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) 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 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 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

熱流性質 溫度：一般以攝式(oC)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 - 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) 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)

比熱(Specific Heat) 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 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

內能與焓(Enthalpy) 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) 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 利用焓的變化可計算等壓過程中加入或除去的熱量

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=dEsystem Esystem=U(內能)+KE(動能)+PE(位能) ，取其微分的形式為dEsystem=dU+d(KE)+d(PE) 由於KE=1/2 mV2 ，PE=mgZ，故dEsystem=dU+d(1/2 mV2)+d(mgZ) 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 mV2)+d(mgZ)

熱力學第一定律 對一開放系統 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- H1+1/2 mV12+mgZ1 =H2+1/2 mV22+mgZ2+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 δQ=ΔQ=ΔH=H2-H1=m(h2-h1) 藉由查表可求的相對焓差，或考慮為等壓狀況 ΔH=mCP(T2-T1)

熱力學第一定律

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 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 -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 -例如鍋爐、冷凝器等

熱力相變化性質

理想氣體方程式 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 -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 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 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(PVn=常數)，則 n=1 (等溫) ，n=K=CP/CV(絕熱)(Kair=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 多變過程功之輸入 絕熱過程功之輸入

理想氣體方程式

理想氣體方程式 絕熱狀態時若W12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 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)

質量守恆 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+Δt，由質量守恆： 對時間微分得到 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

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

Bernoulli方程式 以上稱為Bernoulli方程式 由第二定律 將焓的變化量代入第一定律得到 考慮絕熱可逆狀態故可改寫為 從而第一定律可改寫為 積分後得到 系統能量的變化為 以上稱為Bernoulli方程式 由焓的定義取其變化量為

Bernoulli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 若考慮機械磨擦則微分Bernoulli方程式的位勢形式損失則 若對管內任何配件造成的機械能量損失，則有

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) 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) 層流流場磨擦因子f=64/Re

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

熱傳導 利用前述觀念可計算組合熱阻

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 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 空調熱負載 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

熱對流 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 一般概估 空氣自然對流熱傳係數=5~25W/m2K 在概估熱傳量時大多以平均之hc估算，但有一定之誤差

熱對流 層流存在解析解 局部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 層流時當壁面為等熱通量時Nu=4.36；為等熱通量時Nu=3.66

熱幅射 黑體熱幅射強度(W/m2)= σ稱為Stefan-Boltzmann常數=5.67*108W/m2K4 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 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FA則熱幅射量Qε-A為