奈米冷卻液應用於熱交換系統平台與機車引擎性能之研究
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(2) 謝誌 在研究所兩年期間，首先是感謝指導教授呂有豐老師，在學術上耐 心的指導，並關心學生的動態與發展，還有指導我有關電動車研究的洪翊 軒老師及指導我有關奈米流體的鄧敦平老師，使我的論文撰寫能力更加進 步。其次也感謝口試委員莫懷恩教授的建議，使本篇論文更趨完善。. 感謝綠色動力科技研究室的夥伴，首先是學長們令霖，還有我的同伴 們 繼嘉、勸誠、銘謙、昱榮、暐亮，研究室的大大小小的事情，都是互相 幫助有難同當，感謝他們在論文口試的幫忙。再來是學弟們 煌傑、 德耀 與 顯皓，感謝在實驗上的設備上給予指點與說明，讓我可以了解設備的問 題與原因。在做論文實驗階段，感謝冷凍工廠的好夥伴 竣奇學長、同胞其 霖，熱心的教導實驗儀器。 最後，特別感謝父母以及高中老師支持並鼓勵，讓我讀完剛高雄應用 科技大學後來讀臺灣師範大學研究所，再來感謝就讀研究所兩年的臺灣師 範大學工業教育學系，系辦的助教們 巍芬、書鍰、嘉徽以及系主任宋修德 教授，還有汽車工廠的張俊興老師。 在此，我很慶幸身邊有這群良好、熱心的家人、導師、學長、同窗、 學弟、助教、廠商，沒有他們的幫助，就沒有本篇論文，我很樂意將此份 榮耀與他們分享，在此深深向大家一鞠躬。. i.
(3) 摘要 論文名稱：奈米冷卻液應用於熱交換系統平台. 頁. 數：152 頁. 與機車引擎性能之研究 校. 名：國立臺灣師範大學. 系 所 名：工業教育學系碩士班-能源應用及車輛技術組 畢業時間：108 學年度第 2 學期. 學. 位：碩. 士. 研 究 生：夏麒原. 指導教授：呂有豐. 關鍵詞：複合碳系、奈米流體、冷卻液、熱交換系統平台、磨潤試驗 針對水冷四行程機車之冷卻液散熱效果進行相關研究，利用冷卻系統 添加複合碳系奈米流體(HCBNF)溶於原廠冷卻液，再加入分散劑 GA(阿拉 伯膠)進行電磁加熱攪拌 3 h 與超音波震盪 1 h，以製備複合碳系奈米冷卻 液(HCBNC)。分別進行在不同濃度及溫度的沉降、比熱、導熱、黏度及磨 潤試驗探討基礎性質，實驗分別試驗 base、0.02 wt.％、0.04 wt.％、0.06 wt. ％的 HCBNC，基礎試驗中沉降試驗的結果發現 HCBNC 在靜置 30 天， 0.04 wt.％效果非常穩定幾乎沒有沉澱現象。黏度試驗發現 0.06 wt.％黏度 高於其他的濃度；比熱試驗發現 0.04 wt.％濃度低於其他濃度和 base；熱 傳導試驗 0.04 wt.％為最佳導熱係數；最後磨潤試驗 0.04 wt.％、0.06 wt.％ 兩者的磨耗改善率高於 base。綜合以上四項試驗結果，選用濃度 0.04wt.％ 進行後續實驗。 將最佳濃度 0.04wt.％ HCBNC 加入於熱交換系統平台及實車實驗， 在熱交換系統平台中水散熱性能改善率為 37.5 ％、空氣散熱性能改善率 為 6.45％，而引擎暖車性能實驗中水散熱性能改善率為 23 ％、空氣散熱 性能改善率為 7.94％。在實車 HCBNC 分別與原廠冷卻液與純水相比 ECE40 行車型態燃油消耗量改善 12 ％、14 ％，定速 50 km/h 行車型態燃油消 ii.
(4) 耗量改善 9 ％、13 ％，平均燃油消耗量(km/L)改善 11 ％、14 ％。平路 與爬坡行車型態測試油門開度固定 25 %，平路行車型態車速改善率 3 ％、 4 ％，爬坡行車型態車速改善率 8 ％、18 ％。 在四項實驗 ECE-40 行車型態試驗、定速行車型態試驗、爬坡行車型 態試驗、平路行車型態試驗，HCBNC 分別與原廠冷卻液與純水相比平均 對於汽缸壁溫度下降 17.25 %、10.5 %；出水口溫度改善率 9.5 %、9.25 %； 汽缸壁(排氣管) 溫度下降 9.75 %、7.75 %；火星塞溫度下降 8.25 %、8.75 %。在廢氣排放添加 HCBNC 分別與原廠冷卻液與純水相比的 HC 排放總 量減少 13 %、20 %；CO 排放總量減少 39 %、 49 %，而 CO2 排放總量減 少 20 %、28 %。在 PM 排放測試，HCBNC 與原廠冷卻液在粒徑 2 μm 以 下總量減少 7 %，在粒徑 3 μm 以上總量減少 77 %。. iii.
(5) Abstract Title ：. Research on Application of Nano-Coolant in Engine Performance and Thermal Performance of Four-Stroke Locomotive. Pages ：. 152. School：. National Taiwan Normal University. Department：Department of Industrial Education. Time：. July, 2020. Degree：Master. Researcher： Ci-Yuan Sia Keywords:. Advisor：Yeou-Feng Lue. Hybrid Carbon, Nano Fluid, Coolant, Thermal Platform, Tribology. To carry out related research on the cooling effect of the cooling liquid of the water-cooled four-stroke locomotive, use the cooling system to add the composite carbon nanofluid (HCBNF) to the original cooling liquid, and then add the dispersant GA (gum arabic) for electromagnetic heating and stirring for 3 hour and Ultrasonic vibration for 1 hour to prepare composite carbon nano-coolant (HCBNC). The sedimentation, specific heat, thermal conductivity, viscosity and wear tests at different concentrations and temperatures were carried out to explore the basic properties. The experiments were tested for base, 0.02 wt.%, 0.04 wt.%, and 0.06 wt.% HCBNC, and the sedimentation test in the basic test. As a result, it was found that the 0.04 wt.% effect of HCBNC was very stable after 30 days of standing and there was almost no precipitation. The viscosity test found that the viscosity of 0.06 wt.% was higher than other concentrations; the specific heat test found that the concentration of 0.04 wt.% was lower than other concentrations and base; the thermal conductivity test was 0.04 wt.% as the best thermal conductivity; the final tribology test was 0.04 wt.%, The tribology iv.
(6) improvement rate of both 0.06 wt.% is higher than that of base. Based on the above four test results, a concentration of 0.04wt.% was selected for subsequent experiments. The optimal concentration of 0.04wt.% HCBNC was added to the thermal platform and the actual vehicle experiment. In the heat exchange system platform, the water heat dissipation performance improvement rate was 37.5%, the air heat dissipation performance improvement rate was 6.45%, and the engine warm-up performance test. The improvement rate of reclaimed water heat dissipation performance was 23%, and the improvement rate of air heat dissipation performance was 7.94%. Compared with the original coolant and pure water, HCBNC in real vehicles has improved ECE-40 type fuel consumption by 12% and 14%, and fixed speed 50 km/h type fuel consumption by 9% and 13%. The average fuel consumption (km/L) improved by 11% and 14%. The throttle opening is fixed at 25% for flat road and hill-climbing mode tests, the speed improvement rate for horizontal road mode is 3% and 4%, and the speed improvement rate for hill-climbing mode is 8% and 18%. In the four experiments ECE-40 running mode test, constant speed running mode test, climbing mode test, flat road mode test, HCBNC was compared with the original coolant and pure water on the average cylinder wall temperature Decrease by 17.25%, 10.5%; water outlet temperature improvement rate of 9.5%, 9.25%; cylinder wall (exhaust pipe) temperature decreased by 9.75%, 7.75%; spark plug temperature decreased by 8.25%, 8.75%. Adding HCBNC to exhaust gas emissions reduces the total HC emissions by 13% and 20% compared with the original coolant and pure water respectively; the total CO emissions are reduced by 39% and 49%, and the total CO2 emissions are reduced by 20% and v.
(7) 28%. In the PM emission test, the total amount of HCBNC and the original coolant is reduced by 7% when the particle size is below 2 μm, and the total amount is reduced by 77% when the particle size is above 3 μm.. vi.
(8) 目次 摘要 ...................................................................................................................... i Abstract .............................................................................................................. iii 目次 .................................................................................................................... vi 表次 .................................................................................................................... ix 圖次 .................................................................................................................... xi 第一章 緒論 ....................................................................................................... 1 1.1 前言 .......................................................................................................... 1 1.2 研究動機 .................................................................................................. 2 1.3 研究目的 .................................................................................................. 3 1.4 研究方法 .................................................................................................. 4 1.5 論文架構 .................................................................................................. 6 第二章 文獻回顧 ............................................................................................... 7 2.1 奈米流體 .................................................................................................. 7 2.1.1 奈米材料型態 ..................................................................................11 2.1.2 奈米流體製備 ..................................................................................11 2.1.3 布朗運動 ......................................................................................... 14 2.2 複合奈米流體相關研究 ........................................................................ 15 2.3 奈米流體熱傳導係數 ............................................................................. 16 2.4 黏度係數 ................................................................................................. 19 2.5 奈米流體應用於熱交換模擬平台 ......................................................... 19 2.6 奈米流體應用於車用冷卻系統 ............................................................. 22 第三章 實驗方法與裝置................................................................................. 27 3.1 複合碳系奈米流體檢測 ........................................................................ 29 3.2 複合碳系奈米冷卻液樣本製備 ............................................................. 31 vii.
