[[alternative]]Investigation of micro staggered counter-flow heat exchanger

博士[[abstract]]逆向流熱交換器因為其幾何排列的原因，使得其中一邊工作流體的出口溫度會接近另一邊工作流體的入口溫度，因此其擁有最高的熱交換效率。但在熱交換器微型化後，卻很難使冷熱端的工作流體做交錯排列，其原因為當流道尺寸縮小後，不易分別指定冷端流體和熱端流體的位置，因此大部分的研究在將逆向流熱交換器微型化後，都是將冷熱端的流體分別做並排的方式排列。本文嘗試以微流道和脈衝形結構為基礎，並且以兩種平板堆疊來同時達到冷熱流體交錯排列與流動逆向的目的。首先以傳統的微型交錯流熱交換器為基礎，建立解析模型來分析有效度、壓力降及熱傳量間的交互影響，用以了解微型熱交換器的熱傳特性，接下來實際製作銅質微型交錯式逆向流熱交換器，以去離子水作為工作流體，進行性能的量測，最後再以Fluent數值模擬建立不同的熱交換器模型，用來分析比較尺寸及材質對性能的影響，以彌補實驗量測的不足，本研究結果可提供微型熱交換器之設計分析參考。[[abstract]]Due to the geometry arrangement of the counter-flow heat exchanger, the outlet temperature of the working fluid at one side is close to the inlet temperature of the other side. The counter-flow heat exchanger is thus to have the highest heat exchange efficiency. After the miniaturization of the size of the heat exchanger, the working fluids of hot and cold end are difficult to make staggered arrangement. The reason is that when the size of flow channel shrinks, it is difficult to confirm the location of hot-end fluids and cold-end fluids. After miniaturization of the counter-flow heat exchanger, most researches thus design the hot and cold end fluids to be of side-by-side arrangement. This research attempts to use micro channels and pulse waveforms structure as the base, and also to use piling of two different plates to reach the staggered and counter-flow arrangement of hot and cold fluids as the purpose. First, base on the traditional micro cross-flow heat exchanger, we built the analytic model to analyze the interactive effect between effectiveness, pressure drop and heat transfer rate, and to find out the heat transfer characteristics of the micro heat exchanger. And then, we fabricated a copper based micro staggered counter-flow heat exchanger. DI water was used as the working fluid in the experiment. Finally, the characteristics of the heat transfer and pressure drop of different heat exchanger materials, aspect ratio and channel length were analyzed and compared by Fluent numerical software to make up for the insufficiency of the experimental measurement. The work provides a reference for design and analysis of micro heat exchanger.[[tableofcontents]]目 錄 中文摘要………………………………………………………………...……….I 英文摘要…………………………………………………...……………..…….II 目錄………………………………………………………………………...…..IV 圖目錄…………………………………………………………………….……VI 表目錄………………………………………………………………..........…XVI 符號說明…………………………………………………………………….XVII 第一章 序論……………………………………………………………………..1 1.1 研究背景…………………………………………..…………………….1 1.2 文獻回顧………………………………………………………..……….4 1.3 研究動機與目的……………………………………………………….23 1.4 研究方法與步驟……………………………………………………….24 第二章 微型交錯流熱交換器的分析....