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系統識別號 U0002-2107200816581100
中文論文名稱 迴流效應於非對稱質量通量之二行程平板式 層狀逆流型質量交換器效率改善之研究
英文論文名稱 Performance Improvement on Double-Pass Parallel-Plate Laminar Counterflow Mass Exchangers with External Recycle and 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 李博鈞
研究生英文姓名 Po-Chun Lee
學號 695400621
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2008-06-25
論文頁數 246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  平板型質量交換器  質傳改善率  非對稱壁通量 
英文關鍵字 conjugated Graetz problem  external recycle  parallel-plate mass exchanger  performance improvement  asymmetric wall fluxes 
學科別分類
中文摘要 為了求解非固定質量通量下伴隨迴流裝置之平板型質量交換器的共軛格拉茲問題,本研究使用分離變數法(separation of variables)及重疊理論(superposition method),並在求解過程中利用正交展開法(orthogonal expansion technique),得其壁上濃度、平均濃度分佈及平均謝塢數(Sherwood number)。此外於不同迴流裝置下,亦探討改變操作參數時對質傳效率的影響,並與單行程系統及中間加裝不可滲透薄膜之系統作比較。
結果顯示,預混效應、滯留時間及孔隙度皆是影響質傳效率的重要因素,此外質量通量與薄膜位置的相互關係亦會對系統有顯著的影響。當質傳格拉茲數較大時,不僅可使壁上濃度分佈均勻而有利於材料的選擇,也可使質傳效率有明顯的改善。最後在本文中,迴流系統因薄膜位置與迴流比的變化所增加的能源消耗也將與單行程系統相比,藉此得出二行程平板式質量交換器之最佳操作與設計。
英文摘要 A new device of double-pass mass exchanger under asymmetric wall fluxes is to divide a parallel-plate channel by inserting a permeable barrier into two subchannels. The recycle effect was introduced to the double-pass mass exchangers under asymmetric wall fluxes to improve the mass transfer efficiency. The theoretical formulation of such conjugated Graetz problems were developed by making mass balance and the analytical solutions were obtained by using the superposition method of an asymptotic solution and a homogeneous solution. The theoretical predictions of the double pass mass exchanger with external recycle were compared with those in single-pass devices and double-pass devices with an impermeable sheet inserted under the same working dimensions. The considerable mass-transfer efficiency improvement is obtainable for large mass-transfer Graetz number. The influences of the permeable-barrier location and recycle ratio on the mass transfer efficiency enhancement and the power consumption increment are also discussed in this study.
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 XVIII
符號說明 XXI

第一章 緒論 1
1.1 前言…………………………………………………………1
1.2 迴流效應對系統的影響……………………………………3
1.3 研究動機與目的……………………………………………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 格拉茲數問題………………………………………………8
第三章 基本理論 11
3.1 二行程非對稱無迴流模型之理論分析……………………18
3.2 管末端出口模型之理論分析………………………………30
3.3 出口迴流至管末端模型之理論分析………………………42
3.4 管末端迴流至入口模型之理論分析………………………54
3.5 出口迴流至入口模型之理論分析…………………………66
3.6 平均謝塢數…………………………………………………78
3.7 能源消耗之增加率問題……………………………………80
第四章 結果與討論 83
4.1 二行程無迴流模型之結果與討論…………………………92
4.2 管末端出口模型之結果與討論…………………………109
4.3 出口迴流至管末端模型之結果與討論…………………135
4.4 管末端迴流至入口模型之結果與討論…………………161
4.5 出口迴流至入口模型之結果與討論……………………186
4.6 增加的能源消耗問題……………………………………211
第五章 結論與建議 213
5.1 二行程無迴流模型………………………………………213
5.2 管末端出口模型…………………………………………214
5.3 出口迴流至管末端模型…………………………………215
5.4 管末端迴流至入口模型…………………………………216
5.5 出口迴流至入口模型……………………………………217
5.6 五種模型之比較…………………………………………217
5.7 未來研究方向……………………………………………220
參考文獻 221
附錄(一)速度分佈 229
附錄(二)正交性質 231
附錄(三)積分公式 235
附錄(四)單行程無迴流模型 238
附錄(五)dmn與emn之解 245


