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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:林俋諒
論文名稱:引擎廢熱回收熱電轉換系統之設計與性能測試
指導教授:曾憲中曾憲中引用關係
學位類別:碩士
校院名稱:建國科技大學
系所名稱:自動化工程系暨機電光系統研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2010
畢業學年度:98
語文別:中文
論文頁數:152
中文關鍵詞:散熱座、熱電產生器、熱傳、廢熱回收、實驗
外文關鍵詞:Heat absorber, Thermoelectric generator, Heat transfer,
相關次數:
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本研究結合金屬鰭柱集熱座與熱電產生器,建構出一種具高效能熱傳之廢熱回收熱電轉換系統,並以實驗方法探討不同參數對發電功率之影響,相關變動參數包括(1)集熱座構型、(2)熱空氣進口溫度(Ti=100~350 ℃)、(3)熱空氣流量(FH=3~15 m3/hr)與(4)冷空氣流量(FC=0~366 m3/hr)等,其中集熱座構型分成不具集熱座(Mode A)、交錯排列圓形鰭柱集熱座(Mode B)與直行排列圓形鰭柱集熱座(Mode C)等三種,結果顯示當(Ti)愈大、(FH)愈大、(FC)愈大時,會有愈大的發電功率(P),在所有實驗例中,以(Mode B)在Ti=350 ℃、FH=15 m3/hr、FC=366 m3/hr時,可輸出最大15.87 W之發電功率,此外,具集熱座構型的發電功率遠大於不具集熱座構型,以具/不具集熱座構型的發電功率比值作為集熱座的發電功率增益,發現當(Ti)愈小、(FH)愈小、(FC)愈大時,會有較大的集熱座的發電功率增益,而發電功率會隨著熱電產生器冷熱端溫差之增加而提升,本研究歸納提出四片熱電產生器串聯下之發電功率(P)與冷熱端溫差(Ti,s-To,s)的經驗公式: ,並發現熱電產生器之席貝克係數差值(SB-SA)會隨著熱電產生器平均溫度((Ti,s+To,s)/2)之上升而下降,提出 的經驗公式。
Abstract

This study combined the metallic pin-fin heat absorber and the thermoelectric generator to build a thermoelectric transfer system of high heat transfer performance for engine waste heat recovery. Experimental tests were utilized to investigate the effects of various parameters on the generating electricity. The relevant variable parameters were (1) the configuration of the heat absorber, (2) the inlet temperature of hot air (Ti=100~350 C), (3) the flow rate of hot air (FH=3~15 m3/hr) and (4) the flow rate of cooling air (FC=0~366 m3/hr). The configurations of the heat absorbers had three modes: without heat absorber (Mode A) as well as the circular pin-fin heat absorbers with staggered (Mode B) and inline arrangements (Mode C). The results revealed that the higher Ti, the bigger FH and the bigger FC were desired for the higher generating electricity. For all tests herein, the system with Mode B heat absorber at Ti=350 °C, FH=15 m3/hr and FC=366 m3/hr had the maximum generating electricity of 15.87 Watt. Besides, the heat absorber had the great help in generating electricity. Furthermore, it is found that the enhancement of the heat absorber would be promoted as decreasing Ti and FH or increasing FC. Finally, for the present series connection system of 4 pieces thermoelectric generators, this work provided the empirical formula of the generating electricity (P) and the temperature difference (Ti.s-To,s) between the hot and cold surfaces of the thermoelectric generator: . The relationship between the Seebeck coefficient difference (SB-SA) and the mean temperature ((Ti.s+To,s)/2) of the thermoelectric generator was also proposed:
目 錄

頁次
中文摘要 I
英文摘要 II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 XIII
符號說明 XIV
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 2
1-2-1 鰭片散熱座熱傳特性之文獻探討 2
1-2-2 引擎廢熱能回收熱電轉換之文獻探討 8
1-3 研究目的 10
1-4 研究架構 12
第二章 理論分析 13
2-1 熱電產生器之發電原理 13
2-2 最大功率傳輸定理 14
2-3 具高效熱傳能力之熱電轉換平台之熱傳機制 15
第三章 實驗方法 22
3-1 熱電轉換系統設備 22
3-1-1 熱空氣供應系統 26
3-1-2 實驗測試段 26
3-1-3 實驗測試塊 28
3-1-4 熱電轉換系統 36
3-1-5 外部冷卻系統 39
3-1-6 資料擷取系統 42
3-2 實驗流程 43
3-3 熱電轉換系統最大發電功率之量測 45
3-3-1 外部負載系統 45
3-3-2 最大功率量測實驗 47
3-3-3 熱電產生器負載電阻與發電功率之關係 47
3-4 數據整理 50
3-5 不確定性分析 52
第四章 系統不具熱端集熱座之發電性能 56
4-1 熱空氣進口溫度(Ti)對發電功率(P)之影響 56
4-2 熱空氣流量(FH)對發電功率(P)之影響 62
4-3 冷空氣流量(FC)對發電功率(P)之影響 68
第五章 系統具熱端集熱座之發電性能 74
5-1 熱空氣進口溫度(Ti)對發電功率(P)之影響 74
5-2 熱空氣流量(FH)對發電功率(P)之影響 93
5-3 冷空氣流量(FC)對發電功率(P)之影響 110
5-4 集熱座對壓降(ΔP)之影響 128
5-5 熱電產生器冷熱端溫差對發電功率(P)之影響 130
第六章 結論與未來展望 137
6-1 結論 137
6-2 未來展望 139
參考文獻 140
附錄A 熱電產生器輸出最大功率量測數據 144
附錄B 實驗數據參數設定表 147
附錄C 電木物理性能表 148
附錄D 實驗設備型式規格 149