………………………………………26 2.1 理論模型的建立……………………………………………..………...26 2.2 改變尺寸在相同有效度的分析…………………………………….....36 2.3改變尺寸在不同有效度的分析………………………………..……...39 2.4 不同熱交換器材質的分析………………………………………….....43 第三章 微型交錯式逆向流熱交換器的製程及實驗…………………………45 3.1 結構設計…………………………………………………………..…...45 3.2 製作方法…………………………………………………………..…...50 3.2.1 線切割加工………………………………………………..……50 3.2.2 雷射焊接……………………………………………………..…53 3.2.3 擴散接合…………………………………………………….….58 3.3 實驗測試…………………………………………………………….....67 3.4 實驗不確定性分析………………………………………………...…..69 3.5 實驗結果………………………………………………...……..………77 第四章 微型交錯式逆向流熱交換器的模擬分析……………………………84 4.1 建立模型…………………………………………………………….…84 4.2 模擬與實驗結果比較……………………………………………….....93 4.3 改變尺寸對交錯式逆向流熱交換器的性能影響…………………...101 4.4 改變材質對交錯式逆向流熱交換器的性能影響…………..….……156 第五章 結論………………………………………………………………..…159 參考文獻……………………………………………………………………...161 附錄…………………………………………………………………………...169 圖 目 錄 圖1-1 微型交錯流熱交換器剖面………………………………………….…...5 圖1-2 組裝完成的矩型聚合物熱交換器…………………………………...….5 圖1-3 組裝完成的蜂巢型聚合物熱交換器……………………………...…….6 圖1-4 反應端及冷卻端的微結構熱交換器平板………………………...…….7 圖1-5 另一形式反應端及冷卻端的微結構熱交換器平板……………………7 圖1-6 不銹鋼微型交錯流熱交換器………………………………...………….8 圖1-7 利用化學濕蝕刻的並排及交錯排列柱狀陣列…………………………8 圖1-8 陶瓷逆向流微型熱交換器……………………..………………………10 圖1-9 鋁質小型交錯流熱交換器及其導流結構…………………….……….10 圖1-10 （a）U型直線流道（b）斷續式鰭片（c）山型紋微熱交換器…..11 圖1-11 長型、鋸齒型錯位及山型紋流道尺寸的截面圖（單位為mm）….12 圖1-12 用於電子封裝散熱的三維微流道模型…………………………...….12 圖1-13 微流道散熱鰭片的幾何結構及其尺寸定義……………………...….14 圖1-14 矩型微流道散熱片結構及其單元………………………………...….15 圖1-15 薄傳導壁的微流道…………………………………………………....16 圖1-16 微型熱交換器截面示意圖……………………………………………17 圖1-17 微流道散熱片及其計算域……………………………………………18 圖1-18 交錯排列的分流結構微流道散熱片及其計算域……………………18 圖1-19 微結構熱反應器及冷卻區進出口腔室結構示意圖…………………19 圖1-20 微型冷熱交錯排列逆向流熱交換器的計算域示意圖………………20 圖1-21 微流道散熱片測試平台………………………………………………21 圖1-22 矩型微流道散熱片及其單元示意圖…………………………………22 圖1-23 矩型微流道散熱片測試模組…………………………………………22 圖1-24 逆向流動下的溫度變化示意圖………………………………………23 圖2-1 交錯流微型熱交換器…………………………………………………..26 圖2-2 封裝後的交錯流微型熱交換器………………………………………..32 圖2-3 交錯流熱交換器實驗測試示意圖……………………………………..33 圖2-4 壓力降及有效度的實驗值和理論值的比較……………………….….35 圖2-5 熱傳量及有效度的實驗值和理論值的比較…………………………..35 圖2-6 在不同的平均溫度及有效度為0.333下時的壓力降和熱傳量的關係……………..………………………………………….……38 圖2-7 在不同的平均溫度及有效度為0.333下時的壓力降和熱傳量的關係，X、Y、Z、a、b、c、d放大兩倍……………..........38 圖2-8 在不同的平均溫度及有效度為0.333下時的壓力降和熱傳量的關係，X、Y、Z放大兩倍且a、b、c、d維持相同大小…39 圖2-9 在不同的有效度下時的壓力降和熱傳量的關係…….41 圖2-10 在不同的有效度下時的壓力降和熱傳量的關係，X、Y、Z、a、b、c、d放大兩倍……………………………………………..42 圖2-11 在不同的有效度下時的壓力降和熱傳量的關係，X、Y、Z放大兩倍且a、b、c、d維持相同大小………………………….42 圖2-12 在不同的平均溫度及有效度為0.333下時的矽質和銅質熱交換器的熱傳量…………………………………………………………… ………...44 圖2-13 在不同的有效度下時的矽質和銅質熱交換器的熱傳量……………44 圖3-1 微型交錯式逆向流熱交換器的流向排列情形………………………..46 圖3-2 交錯式逆向流熱交換器結構內部的詳細情形………………………..47 圖3-3 平板a尺寸圖…………………………………………………………..48 圖3-4 平板b尺寸圖…………………………………………………………..49 圖3-5 當高功率雷射光束打在吸收表面時，發生的物理步驟……………..54 圖3-6 金屬反射率隨波長變化的情形………………………………………..56 圖3-7 銅片雷射焊接的結果…………………………………………………..58 圖3-8 鍍銀完成後的銅片正面及背面……………………………………..