(9) 3.3 HCBNC 基礎性質量測 .......................................................................... 35 3.3.1 沉降實驗 ......................................................................................... 35 3.3.2 黏度量測實驗 ................................................................................. 36 3.3.3 比熱量測實驗 ................................................................................. 40 3.3.4 熱傳導實驗 ..................................................................................... 44 3.3.5 磨潤實驗 ......................................................................................... 47 3.4 熱交換系統平台製作 ............................................................................. 50 3.5 熱交換系統平台實驗 ............................................................................. 54 3.6 實車實驗 ................................................................................................. 58 第四章 實驗結果與討論 ................................................................................. 71 4.1 奈米材料檢測 ........................................................................................ 71 4.1.1 奈米粒子外觀檢測 .......................................................................... 71 4.2 複合碳系奈米冷卻液基礎性質量測 .................................................... 72 4.2.1 沉降實驗 .......................................................................................... 72 4.2.2 黏度量測實驗 .................................................................................. 74 4.2.3 比熱量測實驗 .................................................................................. 75 4.2.4 熱傳導量測實驗 .............................................................................. 76 4.2.5 磨潤量測實驗 .................................................................................. 79 4.3 基礎性質綜合評估 ................................................................................ 83 4.4 熱交換系統平台量測 ............................................................................. 83 4.4.1 水箱散熱性能實驗水散熱量 .......................................................... 83 4.2.2 水箱散熱性能實驗空氣散熱量 ...................................................... 86 4.4.3 引擎暖車性能實驗水散熱量 .......................................................... 90 4.4.4 引擎暖車性能實驗空氣散熱量 ...................................................... 94 4.5 實車試驗 ................................................................................................. 98 viii.
(10) 4.5.1 能源改善率試驗 .............................................................................. 98 4.5.2 性能改善率試驗 ............................................................................ 104 4.5.3 溫度特性試驗 ................................................................................ 108 4.5.4 廢氣 PM 排放試驗 ........................................................................ 131 第五章 結論與建議 ....................................................................................... 137 5.1 結論 ...................................................................................................... 137 5.2 後續研究與建議 .................................................................................. 139 參考文獻 ..................................................................................................... 141 符號釋義 ..................................................................................................... 151. ix.
(11) 表次 表 2.1. 奈米流體改善效果 ........................................................................... 10. 表 2.2. 奈米流體分散效果 ........................................................................... 13. 表 2.3. 奈米流體熱傳導 ............................................................................... 18. 表 2.4. 熱交換模擬器 ................................................................................... 20. 表 3.1. 場發射槍穿透式電子顯微鏡規格................................................... 29. 表 3.2. PGO 冷卻液詳細資料..................................................................... 32. 表 3.3. 複合奈米冷卻液樣本調配比例....................................................... 32. 表 3.4. 精密電子天平規格 ........................................................................... 32. 表 3.5. 六聯式電磁加熱攪拌機規格........................................................... 33. 表 3.6. 超音波震盪機規格 ........................................................................... 34. 表 3.7. 手持式音波黏度計規格................................................................... 38. 表 3.8. HCBNC 黏度量測參數配置 ........................................................... 38. 表 3.9. 熱示差量熱儀規格 ........................................................................... 42. 表 3.10. HCBNC 比熱量測參數配置 ............................................................ 42. 表 3.11. 熱特性分析儀規格 ........................................................................... 45. 表 3.12. HCBNC 熱傳導量測參數配置 ....................................................... 45. 表 3.13. 迴轉式多功能磨潤機臺規格........................................................... 48. 表 3. 14. HCBNC 磨潤實驗量測參數配置 ................................................... 48. 表 3. 15. PGO 彪虎機車 125 規格 ................................................................ 63. 表 3. 16. 四象限底盤動力計規格 .................................................................. 64. 表 3. 17. 實車實驗參數 .................................................................................. 64. 表 3. 18. 廢氣分析儀規格 .............................................................................. 66. 表 3. 19. 粉塵微粒測定器規格 ...................................................................... 68. 表 4.1. 原廠冷卻液磨潤實驗結果............................................................... 80 x.
(12) 表 4.2. HCBNC 磨潤 .................................................................................. 81. 表 4.3. HCBNC 基礎性質綜合 .................................................................. 83. 表 4.4. 水箱散熱性能水散熱量計算......................................................... 86. 表 4.5. 水箱散熱性能空氣散熱量計算..................................................... 90. 表 4.6. 引擎暖車性能水散熱量計算......................................................... 93. 表 4.7. 引擎暖車性能空氣散熱量計算..................................................... 99. 表 4.8. ECE – 40 行車型態燃油消耗量 .................................................. 101. 表 4.9. 定速行車型態燃油消耗量........................................................... 101. 表 4.10. 平均態燃油消耗量 ....................................................................... 101. xi.
(13) 圖次 圖 1.1. 研究流程 ......................................................................................... 5. 圖 3.1. 整體研究流程 ............................................................................... 28. 圖 3.2. X 光晶繞射分析儀 ....................................................................... 29. 圖 3.3. 場發射槍穿透式電子顯微鏡 ....................................................... 29. 圖 3.4. HCBNC NCs 粒徑檢測流程 ........................................................ 30. 圖 3.5. 精密電子天平 ............................................................................... 33. 圖 3.6. 六聯式電磁加熱攪拌機 ............................................................... 34. 圖 3.7. 超音波震盪機 ............................................................................... 34. 圖 3.8. 沉降實驗架構 ............................................................................... 35. 圖 3.9. 比色槽 ........................................................................................... 35. 圖 3.10. 沉降實驗流程 ............................................................................... 36. 圖 3.11. HCBNC 黏度實驗架構 ................................................................ 37. 圖 3.12. 手持式音波黏度計 ....................................................................... 37. 圖 3.13. HCBNC 黏度量測流程 ................................................................ 39. 圖 3.14. 比熱實驗架構 ............................................................................... 41. 圖 3.15. 熱示差量熱儀 ............................................................................... 41. 圖 3.16. HCBNC 比熱量測流程 ................................................................ 43. 圖 3.17. 熱傳導實驗架構 ........................................................................... 45. 圖 3.18. 熱特性分析儀 ............................................................................... 45. 圖 3.19. HCBNC 熱傳導量測流程 ............................................................ 46. 圖 3.20. HCBNC 磨潤實驗架構 ................................................................ 48. 圖 3.21. 迴轉式多功能磨潤機臺實體 ....................................................... 48. 圖 3.22. 磨潤實驗流程 ............................................................................... 49. 圖 3.23. 熱交換系統平台 ........................................................................... 53 xii.
(14) 圖 3.24. 加熱器 ......................................................................................... 53. 圖 3.25. 溫度量測線 ................................................................................. 53. 圖 3.26. 溫度控制器 ................................................................................. 53. 圖 3.27. 液體流量計 ................................................................................. 53. 圖 3.28. 原廠專用水箱 ............................................................................. 54. 圖 3.29. 水泵 ............................................................................................. 54. 圖 3.30. 無紙式紀錄器 ............................................................................. 54. 圖 3.31. 熱交換系統平台架構 ................................................................. 56. 圖 3.32. HCBNC 熱交換系統平台實驗流程 .......................................... 57. 圖 3.33. 實車實驗系統 ............................................................................. 62. 圖 3.34. PGO 彪虎機車 125 四行程噴射引擎機車 ............................... 62. 圖 3.35. 底盤動力計架構 ......................................................................... 63. 圖 3.36. 四象限底盤動力計 ..................................................................... 63. 圖 3.37. 實車實驗流程 ............................................................................. 65. 圖 3.38. 廢氣分析儀 ................................................................................. 66. 圖 3.39. PM 汙染物採樣設備系統 .......................................................... 67. 圖 3.40. 粉塵微粒測定器 ......................................................................... 68. 圖 3.41. 溫度特性量測點 ......................................................................... 69. 圖 3.42. A 齒輪油量測點、B 機油量測點 C 汽缸壁量測點 .............. 70. 圖 3.43. D 火星塞量測點、E 入水口量測點、F 出水口量測點 ....... 70. 圖 3.44. G 排氣管量測點 ........................................................................ 70. 圖 4.1. X 光繞射分析 ............................................................................ 72. 圖 4.2. NCs 粒徑與形貌 ......................................................................... 72. 圖 4.3. HCBNC 調和原廠冷卻液 .......................................................... 73. 圖 4.4. 二階合成 HCBNC 靜置第 2 天 ................................................. 73 xiii.
