第二章 垂直往復式冷卻渠道之熱流實驗
2.2 實驗步驟
本研究主要目的在以實驗的方法，進行 U 型渠道往復運動之頂部熱傳效應 分析，實驗共分為三部分：進口流體雷諾數量測、啟動往復運動機構與壁面溫度 量測。
2.2.1 進口流體雷諾數量測
為了探討ㄇ型渠道頂部熱傳效率與進口流體雷諾數之關係，故工作流體進口 平均速度需確定，由
A
u0 = Q 此式得知，當渠道截面積A 已知，平均速度u 則可0
以由流量計讀數Q 代入前式計算求得，藉由調整風機控速器來調整進口流量，即 可得到實驗所設定之雷諾數。
2.2.2 啟動往復運動機構
本實驗以解析度 36000 步/轉之步進馬達帶動往復運動機構，其運動狀態可 由馬達轉動求得，相關的馬達運動參數如表 2-1 所示，渠道振動頻率可以經由控 制器調整步進馬達轉速得到，因為步進馬達轉動一圈則 U 型渠道前後來回振盪 一次。為確認其精準度，利用碼表量測 U 型渠道振盪 120 次所歷經時間，並換 算成頻率與控制器所輸入之頻率作比較，發現誤差極小，控制極為精準，但因步 進馬達扭力無法負載滑軌快速移動所需要的力矩，故轉速不能過高。
2.2.3 ㄇ型渠道底部壁面溫度量測
本實驗藉由量測 U 型渠道壁面溫度，進而計算壁面平均紐塞數，由於 Yokogawa 公司型號 DA-2500E 的資料擷取器掃描速度較慢，無法配合ㄇ型渠道 的往復運動速度來進行暫態溫度的量測，因此以個人電腦每 30 秒求得各點的溫 度，連續量測一小時，加以平均觀察其溫度的變化。實驗步驟如下：
1. 將管道流量調整以符合實驗所需的雷諾數。
2. 啟動電源供應器使加熱片溫度上升。
3.啟動往復運動機構並調整至所需振動頻率。
4.等待流場與實驗設備運轉穩定。
5.個別調整加熱片的輸入功率，使各加熱片表面溫度皆相同（即溫差≦
0.3℃）。
利用電源供應器的電能轉換來模擬熱源時，最理想的狀況為所有熱量皆傳遞 到銅片上，但實驗中熱量損失無可避免，在忽略熱輻射的前提下，當熱量輸入加 熱片後，有三種傳遞的途徑，一為經由表面的銅片傳入流場，此為計算紐塞數的 主要部分，另一為經由巴沙木向後方散逸，第三部分則為加熱片彼此間的熱傳，
詳細熱損計算原理如下：
加熱片元件的熱量計算原理與其紐塞數之定義如下述(A)至(D)所示：
(A) 輸入加熱片的能量：
電源供應器提供加熱片能量，由於電阻為溫度的函數，會隨著溫度變 化而變化，不是定值，所以輸入能量採取輸入電壓與電流的乘積來計算
Qin = × V I (2-4) (B) 散逸的能量：
雖然巴沙木背面加有絕熱泡棉，但仍有熱量由此散逸 dy
dT A k
Qlose = b× b× / (2-5) 式中 k 為巴沙木熱傳導係數=0.055 （W/m℃） b
A 為巴沙木面積=0.062×0.012= 7.4b ×10−4（m2） dT為巴沙木兩端溫度差（℃）
dy 為巴沙木厚度=0.0015（m）
(C) 加熱片間熱傳：
由於溫差範圍在 10℃、20℃、30℃、40℃，因此表面溫度梯度較大，
表面溫度變化劇烈，不易將各加熱片表面溫度調為完全相同，使得加熱片 間有些微的熱傳量(圖 2-9 有標示加熱片的編號)
dx dT A k
Q2→1 = m× m× / (2-6) 式中的 k 為加熱片間 OB200 導熱膠熱傳導係數 = 2.3 （W/m℃） m A 為左右加熱片接觸面積=0.062×0.002=1.24×m1 10−4 (㎡)
A 為上下加熱片接觸面積=0.012×0.002=2.4×m2 10−5 (㎡) dT為兩加熱片間溫度差（℃）
dy 為 OB200 導熱膠之厚度約為 0.001 m 因此Q2→1可求得
同理由加熱片 2 傳至加熱片 3 之能量Q2→3可求得 同理由加熱片 2 傳至加熱片 4 之能量Q2→4可求得 同理由加熱片 2 傳至加熱片 5 之能量Q2→5可求得
(D) ㄇ型渠道頂部壁面平均紐塞數估算：
由加熱片傳入流場的總能量為
5 2 4 2 3 2 1
2→ − → − → − →
−
−
=Q Q Q Q Q Q
Qair in lose (2-7) 根據紐塞數定義計算高溫加熱片的平均值
a w h
air
k W ΔT A
Nu= Q ⋅ (2-8)
式中 A 為加熱片表面積=0.062×0.012=7.4×10h -4（m2）
Δ 為加熱片銅片表面與進口流體平均溫差 Tw W為管道寬度=0.03（m）
k 為空氣熱傳導係數（W/m℃） a