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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:許景琳
研究生(外文):Hsu Ching-Lin
論文名稱:冷凍系統之熵增最小化分析與設計
論文名稱(外文):Entropy Generation Minimization Analysis and Design of Refrigeration System
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:85
中文關鍵詞:熵增最佳化熱力學第二定律冷凍系統
外文關鍵詞:Entropy GenerationOptimalThermodynamics Second LawRefrigeration System
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冷凍系統由四個元件組成,每個元件特性功能都不同。為了解各元件在系統內的變化情況以及耗能情形,本論文首先對個別元件進行模擬,最後再將所有元件組成一個系統加以模擬。
本論文模擬時可以同時考慮:蒸發器有限溫差熱傳、壓降損失;冷凝器有限溫差熱傳、壓降損失;壓縮機非等熵壓縮以及膨脹閥非等熵膨脹等六項不可逆率因素,在考慮的不可逆數目上已超越目前所有以熱力學方法來評估冷凍系統的論文。
依據模擬結果顯示,蒸發器的熵增最小值出現在蒸發器出口溫度最高處附近,冷凝器的熵增最小值出現在冷凝溫度或冷凝器入口溫度最低處。在相同的冷凝溫度條件下,系統COP最大值發生在系統熵增最小值處。在給定冷凍能力條件下,系統COP最大值發生在壓縮機輸入功最小值以及壓縮機熵增最小值時。
在迴路設計上,當給定吸熱能力,室內溫度與外界溫度時,則不論在個別蒸發器、冷凝器的模擬亦或是整個系統的模擬,我們都可以找出一個熵增值最小的最佳迴路數設計值。
對於以往把蒸發器、冷凝器視為等溫、等壓論文所得到”COP最大值出現在蒸發器與冷凝器面積相同處”的結果,本論文在加入壓降因素後有了不同於以往的新結果產生。
本論文所撰寫的程式可以取得各元件進出口狀態的所有性質,藉由這些資料,我們可以對模擬的現象與結果加以分析並做更深入地探討。
目 錄
摘 要 I
誌 謝 II
目 錄 III
圖目錄 VI
符號說明 XI
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 研究目的 4
第二章 數學模式建立與分析 6
2.1基本循環 6
2.2數學模式 6
2.2.1蒸發器 6
2.2.2冷凝器 9
2.2.3壓縮機 11
2.2.4膨脹閥 13
第三章 結果與討論 14
3.1蒸發器 14
3.1.1冷凍能力固定,總散熱面積固定 14
3.1.2冷凍能力固定,總散熱面積不固定 15
3.1.3冷凍能力不固定,總散熱面積固定 15
3.1.4熵增與壓力、溫度、冷凍能力的關係 16
3.2冷凝器 17
3.2.1總散熱量固定,總散熱面積固定 17
3.2.2 總散熱量固定,總散熱面積不固定 17
3.2.3總散熱量不固定,總散熱面積固定 18
3.2.4 熵增與壓力、溫度、散熱能力的關係 18
3.3固定冷凝溫度(T3)的系統模擬 19
3.3.1固定冷凝溫度、冷凍能力以及室內、室外溫度 19
3.3.2輸入功與散熱面積關係 20
3.3.3固定冷凍能力,不同冷凝溫度的COP特性比較 20
3.3.4固定冷凍能力、散熱面積,不同蒸發器邊界溫度 21
3.3.5固定冷凝器、蒸發器邊界溫度,不同冷凍能力 21
