物理模型與實驗設備

為了配合第三章的數值分析，相關的實驗設備示意圖如圖6-1 所示，個人電 腦用來控制步進馬達的轉速以及計算高溫面的局部紐塞數，並進行流場可視化的 畫面擷取；冷卻管道由水平振動管道、入出口管道與連結管道所組成，其尺寸如 圖 6-2、圖 6-3 所示。冷卻流體由風機送入管道之中，其體積流率可以從流量計 觀測而得；在入口管道前端裝設有數層蜂巢板，消除進口氣流的紊流強度。因為 本研究並不考慮重力對流場的影響，因此整組管道可以水平放置，其中ㄇ字型管 道放置在振動系統上（如圖6-4），由連結管道連接到入、出口管道。當往復機構 開始運作時，管道會隨之進行往復運動，此時裡面的冷卻流體受到振動影響，對 壁面散熱也會有不同的效果，最後利用個人電腦擷取各項所需數據，經過處理以

後進行壁面的熱傳分析。

為得到較佳的高溫壁面與方便量測各點溫度用以計算此實驗之紐塞數，以銅 箔、鎳鉻絲及巴沙木等材料製成加熱片，並由電源供應器提供電能使鎳鉻絲發熱 產生熱量，加熱片的組成如圖6-5 所示。每片加熱片上均黏有熱偶線，用以量測 該點溫度。

管道頂面之加熱板主要做法為分別將三塊表面積為長31mm × 寬 12mm 之 加熱片緊密結合為一組長31mm × 寬 36mm 之加熱區塊後，再將三組加熱區塊 置於一長210mm ×寬 90mm 且厚度為 10mm 之組合巴沙木板，在組裝時需注意 保持加熱區塊表面與巴沙木板表面維持同一平面，各組加熱區塊詳細位置如圖 6-3 所示，依流體入口方向加熱區分為前、中、後段加熱區，各個加熱區塊僅中 間加熱片為實驗計算所用，兩邊加熱片則為熱保護用。為了減低熱量從組合間縫 隙散失，在加熱區塊周圍及後方貼附絕熱泡棉。

a. 加熱片原理：

將鎳鉻絲纏繞於孔洞分布均勻的電路板，並且連接電源供應器通以電流 使其均勻發熱，外面包覆高熱傳導係數的銅箔藉此形成一個表面均溫且對 於熱反應快速的發熱體。在其側邊利用相同製作過程的銅箔夾層緊靠來達 成熱保護的效果，當這些銅箔夾層都加熱到相同溫度時，彼此間就不會有 熱傳，藉此降低無法估計的熱損。銅箔的上表面置於流場中，熱量由流場 的流體經熱對流方式帶走，下表面則緊貼巴沙木用以計算下方熱傳導帶走 的熱損失，其餘的部份則貼覆絕熱泡棉使其熱損失降到最低。

b. 加熱片的製作方法：

材料準備：

銅箔（厚度0.05mm）、電路板（厚度 1.6mm）、直徑 0.17mm 之鎳鉻絲，

鐵氟龍絕緣膠帶、巴沙木（厚度1.5mm 和 6mm）、直徑0.001mm 之 J-TYPE 熱電偶線、OMEGA 公司的 OB-200 導熱膠、AB 膠等。

將厚度1.6mm 之電路板裁成長度 31mm，寬度 11mm 之長條型，其內部 有48 個孔洞（12×4），表面有金屬的部份用砂紙磨去，並取中間且均勻分 佈鑽三個通孔以便於放置熱偶線；於裁好的電路板上繞以細密且均勻間隔 之鎳鉻絲，其纏法如圖6-5 中(71)所示，注意鎳鉻絲需保持平整避免在電路 板表面發生高突而與銅箔間隙太大，接著再將鐵氟龍絕緣膠帶包覆於纏好 鎳鉻絲的電路板外用以與銅箔絕緣；切取尺寸為31mm×24mm 厚度 0.05mm 之銅箔，將銅箔折成寬度為11mm 之 U 字型，包覆於巴沙木外且銅箔表面 需盡量保持平坦。並將穿過電路板夾層之三條熱電偶線黏貼於銅箔內側通 孔對應的位置。