…61 圖3-9 石墨治具上蓋…………………………………………………………..62 圖3-10 石墨治具外框………………………………..………………………..63 圖3-11 石墨治具底座…………………………………………………………64 圖3-12 微型交錯式逆向流熱交換器擴散接合完成圖………………………65 圖3-13 交錯式逆向流熱交換器實驗測試示意圖……………………………68 圖3-14 測試裝置分解圖……………………………………………………....69 圖3-15 熱傳量對質量流率的關係圖（冷端流體進口溫度20℃）………...79 圖3-16 熱傳量對質量流率的關係圖（冷端流體進口溫度30℃）………...79 圖3-17 壓力降對質量流率的關係圖（進口溫度範圍10℃～40℃）……...80 圖3-18 壓力降對質量流率的關係圖（進口溫度範圍50℃～80℃）……...80 圖3-19 有效度對質量流率的關係圖（冷端流體進口溫度20℃）………...81 圖3-20 有效度對質量流率的關係圖（冷端流體進口溫度30℃）………...81 圖3-21 雷諾數對質量流率的關係圖（進口溫度範圍10℃～40℃）……...82 圖3-22 雷諾數對質量流率的關係圖（進口溫度範圍50℃～80℃）……...83 圖4-1 Case 1的模型……………………………………………………..……85 圖4-2 Case 2的模型…………………………………………………………..85 圖4-3 Case 3的模型…………………………………………………………..86 圖4-4 在X方向的網格分割圖（Case 1）………………...………..……….87 圖4-5 在Z方向的網格分割圖（Case 1）…………………...……..………..87 圖4-6 在X方向的網格分割圖（Case 3）……………………………….….88 圖4-7 分離求解法流程圖……………………………………………………..92 圖4-8 Fluent建模區域及未計算區域（熱交換器核心）…………………...94 圖4-9 Fluent建模區域及未計算區域（熱交換器電木外框）……………...95 圖4-10 模擬和實驗的熱端出口溫度比較圖………………..………………..97 圖4-11 模擬和實驗的冷端出口溫度比較圖…………………..……………..97 圖4-12 模擬和實驗的熱端壓力降比較圖……………………..……………..98 圖4-13 模擬和實驗的冷端壓力降比較圖……………………………………98 圖4-14 模擬和實驗的熱傳量比較圖…………………………………………99 圖4-15 模擬和實驗的對數平均溫差比較圖…………………………………99 圖4-16 模擬和實驗的總熱傳係數比較圖……………..……………………100 圖4-17 模擬和實驗的有效度對NTU比較圖……………..………………..100 圖4-18 Case 1在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…....102 圖4-19 Case 1在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…....103 圖4-20 Case 1在Y方向0.01m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）……..…103 圖4-21 Case 1在Y方向0.0085m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…..…104 圖4-22 Case 1在Y方向0.007m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…...….104 圖4-23 Case 1等方向視角溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…………….….105 圖4-24 Case 1在Z方向0.01455m處速度分佈圖（流量0.02kg/s）...….105 圖4-25 Case 1在Z方向0.01515m處速度分佈圖（流量0.02kg/s）…....106 圖4-26 Case 1在Z方向0.01455m處速度向量圖（流量0.02kg/s）…....106 圖4-27 Case 1在Z方向0.01515m處速度向量圖（流量0.02kg/s）…....107 圖4-28 Case 1等方向視角速度向量圖（流量0.02kg/s）…………….….107 圖4-29 Case 1在Z方向0.01455m處壓力分佈圖（流量0.02kg/s）…....108 圖4-30 Case 1在Z方向0.01515m處壓力分佈圖（流量0.02kg/s）...….108 圖4-31 Case 1在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…....109 圖4-32 Case 1在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）……109 圖4-33 Case 1在Y方向0.01m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…….….110 圖4-34 Case 1在Y方向0.0085m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）….….110 圖4-35 Case 1在Y方向0.007m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…..…..111 圖4-36 Case 1等方向視角溫度分佈圖（流量0.16kg/s）………….