(15) 圖 4.5. HCBNC 靜置第 5 天 ................................................................. 74. 圖 4.6. HCBNC 靜置第 30 天 ............................................................... 74. 圖 4.7. HCBNC 黏度 .............................................................................. 75. 圖 4.8. HCBNC 比熱 .............................................................................. 76. 圖 4.9. HCBNC 熱傳導 .......................................................................... 77. 圖 4.10. 50 ℃ HCBNC 熱傳導係數改善率 ............................................ 78. 圖 4.11. 70 ℃ HCBNC 熱傳導係數改善率 ............................................ 78. 圖 4.12. 90 ℃ HCBNC 熱傳導係數改善率 ............................................ 79. 圖 4.13. 不同濃度的 HCBNC 磨耗改善率 ............................................ 82. 圖 4.14. HCBNC 0 wt.％試片磨痕 .......................................................... 82. 圖 4.15. HCBNC 0.02 wt.％試片磨痕 ..................................................... 82. 圖 4.16. HCBNC 0.04 wt.％試片磨痕 ..................................................... 82. 圖 4.17. HCBNC 0.06 wt.％試片磨痕 ..................................................... 82. 圖 4.18. 純水水箱散熱性能水散熱量 ..................................................... 84. 圖 4.19. 原廠冷卻液水箱散熱性能水散熱量 ......................................... 84. 圖 4.20. 0.04 wt.％HCBNC 水箱散熱性能水散熱量 ........................... 85. 圖 4.21. 水箱散熱性能水散熱量改善率 ................................................. 86. 圖 4.22. 純水水箱散熱性能空氣散熱量 ................................................. 87. 圖 4.23. 原廠冷卻液水箱散熱性能空氣散熱量 ..................................... 88. 圖 4.24. 0.04 wt.％ HCBNC 水箱散熱性能空氣散熱量 ....................... 89. 圖 4.25. 水箱散熱性能水散熱量改善率 ................................................. 90. 圖 4.26. 純水引擎暖車性能冷卻液散熱量 ............................................. 91. 圖 4.27. 原廠冷卻液引擎暖車性能冷卻液散熱量 ................................. 92. 圖 4.28. 0.04 wt.％HCBNC 引擎暖車性能冷卻液散熱量 ..................... 92. 圖 4.29. 引擎暖車性能冷卻液散熱量改善率 ......................................... 94 xiv.
(16) 圖 4.30. 純水引擎暖車性能空氣散熱量 ................................................. 95. 圖 4.31. 原廠冷卻液引擎暖車性能空氣散熱量 ..................................... 95. 圖 4.32. 0.04 wt.％ HCBNC 引擎暖車性能空氣散熱量 ....................... 96. 圖 4.33. 引擎暖車性能空氣散熱量改善率 ............................................. 97. 圖 4.34. 連續 6 次 ECE-40 行車型態測試 ............................................ 98. 圖 4.35. 單次 ECE-40 行車型態測試 ..................................................... 99. 圖 4.36. 定速(50 km/h) 行車型態測試 ................................................. 100. 圖 4.37. 燃油消耗量測試 ....................................................................... 102. 圖 4.38. ECE-40 行車型態燃油消耗量改善率 .................................... 102. 圖 4.39. 定速行車型態燃油消耗量改善率 ........................................... 103. 圖 4.40. 燃油消耗量改善率 ................................................................... 103. 圖 4.41. 爬坡行車型態車速 ................................................................... 105. 圖 4.42. 爬坡行車型態車速改善率 ....................................................... 105. 圖 4.43. 爬坡行車型態車輪扭矩 ........................................................... 106. 圖 4.44. 平路行車型態車速 ................................................................... 107. 圖 4.45. 平路行車型態車速改善率 ....................................................... 107. 圖 4.46. 平路行車型態車輪扭矩 ........................................................... 108. 圖 4.47. ECE - 40 行車型態比較齒輪油 ............................................... 109. 圖 4.48. ECE - 40 行車型態比較機油 ....................................................110. 圖 4.49. ECE - 40 行車型態比較汽缸壁 ................................................110. 圖 4.50. ECE-40 行車型態比較出水口溫度 .......................................... 111. 圖 4.51. ECE-40 行車型態比較入水口溫度 ..........................................112. 圖 4.52. ECE-40 行車型態比較汽缸壁(排氣管) ..................................112. 圖 4.53. ECE-40 行車型態比較火星塞 ..................................................113. 圖 4.54. ECE-40 行車型態比較排氣管 ..................................................114 xv.
(17) 圖 4.55. 定速行車型態比較齒輪油 ........................................................115. 圖 4.56. 定速行車型態比較機油 ............................................................115. 圖 4.57. 定速行車型態比較汽缸壁 ........................................................116. 圖 4.58. 定速行車型態比較出水口溫度 ................................................117. 圖 4.59. 定速行車型態比較入水口溫度 ................................................117. 圖 4.60. 定速行車型態比較汽缸壁(排氣管) ........................................118. 圖 4.61. 定速行車型態比較火星塞 ........................................................119. 圖 4.62. 定速行車型態比較排氣管 ........................................................119. 圖 4.63. 平路行車型態比較齒輪油 ....................................................... 120. 圖 4.64. 平路行車型態比較機油 ........................................................... 121. 圖 4.65. 平路行車型態比較汽缸壁 ....................................................... 121. 圖 4.66. 平路行車型態比較出水口溫度 ............................................... 122. 圖 4.67. 平路行車型態比較入水口溫度 ............................................... 123. 圖 4.68. 平路行車型態比較汽缸壁(排氣管) ....................................... 123. 圖 4.69. 平路行車型態比較火星塞 ....................................................... 124. 圖 4.70. 平路行車型態比較排氣管 ....................................................... 125. 圖 4.71. 爬坡行車型態比較齒輪油 ....................................................... 126. 圖 4.72. 爬坡行車型態比較機油 ........................................................... 126. 圖 4.73. 爬坡行車型態比較汽缸壁 ....................................................... 127. 圖 4.74. 爬坡行車型態比較出水口溫度 ............................................... 128. 圖 4.75. 爬坡行車型態比較入水口溫度 ............................................... 128. 圖 4.76. 爬坡行車型態比較汽缸壁(排氣管) ....................................... 129. 圖 4.77. 爬坡行車型態比較火星塞 ....................................................... 130. 圖 4.78. 爬坡行車型態比較排氣管 ....................................................... 130. 圖 4.79. ECE - 40 行車型態 HC 排放 ................................................... 132 xvi.
(18) 圖 4.80. ECE-40 行車型態 CO 排放結果 ............................................. 133. 圖 4.81. ECE-40 行車型態 CO2 排放結果 ............................................ 134. 圖 4.82. 粒狀汙染物 PM 0.3 μm 排放 ................................................... 135. 圖 4.83. 粒狀汙染物 PM 0.5 μm 排放 ................................................... 135. 圖 4.84. 粒狀汙染物 PM 1 μm 排放 ...................................................... 135. 圖 4.85. 粒狀汙染物 PM 2 μm 排放 ...................................................... 135. 圖 4.86. 粒狀汙染物 PM 3 μm 排放 ...................................................... 135. 圖 4.87. 粒狀汙染物 PM 5 μm 排放 ...................................................... 135. xvii.
(19) 第一章 緒論 本章節主要說明本研究的基礎概念與架構，分別為前言、研究動 機、研究目的、研究方法、論文架構、文獻回顧，分別敘述如後。. 1.1. 前言 全球暖化的世代，近年來科技的快速進步，人們更加追求高效率、高. 效能的交通運輸工具，但全球暖化議題逐漸升溫，且受到各國家的高度關 注，環保與節約能源的運輸效能，節能減碳目前是相當重視的議題，而「廢 氣汙染」是這背後的原因，在廢氣汙染中汽機車排放占了三成，為了降低 汽機車排放廢氣，其中提升冷卻系統效能是改善方法之一。 現今繁華的世界每個國家都使用著各種交通工具，當然每個國家使用 的不一定一樣，向台灣機車的使用率為最高。根據交通部的統計，在民國 108 年(統計至 10 月份)全台灣的機車總數量有 13,954,886 輛，相對的跟 106 年比較增加率為 1.37 ％，相當於每 100 人就有 93.5 人擁有機車，相 較於 80 年的 7,409,175 輛提升約 89 ％，是全世界機車密度最高的國家[1]。 在降低汽機車排放廢氣的方法之一，就是提升冷卻系統的效能，隨著科技 的發展，許多研究者發現： 「奈米流體」具有優越的熱物理性能，因此被廣 泛應用在各個領域上，其中導熱及散熱性能是我們所注重的性質。 為了評估冷卻系統中奈米流體的性能，必須考慮一些熱物理性質。這 些包括導熱率、比熱、密度和黏度。通過了解這些特性，在不同的溫度和 濃度下進行實驗，可以分析出其總傳熱係數，通常，只有具有良好分散性 或形成可逆性的奈米粒子再進一步加工以具有長效分散性。本研究在不同 使用條件下具有不同粒徑，顆粒形態和表面改性設計的奈米流體的分散行 為的系統和詳細研究。複合奈米流體提供了熱物理性質的增強，尤其是導 熱率。在 Heris 等人[2]的研究中，添加奈米流體與基礎液體相比，可得出 奈米流體的導熱係數高於水增強率為 55 ％。而在 Nor Azwadi Che Sidik 等 1.
