第二章 實驗設備與步驟
2.2 實驗設備
實驗系統如圖 2-2 1 2
3 4 (5) 6 7 8 9
(10) (11) 1 Heat Exchanger
2 ( Peristaltic pump)
（3） 上儲存桶 （ nk）:
上方的儲存筒內的流體經由重力的作用下，往下
（4） 下儲存筒 (
，並且接上恆溫水槽以控制工作流體溫度。
為 23 公分。外觀類似噴嘴（nozzle），其材質
（6） 測試端 ( Te n)：
。長度 300 公分，可分 三部分：左右兩側的壓
不
置，第一個量測截面為距離入口處 7.5 公分的位置，第二測截面 為距離入口處 15 公分處，之後每隔 公分取一量測截面，上下 共 22 個量測點以量測加熱面溫度。另外在測試段進口下游 150cm 處開口、與出口處左方配置接頭，連接一差壓計，測得後
尺的矩行管道的壓力差值。
upper ta
收集工作流體 ，
運送到整流區，以達到穩定層流(低雷諾數)的要求。
bottom tank) 收集工作流體
（5） 整流區 （Calming section）：
如圖 2-3 所示。長度
壓克力。主要目的是使工作流體能以均勻的速度場進入測試 段，並於與測試端連接處的位置放置一熱電偶，以量測水溶液進 口溫度Tb,in。
st sectio 如圖 2-4 所示
克力材質當作絕熱材料。在中間流道的上下面各放置不銹鋼板，
不銹鋼板上面附著上電加熱片並且在外層覆蓋上絕熱材料，加熱 段長度為 300 公分，此時電加熱片透過電源供應器所產生的熱量 會先傳到不銹鋼板，如此造成均勻的熱源分佈後，最後傳到在通 道中流動的流體。形成上下兩面加熱，其他兩面 絕熱狀態。圖 中間空白處 工作流體流過的區域，其截面尺寸 10mm 5× mm， 寬高比 2:1，水力直徑（D ）h 6.7 ㎜的矩形管道。
熱電偶放在截面上下兩邊 銹鋼板間的中心點位置，在軸向位
30
1.5 公 而一個 T-型
（7） 混合區 （M
度 12 公分。並在通道內相距 2 ㎝地方放置小方
（8） 針閥 （valv
動方式旋轉針閥的位置，藉以控制流量多寡，以達到層流狀
（9） 資料擷取系 ition）：
搜集/切換器，配合 Agilent 34901A -232
（10）電源供應器 supply）：
直流電源供應器，最高可提供 315W，主要
(11)
實驗條件需求取樣，並利用黏度計量測高分子水溶液黏度的變化。
2. 實驗量測儀器
配合碼錶方式量測其單位時間內的流量，可量測其質量流 ixing section）：
如圖 2-5 所示，長
塊，以達到溫度混合之均勻。最後在出口位置放置一熱電偶，以 求流體出口的平均溫度Tb,out。
e）
用手
態的雷諾數。
統（Data acquis
以 Agilent 34970A 資料
20 個頻道的介面卡，外加 60 個頻道的一般介面卡，經由 RS 的接頭連接至電腦，最後由 BenchLink Data Logger 的軟體擷取 數據。
（Power
由台灣的 GW 公司所生產的
是藉由調整電流、電壓，造成上下兩片電加熱片加熱的效果，以供實驗所需 之加熱邊界條件。
取樣區 設計是依
3
（1） 流量量測：
量杯 率。
放置於整流區末端與測試端接合處矩形截面的中心位置、與混 合區末端矩形截面的中心位置，如圖 2-3 即圖 2-5 所示，此兩 點用來量測工作流體在進出口的流體溫度Tb,in與Tb,out。另在測 試端 x= 7.5, 15,45, 75, 105,135, 165, 195, 225,255,285(cm) 位置 的截面，每截面的上下兩邊的中點，用來量測壁面溫度，總共 22 個溫度量測點。
（3） 差壓量測
壓計採用 Foxboro 公司產品，其輸出訊號為 ，誤差值
2.4 實驗步驟
狀態，量測壓力降
桶，設定恆溫水槽的溫度，使工作流體的溫度
3. 開啟蠕動式幫浦，把工作流體傳送到上方的儲存筒，讓工作流體因重力
4. 調整入口處的針閥轉動位置，控制流量