…….111 圖4-37 Case 1在Z方向0.01455m處速度分佈圖（流量0.16kg/s）....…112 圖4-38 Case 1在Z方向0.01515m處速度分佈圖（流量0.16kg/s）…....112 圖4-39 Case 1在Z方向0.01455m處速度向量圖（流量0.16kg/s）…....113 圖4-40 Case 1在Z方向0.01515m處速度向量圖（流量0.16kg/s）…....113 圖4-41 Case 1等方向視角速度向量圖（流量0.16kg/s）…………….….114 圖4-42 Case 1在Z方向0.01455m處壓力分佈圖（流量0.16kg/s）…....114 圖4-43 Case 1在Z方向0.01515m處壓力分佈圖（流量0.16kg/s）…....115 圖4-44 Case 2在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）……116 圖4-45 Case 2在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…....117 圖4-46 Case 2在Y方向0.01m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…….….117 圖4-47 Case 2在Y方向0.0085m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）….….118 圖4-48 Case 2在Y方向0.007m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…...….118 圖4-49 Case 2等方向視角溫度分佈圖（流量0.02kg/s）………………..119 圖4-50 Case 2在Z方向0.01455m處速度分佈圖（流量0.02kg/s）……119 圖4-51 Case 2在Z方向0.01515m處速度分佈圖（流量0.02kg/s）……120 圖4-52 Case 2等方向視角速度向量圖（流量0.02kg/s）…………....…..120 圖4-53 Case 2在Z方向0.01455m處壓力分佈圖（流量0.02kg/s）…....121 圖4-54 Case 2在Z方向0.01515m處壓力分佈圖（流量0.02kg/s）…....121 圖4-55 Case 2在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…....122 圖4-56 Case 2在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…....122 圖4-57 Case 2在Y方向0.01m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…….….123 圖4-58 Case 2在Y方向0.0085m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）….….123 圖4-59 Case 2在Y方向0.007m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）……....124 圖4-60 Case 2等方向視角溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…………….….124 圖4-61 Case 2在Z方向0.01455m處速度分佈圖（流量0.16kg/s）…....125 圖4-62 Case 2在Z方向0.01515m處速度分佈圖（流量0.16kg/s）.…...125 圖4-63 Case 2等方向視角速度向量圖（流量0.16kg/s）………….…….126 圖4-64 Case 2在Z方向0.01455m處壓力分佈圖（流量0.16kg/s）……126 圖4-65 Case 2在Z方向0.01515m處壓力分佈圖（流量0.16kg/s）……127 圖4-66 Case 3在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）……127 圖4-67 Case 3在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）……128 圖4-68 Case 3在Y方向0.01525m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）……128 圖4-69 Case 3在Y方向0.013m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）……....129 圖4-70 Case 3在Y方向0.01075m處溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…....129 圖4-71 Case 3等方向視角溫度分佈圖（流量0.02kg/s）…………….….130 圖4-72 Case 3在Z方向0.01455m處速度分佈圖（流量0.02kg/s）...….130 圖4-73 Case 3在Z方向0.01515m處速度分佈圖（流量0.02kg/s）…....131 圖4-74 Case 3等方向視角速度向量圖（流量0.02kg/s）……………......131 圖4-75 Case 3在Z方向0.01455m處壓力分佈圖（流量0.02kg/s）…....132 圖4-76 Case 3在Z方向0.01515m處壓力分佈圖（流量0.02kg/s）…....132 圖4-77 Case 3在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…....133 圖4-78 Case 3在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）……133 圖4-79 Case 3在Y方向0.01525m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）……134 圖4-80 Case 3在Y方向0.013m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…...