(20) 人[3]的研究中可得知將奈米顆粒分散在傳統的冷卻劑。與原冷卻劑相比， 傳熱係數可提高 50 ％。這樣的設計不僅可以產生相當大的節能效果，而 且還可以減少燃料消耗導致的車輛排放廢氣，從而最大限度地減少全球暖 化。 至今使用石化能源的需求非常高，雖然各國致力於開發新能源與新興 技術來替代石化能源，但短期內石化能源還是人類不可或缺的主要能源之 一。而石化燃料與人類生活上最直接相關的莫過於內燃機引擎的燃料使用。 目前引擎運作主要散失的能量仍以「熱能」為主，汽油引擎的能量轉換效 率僅為20 %，柴油引擎的能量轉換效率則為40 %。引擎在運作時，活塞被 曲軸帶動，其活塞環與氣缸壁間就會產生摩擦，造成能量的散失，其中就 活塞環組件的摩擦損失佔總摩擦損失的約40~50 ％。另據統計引擎約有 30 %左右的能量消耗在機件的冷卻散熱上。因此「冷卻與潤滑」就是其中 一個影響的關鍵點， 若能改善其「冷卻與磨潤」行為以減少冷卻與摩擦損 失，則對引擎機件磨耗、使用壽命、油耗與排放 PM 等皆具正面效益。. 1.2. 研究動機 全世界中交通工具大部分使用石化燃料的需求相當的高，近年來各國. 一置信將開發新能源與新興技術來替代石化燃料，但目前新能源發的局限 還是有一定的範圍，短期內石化燃料還是人類不可或缺的能源之一。 節能減碳是目前的全球重點，在新能源汽車尚未成熟之前，如何改善 現有車輛的油耗問題，是一個值得深思的方向，在內燃機引擎的發展已到 瓶頸之際，可利用開發高性能冷卻液達到高性能的散熱效果，縮小熱交換 器尺寸，進而減輕汽車重量。可將引擎多處最高溫降低，減緩引擎爆震極 限之限制，可提升引擎最大扭力點火正時提前角度(maximum best torque, MBT)，進而增加引擎工作效能，縮短暖車時間，減少散熱風扇作動週期， 達到節能減碳目的。未來相關研究成果亦可延伸應用於新能源車輛系統及 2.
(21) 其他產業之中，尤其於混合動力車(HEV)、電動車(EV)燃料電池車(FCV) 動力馬達、電池與控制器之冷卻散熱應用。 近年來不管是依靠石化能源傳統動力汽機車或者電動動力汽機車，兩 者都還是有引擎這一項動力來源，而引擎主要散失的能量為熱能，現代的 交通工具多採用循環水在汽缸或汽缸頭水裡，將引擎產生的廢熱油循環水 帶走，在水冷排放再將水降溫循環使用，這是水冷式冷卻系統來降低引擎 溫度。當現今奈米材料相當火熱的時代，許多研究學者將各式各樣不同的 奈米材料添加至不同的冷卻系統中，讓奈米材料中的導熱效果來提供冷卻 系統散熱效果，來達到此機械運作效率能增加的狀態。. 1.3. 研究目的 根據研究動機，本研究具體之研究目的如下:. 1.. 製備複合碳系奈米流體(hybrid carbon base nano fluid, HCBNF). 2.. 配置複合碳系奈米冷卻液(hybrid carbon base nano coolant, HCBNC)。. 3.. 複合碳系奈米冷卻液基礎性質分析。. 4.. 建立熱交換系統平台。. 5.. 針對基礎流體(水)用於熱交換系統平台之散熱性能分析。. 6.. 將複合碳系奈米冷卻液最佳濃度用於熱交換系統平台及水冷式機車上 並評估散熱性能影響。. 7.. 分析熱交換系統平台及水冷式機車實車試驗的可行性與後續評估。. 3.
(22) 1.4. 研究方法 本論文採用文獻探討、理論分析與實驗研究等三種方式來進行研究。. 主要分為複合碳系奈米冷卻液分析與實際應用研究兩大部分進行研究與 探討。 再進行基礎性質分析，經過理論分析與實驗研究來探討在不同重量百 分比的複合奈米冷卻液在沉降情形、黏滯係數、比熱性質、熱傳導性質和 磨潤性質的影響，並以參照相關文獻進行分析與比較；在實際應用研究方 面，透過實驗研究來測試複合奈米冷卻液實際應用熱交換系統平台以及實 車試驗上，藉由底盤動力計的表現性能做可行性的評估。研究流程如圖 1.1 所示。. 4.
(23) 研究流程規劃. 理論分析與閱讀文獻 沉降試驗. 黏度試驗. 奈米流體製備. 比熱試驗 基礎試驗. 熱傳導試驗. No. 磨潤試驗 完成? 水箱散熱性能溫 度試驗. Yes 熱交換系統平台試驗. 引擎暖車性能溫 度試驗 ECE-40 試驗. 實車實驗. 平路試驗 結果與討論 定速試驗 結論 爬坡試驗 圖 1.1 研究流程 5.
(24) 1.5. 論文架構 本論文研究架構分為五章，各章節內容架構分別敘述如下:. 第一章 緒論:敘述本研究之前言、研究動機、研究目的、研究方法、 論文架構以及文獻回顧。 第二章 相關理論與分析:熱傳導係數、黏度係數、奈米冷卻液與特性和相 關複合奈米材料在國際上的期刊發表作為探討。 第三章 實驗方法與裝置:奈米流體的製備、複合碳系奈米冷卻液的製備、 複合碳系奈米冷卻液基礎性質實驗方式、複合碳系奈米冷卻液實 車測試實驗方式、複合碳系奈米冷卻液熱交換系統平台及相關設 備介紹。 第四章 實驗結果與討論:將實驗結果與相關文獻及理論分析探討。 第五章 結論與建議:對於論文內容與實驗結果進行統整歸納並且提出 未來研究方向。. 6.
(25) 第二章 文獻回顧 近年來，液體冷卻系統更進一步替代方案紛紛出籠，包括在冷卻劑中 添加奈米顆粒，形成所謂的奈米流體（nanofluid） 。利用工程原理上，在液 體中均勻懸浮奈米顆粒，是一種已知的奈米創新技術。奈米粉體分散在液 體中，通常使用金屬或金屬氧化物大小皆在 1-100 nm 之間。當懸浮在液體 時，奈米顆粒產生的膠體溶液，證明可以消除早期使用較大顆粒的問題， 傳統液固混合物容易有侵蝕、沉澱、堵塞等現象。奈米顆粒在液體中分散， 改變整個流體的熱物理性質，例如提高導熱率、提高懸浮性等等。. 2.1 奈米流體 當奈米流體加入冷卻相關系統中時，發現熱傳率提高 20 ％。因此從 西元 2010 年至今每年都有各式各樣新興的奈米流體被發現分別進行相關 的基礎試驗中去驗證提高或改善性能。 2007 年黃等人[4]發現，奈米流體的熱導率取決於顆粒的體積分數與基 礎流體和顆粒的熱導率，穩定性受懸浮顆粒和基礎流體的特性（例如顆粒 形態，顆粒的化學結構和基礎流體）的強烈影響。MWCNT 添加分散劑 SDS 可以改善懸浮液的穩定性。 2008 年 Lee 等人[5]測量了低濃度氧化鋁水溶液（Al 2 O 3）使用二階 法與超音波作用下做出的奈米流體，作者推斷水性奈米流體的熱導率會隨 者氧化鋁顆粒的添加呈線性增加。 2009 年 Wei Yu 等人[6]研究了基於二氧化鋅-乙二醇（ZnO-EG）的奈 米流體的熱導率。通過在乙二醇中添加 5％體積的二氧化鋅奈米顆粒，他 們獲得了約 26.5 ％的熱導率提高，認為奈米流體的熱導率在很大程度上 7.
(26) 取決於懸浮顆粒的大小，ZnO-EG 奈米流體的熱導率隨奈米顆粒體積分數 的增加而非線性增加。 2009 年 Mintsa 等人[7]研究發現溫度、粒度和體積分數對奈米流體氧 化銅和氧化鋁的熱導率的影響。作者認為奈米流體隨著顆粒體積分數、溫 度和粒徑的增加對於熱特性可以得到增強。作者發現在相同的體積分數下， 粒徑越小，奈米流體的有效導熱係數就越大。當以相同的體積分數使用較 小的顆粒時，具有流體和布朗運動的顆粒的接觸表面積可以增加。因此會 增加奈米流體的熱導率。 2011 年 Peyghambarzadeh 等人[8] 研究將水和 EG 奈米流體作為汽車 散熱器扁平鋁管內冷卻劑的對流傳熱增強特性。隨著奈米顆粒的添加，觀 察出總傳熱速率的顯著增加。在兩種奈米流體的最佳條件下均獲得了最高 40 ％。實驗結果表明，奈米流體的傳熱導過度依賴於粒子的濃度和流動條 件，而對溫度的依賴則微弱。 研究液體冷卻系統紛紛推出新的液體，奈米流體是個非常重要的 熱傳導工具，許多研究者[9-12]將奈米流體應用在許多領域的傳熱，例如汽 車、電子、太陽能、或學工業。其中包括在冷卻液體中添加奈米顆粒粉末， 形成大家稱為的奈米流體(Nanofluid)，使用物理原理將分散劑加入奈米粉 末與液體中，使得奈米粉末在液體中均勻懸浮的顆粒，分散在基液體中(水、 乙二醇和油類等)的奈米顆粒通常使用金屬或者金屬氧化物，大小區間在 1-100 nm 的懸浮粒子的流體，在此已經改善早期傳統液固混合物侵蝕、沉 澱、堵塞等現象。除了解決這些問題以外奈米顆粒在基本液體中的分散， 改變整個流體的熱物理性質提升熱導熱率。 在奈米流體中導熱係數合黏滯係數是奈米流體中兩個最為關鍵的參 8.
(27) 數[13]，導熱率代表奈米流體直接傳導或傳遞熱量的能力[14]，黏滯係數代 表奈米流體對於泵功率或著壓力[15]。許多研究學者[16-21]已經研究了許 多種金屬與金屬氧化物奈米粒子和奈米流體的熱傳導率與黏滯係數，不同 實驗方式與實驗材料有不同的改善性能與熱傳導率、黏滯係數提升，將各 研究者所做出來的數據統整出改善的效果，如表 2.1 所示。 本研究將採用燃燒氧乙炔產生的複合碳系奈米流體添加於機車水箱 精，並與原廠水箱精進行比較，在各基礎性能中獲得明顯之改善，使內燃 機引擎運轉時，可以得到較低的熱衰竭提高熱傳導性質，進而降低運作時 的油耗量，若與原廠水箱精相比有較大的改善性能，不僅能夠勝於其他奈 米材料價格昂貴的缺點，也奠定奈米冷卻液的理論基礎及材料特性，不僅 僅添加入機車作為使用，更能夠加入到對於需要散熱相關機具上。. 9.
