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系統識別號 U0002-2107200816571900
中文論文名稱 非對稱管壁熱通量之迴流型二行程平板式熱交換器的熱傳之研究
英文論文名稱 The Recycle Effect on Double-Pass Parallel-Plate Heat Exchangers with Asymmetric Wall Fluxes
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 化學工程與材料工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Chemical and Materials Engineering
學年度 96
學期 2
出版年 97
研究生中文姓名 陳衛樽
研究生英文姓名 Wei-Zun Chen
學號 695401561
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-25
論文頁數 228頁
口試委員 指導教授-何啟東
委員-葉和明
委員-蔡少偉
中文關鍵字 共軛格拉茲問題  迴流  正交性質  平板熱交換器  非對稱熱通量 
英文關鍵字 Conjugated Graetz problem  External recycle  Orthogonal expansion techniques  Parallel-plate heat exchangers  Asymmetric wall fluxes 
學科別分類
中文摘要 本研究是設計於兩平行板間加裝一可忽略熱阻之隔板並加入迴流裝置,使之於板壁為非對稱熱量通量下,具迴流之二行程平板型熱交換器。此系統以分離變數法(separation of variables)及重疊理論(superposition method),且利用正交展開法(orthogonal expansion technique) ,求得板壁於非對稱熱流通量下,兩平板間流體的溫度分佈與平均納塞數 (Nusselt number)。此外,同時亦探討迴流效應對平板式質量交換器之熱傳效率的影響,並將其熱量傳送效率之改善與單行程系統及二行程隔板絕熱層作比較。
熱傳效率主要是受到兩種競爭效應的影響:預混效應以及滯留時間,由結果顯示本研究主要探討不同參數即隔板位置、熱量通量變化、迴流比之大小及格拉茲數對二行程熱交換器之影響;此外加入迴流系統對壁上溫度之均勻度提升,隔板位置與格拉茲數之改變皆為影響流體於通道內滯留時間,這些操作參數皆為造成熱傳效率改變,並與單行程及隔板位置絕熱層作比較,藉此得出非對稱二行程熱交換器之最佳操作設計。
英文摘要 The new device of parallel-plate heat exchangers with external recycle under asymmetric wall fluxes has been developed theoretically. This system belongs to the conjugated Graetz problem and the analytical solution has been obtained by using the superposition method. The theoretical predictions of heat-transfer efficiency enhancement in double-pass parallel-plate heat exchangers were represented graphically and compared with those in single-pass devices (without an impermeable plate inserted and without recycle) and double-pass devices with an insulated sheet inserted. The theoretical results show that the heat transfer efficiency of parallel-plate heat exchangers under asymmetric wall fluxes increases with increasing the Graetz numbers. The influences of the impermeable location, heat flux ratio and recycle ratio on the heat-transfer efficiency enhancement are also discussed in this study. The power consumption increment caused by the double-pass design and external recycle has also been delineated.
