螺旋鰭管熱交換器之冷凝實驗及熱力不可逆率分析

Abstract

由於空氣中的水蒸汽碰到低於其露點溫度時的物體時就會凝結成水滴，而一般的冷氣 系統均有此現象發生。因此，對於熱交換器的設計必須考慮冷凝的現象，這種包含有 質量傳遞的熱交換過程比過去無凝結時來得複雜，本文以實驗的方式來探討冷凝過程 的熱傳效果和摩擦效應，並以熱力學第二定律分析過程之不可逆率的產生，配合滴增 加極小化原理，以期望得到一個最佳的幾何設計參數，而能使系統在滿足負載下，能 使其不可逆率的增加降至最低。 由實驗觀察水滴之凝結過程，發現螺旋鰭片管的凝結為滴狀凝結，這是一種能夠使熱 傳效果最好的凝結現象。由實驗的結果得知，當凝結現象存在時，其熱傳係數大於乾 面（無凝結）的熱交換過程，即凝結現象可以改善其熱傳效率；不過，凝結時的摩擦 阻力也比乾面時來得大。並且隨排數的增加，其熱傳效果愈佳，但摩擦阻力也相對的 提高。另外，熱交換器的有效性也隨排數的增加而提高。不過，隨著排數的增加能夠 使濕面與乾面在相等有效性下熱容量比降低。並且熱傳單位（NTU ）也是隨排數的增 加而增加，並且隨熱容量比的增加而降低。另外，由實驗結果歸納出一組可代表此種 類交換器的j 因子與f 因子對雷諾數的圖，提供設計者使用。 根據不可逆熱力學的理論，分析系統因動量、能量的傳遞所造成的不可逆性；引用了 濕空氣狀態方程式及實驗所得j 因子及f 因子的經驗方程式得到系統熵的增加方程式 。並由熵最小化原理得到最佳的幾何參數；對熱交換器的最佳化設計提供一新的參考 。