(28) 表 2.1 奈米流體改善效果 研究者. 研究材料. K.Y.Leong 等人[16]. Cu/EG. Peyghambarzadh 等人[17]. Al2 O 3/EG. Ali ljam 等人[18]. TiO2/EG. Selvam 等人[19]. 石墨烯/EG. Akhavan-Behabadi 等人. MWCNT/EG. 熱傳導提升 45.2 ％奈米粒 子的奈米流體以 0.2 m 3 / s 的 冷卻劑體積流量的散熱器需 要 額 外 的 12.13 ％ 的 泵 功 率。. [20]. Hussein 等人[21]. 研究結果與發現. SiO2/EG. 10. 熱傳導提升 45 ％ 在體積分數為 4 ％的入口速 度為 6 m / s 時，熱通量的最 大提高為 12.43 ％。 發現在 0.5 ％（體積） ，62.5 g/s 的流速和 5 m/s 的空氣速 度下，總傳熱係數的最高提 高為 104 ％，而 0 ％（體 積） 。在質量流量為 62.5 g / s 時，壓降的最大增加僅為 39 ％。 奈米流體的熱導率明顯高於 純水，並且隨著奈米流體濃 度 和 溫 度 的 增 加 。 在 40 °C 時 ， 濃 度 0.09 ％ MWCNT 的最大導熱率提高 了 16.64 ％。 於水中添加 2.5 vol.％濃度的 的 SiO2 奈米粒子，其磨擦因 數的最大值增加 22 ％，傳導 率改善最高可達 40 ％。.
(29) 2.1.1 奈米材料型態 奈米材料總共分為四大類，有奈米粉末、奈米纖維、奈米膜、奈米 塊體。在空間所表現出來的型態可分為:零維(zero - dimension)奈米材 料是指一般的奈米微粒、一維(one - dimension)奈米材料是指形狀有奈 米管、奈米線、奈米桿等材料、二維(two - dimension)奈米材料是指奈 米薄膜材料、三維(three - dimension)奈米材料是指奈米塊材，在這四種 材料中奈米粉末是開發時間最長最耗時的材料，也是技術中最成熟的， 是其他三類材料中的基礎材料。 2.1.2 奈米流體製備 在奈米流體的製備方式分為兩種，一階合成法(one step synthesis) 及二階合成法(two step synthesis)。 一階合成法或稱為單一步驟直接凝結分散法，是利用金屬氧化後 的奈米粒子直接倒入基礎流體中，經過攪拌或者其他處理，藉由放置 一段時間靜置後粒徑較小會漂浮在基礎流體當中，粒徑較大者會因重 力作用產生沉澱現象，在這兩現象中都不能到最好的現象，只能在兩 者之間作為最佳奈米流體，一階合成法缺點是奈米流體顆粒粒徑大小 及濃度不容易控制。 二階合成法則是將商用奈米材料或自製的粉末直接添加在工作流 體中。然後分散在流體中，二階合成法優點為顆粒粒徑大小與濃度較 易均勻較容易控制，缺點在製作過程容易產生團聚現象而形成沉澱。 Xuan[22]提出三項建議來穩定懸浮效果: 1.. 利用超音波震盪器對奈米流體進行分散，來破壞團聚現象。. 2.. 將奈米流體改變pH值，以免因電位點而發生沉澱。. 3.. 在奈米流體中添加分散劑，幫助分散及促進懸浮效果。 11.
(30) 催化劑和分散劑有(硫醇、油酸、月桂酸鹽)，合適的分散劑的選擇 主要取決於溶液和顆粒的性質。分散劑有利於水性的分散劑可能適合 於水顆粒懸浮液，利於油性的分散劑適合於油顆粒懸浮液。表 2.2 為各 研究者[23-27]使用不同方法對奈米流體進行分散效果。 奈米流體的製備方法對於測量奈米流體的黏度非常重要的一環， 引響顆粒的團聚取決於奈米流體製備方法。一階合成大部分較為少用 步驟 Madni 等人[28] 製備 5 個不同濃度以 10 wt.％、15 wt.％、20 wt. ％、25 wt.％和 30 wt.％，其中兩種表面活性劑的比例為 1：1。懸浮液 包含 0.01 wt.％的 MWNT。將樣品超音坡震盪處理 2 h 以得到表面活 性劑塗層的 MWNT。含有較低表面活性劑濃度的樣品無法產生穩定的 分散體，而每種表面活性劑都有一個最佳的濃度，在此濃度以上它開始 與自身分子形成飽和。每種表面活性劑均具有臨界飽和濃度，在該臨界 膠束濃度以上會形成飽和層。使用單獨的表面活性劑濃度為 40 wt.％和 混合表面活性劑濃度的懸浮液。由於這些懸浮液顯示出最佳的分散穩 定性。 Ding 等人[29]使用蒸餾水和多壁奈米碳管用於奈米流體，碳納米 管（CNT）由清華納芬奈米粉商業化工程中心提供，並用二階合成法使 用在高壓下由碳氫化合物材料在奈米催化劑上催化生產。使用 UltraTurrax T25 混合器（德國 IKA）實現均質化。混合器在轉子和定子之間 的間隙為 0.5 毫米。轉子的轉速是可調的，最高轉速為 0〜24,000 rpm， 這可以提供高達 40,000 s 的剪切速率。在超聲波浴中超聲處理 24 h 以 上；將超聲處理的 CNT 分散到預設量的含阿拉伯膠分散劑的蒸餾水中， 並調節懸浮至預設的 pH 值，並用高剪切均化器處理混合物 30 min。. 12.
(31) 表 2.2 奈米流體分散效果 研究者. 研究材料與方法. Li 等人[23]. Cu 二階合成法. Das 等人[24]. TiO2 二階合成法. Said 等人[25]. Khairul 等人[26]. Witharana 等人 [27]. TiO2 二階合成法 CuO 二階合成法 Al2O3 二階合成法. 研究儀器 與 pH 值 超聲波震盪 (40 kHz 100 W) pH = 8.5〜9.5 超聲波震盪 (40 kHz ) pH = 3.9〜4.9、 2.8〜3.7. 研究結果 穩定的 ζ 值在40〜45 mV 之 間。. 穩定 500 h. 高壓均質機. 穩定 30 天 ζ 值= 41.8 mV. pH = 8.5〜9. ζ 值= 85.1 mV. pH =7.5〜3.7. ζ 值= 72.2 mV. 數字聲波發聲器 穩定的 ζ 值= 40 mV。 (24 h) pH =6.2〜7.8 數字聲波發聲器 穩定 2 個月 ζ 值 = 42 mV。 (16 h) pH =6 數字聲波發聲器 穩定 1 個月 ζ 值 = 20 mV。 (4 h) pH =9. TiO2 二階合成法 Al2O3 二階合成法 ZuO 二階合成法. 許多研究者使用超音波震盪器分解奈米流體中的顆粒，部分學者 選用分散劑或表面活性劑作為分散效果及分解效果，另外有些學者認 為添加分散劑或表面活性劑會影響流體本身的熱傳導性能，因此不添 加分散劑或表面活性劑在奈米流體中，但真正影響熱傳導最為顯著的 還是奈米粒子本身。. 13.
(32) 2.1.3 布朗運動 布朗運動 (Brownian motion)是一種微小粒子或顆粒在流體中進 行無規則運動，在西元 1827 年英國植物學家羅伯特.布朗(Robert Brown)在研究花粉中的微粒與孢子在水中懸浮狀態的微觀行為時，發 現花粉中的微粒與孢子在水中會隨機作不規則運動，後來布朗也證實 其他微細顆粒如粉塵也有同樣的現象，並將此現象稱為布朗運動。 藉由布朗運動所產生的擴散作用造成互相碰撞，而碰撞介面熱傳 分為三種，一種為流體分子與流體分子之間碰撞所產生的液體-液相 熱傳﹔第二種為流體分子與奈米顆粒之間碰撞所產生的液體-固相熱 傳，第三種為顆粒與顆粒之間碰撞所產生的固體-固相熱傳，因此添加 在奈米流體中的顆粒也會使工作溫度增加熱傳導係數上升，布朗運動 以顆粒擴散係數來表示如公式(2.1) D = KBT/3πμd…………………………………………………..……..(2.1) D 是擴散係數(mm2/s)，KB 是波茲曼常數大小 1.38×10-23(m2kg/s2K)， T 是絕對溫度(K)，μ 是黏滯係數(Pa - s)，d 是奈米顆粒的直徑(nm)。 公式(2.1)比較顆粒運動與熱在液體中的擴散時間長短，可以評估 布朗運動在熱傳導係數上的效應。也可以比較出一個顆粒移動相當於 其他顆粒大小的距離所需要的時間 τD，τH 為熱傳遞相同距離所需要時 間，χ 為擴散係數。 τD = d3/6D = 3πμd3/6 KBT………………………………………….....(2.2) τH = d3/6α = d2cpP/6 Kf………………………………..…………….. (2.3) 在室溫的水(黏度係數 μ = 1 mPa-s，熱傳導係數 Kf = 0.58 W/m·℃， 14.
