臺灣博碩士論文加值系統

本研究以COMSOL 5.1分析軟體模擬以太陽輻射加熱正多邊形盤管熱交換器所產生之不同熱傳效應，並探討其較佳化之設計構形與尺寸參數，進行熱傳效率之比較。研究以太陽熱能作為熱源加熱熱流體，熱流體以熱傳油做為傳熱介質，管側熱傳油進口溫度設定為373.15K、473.15K、573.15K及673.15K，冷流體為298.15K之純水。
研究結果表明：每組熱交換器均當其盤管數為7邊時，可獲得被加熱純水介質之最高出口溫度，依序分為343.65K、404.38K、465.21K及525.95 K，加熱前後冷流體溫差依序分別為45.5K、106.23K、173.25K及227.8K。經數值驗證之結果，本研究正多邊形盤管式熱交換器之構型，較優於圓型螺旋盤管式熱交換器之熱傳效率。
關鍵字：集中型太陽能發電、正多邊形盤管、熱交換器、熱傳效率。

In this study, COMSOL 5.1 analysis software was used to simulate the different heat transfer effects produced by solar radiation heating of polygonal coil heat exchangers, and the better design and size parameters were analyzed and compared. The heat transfer heat of the heat transfer oil was set at 373.15K, 473.15K, 573.15K and 673.15K, and the cold fluid was 298.15 K pure water.
The results show that the maximum outlet temperature of the heated pure water medium is 343.65K, 404.38K, 465.21K and 525.95K when the number of coils is 7 sided, the cold fluid temperature difference is 45.5K, 106.23K, 173.25K and 227.8K respectively. As a result of numerical verification, this study is the configuration of polygonal coil heat exchangers, which is superior to the heat transfer efficiency of circular spiral coil heat exchangers.
Keywords：concentrated solar power, polygonal coil, heat exchanger, heat transfer efficiency.

摘 要 i
ABSTRACT ii
目 錄 iii
圖目錄 vi
表目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 4
1.3 論文架構 7
第二章 熱交換器理論、文獻探討與應用 9
2.1 冷卻定律 9
2.2 ε-NTU有效性法 12
2.3 熱交換器之分類與應用 17
2.3.1 管式熱交換器 18
2.3.2 板式熱交換器 21
2.3.3 擴展表面式熱交換器 25
2.3.4 再生式熱交換器 26
2.4 集中型太陽能發電技術之發展 27
2.4.1 塔式聚熱發電系統 28
2.4.2 史特林碟型聚熱發電系統 31
2.4.3 槽式聚熱發電系統 33
2.4.4 線性聚光菲涅爾反射鏡型 35
第三章 模型建構與數值分析 38
3.1 物理模型與基本假設 38
3.2 統御方程式(Governing equations) 46
3.3 數值模擬流程 47
3.3.1 前處理 49
3.3.2 求解過程 49
3.3.3 後處理 50
3.4 邊界條件設定 51
3.5 網格建構 51
第四章 結果與討論 55
4.1 螺旋盤管熱交換器流場溫度分佈 55
4.1.1 管側熱傳油進口溫度673.15 K 55
4.1.2 管側熱傳油進口溫度573.15 K 61
4.1.3 管側熱傳油進口溫度473.15 K 66
4.1.4 管側熱傳油進口溫度373.15 K 72
4.2 螺旋盤管熱交換器進出口壓降分析 77
第五章 結論與展望 85
參考文獻 87

