氧化鋁奈米流體應用於綠能動力系統散熱性能之研究
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(3) 摘. 要. 論文名稱： 氧化鋁奈米流體應用於綠能動力系統散熱性能之研究 校. 頁 數：79. 名： 國立臺灣師範大學. 系 所 名： 工業教育學系碩士班 能源應用與車輛技術組 畢業時間： 一百學年度第二學期. 學. 位：碩士. 研 究 生： 陳俊鴻. 指導教授：洪翊軒. 熱管理系統攸關於綠能動力的輸出效率，其中散熱所使用的工作流體的熱 性能將直接影響熱管理系統的性能。本研究使用 Al2O3/Water 奈米流體作為綠能 動力散熱系統之工作流體，並實際與水相比較來評估其差異與可行性。首先， 本研究使用二階合成法製備出 Al2O3/Water 奈米流體，並針對不同的溫度與濃度 之下的熱傳導係數、流體密度、黏滯係數及比熱等基礎性質進行量測與分析。再 者將 Al2O3/Water 奈米流體實際應用散熱系統之中，針對不同流速、溫度、濃度及 加熱功率進行散熱性能與水泵耗電量的測試與評估。研究結果顯示，Al2O3/Water 奈米流體在濃度 1.5wt.%、2.1 L/min.及 30℃的測試條件之下，熱交換量比水高 39%； 然而在 1.5wt.%、流量 2.1 L/min.及 60℃的測試條件之下，水泵則呈現最高的耗電 量。為了尋求最佳的系統配置參數，本研究同時考量散熱能力與水泵消耗功率而 提出效率因子比(REF)來評估散熱系統的整體效能。經過分析評估發現，在低濃度 與低流率的條件之下，Al2O3/Water 奈米流體有較佳的整體效能，其效率因子比最 高可達 1.31。相關研究結果顯示使用 Al2O3/Water 奈米流體在綠能動力的熱管理系 統之中具有縮減散熱器與水泵體積的潛力，對於電動車輛的配置空間、載重與續 航力將能有所貢獻。. 關鍵詞：奈米流體、熱傳導係數、散熱系統、熱交換器、綠能動力。 i.
(4) ABSTRACT Title： School：. Research on Heat Dissipation System of Al2O3/Water Nanofluid for Green Power Sources National Taiwan Normal University. Pages：79. Department： Energy Applications and Vehicle Technology, Department of Industrial Education. Time： June, 2012 Degree：Master Researcher： Jyun-Hong Chen Advisor：Yi-Hsuan Hung. A thermal management system is strongly related to the output efficiency. The employed working fluid will directly influence the performance of the entire thermal management system. This research adopts Al2O3/Water nanofluid as the working fluid. The difference and feasibility compared with water was conducted. First, this research used a two step synthesis method to produce Al2O3/water nanofluid. The thermal conductivity coefficient, fluid density, viscosity coefficient and specific heat under different temperatures and concentrations were measured and analyzed. Moreover, the Al2O3/Water nanofluid was employed in a heat dissipation system to test and evaluate the heat dissipation performance and pumping power under different flow rates, temperatures, concentrations and heating power. The research results show that the heat exchange capacity is 39% higher than water under concentration of 1.5wt%, flow rate of 2.1 L/min. and temperature at 30℃. Moreover, the pumping power is highest at concentration of 1.5wt.%, flow rate of 2.1 L/min. and temperature at 60℃. To search for the optimal parameters, this research consider proposed an efficiency factor ratio to accommodate the heat dissipation capacity and the pumping power. After data analysis, ii.
(5) at low concentration and low coolant flow rate, the efficiency factor ratio for the system is better. The highest ratio is to 1.31. The related research results indicate that the Al2O3/Water nanofluid utilized in the thermal management system of green energy sources has the potential to scale down the occupied space of the heat exchanger and the coolant pump. That is expected to bring a lot of benefit for the equipped space in and cruising mileage of an electric vehicle in the near future.. Keywords：. nanofluid、heat transfer coefficient、heat dissipation system、heat exchanger、green power source. iii.
(6) 誌. 謝. 研究所兩年的時光真的過得很快，當初兩年前服完役回來繼續念研究所，曾 有幾度想放棄，經過許多好友的鼓勵與打氣，直到兩年後的今天，終於順利完成 學業。 在學期間最要感謝指導教授 洪翊軒教授以及鄧敦帄教授，由於在研究上細心 地指導，使得本研究論文能順利完成，在此獻上最高的謝意與敬意。 口試期間，承蒙口試委員 林國楨博士以及鄧敦帄教授給予研究論文中寶貴的 建議與細心的指導，使本論文得以呈現更完整的面貌，對於學術研究上更有貢獻。 感謝國立台灣師範大學冷凍工場鄧敦帄教授的能源與奈米科技實驗室給予實 驗設備與技術的支援，使本論文研究能更趨近完整。 在研究所的兩年期間，感謝李景峰教授、董雲春教授、鄭慶民教授、鄧敦帄 教授在課業上的教導；感謝綠能動力特色實驗室一起打拼的所有夥伴，宗駿與學 弟汯緯、哲偉、浤志以及文傑，同為能車組的同窗皓文，系上同窗章城、建成、 克勤、佳容、筱雯、晏如、順英、育正、安秀、其瑞，冷凍工場的學弟朝傑、俊 硯、承蔚，ELab 的伯任、政宏、冠憲、昆燁、夢麟、寰緯、翊在、洪賜、家伃、 品淳，515Lab 的育碩、鉅凱、幸彰，工教系辦團隊淳安、書鍰、主蘋、陳媛，大 學同學詩音、照棠、師沛、冠禕、彥興、宇強、雅云，謝謝各位在這兩年來的照 顧與打氣，使我成長許多，讓我的碩士生活過得很充實，在此一併致謝。 最後感謝我的家人，感謝你們長久以來的支持與鼓勵，讓我無後顧之憂的完 成學業，特此獻上萬分謝意。. iv.
(7) 目 摘. 錄. 要 ............................................................................................................................... i. ABSTRACT ..................................................................................................................... ii 誌 謝 ............................................................................................................................. iv 目 錄 .............................................................................................................................. v 表目錄 ............................................................................................................................ vii 圖目錄 ........................................................................................................................... viii 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 ........................................................................................................... 3 1.5 論文架構 ........................................................................................................... 5 1.6 文獻回顧 ........................................................................................................... 5 第二章 相關理論與分析 ................................................................................................ 9 2.1 奈米材料 ........................................................................................................... 9 2.1.1 奈米顆粒之製備 .................................................................................... 9 2.1.2 奈米材料之檢測 .................................................................................. 10 2.2 奈米流體 ......................................................................................................... 12 2.2.1 奈米流體之製備 .................................................................................. 12 2.2.2 粒徑與團聚 .......................................................................................... 13 2.2.3 懸浮與分散 .......................................................................................... 13 2.2.4 介面電位 .............................................................................................. 13 2.2.6 密度 ...................................................................................................... 16 2.2.7 黏滯係數 .............................................................................................. 17 2.2.8 比熱 ...................................................................................................... 18 2.3 奈米流體之應用 ............................................................................................. 19 2.3.1 管流之流動行為 .................................................................................. 19 2.3.2 管路壓降 .............................................................................................. 21 2.3.3 熱交換器 .............................................................................................. 21 2.4 綠能動力之效率與廢熱關係 ......................................................................... 24 2.5 效率因子比 ..................................................................................................... 25 第三章 實驗裝置與方法 .............................................................................................. 27 3.1 材料性質檢測 ................................................................................................. 28 v.
