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殼管式蒸發器噴擊範圍最佳化之研究
指導教授:張烔堡博士
研究生:于利洋
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高效率熱傳暨冷凍空調與能源實驗室
大綱
1. 研究動機
2. 實驗設備
3. 實驗方法與步驟
4. 計算噴擊範圍最佳化
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1. 研究動機
由於噴擊式冷卻法已經被證實比一般傳統的池沸騰還要好的熱傳效果，
2008年呂[1] 已經證實液體改良其管群為加熱管與噴管為三比一之三角
排列方式，噴擊式冷卻法比池沸騰的熱傳性能提高了約80%。同年李[2]
使用正方形排列管群，噴擊式冷卻法比池沸騰的熱傳性能更高出了約
150% 。
但在噴擊管群時的噴擊範圍卻沒有詳細的介紹，2006年Z.H. Ayub [3]
等人提出設計方面的考量，以實現最佳化的蒸發器。要使噴擊蒸發器能
有效運作，並進行適當的冷媒配置。
本實驗選用呂的管群設計，並增加溫測點和使用Z.H. Ayub等人使用方
法進行噴擊範圍最佳化之熱傳性能比較實驗比較。
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2. 實驗設備
圖1.為實驗設備實體圖，其中包含：冷媒流動迴路、冷卻水流動迴路、測試段、
噴嘴、管群、量測元件及資料收集系統，本研究使用之各元件及系統描述如下：
圖1.實驗設備圖
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2.1
主迴路
圖2.主迴路圖
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2.2
測試段
測試段為本實驗量測的核心，考慮一般的熱交換器及蒸發器大多為殼
管式，且須顧及結構強度與冷媒使用種類，選擇測試段為不鏽鋼材料
之中空圓柱體，其管徑為300mm，長度400mm。
圖3.測試段剖面圖
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2.3
噴 管
噴管在環狀圓周上每隔60o設置一直徑為1mm之圓形噴口(每環
上有六個噴口)，每環之六個噴口直接朝向週圍六根加熱管
直接做噴擊，利於冷媒之分佈與周遭加熱管之冷卻。
圖4.噴管
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2.4
冷 媒
本研究使用冷媒R141b為工作流體，R141b中文學名為一氟二氯乙烷，其
化學式為CCl2FCH3。因為R141b的特質上的優點為無毒性，是一種HCFC
冷媒，並具有低破壞臭氧層潛勢(ODP,Ozone Depletion Potential)和低全
球暖化的潛勢(Global Warming Potential, GWP)，它對環境的破壞相對的
較小，在常溫下為非腐蝕性、非引火性的液體，其物理性質為：蒸氣壓
10.8psi、在20℃時之比重為1.21。最重要的是它在1大氣壓時的沸點為
32℃，此溫度僅略大於室溫。對於從事蒸發／沸騰熱傳研究時所須輸入
之功率較小，可節省成本。
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3. 實驗方法與步驟
圖5.實驗流程圖
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3.1 實驗步驟
1.將蒸發器接上恆溫水槽，設定恆溫水槽溫度，開啟冷卻水迴路。
2.關閉蒸發器所有閥門，並將測試段抽成真空狀態，熱電偶式（TC）溫
度計及RTD溫度計接上MV200記錄器。
3.打開蒸發器之R141b冷媒輸送迴路後開啟隔膜式幫浦，調整閥門大小以
控制R141b冷媒流量，觀察噴擊是否正常。
4.開啟加熱管電源前檢查是否可調式電流開關是保持最低狀態，再開啟
加熱管電源開關，隨時監控記錄器是否有不平常高溫產生，如實驗中
有不尋常高溫產生要馬上關閉加熱管總開關，冷卻迴路會持續循環以
確保實驗場所之安全。
5.加熱管電流由0 A開始逐步升高電流量，調整到所需之電流量後觀察記
錄器上各量測點溫度，待飽和溫度與各點溫度上下限跳動在0.1 ℃內
，呈穩定狀態後開啟記錄器記錄功能截取10分鐘數據，重複此步驟到
實驗結束。
6.實驗結束後先調整可調式電流開關至最低狀態、關閉加熱管電源，待
所有溫度降到室內溫度後，先後關閉無隔膜幫浦和蒸發器所有閥門，
最後才關閉冷卻水迴路。
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7.將MV200記錄器之CF卡內數據資料以DAQSTANDARD軟體進行解析。
4. 計算噴擊範圍最佳化
•每個噴嘴的覆蓋半徑
為：r
•噴灑液體超出的部分
為：A1
•兩個噴嘴相鄰的覆蓋
區域為：A2
•兩個相鄰之間的最佳
距離為：L
•管群中管的外徑為：w
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• A1 = 0.5 r ( α － sin α )
• A2 = r ( π － α － sin α )
• A1+A2 = 0.5 r ( α － sin α )+r ( π － α－ sin α )
= －0.5 r α－1.5 r sin α + r π
• d ( A1 + A2 )/d α = 0
→ d (－0.5 r α－1.5 r sin α+r π)/d α = 0
→ －0.5 r －1.5 r cos α = 0
→ cos α = －1/3
→ α = 109.47 °
• d² ( A1 + A2 )/ d α² ＞ 0
→ d (－0.5 r －1.5 r cos α)/d α ＞ 0
→ 1.5 r sin α ＞ 0 代入 α = 109.47 °
→1.41 r ＞ 0
*d sinx/dx = cosx
*d cosx/dx = － sinx
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• L=2 r sin (α/2) 代入α = 109.47 °
=1.63r
=1.41w
• 由上式化簡可知：
• r =0.866w
• d=0.866wcot(β/2)
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報告完畢!
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