圖目錄
圖3.1 二行程無迴流模型質量交換系統…………………………19
圖3.2 管末端出口模型質量交換系統……………………………31
圖3.3 出口迴流至管末端模型質量交換系統……………………43
圖3.4 管末端迴流至入口模型質量交換系統……………………55
圖3.5 出口迴流至入口模型質量交換系統………………………67
圖4.1.1 二行程無迴流模型,改變質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係………………………………………95
圖4.1.2 二行程無迴流模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變薄膜位置之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係…………96
圖4.1.3 二行程無迴流模型,固定質量通量(Nr=0.7),改變薄膜位置之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係…………97
圖4.1.4 二行程無迴流模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………98
圖4.1.5 二行程無迴流模型,改變質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………………………99
圖4.1.6 二行程無迴流模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變薄膜位置之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係………100
圖4.1.7 二行程無迴流模型,固定質量通量(Nr=0.7),改變薄膜位置之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係………101
圖4.1.8 二行程無迴流模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………102
圖4.1.9 二行程無迴流模型,改變質量通量與格拉茲數之平均謝塢數對薄膜位置關係………………………………………103
圖4.1.10 二行程無迴流模型,改變質量通量與薄膜位置之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係…………………………………104
圖4.1.11 二行程無迴流模型,改變薄膜位置與質傳格拉茲數之平均謝塢數對質量通量關係…………………………………105
圖4.1.12 二行程無迴流模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係……………………………106
圖4.1.13 二行程無迴流模型,改變質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係………………………………………107
圖4.1.14 二行程無迴流模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係……………………………108
圖4.2.1 管末端出口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………113
圖4.2.2 管末端出口模型,改變迴流比與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………………114
圖4.2.3 管末端出口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……115
圖4.2.4 管末端出口模型,固定質量通量(Nr=0.7),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……116
圖4.2.5 管末端出口模型,改變薄膜位置與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………………117
圖4.2.6 管末端出口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………118
圖4.2.7 管末端出口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………119
圖4.2.8 管末端出口模型,改變迴流比與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………………120
圖4.2.9 管末端出口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……121
圖4.2.10 管末端出口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……122
圖4.2.11 管末端出口模型,改變薄膜位置與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………………123
圖4.2.12 管末端出口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………124
圖4.2.13 管末端出口模型,改變質量通量與薄膜位置之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係……………………125
圖4.2.14 管末端出口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係………………126
圖4.2.15 管末端出口模型,改變迴流比與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………………………127
圖4.2.16 管末端出口模型,改變薄膜位置與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係……………………………………128
圖4.2.17 管末端出口模型,改變質量通量與格拉茲數之平均謝塢數對薄膜位置關係…………………………………………129
圖4.2.18 管末端出口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均謝塢數對迴流比關係………………………………………130
圖4.2.19 管末端出口模型,改變薄膜位置與質傳格拉茲數之平均謝塢數對質量通量關係……………………………………131
圖4.2.20 管末端出口模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………………132
圖4.2.21 管末端出口模型,改變質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………………………………133
圖4.2.22 管末端出口模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………………134
圖4.3.1 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………139
圖4.3.2 出口迴流至管末端模型,改變迴流比與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………140
圖4.3.3 出口迴流至管末端模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置…141
圖4.3.4 出口迴流至管末端模型,固定質量通量(Nr=0.7),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置…142
圖4.3.5 出口迴流至管末端模型,改變薄膜位置與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………143
圖4.3.6 迴流至管末端模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………144
圖4.3.7 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………145
圖4.3.8 出口迴流至管末端模型,改變迴流比與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………146
圖4.3.9 出口迴流至管末端模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置…147
圖4.3.10 出口迴流至管末端模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置…148
圖4.3.11 出口迴流至管末端模型,改變薄膜位置與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………149
圖4.3.12 出口迴流至管末端模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………150
圖4.3.13 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與薄膜位置之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係……………151
圖4.3.14 出口迴流至管末端模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係………152
圖4.3.15 出口迴流至管末端模型,改變迴流比與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………………153
圖4.3.16 出口迴流至管末端模型,改變薄膜位置與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係……………………………154
圖4.3.17 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與格拉茲數之平均謝塢數對薄膜位置關係…………………………………155
圖4.3.18 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均謝塢數對迴流比關係………………………………156
圖4.3.19 出口迴流至管末端模型,改變薄膜位置與質傳格拉茲數之平均謝塢數對質量通量關係……………………………157
圖4.3.20 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………158
圖4.3.21 出口迴流至管末端模型,改變質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………………………159
圖4.3.22 出口迴流至管末端模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………160
圖4.4.1 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………164
圖4.4.2 管末端迴流至入口模型,改變迴流比與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………165
圖4.4.3 管末端迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置…166
圖4.4.4 管末端迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.7),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置…167
圖4.4.5 管末端迴流至入口模型,改變薄膜位置與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………168
圖4.4.6 管末端迴流至入口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………169
圖4.4.7 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………170
圖4.4.8 管末端迴流至入口模型,改變迴流比與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………171
圖4.4.9 管末端迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置…172
圖4.4.10 管末端迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置…173
圖4.4.11 管末端迴流至入口模型,改變薄膜位置與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………174
圖4.4.12 管末端迴流至入口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………175
圖4.4.13 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與薄膜位置之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係……………176
圖4.4.14 管末端迴流至入口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係………177
圖4.4.15 管末端迴流至入口模型,改變迴流比與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………………178
圖4.4.16 管末端迴流至入口模型,改變薄膜位置與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係……………………………179
圖4.4.17 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與格拉茲數之平均謝塢數對薄膜位置關係…………………………………180
圖4.4.18 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均謝塢數對迴流比關係………………………………181
圖4.4.19 管末端迴流至入口模型,改變薄膜位置與質傳格拉茲數之平均謝塢數對質量通量關係……………………………182
圖4.4.20 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………183
圖4.4.21 管末端迴流至入口模型,改變質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係…………………………………184
圖4.4.22 管末端迴流至入口模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………185
圖4.5.1 出口迴流至入口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係………………189
圖4.5.2 出口迴流至入口模型,改變迴流比與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係………………………190
圖4.5.3 出口迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置……191
圖4.5.4 出口迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.7),改變質傳格拉茲數之壁上無因次濃度對流動平行方向位置……192
圖4.5.5 出口迴流至入口模型,改變薄膜位置與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………193
圖4.5.6 出口迴流至入口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之壁上無因次濃度對流動平行方向位置關係………………194
圖4.5.7 出口迴流至入口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係………………195
圖4.5.8 出口迴流至入口模型,改變迴流比與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係………………………196
圖4.5.9 出口迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置……197
圖4.5.10 出口迴流至入口模型,固定質量通量(Nr=0.3),改變質傳格拉茲數之平均無因次濃度對流動平行方向位置……198
圖4.5.11 出口迴流至入口模型,改變薄膜位置與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………199
圖4.5.12 出口迴流至入口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之平均無因次濃度對流動平行方向位置關係………………200
圖4.5.13 出口迴流至入口模型,改變質量通量與薄膜位置之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係………………201
圖4.5.14 出口迴流至入口模型,改變薄膜滲透係數與質量通量之流體無因次入口平均濃度對質傳格拉茲數關係…………202
圖4.5.15 出口迴流至入口模型,改變迴流比與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係…………………………………203
圖4.5.16 出口迴流至入口模型,改變薄膜位置與質量通量之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係………………………………204
圖4.5.17 出口迴流至入口模型,改變質量通量與格拉茲數之平均謝塢數對薄膜位置關係……………………………………205
圖4.5.18 出口迴流至入口模型,改變質量通量與質傳格拉茲數之平均謝塢數對迴流比關係…………………………………206
圖4.5.19 出口迴流至入口模型,改變薄膜位置與質傳格拉茲數之平均謝塢數對質量通量關係………………………………207
圖4.5.20 出口迴流至入口模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係…………………………208
圖4.5.21 出口迴流至入口模型,改變質量通量之壁無因次濃度對流動平行方向位置關係……………………………………209
圖4.5.22 出口迴流至入口模型,改變質量通量與薄膜滲透係數之平均謝塢數對質傳格拉茲數關係…………………………210