(33) 密度 P = 1 g/m3，比熱 cp = 4.2 kJ/kg℃)與粒徑 d = 10 nm 的顆粒，由公 式(2.2)與公式(2.3)分別得到 τD ≈ 4 × 10-7 s 和 τH ≈ 10-10s。顆粒尺寸等於 是原子尺寸(≈ 0.5 nm)，τD /τH 比值從 ≈ 4000 變成 ≈ 200，表示即使有 極小奈米顆粒的條件，熱量傳遞的速度依然高於顆粒移動速度。可以 發現布朗運動顆粒運動太慢，造成顆粒與顆粒碰撞傳遞的效果非常小， 但顆粒還是受到布朗運動增加熱傳性能。. 2.2 複合奈米流體相關研究 目前複合奈米流體之散熱研究，有大量文獻證實複合奈米流體提升熱 傳導率，並在不同濃度、不同奈米材料及不同配置方法與製作方法，會產 生不同的效果。各種奈米流體在熱物理性質中具有高熱傳導係數與高穩定 性。 Soumen Jana 等人[30]，製備奈米碳管(CHT)、銅奈米顆粒(CuNPs)與金 奈米顆粒(AuNP)，在 CHT 的體積濃度到達 0.8 ％時，熱傳導係數提高 34 ％，但 CHT 的體積濃度與熱傳導係數呈現非線性關係。CuNPs 熱傳導係 數隨著體積濃度而增加，與基礎液體相比熱傳導率增加 74 ％。AuNP 在體 積濃度 1.4 ％時熱傳導係數提高 37 ％，在 CuNPs 懸浮濃度的增加與導熱 係數的增加呈線性關係，而在 CHT 呈現非線性關係，高導熱奈米流體通過 小冷卻系統的規模能減少損耗功率。 Chopker 等人[31] 利用機械合金化合成 Al2Cu 與 Ag2Al 作為複合奈 米流體，Al2Cu 在體積濃度 1 ％時熱傳導係數提高 70 ％，Ag2Al 的導熱 係數高於 Al2Cu，並發現體積濃度高於 1.5 ％ 顆粒會產生沉降與不均勻分 散，奈米流體較不穩定。 Chen 等人[32] 使用 Fe2O3 與 MWCNTs 做為複合奈米流體，將兩者 通過改質進行 Fe2O3 的體積濃度來評估複合奈米流體的熱傳導率，在 0.02 15.
(34) ％ Fe2O3 和 0.05 ％MWCNTs 在熱傳導係數得到 27.7 ％提升，發現提升 熱傳導係數是因為 Fe2O3 沿著 MWCNTs 表面局部分散。 Aravind 等人[33] 將石墨烯與多壁奈米碳管做為複合奈米流體，研究 發現熱傳導係數隨著體積濃度的增加而增加，使用 0.04 ％濃度分別在 25 ℃與 50 ℃取得 6.9 ％與 93 ％的熱傳導係數提升。 Baby 等人[34] 進行石墨烯與氧化銅做為複合奈米流體，在氧化石墨 烯中取出石墨烯，並將氧化銅奈米粉末以 0.05 ％與 0.01 ％分別加入去離 子水和乙二醇中，在濃度 0.05 ％分別在 25 ℃ 和 50 ℃取得熱傳導係數提 升 28 ％ 和 90 ％。研究者認為熱傳導係數增加是由石墨烯與氧化銅隨著 體積濃度增加而增加，因粒子間的間距減少，在滲透作用使更多粒子互相 接觸晶體震動的頻率增加。而發現氧化銅在乙二醇奈米流體的熱傳導係數 提升不如去離子奈米流體。在 0.07 ％分別在 25 ℃ 50 ℃取得熱傳導係數 提升 17 ％ 和 23 ％。. 2.3 奈米流體熱傳導係數 熱傳導係數是奈米流體中最重要的的一部分，熱傳導係數(thermal conauctiving)也可以稱為熱傳導率，則單位是 W/m.K，熱傳導率主要是物 體內之分子、原子或自由電子等粒子所引起的運動，互相接觸碰撞所產生 的熱能量交換，會有明顯的溫度差異。 熱傳導定律也稱為傅立葉定律，描述熱量在介質中的傳導，定律能分 為兩種表示，微分形式是局部的能量傳導律，而積分形式則是流入流出整 體的能量。 微分形式:表現出熱通量密度正比於熱導率乘以赴的溫度梯度。熱通量密度 單位為單位時間內流過單位面積的熱量。 q = -k▽T…………………………………………………………………... (2.4). 16.
(35) q 是熱通量密度( W．m-2) k 是材料的熱導率(W．m-1．k-1) ▽T 是溫度梯度(k．m-1) 積分形式:介質為一段溫度的兩端溫度恆定、均勻的一維介質下列為積分的 熱導率。 P = -kA(△T/△ｘ)…………………………………………………………. (2.5) A 是熱傳方向之截面積 k 是材料熱導率(W．m-1．k-1) △T:端溫差 △ｘ:端距離 導熱係數在奈米流體中最重要的吸引特性如表 2.3 所示[39-45]，代表 了材料傳導及傳遞熱量的能力。Liu 等人[35] 研究化學還原法產出水中合 成 Cu 粒子的奈米流體無使用表面活性劑作為分散劑，結果說明 Cu 奈米顆 粒的體積濃度為 0.1 ％時導熱係數最多提高 23.8 ％，Cu 奈米顆粒隨著體 積濃度增加熱導熱率也增加。 Yoo 等人[36] TiO 2，Al 2 O 3，Fe 和 WO 3 奈米流體是通過將納米顆粒 分散在基礎流體中的二階合成製備。瞬態熱線法用於熱導率的測量。TiO 2， Al 2 O 3，Fe 和 WO 3 的熱導率研究並比較了奈米流體。與基礎流體相比奈 米流體的導熱係數大大提高，證實熱導率、黏度係數和奈米顆粒大小引響 實驗數據有關。 Hussein 等人[37] 在 CFD 數值確定汽車散熱器中分散在水中的 TiO2 奈米粒子 的摩擦係數和強制對流傳熱。使用四種不同的 NFs 體積濃度（1 ％、 2 ％、3 ％和 4 ％） 並評估所得的熱性質。雷諾數和入口溫度分別為 10000 至 100000 和 60℃~90℃。結果表明，隨著雷諾數的增加，摩擦係數降低並隨 17.
(36) 著體積濃度的增加而增加。另外，隨著 NFs 的雷諾數和體積濃度的增加努塞 爾數增加。與純水相比低濃度的 TiO2 NFs 可以將傳熱效率提高 20 ％。 Zeinab Hajjar 等人[38] 研究改進方法合成氧化石墨烯（GO）奈米片。通 過 XRD，此外可見分光光度計和 SEM 成像估算 GO 結構。製備均勻且穩定 的 GO /水 NFs。研究 GO 濃度和溫度對導熱係數的影響。NFs 具有比基礎 流體高得多的導熱率。熱導率的增強很大程度上取決於 GO 的濃度，並隨著 濃度的增加而增加。當奈米流體濃度量為 0.25 wt.％時，在 20 ℃下增強率為 33.9％，並且當溫度升高至 40 ℃時，增強率高達 47.5 ％。 表 2.3 奈米流體熱傳導 作者. 粒子與基礎液. Choi[39]. Cu 乙二醇. Xuan[22] Hong[40]. 乙二醇. 40 ％. 100 nm 7.5 ％. 78 ％. 10 nm 0.55 ％. 18 ％. 10-20 nm. Patel[41]. 金. Xie[42]. Al2O3. 水. 68 nm. Zhou[43]. CuO. 水. 50 nm 0.4 ％. Murshed[44]. TiO2. 水. 15 nm. Assael[45]. 水. 導熱係數. 0.3 ％. 10 nm. 水. Cu Fe. 平均粒徑與濃度. 21 ％. 0.026 ％. MWCNT 水. 5 ％. 5 ％. 100 nm 0.6 ％. 18. 21 ％ 17 ％ 30 ％ 38 ％.
(37) 2.4 黏度係數 黏度(viscosity) 是黏性的程度，也稱黏（滯）係數、內摩擦係數。不同 物質的黏度不同，例如在室溫（25℃）與常壓（1 bar ）下，空氣的黏度為 18.5 μPa·s，和相同溫度下的水相比黏滯係數小 50 倍。汽油的黏度為 0.65 mPa·s，水為 1 mPa·s，血液（37℃）為 4〜15 mPa·s，最普通的液體黏度大 致在 1〜1000 mPa·s，氣體的黏度大致在 1〜10 μPa·s。黏滯力是流體受到 剪應力變形或拉伸應力時所產生的阻力，在日常生活方面，黏滯力像是「黏 稠度」或「流體內的摩擦力」 。因此，水是「稀薄」有較低的黏滯力，而蜂 蜜是「濃稠」有較高的黏滯力。黏滯力低的流體流動性越佳，相對的黏滯 力高的流體流動性越差，黏滯力是黏性液體內部的一種流動阻力，並可能 被認為是流體自身的摩擦，黏滯力主要來自分子間相互的吸引力。. 2.5 奈米流體應用於熱交換模擬平台 近幾年來許多研究者針對各種冷卻系統加入奈米流體，進行分析與自 行製作模擬平台來驗證奈米流體的改善率是否有提升，研究將複雜的熱交 換器模擬成汽車散熱器，並模擬汽車行車情形的工作溫度，來取得冷卻液 對於機台的熱傳導與散熱性能改善效果。將統整出多數研究者使用熱交換 器模擬如表 2.4 所示。 Peyghambarzadeh 等人[46] 在扁平管式汽車散熱器中設置 Al 2 O 3- 水 奈米流體，並改變了冷卻液流量和入口溫度。研究數據清楚說明表明，在 較高的雷諾數和較高的 Al 2 O 3 顆粒濃度下，Nusselt 數得到改善，因此總 傳熱速率得到改善。熱導率的適度增加 3 ％實際上並沒有增強傳熱，並且 推測這可能是由於流體的布朗運動引起的。 Hussein 等人[47] 使用 TiO2 與 SiO2 奈米粉增強熱傳導的方式，分 別加入測試裝置於一個汽車散熱器中，分析奈米流體對於汽車散熱是否有 改善性影響，研究中在範圍為 2〜8 LPM 使用入口溫度 60〜80 ℃ 和體積 19.
