半导体与光电厂务设施热流知识

半导体与光电厂务设施热流知识热流相关知识热力学：第一定律、状态方程式、能量方程式、混合气体(空气线图)流体力学:Bernoulli方程式、管内流动流场诸性质计算热传递:热传导、热对流、热幅射、热交换器选型热流性质与状态所谓性质是可描述、可定量计算的独立(或基本)特性或属性质量、体积等”集合性”属性广范性质压力、温度、密度等不随”集合量”大小变化的性质属强度性质利用性质描述物理场内的情况称为”状态”描述一物理状态至少需要两个性质热流性质温度：一般以摄式(oC)温标注记，但在许多热流计算时常用凯式(K)温标注记压力：为表面积上所承受法线(正向)力

-表压力:多用于密闭系统，以显示系统内之压力(如压缩空气、闭循环水路)-绝对压力:多用于开放系统，尚加上大气压力(101.3kPa)的作用(如通大气设计之水槽泵送)密度：单位体积所含有的质量比容：单位质量所含有的体积(与密度互为倒数)比热(SpecificHeat)使一单位质量温度上升一温度单位所需要的能量普遍的描述有定压比热(Cp)与定容比热(Cv)两种，但厂务系统设计大多用到定压比热厂务系统设计常用的流体近似定压比热干空气:1.0KJ/Kg．K液态水:4.19KJ/Kg．K水蒸汽:1.88KJ/Kg．K内能与焓(Enthalpy)内能为物质微观所具有能量(U)一般流体设备问题分析均考量为开放系统，则必须考虑流功的问题(W=P．V)为方便问题的分析，将U+P．V的组合定义为焓(H=U+PV)因U、P、V为状态性质，故H本身也为状态性质利用焓的变化可计算等压过程中加入或除去的热量热力学第一定律输入系统热与输出功之差额为系统能量的增加，其普遍型式为δQ-δW=dEsystemEsystem=U(内能)+KE(动能)+PE(位能)，取其微分的形式为dEsystem=dU+d(KE)+d(PE)由于KE=1/2mV2

，PE=mgZ，故dEsystem=dU+d(1/2mV2)+d(mgZ)考虑开放系统边界流体作功为PV故dH=dU+d(PV)由能量守恒，δQ-δW=dH+d(1/2mV2)+d(mgZ)热力学第一定律对一开放系统

δQ-H1+1/2mV12+mgZ1=H2+1/2mV22+mgZ2+δW倘若无功之输出(δW=0)且高度相同，无动量之变化，故加热或冷却热之输出入变化为

δQ=ΔQ=ΔH=H2-H1=m(h2-h1)藉由查表可求的相对焓差，或考虑为等压状况

ΔH=mCP(T2-T1)热力学第一定律热力相变化性质流体可透过加热或冷却系统达到相的变化不同的温度与压力，相变化所需能量也同不同显热加热或冷却:物质仅有温度变化，无相的改变

-例如空调，制程冷却水潜热加热或冷却:物质仅有相变化，无温度的改变

-例如锅炉、冷凝器等

热力相变化性质理想气体方程式热力学各种性质是由物质的状态决定表示各状态下之方程式

-PV=RT，P:压力、V:体积、T:温度、R:气体常数

-可以为比性质或变率如分别代表比容(m3/Kg)与体积流率对温度压力的关系理想气体方程式各种状态间变化的过程计有等压、等温、绝热以及等容过程；若不为上述几种情况则称为多变(Polytropic)过程考虑气体以多变过程变化(PVn=常数)，则

n=1(等温)，n=K=CP/CV(绝热)(Kair=1.4)在厂务公用系统工程规划中，设备假定隔热设施完善，故大多假设为绝热过程多变过程功之输入绝热过程功之输入理想气体方程式理想气体方程式绝热状态时若W12为负值，代表系统总能的变化转换为压缩功，反之为动力输出前者代表性设备为压缩机或真空泵，后者为涡轮机或引擎等原动机真实状态的设备本身不可能达到完全绝热，故有部份压缩功以热传形式输出。故所计算出之数值为需为最小压缩功。由能量守恒，真实压缩功输入=绝热压缩功+设备热传量(e.g.:由滑油凉油器或空气冷却器所输出热)质量守恒此方程式即称为连续系方程式。若系统内质量变化为零，则此流场称为稳态(SteadyState)，则假定流体从控制容积流入及流出的质量流率为m1及m2，系统内质量随时间自mt变化为mt+Δt，由质量守恒：对时间微分得到质量守恒若进一步考虑流体为不可压缩由于则此为一般稳定流动不可压缩流体之连续方程式通式由第二定律考虑绝热可逆状态故可改写为从而第一定律可改写为系统能量的变化为由焓的定义取其变化量为将焓的变化量代入第一定律得到积分后得到以上称为Bernoulli方程式Bernoulli方程式Bernoulli方程式Bernoulli方程式之应力表示与位势表示分别为在计算压降时若以压力(如空气系统用Pascal)表记可用上者，若以液头(Head，以m为单位)表记可用下者DarcyWeisbach方程式若考虑机械磨擦则微分Bernoulli方程式的位势形式损失则而机械磨擦损失可以DarcyWeisbach方程式表示故在同一管径下考虑机械磨擦损失的Bernoulli方程式以位势形式表记如下若对管内任何配件造成的机械能量损失，则有DarcyWeisbach方程式各种阻力因子可查表获得，部份可直接计算得到(例如突张或突缩管)磨擦因子(f)层流状态时有解析解(ExactSolution)但以外则必须藉由Moody图求得磨擦因子有许多经验或半经验公式方便计算，但必需注意适用的条件(如雷诺数)磨擦因子计算方式过度阶段流场磨擦因子f=Φ(绝对粗糙度ε、管径D、相对粗糙度ε/D、雷诺数Re)完全紊流流场磨擦因子f=Φ(绝对粗糙度ε、管径D、相对粗糙度ε/D)层流流场磨擦因子f=64/Re热传导一维热传导 Fourier’sLaw:若以牛顿冷却定律的型式表示，则为称为热传系数称为热阻热传导利用前述观念可计算组合热阻热传导如图圆柱坐标之热传导方程式为其解为故热通量为热传导相同的利用前述观念也可计算圆柱组合热阻热传导计算应用空调热负载保温保冷材料厚度选用(查表或叠代计算)厂房断热能力判断热对流牛顿冷却定律对流系数与流体性质、流体速度、几何形状有很大的关连一般概估空气自然对流热传系数=5~25W/m2K空气强制对流热传系数=10~200W/m2K水自然对流热传系数=20~100W/m2K水强制对流热传系数=50~10,000W/m2K

在概估热传量时大多以平均之hc估算，但有一定之误差热对流层流存在解析解局部NusseltNo.=平均NusseltNo.=紊流之NusseltNo.一般多以半经验或实验方式求得层流时当壁面為等熱通量時Nu=4.3