近年來全球暖化對氣候的影響日漸增加，溫室氣體排放的議題也益加重要。現今常用的HFC冷媒雖已無臭氧層破壞的隱憂，但它們相對較高的暖化係數及長半衰期仍有可能對氣候造成衝擊。二氧化碳由於暖化係數、毒性、爆炸性低，近年來漸漸成為冷凍研究領域上的主流之一。
本文旨在研究二氧化碳冷媒於U型板式熱交換器分流的研究。首先將板式熱交換器內各流道切割為若干控制體積，藉由質量、能量、動量守恆的方式求出各控制體積內的值。其中壓損和熱傳的情況以經驗修正式描述，其餘參數皆以解析的方法表示，將所有參數列為代數方程組。由於二氧化碳在操作點上，各項熱力及輸送性質會有極大的變化，本研究分別以最優化法和商用軟體來分析超臨界二氧化碳在熱交換器各板片中的分流情形。
在絕熱的條件之下的模擬結果，發現各板片的流量分布趨勢大致上和一般等性質流體相同。而在熱傳條件的模擬，則顯示了因分、匯流管內流體密度的差異，將會對流量的分布造成影響，使其異於等性質流體的分布情形。

目 錄
摘 要 I
誌 謝 II
目 錄 III
圖目錄 IV
表目錄 V
符號意義 VI
第一章 前 言 1
1.1 二氧化碳冷媒製冷技術 1
1.2 板式熱交換器介紹 3
第二章 文獻回顧 5
2.1 超臨界二氧化碳熱傳特性 5
2.2 板式熱換器 9
第三章 研究方法 12
3.1 Bassiouny et al.理論 12
3.2 網點切割 13
3.3 各部份方程式 15
3.4 最優化方法(Optimization Methods) 20
3.5 商用軟體解法 24
第四章 結果與討論 26
4.1 不均勻度的定義 26
4.2 絕熱條件下次臨界與超臨界區分流情形 26
4.3 熱傳條件下穿臨界區之分流情形 40
第五章 結論 44
參考文獻 46







圖目錄
圖1 穿臨界二氧化碳蒸氣壓縮循環示意圖 2
圖2 板式熱交換器分流型式 (A) U型分流流道 (B) Z型分流流道 4
圖3 GNIELINSKI CORRELATION和實驗數據比較 6
圖4 超臨界下二氧化碳比熱變化 7
圖6 超臨界二氧化碳黏滯性變化 7
圖8 分流區質量、動量平衡示意圖 10
圖10 三種板式熱交換器主要壓力分布型式 11
圖11 通道連續性示意圖 12
圖12 渦流對分流管兩端位置造成的分流效應 13
圖13 板式熱交換器網點設定示意圖 14
圖14 各部份控制體積的質量平衡 17
圖15 各部份控制體積的動量平衡 17
圖16 各部份控制體積的能量平衡 18
圖17 最陡下降法迭代流程 21
圖18 最優化方法收斂路徑 22
圖19 共軛梯度法迭代流程圖 24
圖20 次臨界下遞減型流道在5板片時的分布圖 28
圖21 次臨界下遞減型流道在10板片時的分布圖 29
圖22 次臨界下遞減型流道在15板片時的分布圖 30
圖23 次臨界下遞增型流道在5板片時的分布圖 31
圖24 次臨界下遞增型流道在10板片時的分布圖 32
圖25 次臨界下遞增型流道在15板片時的分布圖 33
圖26 超臨界下遞減型流道在5板片時的分布圖 34
圖27 超臨界下遞減型流道在10板片時的分布圖 35
圖28 超臨界下遞減型流道在15板片時的分布圖 36
圖29 超臨界下遞增型流道在5板片時的分布圖 37
圖30 超臨界下遞增型流道在10板片時的分布圖 38
圖31 超臨界下遞增型流道在15板片時的分布圖 39
圖32 穿臨界熱傳條件下遞減型流道在5板片時的分布圖 41
圖33 穿臨界熱傳條件下遞減型流道在10板片時的分布圖 42
圖34 穿臨界熱傳條件下遞減型流道在15板片時的分布圖 43
圖35 板式熱交換器的電路類比示意圖 45




