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目錄
中文摘要Ⅰ 英文摘要Ⅱ 目錄Ⅲ 圖目錄Ⅵ 表目錄XX 第一章 緒論1 1-1 引言1 1-2 簡介及文獻回顧 2 1-2.1 太陽能應用與優勢2 1-2.2 管板式太陽能集熱器5 1-3 研究動機與方向12 第二章 理論分析15 2-1 管板式太陽能集熱器之簡介15 2-2 太陽能集熱器之能量結算與管內之溫度分佈16 2-2.1 無翅型太陽能集熱器16 2-2.2 加翅型太陽能集熱器23 2-3 熱傳係數和經驗式與集熱器之集熱效率30 2-4 水力消耗增加率與集熱效率提升百分比34 2-5 太陽能集熱器之流體於管內的流動型式36 2-5.1 並聯型式37 2-5.2 串聯型式39 2-5.3 相反側進出迴流型式41 2-5.4 同側進出迴流型式43 第三章 實驗45 3-1 實驗裝置與測量儀器45 3-2 實驗步驟50 3-3 實驗結果51 第四章 結果與討論62 4-1 不同的集熱器形式對集熱器之效率的影響62 4-2 不同操作參數對集熱器之集熱效率的影響63 4-3太陽光入射量對集熱器之集熱效率之影響64 4-4 迴流效應對集熱器之集熱效率的影響65 4-5翅數量對集熱器的影響66 4-6 流體質量流率對集熱器之集熱效率的影響66 4-7 流體通道之形狀對集熱效率的影響67 4-8 矩形流體通道縱橫比對集熱效率的影響68 4-9 集熱器之水力消耗68 第五章 結論70 符號說明198 參考文獻203 附錄209
圖目錄
圖1 太陽能之應用。 4 圖2 拋物線的反射槽之複合式集熱器。10 圖3 無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器。11 圖4 加翅型矩形通道平板式太陽能集熱器。11 圖5 無翅型集熱器之單位長度吸收板能量平衡之示意圖。17 圖6 無翅型太陽能集熱器之矩形通道內流體能量平衡示意圖。22 圖7 加翅型集熱器之單位長度吸收板能量平衡之示意圖。24 圖8 翅上之能量平衡示意圖。25 圖9 加翅型太陽能集熱器之圓管內流體能量平衡示意圖。29 圖10 並聯無翅型之流動示意圖。37 圖11 並聯加翅型之流動示意圖。37 圖12 串聯無翅型之流動示意圖。39 圖13 串聯加翅型之流動示意圖。39 圖14 反側進出迴流無翅型之流動示意圖。41 圖15 反側進出迴流加翅型之流動示意圖。41 圖16 同側進出迴流無翅型之流動示意圖。43 圖17 同側進出迴流加翅型之流動示意圖。43 圖18 無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器並聯型式實驗操作裝置圖。46 圖19 無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器同側進出迴流型式實驗操作裝置圖。47 圖20 並聯型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器的入射強度與之流體總流量對集熱效率之影響; n = 1。53 圖21 並聯型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器的入射強度與之流體總流量對集熱效率之影響; n = 2。54 圖22 同側迴流型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器的 入射強度與之流體總流量對集熱效率之影響; n = 1, R =1。55 圖23 同側迴型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器的入 射強度與之流體總流量對集熱效率之影響; n = 1, R =2。56 圖24 同側迴流型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器的 入射強度與之流體總流量對集熱效率之影響; n = 2, R =1。57 圖25 同側迴型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器的入 射強度與之流體總流量對集熱效率之影響; n = 2, R =2。58 圖26 串聯無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。72 圖27 串聯無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。73 圖28 串聯無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。74 圖29 串聯無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。75 圖30 串聯無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。76 圖31 串聯無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。77 圖32 串聯加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。78 圖33 串聯加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。79 圖34 串聯加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。80 圖35 串聯加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。81 圖36 串聯加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。82 圖37 串聯加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。83 圖38 反側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。84 圖39 反側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。85 圖40 反側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。86 圖41 反側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。87 圖42 反側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。88 圖43 反側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。89 圖44 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =2。 90 圖45 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =2。 91 圖46 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =2。 92 圖47 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =4。 93 圖48 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =4。 94 圖49 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =4。 95 圖50 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =2。96 圖51 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =2。97 圖52 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =2。98 圖53 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =4。99 圖54 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =4。100 圖55 反側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =4。101 圖56 同側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。102 圖57 同側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。103 圖58 同側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。104 圖59 同側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。105 圖60 同側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1。106 圖61 同側進出迴流無翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1。107 圖62 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =2。108 圖63 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =2。109 圖64 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =2。110 圖65 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =4。 111 圖66 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =4。 112 圖67 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =4。113 圖68 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =2。114 圖69 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =2。115 圖70 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =2。116 圖71 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1, Nf =4。117 圖72 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =4。118 圖73 同側進出迴流加翅型之流體流動組數對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, m = 9 kg min-1, Nf =4。119 圖74 串聯無翅型之圓管與矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 3 kg min-1。120 圖75 串聯加翅型之圓管與矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, Nf =2。121 圖76 反側迴流型無翅型之圓管與矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, R =2。122 圖77 反側迴流加翅型之圓管與矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, R =2, Nf =2。