表目錄
表4.0.1 二行程無迴流模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1及Nr=0.3…………………………………84
表4.0.2 二行程無迴流模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1及Nr=0.5…………………………………84
表4.0.3 二行程無迴流模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1及Nr=0.7…………………………………85
表4.0.4 管末端出口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.3……………………………85
表4.0.5 管末端出口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.5……………………………86
表4.0.6 管末端出口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.7……………………………86
表4.0.7 出口迴流至管末端模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.3……………………87
表4.0.8 出口迴流至管末端模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.5……………………87
表4.0.9 出口迴流至管末端模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.7……………………88
表4.0.10 管末端迴流至入口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.3……………………88
表4.0.11 管末端迴流至入口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.5……………………89
表4.0.12 管末端迴流至入口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.7……………………89
表4.0.13 出口迴流至入口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.3………………………90
表4.0.14 出口迴流至入口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.5………………………90
表4.0.15 出口迴流至入口模型之級數解收斂情形當n = 49和n = 50於Δ=0.5、ω=1、R=1及Nr=0.7………………………91
表4.6.1 二行程無迴流模型不同薄膜位置的能源消耗增加率…211
表4.6.2 管末端出口模型不同薄膜位置的能源消耗增加率……212
表4.6.3 出口迴流至管末端模型不同薄膜位置的能源消耗增加率…………………………………………………………212
表4.6.4 管末端迴流至入口模型不同薄膜位置的能源消耗增加率…………………………………………………………212
表4.6.5 出口迴流至入口模型不同薄膜位置的能源消耗增加率…………………………………………………………212

參考文獻 參考文獻

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