圖目錄
圖1. 1聯合國政府間氣候變遷小組公布全球平均溫度變化資料 2
圖1. 2台灣地區1911〜2014年平均溫度距平變化 3
圖1. 3西班牙PS20聚光式高溫太陽能發電廠 6
圖2. 1牛頓冷卻定律T-t示意圖 11
圖2. 2熱交換器總熱傳之熱阻抗示意圖 13
圖2. 3依據熱交換器結構特徵所繪製之分類圖 18
圖2. 4四種不同構型之管式熱交換器示意圖 19
圖2. 5質量流率Ms = 3.91 kg/s時，熱交換器殼側路徑示意圖 20
圖2. 6板式熱交換器示意圖 21
圖2. 7相異之傾斜角與雷諾數形成不同之流路 22
圖2. 8單相流體在板式熱交換器速度場與流動分佈情形 22
圖2. 9雷諾數500及1,000之冷媒出口過熱度10℃之熱影像比較 24
圖2. 10各類型面積擴展式熱交換器示意圖 25
圖2. 11空氣預熱再生器(regenerative air preheaters )示意圖 26
圖2. 12集中型太陽能電廠架構示意圖 28
圖2. 13熱管式接收器示意圖 29
圖2. 14美國ISEGS塔式太陽能光熱發電站及塔柱實景圖 30
圖2. 15 25kW史特林發電機組示意圖 32
圖2. 16美國亞利桑那州六十座斯特林碟型聚熱子系統實景圖 32
圖2. 17印度JNNSM委託GGEL所建造之槽式聚熱發電系統實景 34
圖2. 18線性菲涅爾太陽能聚熱發電系統實景圖 36
圖3. 1利用Solid Work繪製正多邊形盤管式熱交換器模型 39
圖3. 2編號P4正多邊形盤管熱交換器模型 40
圖3. 3編號P5正多邊形盤管熱交換器模型 40
圖3. 4編號P6正多邊形盤管熱交換器模型 41
圖3. 5編號P7正多邊形盤管熱交換器模型 41
圖3. 6編號P8正多邊形盤管熱交換器模型 42
圖3. 7正圓型7圈螺旋管式熱交換器模型 42
圖3. 8前處理、求解過程及後處理模擬流程圖 48
圖3. 9正多邊形盤管熱交換器邊界條件設定圖 48
圖3. 10編號P4正多邊形盤管式熱交換器網格建構圖 53
圖3. 11編號P5正多邊形盤管式熱交換器網格建構圖 53
圖3. 12編號P6正多邊形盤管式熱交換器網格建構圖 53
圖3. 13編號P7正多邊形盤管式熱交換器網格建構圖 54
圖3. 14 編號P8正多邊形盤管式熱交換器網格建構圖 54
圖3. 15編號H之圓型螺旋盤管式熱交換器網格建構圖 54
圖4. 1 編號P4熱交換器進口端熱傳油673.15 K流場溫度分佈 56
圖4. 2 P5螺旋管管端熱傳油進口673.15 K之流場溫度分佈圖 57
圖4. 3 P6螺旋管管端熱傳油進口673.15 K之流場溫度分佈圖 57
圖4. 4 P7螺旋管管端熱傳油進口673.15 K之流場溫度分佈圖 58
圖4. 5 P8螺旋管管端熱傳油進口673.15 K之流場溫度分佈圖 58
圖4. 6 熱傳油673.15K，P4～P8熱交換器流場溫度分佈比較圖 59
圖4. 7 圓型螺旋管管端熱傳油進口673.15 K之流場溫度分佈圖 60
圖4. 8 P4螺旋管管端熱傳油進口573.15 K之流場溫度分佈圖 62
圖4. 9 P5螺旋管管端熱傳油進口573.15 K之流場溫度分佈圖 62
圖4. 10 P6螺旋管管端熱傳油進口573.15 K之流場溫度分佈圖 63
圖4. 11 P7螺旋管管端熱傳油進口573.15 K之流場溫度分佈圖 63
圖4. 12 P8螺旋管管端熱傳油進口573.15 K之流場溫度分佈圖 64
圖4. 13 熱傳油573.15K，P4～P8熱交換器流場溫度分佈比較圖 65
圖4. 14 圓型螺旋管管端熱傳油進口573.15 K之流場溫度分佈圖 66
圖4. 15 P4螺旋管管端熱傳油進口473.15 K之流場溫度分佈圖 67
圖4. 16 P5螺旋管管端熱傳油進口473.15 K之流場溫度分佈圖 68
圖4. 17 P6螺旋管管端熱傳油進口473.15 K之流場溫度分佈圖 68
圖4. 18 P7螺旋管管端熱傳油進口473.15 K之流場溫度分佈圖 69
圖4. 19 P8螺旋管管端熱傳油進口473.15 K之流場溫度分佈圖 69
圖4. 20 熱傳油473.15K，P4～P8熱交換器流場溫度分佈比較圖 70
圖4. 21 圓型螺旋管管端熱傳油進口473.15 K之流場溫度分佈圖 71
圖4. 22 P4螺旋管管端熱傳油進口373.15 K之流場溫度分佈圖 73
圖4. 23 P5螺旋管管端熱傳油進口373.15 K之流場溫度分佈圖 73
圖4. 24 P6螺旋管管端熱傳油進口373.15 K之流場溫度分佈圖 74
圖4. 25 P7螺旋管管端入口373.15 K熱傳油流場溫度分佈圖 74
圖4. 26 P8螺旋管管端熱傳油進口373.15 K之流場溫度分佈圖 75
圖4. 27 熱傳油373.15K，P4～P8熱交換器流場溫度分佈比較圖 76
圖4. 28 圓型螺旋管管端熱傳油進口373.15 K之流場溫度分佈圖 77
圖4. 29 P4螺旋盤管熱交換器管端、殼端表面壓力分佈圖 79
圖4. 30 P5螺旋盤管熱交換器管端、殼端表面壓力分佈圖 80
圖4. 31 P6螺旋盤管熱交換器管端、殼端表面壓力分佈圖 80
圖4. 32 P7螺旋盤管熱交換器管端、殼端表面壓力分佈圖 81
圖4. 33 P8螺旋盤管熱交換器管端、殼端表面壓力分佈圖 81
圖4. 34 P4～P8螺旋盤管式熱交換器殼端進出口壓降圖 82
圖4. 35 P4～P8螺旋盤管式熱交換器管端進出口壓降圖 83
圖4. 36 P8螺旋盤管熱交換器管端、殼端表面壓力分佈圖 84

表目錄
表4. 1熱傳油進口673.15 K，P4～P8熱交換器管殼端進出口溫度表 59
表4. 2熱傳油進口573.15 K，P4～P8熱交換器管殼端進出口溫度表 64
表4. 3熱傳油進口473.15 K，P4～P8熱交換器管殼端進出口溫度表 70
表4. 4熱傳油進口373.15 K，P4～P8熱交換器管殼端進出口溫度表 75
表4. 5熱傳油進口373.15 K，P4～P8螺旋之管、殼端進出口壓力表 82



 

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