分析原理與方法

(2) Compressibility (可壓縮特性) (3) Viscous heating (黏滯加熱特性) (3) Electrokinetics (電動特性)

以 潤 濕 特 性 而 言 ， 必 須 考 慮 到 流 體 本 身 的 親 水(hydrophilic)與 疏 水 性 (hydrophobic)，這個特性與先前介紹的表面張力的效應有關，當尺寸便小時，表面 張力的效應影響會變大。吸附效應則與表面奈米孔隙有相當的關聯，流體流動的邊 界條件與此類表面吸附特性有關，如果流體被奈米孔隙所捕捉，則可能會出現超冷 (supercooling)的現象。

2-2 單相流體在微通道內的特性

為水力發展長度(hydrodynamic entrance length,L^hy)，

此一長度與進口流動速度、流道幾何形狀與水力直徑有關，速度越快，所需要的發 展 長 度 也 就 越 長 ，過去 有 許 多 文 獻 ， 多 以無 因 次 的 流 場 完 全 發展 長 度𝐿⁺ _𝑦

，

𝐿⁺ _𝑦 = 𝐿 _𝑦⁄𝐷 × 𝑅𝑒，來整理水力發展長度的關係式。

快速估算水力發展長度: 數，將動量帶入雷諾輸送定律(Reynolds transport theorem)可得:

d(m∗u)

利用水力直徑𝐷 = 4 𝐴_𝑐⁄ 的關係式，再將 2-4 之方程式同時除上𝑃 ¹₂𝜌𝑈_𝑖𝑛²可得: 𝑥⁺(dimensionless axial distance)來整理相關的資料:

𝑥

⁺

=

^𝑥

類型(1):

𝑓

_𝐹𝐷

𝑅𝑒 = 4(1 − 1.3553 ∝

^∗

1.9467

^∗2

− 1.701

^∗3

0.9564

^∗4

− 0. 537

^∗5

)

(2-11) 類型(2):

∆𝑃

^∗

= 𝑓

_𝐹𝐷^4𝑥

𝐷ℎ

𝐾(∞)

(2-12) 其中矩形流道的K(∞):

K(∞) = 1.778 − 1.149𝑒

^(𝛼∗) (2-13)

類型(3):利用 2-7 之方程式和表 2-2 來計算壓降。

表 2-2 不同長寬比的矩形流道中 fapp×Re 與 x⁺的關係

2-2-2 熱傳特性

相對於無因次的流動發展距離𝑥⁺，溫度場的入口效應，也有一相對發展的長 度𝑥^∗(dimensionless thermal axial distance)，由於溫度場的變化與流體特性有關，因 此𝑥^∗含有Pr(Prandtl number):

2-3 理論計算

由下式可以計算微通道中工作流體移熱能力: 定律(Newton’s law of cooling):

Q = × 𝐴 × (

_𝑤

− )

(2-20)

表 2-5 微通道流道壁面溫度計算表

寬度(mm) 深度(mm) Tw[T],(K) Tw[H1],(K) Tw[H2],(K)

0.8 0.8 360.711 357.436 359.465

0.8 2.5 352.191 350.395 354.537

1 1 365.703 361.555 364.125

1.2 1.2 367.397 362.952 365.706

表 2-6 微通道加熱面溫度計算表

寬度(mm) 深度(mm) Tj[T],(K) Tj[H1],(K) Tj[H2],(K)

0.8 0.8 361.958 358.683 360.712

0.8 2.5 353.031 351.235 355.376

1 1 366.902 362.754 365.324

1.2 1.2 368.548 364.104 366.857

2-4 實驗設備

面塗覆一層導熱膏，再利用加壓器(Load Cell)，由上往下加壓，降低接觸阻抗。其 餘實驗設備如圖2-3 至圖 2-21:

圖 2-3 實驗設備測試端圖

圖 2-4 差壓計[Differential Pressure Transmitter]: YOKOGAWA 公司製造，型號為 EJA110-DM，實驗中量測範圍為 0~0.5kgf/cm²

