半導體與光電廠務設施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流相關知識n n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)n n流體力學 : Bernoulli 方程式、管內流動流場諸性質計算n n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熱流性質與狀態n n所謂性質是可描述、可定量計算的獨立(或基本)特性或屬性n n質量、體積等”集合性”屬性廣範性質n n壓力、溫度、密度等不隨”集合量”大小變化的性質屬強度性質n n利用性質描述物理場內的情況稱為”狀態”n n描述一物理狀態至少需要兩個性質熱流性質熱流性質n n溫度：一般以攝式溫度：一般以攝式( (o oC C) )溫標註記，但在許多熱流計溫標註記，但在許多熱流計算時常用凱式算時常用凱式(K)(K)溫標註記溫標註記n n壓力：為表面積上所承受法線壓力：為表面積上所承受法線( (正向正向) )力力 - - 表壓力表壓力: :多用於密閉系統，以顯示系統內之壓力多用於密閉系統，以顯示系統內之壓力( (如壓縮空氣、閉循環水路如壓縮空氣、閉循環水路) ) - - 絕對壓力絕對壓力: :多用於開放系統，尚加上大氣壓力多用於開放系統，尚加上大氣壓力(101.3kPa)(101.3kPa)的作用的作用( (如通大氣設計之水槽泵送如通大氣設計之水槽泵送) )n n密度：單位體積所含有的質量密度：單位體積所含有的質量n n比容：單位質量所含有的體積比容：單位質量所含有的體積( (與密度互為倒數與密度互為倒數) )比熱比熱(Specific Heat)n n使一單位質量溫度上升一溫度單位所需要的能量n n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n n廠務系統設計常用的流體近似定壓比熱- -乾空氣 : 1.0 KJ / KgK- -液態水 : 4.19 KJ /KgK- -水蒸汽 : 1.88 KJ /KgK內能與焓內能與焓(Enthalpy)n n內能為物質微觀所具有能量內能為物質微觀所具有能量(U)(U)n n一般流體設備問題分析均考量為開放系統，則必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須考慮流功的問題(W=P(W=PV)V)n n為方便問題的分析，將為方便問題的分析，將U+PU+PV V的組合定義為焓的組合定義為焓(H=U+PV)(H=U+PV)n n因因U U、P P、V V為狀態性質，故為狀態性質，故H H本身也為狀態性質本身也為狀態性質n n利用焓的變化可計算等壓過程中加入或除去的熱利用焓的變化可計算等壓過程中加入或除去的熱量量熱力學第一定律熱力學第一定律n n輸入系統熱與輸出功之差額為系統能量的增加，輸入系統熱與輸出功之差額為系統能量的增加，其普遍型式為其普遍型式為 Q-Q-WW= =dEdEsystemsystemn nE Esystemsystem=U(=U(內能內能)+KE()+KE(動能動能)+PE()+PE(位能位能) ) ，取其微分的，取其微分的形式為形式為dEdEsystemsystem= =dU+d(KE)+d(PEdU+d(KE)+d(PE) )n n由於由於KE=1/2 mVKE=1/2 mV2 2 ，PE=PE=mgZmgZ，故，故dEdEsystemsystem=dU+d(1/2 =dU+d(1/2 mVmV2 2)+d()+d(mgZmgZ) )n n考慮開放系統邊界流體作功為考慮開放系統邊界流體作功為PVPV故故dHdH= =dU+d(PVdU+d(PV) )n n由能量守恆由能量守恆， Q-Q-WW=d=dH+d(1/2 mVH+d(1/2 mV2 2)+d()+d(mgZmgZ) )熱力學第一定律熱力學第一定律n n對一開放系統 Q Q- - H H1 1+1/2 mV+1/2 mV1 12 2+ +mgZmgZ1 1 = =H H2 2+1/2 mV+1/2 mV2 22 2+ +mgZmgZ2 2+ +WWn n倘若無功之輸出(W=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 Q=Q=H=H2-H1=m(h2-h1)n n藉由查表可求的相對焓差，或考慮為等壓狀況 H=mCP(T2-T1)熱力學第一定律熱力學第一定律熱力相變化性質熱力相變化性質n n流體可透過加熱或冷卻系統達到相的變化流體可透過加熱或冷卻系統達到相的變化n n不同的溫度與壓力，相變化所需能量也同不同不同的溫度與壓力，相變化所需能量也同不同n n顯熱加熱或冷卻顯熱加熱或冷卻: : 物質僅有溫度變化，無相的改變物質僅有溫度變化，無相的改變 - -例如空調，製程冷卻水例如空調，製程冷卻水n n潛熱加熱或冷卻潛熱加熱或冷卻: : 物質僅有相變化，無溫度的改變物質僅有相變化，無溫度的改變 - -例如鍋爐、冷凝器等例如鍋爐、冷凝器等 熱力相變化性質熱力相變化性質理想氣體方程式理想氣體方程式n n熱力學各種性質是由物質的狀態決定熱力學各種性質是由物質的狀態決定n n表示各狀態下之方程式表示各狀態下之方程式 -PV=RT-PV=RT，P:P:壓力、壓力、V:V:體積、體積、T:T:溫度、溫度、R:R:氣體常數氣體常數 - -可以為比性質或變率可以為比性質或變率 如如分別代表比容(m3/Kg)與體積流率對溫度壓力的關係理想氣體方程式理想氣體方程式n n各種狀態間變化的過程計有等壓各種狀態間變化的過程計有等壓、等溫、絕熱、等溫、絕熱以及等容過程；若不為上述幾種情況則稱為多以及等容過程；若不為上述幾種情況則稱為多變變( (PolytropicPolytropic) )過程過程n