123 圖78 同側迴流型無翅型之圓管與矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, R =2。124 圖79 同側迴流加翅型之圓管與矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, m = 6 kg min-1, R =2, Nf =2。125 圖80 串聯無翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1。126 圖81 串聯加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, Nf =2。127 圖82 串聯加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, Nf =4。128 圖83 反側迴流無翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =2。129 圖84 反側迴流無翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =4。130 圖85 反側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =2, Nf =2。131 圖86 反側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =2, Nf =4。132 圖87 反側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =4, Nf =2。133 圖88 反側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =4, Nf =4。134 圖89 同側迴流無翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =2。135 圖90 同側迴流無翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =4。136 圖91 同側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =2, Nf =2。137 圖92 同側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =2, Nf =4。138 圖93 同側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =4, Nf =2。139 圖94 同側迴流加翅型之不同長寬比的矩形通道對集熱器的集熱效率之影響; Tf,0 = 293K, n=1, R =4, Nf =4。140 圖95 串聯無翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1。141 圖96 串聯無翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1。142 圖97 串聯加翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1。143 圖98 串聯加翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1。144 圖99 反側迴流無翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1。145 圖100 反側迴流無翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1。146 圖101 反側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1, Nf =2。147 圖102 反側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1, Nf =4。148 圖103 反側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1, Nf =2。149 圖104 反側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1, Nf =4。150 圖105 同側迴流無翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1。151 圖106 同側迴流無翅型之流體總流量對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1。152 圖107 同側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1, Nf =2。153 圖108 同側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, n=1, Nf =4。154 圖109 同側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1, Nf =2。155 圖110同側迴流加翅型之流體總流量與迴流比對集熱器的集熱效率之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, n=1, Nf =4。156 圖111 串聯無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1。157 圖112 串聯無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1。158 圖113 串聯加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =2。159 圖114 串聯加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =4。160 圖115 串聯加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =2。161 圖116 串聯加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =4。162 圖117 反側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, R =2。163 圖118 反側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, R =2。164 圖119 反側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, R =4。165 圖120 反側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, R =4。166 圖121 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =2, R =2。167 圖122 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =4, R =2。168 圖123 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =2, R =2。169 圖124 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =4, R =2。170 圖125 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =2, R =4。171 圖126 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =4, R =4。172 圖127 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =2, R =4。173 圖128 反側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =4, R =4。174 圖129 同側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, R =2。175 圖130 同側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, R =2。176 圖131 同側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, R =4。177 圖132 同側迴流無翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, R =4。178 圖133 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =2, R =2。179 圖134 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =4, R =2。180 圖135 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =2, R =2。181 圖136 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =4, R =2。182 圖137 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =2, R =4。183 圖138 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 0.5 kJ m-2s-1, Nf =4, R =4。184 圖139 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =2, R =4。185 圖140 同側迴流加翅型之流體流動組數對 之影響; I0 = 1 kJ m-2s-1, Nf =4, R =4。186
表目錄
表1 層流時矩形通道在不同長寬比時之納塞數與泛寧摩擦係數。33 表2 並聯型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器理論與實驗數據表。51 表3 同側迴型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器理論與實驗數據表。52 表4 並聯型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器理論與實驗誤差表。59 表5 同側迴型式之無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器理論與實驗數據表。60 表6 無翅型矩形通道平板式太陽能集熱器實驗結果之再現性,Tf,0 = 293K。61 表7 串聯無翅型之集熱器的集熱效率提升百分比。 187 表8 串聯加翅型之集熱器的集熱效率提升百分比;Nf =2。188 表9 串聯加翅型之集熱器的集熱效率提升百分比;Nf =4。188 表10 反側迴流無翅型之集熱器的集熱效率提升百分比。189 表11 反側迴流加翅型之集熱器的集熱效率提升百分比;Nf =2。190 表12 反側迴流加翅型之集熱器的集熱效率提升百分比;Nf =4。191 表13 同側迴流無翅型之集熱器的集熱效率提升百分比。192 表14 同側迴流加翅型之集熱器的集熱效率提升百分比;Nf =2。93 表15 同側迴流加翅型之集熱器的集熱效率提升百分比;Nf =4。194 表16 串聯型式之集熱器的水力消耗增加率。195 表17 反側迴流型式之集熱器的水力消耗增加率。196 表18 串聯加翅型之集熱器的水力消耗增加率。197
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