計的讀數 量流率 壓值
（b） 溫度
桶中，設定恆溫水槽的溫度，使工作流體的溫 差 4~20 mA
為 ± 0.1﹪。用來量測工作流體的壓力差降。
（a）未加熱的
1. 把所有儀器的電源打開 2. 將工作流體到入下方儲存
保持一定值。
關係往下傳送到整流端
5. 在針閥旋轉位置固定下，記錄下當時差壓 跟質
6. 改變工作流體流率，重複步驟 4 和步驟 5，得到不同流量下的差 7. 改變工作流體重複 4.5.6 步驟
加熱狀態，量測壓降與流體
1. 把所有儀器的電源打開 2. 將工作流體到入下方儲存
度保持一定值 12.改變工作流體，重複 4.5.6.7.8.9.10.11 步驟
摩
子 f ，觀察是否符合方程式(1.12)F
故在測試端的熱通量為
LW q Qsensible
x = (2.6)
形，定義一與距離相關的無次化參數 Gz(Graetz number)，即
kx C Gz m& p
= (2.14) 為顯熱與軸向熱傳導的比值，此參數與距離成反比。
此實驗結果不準度分析與計算於附錄A中有詳細討論。
圖 2-1 聚丙醯胺的結構式 【1】
T-type thermocouple, Tb,in
X
（b） 上視圖
（a）側視圖
T-type thermocouple, Tb,in
＊
圖 2-3 整流區示意圖
（a） 側視圖 (總長 300cm) p
x
∆
T-type thermocouple, Tw
(b)剖 面圖
T-type thermocouple, Tb,out
＊
圖 2-5 混合區的側視圖
第三章實驗結果與討論
3.1 實驗條件
本次實驗的工作流體包括純水、聚丙醯胺水溶液，其中水溶液中高分子聚丙 醯胺濃度包括 500 ppm.1000 ppm.1500ppm 和 2000ppm 四種。實驗條件如下：
a. 藉由恆溫水槽調整工作流體的測試段進口溫度在 30 ℃之間。
b. 在電加熱方面，分為三個部份，上板加熱時，把電源供應器的電流調 為 1.3 安培，電壓為 142.3 伏特，形成上層加熱，其它三面絕熱的邊 界條件。下板加熱時，把電源供應器的電流調為 1.3 安培，電壓為 142.3 伏特，形成下層加熱，其它三面絕熱的邊界條件。上下板同時加熱時，
壓為 286 伏特，形成上下層相 等熱通量加熱，其它兩面絕熱的邊界條件。
c. 在加熱的情況，純水的質量流率範圍為 0.0025kg/s~0.0075kg/s，即雷 諾數 380~1000，聚丙醯胺水溶液質量流率範圍 0.0018kg/s~ 0.005 kg/s，即廣義雷諾數 80~300。
.2 流變性質
（Rheology Property）判斷流體屬於牛頓或者非牛頓流體時，常用方式是以流變儀量測流體的剪切 與其相對應的剪應力，再將兩者值帶入冪次公式 1.2，以決定流變性質。本實驗對 純水的相關物理性質將以文獻[17]所附的表作為依據如表 3-1 所示，圖 3-1(a)與(b) 聚丙醯胺水溶液在溫度為 30℃與 35℃，不同濃度時，黏度和剪切率的關係，使用 器為共軸圓柱的流變儀(Brookfiled laboratory Viscometer)，經由線性回歸即可得到 次公式 1.2 中的參數 n、K 值，如表 3-2 所示。
.3 壓力差降結果與摩擦因子
±1
把電源供應器的電流調為 1.1 安培，電
3
率 於 為 儀 冪
3
(a) 在相同質量流率時，混合濃度愈高其相對的壓力差降值愈大 度為 500 ppm、1000 ppm、1500ppm 或 2000ppm，都與關係式(1.12)相吻合。圖 3-4
所繪出的圖形，由於進口溫度為 ℃，並取出口溫度約為 ℃
趨勢。在純水方面，參考表 3-1 的物理性質表而算出的雷諾數及摩擦因子，發現兩 者都符合 f=16/Re 的關係式。
值得注意的是，雖然工作流體不同，但是在相等雷諾數時，摩擦因子也一樣，