製作巴沙木夾層（75）、（76）：

為了減少同組的三個加熱片間因為組合時產生的接觸熱阻，因此把一組 加熱區塊所需的三個巴沙木夾層一起製作，將巴沙木（厚度1.5mm 和 6mm）

裁成一塊長度 31mm，寬度 35mm 之長方體，也就是三個銅箔夾層組合起 來的大小，對照銅箔夾層適當的位置鑽九個通孔用來穿過所有的熱偶線。

為求估算經由巴沙木的熱損失，在巴沙木（厚度為 1.5mm）上下放置熱偶 線以量測溫度，用以求得藉由熱傳導耗散的熱量。

加熱片成形：

組裝時，如圖6-5 中所示，最上層為銅箔夾層，中間為厚度 1.5mm 之巴 沙木夾層，下層則為6mm 之巴沙木夾層，熱偶線分別由各通孔拉出，熱偶 線的位置如(77)所示，銅箔夾層三條，中間巴沙木上下各三條，接著再將 各層之間均勻塗上導熱膠，組合夾緊放置24 小時待其乾燥固定，即可完成 組裝工作。製作過程中需注意加熱面銅箔保持平整，以達到均溫效果。另 外需注意加熱片有無縫隙，須以導熱膠或AB 膠於適當的地方填補。

c. 加熱片測試：

將完成後加熱片之兩條鎳鉻絲連接電源供應器，由電源供應器提供一電 位差，鎳鉻絲通電後發熱，使銅箔溫度上升，待其加熱片溫度穩定後擷取

黏貼於銅箔背面三條熱電偶線之溫度，若彼此溫度差均能維持在0.1℃內則 通過測試，表6-1 即為測試結果，加熱的溫度設定為高於室溫 5℃，表中標 示的溫度為加熱面銅片表面各點的溫度。

為 準 確 的 控 制 每 個 加 熱 片 之 輸 入 熱 量 ， 將 每 一 加 熱 片 分 別 連 接 至 MOTECH 公司型號 LPS 的直流電源供應器，並且利用 UNI-T 公司型號 UT60E 的三用電表量測電壓與電流值，溫度量測部分則利用 OMEGA 公司 J-TYPE 熱偶線，配合 Yokogawa 公司型號 DA-2500E 的資料擷取器，讀取 各熱電偶線溫度值。並以National Instruments 公司 GPIB-USB 資料擷取卡，

將熱偶線所量得的溫度值讀入個人電腦進行分析。

d. 量測溫度裝置

熱電偶量測溫度原理為利用兩種不同的金屬或合金線，在兩不同線端點 處焊接在一起，當此焊接點與待測高溫面接觸時，會產生電壓差而造成熱 電流運動現象，而其大小則依據焊接點與另一端參考點之溫差，此參考點 溫度必須為一定值，藉由熱電流運動力，可推算出焊接點之溫度，依據電 壓大小來判斷被測物之溫度，而其準確度與範圍就和材質有非常大的關 係，目前業界常見的有E、J、T、K 等 TYPE 的熱電偶。

本實驗溫度量測部份採用 OMEGA 公司出產 J-TYPE 熱電偶，利用 Yokogawa DA2500E 資料擷取器將熱電偶的電壓類比訊號取出並轉換成溫 度值，並利用National Instruments GPIB 介面卡將資料傳輸至個人電腦，最 後經過個人電腦將資料處理並加以儲存。

實驗步驟

本研究主要目的在以實驗的方法，進行ㄇ型管道往復運動之頂部熱傳效應分 析，實驗共分為四部分：進口流體雷諾數量測、啟動往復運動機構、流場可視化 與壁面溫度量測。

為了探討ㄇ型管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，當管道截面積A 已知，平均速

度u 則可以由流量計讀數₀ 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。

b. 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，管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ㄇ型管道前後來回振盪一次。為確認其精準 度，利用碼表量測ㄇ型管道振盪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，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。

c. 流場可視化

1. 手動調整攝影機焦距，設定為黑白攝影模式，並確認畫面範圍。

2. 開啟風機並調整流量至所需之雷諾數。

3. 設定往復運動機構至所需的振動頻率。

4. 設定電源供應器電流值約為 0.8A，在放煙裝置的鎳鉻絲上適當的位置 塗抹適量的煙油。

5. 經由 DV 螢幕確認打光效果。

6. 開始錄影，啟動電源供應器加熱鎳鉻絲並且配合管道往復運動。

7. 拍攝完畢，將 DV 磁帶檔案轉至電腦處理。

d. ㄇ型管道頂部壁面溫度量測

本實驗藉由量測ㄇ型管道壁面溫度，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 管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。（靜態量測可忽略此步驟）

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 0.1

≦ ℃）。

6. 每半小時量測溫度變化一次，並調整電源供應器，使加熱片間保持等 溫（即溫差≦0.1℃），並且高於流體進口平均溫度 5℃，若連兩次量 測各加熱片表面溫度與流體進口平均溫差均為定值（即5 ±0.1℃ ℃），

則判定溫度場趨於穩定，即開始紀錄實驗數據，反之繼續調整表面溫 度。在此將溫差設定為5℃是為了降低自然對流效應之影響。

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 傳遞到銅箔上，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，一為經由表面的銅箔傳入流場，

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，加熱片上下兩邊的面積較小，並且有貼附絕熱泡 綿，故將其熱傳省略，加熱片兩邊則由於溫度一致，彼此之間視為沒有熱 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：

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：