第一章 緒論
1.4 文獻回顧
本實驗所研究的聚丙醯胺水溶液為高分子非牛頓流體，與一般牛頓流體最大 的不同在於它具有黏彈性特質。由於這種特質，會導致此類流體在層流（laminar flow）流動時，因剪應力的作用而產生正向力差，造成與牛頓流體不同的流場，
促使溫度場產生變化，進而產生熱傳增強的效果。此外，由於加入水中的高分子 具有黏性性質，使水溶液的黏度增加，流動時的阻力增加，造成壓力差值高於未 加高分子的純水溶液。因此為了取得較佳的熱傳效果及較低的壓力差值，所以本 實驗將探討聚丙醯胺水溶液的黏滯特性及熱傳特性。本節將分別回顧黏滯係數
（viscosity）量測實驗與熱傳導係數（thermal conductivity）量測實驗二方面有關 的文獻。
1.4.1 黏滯係數量測實驗
自從 1953 年，哈佛大學在 ASME【2】【3】的贊助下對多種潤滑劑進行黏滯 係數量測之後，各種不同的方法即不斷的被運用於量測流體在不同溫度、壓力下 的黏滯特性。Bridgman【4】【5】以自行發展之落體式流變儀（falling weight viscometer）對 40 多種流體進行高溫度及高壓力範圍的黏滯係數量測。稍後，
Wilson【6】以同樣型式的流變儀進行類似的研究。
Appeldoom et al.【7】和 Philippoff【8】則利用水晶振盪式流變儀（oscillating crystal viscometer）研究牛頓流體與非牛頓流體在不同溫度下流體黏滯係數的變 化 。 然 而 此 型 之 流 變 儀 有 其 最 大 黏 滯 係 數 限 制 （ μ < 1cp ， 其 中
）。 / 2
001 .
0
N s m
cp
= ⋅此外，Yoo et al.【9】使用毛細管式（capillary）流變儀及落球式（falling ball）
流變儀來量測聚丙醯胺（poly-acrylamide, AP-273）水溶液在不同濃度及不同剪 切率時其黏滯係數與剪切率之間的關係。因毛細管流變儀只能量測剪切率在
2s
10 -1以上的黏滯係數，所以另外用落球式流變儀來量測剪切率在102s-1以下的黏 滯係數。其量測結果發現：
1.黏滯係數會隨著濃度的增加而上升
2.視黏滯係數隨著剪切率增加而呈遞減形式，並且趨向某一定值
而 Tiu et al.【10】則以密度儀（pycnometer）與圓錐-平板式（cone and plate）
流變儀來量測聚丙醯胺（poly-acrylamide, AP-30）水溶液的物理性質。首先，以 密度儀量測聚丙醯胺水溶液在不同濃度下的密度，發現即使在不同濃度下其量測 的密度值都與純水相同。接著以流變儀測得剪應力-剪切率的關係，可發現剪應 力與剪切率並不成線性關係，證明該高分子水溶液並非為牛頓流體；而且當濃度 越高時，其相對應的黏滯係數也跟著增加。
目前常使用流變儀的類型有滑動平板式（sliding plates）流變儀、落球式
（falling ball）流變儀、同心圓柱式（concentric cylinders）流變儀、圓錐-平板式
（cone and plate）流變儀、平行板式（parallel disks）流變儀以及毛細管式（capillary）
流變儀。詳細的流變儀規格及其使用時的優缺點可參考表 1-1【1】，使用時可依 據工作流體黏滯係數的大小和實驗所需的剪切率、剪應力範圍等來決定適當的流 變儀。以目前研究的聚丙醯胺水溶液而言，由於加入的高分子比例並不算高
（<2000 wppm），應屬於低黏滯係數範圍的溶液，故以同心圓柱式流變儀為主要 選擇。
1.4.2 熱傳導係數量測實驗
由於非牛頓流體具有黏滯係數隨剪切率改變的特性，因此當流體在具有溫度 差的環境下流動時，流體的熱傳導係數將隨黏滯係數的改變而上升或下降。自 1973 年，Cocci and Picot【11】對非牛頓流體Dow200 進行熱傳導係數量測後，
便產生許多不同的方法，應用於量測流體在不同剪切率下的熱傳導係數。Wallace et al.【12】利用庫第流（Couette flow）的方式，量測聚乙烯（poly-ethlene）水 溶液在剪切率為 0-400 s-1之間的熱傳導係數，發現水溶液在低濃度時，熱傳導係 數將隨著剪切率的上升而下降；而在高濃度時，則會隨著剪切率的增加而先下降 再提高。
此外，Loulou et al.【13】利用圓錐-平板式（cone and plate）的方法，量測 在低剪切率（＜20 s-1）時，Carbopol水溶液（1000、2000 wppm）的熱傳導係數 變化。而Chaliche et al.【14】也應用同樣方式，量測剪切率為 50 s-1以下時，羧 甲基纖維素（carboxymethyl cellulose, CMC）水溶液在濃度為 30000-80000 wppm 的熱傳導係數。稍後，Lee and Irvine【15】使用同軸圓柱（coaxial cylinder）旋 轉的方式，製造庫第流去量測羧甲基纖維素（carboxymethyl cellulose, CMC）水 溶液（1500、2500、5000 wppm）及聚丙醯胺（poly-acrylamide, AP-273）水溶液
（1000、2000 wppm）的熱傳導係數與剪切率之變化。Loulou et al.【13】、Chaliche et al.【14】和Lee and Irvine【15】等皆發現高分子流體的熱傳導係數將隨剪切率
上升而增加，且在低濃度時較為明顯。
相較於以上所使用的量測方法，由於實驗溶液屬於低黏滯係數範圍，以同軸 圓柱（coaxial cylinder）旋轉的庫第流方式對溫度及剪切率控制較為容易，故採 用此方式量測聚丙醯胺水溶液的熱傳導係數。