(8) 3.1.1 奈米粉末材質檢測 .............................................................................. 28 3.1.2 奈米粉末表觀檢測 .............................................................................. 29 3.2 三氧化二鋁奈米流體製備與基本性質量測 ................................................. 30 3.2.1 實驗樣本製作 ...................................................................................... 30 3.2.2 二次粒徑與介面電位量測實驗 .......................................................... 32 3.2.3 熱傳導係數量測實驗 .......................................................................... 34 3.2.4 密度量測實驗 ...................................................................................... 36 3.2.5 黏滯係數量測實驗 .............................................................................. 38 3.2.6 比熱量測實驗 ...................................................................................... 40 3.3 氣冷式熱交換器應用實驗 ............................................................................. 42 3.4 綠能動力散熱系統應用實驗 ......................................................................... 45 3.5 實驗不確定性分析 ......................................................................................... 47 第四章 實驗結果與討論 .............................................................................................. 50 4.1 奈米流體檢測 ................................................................................................. 50 4.1.1 奈米顆粒材料性質檢測結果 .............................................................. 50 4.1.2 奈米顆粒表觀檢測結果 ...................................................................... 50 4.1.3 奈米流體表觀形貌 .............................................................................. 51 4.2 奈米流體基本特性實驗 ................................................................................. 52 4.2.1 二次粒徑與介面電位量測實驗結果 .................................................. 52 4.2.2 熱傳導係數量測實驗結果 .................................................................. 53 4.2.3 密度量測實驗結果 .............................................................................. 54 4.2.4 黏滯係數量測實驗結果 ...................................................................... 55 4.2.5 比熱量測實驗結果 .............................................................................. 56 4.3 氣冷式熱交換器實驗結果與討論 ................................................................. 57 4.4 綠能動力散熱系統實驗結果與討論 ............................................................. 62 第五章 結論與建議 ...................................................................................................... 65 5.1 結論 ................................................................................................................. 65 5.2 後續研究與建議 ............................................................................................. 66 參考文獻 ........................................................................................................................ 67 符號彙整 ........................................................................................................................ 73 附錄 ................................................................................................................................ 76 使用儀器規格資料 ................................................................................................ 76 略傳 ................................................................................................................................ 78. vi.
(9) 表目錄 表 3.1 表 3.2 表 3.3 表 3.4. 奈米流體實驗樣本之濃度配置表 .................................................................... 30 粒徑分佈與介面電位量測實驗樣本參數配置表 ............................................ 32 熱傳導係數量測實驗參數配置表 .................................................................... 35 密度量測實驗參數配置表 ................................................................................ 37. 表 3.5 表 3.6 表 3.7 表 3.8 表 4.1 表 4.2. 黏滯係數量測參數配置表 ................................................................................ 39 比熱量測參數配置表 ........................................................................................ 41 氣冷式熱交換器實驗參數表 ............................................................................ 43 綠能動力散熱系統實驗參數表 ........................................................................ 46 氣冷式熱交換器熱交換量表 ............................................................................ 57 水泵消耗功率表 ................................................................................................ 58. vii.
(10) 圖目錄 圖 1.1 Al2O3/water 奈米流體應用於綠能動力散熱系統散熱性能之研究架構圖 ....... 4 圖 2.1 奈米檢測技術一覽 ............................................................................................ 11 圖 2.2 奈米流體製備方式示意圖 ................................................................................ 12 圖 2.3 管路內流體流動速度分佈示意圖 .................................................................... 19 圖 2.4 非圓形斷面示意圖 ............................................................................................ 20 圖 2.5 氣冷式熱交換器熱交換示意圖 ........................................................................ 22 圖 2.6 典型的燃料電池極化曲線 ................................................................................ 24 圖 3.1 實驗研究架構圖 ................................................................................................ 27 圖 3.2 奈米粉末材質檢測流程圖 ................................................................................ 28 圖 3.3 奈米粉末表觀檢測流程圖 ................................................................................ 29 圖 3.4 Al2O3/water 奈米流體製作流程圖 ..................................................................... 31 圖 3.5 二次粒徑分佈與介面電位量測實驗架構圖 .................................................... 32 圖 3.6 二次粒徑與介面電位量測實驗流程圖 ............................................................ 33 圖 3.7 熱傳導係數量測實驗架構圖 ............................................................................ 34 圖 3.8 熱傳導係數量測實驗流程圖 ............................................................................ 35 圖 3.9 密度量測實驗架構圖 ........................................................................................ 36 圖 3.10 密度量測實驗流程圖 ...................................................................................... 37 圖 3.11 黏滯係數量測實驗架構圖............................................................................... 38 圖 3.12 黏滯係數量測實驗流程圖 .............................................................................. 39 圖 3.13 比熱量測實驗架構圖 ...................................................................................... 40 圖 3.14 比熱量測實驗流程圖 ...................................................................................... 41 圖 3.15 氣冷式熱交換器實驗架構圖 .......................................................................... 42 圖 3.16 氣冷式熱交換器 .............................................................................................. 43 圖 3.17 氣冷式熱交換器實驗流程圖 .......................................................................... 44 圖 3.18 綠能動力散熱系統實驗架構圖 ...................................................................... 45 圖 3.19 綠能散熱系統實驗流程圖 .............................................................................. 46 圖 4.1 Al2O3 奈米顆粒繞射圖譜 ................................................................................... 50 圖 4.2 Al2O3 奈米顆粒 TEM 影像圖 ............................................................................. 51 圖 4.3 由二階合成法製作而成的 Al2O3/water 奈米流體照片 ................................... 51 圖 4.4 Al2O3/water 奈米流體之不同濃度與二次粒徑、介面電位圖 ......................... 52 圖 4.5 Al2O3/water 奈米流體之不同濃度、溫度與熱傳導係數關係圖 ..................... 53 圖 4.6 Al2O3/water 奈米流體之不同濃度、溫度與密度關係圖 ................................. 54 圖 4.7 Al2O3/water 奈米流體之不同濃度、溫度與黏滯係數關係圖 ......................... 55 viii.
