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moea_joint_essay 114年 [化工製程] 單元操作、輸送現象

第 一 題

📖 題組:
溫度 330 K 之空氣以 10 m/s 流入內直徑(inner diameter) 25 mm 之管線,管線內壁溫度維持在 415 K 恆溫,流入之空氣被加熱後溫度呈線性上升。已知空氣於管內流動造成之壓力降(pressure drop)為每公尺 80 N/m² (牛頓/平方公尺),空氣密度為 1.1 kg/m³。請回答下列問題:(2 題,共 15 分) 註:依雷諾類比法,熱傳之斯坦頓數(Stanton number)StH = fF / 2 壁表摩擦係數(skin friction factor)fF = (ΔP / 4) × (D / L) × (2 / ρυ²) (ΔP 為壓力降,D 為管線直徑,L為管長,ρ 為流體密度,υ 為流體平均流速)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

請列舉 3 個雷諾類比法(Reynolds analogy)之主要假設及其適用條件。(6 分)

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回顧雷諾類比將動量傳遞與熱量傳遞進行關聯時的理想狀態,如形狀阻力、普蘭特數以及流態的限制條件。

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雷諾類比法(Reynolds analogy)之主要假設包含:

  1. 普蘭特數(Prandtl number, Pr)等於 1(即動量擴散係數等於熱擴散係數,$\nu = \alpha$)。
  2. 流體流經管壁時無形狀阻力(form drag),動量損失僅由管壁表面的摩擦(skin friction)造成。

小題 (二)

請使用雷諾類比法計算空氣進入管線 0.6 m 時溫度為多少 K (計算至小數後第 1 位,以下四捨五入)?(9 分)

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先根據摩擦係數公式求得 fF,再透過雷諾類比求得史丹頓數 (StH)。題幹提到「溫度呈線性上升」,故建立熱量平衡時可使用算術平均溫差進行求解。

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  1. 依題意,每公尺壓力降 $\frac{\Delta P}{L} = 80\text{ N/m}^3$,$D = 0.025\text{ m}$,$\rho = 1.1\text{ kg/m}^3$,$u = 10\text{ m/s}$。
  2. 計算壁表摩擦係數 $f_F$: $f_F = \frac{\Delta P}{4L} D \frac{2}{\rho u^2} = \frac{80}{4} \times 0.025 \times \frac{2}{1.1 \times 10^2} = 20 \times 0.025 \times \frac{2}{110} = 0.5 \times 0.01818 \approx 0.00909$

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