第三章 實驗結果與討論
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
紐塞數也隨之上升，在質量流率 0.0023kg/s~0.0044kg/s 範圍內，紐塞數最低為 6.3，
4.5
6.0，由文獻 中可知
在此情況下，因浮
受溫度影響而下
1/Gz 的增加而下降，
量流率
的增加，已完全發展
最高可達 11.9。
圖 3-12 為 1500ppm 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 0.0020kg/s~0.0040kg/s 範圍內，紐塞數最低為 5.2，
最高可達 7.3。
紐塞數與 1/Gz 段尚處於發展狀態，在固定質量流率的情況下，紐塞數
.3，
最高
kg/s 的範圍內，比較其紐塞數，在已完全發展區，以 2000ppm 的 聚丙
圖 3-13 為 2000ppm 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，上板加熱的局部 的關係圖。由圖中可知，前
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 0.0018kg/s~0.0037kg/s 範圍內，紐塞數最低為 5
可達 8.5。
由各圖中可知在固定熱通量的情況下，隨著質量流率的增加，已完全發展區的 紐塞數皆會上升，由此可知正向力差所造成的二次流，也會因質量流率的增加有增 強的效果。
圖 3-14 為工作流體在層流狀態，相近質量流率情況時的熱傳比較圖，在質量流 率為 0.0023~0.0029
醯胺水溶液的紐塞值最高，紐塞值可達 7.0，依濃度的下降紐塞數遞減，而純水 最差，紐塞值僅為 4.5，由此可知在此低質量流率的情況下，隨著高分子的濃度上升，
其紐塞值也隨之上升。
將已完全發展區的紐塞數整理於表 3-4 中，並以純水在寬高比 2:1 矩行管中邊 界條件為上板加熱的實驗值 4.5 作為參考值Nu ，計算兩者熱傳紐塞數的比值o
水溶液在質量流率較低的範圍時，隨著廣義雷諾數的增加，以完全發展區的紐塞數 也會隨之增加，但廣義雷諾數到 500 左右時，紐塞數會有一最大值 15 左右，隨後廣 義雷諾數再增加，紐塞數反而會有下降的趨勢，故在本實驗廣義雷諾數範圍 80~300，
紐塞數最高只有 11.9，尚處於前段紐塞數上升的階段，故熱傳增加比值還有增加的 空間
(b)下
響使得速度場改變，以及由於正向力差而形成的二次流。
數會隨之上升，紐塞數最低為 6.2，最高為 8.6。
Gz 增 一質
量流率的情況下，中段部分可發現紐塞數有反轉上升的現象，但此趨勢比 500ppm 較不明顯，至後段部分趨向一定值，達已完全發展狀態，在質量流率 0.0023kg/s ~
範圍內，隨著質量流率的增加，以發展區的紐塞數 紐塞數
最低為 ，最高為
圖 3-17 為 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，下板加熱的局部紐塞數與 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
。而由表 3-4 中亦可發現，濃度的增加並沒有造成熱傳增加比值明顯的上升，
熱傳增加比值以 1000ppm 在質流率為 0.0044kg/s 為最高，紐塞數可達 11.9，是水的 2.64 倍，可能的原因由於質量流率的增加導致慣性力的增加，因此濃度較高的聚丙 醯胺水溶液，分子間的鍵結受到慣性力的破壞的程度比較高，所以黏彈性流體的彈 性性質會下降，故正向力差隨著慣性力增加而上升的程度也趨緩慢。
板等熱通量加熱
在此情況下要考慮三種作用的的影響：因浮力的效應而產生的自然對流因素，
黏度受溫度影
圖 3-15 為 500ppm 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，下板加熱的局部紐塞數與 1/Gz 的關係圖。由圖中左側為發展狀態，隨著 1/Gz 增加，紐塞數隨之下降，在固定一質 量流率的情況下，中段部分可發現紐塞數有反轉上升的現象，至後段部分趨向一定 值，達已完全發展狀態，在質量流率 0.0024kg/s~0.0046kg/s 範圍內，隨著質量流率 的增加，以發展區的紐塞
圖 3-16 為 1000ppm 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，下板加熱的局部紐塞數與 1/Gz 的關係圖。由圖中左側為發展狀態，隨著 1/ 加，紐塞數隨之下降，在固定
0.0044 kg/s 會隨之上升，
9.2 10.4。
1500ppm 1/Gz
會隨著 1/Gz 的增加而趨向一定值，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 0.0021kg/s~0.0037kg/s 範圍內，紐塞數最低為 7.4，最高可達 9。
圖 3-18 為 2000ppm 聚丙醯胺水溶液在層流狀態，下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，隨著質量流率的增加，已完全發展狀態的紐塞數也隨
上升，在質量流率 0.0019kg/s~0.0039kg/s 範圍內，紐塞數最低為 5.9，最高可達
對於已 發展
作用的的影響，因浮力的效應而產生的自然對流，黏度 受溫
之 9.2。
由各圖中可知質量流率的增加，增強了正向力差而形成的二次流效應，因此也 增強其熱傳係數。
將其已完全發展區的紐塞數整理於表 3-5 中，並以純水在寬高比 2:1 矩行管中 邊界條件為下板加熱的實驗值 7.4 為參考值Nu ，計算其熱傳的增加比值o
(Nu /x Nuo)，由表 3-5 可知，在此界條件下，聚丙醯胺水溶液的熱傳紐塞數比值範 圍為 0.8~1.4。隨著質量流率的增加，有上升的趨勢，在質流率較小的情況，聚丙醯 胺水溶液的紐塞數比純水還低，而且在相同質量流率的情況下，濃度的增加
區的紐塞數，也沒有明顯的提升。由此可知雖然在同樣質量流率的情況下，濃 度的增加會使分子鍵結較密，彈性力增加，因此正向力差增強而使二次流增強，但 是濃度的提升也使得黏度上升，雷利數變小，所以因浮力產生的二次流也相對減弱 了，另外浮力產生的二次流與正向力差的二次流方向相反，有互相抵銷的情況。
(c)上下板等熱通量加熱兩面絕熱 在此情況下要考慮三種
度影響使速度場改變，與由於正向力差而形成的二次流。
全發展狀態。另外從圖中也可發現，隨著質量流率的增加，已發展狀態的紐塞數也
全發展狀態。另外從圖中也可發現，隨著質量流率的增加，已發展狀態的紐塞數也