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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:范瑞廷
研究生(外文):Jui-Ting Fan
論文名稱:連續型平板散熱片在不等根部溫度條件下二維散熱片效率之數值模擬
論文名稱(外文):numerical simulation of two-dimensional fin efficiency in joined fin with inline tubes
指導教授:陳理定
指導教授(外文):Li-Ting Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立清華大學
系所名稱:動力機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:60
中文關鍵詞:散熱片延伸面散熱片效率排列式數值模擬
外文關鍵詞:finextend surfacefin efficiencyinlinenumericalsimulation
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本研究之主題是針對廣泛使用於熱交換器之連續型平板散熱片。在熱交換器中,熱傳管的溫度隨著冷媒之流動而有變化,也造成了散熱片中不等根部溫度之條件。在不等根部溫度條件下,散熱片之溫度不僅僅受到外界空氣之影響,散熱片中之不等根部溫度也造成散熱片溫度分布的改變。
本文採用數值分析之中央差分法模擬散熱片在不等根部溫度條件下,不同熱對流係數與熱傳導係數下、散熱片尺寸、厚度等之二維溫度分布,並利用其溫度分布計算散熱片之平均散熱片效率。藉此以比較過去廣為被使用來估算散熱片之Schmidt法之差異。
其結果顯示,以Schmidt法來估計一連續型散熱片之散熱片效率,與實際之連續型平板散熱片溫度分布所計算之平均散熱片效率當在散熱片之等效半徑與熱傳管半徑比值大時兩種方式所計算之散熱片效率有極大之差異。此外,本研究並模擬當空氣進入熱交換器後,空氣與散熱片熱交換造成空氣溫度變化而影響散熱片之溫度分布等狀況,藉此探討散熱片採用逆向流與平行流排列所造成冷卻能力之差異。

The aim of my thesis is to study the temperature distribution and fin efficiency of the joined-fin whose tubes arranged inline. When the coolant running in a heat exchanger, the tubes in the same sheet of fin have different temperatures. Consequently, it causes the condition of different base (tube) temperatures in one sheet of fin. In this condition, the temperature distribution of the fin is influenced by the ambient temperature and different tubes temperatures.
The finite difference approximation was used to simulate the two-dimensional temperature distribution and to calculate mean fin efficiency under the different tubes temperatures condition. The simulation results were then compared with the Schmidt method, which is widely used to calculate the fin efficiency.
The result reveals that there is difference between Schmidt method and the method presented in the study when the equivalent radius over the radius of the tube is bigger. Besides, when air passed through the heat exchanger, the airflow heat exchanged with the extend surface, and it also caused the change of air temperature. In addition, the changes of the air temperature in the procedure were shown in the other simulation. The effects of the coolant running in parallel flow and counter flow were discussed.

摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 iv
圖目錄 vi
符號與參數 ix
第一章 緒論 1
1.1引言 1
1.2文獻回顧 1
1.3研究目的 4
第二章 理論模式與數值分析 5
2.1有限差分法(Finite Difference Approximation) 5
2.2一維散熱片之熱傳分析 5
2.3二維平板散熱片的熱傳分析 8
2.4單一圓管及其延伸面數值模擬程式之建立 9
2.5完整連續型平板散熱片數值模擬程式之建立 11
第三章 結果與討論 14
3.1相鄰邊界視為絕熱之邊界條件設定分析 14
3.2單一圓管及其延伸面之單位散熱片溫度分布與效率分析 15
3.3連續型散熱片溫度分布分析 19
3.4連續型散熱片數值模擬與Schmidt法估算效率之比較 19
3.5散熱片排列方式與冷卻空氣能力之比較 21
第四章 結論與建議 24
4.1結論 24
4.2建議 25
參考文獻 26
圖目錄
圖1-1 連續型(inline)散熱鰭片 28
圖1-2 圓形散熱片 28
圖1-3 方形圓管之散熱片 29
圖1-4 一列與二列平板散熱片與其單位示意圖 29
圖1-5 盤管區分為多個單位之示意圖 30
圖1-6 方形散熱片之單一區塊 30
圖2-1 一維熱傳導分析 31
圖2-2 二維平板數值分析模型 31
圖2-3 格點在邊界上之示意圖 32
圖2-4 格點鄰近根部(圓管)之示意圖 32
圖2-5 空氣流入兩散熱片間之示意圖 33
圖2-6 計算散熱片溫度分布與效率程式之流程圖 34
圖2-7 整體散熱片溫度分布與空氣變化計算程式之流程圖 35
圖3-1 盤管中一散熱片之兩相鄰區塊 36
圖3-2 一維單位寬度平板熱傳分析 36
圖3-3 數值模擬計算散熱片效率與解析解所得之散熱片效率比較 37
圖3-4 相鄰邊界視為絕熱之一維平板溫度分布 37
圖3-5 實際狀況之一維平板散熱片溫度分布 38
圖3-6 兩散熱片間不絕熱之平均散熱片效率與解析法所計算之散熱片效率之比較 38
圖3-7 數值模擬散熱片效率對無因數參數M 39
圖3-8 文獻[5]散熱片效率對無因次參數M 39
圖3-9 對照文獻[3]之數值模擬結果 40
圖3-10 文獻[3]附錄之圓形散熱片之效率 40
圖3-11 利用Schmidt法估算單位散熱片之效率與散熱片參數之關係 41
圖3-12 實際狀況之散熱片效率與Schmidt法之差異 41
圖3-13 不同材質散熱片溫度分布狀況之一 42
圖3-14 不同材質散熱片溫度分布狀況之二 43
圖3-15 單列散熱片之示意圖 44
圖3-16 環境溫度固定條件下散熱片之溫度分布 44
圖3-17 平行流排列之二維溫度分布 45
圖3-18 逆向流排列之二維溫度分布 45
圖3-19 連續型散熱片效率計算之幾何參數 46
圖3-20 Schmidt法計算之連續型排列式散熱片效率 46
圖3-21 實際狀況所計算之連續型排列式平均散熱片效率 47
圖3-22 實際狀況之平均溫度分佈與Schmidt 所估算之差異 47
圖3-23 平行流排列之散熱片中心溫度與空氣溫度之分布 48
圖3-24 逆向流排列之散熱片中心溫度與空氣溫度之分布 48
圖3-25 平行流排列之溫度分布 49
圖3-26 逆向流排列之平均溫度 49
圖3-27 散熱片各部分之熱傳率 50

1. Alan J. Chapman “Fundamentals of Heat Transfer” chapter 4, pp.159-207, Macmillan Publishing Company, New York.
2. Haper, D. R. and Brown, W. B., “Mathematical Equations for Heat Conduction in the Fins of Air cooled Engines,” N. A. C. A. Rept, pp. 158, 1922.
3. Gardner, K. A., “Efficiency of Extend Surface,” Teans. ASME, Vol. 67, pp. 621-631. 1945.
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7. L. T. Chen, “ Two- dimension Fin Efficiency with Combined Heat and Mass Transfer between Water-wetted Fin surface and Moving moist Air Stream,” Int. J. Heat Fluid Flow, Vol. 12, No. 1, pp. 71-76, March 1991.
8. Abhay Vardhan and P. Dhar, “A New Procedure for Predicition of Air Conditions Coils,” Int. J. Refrig. Vol. 21 No. 1 pp. 71-83, 1998.
9. D. Besednjak and A. Poredos, “ Efficiency of cooled extend surface,” Int. J. Refrig. Vol. 21 No. 5 pp. 372-380, 1998.
10. Luca Buzzoni, Roberto Dall’Olio, Macro spiga, “ Efficiency of the Unit Cell in Rectangular Finned Tube Arrangement,” Applied Thermal Engineering, Vol. 19, Issue: 11, November 1999, pp. 1147-1156.
11. S. Y. Liang, T. N. Wong, G. K. Nathan, “Comparison of one dimensional models for wet-surface fin efficiency of a plate-fin-tube heat exchanger,” Applied Thermal Engineering, Vol. 20, Issue: 10, July 1, 2000, pp. 941-962.
12. Glen E. Mters, “Analytical Methods in Conduction Heat Transfer,” chapter 2
13. 王啟川, “熱交換器設計,” 五南圖書出版有限公司。

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