半导体与光电厂务设施_能源与冷冻空调工程系（PPT34页)

半導體與光電廠務設施熱流相關知識複習熱流相關知識熱力學：第一定律、狀態方程式、能量方程式、混合氣體(空氣線圖)流體力學:Bernoulli方程式、管內流動流場諸性質計算熱傳遞:熱傳導、熱對流、熱幅射、熱交換器選型熱流性質與狀態所謂性質是可描述、可定量計算的獨立(或基本)特性或屬性質量、體積等”集合性”屬性廣範性質壓力、溫度、密度等不隨”集合量”大小變化的性質屬強度性質利用性質描述物理場內的情況稱為”狀態”描述一物理狀態至少需要兩個性質熱流性質溫度：一般以攝式(oC)溫標註記，但在許多熱流計算時常用凱式(K)溫標註記壓力：為表面積上所承受法線(正向)力-表壓力:多用於密閉系統，以顯示系統內之壓力(如壓縮空氣、閉循環水路)-絕對壓力:多用於開放系統，尚加上大氣壓力(101.3kPa)的作用(如通大氣設計之水槽泵送)密度：單位體積所含有的質量比容：單位質量所含有的體積(與密度互為倒數)比熱(SpecificHeat)使一單位質量溫度上升一溫度單位所需要的能量普遍的描述有定壓比熱(Cp)與定容比熱(Cv)兩種，但廠務系統設計大多用到定壓比熱廠務系統設計常用的流體近似定壓比熱-乾空氣:1.0KJ/Kg．K-液態水:4.19KJ/Kg．K-水蒸汽:1.88KJ/Kg．K內能與焓(Enthalpy)內能為物質微觀所具有能量(U)一般流體設備問題分析均考量為開放系統，則必須考慮流功的問題(W=P．V)為方便問題的分析，將U+P．V的組合定義為焓(H=U+PV)因U、P、V為狀態性質，故H本身也為狀態性質利用焓的變化可計算等壓過程中加入或除去的熱量熱力學第一定律輸入系統熱與輸出功之差額為系統能量的增加，其普遍型式為δQ-δW=dEsystemEsystem=U(內能)+KE(動能)+PE(位能)，取其微分的形式為dEsystem=dU+d(KE)+d(PE)由於KE=1/2mV2，PE=mgZ，故dEsystem=dU+d(1/2mV2)+d(mgZ)考慮開放系統邊界流體作功為PV故dH=dU+d(PV)由能量守恆，δQ-δW=dH+d(1/2mV2)+d(mgZ)熱力學第一定律對一開放系統δQ-H1+1/2mV12+mgZ1=H2+1/2mV22+mgZ2+δW倘若無功之輸出(δW=0)且高度相同，無動量之變化，故加熱或冷卻熱之輸出入變化為δQ=ΔQ=ΔH=H2-H1=m(h2-h1)藉由查表可求的相對焓差，或考慮為等壓狀況ΔH=mCP(T2-T1)熱力學第一定律熱力相變化性質流體可透過加熱或冷卻系統達到相的變化不同的溫度與壓力，相變化所需能量也同不同顯熱加熱或冷卻:物質僅有溫度變化，無相的改變-例如空調，製程冷卻水潛熱加熱或冷卻:物質僅有相變化，無溫度的改變-例如鍋爐、冷凝器等熱力相變化性質理想氣體方程式熱力學各種性質是由物質的狀態決定表示各狀態下之方程式-PV=RT，P:壓力、V:體積、T:溫度、R:氣體常數-可以為比性質或變率如PvRTPVRT分別代表比容(m3/Kg)與體積流率對溫度壓力的關係理想氣體方程式各種狀態間變化的過程計有等壓、等溫、絕熱以及等容過程；若不為上述幾種情況則稱為多變(Polytropic)過程考慮氣體以多變過程變化(PVn=常數)，則n=1(等溫)，n=K=CP/CV(絕熱)(Kair=1.4)在廠務公用系統工程規劃中，設備假定隔熱設施完善，故大多假設為絕熱過程多變過程功之輸入絕熱過程功之輸入1222111nPVPVnW1222111kPVPVkW理想氣體方程式理想氣體方程式絕熱狀態時若W12為負值，代表系統總能的變化轉換為壓縮功，反之為動力輸出前者代表性設備為壓縮機或真空泵，後者為渦輪機或引擎等原動機真實狀態的設備本身不可能達到完全絕熱，故有部份壓縮功以熱傳形式輸出。故所計算出之數值為需為最小壓縮功。由能量守恆，真實壓縮功輸入=絕熱壓縮功+設備熱傳量(e.g.:由滑油涼油器或空氣冷卻器所輸出熱)質量守恆此方程式即稱為連續系方程式。