論文目次 目錄

中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅱ
目錄 Ⅲ
圖目錄 Ⅵ
表目錄 ⅩⅣ
符號說明 ⅩⅩⅡ

第一章 緒論……………………………………………………1
1.1 前言……………………………………………………1
1.2 迴流效應對系統之影響………………………………2
1.3 研究動機………………………………………………4
1.4 研究架構………………………………………………5
第二章 文獻回顧………………………………………………6
2.1 文獻回顧………………………………………………6
2.2 格拉茲問題……………………………………………8
第三章 基本理論………………………………………………11
3.1 二行程無迴流之理論分析……………………………18
3.2 管末端出口之理論分析………………………………30
3.3 出口迴流至末端之理論分析…………………………43
3.4 管末端迴流至入口之理論分析………………………55
3.5 出口迴流至入口之理論分析…………………………67
3.6 平均納塞數……………………………………………80
3.7 能源消耗之增加率……………………………………82

第四章 結果與討論……………………………………………85
4.1 二行程無迴流之結果與討論…………………………94
4.2 管末端出口之結果與討論……………………………108
4.3 出口迴流至末端之結果與討論………………………131
4.4 管末端迴流至入口之結果與討論……………………154
4.5 出口迴流至入口之結果與討論………………………177
4.6 能源消耗之增加率問題………………………………200
第五章 結論與建議……………………………………………203
5.1 二行程無迴流之模型…………………………………203
5.2 管末端出口之模型……………………………………204
5.3 出口迴流至末端之模型………………………………204
5.4 管末端迴流至入口之模型……………………………205
5.5 出口迴流至入口之模型………………………………206
5.6 二行程五種模型之比較………………………………207
5.7 未來研究方向…………………………………………208
參考文獻……………………………………………………………209
附錄(一) 速度分佈式……………………………………………213
附錄(二) 正交性質………………………………………………215
附錄(三) 積分公式………………………………………………218
附錄(四) 單通道之理論分析……………………………………221
附錄(五) dmn 與emn 之解………………………………………227

圖目錄
圖(3.1.1) 二行程無迴流之熱交換系統。……………………………19
圖(3.2.1) 管末端出口之熱交換系統。………………………………31
圖(3.3.1) 出口迴流至末端之熱交換系統。…………………………44
圖(3.4.1) 管末端迴流至入口之熱交換系統。………………………56
圖(3.5.1) 出口迴流至入口之熱交換系統。…………………………68
圖(4.1.1)二行程無迴流,固定隔板位置(Δ=0.5)及格拉茲數,壁無因次溫度與通道位置於不同熱量通量之關係。…………97
圖(4.1.2)二行程無迴流,固定熱量通量(Qr=0.3)及格拉茲數,壁上無因次溫度與通道位置於不同隔板位置之關係。………98
圖(4.1.3) 二二行程無迴流,固定熱量通量(Qr=0.7)及格拉茲數,壁上無因次溫度與通道位置於不同隔板位置之關係。……99
圖(4.1.4) 二行程無迴流,固定隔板位置(Δ=0.5)及格拉茲數,流體無因次平均溫度與通道位置於不同熱量通量之之關係。100
圖(4.1.5) 二行程無迴流,固定熱量通量(Qr=0.3)及格拉茲數,流體無因次平均溫度與通道位置於不同隔板位置之關係。…101
圖(4.1.6) 二行程無迴流,固定熱量通量(Qr=0.7)及格拉茲數,流體無因次平均溫度與通道位置於不同隔板位置之關係。…102
圖(4.1.7) 二行程無迴流,隔板位置與平均納塞數於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。……………………………………103
圖(4.1.8) 二行程無迴流,格拉茲數與平均納塞數於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。……………………………………104
圖(4.1.9) 二行程無迴流,熱量通量與平均納塞數於不同隔板位置及格拉茲數之關係。…………………………………………105
圖(4.1.10)二行程無迴流,固定隔板位置(Δ=0.5)及格拉茲數,壁無因次溫度與通道位置於不同熱量通量之關係。…………106
圖(4.1.11)二行程無迴流,格拉茲數與平均納塞數於不同熱量通量之關係。……………………………………………………107
圖(4.2.1) 管末端出口,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………112
圖(4.2.2) 管末端出口,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。…………………………………………………………113
圖(4.2.3) 管末端出口,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。…………………………………………………………114
圖(4.2.4) 管末端出口,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。…………………………………………………………115
圖(4.2.5) 管末端出口,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),壁上無因次溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………116
圖(4.2.6) 管末端出口,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………117
圖(4.2.7) 管末端出口,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。…………………………………………………………118
圖(4.2.8) 管末端出口,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………………119
圖(4.2.9) 管末端出口,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………………120
圖(4.2.10)管末端出口,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………121
圖(4.2.11)管末端出口,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與格拉茲數於不同熱量通量及隔板位置之關係。…………………………………………………………122
圖(4.2.12)管末端出口,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與隔板位置於不同熱量通量及格拉茲數之關係。…………………………………………………………123
圖(4.2.13)管末端出口,格拉茲數與平均納塞數於迴流比及隔板位置之關係。…………………………………………………124
圖(4.2.14)管末端出口,格拉茲數與平均納塞數於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。……………………………………125
圖(4.2.15)管末端出口,隔板位置與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。…………………………………………126
圖(4.2.16)管末端出口,迴流比與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。……………………………………………127