3.4同時考慮蒸發器及冷凝器壓降的系統模擬 22
3.4.1迴路數與COP關係 22
3.4.2冷凍能力與COP關係 23
3.4.3冷凝器和蒸發器溫度比與COP關係 23
3.4.4 過熱區與COP關係 23
3.4.5冷凝器和蒸發器散熱面積與COP關係 23
3.4.6輸入功與COP關係 24
第四章 結論與建議 26
4.1 蒸發器 26
4.2 冷凝器 26
4.3固定冷凝溫度的系統模擬 26
4.4同時考慮蒸發器及冷凝器壓降的系統模擬 27
4.5建議 27
參考文獻 29圖目錄
流程圖1 冷凍系統模擬流程圖 31
流程圖2 蒸發器模擬流程圖 32
流程圖3 冷凝器飽和段模擬流程圖 33
流程圖4 壓縮機模擬流程圖 34
流程圖5 冷凝器過熱段模擬流程圖 35
圖2-1 冷凍循環示意圖 36
圖2-2 蒸氣壓縮循環 壓力-焓 圖 36
圖2-3 蒸氣壓縮循環 溫度-熵 圖 37
圖2-4 蒸發器示意圖 37
圖2-5 冷凝器示意圖 38
圖3-1 迴路數-動量壓降 關係圖 39
圖3-2 迴路數-摩擦壓降 關係圖 39
圖3-3 迴路數-管內溫差 關係圖 40
圖3-4 迴路數-管內壓差 關係圖 40
圖3-5 迴路數-冷媒和外界溫度差 關係圖 41
圖3-6相同冷凍能力下 散熱面積-動量壓降 關係圖 41
圖3-7相同冷凍能力下 散熱面積-摩擦壓降 關係圖 42
圖3-8 相同冷凍能力下 散熱面積-總壓力變化 關係圖 42
圖3-9 相同冷凍能力下 散熱面積-溫度變化 關係圖 43
圖3-10 冷凍能力-溫度變化 關係圖 43
圖3-11 冷凍能力-壓力變化 關係圖 44
圖3-12 冷凍能力-質量流率 關係圖 44
圖3-13 冷凍能力-冷媒和外界溫差 關係圖 45
圖3-14 冷凍能力-最佳迴路數 關係圖 45
圖3-15 冷凍能力-蒸發器進出口溫度 關係圖 46
圖3-16 最佳迴路數下 不同冷凍能力-質量流率 關係圖 46
圖3-17 總散熱面積固定下 冷凍能力-熵增 關係圖 47
圖3-18 不同冷凍能力下 最佳迴路數-熵增 關係圖 47
圖3-19 迴路數-熵增率 關係圖 48
圖3-20 不同冷凍能力下 迴路數-密度差 關係圖 48
圖3-21 相同管長、迴路數、冷凍能力下 蒸發器邊界溫度-總熵增 關係圖 49
圖3-22a 蒸發器出口溫度-熵增率(Tr=10) 關係圖 49
圖3-22b 蒸發器出口溫度-熵增率(Tr=25) 關係圖 50
圖3-22c 蒸發器出口溫度-熵增率(ton=0.1) 關係圖 50
圖3-22d 蒸發器出口溫度-熵增率(ton=0.5) 關係圖 51
圖3-23 冷凝器迴路數-動量壓昇 關係圖 51
圖3-24 冷凝器迴路數-摩擦壓降 關係圖 52
圖3-25 冷凝器迴路數-冷媒溫度變化 關係圖 52
圖3-26 冷凝器迴路數-壓力變化 關係圖 53
圖3-27 冷凝器迴路數-冷媒和外界溫差 關係圖 53
圖3-28a 冷凝器迴路數-T5 關係圖 54
圖3-28b 冷凝器迴路數-P5 關係圖 54
圖3-28c 冷凝器迴路數-冷媒平均溫度 關係圖 55
圖3-29 冷凝器散熱面積-動量壓昇 關係圖 55
圖3-30 冷凝器散熱面積-摩擦壓降 關係圖 56
圖3-31 冷凝器散熱面積-冷媒和外界溫差 關係圖 56
圖3-32 冷凝器散熱面積-冷媒平均溫度 關係圖 57
圖3-33 冷凝器散熱面積-冷媒壓力 關係圖 57
圖3-34 冷凝器散熱面積-壓力變化 關係圖 58
圖3-35 冷凝器散熱量-冷媒平均溫度 關係圖 58
圖3-36 冷凝器散熱量-冷媒和外界溫度差 關係圖 59