n考慮氣體以多變過程變化考慮氣體以多變過程變化( (PVPVn n= =常數常數) )，則，則 n=1 (n=1 (等溫等溫) ) ，n=K=Cn=K=CP P/C/CV V( (絕熱絕熱)( )(K Kairair=1.4)=1.4)n n在廠務公用系統工程規劃中，設備假定隔熱設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施完善，故大多假設為絕熱過程n n多變過程功之輸入多變過程功之輸入n n絕熱過程功之輸入絕熱過程功之輸入理想氣體方程式理想氣體方程式理想氣體方程式理想氣體方程式n n絕熱狀態時若絕熱狀態時若WW1212為負值，代表系統總能的變化轉為負值，代表系統總能的變化轉換為壓縮功，反之為動力輸出換為壓縮功，反之為動力輸出n n前者代表性設備為壓縮機或真空泵，後者為渦輪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機或引擎等原動機n n真實狀態的設備本身不可能達到完全絕熱，故有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。為需為最小壓縮功。n n由能量守恆，真實壓縮功輸入由能量守恆，真實壓縮功輸入= =絕熱壓縮功絕熱壓縮功+ +設備設備熱傳量熱傳量(e.g.: (e.g.: 由滑油涼油器或空氣冷卻器所輸出熱由滑油涼油器或空氣冷卻器所輸出熱) )質量守恆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(Steady State)，則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m t變化為m t+t，由質量守恆：對時間微分得到質量守恆質量守恆若進一步考慮流體為不可壓縮由於則此為一般穩定流動不可壓縮流體之連續方程式通式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方程式方程式Bernoulli方程式方程式Bernoulli方程式之應力表示與位勢表示分別為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Darcy Weisbach方程式方程式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Darcy Weisbach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若對管內任何配件造成的機械能量損失，則有Darcy Weisbach方程式方程式n n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)n n磨擦因子( f ) 層流狀態時有解析解(Exact Solution)但以外則必須藉由Moody圖求得n n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)磨擦因子計算方式磨擦因子計算方式n n過度階段流場磨擦因子f=(絕對粗糙度、管徑D 、相對粗糙度/D、雷諾數Re)n n完全紊流流場磨擦因子f=(絕對粗糙度、管徑D 、相對粗糙度/D)n n層流流場磨擦因子f=64/Re熱傳導熱傳導1.一維熱傳導 Fouriers Law:1.若以牛頓冷卻定律的型式表示，則為1.稱為熱傳係數1.稱為熱阻熱傳導熱傳導利用前述觀念可計算組合熱阻熱傳導熱傳導如圖圓柱座標之熱傳導方程式為其解為故熱通量為熱傳導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熱傳導計算應用n n空調熱負載n n保溫保冷材料厚度選用(查表或疊代計算)n n廠房斷熱能力判斷熱對流熱對流n n牛頓冷卻定律牛頓冷卻定律n n對流系數與流體性質、流體速度、幾何形對流系數與流體性質、流體速度、幾何形狀有很大的關連狀有很大的關連n n一般概估一般概估- -空氣自然對流熱傳係數空氣自然對流熱傳係數=525W/m=525W/m2 2K K- -空氣強制對流熱傳係數空氣強制對流熱傳係數=10200W/m=10200W/m2 2K K- -水自然對流熱傳係數水自然對流熱傳係數=20100W/m=20100W/m2 2K K- -水強制對流熱傳係數水強制對流熱傳係數=5010,000W/m=5010,000W/m2 2K K 在概估熱傳量時大多以平均之在概估熱傳量時大多以平均之在概估熱傳量時大多以平均之在概估熱傳量時大多以平均之hchc估算，但估算，但估算，但估算，但有一定之誤差有一定之誤差有一定之誤差有一定之誤差熱對流熱對流n n層流存在解析解層流存在解析解n n局部局部NusseltNusselt No.= No.=n n平均平均NusseltNusselt No.= No.=n n紊流之紊流之NusseltNusselt No. No.一般多以半經驗或實驗方式求一般多以半經驗或實驗方式求得得n n層流時當壁面為等熱通量時層流時當壁面為等熱通量時NuNu=4.36=4.36；為等熱通為等熱通量時量時NuNu=3.66=3.66熱幅射熱幅射n n黑體熱幅射強度黑體熱幅射強度(W/m2)=(W/m2)=n n 稱為稱為Stefan-Stefan-BoltzmannBoltzmann常數常數=5.67*10=5.67*108 8W/mW/m2 2K K4 4n n考慮物體並非純黑考慮物體並非純黑，故考慮放射率，故考慮放射率n n吸收率吸收率 大致等於放射率，大致等於放射率，=n n表面形狀方位亦可能影響幅射量，對任一表面表面形狀方位亦可能影響幅射量，對任一表面A A若形狀因素為若形狀因素為F FA A則熱幅射量則熱幅射量Q Q -A-A為為