但這並不表示壓力差值相等。因公式（3.1）的雷諾數定義具有次方項；對輕剪力流 體而言（n＜1），需要更大的質量流率才能達到與水（n＝1）相同的雷諾數，如圖 3-5 所示，配合圖 3-2 的結論，可得知在相同的雷諾數時，聚丙醯胺水溶液的壓 差
值必定高於水的差壓值。縱使質量流率相 丙醯胺溶液的壓力差值還是高於
水的差壓值。而濃度的增加所產生的黏度上升，更是造成壓力差降增加的主要原因。
3.4 熱傳結果
3-6 分布，質
力 同時，聚
圖 為上板加熱，工作流體為純水加熱面溫度與純水溫度 量流率為
即 的實驗結果。由圖中可知純水平均溫度將沿著管子呈線性變
化，而壁面溫度與純水溫度的局部溫差 )隨著距離而變，此一溫差值剛開始很 的增加而遞增，慢慢到達一定值，此時可知已
圖 3-7 為下板加熱，工作流體為純水加熱面溫度及水溫度分布，質量流率為 .0025kg/s 即 Re=382 的實驗結果。由圖中可知純水平均溫度將沿著管子呈線性變
化，而壁面溫度與純水溫度的局部溫差 離而變，此一溫差值剛開始很
小，隨著邊界層發展致使溫差隨著 的增加而
減，之後慢慢達一定值，此時可知已達完全發展狀態。
圖 為上下板同時加熱，工作流體為純水，加熱面溫度及水溫度分布，質量
流率為 /s 的實驗結果 圖中可知純水平均溫度將沿著管子呈線
性變化， 度與純水溫度的局部溫差 隨著距離而變，此一溫差值剛開
始很小，隨著邊界層發展致使溫差隨著 的增加而遞增，中段部份上下板的溫度開 0.0025kg/s Re=382
(Tw-Tb 小，隨著邊界層發展致使溫差隨著 x
達完全發展狀態。
0
(Tw-Tb)隨著距
x 遞增，中段部份溫差開始遞增轉為遞
3-8
0.0025kg 即 Re=382 。由
而壁面溫 (Tw-Tb)
x
圖 3-9 為純水上板加熱，純水下板加熱與純水上下板同時加熱的邊界條件下，
在不同質量流率的情況下的紐塞數分布情況。可發現紐塞數會隨著進口的距離增加 而趨向一定值，由此可知流體在此測試段由發展中流動(developing flow)達到完全發 展流(fully-developed flow)，由於前段流場與溫度場皆是發展狀態，所以得到的紐塞 數對於 1/Gz 的關係有些混亂，但是隨著 1/Gz 增加慢慢趨向一定值，此時的紐塞數 不再隨著距離與質量流率而變，可知此時已達完全發展狀態，上板加熱狀態紐塞數 最終趨向 ，下板加熱紐塞數最終趨向 7.4，上下板加熱的平均紐塞數最終趨向
[16] ，純水在寬高比 2:1 矩形管上板加熱，實驗值上板加熱約為 4.2，上下板同時加熱約為 6 左右，本實驗設備的實驗結果與實驗值相近。
至於聚丙醯胺水溶液的熱傳分析分別在下列不同情況敘述：
（a） 上板等熱通量加熱
力的效應而產生的自然對流因素應可以忽略不計【17】，使熱
傳增強的因素有兩部份，一部份是黏度 降，使得邊界層變薄而造成
熱傳增加效果，另一部份由於正向力差而形成的二次流，使得熱傳係數增加。
圖 3-10 為 500ppm 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，上板加熱的局部紐塞數與 1/Gz 的關係圖，由圖中可知，前段尚處於發展狀態，在固定質量流率的情況下，紐塞數
會隨著 然後趨向一定值，此時的紐塞數不隨著距離而變，故已
達完全發展狀態。另外從圖中也可發現，隨著質 的增加，已完全發展狀態的 紐塞數也隨之上升，在質量流率 0.0024kg/s~0.0047kg/s 範圍內，紐塞數最低為 5.7，
最高可達 10.3。
圖 3-11 為 1000ppm 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，上板加熱的局部紐塞數與 1/Gz 的關係圖，由圖中可知，前段尚處於發展狀態，在固定質量流率的情況下，紐塞數 會隨著 1/Gz 的增加而下降，然後趨向一定值，此時的紐塞數不隨著距離而變，故已
達完全發展狀態。另外從圖中也可發現，隨著質量流率 狀態的
達完全發展狀態。另外從圖中也可發現，隨著質量流率 狀態的