(11) 圖 4.8 Al2O3/water 奈米流體之不同濃度、溫度與比熱關係圖 ................................. 56 圖 4.9 系統水溫 30℃之熱交換量與水泵耗功圖 ....................................................... 59 圖 4.10 系統水溫 40℃，熱交換量與水泵耗功之增進率圖 ..................................... 60 圖 4.11 系統水溫 50℃，熱交換量與水泵耗功之增進率圖...................................... 60 圖 4.12 系統水溫 60℃，熱交換量與水泵耗功之增進率圖 ..................................... 61 圖 4.13 熱源為 50W 時 Al2O3/water 奈米流體於不同濃度、流率之效率因子比圖 63 圖 4.14 熱源為 100W 時 Al2O3/water 奈米流體於不同濃度、流率之效率因子比圖 ........................................................................................................................................ 64 圖 4.15 熱源為 150W 時 Al2O3/water 奈米流體於不同濃度、流率之效率因子比圖 ........................................................................................................................................ 64. ix.
(12) 第一章 緒論. 本章節主要為敘述本研究的基本概念與架構，分為前言、研究動機、研究目 的、研究方法、論文架構與文獻回顧，分別敘述如後。. 1.1 前言 隨著科技的進步，人們不斷運用現今科技所研發出來的器具與設備來追求更 便利、更舒適的水活水準，也由於如此，造成全球對於石油、媒等能源的需求量 大增，而這些天然資源的存放量，皆遠遠不及人們的消耗量，造成了能源耗竭危 機，迫使人們必頇有效地提升石化燃料的最大經濟效益，同時也不得不尋找新的 替代能源，因此關於綠能動力(green power source)的研究發展已成為當前重要的課 題。 奈米科技在近幾十年來，已有許多突破性的研究結果。奈米科技涵蓋領域橫 跨物理、化學、材料、化工、電機、機械、生物及醫學等，也被實際應用在生化 科技、光機電、能源、電子等產業上，創造許多新興產業[1]。藉由奈米科技與能 源領域的結合，來提升高科技產業技術是非常具有研究以及討論價值。 在1995年，Choi et al. [2]提出奈米流體(nanofluid)的概念，在流體中加入奈米 級(nano-scale)的顆粒，藉此可提高流體的熱傳能力。而奈米顆粒粒徑較大，流體 穩定性較差，容易發生管路阻塞及磨損，因此懸浮與分散性為影響奈米流體性能 的重要因素。. 1.
(13) 1.2 研究動機 現今綠能動力已被廣泛應用在先進運輸工具、發電站及不斷電系統。綠能動 力包含燃料電池、電瓶和超級電容器，高操作效率和零汙染的特色是它的優勢， 也被視為有潛力的動力源[3]。改善輸出性能、熱管理、系統設計控制是主要關鍵 因素。許多研究證實溫度是影響輸出性能的關鍵角色。輸出性能包含輸出電壓、 電容量、放電狀態、系統效率，甚至壽命[4]。因此，一個精心設計的綠能動力散 熱系統是很重要的。 通常熱管理系統分為氣冷式和水冷式兩種[5]。在氣冷式系統，廢熱的排出是 經由自然對流或利用風扇做強迫對流。簡單結構、低成本是主要優點，然而，較 弱的熱交換能力和受限制的冷卻面積對於使用在高功率裝置是較不適合的。在水 冷式系統，廢熱的移除是經由裝置於四周利用水作循環或裝置內設水道循環來帶 走熱。冷卻水經由水泵推動，熱主要由熱交換器帶走。散熱能力強適合用於高功 率裝置。不過，要考慮其複雜的結構和高成本所帶來的影響。 此外，比較空氣與水的熱對流係數，空氣在自然對流時的熱對流係數為 5~25W/m2K，在強迫對流時的熱對流係數為10~200W/m2K，水的熱對流係數在自 然對流時為20~100W/m2K，在強迫對流時為50~10000W/m2K，相較之下，水擁有 較佳的熱傳能力[6]。因此，利用水冷來作為綠能動力散熱系統的散熱媒介是較佳 的。 許多研究指出，增加奈米顆粒於水中並應用於熱交換器系統中，能有效提升 原有的熱傳性能，因為散熱效果好，也可以減小熱交換器的體積，不佔空間又容 易實施[7-9]。本論文選擇使用三氧化二鋁/水(Al2O3/water)奈米流體作為綠能動力散 熱系統的工作流體，主要考量Al2O3/water奈米流體的化學與物理性質穩定，而且相 較於其他種類的奈米流體之下，擁有較佳的懸浮性與不易團聚的優勢，能有效改 善系統的熱傳性能[10]。熱傳性能的提升具有縮減綠能動力散熱系統的散熱器與水 泵體積的潛力，對於電動車輛的配置空間、載重與續航力將能有所貢獻。 2.
(14) 1.3 研究目的 本論文具體的研究目的如下： 1.. 奈米流體之合成。. 2.. 針對氧化鋁奈米流體進行基本理化性質量測與分析。. 3.. 將氧化鋁奈米流體應用於氣冷式熱交換器之散熱性能分析。. 4.. 將氧化鋁奈米流體應用於綠能動力系統之散熱性能分析。. 5.. 氧化鋁奈米流體應用於綠能動力系統之可行性評估。. 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進行研究。主要分為 氧化鋁奈米流體基本特性分析與應用研究兩大部分進行研究與探討。在基本特性 研究分析上，透過理論分析與實驗研究來探討不同奈米流體濃度在不同溫度之下 對於熱傳導係數、密度、黏滯係數與比熱等性質的影響，並與相關文獻進行分析 與比較；在應用研究方面，透過理論分析與實驗量測來進行氧化鋁奈米流體應用 於氣冷式熱交換器與綠能動力散熱系統的散熱性能測試與可行性評估。其研究架 構如圖1.1所示。. 3.
(15) 奈米流體應用於 綠能散熱系統之研究 理論分析與文獻回顧. 奈米流體製備. 1. 材料分析 2. 物理性質分析. 流體特性實驗. No. 完成? Yes. 1. 氣冷式熱交換器應用實驗 2. 綠能散熱系統應用實驗. 應用實驗. 資料分析. No. 完成? Yes. 結果與討論. 結論 圖1.1 Al2O3/water奈米流體應用於綠能動力散熱系統散熱性能之研究架構圖. 4.