表目錄
表1 系統中未知數和方程式數量來源 19
表2 共軛因子計算方法列表 23
表3 次臨界下遞減型流道在5板片時的分布情形 28
表4 次臨界下遞減型流道在10板片時的分布情形 29
表5 次臨界下遞減型流道在15板片時的分布情形 30
表6 次臨界下遞增型流道在5板片時的分布情形 31
表7 次臨界下遞增型流道在10板片時的分布情形 32
表8 次臨界下遞增型流道在15板片時的分布情形 33
表9 超臨界下遞減型流道在5板片時的分布情形 34
表10 超臨界下遞減型流道在10板片時的分布情形 35
表11 超臨界下遞減型流道在15板片時的分布情形 36
表12 超臨界下遞增型流道在5板片時的分布情形 37
表13 超臨界下遞增型流道在10板片時的分布情形 38
表14 超臨界下遞增型流道在15板片時的分布情形 39
表16 穿臨界熱傳條件下遞減型流道在10板片時的分布情形 42
表17 穿臨界熱傳條件下遞減型流道在15板片時的分布情形 43

[1] Fundamental Process and System Design Issues in CO2 Vapor Compression Systems, M.H. Kim, J. Pettersen, C.W. Bullardj, 2004
[2] Flow Distribution and Pressure Drop in Plate Heat Exchangers-I U-type Arrangement, M.K. Bassiouny, H. Martin, 1984
[3] Heat Transfer in Automobile Radiators of Tubular Type, F.W. Dittus, L.M.K. Boelter, 1930
[4] New Equations for Heat and Mass Transfer in Turbulent Pipe and Channel Flow, V. Gnielinsky, 1976
[5] Measurement of Heat Transfer Coefficient from Supercritical Carbon Dioxide Flowing in Horizontal Mini/micro Channels, S.M. Liao, T.S. Zhao, 2002
[6] Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics during the In-tube Cooling Process of Carbon Dioxide in the Supercritical Region, S.H. Yoon, J.H. Kim, Y.W. Hwang, M.S. Kim, K. Min, Y. Kim, 2003
[7] An Experimental Study on Heat Transfer and Pressure Drop Characteristics of Carbon Dioxide during Gas Cooling Process in a Horizontal Tube, C.H. Son, S.J. Park, 2006
[8] Heat Transfer and Resistance of Carbon Dioxide being Cooled in the Supercritical Region, N.E. Petrov, V.N. Popov, 1985
[9] Analysis of Supercritical CO2 Cooling in Macro- and Micro- Channels, L. Chen, G. Ribatski, J.R. Thome, 2008
[10] Semi-Empirical Correlation of Gas Cooling Heat Transfer of Supercritical Carbon Dioxide in Microchannels, G. Kuang, 2008
[11] “熱交換器設計”, 王啟川, 2003
[12] Low Reynolds Number Flow in Large Aspect Ratio Rectangular Ducts, G.S. Beavers, E.M. Sparrow, J.R. Lloyd, 1971
[13] Experimental Study of Turbulent Flow Heat Transfer and Pressure Drop in a Plate Heat Exchanger with Chevron Plates, A. Muley, R.M. Manglik,1999
[14] Function Minimization by Conjugate Gradients, R. Fletcher and C. M. Reeves, 1964
[15] J. Engng Power Trans., Bajura R. A., 1971
[16] Numerical Simulation of Trans-critical Carbon Dioxide(R744) Flow Through Short Tube Orifices, O. Garcia-Valladares, 2006
[17] Effect of the Inlet Location on the Performance of Parallel-Channel Cold-Plate, Ming-Chang Lu and Chi-Chuan Wang, 2006
[18] “宏觀收斂迭代法速度比較”, 高銘伸, 碩士論文, 2001
[19] Numerical Heat Transfer and Fluid Flow, Suhas V. Patankar
[20] Global Convergence Properties of Conjugate Gradient Methods for Optimization, J.C. Gilbert and J. Nocedal, 1992
[21] Inverse Problems and Optimal Design in Electricity and Magnetism, P. Neittaanmaki, M. Rudnicki, A. Savini, Textbook, 1996
[22] A Survey of Nonlinear Conjugate Gradient Methods, W.W. Hager and Hongchao Zhang, 2005
[23] An Introduction to the Conjugate Gradient Method without the Agonizing Pain, J.R. Shewchuk, 1994
[24] Flow Distribution and Pressure Drop in Plate Heat Exchangers-II Z-type Arrangement, M.K. Bassiouny, H. Martin, 1984