圖 2-5 分配器 [Distributor]: YOKOGAWA 公司製造，型號為 SDBS，將差壓計輸出 的電流訊號，轉換為電壓訊號輸出。

圖 2-6 BT200 : YOKOGAWA 公司製造，手持式，將差壓計歸零，保持電壓訊 號輸出的準確性。

圖 2-7 包覆式熱電耦 [Thermocouple]: 量測進出口水溫。

圖 2-8 浮子式流量計 [Rotameter]: 欣川公司製造，流量範圍為 0.1~1 l/min。

圖 2-9 恆溫水槽

圖 2-10 離心式幫浦: Iwaki 公司製造，型號為 MD-20RZ。

圖 2-11 MX100[Hybrid Recorder]: YOKOGAWA 公司製造，可連接電腦進行資料擷 取。

圖 2-12 自耦變壓器[rariable transformer]: 久鑫公司製造，輸入 110V，輸 出0~130V，15A。

圖 2-13 導熱膏 [Heat Sink Compound]: KYOTOKU 公司製造，型號為 Y-500 傳 導係數為 2.8-3.0 W/m×K

圖 2-14 加壓器 [Load Cell]: 瑞領公司製造，加壓範圍 0~100 kgf

絕 熱 層 : 降 低 熱 損 ， 設 計 兩 層 式 絕 熱 層 ， 上 層 為 鐵 氟 龍 ， 熱 傳 導 係 數 為 0.23𝑊 𝑚 × 𝐾⁄ ，下層為電木，熱傳導係數為 0.233𝑊 𝑚 × 𝐾⁄ ，利用下層絕熱層的空 氣層，由於空氣的熱傳導係數為0.0026𝑊 𝑚 × 𝐾⁄ ，可有效的降低熱損。

圖 2-15 絕緣層-鐵氟龍

圖 2-16 絕緣層-電木

加熱片: 分離式加熱片，整體尺寸為 96mm×38.5mm，分成三個部分，一個部分的 尺寸為 32mm×38.5mm，供應電壓 50V，最大發熱量為 250W，利用線路的接通與 否，控制加熱源的位置。如圖 2-17 所示，在加熱片中，將內部線路接出電線的區 域，發熱量並不穩定，故設計此區域，突出加熱片些許，如紅色區域所示，降低加 熱片不穩定所造成的影響。

圖 2-17 加熱片 50V-250W

長邊進出歧管 : 歧管外部尺寸為長度 10mm，寬度 102mm，厚度 21mm，而內部 進口歧管與出口歧管的尺寸是相同的，長度 7mm，寬度 40.5mm，厚度 5mm。工 作流體進口方向與微通道長邊垂直，故稱為長邊進出歧管。

圖 2-18 長邊進出歧管

漸擴短邊進出歧管: 漸擴短邊進出的歧管尺寸為外部尺寸是長度 25mm，寬度 90mm， 厚 度 14mm， 而 內 部 進 口 歧 管 與 出 口 歧 管 的 尺 寸 是 相 同 的 ， 由 6.35mm×4mm 擴大為 29mm×4mm，擴大的長度為 18mm，厚度為 4mm。工作流體 進口方向與微通道短邊垂直，故稱為短邊進出歧管。

圖 2-19 漸擴短邊進出歧管

微通道: 微通道流道設計為外部尺寸長度 132mm，寬度 82mm，厚度 6mm，內部 流道尺寸為寬度1mm，深度 1mm，共有 15 條流道。

圖 2-20 微通道 流道尺寸 1mm×1mm

分流設計微通道: 微通道流道設計為外部尺寸長度 132mm，寬度 82mm，厚度 6mm，內部流道尺寸為寬度 1mm，深度 1mm。在流道的前半段，將前面三條流道 合併為，一條分流設計截面積為 5mm×1mm 的流道，並在流道的中間流道，整合 流道，形成一個混合區。

圖 2-21 分流設計微通道

2-5 實驗校正與不准度計算

物理量可分為基本量和導出量，導出量是由數個基本量運算得出，不准度分析，

表 2-7 不准度分析整理表

不准度分析

物理量 不准度

L(m) ±0.00002 m W(m) ±0.00002 m H(m) ±0.00001 m D(m) ±0.00002 m T_in(^oC) ±0.2 ^oC Tout(^oC) ±0.2 ^oC ΔT(^oC) ±0.94%

ρ(kg/m3) ±0.05%

V(m/s) ±0.015 m/s

(kg/s) ±3.06%

Q(kW) ±3.21%

在文檔中 分離式熱源對微通道熱沉的熱特性 (頁 20-44)