全國能源科技創意實作競賽 創意企劃書 隊伍編號:大專組-南 070 作品名稱:引擎廢熱循環發電系統 指揮單位:教育部 主辦單位:國立科學工藝博物館、教育部能源科技人才培育計畫辦公室 4A215901何昆濬 4A215015 力允晟

現況調查 現況分析 目標顧客 任何需要水冷散熱的機器,主要為汽機車為大宗 競爭現況 目前大眾所知的發電系統體機太過龐大,發電的熱源多數針對大型的熱小型的熱能並沒能被好好利用EX:引擎 團隊現況 目前我們團隊計畫構想的各方面數直在理論上已經是可以被實用,準備動手開始實施計畫 流通現況 系統使用實例: 油電混合車 水冷汽機車 水冷工具機

I . SWOT分析 優勢(Strengths) 劣勢(Weaknesses) 機會(Opportunities) 威脅(Threats) 可以取代加熱或冷卻系統(解決冷卻及汙染問題) 廢熱回收改善油耗 增加可以利用的動力來源 在引擎熄火時可以當輔助電力來源 劣勢(Weaknesses) 成本問題 材料問題(熱應力,最大耐熱程度等) 熱電回收的系統體積限制 機會(Opportunities) 能源環保意識盛行 提升自有品牌知名度 與相關能源產業做結合 威脅(Threats) 發電效果不如預期,反而造成其工具機更大的負功 成本太高,造成銷售不如預期

市場中的競爭 市面上的熱能發電應用 火力發電 太陽能發電 地熱發電 核能發電 熱電材料廢熱回收系統 可儲電並省電,但在陰雨天並不能達到成效 火力發電最容易造成環境污染，燃燒煤碳，除了會造成酸雨形成之外，也是造成地球暖化和溫室效應的元兇. 燃料取得方便，建廠容易 太陽能發電 可儲電並省電,但在陰雨天並不能達到成效 成本昂貴，保養不易 地熱發電 優點:蘊藏量很豐富,成本低,節省燃料費用 缺點:熱效率低,總發電量難掌握 核能發電 優點:效率高，成本低 缺點:危險性，高核能電廠建廠成本非常高 熱電材料廢熱回收系統 優點:廢熱回收改善油耗，增加可以利用的動力來源 缺點:成本問題，材料問題(熱應力，最大耐熱溫度等)，體積受限制

市場需求分析 《廢熱回收》 －一般汽油引擎大約只有25%的能量會轉換為驅動車輛行駛的動力（柴油引擎轉換效率約35%），能源的轉換效率非常低。 －汽油燃燒的能量當中有70％的能量都轉換為無用的熱能，過多的熱能甚至可能對於引擎與其它機件產生不良的影響。 －透過熱能回收裝置，將原本浪費掉的熱能回收再利用。 30％ 5％ 車輛驅動 25％ 40％ 引擎輸出動能 30％ 燃燒熱能 100％ 排氣廢熱 冷卻損失 摩擦耗損

現有產品之比較 目前並沒有車廠使用引擎廢熱回收裝置用於市售量產車上。有使用熱電晶片材料來製作的引擎廢熱回收裝置，相較於電熱晶片我們的產品具有以下之優點： ．成本較低 ．效率較高(熱電材料回收效率約5%) ．使用機械結構穩定度較高(熱電材料工作溫度與耐熱程度較差)

未來發展性 此系統能夠與煞車動能回充系統與渦輪動能回收系統搭配使用，將能夠減少更多的能量耗損，提升燃油的經濟效率。

設計動機與目的 一般車用引擎的效率只有35%，而且在路口等紅綠燈時又以怠速運轉，因此整體效率只有18%。其中大部分的效能因熱能產生的廢熱所消耗掉。所以想要改善其效率已達到節能的效果。 嘗試著在冷卻系統內另外加裝一種類似於郎肯循環的系統將引擎產生的廢熱回收再利用，來提升引擎的效率並且利用其廢熱來發電同時節省更多的能源。

