量與轉動頻率之影響 122
圖8.25 氣體總質量對系統效率之影響 126
圖8.26 氣體總質量對平均熱通量之影響 126
圖8.27 冷卻器壁溫對系統效率之影響 126
圖8.28 冷卻器壁溫對平均熱通量之影響 126
圖8.29 加熱器壁溫對系統效率之影響 126
圖8.30加熱器壁溫對平均熱通量之影響 126
圖8.31 加熱器熱通量對效率之影響 128
圖8.32 加熱器熱通量對轉速之影響 128
圖9.1 最佳設計工作流體體積之循環變化 140
圖9.2 最佳設計工作流體壓力之循環變化 140
圖9.3 最佳設計膨脹空間與壓縮空間壓力之循環變化 141
圖9.4 最佳設計工作流體壓力差之循環變化 141
圖9.5 最佳設計工作流體質量之循環變化 142
圖9.6 最佳設計工作流體質量流率之循環變化 143
圖9.7 最佳設計工作流體雷諾數之循環變化 143
圖9.8 最佳設計系統內氣體粒子運動軌跡 144
圖9.9 最佳設計工作流體溫度之循環變化 145
圖9.10 最佳設計冷側工作流體與冷卻流體出口溫度之循環變化 146
圖9.11 最佳設計再生器工作流體溫度之循環變化 146
圖9.12 最佳設計熱側工作流體溫度之循環變化 147
圖9.13 最佳設計工作流體溫度差分佈 148
圖9.14 最佳設計系統內部金屬溫度之循環變化 149
圖9.15 最佳設計系統內部金屬溫度差分佈 149
圖9.16 最佳設計工作流體熱通量與活塞作功之循環變化 150
圖9.17 最佳設計系統週期累積能量 151
圖9.18 最佳設計曲柄力矩之循環變化 152
圖9.19 最佳設計曲柄與飛輪之週期累積功 152
圖9.20 最佳設計模擬過程引擎轉速變化 153
圖9.21 最佳設計穩定運轉之曲柄轉速變化 153
圖9.22 最佳設計膨脹空間與壓縮空間壓力與體積關係 154
圖9.23 最佳設計整體系統壓力與體積關係 154
圖9.24 最佳設計系統能量平衡 156
圖9.25 熱通量與質量對效率之影響(Kelly and McLand (2007)) 160
圖9.26 熱通量與質量對輸出功率之影響(Kelly and McLand (2007)) 160
圖9.27 熱通量與質量對效率之影響(Gedeon and Wood (1996)) 160
圖9.28 熱通量與質量對輸出功率之影響(Gedeon and Wood (1996)) 160


表目錄
表3.1 不同類型之史特靈引擎特性 17
表3.2 集光碟裝置資料 24
表4.1 小尺寸集光碟裝置資料 27
表4.2 樹脂與硬化劑之物性資料 30
表4.3 3M-1100反射鏡膜之物性資料 33
表5.1 Alpha型史特靈引擎模式 38
表5.2 篩網裝置計算 41
表5.3 史特靈引擎之基本設計裝置尺寸 41
表5.4 曲柄系統之裝置尺寸 54
表5.5 複鏡式集光碟裝置尺寸分析所需參數 61
表5.6 太陽座標位置之計算方程式 66
表5.7 不同輻射程度下,引擎可接收之能量 68
表5.8 太陽位置之計算結果 70
表6.1 GPU-3引擎之實驗與模擬結果 72
表7.1 基本設計系統性能結果 94
表7.2 計算流體力學模擬所回歸之關聯式 96
表7.3 基本設計使用不同關聯式之模擬性能比較 98
表8.1 基本個案之操作條件與初始狀態 103
表8.2 基本個案含與不含曲柄系統之模擬結果比較 103
表8.3 敏感度分析之參數範圍 104
表8.4 改變工作流體種類之系統性能結果 105
表8.5 改變加熱器長度之系統性能結果 106
表8.6 改變加熱器通道截面積之系統性能結果 107
表8.7 改變冷卻器長度之系統性能結果 109
表8.8 改變冷卻器通道截面積之系統性能結果 110
表8.9 改變再生器長度之系統性能結果 112
表8.10 改變再生器通道截面積之系統性能結果 113
表8.11 改變再生器篩網空隙率之系統性能結果 114
表8.12 改變再生器篩網比熱之系統性能結果 115
表8.13 改變加熱器流體熱傳係數之系統性能結果 117
表8.14 改變冷卻器流體熱傳係數之系統性能結果 118
表8.15 改變加熱器與冷卻器流體熱傳係數之系統性能結果 119
表8.16 改變曲柄系統尺寸之系統性能結果 122
表8.17 改變氣體總質量之系統性能結果 123
表8.18 改變冷卻器壁溫之系統性能結果 124
表8.19 改變加熱器壁溫之系統性能結果 125
表8.20改變加熱器熱通量之系統性能結果 129
表8.21 加熱器通道截面積調降為85%之系統性能 130
表8.22 冷卻器通道截面積調降為85%之系統性能 131
表8.23 冷卻器長度調降為50%之系統性能 132
表8.24 再生器通道截面積調降為50%之系統性能 133
表8.25 再生器長度調整為125%之系統性能 134
表8.26 曲柄系統改變再生器篩網空隙度之系統性能結果 135
表9.1 引擎基本與最佳設計之熱交換器規格 137
表9.2 引擎最佳設計各單元之規格 138
表9.3 最佳設計系統性能結果 156
表9.4 輸出功率對質量與熱通量回歸式之參數 159
表9.5 最佳設計系統性能結果(再生器關聯式Kelly and McLand (2007),總質量18.16g) 161
表9.6 最佳設計系統性能結果(再生器關聯式Kelly and McLand (2007),總質量27.26g) 162
表9.7 最佳設計系統性能結果(再生器關聯式Kelly and McLand (2007),總質量36.32g) 163
表9.8 最佳設計系統性能結果(再生器關聯式Gedeon and Wood (1996),總質量18.16g) 164
表9.9 最佳設計系統性能結果(再生器關聯式Gedeon and Wood (1996),總質量27.26g) 165
表9.10 最佳設計系統性能結果(再生器關聯式Gedeon and Wood (1996),總質量36.32g) 166


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