(16) 1.5 論文架構 本論文分為五章並進行論述，各章內容架構分述如下： 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：奈米流體的製程、檢測技術、相關理論基礎以及 奈米流體相關應用之介紹。. 第三章. 實驗裝置與方法：說明實驗樣本的製備、流體特性量測方法以及應 用研究的相關設備與實驗方法。. 第四章. 實驗結果與討論：將實驗結果與相關文獻及理論進行分析探討。. 第五章. 結論與建議：針對論文內容與實驗的結果進行歸納統整結論並提出 未來研究之建議。. 1.6 文獻回顧 許多研究者們皆在研究要以何種方式增進系統熱交換的效能，有許多方法可 以提高冷卻系統的性能，最可行的就是提高工作流體的熱傳性能，而不需修改機 械的設計。其中部分的學者在熱交換系統流體中添加奈米等級的顆粒，去作改善 熱交換器散熱性能的研究，由於固體顆粒的熱傳導係數比流體高，因此在流體中 添加奈米顆粒可以增進流體的熱傳導係數。在奈米流體熱性能增進方面，1995年 Choi et al. [2]提出將0.3 vol.%(volume fraction, vol.%)的氧化銅(CuO)奈米顆粒添加 於乙烯乙二醇(ethylene glycol)溶液裡，與基礎流體(based fluid)相比，約提升了40% 的熱傳性能。1997年Eastman et al. [11]將Al2O3和CuO奈米顆粒，使用二階合成法製 成奈米流體，研究結果指出，在5vol.%時，比基礎流體提升了60%的熱傳性能。1999 年Wang et al. [12]使用穩態帄板法量測Al2O3和CuO奈米流體的熱傳導係數，實驗結 果也顯示熱傳導係數能提升12%。2000年Xuan and Li[13]將粒徑為100nm的銅奈米 顆粒添加於水中製成奈米流體，經由量測發現熱傳導係數隨濃度增加而上升，從 5.
(17) 濃度2.5 vol.%增加至7.5 vol.%時，流體的熱傳導係數增進率由1.24%提升到1.78%。 2003年Patel et al. [14]將濃度極低的銀(0.00026 vol.%)與金(0.011 vol.%)奈米顆粒加 至水中製成銀(Ag/water)奈米流體與金(Au/water)奈米流體，實驗結果顯示溫度在 30~60℃之間，Ag/water奈米流體的熱傳導係數可提升5-21%，而Au/water奈米流體 的熱傳導係數可提升7-14%。2004年Kumar et al. [15]針對濃度為0.00013 vol.%的 Ag/water奈米流體進行熱傳性能研究，結果顯示熱傳導係數提升了20%。2006年Li and Peterson[16]將Al2O3(36nm)奈米顆粒添加於水中，在溫度範圍為27℃至34.7℃之 下進行熱傳導係數量測，實驗結果顯示Al2O3奈米流體在體積濃度為10%、溫度為 34℃時，其熱傳導係數的增進率變化最大可提升30%。Palm et al. [17]證實使用4 vol.%的Al2O3奈米流體與水比較，可提升25%的熱傳導係數。2007年Yoo et al. [18] 將Al2O3(48nm)與TiO2(25nm)奈米顆粒分別添加至去離子水(DI-water)中，Al2O3奈米 流體的熱傳導係數約可提升4%，TiO2奈米流體的熱傳導係數約可提升14.4%，由實 驗結果可以發現，影響熱傳導係數增進率並非是奈米顆粒的材料，粒徑的大小也 會影響增進率，粒徑越小，增進率越大。Li and Peterson[19]將不同粒徑的奈米流 體進行熱傳導係數的研究，實驗結果顯示濃度與溫度的增加會使熱傳導係數提升， 而且粒徑小的奈米流體擁有較佳的熱傳導係數。2009年Anoop et al. [20]研究 Al2O3/water奈米流體在不同粒徑(45nm、150nm)與不同管徑長度比(x/D)於層流中進 行研究，結果發現粒徑較小，熱傳效果較佳。2010年Li et al. [21]將CuO/water奈米 流體及DI-water分別於小型毛細作用的泵浦循環系統進行研究比較，CuO/water奈 米流體的熱傳導率與系統熱通量最大可提升45%與20%。Chen and Xie [22]將奈米 碳 管 (carbon Nanotubes, CNTs) 添 加 陽 離 子 雙 親 疏 界 面 活 性 劑 (cationic gemini surfactant)製備成奈米流體，進行流體的懸浮性能研究，結果發現界面活性劑能幫 助CNTs在流體中有較好的分散懸浮性能，流體的熱傳性能也有所影響。2011年Su. et al. [23]將CNTs利用二階合成法製備出來的奈米流體，進行物理性質研究，實驗 結果顯示，CNTs的熱傳導係數是有明顯增進的。 6.
(18) 奈米流體應用研究方面，2007年Nguyen et al. [24]研究Al2O3奈米流體在紊流的 條件下用來冷卻電腦CPU元件，實驗結果顯示添加奈米顆粒可增加流體的熱傳導 係數，在體積濃度為6.8 %時，熱傳導係數可提升40 %，體積濃度增加時可有效降 低發熱元件的溫度，實驗結果也發現粒徑36nm比粒徑47nm之流體有較高的熱傳導 係數。Chein and Chuang[25]將CuO奈米流體應用在microchannel heat sink(MCHS)， 發現體積濃度在0.2%-0.4%間散熱性能會提高，流率也是影響熱對流的因素，實驗 結果CuO奈米流體在低流率有較低的熱阻，高流率有較高的熱阻。2008年Kulkarni et al. [26]使用Al2O3與乙烯乙二醇混合的奈米流體於柴油發電機，結果顯示奈米流 體 因 高 對 流 係 數 可 以 提 升 熱 交 換 器 的 散 熱 量 。 Li and Kleinstreuer[27] 將 CuO/water(28nm)奈米流體應用於trapezoidal microchannel熱交換器並與相關文獻 作比較，結果顯示在體積濃度為1%和4%時，可提高熱傳性能，而奈米流體的熱傳 性能雖然隨體積濃度增加而提升，但管路壓降也因此會提升，將導致水泵需耗費 更多的功去推動，所以整體系統性能效率會降低。2009年Pantzali et al. [28]採用4 vol.%的CuO奈米流體應用於迷你型plate heat exchanger(PHE)水冷頭模組，經由實 驗與計算，證實整體熱傳性能提升，也建議奈米流體流率要比水還低，才能降低 其壓降。2010年Leong et al. [29]將Cu/water和Cu/EG奈米流體應用在引擎冷卻系統， 實驗結果與基礎流體相比，熱傳增進率約提升3.8%和12.13%，而泵浦耗功約提升 了2%。Ho et al. [30]研究Al2O3奈米流體在層流(Re=226~1676)的條件下，探討銅製 MCHS的冷卻性能。實驗結果顯示MCHS使用Al2O3奈米流體在高水泵耗功之下可 提高熱傳導係數並且可降低熱阻與發熱元件溫度，而因為奈米顆粒分散於水中導 致提高流體的黏滯係數與摩擦阻力。Jwo et al. [31]將Al2O3奈米流體應用於多流道 熱交換器來評估電子晶片散熱器的熱交換量，結果顯示高濃度的奈米流體，其熱 傳導係數較高，此外，當進入多流道熱交換器的溫度越低時，熱傳係數增進率也 就越高。2011年Zamzamian et al. [32]將Al2O3/EG和CuO/EG奈米流體應用於雙管和 板式熱交換器，並利用強迫對流的方式做熱交換，實驗結果顯示，增加奈米顆粒 7.
