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研究生: 謝宗晏
Hsieh, Tsung-Yen
論文名稱: 史特靈熱泵之設計與理論分析
Design and Theoretical Analysis of a Stirling Heat Pump
指導教授: 鄭金祥
Cheng, Chin-Hsiang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 96
中文關鍵詞: 史特靈熱泵β型原型機設計熱力模型
外文關鍵詞: Stirling heat pump, β type, Prototype, Thermodynamic model
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  • 本研究為開發β型史特靈熱泵並建立熱力學理論模型以預測熱泵運作之特性,並藉由數值分析與實驗結果探討理論模型之準確性。理論模型將史特靈熱泵分成七個腔室為熱端水套、熱端汽缸、壓縮室、再生室、膨脹室、冷端汽缸、冷端水套,分別計算壓力、體積、溫度、質量等熱力性質之變化,同時考慮軸向熱傳、內部穿梭熱傳、內部泵氣熱傳、內部壓降熱傳之影響,並得到史特靈熱泵之放熱量、吸熱量、指示功、性能係數。
    由熱力模型對各參數影響進行數值分析,包括壓力、轉速、幾何參數、填充氣體種類等,並藉由分析結果得到史特靈熱泵之設計方向,其中考慮到摩擦熱與機械損失之影響,加入熱力模型之理論值與實驗值比較並探討準確性及影響因素。

    In this study, a prototype of Stirling heat pump is developed and the behavior is predicted by thermodynamic theoretical. Stirling heat pump is separated into seven chambers including hot water jacket, hot cylinder, compressor chamber, regenerator chamber, expansion chamber, cooling cylinder, and cooling water jacket. Thermodynamic properties such as pressure, volume, temperature, mass of gas and axial conduction heat transfer, shuttle heat transfer, pump heat transfer, and pressure heat transfer are calculated. Performance of Stirling heat pump including heat transfer rates, indicated power, and coefficient of performance are evaluated.
    Thermodynamic theoretical parameters including filling pressure, rotational speed, geometry, and gas species are analyzed in order to determine the design direction of Stirling heat pump. By considering the heat friction loss and mechanical loss affects, theoretical model is compared with the experimental results in order to determine the accuracy and factor.

    摘要 I ABSTRACT II 誌謝 IX 目錄 X 表目錄 XIV 圖目錄 XV 符號索引 XVIII 第一章 前言 1 1.1 研究背景 1 1.2 熱泵簡介 2 1.2.1 發展概要 2 1.2.2 熱泵原理 3 1.2.3 史特靈熱泵 4 1.3 工作原理 5 1.4 研究目的 6 1.5 論文架構 6 第二章 理論模式 7 2.1 位移方程式 7 2.2 熱力模型 9 2.2.1 非理想絕熱分析 9 2.2.2 再生室 12 2.2.3 膨脹室 18 2.2.4 壓縮室 20 2.2.5 冷端汽缸 21 2.2.6 冷端水套 23 2.2.7 熱端汽缸 23 2.2.8 熱端水套 24 2.3 性能係數 25 第三章 原型機設計與實驗 27 3.1 設計概述 27 3.2 熱泵組件與功能 28 3.2.1 連桿機構 28 3.2.2 活塞 28 3.2.3 移氣器 29 3.2.4 再生室材料 29 3.2.5 汽缸 29 3.2.6 水套 30 3.3 設計參數 30 3.4 機構組立 31 3.5 設備與量測 32 3.5.1 馬達與驅動控制器 32 3.5.2 熱電偶 33 3.5.3 流量計 33 3.5.4 力矩轉速測試儀 34 3.5.5 資料蒐集器 34 第四章 結果與討論 35 4.1 基準組數值模擬分析結果 35 4.2 轉速影響 39 4.3 壓力影響 41 4.4 水流量影響 42 4.5 幾何參數影響 43 4.6 填充氣體影響 44 4.7 實驗結果 45 第五章 結論 48 參考文獻 50 圖表 53

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