圖(4.2.17)管末端出口,熱量通量與平均納塞數於不同隔板位置及格拉茲數之關係。…………………………………………128
圖(4.2.18)管末端出口,固定隔板位置(Δ=0.5),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。……129
圖(4.2.19)管末端出口,格拉茲數與平均納塞數於不同熱量通量之關係。……………………………………………………130
圖(4.3.1) 出口迴流至末端,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。………………………………………………………135
圖(4.3.2) 出口迴流至末端,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。………………………………………………………136
圖(4.3.3) 出口迴流至末端,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。……………………………………………………137
圖(4.3.4) 出口迴流至末端,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。……………………………………………………138
圖(4.3.5) 出口迴流至末端,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),壁上無因次溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。………………………………………………………139
圖(4.3.6) 出口迴流至末端,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。……………………………………………………140
圖(4.3.7) 出口迴流至末端,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。……………………………………………………141
圖(4.3.8) 出口迴流至末端,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………142
圖(4.3.9) 出口迴流至末端,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………143
圖(4.3.10)出口迴流至末端,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。……………………………………………144
圖(4.3.11)出口迴流至末端,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與格拉茲數於不同熱量通量及隔板位置之關係。………………………………………………………145
圖(4.3.12)出口迴流至末端,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與隔板位置於不同熱量通量及格拉茲數之關係。………………………………………………………146
圖(4.3.13)出口迴流至末端,格拉茲數與平均納塞數於迴流比及隔板位置之關係。……………………………………………147
圖(4.3.14)出口迴流至末端,格拉茲數與平均納塞數於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。………………………………148
圖(4.3.15)出口迴流至末端,隔板位置與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。……………………………………149
圖(4.3.16)出口迴流至末端,迴流比與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。………………………………………150
圖(4.3.17)出口迴流至末端,熱量通量與平均納塞數於不同隔板位置及格拉茲數之關係。……………………………………151
圖(4.3.18)出口迴流至末端,固定隔板位置(Δ=0.5),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………152
圖(4.3.19)出口迴流至末端,格拉茲數與平均納塞數於不同熱量通量之關係。…………………………………………………153
圖(4.4.1) 末端迴流至入口,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………158
圖(4.4.2) 末端迴流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。…………………………………………………………159
圖(4.4.3) 末端迴流至入口,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………………160
圖(4.4.4) 末端迴流至入口,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………………161
圖(4.4.5) 末端迴流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),壁上無因次溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………162
圖(4.4.6) 末端迴流至入口,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。………………………………………………………163
圖(4.4.7) 末端迴流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。………………………………………………………164
圖(4.4.8) 末端迴流至入口,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。…………………………………………………165
圖(4.4.9) 末端迴流至入口,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。…………………………………………………166
圖(4.4.10)末端迴流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。………………………………………………167
圖(4.4.11)末端迴流至入口,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與格拉茲數於不同熱量通量及隔板位置之關係。…………………………………………………………168
圖(4.4.12)末端迴流至入口,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與隔板位置於不同熱量通量及格拉茲數之關係。…………………………………………………………169
圖(4.4.13)末端迴流至入口,格拉茲數與平均納塞數於迴流比及隔板位置之關係。……………………………………………170
圖(4.4.14)末端迴流至入口,格拉茲數與平均納塞數於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。………………………………171
圖(4.4.15)末端迴流至入口,隔板位置與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。……………………………………172
圖(4.4.16)末端迴流至入口,迴流比與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。………………………………………173
圖(4.4.17)末端迴流至入口,熱量通量與平均納塞數於不同隔板位置及格拉茲數之關係。……………………………………174