若系統內質量變化為零，則此流場稱為穩態(SteadyState)，則12tttsystemsystemmmmm12()0tttsystemdmmdtmm120mm假定流體從控制容積流入及流出的質量流率為m1及m2，系統內質量隨時間自mt變化為mt+Δt，由質量守恆：對時間微分得到質量守恆0ddtmAV若進一步考慮流體為不可壓縮由於則1122AVAV此為一般穩定流動不可壓縮流體之連續方程式通式dQSTdQTdSTdsdupdv0dedhVdVgdzdhdupdvvdp由第二定律考慮絕熱可逆狀態故可改寫為從而第一定律可改寫為系統能量的變化為由焓的定義取其變化量為0dpVdVgdz22PVgzC將焓的變化量代入第一定律得到積分後得到以上稱為Bernoulli方程式Bernoulli方程式Bernoulli方程式Bernoulli方程式之應力表示與位勢表示分別為22VPgzC22PVzCrg在計算壓降時若以壓力(如空氣系統用Pascal)表記可用上者，若以液頭(Head，以m為單位)表記可用下者DarcyWeisbach方程式fgdpVdVdzdHr22LVDgHff若考慮機械磨擦則微分Bernoulli方程式的位勢形式損失則而機械磨擦損失可以DarcyWeisbach方程式表示故在同一管徑下考慮機械磨擦損失的Bernoulli方程式以位勢形式表記如下2121222222LVDgPPVVzzfrgrg若對管內任何配件造成的機械能量損失，則有2121222222VKgPPVVzzrgrgDarcyWeisbach方程式各種阻力因子可查表獲得，部份可直接計算得到(例如突張或突縮管)磨擦因子(f)層流狀態時有解析解(ExactSolution)但以外則必須藉由Moody圖求得磨擦因子有許多經驗或半經驗公式方便計算，但必需注意適用的條件(如雷諾數)磨擦因子計算方式過度階段流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管徑D、相對粗糙度ε/D、雷諾數Re)完全紊流流場磨擦因子f=Φ(絕對粗糙度ε、管徑D、相對粗糙度ε/D)層流流場磨擦因子f=64/Re熱傳導XXXthTTQkAkAXLTQhTLkATTQLRkAKAhL一維熱傳導Fourier’sLaw:XTQkAX若以牛頓冷卻定律的型式表示，則為稱為熱傳係數thLRKA稱為熱阻熱傳導324123456111LLLhAkAkAkAkAhA123456totaliRRRRRRRR利用前述觀念可計算組合熱阻16()totalTTQR熱傳導2dTQkrldrln2koioiqrTTkrlrln2ioioktotaloiTTTTqRrrkrl如圖圓柱座標之熱傳導方程式為其解為故熱通量為4321211122lnln112222ioioiiioTTTTqrrRrrrlhklklrlh熱傳導相同的利用前述觀念也可計算圓柱組合熱阻熱傳導計算應用空調熱負載保溫保冷材料厚度選用(查表或疊代計算)廠房斷熱能力判斷熱對流牛頓冷卻定律對流系數與流體性質、流體速度、幾何形狀有很大的關連一般概估-空氣自然對流熱傳係數=5~25W/m2K-空氣強制對流熱傳係數=10~200W/m2K-水自然對流熱傳係數=20~100W/m2K-水強制對流熱傳係數=50~10,000W/m2K在概估熱傳量時大多以平均之hc估算，但有一定之誤差csfQhATT熱對流ReVDPrPCKchDNukRe,PrNuf11320.332PrRexNu11320.664PrReLNu層流存在解析解局部NusseltNo.=平均NusseltNo.=紊流之NusseltNo.一般多以半經驗或實驗方式求得層流時當壁面為等熱通量時Nu=4.36；為等熱通量時Nu=3.66熱幅射黑體熱幅射強度(W/m2)=σ稱為Stefan-Boltzmann常數=5.67*108W/m2K4考慮物體並非純黑，故考慮放射率吸收率α大致等於放射率，α=ε表面形狀方位亦可能影響幅射量，對任一表面A若形狀因素為FA則熱幅射量Qε-A為4bETbEE44()AAAQAFFTT