….134 圖4-81 Case 3在Y方向0.01075m處溫度分佈圖（流量0.16kg/s）……135 圖4-82 Case 3等方向視角溫度分佈圖（流量0.16kg/s）…………….….135 圖4-83 Case 3在Z方向0.01455m處速度分佈圖（流量0.16kg/s）……136 圖4-84 Case 3在Z方向0.01515m處速度分佈圖（流量0.16kg/s）…....136 圖4-85 Case 3等方向視角速度向量圖（流量0.16kg/s）…………….….137 圖4-86 Case 3在Z方向0.01455m處壓力分佈圖（流量0.16kg/s）…....137 圖4-87 Case 3在Z方向0.01515m處壓力分佈圖（流量0.16kg/s）……138 圖4-88 不同尺寸熱端出口溫度比較………………..………………………142 圖4-89 不同尺寸冷端出口溫度比較………………………………………..143 圖4-90 不同尺寸熱端壓力降比較…………………………………………..143 圖4-91 不同尺寸冷端壓力降比較…………………………………………..144 圖4-92 不同尺寸熱傳量比較………………………………………………..144 圖4-93 不同尺寸有效度比較………………………………………………..145 圖4-94 不同尺寸對數平均溫差比較………………………………………..145 圖4-95 不同尺寸總熱傳係數比較………………………………………......146 圖4-96 不同尺寸有效度對NTU比較…………………………………...….146 圖4-97 Case 1在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）..147 圖4-98 Case 1在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）..147 圖4-99 Case 1在Y方向0.01m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）……148 圖4-100 Case 1在Y方向0.0085m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）..148 圖4-101 Case 1在Y方向0.007m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）....149 圖4-102 Case 1等方向視角溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）………..…149 圖4-103 Case 2在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s ）…………………………………………………………. ………....150 圖4-104 Case 2在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s ）……………………………………………………………. ……....150 圖4-105 Case 2在Y方向0.01m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）…..151 圖4-106 Case 2在Y方向0.0085m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）..151 圖4-107 Case 2在Y方向0.007m處溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）…152 圖4-108 Case 2等方向視角溫度分佈圖（流量0.00125kg/s）………......152 圖4-109 Case 3在Z方向0.01455m處溫度分佈圖（流量0.0025kg/s）..153 圖4-110 Case 3在Z方向0.01515m處溫度分佈圖（流量0.0025kg/s）..153 圖4-111 Case 3在Y方向0.01525m處溫度分佈圖（流量0.0025kg/s）..154 圖4-112 Case 3在Y方向0.013m處溫度分佈圖（流量0.0025kg/s）…..154 圖4-113 Case 3在Y方向0.01075m處溫度分佈圖（流量0.0025kg/s）..155 圖4-114 Case 3等方向視角溫度分佈圖（流量0.0025kg/s）…………....155 圖4-115 熱交換器材質為銅及不鏽鋼的熱傳量比較………………………157 圖4-116 熱交換器材質為銅及不鏽鋼的有效度比較………………………158 表 目 錄 表2-1 相同有效度下的溫度參數及質量流率…………………….………….36 表2-2 不同有效度下的溫度參數及質量流率……………………….……….39 表3-1 釹石榴石雷射的輸出特性……………………………………………..57 表3-2 實驗設備已知和計算得到的不確定數值表…………………………..70 表4-1 三種模型的尺寸參數及網格數……………………………..…………84 表4-2 後處理建立平面位置…………………………………………………..91 表4-3 不同的溫度下所對應的質量流率………………………….………….93 表4-4 流量0.16kg/s的熱傳量差距及流量0.02kg/s的有效度差距…...…156[[note]]學號: 891340043, 學年度: 9