國營聯招申論題
108年
[化工製程] 單元操作、輸送現象
第 二 題
📖 題組：
三、設計一座雙套管熱交換器(double tube heat exchanger)，將水的溫度由 360 K降至 340 K，水進入熱交換器的速率為 20 kg/s，進入熱交換器的冷媒的溫度為 295 K，速率為 25 kg/s。假設總包熱傳係數(overall heat transfer coefficient)固定為 2.0 kW/(m^2 ∙ K)，水與冷媒的平均比熱(average specific heat)均固定為 1.0 BTU/(lbm ∙ R)；1 BTU = 1.055 kW ∙ s；1 lbm = 0.454 kg。請回答下列問題：（15 分）
(一)計算下列 2 種排列方式所需之熱傳面積及冷媒出口溫度。(計算至小數點後第 3 位，以下四捨五入)（12 分）
(1)同向流式(cocurrent flow)熱交換器（6 分）
(2)反向流式(countercurrent flow)熱交換器（6 分）
(二)承上，依據計算結果，在實際設計與操作時，哪一種排列方式較佳？請說明理由。（3 分）
三、設計一座雙套管熱交換器(double tube heat exchanger)，將水的溫度由 360 K降至 340 K，水進入熱交換器的速率為 20 kg/s，進入熱交換器的冷媒的溫度為 295 K，速率為 25 kg/s。假設總包熱傳係數(overall heat transfer coefficient)固定為 2.0 kW/(m^2 ∙ K)，水與冷媒的平均比熱(average specific heat)均固定為 1.0 BTU/(lbm ∙ R)；1 BTU = 1.055 kW ∙ s；1 lbm = 0.454 kg。請回答下列問題：（15 分）
(一)計算下列 2 種排列方式所需之熱傳面積及冷媒出口溫度。(計算至小數點後第 3 位，以下四捨五入)（12 分）
(1)同向流式(cocurrent flow)熱交換器（6 分）
(2)反向流式(countercurrent flow)熱交換器（6 分）
(二)承上，依據計算結果，在實際設計與操作時，哪一種排列方式較佳？請說明理由。（3 分）
📝 此題為申論題，共 2 小題
小題 (二)
承上，依據計算結果，在實際設計與操作時，哪一種排列方式較佳？請說明理由。（3 分）
思路引導 VIP
比較兩者的面積需求與熱力學上的優勢。
小題 (一)
計算下列 2 種排列方式所需之熱傳面積及冷媒出口溫度。(計算至小數點後第 3 位，以下四捨五入)（12 分）
(1)同向流式(cocurrent flow)熱交換器（6 分）
(2)反向流式(countercurrent flow)熱交換器（6 分）
(1)同向流式(cocurrent flow)熱交換器（6 分）
(2)反向流式(countercurrent flow)熱交換器（6 分）
思路引導 VIP
先換算比熱單位，利用熱量平衡求出冷媒出口溫度與熱傳量，再分別以 LMTD 法求出兩種流動方式所需的熱傳面積。
熱交換器排列比較
💡 反向流因具較大對數平均溫差(LMTD)，具較高效率與經濟性。
| 比較維度 | 同向流 (Cocurrent) | VS | 反向流 (Countercurrent) |
|---|---|---|---|
| 平均溫差 (LMTD) | 較小 | — | 較大 |
| 所需熱傳面積 | 較大（設備較貴） | — | 較小（省空間成本） |
| 出口溫度極限 | 冷流必低於熱流 | — | 冷流可高於熱流 |
| 熱回收效率 | 較低 | — | 較高 |
💬反向流在熱力學性能與經濟成本上全面優於同向流，為工業設計首選。