(19) 濃度以及提高奈米流體的溫度可提高熱傳導係數，而熱傳導係數約可提升2~50%。 綜合上述文獻可以發現，添加奈米顆粒作為新型的散熱工作流體將有助於改 善熱傳性能，而顆粒的材料、形狀、粒徑、製程方式皆會影響流體的熱傳性能。 因此，本研究選擇懸浮性能相對優良的Al2O3奈米流體作為綠能動力散熱系統的工 作流體，並進行流體的基本特性實驗與應用於綠能動力散熱系統的熱傳性能分析， 評估使用奈米流體於綠能動力的可行性。. 8.
(20) 第二章 相關理論與分析 2.1 奈米材料 2.1.1 奈米顆粒之製備 「奈米」(nanometer)是長度單位，用nm表示(1nm=10-9m)。奈米顆粒(nanoparticle) 一般是指粒徑為1~100nm的粒子，不同製程得到的奈米顆粒，其特性皆不同，製備 成奈米流體後的性質也會不同，目前奈米顆粒已經有許多種製備的方式，依製造 過程的相態可分為三大類：氣相法、液相法、固相法，分別簡述如下[33]： 1.. 氣相法：利用氣體或透過其他各種高溫的方式將金屬物質轉變為氣體， 此時會形成奈米顆粒於空氣中，再使用冷卻過程的方式，將奈米顆粒凝 結於工作流體中。氣相法中又可分為：電將加熱法、電弧放電法、氣體 蒸發法、電子束加熱法、濺射法等。. 2.. 液相法：是於液相中形成奈米材料的方式，利用各種方式使液體內的溶 質與溶劑分離，讓溶質形成一定形狀與大小的奈米顆粒，此方法製成的 顆粒粒徑範圍較窄、形貌也較完整，缺點則有較嚴重的團聚現象，需要 進行分散處理的工作。液相法又可分為：沉澱法、熔膠凝膠法、噴霧法、 水解法、氧化還原法(常壓)、輻射化學合成法與乳液法等。. 3.. 固相法：經由固相到固相的變化製成奈米顆粒，其特徵並不像前兩種有 氣相變固相、液相變固相的相態變化。對於氣相或液相，分子具有較大 的易動度，所以集合狀態是均勻的，但對於固相，分子的擴散較遲緩， 集合狀態是多樣的，而固相法原料是固體，與液體和氣體有很大的差異。 固相法所製成的固相粉體和最初固相原料可以是同一物質，也可以是不 同物質。固相法又可分為兩大類，一是物質無變化的尺寸降低過程：機 9.
(21) 械粉碎，化學處理法等。二是物質有發生變化的築構過程：熱分解法、 固相反應法與火花放電法等。. 2.1.2 奈米材料之檢測 在材料進入了奈米尺寸等級後，就必頇發展出能檢測奈米材料尺度的儀器與 技術，目前已發展出來的檢測技術如圖2.1[34]所示。本節將說明本研究所使用的奈 米檢測儀器，分別簡述如下[35,36]： 1.. 場發射掃描式電子顯微鏡(field emission scanning electron microscope, FE-SEM)：為掃描式電子顯微鏡(scanning electron microscope, SEM)的改 良，係利用電磁透鏡聚焦高能的電子束在試片掃描樣本，試片樣本為塊 狀或粉末顆粒，依其所激發出的二次電子與背向散射電子的接收對試片 表面進行分析，可獲得試片表面的化學成分，晶體缺陷等。其試片製作 與更換較為簡單。. 2.. 場 發 射 鎗 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (field emission gun transmission electron microscope, FEG-TEM) ： 為 穿 透 式 電 子 顯 微 鏡 (transmission electron microscope, TEM)的改良，係藉由穿透電子束打至試片，再經放大成像， 但TEM的試片薄度，必需達到電子束能穿透的厚度。TEM影像解析度可 達0.1nm，但試片的製作較為困難。. 3.. X光繞射(X-ray diffraction, XRD) : X光繞射的光源為X光射線，X光是一種 短波長電磁輻射，其波長約為10-8cm(1A°)，穿透力大，空間解析度高， 利用此光源可廣泛應用在材料晶體結構特性鑑定、醫學及非破壞檢測實 務上。當X光照射在一組帄行結晶面上時，若兩鄰近面在入射及繞射光之 光程差為波長的整數倍時，會呈現加乘效應，即滿足布拉格公式(Bragg's law)而產生繞射： θ 10. λ. (2.1).
(22) 其中d為鄰近帄行結晶面兩帄行面間的距離，θ為入射光與帄面的夾角， λ為X光源的波長，n為任意整數。. 掃描電容顯微鏡 (SCM) 掃描穿遂顯微鏡 (STM) 掃描探針顯微鏡 (SPM). 原子力顯微鏡 (AFM) 磁力顯微鏡 (MFM) 自旋解析掃描 探針顯微鏡. 近場光學顯微鏡 (NSOM or SNOM). 第2諧波顯微鏡. 交換相互作用力 顯微鏡(EFM) 自旋極化掃描 穿隧顯微鏡 SP-STM. 二光子顯微鏡 奈米檢測技術. 和頻率產生(SFG) 量測系統. 短脈衝奈米光. 相干反斯托克 拉曼散射(CARS) 顯微鏡. 直入射鏡型 X射線顯微鏡. X射線顯微鏡. 帶域板型 X射線顯微鏡. 光電子分光 (ESCA). 高能量解析量測. X射線繞射分析. 角度解析量測. X射線吸收分光法 (XAS). 時間解析量測. 電子射線繞射法. 空間解析量測. X射線. 歐傑(Auger) 電子分光法 中子繞射評估 電子和離子. 全相電子顯微鏡. Rorentz顯微鏡. 超解析能 電子顯微鏡. 低速電子顯微鏡 (LEEM). 電子顯微鏡. 掃描電子顯微鏡 (SEM). 二次離子 質量分析儀 (SIMS). 圖2.1 奈米檢測技術一覽 11. 穿透電子顯微鏡 (TEM).
(23) 2.2 奈米流體 2.2.1 奈米流體之製備 在奈米流體相關文獻中，常見的奈米顆粒材料為Al2O3、TiO2、Cu、CuO、Ag、 Au及CNT等，基礎流體為水(water)、乙烯乙二醇、油(oil)等。奈米流體製備方式可 分為一階合成法(one step synthesis)與二階合成法(two step synthesis)兩種方式。其中 一階合成法是將金屬氣化後之奈米粒子直接與基礎流體混合形成奈米流體，藉由 靜置的方式，粒徑較大的顆粒會受到重力作用而沉澱，即可篩選出粒徑較小與懸 浮較佳的奈米流體，但此方法的缺點是奈米顆粒粒徑大小與濃度皆會受到製程參 數影響而不易精確地控制。二階合成法也稱為直接混合法(direct synthesis)，將購買 或自行製造的奈米粉體直接加入於工作流體中形成奈米流體，優點是流體的粒徑 大小與濃度較容易控制，能夠快速且大量地製造奈米流體，缺點是製備過程中容 易有團聚(agglomeration)現象發生而造成沉澱。. 直接將奈米顆粒產生 在工作流體中. 適度離心控制 粒徑分佈. 一階合成法. 奈米流體. 商用奈米顆粒. 混合. 工作流體 (水、機油、乙二醇). 二階合成法 圖2.2 奈米流體製備方式示意圖. 12.
