水對空氣熱交換器

主要功能與特色

熱力學中廣泛應用「水對氣」熱交換技術，例如 HVAC 系統中的空氣加熱/冷卻，或內燃機散熱器（水箱）利用氣流為熱水降溫。本教學設備模擬了這些實際應用，讓學生深入研究跨流式 (Cross-flow) 熱交換的原理。

構造與設計特點

• 熱水供應系統：包含一個配備 PID 控制電加熱器的水箱，確保水溫穩定。系統整合了自動補水電磁閥、水箱水位指示器，並具備過溫、低水位與防溢流保護。

• 精確流量管理：使用精密針閥與流量計來控制並測量水流量。

• 空氣流道設計：

  • 垂直風管：內含孔口板與壓差感應器，用於測量風量。

  • 水平風管：熱交換器安裝於此。氣流由定速離心風扇帶動，並透過出口處的手動滑閥來調節空氣流速。

熱交換器種類與特性

本設備的特色在於熱交換器具有透明外殼，方便學生觀察內部結構。更換熱交換器時無需工具，透過快拆夾具、定位銷與自封式快速接頭即可完成。

• 標準型（內建）：包含 32 根管線，分為兩排，每排 16 根，並在中間點設有熱電偶測點。

• 選購型 A (TD1007a)：單排 16 根管線。其熱交換面積僅為標準型的一半，用於對比面積對效能的影響。

• 選購型 B (TD1007b)：單排 16 根管線，但加裝了鰭片。雖然管數較少，但熱交換面積增加至與 32 根管線的標準型相等，用於研究擴展表面對換熱效率的提升。

量測與數據擷取

• 溫度感測：進水口、出水口及風管內均設有熱電偶，測量冷熱流體的進出溫度。

• 數位顯示：面板可同時顯示多路溫度、水流量及孔口板壓差，用以計算空氣流量。

• 多功能數據採集系統 VDAS®：設備預留了 VDAS® 介面空間，可搭配選購的數據擷取系統，即時記錄數據、自動計算熱平衡並繪製性能曲線。

學習成果

• 跨固體壁面的流體熱傳遞：理解熱能如何從熱水透過管壁（固體介面）傳導至流經外部的冷空氣中。

• 能量平衡與效率計算：測量熱水失去的熱量與空氣吸收的熱量，計算系統的能量損失並評估熱交換效率。

• 熱傳係數與對數平均溫差 (LMTD)： 學習計算總熱傳係數 ($U$)。並透過進出口溫差，計算對數平均溫差 (Log Mean Temperature Difference)，這是衡量熱交換驅動力最精確的方法。

• 水溫作為「驅動力」的影響：研究不同的初始熱水溫度如何改變熱傳速率，觀察溫差對能量轉移強度的影響。

• 實測中點溫度與平均溫差對比：將標準型熱交換器實測到的「中點水溫」，與根據進出口溫度推導出的理論平均溫度進行比對，藉此驗證熱傳路徑上的非線性溫度分佈。

• 上游與下游管排的溫差對比：分析空氣先接觸到的管排（上游）與後接觸到的管排（下游）在熱交換效能上的差異。

• 不同結構與面積的效能比對（需加購 TD1007a/b）： 對比不同結構（單排 vs 雙排）與表面特性（光管 vs 鰭片管）對總體熱傳表現的影響，理解如何透過增加擴展表面（鰭片）來優化換熱器設計。

介紹影片