05 高效率之內部噴擊型殼管式蒸發器

單位：南台科技大學能源工程研究所

隊長：徐修琦

隊員：葉文宇、楊硯凱、蔡宗育、蘇郁凱

團隊介紹

本團隊由張烔堡教授帶領，致力於研發高效率熱傳技術、蒸發器及冷凝器設計的研究，目前正進行利用奈米流體提高蒸發器熱傳性能的研究。張教授具有專業的冷凍空調省能實務經驗，目前獲邀兼任國立成功大學產業永續發展中心「製造業節能減碳服務團」輔導顧問，協助製造業在冰水主機、空壓機及鍋爐方面進行節能。在張教授的帶領下，本研究團隊致力於研究提升冰水主機中殼管式蒸發器熱傳性能，以創新的內部噴擊法發展出較現行池沸騰法更佳的殼管式蒸發器，可大幅節省空調冰水主機之大小與耗能，對冷凍空調領域的節能減碳提供新的方向。

創作動機

目前工商業使用的大型空調系統大多使用冰水主機系統，且可供製程使用。冰水主機的蒸發器大多使用滿液型殼管式，亦即冰水在管內由約12℃放熱降溫至約7℃送出作空調或製程使用。因水管完全浸在冷媒中，故其熱傳機制為池沸騰熱傳。

冰水主機系統

冰水主機系統循環示意圖

噴擊式冷卻法乃將冷媒直接噴灑於熱表面上，已被證實為一種非常有效的冷卻方法，其熱傳效果遠高於滿液式蒸發器的池沸騰法，但卻未被利用於殼管式蒸發器上。本作品「管群內部噴擊型殼管式蒸發器」，所有加熱管均可受到冷媒噴灑冷卻，大幅提高殼管式蒸發器的熱傳係數與最大熱傳率，並可使冰水主機更輕、更小、更省能，所需冷媒量亦可大幅減少。

殼管型蒸發器

噴擊式蒸發器

滿液式蒸發器

創作過程

為了解為何噴擊式冷卻法未被利用於殼管式蒸發器上，本團隊特別設計一套多用途蒸發器的測試系統，可進行滿液式蒸發器與噴霧式蒸發器的熱傳性能研究，並可針對殼管式蒸發器的冷媒質量流率、冷媒冷卻溫度、內部管群排列位置等參數進行最佳化的探討，此蒸發器即為本作品。

經實驗研究後發現，傳統噴嘴位於管群上方，噴擊而出的液體冷媒會被管子擋到很難噴擊到所有熱表面，使得管群下方部份熱表面發生局部乾枯現象，此時熱傳

效果變得很差。因此本團隊研發出將噴嘴安裝於管群內部的噴擊方法，讓所有加熱管均獲足夠冷媒噴灑，經實驗結果後發現本內部噴擊型殼管式蒸發器的熱傳係數，較傳統滿液型殼管式蒸發器高出了80％（三角形排列管群）及150％（四方型排列管群）以上。

(管群下方部份熱表面發生局部乾枯現象)

(噴擊型蒸發器冷媒分佈均勻)

作品介紹

本作品為一套多用途蒸發器的測試系統，系統圖如下。

(本作品之多用途蒸發器)

(加熱端)

(噴嘴端)