表 目 錄

表3-1 熱電產生器規範 38
表3-2 各項參數之不準確度 55
附錄A表1 在Ti=100 ℃、FH=3 m3/hr時發電功率量測數據 144
附錄A表2 在Ti=150 ℃、FH=3 m3/hr時發電功率量測數據 144
附錄A表3 在Ti=200 ℃、FH=3 m3/hr時發電功率量測數據 145
附錄A表4 在Ti=250 ℃、FH=3 m3/hr時發電功率量測數據 145
附錄A表5 在Ti=300 ℃、FH=3 m3/hr時發電功率量測數據 146
附錄B 實驗數據參數設定表 147
附錄C 電木物理性能表 148

圖 目 錄

圖2-1 熱電材料發電原理 18
圖2-2 熱電元件內部結構圖 19
圖2-3 電源與負載之等效電路示意圖 20
圖2-4 熱電轉換平台之熱傳機制與熱網路示意圖 21
圖3-1 熱電轉換系統之實驗設備示意圖 24
圖3-2 熱電轉換系統之實驗設備照片 25
圖3-3 實驗測試段分解圖 27
圖3-4 Mode A不具熱端集熱座構型尺寸與熱電偶埋點位置圖 30
圖3-5 Mode B交錯排列圓形鰭柱集熱座構型尺寸與熱電偶埋
點位置圖 31
圖3-6 Mode C直行排列圓形鰭柱集熱座構型尺寸與熱電偶埋
點位置圖 32
圖3-7 Mode A不具熱端集熱座實物照片 33
圖3-8 Mode B交錯排列圓形鰭柱集熱座實物照片 34
圖3-9 Mode C直行排列圓形鰭柱集熱座實物照片 35
圖3-10 熱電產生器照片 37
圖3-11 冷端散熱座構型尺寸與熱電偶埋點位置圖 40
圖3-12 冷端散熱座實物照片 41
圖3-13 CP-Win300風力與太陽能發電實驗系統可變電阻負載
單元 46
圖3-14 可變電阻負載實驗接線圖 46
圖3-15 熱電產生器負載電阻與發電功率關係圖 49
圖4-1 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=0 m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 58
圖4-2 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=122 m3/hr時之熱空氣
進口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 59
圖4-3 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=244 m3/hr時之熱空氣
進口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 60
圖4-4 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=366 m3/hr時之熱空氣
進口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 61
圖4-5 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=0 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 64
圖4-6 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=122 m3/hr時之熱空氣
流量(FH)對發電功率(P)的影響 65
圖4-7 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=244 m3/hr時之熱空氣
流量(FH)對發電功率(P)的影響 66
圖4-8 不具熱端集熱座(Mode A)在FC=366 m3/hr時之熱空氣
流量(FH)對發電功率(P)的影響 67
圖4-9 不具熱端集熱座(Mode A)在FH=3 m3/hr時之冷空氣流
量(FC)對發電功率(P)的影響 69
圖4-10 不具熱端集熱座(Mode A)在FH=6 m3/hr時之冷空氣流
量(FC)對發電功率(P)的影響 70
圖4-11 不具熱端集熱座(Mode A)在FH=9 m3/hr時之冷空氣流
量(FC)對發電功率(P)的影響 71
圖4-12 不具熱端集熱座(Mode A)在FH=12 m3/hr時之冷空氣流
量(FC)對發電功率(P)的影響 72
圖4-13 不具熱端集熱座(Mode A)在FH=15 m3/hr時之冷空氣流
量(FC)對發電功率(P)的影響 73