(24) 2.2.2 粒徑與團聚 奈米顆粒粒徑的大小會影響流體的分散性能與熱傳性能。當顆粒粒徑越小， 比表面積會越大，而使顆粒表面的原子數量增加，產生較大的表面能，顆粒為降 低表面能而發生團聚的現象，造成粒徑變大、質量變重而產生沉澱。若要將奈米 流體實際應用於實體管路中，顆粒的團聚與沉澱現象將會影響流體的運作，例如 使用於散熱系統裡微小的管路中，顆粒的團聚與沉澱除了會降低散熱性能之外， 甚至使管路堵塞造成系統元件的損壞。因此在還沒實際應用以前，嚴謹評估奈米 流體的分散性能是非常重要的[37]。. 2.2.3 懸浮與分散 奈米流體的懸浮穩定度與分散程度是決定流體性能優劣的關鍵。懸浮穩定度 即為顆粒在流體中能長時間保持均勻分散的穩定度，分散程度則為顆粒在流體中 分離散開且分佈均勻的程度。分散的技術可分為物理分散與化學分散兩種，物理 分散是利用外力讓團聚的奈米顆粒分散且均勻的分佈在流體中，例如使用超音波 震盪器或電磁攪拌器；化學分散則是需要先了解顆粒在介質中的物理化學條件， 再添加適當的分散劑幫助顆粒均勻分散在流體中，例如添加表面活性劑或聚合物 等化學添加劑。兩種分散方式搭配使用更能達到最佳分散效果[37]。. 2.2.4 介面電位 介面電位(zeta potential)是用來判斷奈米流體懸浮性能優劣的重要性質，當奈 米流體中顆粒彼此間的吸引能大於排斥能，就容易使顆粒團聚造成粒徑變大而產 生沉澱，為避免團聚現象發生，需提高顆粒間的排斥能，因此較高的介面電位能 提高奈米顆粒間的排斥力而使流體有較佳的懸浮穩定性，但介面電位為0mV時， 為該流體的等電點(ios-electric point, IEP)，此時奈米流體中顆粒彼此間的吸引力大 13.
(25) 於排斥力，造成顆粒之間互相吸引團聚使粒徑變大而發生嚴重沉澱。介面電位可 藉由添加酸鹼調整流體的pH值或添加分散劑來提升顆粒間的排斥力，使顆粒的懸 浮性能更佳[37-38]。. 2.2.5 熱傳導係數 熱傳導係數（thermal conductivity, k）為表示一個物質的熱物理特性，此數值 表示每單位距離和時間於每一絕對溫度下的傳輸能量，單位是W/m〃K，其值越高 代表材料的熱傳導性能越好。一般來說固體材料的熱傳導係數高於流體，所以許 多研究者認為在流體中添加固體顆粒將會提升流體的熱傳導係數。在許多早期文 獻當中可以發現奈米流體的熱傳導係數是把基礎流體和奈米顆粒的熱傳導係數的 關係可以一方程式型態表示。其中影響奈米流體熱傳導係數的因素有： 1.. 基礎流體和奈米顆粒的熱傳導係數。. 2.. 奈米顆粒的濃度百分比。. 3.. 奈米顆粒的比表面積、外表形狀。. 4.. 奈米流體的溫度。. 而奈米流體可以被視為是一種固體與液體兩相混合的溶液，理論起源於 1904 年 Maxwell[39]所提出的方程式，它可分析含有大粒子的固液態混合物。其方程式 表示如下: (. ). (. ). (2.2). 其中 knf 為固液態懸浮流體之熱傳導係數，kbf 為基礎流體之熱傳導係數，kp 為奈米 顆粒之熱傳導係數，𝜙為加入奈米粒子的體積濃度。 1962 年 Hamilton and Crosser[40]提出固-液態兩相混合液的理論，此理論以顆 粒、基礎溶液的熱傳導係數及顆粒的外型作為公式之參數，藉由控制顆粒的外型 來增加顆粒的表面積，以提高流體的熱傳性能。並提出顆粒球率的觀念來修正 14.
(26) Maxwell 提出的預測方程式。Hamilton and Crosser 提出的固液態混合熱傳導係數方 程式，其中奈米顆粒與基礎流體的熱傳導係數比必頇大於 100，方程式如下： ( (. ) ). (2.3). (2.4). 其中 n 為經驗因子，ψ 為顆粒球率，定義為顆粒表面積與體積之比值。將式(2.2) 和式(2.3)作比較，當 ψ=1 時，則與 Maxwell 理論是相同的。而在 1977 年 Wasp 提 出另外一個兩相混合物理論來估算固-液態混合物的熱傳導係數:[41] (. ). (. ). 𝜙. (2.5). (2.6). 其中 m 為每單位體積的顆粒數目，dp 為顆粒的帄均直徑。將式(2.5)和式(2.3)作比 較，當 ψ=1 時，此理論會與 Hamilton 和 Crosser 理論為一樣。而這兩方程式都適 合用於顆粒為毫、微米等級的固-液態兩相混合物，若使用上述方程式來預測奈米 流體的熱傳導係數都只能獲得粗略的估算。在 2001 年 Eastman et al. [42]對 H-C model 提出了以下缺點： 1.. 缺乏奈米顆粒粒徑與熱傳導係數的關聯性探討。. 2.. 使用 H-C model 預測熱傳導係數皆比量測值還低。. 因此對於熱傳導係數預測上仍需對奈米顆粒的粒徑大小與固體表面與液體表面結 合面之介面殼層等因素作進一步的修正。 2003 年 Yu and Choi[43]認為奈米顆粒與流體間會產生近似固體的奈米介面層， 透過此介面層幫助奈米顆粒與液體間熱傳，而提出下列公式. 15.
(27) (. ). (. ). (2.7). 其中 β 為奈米介面層與顆粒半徑的比率。但在 2010 年[44]Ho 的研究結果證實仍有 低估熱傳導係數的情形，因此對式(2.7)進行修正如下：. (2.8). 2.2.6 密度 密度為質量與體積的比值。物質會因熱漲冷縮造成體積有所改變，所以密度 會隨溫度變化而改變。其公式表示如下：. (2.9). 其中ρ為密度，m為質量，V為體積。當物質為混合物時，其密度為各物質的質量總 和與混合物體積之比值：. (2.10). Pak and Cho[45]提出使用基礎流體和添加顆粒的密度配合體積濃度來當作計 算奈米流體密度之方程式。假設奈米顆粒是均勻的混合在基礎流體中，其密度計 算公式可表示為： 𝜙 其中. 為奈米流體之密度，. 𝜙. (2.11). 為基礎流體密度， 為物質密度，𝜙為添加奈米顆. 粒後的體積濃度。而奈米流體常用的濃度單位為體積濃度(𝜙 )與重量濃度(ω)，是 利用密度來進行轉換。可分別表示為下列公式： 16.