(38) 濃度 1〜2 ％，基礎流體的水中的 TiO2 和 SiO2 增強的強制對流傳熱。觀 察到顯著的傳熱增強，並且與奈米顆粒的濃度有關。水中的 TiO2 和 SiO2 奈 米顆粒的最大 Nusselt 數增強分別達到 11 ％和 22.5 ％。實驗結果表明， 奈米流體的 Nusselt 數行為高度依賴於體積流量入口溫度和奈米流體體積 濃度。結果表明，SiO2 奈米流體比 TiO2 具有更高的傳熱增強能力。奈米流 體在同樣流速時，TiO2 奈米流體比純水增強了熱傳遞。結果還證明了 TiO2 和 SiO2 奈米流體具有增強傳熱的潛力，非常適合工業和實際應用。 表 2.4 熱交換模擬器 作者. 散熱器功能. Hung 等人[48]. 奈米流體. 結果. 混合碳奈米流 體（HCNF's） ， 其中包含無定 形碳，氧化石 墨烯和 2H 石 墨；加入十二 烷基硫酸鈉作 為穩定劑。. HCNF 的 傳熱能力 提高了 13 ％與水相 比，系統 效率因子 （SEF）提 高了 11.7 ％。. (續下頁). 20.
(39) 基礎液於水乙 二 醇 的 MWCNT 奈米 冷卻液奈米顆 粒濃度： 0.1– 0.5 ％. M’hamed 等人 [49]. Ali 等人[50]. 水-ZnO 奈米 冷卻液。奈米 濃度 0.01 ％、 0.08 ％ 、 0.2 ％、0.3 ％添 加表面活性劑 SHMP( 六 偏 磷酸鈉). Peyghambarzadeh 等人[51]. CuO 濃度 0.15％、0.4 ％和 0.65 ％ 與 Fe 2 O3 濃 度 0.05％、 0.08 ％和 21. 奈米顆粒 體 積 為 0.5 ％時， 傳熱增強 最大為 196.3 ％. 得出最大 散熱能力 為 25.6 ％，最大 效率指數 為 27.2 ％，0.2 ％ 可以高達 46 ％ 傳 熱效果， 並且發現 0.3 ％ 濃 度傳熱低 於 0.2 ％。 在 0.65 體 積％的濃 度下，與 純水相 比， Fe 2 O 3 /.
(40) 0.14 ％奈米 冷卻液. 小通道汽車散 熱氣，Dh = 2.3 mm 乙二醇-水 （60/40）奈 米流體。. Cuevas 等人 [52]. 水奈米流 體的傳熱 提高了約 9％。. (續下頁) 實驗傳熱 係數與經 驗相關性 相差不到 10％. 2.6 奈米流體應用於車用冷卻系統 Devireddy Sandhya 等人[53] 研究探討汽車散熱器的總傳熱係數經實 驗測量兩種工作流體，即 40：60 ％ EG/W 和40：60 ％ EG/W 基礎液 TiO2 NFs 為濃度和溫度的函數。發現存在 TiO2 40：60 ％EG/W 的奈米粒子可以 提高汽車散熱器的傳熱率。傳熱增強的程度取決於添加到液體中的奈米顆粒的 量。在濃度為 0.5 ％時，觀察與基礎液相比增加 35 ％的傳熱。增加工作流體的 流速顯著提高純水和 NFs 的傳熱係數，而流體入口溫度隨散熱器的變化（在測 試範圍內） 略微影響傳熱性能。似乎有效熱導率的增加（在研究中約為 3 ％）和 其他物理性質的變化並不僅僅是增加大的傳熱的原因。奈米粒子的布朗運動 可能是增強傳熱的主要因素之一。儘管 NFs 的傳熱研究最近取得進展， 但需要更多的實驗結果和對粒子運動的理論，來解釋 NFs 的傳熱行為。 AliAhmed 等人 [54] 研究奈米流體 TiO2 -水-NFs 作為汽車引擎散熱器 22.
(41) 的冷卻性能。根據實驗結果，TiO2 -水 - NFs 提供比基礎液更好的整體性 能，0.3 ％TiO2 通總傳熱係數為 2050 W/m2.k。通過實驗測量汽車散熱器中 TiO2 -水 - NFs 的總傳熱係數作為濃度和溫度的函數。發現 TiO2 奈米顆粒 的存在顯著增強散熱器的傳熱速率，與添加入基礎液中的奈米顆粒方式有 明顯關係。與純水相比，奈米顆粒濃度為 0.2 ％時傳熱係數顯著提高。這 是因為與純水相比，TiO2 具有更高的導熱率、縱橫比、更低的比重、耐熱 性和更大比表面積。 Subhedar 等人 [55] 研究奈米材料由 Al2O3 -水-MEG 的 NFs 作為汽 車散熱器冷卻液的性能，在不同的冷卻液入口溫度，NFs 流速、空氣流速 和奈米顆粒的各種體積濃度中進行實驗研究。研究結果在傳熱速率隨 NFs 濃度的增加而顯著增加。對於最低冷卻液流量 4.06 LPM，隨著體積濃度增 加 0.2-0.8 ％，Nusselt number 的增加從 3.89 ％增加為 28.47 ％。傳熱增 強的主要影響是 NFs 的流速和奈米顆粒的體積濃度。由於冷卻液的入口溫 度導致的傳熱增強非常小。實驗研究證明 NFs 作為傳熱流體具有巨大的潛 力。還可以使用 NFs 也可以設計緊湊尺寸的散熱器，這也減少系統的重量， 減少了阻力節省燃料成本。 Leong 等人 [56] 研究奈米顆粒的體積濃度的增加，使傳熱速率增加 （範圍從 0 ％到 2 ％） 。在 2 ％銅奈米顆粒(分別在 6000 和 5000 雷諾 數)的空氣和冷卻劑，增加約 3.8 ％的傳熱增強。使用 NFs 或乙二醇冷卻 劑的散熱器的熱性能隨著空氣和冷卻液雷諾數的提升而增加。當空氣雷諾 數為 2 時，觀察到純乙二醇和乙二醇與 2 ％銅奈米顆粒的傳熱增強分別 為 42.7 ％和 45.2 ％。當冷卻液雷諾數從 5000 增加到 7000 時，純乙二 醇和乙二醇分別與 2％銅奈米顆粒的熱傳遞增強僅為 0.9％和 0.4％，通過 分別在空氣和冷卻劑的雷諾數分別為 6000 和 5000 時添加 2 ％的銅納米顆 粒，可以估計減少空氣正面面積的 18.7 ％。使用 2 ％的銅顆粒 NFs 與純 乙二醇冷卻液相同散熱器相比，冷卻液流速為 0.2 m 3/s 相比，散熱器需要 23.
(42) 額外 12.13 ％的水泵送功率。 Hussein 等人 [57] 研究中的 SiO 2 進行了摩擦係數和強制對流傳熱的 增強。隨著添加奈米顆粒的體積濃度，觀察摩擦係數和傳熱增強顯著增加。 分散在水中的 SiO 2 納米顆粒（體積濃度為 2.5％） ，摩擦係數的最大值增加 到 22 ％。對於水中的 SiO 2 納米顆粒，最高的 Nusselt 值最多可提高 40 ％。 模擬結果表明，奈米流體的摩擦因數和 Nusselt 數作用高度依賴於體積濃度 和雷諾數。實驗研究得出的結論是，努塞爾特數顯著增加並且與數值研究 一致。摩擦係數隨體積流量和入口溫度的增加而減小。雷諾數小於 1000 時 的摩擦係數最大偏差為 82 ％，但此後最大偏差變為 40 ％。對於作為基礎 液的水中的 SiO 2 奈米粒子，最高的努塞爾數增幅為 56 ％。實驗結果表明， 奈米流體的努塞爾數行為高度依賴於體積濃度和體積流量。1 ％SiO 2 奈米 流體在 80 °C 時的 Nusselt 的偏差比純水大 52 ％，但在 60 °C 時偏差為 32 ％。 Micali 等人 [58] 研究實驗結果表明，引擎部件溫度降低是 NFs 中奈 米顆粒濃度的函數，且它與引擎負荷有關。與純水相比，在瞬間運行中的 最大發動機附載下，與純水相比，奈米流體的冷卻液體基為 2.5 vol.％，操 作中最大引擎負載下 VP1 (排氣閥桿)和 VS1(排氣閥座)位置的溫度分別降 低 4.1 ％和 13.6 ％，運作行態下，在相同位置的溫度降低 1.4 ％和 12.5 ％。 Zafar 等人 [59] 氧化鋁（Al 2 O 3）和二氧化鈦（TiO 2）以 50:50 的體 積比分散在 DW 和 EG 中的奈米顆粒。這些基於氧化物的奈米流體的選擇 是由它們的抗腐蝕性能所驅動的，大多數文章中通常都沒有對其進行分析 或討論。使用 Al 2 O 3 可使熱性能最大提高 24.21 ％體積分數為 0.3 ％。計 算散熱器實驗的摩擦係數和性能評估標準（PEC） ，以確定壓降的損失並進 行適當評估。發現質量流量為 1 L min -1 時，濃度為 0.05 ％時提高了 9.79 ％，濃度為 0.3 ％時提高了 24.21 ％。最後，發現 PEC 的值在 1.03 - 1.31 24.
