工程熱力學 第二版

1. 工程熱力學 第二版 第 1 章 簡介說明 Some Introductory Comments

2. 1.1 簡單蒸汽動力廠 • 1.2 燃料電池 • 1.3 壓縮蒸汽冷凍循環 • 1.4 熱電冷凍機 • 1.5 空氣分離廠 • 1.6 燃氣輪機 • 1.7 化學火箭引擎 • 1.8 其他應用與環境議題

3. 1.1簡單蒸汽動力廠 高壓過熱蒸汽離開鍋爐頂端的蒸汽鼓或稱為蒸汽產生器， 然後再進入渦輪機。蒸汽在渦輪機中膨脹，藉此作功，使渦 輪機得以驅動發電機。而處於低壓狀態的蒸汽，則離開渦輪 機並進入熱交換器，蒸汽在熱交換器中將熱量傳遞至冷卻水 （使蒸汽開始凝結）。 • 圖1.1 所示的動力廠中，該廠的設計目的在回收冷凝器冷卻水的餘熱供給附近區域加熱用。 P2

4. 圖1.1 蒸汽動力廠之簡圖。 P2

5. 圖1.2 是圖1.1 所顯示動力廠實際的照片，左方高大的建築物即為鍋爐室，旁邊是安置渦輪機與其他元件的建築物。這個特殊的動力廠位於丹麥，該廠安裝後在效率上創了世界紀錄，能將煤八億五千萬瓦特的燃燒能之45% 轉換為電能，另外的47% 可以供給附近區域加熱再利用。 • 圖1.3 是核能海洋推進動力廠的簡圖。第二種流體在反應器中循環流動，獲得在核子反應中產生的熱能，然後該熱量傳遞到蒸汽產生器的水中。 P2

6. 圖 1.2 丹麥 Esbjerg 市之動力廠（本照片由 Vestkraft 提供）。 P3

7. 圖 1.3 核能推動系統船舶之簡圖（本圖由Babcock & WilcoxCo. 提供）。 P4

8. 1.2燃料電池 燃料電池能達成以更直接的方式從燃料中產生電能的目 標。目前用於燃料電池中的燃料通常若不是氫、就是氣態碳 氫化合物與氫的混合物；氧化劑通常就是氧。燃料電池已經 在太空和其他特殊應用上使用來產生動力。 • 如圖 1.4 所示的傳統動力廠，燃料與空氣進入動力廠後，燃燒的生成物會開離動力廠。 • 圖 1.5 顯示具離子交換薄膜型態的燃料電池之概要配置方式。在此燃料電池中，氫與氧反應而形成水。氫氣在陽極端進入，而在離子交換薄膜的表面離子化。 P4

9. 圖 1.4 動力廠的簡圖。 P5

10. 圖 1.5 離子交換膜式燃料電池的簡圖。 P5

11. 1.3壓縮蒸汽冷凍循環 一個簡易的壓縮蒸汽冷凍循環如圖 1.6 所示，冷媒在低壓 時，以稍微過熱的蒸汽狀態進入壓縮機，接著它會離開壓縮 機，並繼續以蒸汽狀態在稍稍提高的壓力下進入冷凝器，冷 媒在冷凝器中，將熱傳遞到冷卻水或周圍時，即開始凝結。 接著，冷媒會以高壓的液體離開冷凝器；液體的壓力隨著它 流過膨脹閥而降低，結果部份液體會快速蒸發為冷蒸汽。這 時處於低壓與低溫之下剩餘的液體，會在蒸發器中得到自冷 凍空間傳出的熱量而蒸發，此蒸汽隨即再次進入壓縮機中。 • 圖 1.7 顯示的是一個大型的離心式冷凍設備，它是用來提供空調設備所需的冷凍量。 P6

12. 圖 1.6 簡易冷凍循環的簡圖。 P6

13. 圖 1.7 空調系統之冷凍設備（本圖由 Carrier Air Conditioning Co. 提供）。 P7

14. 1.4熱電冷凍機 • 熱電冷凍機使用電能（它會傳到電動馬達來驅動壓縮機）以更直接的方式來產生冷卻效果，藉此免去壓縮機、冷凝器、蒸發器，以及所有相關管路的成本，如圖 1.8(a)。 • 熱電裝置亦可藉由高於周圍溫度的物體來取代冷凍空間以產生電力，這樣的系統正如圖 1.8(b) 所示。 P7

15. 圖 1.8 (a) 熱電冷凍機；(b) 熱電動力產生裝置。 P8

16. 1.5空氣分離廠 • 空氣分離是一個極具工業重要性的過程。在空氣分離廠中，空氣會被分離成各種成份，廣泛地運用於各種工業、研究、太空和消費商品的應用之中。空氣分離廠為化學程序工業及低溫學兩大主要領域之實例。 • 圖1.9是一個常用的工廠型態之簡圖。乾燥、高壓的空氣進入熱交換器內，空氣的溫度會在空氣流過熱交換器時降低。 P8

17. 圖 1.9 液態氧氣工廠之簡圖。 P9

18. 1.6燃氣輪機 • 燃氣輪機與蒸汽動力廠的基本運作非常相似，差別只在其使用的介質是空氣而不是水。燃氣輪機的用途決定其設計內容，所以大部份所需的能量形式將達到最大值。圖 1.10 所示即為供作固定式發電使用的大型燃氣輪機之實例。 • 在需要大量電力，而又只能採用小型體積的狀況下，燃氣輪機通常是優先考量使用的發電裝置。由於燃氣輪機具有相當高的排氣溫度，善加安排即可在廢氣排放到大氣之前，先用它來對蒸汽動力廠中運轉的水加熱。圖 1.11 所示為用於商務客機內的渦輪風扇噴射引擎之實例。 P10

19. 圖 1.10 一具 150 MW 的燃氣輪機（本圖由 Westinghouse Electric Co. 提供）。 P10

20. 圖 1.11 渦輪風扇噴射引擎（本圖由 General Electric Aircraft Engines 提供）。 P11

21. 1.7化學火箭引擎 • 化學火箭引擎依據所使用的燃料，可分為液態推進劑或固態推進劑化學火箭引擎。 • 圖 1.12 顯示的是液態推進劑火箭的簡圖，氧化劑與燃料經由注射器板加壓，進入發生高壓燃燒的燃燒室。高壓高溫的燃燒產物在通過噴嘴時膨脹，使得它們以高速離開噴嘴。由加速所造成的動量變化，使得火箭的前進推力增加。 P11

22. 圖 1.12 液態推進劑化學火箭引擎之簡圖。 P12

23. 1.8其他應用與環境議題 • 還有很多其他與熱力學相關的應用，目前許多都市垃圾填埋的操作都使用由生質廢棄物分解所產生的熱來產生電力，而且還獲得由這些化學反應產生的沼氣作為燃料來使用。同樣地，人們也利用地熱、太陽能和風力來產生電力。燃料的來源會從一個形態轉換到另一種更好用或更方便的形態。 • 我們也必須關心與這許多熱力裝置和應用相關的環境議題，因為我們努力地生產改善生活方式的商品，卻衍生了許多環境問題，如溫室效應、全球暖化、酸雨…等大氣汙染。我們必須考量如何能排除、或至少將有害的影響降到最低，並有效而負責地使用天然資源。 P12