前言

在早期的冷凍空調系統中，所使用的冷媒皆以天然冷媒為主，包括氨、丙烷及 二氧化碳等。而氨及丙烷具有可燃性及毒性，二氧化碳則受限於操作壓力過大以 及早期的工業水準等因素，故不被人們所廣泛應用。1950 年代起，隨著 CFC（合 成冷媒）的應用與發展，人們認為此類冷媒具有無毒、無味、安定性高、不可燃 等優點，故被廣泛應用在冷凍空調系統之中，使得天然冷媒逐漸淡出市場。而直 至 1980 年代起，臭氧層的破壞與溫式效應等議題逐一浮現，使得人們對於使用 CFC、HCFC 甚至是 HFC 這類合成冷媒產生質疑，而目前較常使用之冷媒如 R-134a，

雖無破壞臭氧層等問題，但其仍具有極高之溫室效應潛力。而其它研究中之各種 鹵烷冷媒等，亦具有相同之問題。為了解決合成冷媒對於環境的影響與衝擊，天 然冷媒重新被人們所重視及發展。其中，二氧化碳因為其取得容易，無毒、不可 燃、不助燃且無破壞臭氧層及溫室效應潛力低等優點，為一理想無汙染冷媒。

不過，二氧化碳冷媒還與傳統冷媒有相當大的差異，原因在於二氧化碳的臨 界溫度與臨界壓力分別為 31.1C 與 78.7 Bar，在熱交換器內部，二氧化碳將在臨 界點以上操作，而此時，二氧化碳無法像一般的冷凝器經由冷凝的方式散熱，而 是以近乎氣體之單相熱傳方式散熱，且由於二氧化碳在臨界點狀態附近，物性差 異非常大如下圖 1-1：

圖 1-1 超臨界下二氧化碳密度變化

由上圖可知，二氧化碳臨界狀態下密度變化非常劇烈，因此不能用傳統單相 氣對氣熱交換器的理論方程式，來計算二氧化碳在熱交換器內部的溫度、速度與 壓力等情形；本研究目的在於建立一個描述二氧化碳在臨界點附近之方程式，藉 由此方程式模擬二氧化碳在Ｕ型板式熱交換器中的流速、壓力與溫度分佈。

常見的製程用熱交換器依其結構約可分為套管式熱交換器、殼管式熱交換器 及板式熱交換器等三類。本文所探討的對象為板式熱交換器。

板式熱交換器的外觀構造如下圖所示：

圖 1-2 板式熱交換器實體圖

圖 1-3 板式熱交換器內部構造示意圖

圖 1-4 板式熱交換器內部構造示意圖

熱交換器主要由分、匯流管、板片以及墊片組成，藉由墊片和板片不同的組 合方式，冷熱流體將經由分流管分流至相鄰的板片通道流動，而達到熱交換的效 果如下圖 5 再藉匯流管將以加熱冷卻完成之流體導出。若以流動方向區分，則可 以分為順流和逆流兩種；而若以分、匯流管出入口位置的不同則可分成 U 型和 Z 型兩種，如下圖 1-5 所示。

圖 1-5 U-type 板式熱交換器與 Z-type 板式熱交換器。ref. [2]

板式熱交換器擁有以下優點[1]：

1.易清潔、檢查及保養。

2.可隨負載而增減熱傳面積→藉由板片數、板片大小、板片型式、流場安排等 因素之變化(針對組合式而言，硬焊式無此優點)。

3.低污垢阻抗→因內部流場通常是在高度紊流情況下，故其污垢阻抗只有殼管 式之 10~25%。

4.熱傳面積大→具高熱傳係數、低污垢阻抗、純逆向流動，故在同熱傳量下，

熱傳面積約為殼管式之 1/2~1/3。

5.低成本。

6.體積小→同熱傳量下，體積約為殼管式之 1/4~1/5。

7.重量輕→在相同熱傳量下，重量約為殼管式之 1/2。

8.流體滯留時間短且混合佳→可達到均勻之熱交換。

9.容積小→含液量少、快速反應、製程易控制。

10.熱力性能高→溫度回復率可達 1C，有效度可達 93%。

11.無殼管式中流體所引起之振動、噪音、熱應力及入口沖擊等問題。

12.適合液對液之熱交換、需要均勻加熱、快速加熱或冷卻之場合。