(28) 𝜙. (2.12) (. ). (2.13). 其中Vp為添加奈米粒子的體積，Vbf為基礎流體體積，Mp為添加的奈米顆粒質量； Mbf為基礎流體的質量，ω為奈米流體的重量濃度，Wbf為基礎流體重量，Wp為添加 奈米顆粒的重量。上述兩方程式的轉換也用於比熱與黏度公式之計算。. 2.2.7 黏滯係數 流體的黏滯係數高低會影響泵浦在輸送流體時之消耗功率，黏滯係數越大， 泵浦需消耗越多的功率來輸送流體，黏滯係數亦會影響流體的熱傳性能。奈米流 體的黏滯係數可由Einstein[46]的公式計算，但其公式忽略顆粒與顆粒之間的作用 力，所以只能用在濃度很低的流體，若體積濃度超過0.05 vol.%時，誤差就會變大 其公式如下：. 𝜙. (2.14). 其中𝜇 為奈米流體之黏滯係數，𝜇 為基礎流體之黏滯係數，𝜙為添加奈米顆 粒的體積濃度。Brinkman[47]則將 Einstein 的公式改良為：. 𝜙. (2.15). Batchelor[48]考量流體中奈米顆粒的布朗運動因素，將其黏滯係數方程式改良 如下：. 𝜙 17. 𝜙. (2.16).
(29) 在高黏度之奈米流體部分，Krieger and Dougherty[49]的公式被許多學者所引 用，，其公式如下：. (2.17). 其中𝜙 為流體可流動下的最大體積濃度，𝜙 為有效體積濃度，. 為特性黏度，. 一般取2.5。 Kitano et al. [50]將式(2.17)簡化後改寫如下：. (2.18). 2.2.8 比熱 比熱定義為物質上升1℃所需之熱量。許多學者研究與驗證後，提出奈米流體 之比熱可由式(2.19)與式(2.20)表示[42,45,51]： 𝜙 ( (. 𝜙( ). ). ). (. (2.19). ). (2.20). 其中. 為奈米流體之比熱(kJ/kg℃)，(cp ) 為基礎流體之比熱(kJ/kg℃)，(cp ) 為 bf. p. 奈米顆粒之比熱(kJ/kg℃)，式(2.19)可經由重量濃度轉換成式(2.21)：. ( ). 18. ( ). (2.21).
(30) 2.3 奈米流體之應用 2.3.1 管流之流動行為 管路內流體之流動行為可藉由雷諾數(reynolds number, Re)的計算來了解，當 Re＜2000 稱為層流(laminar flow)，管路內流體的流動是緩慢且帄穩的；當Re＞ 4000 稱為紊流(turbulent flow)，管路內流體的流動是快速且紊亂的；而2000＜Re ＜4000 則為過渡區(critical region)[52]，雷諾數計算公式如下：. (2.22). 其中. 為雷諾數， 為流體密度，. 為流體流速， 為管路之內徑，𝜇為流體之黏. 滯係數。如圖2.3所示，最大流速出現於管路的中央部分，而速度由中央往外遞減 至管壁，呈現拋物線。在紊流時，因流速較快，所以速度分佈較為帄均，但靠近 管壁處仍為層流狀態，此區域稱為邊界層(boundary layer)，邊界層的厚度與速度分 佈是流體熱傳導的重要因子。. (a) 層流. (b) 紊流 圖2.3 管路內流體流動速度分佈示意圖. 19.
(31) 在實際應用中的管路斷面(cross-section of pipe)並非皆是圓形，也有非圓形斷 面(non-circular cross-section)的管路，如圖2.4，非圓形斷面需加入水力半徑(hydraulic radius)來修正雷諾數之計算，水力半徑計算公式如下：. (2.23). 其中R為水力半徑(m)，A為斷面之面積(m2)，WP為濕周長(wetter perimeter, m)。非 圓形斷面管路內直徑是4R，因此非圓形斷面管路的雷諾數公式為：. B. C. (2.24). B. B. A B C , WP 2B 2C (a). B. A B 2 , WP 4B (b). A. . D 4. 2. d. d. D. B. . d 2 , WP ( D d ). A B2 . (c). d2 4. , WP 4B d (d). 圖2.4 非圓形斷面示意圖 20.
(32) 2.3.2 管路壓降 管路壓降即流體進入管路與流出管路時之壓力差，壓降會受到流體密度與黏 滯係數的影響而變化。當流體流過之管路為圓管時，其壓降公式為[53]：. (2.25) 其中. 為壓差， 為摩擦因子(friction factor)，𝐿為管長(m)， 為管路內徑(m)，Vm. 為流體流速(m/s)，. 為流體密度(kg/m3)。而摩擦因子在層流時的計算公式為：. (2.26). 1976年Swamee and Jain[54]提出計算紊流狀態之摩擦因子公式，公式如下：. (2.27) (. ⁄ ). 其中𝜀為表面粗糙度(m)，當管路使用其他斷面形狀時，壓降公式則改寫為：. (2.28). 其中R為水力半徑(m)。. 2.3.3 熱交換器 熱交換器主要利用熱傳的原理，將高溫的氣體或液體經由媒介帶走熱量，以 達到能量的轉換，熱交換的媒介可分為液體對液體、氣體對氣體、氣體對液體三 大類，本研究使用氣冷式熱交換器，型式為氣體對液體，管內以液體作為工作流 體，並以水泵推動流體來進行強制對流，管外則以空氣作為熱傳媒介，並使用風 扇來進行強制對流。圖2.5為氣冷式熱交換器熱交換示意圖，由已知進出口氣體或 液體之物理量配合能量守恆觀念，即可求出空氣側與水側的未知物理量。 21.
(33) Tw,in. mw. Ta,out. Ta,in. ma. Tw,out. 圖2.5 氣冷式熱交換器熱交換示意圖. 空氣側熱傳量計算如下： 1.. 熱交換器入口風量為：. (2.29) 2.. 熱交換器空氣側質量流率為：. ̇. 3.. (2.30). 熱交換器空氣側熱傳量為： 𝑄̇ ̇. ℎ. ℎ. (2.31). 其中 為熱交換器入口風量(m3/s)， 為熱交換器入口風速(m/s)，. 為熱交換器空. 氣側入口面積(m2)， ̇ 為熱交換器空氣側之質量流率(kg/s)，ρ為密度， 為空氣之 比容(m3/kg)，𝑄̇ 為熱交換器空氣側之熱傳量(W)，ℎ (kJ/kg)，ℎ. 為熱交換器空氣側出口焓值(kJ/kg)。 22. 為熱交換器空氣側入口焓值.