圖3-37 冷凝器散熱量-冷媒進出口溫度差 關係圖 59
圖3-38 冷凝器散熱量-動量壓昇 關係圖 60
圖3-39 冷凝器散熱量-摩擦壓降 關係圖 60
圖3-40 冷凝器散熱量-壓力變化 關係圖 61
圖3-41 冷凝器迴路數-熵增 關係圖 61
圖3-42 冷凝器散熱量-熵增 關係圖 62
圖3-43 冷凝器迴路數-熵增-管內外溫差 關係圖 62
圖3-44 COP-T1、T2 關係圖 63
圖3-45 COP-輸入功 關係圖 63
圖3-46 COP-壓縮比 關係圖 64
圖3-47 COP-總散熱面積 關係圖 64
圖3-48 COP-冷凝器和外界溫度差 關係圖 65
圖3-49 散熱面積-最佳迴路數 關係圖 65
圖3-50 散熱面積-熵增 關係圖 66
圖3-51 散熱面積-乾度變化 關係圖 66
圖3-52 散熱面積-壓縮機進出口焓值差 關係圖 67
圖3-53 散熱面積-壓縮機進出口焓值 關係圖 67
圖3-54 不同散熱面積的T-S圖 68
圖3-55 散熱面積-冷凝器焓值變化量-壓縮機焓值變化量 關係圖 68
圖3-56 冷凝器溫度-熵增 關係圖 69
圖3-57 冷凝器溫度-壓縮機進出口焓值 關係圖 69
圖3-58 冷凝器溫度-壓縮機輸入功 關係圖 70
圖3-59 冷凝器溫度-COP 關係圖 70
圖3-60 蒸發器邊界溫度-冷凝器與蒸發器內部平均溫度 關係圖 71
圖3-61 蒸發器邊界溫度-冷凝器與蒸發器內外部溫度差 關係圖 71
圖3-62 蒸發器邊界溫度-熵增 關係圖 72
圖3-63 隨著室內溫度提高 壓縮機輸入功-COP 關係圖 72
圖3-64 COP-蒸發器出口溫度 關係圖 73
圖3-65 冷凍能力-蒸發器壓降 關係圖 73
圖3-66 冷凍能力-系統總熵增 關係圖 74
圖3-67 冷凍能力-蒸發器乾度差 關係圖 74
圖3-68 冷凍能力-COP 關係圖 75
圖3-69 冷凍能力-最佳迴路數 關係圖 75
圖3-70 散熱面積-COP 關係圖 76
圖3-71 冷凍能力-COP 關係圖 76
圖3-72 冷凝溫度/蒸發溫度-COP 關係圖 77
圖3-73 不同迴路數下 COP-冷凝器過熱區散熱量 關係圖 77
圖3-74 不同迴路數下 COP-冷凝器過熱區焓值變化 關係圖 78
圖3-75 不同迴路數下 COP-過熱段熵增率 關係圖 78
圖3-76 不同迴路數下 COP-輸入功 關係圖 79
圖3-77 迴路數-冷凝器壓力變化 關係圖 79
圖3-78a 總散熱面積固定 蒸發器在不同散熱面積比例下的COP-過熱段熵增 關係圖 80
圖3-78b 總散熱面積固定 蒸發器在不同散熱面積比例下的COP-過熱段焓值 關係圖 80
圖3-78c 總散熱面積固定 蒸發器在不同散熱面積比例下的COP-輸入功 關係圖 81
圖3-78d 總散熱面積固定 蒸發器在不同散熱面積比例下的COP-總熵增 關係圖 81
圖3-79a 不同迴路下 COP-輸入功 關係圖 82
圖3-79b 不同迴路下 COP-壓縮機進出口溫差 關係圖 82
圖3-79c 不同迴路下 COP-壓縮機出口溫度 關係圖 83
圖3-79d 不同迴路下 COP-壓縮比 關係圖 83
圖3-80a 散熱面積-冷凝器焓值變化量 關係圖 84
圖3-80b 散熱面積-冷凝器過熱段焓值變化量 關係圖 84
圖3-80c 散熱面積-冷凝器飽和段焓值變化量 關係圖 85
圖3-80d 散熱面積-過熱段焓值佔總冷凝器焓值變化量比例 關係圖 85
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