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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 ) 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 流體力學 : Bernoulli.

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1 半導體與光電廠務設施 熱流相關知識複習

2 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 ) 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 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 熱傳遞 : 熱傳導、熱對流、熱幅射、熱交換 器選型

3 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 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 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 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 ” 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 描述一物理狀態至少需要兩個性質

4 熱流性質 溫度:一般以攝式 ( o C) 溫標註記,但在許多熱流計 算時常用凱式 (K) 溫標註記 溫度:一般以攝式 ( o C) 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 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 ) - 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 ) - 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 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 ) 比容:單位質量所含有的體積 ( 與密度互為倒數 )

5 比熱 (Specific Heat) 使一單位質量溫度上升一溫度單位所需要 的能量 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 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 廠務系統設計常用的流體近似定壓比熱 - 乾空氣 : 1.0 KJ / Kg . K - 液態水 : 4.19 KJ /Kg . K - 水蒸汽 : 1.88 KJ /Kg . K

6 內能與焓 (Enthalpy) 內能為物質微觀所具有能量 (U) 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) 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) 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 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 利用焓的變化可計算等壓過程中加入或除去的熱 量

7 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=dE system 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=dE system E system =U( 內能 )+KE( 動能 )+PE( 位能 ) ,取其微分 的形式為 dE system =dU+d(KE)+d(PE) E system =U( 內能 )+KE( 動能 )+PE( 位能 ) ,取其微分 的形式為 dE system =dU+d(KE)+d(PE) 由於 KE=1/2 mV 2 , PE=mgZ ,故 dE system =dU+d(1/2 mV 2 )+d(mgZ) 由於 KE=1/2 mV 2 , PE=mgZ ,故 dE system =dU+d(1/2 mV 2 )+d(mgZ) 考慮開放系統邊界流體作功為 PV 故 dH=dU+d(PV) 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(1/2 mV 2 )+d(mgZ) 由能量守恆, δQ-δW=dH+d(1/2 mV 2 )+d(mgZ)

8 熱力學第一定律 對一開放系統 對一開放系統 δQ- H 1 +1/2 mV 1 2 +mgZ 1 =H 2 +1/2 mV 2 2 +mgZ 2 +δW δQ- H 1 +1/2 mV 1 2 +mgZ 1 =H 2 +1/2 mV 2 2 +mgZ 2 +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 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=H 2 -H 1 =m(h 2 -h 1 ) δQ=ΔQ=ΔH=H 2 -H 1 =m(h 2 -h 1 ) 藉由查表可求的相對焓差,或考慮為等壓狀況 藉由查表可求的相對焓差,或考慮為等壓狀況 ΔH=mC P (T 2 -T 1 ) ΔH=mC P (T 2 -T 1 )

9 熱力學第一定律

10 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 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 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 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 - 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 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 - 例如鍋爐、冷凝器等

11 熱力相變化性質

12 理想氣體方程式 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 表示各狀態下之方程式 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 -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 - 可以為比性質或變率 如 分別代表比容 (m 3 /Kg) 與體積流率對溫度壓力的 關係

13 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 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 (PV n = 常數 ) ,則 考慮氣體以多變過程變化 (PV n = 常數 ) ,則 n=1 ( 等溫 ) , n=K=C P /C V ( 絕熱 )(K air =1.4) n=1 ( 等溫 ) , n=K=C P /C V ( 絕熱 )(K air =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 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 多變過程功之輸入 絕熱過程功之輸入 絕熱過程功之輸入

14 理想氣體方程式

15 理想氣體方程式 絕熱狀態時若 W 12 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 絕熱狀態時若 W 12 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 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。 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 ) 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 )

16 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 m 1 及 m 2 , 系統內質量隨時間自 m t 變化為 m t +Δt ,由質量守恆: 對時間微分得到

17 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

18 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

19 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

20 Darcy Weisbach 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

21 Darcy Weisbach 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 ) 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 (Exact Solution) 但以外則必須藉由 Moody 圖求得 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 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 )

22 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) 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) 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 層流流場磨擦因子 f=64/Re

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26 熱傳導 一維熱傳導 Fourier’s Law: 若以牛頓冷卻定律的型式表示,則為 稱為熱傳係數 稱為熱阻

27 熱傳導 利用前述觀念可計算組合熱阻

28 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

29 熱傳導 相同的利用前述觀念也 可計算圓柱組合熱阻

30 熱傳導計算應用 空調熱負載 空調熱負載 保溫保冷材料厚度選用 ( 查表或疊代計算 ) 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 廠房斷熱能力判斷

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32 熱對流 牛頓冷卻定律 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 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 一般概估 - 空氣自然對流熱傳係數 =5~25W/m 2 K - 空氣強制對流熱傳係數 =10~200W/m 2 K - 水自然對流熱傳係數 =20~100W/m 2 K - 水強制對流熱傳係數 =50~10,000W/m 2 K 在概估熱傳量時大多以平均之 hc 估算,但 有一定之誤差 在概估熱傳量時大多以平均之 hc 估算,但 有一定之誤差

33 熱對流 層流存在解析解 層流存在解析解 局部 Nusselt No.= 局部 Nusselt No.= 平均 Nusselt No.= 平均 Nusselt No.= 紊流之 Nusselt No. 一般多以半經驗或實驗方式求 得 紊流之 Nusselt No. 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 層流時當壁面為等熱通量時 Nu=4.36 ;為等熱通 量時 Nu=3.66

34 熱幅射 黑體熱幅射強度 (W/m2)= 黑體熱幅射強度 (W/m2)= σ 稱為 Stefan-Boltzmann 常數 =5.67*10 8 W/m 2 K 4 σ 稱為 Stefan-Boltzmann 常數 =5.67*10 8 W/m 2 K 4 考慮物體並非純黑,故考慮放射率 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 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 F A 則熱幅射量 Q ε-A 為 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 F A 則熱幅射量 Q ε-A 為


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