創意發想歷程 題 當比較使用不同熱機的能量來源，發現熱能產生的廢熱常是主要降低效率的因素 發現問題 在車上的水冷卻系統上加裝換熱器，讓引擎發出的熱可以傳遞到液態冷媒中藉此得到蒸發的氣體 作品構想 設計一個類似郎肯循環原理的廢熱回收裝置並加入液態冷媒、壓力控制閥與渦輪，利用液態冷媒遇到熱會蒸發成氣態的特性，使氣態冷媒達到一定的壓力去帶動渦輪藉此達到發電且提升效能的目地 設計過程

1.因為無法確定需要多大的換熱器來達到目標設定的發電量所以需要多次計算所需發熱量 2.需要設置一個壓力控制閥來留住產生氣體來避免蒸氣未達所需的量卻一直在流失 測試 修正改良 在換熱器與渦輪馬達之間加裝一個壓力控制閥來控制氣體的流失 提升引擎整體的效能並利用廢熱發電最終目標取代引擎發電機 最終目標

引擎廢熱發電系統成本分析 物品 價格 熱交換器 1500 冷流體管道 1000 引擎上水管 200 單向閥 700 渦輪機 冷凝器 2000 幫浦 發電機 風扇 (總共) (10900)

引擎廢熱發電系統

第一迴路 於引擎水套與散熱水箱之間透過一上水管及一下水管連接，並於該上水管設有一熱交換器，以形成該第一迴路並供第一工作流體循環，且於該散熱水箱設有一風扇. 第二迴路 於該熱交換器透過一冷流體管道來連接一單向閥、一渦輪機、一冷凝器以及一幫浦 1.該熱交換器透過 第二工作流體，與該上水管之流體進行熱交換作用，使該第二 工作流體吸收熱能而蒸發為氣體 2.該單向閥能透過該氣體累積壓力而開啟閥門，使該氣體衝向該渦輪機，(該渦輪 機連接有一發電機，並於受到該氣體之壓力驅動旋轉後帶動該發電機發電) 3.該冷凝器設有一風扇，且能將流出該渦輪機之氣體凝結回液體，並透過該幫浦驅 動重新導入該熱交換器，以供該第二工作流體再次於該第二迴路中循環。

而一顆449cc的水冷引擎是否能有足夠的熱轉換，產生90psi的水蒸氣? 及所需熱交換器面積? 發電機 渦輪機 水蒸氣出 水蒸氣進 來源(https://www.youtube.com/watch?v=xCUL8oYK-nY) 此圖為發電結構的實體模擬 測試後數據得知，由渦輪機輸入90psi(6.2bars)的水蒸氣，發電機可驅動200w的馬達。 而一顆449cc的水冷引擎是否能有足夠的熱轉換，產生90psi的水蒸氣? 及所需熱交換器面積?

飽和冷媒 -134a (溫度表) 液態冷媒溫度 汽態冷媒溫度

公式證明

熱源47398.6 w 36℃ 管徑截面積=7.69^2𝜋 /4 Mm^2 90psi 200w 25℃ 熱源Q = h*熱交換器面積A*(引擎熱水T – 冷煤蒸發T) 熱源Q=第二循環流量m*(飽和冷媒氣體-飽和冷媒液體)熵Cp*(冷媒汽T-冷媒液T) 47398.6w = 5600*熱交換器面積m^2*(76℃- 36℃ ) 47398.6w = 第二循環流量kg/s * (5976-3113)J/kg℃ * (36 – 25)℃ 熱交換器面積m^2= 0.2116m^2 第二循環流量kg/s = 0.66 kg/s V = 第二循環流量m * 飽和冷媒氣體Vg v = 0.66kg/s * 0.0223m^3/kg V = 0.0147 m^3/s 流量q =第二循環流速V *管徑截面積 A 0.0147 m^3/s =第二循環V * (7.69^2𝜋/4)10^-6 m^2 第二循環流速v = 316.5 m/s 134a 查表 134a 查表

此圖為機車的發電系統結構及數據圖 機車發電機特性在1500rpm時 發電機輸出10A 14V 大約為140W 上頁的模擬渦輪馬達以90psi(6.2bars)氣體動力輸入，可以大約200W。應該可以(取代發電機的供電量)，或(減輕曲軸的發電負荷)。 以達到性能提升及更加省油的目的