圖5-1 具熱端集熱座(Mode B)在FC=0 m3/hr時之熱空氣進口
溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 80
圖5-2 具熱端集熱座(Mode B)在FC=122 m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 81
圖5-3 具熱端集熱座(Mode B)在FC=244m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 82
圖5-4 具熱端集熱座(Mode B)在FC=366 m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 83
圖5-5 具熱端集熱座(Mode C)在FC=0 m3/hr時之熱空氣進口
溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 84
圖5-6 具熱端集熱座(Mode C)在FC=122 m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 85
圖5-7 具熱端集熱座(Mode C)在FC=244 m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 86
圖5-8 具熱端集熱座(Mode C)在FC=366 m3/hr時之熱空氣進
口溫度(Ti)對發電功率(P)的影響 87
圖5-9 FC=0~366 m3/hr、FH=3 m3/hr時在不同(Ti)下集熱座對
發電功率的增益性 88
圖5-10 FC=0~366 m3/hr、FH=6 m3/hr時在不同(Ti)下集熱座對
發電功率的增益性 89
圖5-11 FC=0~366 m3/hr、FH=9 m3/hr時在不同(Ti)下集熱座對
發電功率的增益性 90
圖5-12 FC=0~366 m3/hr、FH=12m3/hr時在不同(Ti)下集熱座對
發電功率的增益性 91


圖5-13 FC=0~366 m3/hr、FH=15m3/hr時在不同(Ti)下集熱座對
發電功率的增益性 92
圖5-14 具熱端集熱座(Mode B)在FC=0 m3/hr時之熱空氣流量
(FH)對發電功率(P)的影響 96
圖5-15 具熱端集熱座(Mode B)在FC=122 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 97
圖5-16 具熱端集熱座(Mode B)在FC=244 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 98
圖5-17 具熱端集熱座(Mode B)在FC=366 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 99
圖5-18 具熱端集熱座(Mode C)在FC=0 m3/hr時之熱空氣流量
(FH)對發電功率(P)的影響 100
圖5-19 具熱端集熱座(Mode C)在FC=122 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 101
圖5-20 具熱端集熱座(Mode C)在FC=244 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 102
圖5-21 具熱端集熱座(Mode C)在FC=366 m3/hr時之熱空氣流
量(FH)對發電功率(P)的影響 103
圖5-22 FC=0~366 m3/hr、Ti=100 ℃時在不同(FH)下集熱座對發
電功率的增益性 104
圖5-23 FC=0~366 m3/hr、Ti=150 ℃時在不同(FH)下集熱座對發
電功率的增益性 105
圖5-24 FC=0~366 m3/hr、Ti=200 ℃時在不同(FH)下集熱座對發
電功率的增益性 106


圖5-25 FC=0~366 m3/hr、Ti=250 ℃時在不同(FH)下集熱座對發
電功率的增益性 107
圖5-26 FC=0~366 m3/hr、Ti=300 ℃時在不同(FH)下集熱座對發
電功率的增益性 108
圖5-27 FC=0~366 m3/hr、Ti=350 ℃時在不同(FH)下集熱座對發
電功的增益性 109
圖5-28 具熱端集熱座(Mode B)在FH=3 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 113
圖5-29 具熱端集熱座(Mode B)在FH=6 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 114
圖5-30 具熱端集熱座(Mode B)在FH=9 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 115
圖5-31 具熱端集熱座(Mode B)在FH=12 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 116
圖5-32 具熱端集熱座(Mode B)在FH=15 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 117
圖5-33 具熱端集熱座(Mode C)在FH=3 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 118
圖5-34 具熱端集熱座(Mode C)在FH=6 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 119
圖5-35 具熱端集熱座(Mode C)在FH=9 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 120
圖5-36 具熱端集熱座(Mode C)在FH=12 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 121


圖5-37 具熱端集熱座(Mode C)在FH=15 m3/hr時之冷空氣流量
(FC)對發電功率(P)的影響 122
圖5-38 Ti=100~350℃、FH=3 m3/hr時在不同(FC)下集熱座對發
電功率的增益性 123
圖5-39 Ti=100~350℃、FH=6 m3/hr時在不同(FC)下集熱座對發
電功率的增益性 124
圖5-40 Ti=100~350℃、FH=9 m3/hr時在不同(FC)下集熱座對
發電功率的增益性 125
圖5-41 Ti=100~350℃、FH=12 m3/hr時在不同(FC)下集熱座對
發電功率的增益性 126
圖5-42 Ti=100~350℃、FH=15 m3/hr時在不同(FC)下集熱座對
發電功率的增益性 127
圖5-43 集熱座對壓降(ΔP)之影響 129
圖5-44 FH=3~15 m3/hr、FC=0~366 m3/hr時熱電產生器冷熱端
溫差與發電功率(P)之關係 133
圖5-45 FH=3~15 m3/hr、FC=0~366 m3/hr時熱電產生器冷熱端
溫差與發電電壓(V)之關係 134
圖5-46 FH=3~15 m3/hr、FC=0~366 m3/hr時熱電產生器冷熱端
平均溫度與V / ( Ti,s - To,s ) 之關係 135
圖5-47 FH=3~15 m3/hr、FC=0~366 m3/hr時熱電產生器冷熱端
平均溫度與P×R / [ ( Ti,s - To,s ) 2 ]之關係 136


參考文獻
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