(43) 的範圍內，這表明流量顯著增強。 Elsaid 等人 [60] Al 2 O 3 和 Co 3 O 4 的濃度為 0.02、0.05、0.1 和 0.2％。 將納米顆粒分散到基礎流體中以產生納米流體的混合物。通過考慮三種比 例的 EG /水（0：100 ％，10：90 ％和 20：80 ％）來製備基礎液。氧化鈷 與氧化鋁相比，氧化鈷有助於提高熱交換器的效率並節省更多能源。奈米 顆粒的濃度增加到基礎流體中，將 Nusselt 提高約 31.8 ％，而摩擦係數卻 提高 16 ％。發現隨著奈米流體溫度的升高，Nusselt 數增加，而摩擦係數 降低。當 EG 比率增加到 20 ％時，流體雷諾數減少，並且流體壓降變強， 相應地，泵浦功率增加約 30 ％。 上述奈米流體在汽車引擎冷卻系統中的應用。許多研究學者分別將奈 米流體應用於引擎潤滑油、自動變速箱油和散熱器冷卻劑中，以增強從車 輛引擎及自動變速箱、水箱、引擎中的磨潤與熱傳遞性能。奈米流體與純 流體相比，奈米流體的磨潤與傳熱性能表現更好。探討先前實驗或數值相 關研究結果及其奈米材料與添加濃度的影響，以期在車輛相關系統中實現 最佳性能。. 25.
(44) 26.
(45) 第三章 實驗方法與裝置 本章節主要為複合碳系奈米冷卻液(hybrid carbon base nano coolant, HCBNC)所選用的材料作性質檢測分析、HCBNC 的製備過程、基礎性質量 測與實際應用之研究設計。本研究 HCBNC 使用一階合成法製成，並以奈 米重量濃度做為樣本配製之參數進行基本特性量測研究，而樣本使用複合 碳系奈米流體(hybrid carbon base nano fluid, HCBNF)包含非結晶碳(AD)、 氧化石墨烯(graphene oxide, GO)、還原氧化石墨烯(reduced graphene oxide, RGO)、分散劑阿拉伯膠 (GA)與原廠指定專用水箱精，並使用不同的重 量百分比濃度來做為實驗測試參數，進行相關的基礎性質試驗與磨潤試驗 研究。 藉由多項基礎試驗量測的數據結果加以分析與探討，在四行程機車所 使用的原廠水箱精添加 HCBNF 後，對原廠水箱散熱效果的改善與差異。 將基本特性量測比較出最濃度用於熱交換系統平台中，並與基礎流體相較 散熱效果，進而評估 HCBNC 在熱交換系統平台之工作流體的可行性。 實驗最終會將綜合效益表現較佳的 HCBNC 應用於機車實車測試中， 將評估 HCBNF 添加在冷卻液中的可行性與效益。整體研究流程如圖 3.1 所示。. 27.
(46) X 光繞射分析 HCBNF 材料檢測 電子顯微鏡檢測. 沉降試驗. 黏度試驗. 比熱試驗 基礎性質試驗 熱傳導試驗. 實 驗 架 構. 磨潤試驗 水箱散熱性能試驗 熱交換系統平台試驗 引擎暖車性能試驗 ECE - 40 試驗. 平路試驗 實車試驗. 車試驗. 爬坡試驗 定速試驗. 圖 3.1 整體研究流程. 28.
(47) 3.1 複合碳系奈米流體檢測 本研究針對奈米流體(NCs) 進行形體表外觀檢測，使用 X 光單晶繞射 分析（XRD）與場發射槍穿透式電子顯微鏡(FEG-TEM, Tecnai F30，FEG, USA)如圖 3.2、3.3 及表 3.1 所示，此設備需與台灣大學理學院電子顯微鏡 室配合使用，以確認 HCBNF 所含的 NCs 粒徑。檢測程序如圖 3.4 所示:. 圖 3.2 X 光晶繞射分析儀. 圖 3.3 場發射槍穿透式電子顯微鏡. 表 3.1 場發射槍穿透式電子顯微鏡規格 項目. 規格. 電子源. 熱陰極電子槍. 倍率. 50~106 倍. 傾斜角度. ± 30 度. Microprobe. 25~1 nm. Nanoprobe. 2~0.2 nm. 影像擷取方式. CCD. 29.
(48) 奈米流體量測. HCBNF. 樣本處理. 場發射槍穿透式電子 顯微鏡. NO 完成 YES 檢測結果分析. 圖 3.4 HCBNF NCs 粒徑檢測流程. 30. TEM.
(49) 3.2 複合碳系奈米冷卻液樣本製備 本研究採用氧-乙炔火焰法及渦集法(vortex trap method, VTM)製備奈 米碳(NCs)，以一階法合成 HCBNF，將 HCBNF 加入分散劑 GA 2.0 wt.％ (阿拉伯膠)與乙二醇(ethylene glycol, EG)，以二階合成 HCBNC 使用 50:50 重量比例參配製成如表 3.2 所示。本試驗將 HCBNF 中 NCs 不同的重量百 分比濃度分別為 0 wt.%(純水)、0.02 wt.％、0.04 wt.％及 0.06 wt.％作為實 驗測試參數詳細比例分配如表 3.3 所示，進行相關基礎量測試驗，備製使 用電磁加熱攪拌器(HMS-102, FARGO, Taiwan)攪拌 3 h(轉速設定 650 rpm)， 及超音波震盪器震盪 1 h 進行樣本製備。實驗樣本製備流程如下所示： 1. 使用精密電子天平(XS-125A, Precisa, Swiss)如圖 3.5 及表 3.4 所示，秤 出 0.02 wt.％、0.04 wt.％、0.06 wt.％相對重量的 HCBNF 以及 0.2 wt. ％、0.4 wt.％、0.6 wt.％相對重量的分散劑 GA(阿拉伯膠)。 2. 將步驟 1 秤量好的 HCBNF 奈米粉末，依上述比例添加於原廠指定四行 程機車專用冷卻液中。 3. 將比例調配好的 HCBNC 使用電磁加熱攪拌機(HMS-102, FARGO, Taiwan)如圖 3.6 及表 3.5 所示，轉速設定 650 rpm，溫度設定 30℃，攪 拌 3 h。 4. 使用超音波震盪器(B5510-DTH,BRANSON,USA)如圖 3.7 及表 3.6 示， 溫度設定 60 ℃，震盪 1 h。 5. 重複步驟 3、4 數次，使冷卻液中的奈米粒子能更均勻的分布，讓 HCBNC 具有較佳的懸浮性。 6. 完成實驗樣本的製作流程。. 31.
(50) 表 3.2 PGO 冷卻液詳細資料 產品項目. 產品規格. 主要成分. 乙二醇、防鏽劑、水. 濃度. 50 ％ 原液體、50 ％ 水. 容量. 1L. 溶液濃度 (wt.％). 表 3.3 HCBNC 樣本調配比例 溶液重量 HCBNF GA (wt.％) (wt.％) (g). 溶液總重 (g). 0. 0. 0. 100. 100. 0.02. 0.02. 0.2. 50. 100. 0.04. 0.04. 0.4. 50. 100. 0.06. 0.06. 0.6. 50. 100. 表 3.4 精密電子天平規格 產品項目. 產品規格. 型號. XS1220M-SCS. 最大負重. 1220g. 防風罩. 高 60 mm. 精準度. 0.001g. 校正方式. 自動辨識標準砝碼. 秤盤尺寸. 135x135 mm. 32.
(51) 圖 3.5 精密電子天平. 表 3.5 六聯式電磁加熱攪拌機規格 產品項目. 產品規格. 最高溫度. 0~350 ℃. 加熱板尺寸. Ø 1.5×10-1 m. 轉速. 90~1500 rpm. 攪拌量. 0.05~3 L. 33.
(52) 圖 3.6 六聯式電磁加熱攪拌機 表 3.6 超音波震盪機規格 產品項目. 產品規格. 內槽容量. 9.5 L. 洗淨頻率. 40 kHz. 定時器. 1~99 min. 加熱器. 0~60 ℃. 體積. 40.6×3.5×39.3 cm. 圖 3.7 超音波震盪機. 34.
(53) 3.3 HCBNC 基礎性質量測 沉降實驗. 3.3.1. 本實驗研究使用 HCBNC 與 PGO 原廠水箱精，兩者採用二階合成 法製成 HCBNC，使用電磁加熱攪拌氣持續攪拌 3 h 的合成時間以及超 音波震盪器震盪 1 h，再進行沉降實驗。 沉降實驗架構圖如圖 3.8 所示，沉降實驗是將調製合成所有不同重 量百分濃度的 HCBNC (0.02 wt.％、0.04 wt.％、0.06 wt.％)，經過規範 時間(1、5、15、30 天)的靜置，觀察添加至水箱精中的奈米粒子沉降的 情形，為了避免碳系奈米粉末使冷卻液顏色變深，將會使用比色槽如圖 3.9 所示幫助觀察，沉降實驗流程圖如圖 3.10 所示，最後進行評估是否 適合做後續的實驗。. 圖 3.8 沉降實驗架構. 圖 3.9 比色槽. 35.
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