圖(4.4.18)末端迴流至入口,固定隔板位置(Δ=0.5),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………175
圖(4.4.19)末端迴流至入口,格拉茲數與平均納塞數於不同熱量通量之關係。…………………………………………………176
圖(4.5.1) 出口回流至入口,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………181
圖(4.5.2) 出口回流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。…………………………………………………………182
圖(4.5.3) 出口回流至入口,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………………183
圖(4.5.4) 出口回流至入口,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),壁上無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。………………………………………………………184
圖(4.5.5) 出口回流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),壁上無因次溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………185
圖(4.5.6) 出口回流至入口,固定隔板位置(Δ=0.5)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。………………………………………………………186
圖(4.5.7) 出口回流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同迴流比及熱量通量之關係。………………………………………………………187
圖(4.5.8) 出口回流至入口,固定熱量通量(Qr=0.3)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。…………………………………………………188
圖(4.5.9) 出口回流至入口,固定熱量通量(Qr=0.7)、迴流比(R=1)與隔板位置(Δ=0.5),流體無因次平均溫度與通道位置於不同格拉茲數之關係。…………………………………………………189
圖(4.5.10)出口回流至入口,固定格拉茲數(Gz=10)與迴流比(R=1),流體無因次平均溫度與通道位置於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。………………………………………………190
圖(4.5.11)出口回流至入口,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與格拉茲數於不同熱量通量及隔板位置之關係。…………………………………………………………191
圖(4.5.12)出口回流至入口,固定迴流比(R=1),流體無因次入口平均溫度與隔板位置於不同熱量通量及格拉茲數之關係。…………………………………………………………192
圖(4.5.13)出口回流至入口,格拉茲數與平均納塞數於迴流比及隔板位置之關係。……………………………………………193
圖(4.5.14)出口回流至入口,格拉茲數與平均納塞數於不同隔板位置及不同熱量通量之關係。………………………………194
圖(4.5.15)出口回流至入口,隔板位置與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。……………………………………195
圖(4.5.16)出口回流至入口,迴流比與平均納塞數於不同熱量通量及格拉茲數之關係。………………………………………196
圖(4.5.17)出口回流至入口,熱量通量與平均納塞數於不同隔板位置及格拉茲數之關係。……………………………………197
圖(4.5.18)出口回流至入口,固定隔板位置(Δ=0.5),壁無因次溫度與通道位置於不同格拉茲數及不同熱量通量之關係。…………………………………………………………198
圖(4.5.19)出口回流至入口,格拉茲數與平均納塞數於不同熱量通量之關係。…………………………………………………199

表目錄
表(4.0.1) 二行程無迴流模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5及Qr=0.3。………………………………………86
表(4.0.2) 二行程無迴流模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5及Qr=0.5。………………………………………86
表(4.0.3) 二行程無迴流模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5及Qr=0.7。………………………………………87
表(4.0.4) 管末端出口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、 及Qr=0.3。………………………………………87
表(4.0.5) 管末端出口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、 及Qr=0.5。………………………………………88
表(4.0.6) 管末端出口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、 及Qr=0.7。………………………………………88
表(4.0.7) 出口回流至管末端模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.3。………………………………89
表(4.0.8) 出口回流至管末端模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.5。………………………………89
表(4.0.9) 出口回流至管末端模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.7。………………………………90
表(4.0.10)管末端迴流至入口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.3。………………………………90
表(4.0.11)管末端迴流至入口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.5。………………………………91
表(4.0.12)管末端迴流至入口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.7。………………………………91
表(4.0.13)出口回流至入口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.3。………………………………92
表(4.0.14)出口回流至入口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.5。………………………………92
表(4.0.15)出口回流至入口模型,級數解收斂情形當n=30和35於Δ=0.5、及Qr=0.7。………………………………93
表(4.6.1) 二行程無迴流形式於不同隔板位置能源消耗之增加率。………………………………………………200
表(4.6.2) 管末端出口迴流形式於不同隔板位置能源消耗之增加率。。……………………………………………201
表(4.6.3) 出口迴流至入口迴流形式於不同隔板位置能源消耗之增加率。………………………………………………201
表(4.6.4) 管末端迴流至入口迴流形式於不同隔板位置能源消耗之增加率。……………………………………………201
表(4.6.5) 出口迴流至入口迴流形式於不同隔板位置能源消耗之增加率。………………………………………………202
參考文獻 參考文獻
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