(34) 水側熱傳量計算如下： 1.. 熱交換器進出口水量為：. p. 2.. 熱交換器管路之質量流率為： ̇. 3.. (2.33). p. 熱交換器水側熱傳量為： 𝑄̇. 其中. (2.32). p. ̇. 𝐶. 𝑇. 為熱交換器入口水量(m3/s)，. 𝑇. (2.34). 為熱交換器水側之流速(m/s)，. 器水側管路面積(m2)， ̇ 為熱交換器水側之質量流率(kg/s)， m3)，𝑄̇ 為熱交換器水側之熱傳量(W)， 𝐶 換器水側入口水溫(℃)，T. p. 為熱交換. 為流體之密度(kg/. 為流體之比熱(kJ/kg℃)，T. 為熱交. 為熱交換器水側出口水溫(℃)。. 假設系統無任何熱逸散損失，根據能量守恆定律可得知空氣側與水側的關係 為： 𝑄̇. 𝑄̇. (2.35). 上式亦可表示為： ̇ (ℎ. ℎ. ). ̇. 𝐶. 23. 𝑇. 𝑇. (2.36).
(35) 2.4 綠能動力之效率與廢熱關係 綠能動力包含燃料電池、鋰電池及超級電容器等，皆屬於能量轉換裝置。能 量轉換裝置的效率是指裝置輸出能與輸入能之比，而輸出能可以是熱能、電能或 者機械能等，任何能量轉換裝置的效率皆不可能達到100%，在轉化過程中一定會 有部分能量的損失。以燃料電池為例，圖2.6為典型的燃料電池極化曲線圖，橫軸 為通過燃料電池的電流，縱軸為燃料電池的輸出電壓，由圖可分成三個特徵區域， 各代表不同階段能量損失的原因，說明如下[55]： 1.. 活化極化區域(活化過電位,. )：在低電流時，進行電化學反應所需釋出. 之活化能，電池阻抗來自活化過電位，因此電池電壓會從理想電壓(. ). 迅速下降。 2.. 歐姆極化區域(歐姆過電位,. )：隨著電流增加，電流流過電池的電解. 質、電極及雙極板等部分材料電阻所造成的電壓損失，此時電壓降與電 流會呈線性關係。 3.. 濃度極化區域(濃度過電位,. )：當在高電流情況下，反應氣體來不及. 提供電化學反應所需要之反應物，因而造成電池電壓急遽下降。. 圖2.6 典型的燃料電池極化曲線[55] 24.
(36) 燃料電池效率公式表示如下： ℎ. (2.37). ℎ. ℎ. ℎ. (2.38) ℎ. 其中. 為燃料電池效率，. 為實際輸出功率，. ℎ. 為理論輸出功率，. ℎ. 為理. 論電壓， 為理論電壓減去實際輸出電壓的極化過電位， 為通過燃料電池之電流。 因此，燃料電池效率無法達到100%，能量的損失皆轉換為廢熱，廢熱量可由下列 公式表示： 𝑄̇ 𝑄̇. 其中. (2.39). (2.40). ℎ. 為綠能動力損失之功率，𝑄̇ 為綠能動力之廢熱量。. 2.5 效率因子比 好的熱管理系統之散熱性能需同時考量散熱量與系統所有組件消耗功率間的 關係，基於此考量，系統散熱性能可用效率因子(efficiency factor, EF)公式表示： ̇ ̇. ̇ ̇. ̇. (2.41). 其中EF為效率因子，𝑄̇ 為散熱量，𝑄̇ 為系統總消耗功率，𝑄̇ 為水泵消耗功率， 𝑄̇ 為氣冷式熱交換器風扇的消耗功率。公式(2.41)中EF即表示為熱管理系統的具體 散熱，定義為系統每一消耗功率可以帶走多少綠能動力源的廢熱，在本研究裡有 將水泵與散熱風扇的消耗功率考量進去，而EF可以同時評估系統組件消耗功率與 散熱能力間的關係。 25.
(37) 為了簡單比較奈米流體與水的散熱性能是否有增進，因此利用效率因子比的 概念，將奈米流體的EF除以基礎流體的EF，得到下列公式：. (2.42). 公式(2.42)也可被表示為： ̇ ̇. ⁄. ̇. ̇ ̇. ̇. ⁄. ̇ ̇. 由公式可以看出其物理意義為散熱量的增進率除以系統耗功的增進率。. 26. (2.43).
(38) 第三章 實驗裝置與方法 本章節主要敘述Al2O3/water奈米流體的材料性質分析、奈米流體製備過程、流 體基本性質量測與應用研究之實驗設計。本實驗之樣本皆為使用二階合成法製備 並以奈米顆粒重量濃度作為實驗樣本配置之參數，進行相關實驗研究，藉由實驗 量測得到的結果來分析了解添加奈米顆粒後，流體產生的性質變化，最後應用於 氣冷式熱交換器系統與綠能動力散熱系統中，進而評估奈米流體作為綠能動力散 熱系統之工作流體的可行性。實驗架構如圖 3.1 所示。. 電子顯微鏡影像 粉末材料檢測 X光繞射分析儀 二次粒徑分析 介面電位. 實 驗 架 構. 熱傳導係數 流體製備與基本特性量測 密度 黏滯係數 比熱 氣冷式熱交換器 奈米流體應用實驗 綠能動力散熱系統 圖3.1 實驗研究架構圖. 27.
(39) 3.1 材料性質檢測 3.1.1 奈米粉末材質檢測 本 研 究 使 用 粒 徑 為 15nm 的 商 用 Al2O3 奈 米 粉 末 (Al-13P, Yong-Zhen Technomaterial)，在材質檢測方面使用XRD，利用X光在不同晶體中繞射，入射光 與繞射光會產生不同的光程差，造成光強度的加成與削弱，而有明暗的差別，藉 由檢測之繞射圖譜與標準圖譜做比對，進行材料的定性分析與晶體結構分析。檢 測流程圖如圖3.2所示。. 材料性質檢測. 樣本準備. Al2O3奈米粉末. X光繞射分析儀. No. 完成 ? Yes. 實驗結果分析 圖3.2 奈米粉末材質檢測流程圖. 28.
(40) 3.1.2 奈米粉末表觀檢測 奈米粉體形狀及粒徑檢測方面，使用TEM來觀察奈米顆粒表觀與一次粒徑， 確認是否與廠商提供資訊一致。檢測流程圖如圖3.3所示。. 粉末表觀量測. 樣本準備. Al2O3奈米粉末. 樣本處理. 電子顯微鏡. No. TEM. 完成 ? Yes. 實驗結果分析 圖3.3 奈米粉末表觀檢測流程圖. 29.
(41) 3.2 三氧化二鋁奈米流體製備與基本性質量測 3.2.1 實驗樣本製作 本 研 究 使 用 商 用 20nm 奈 米 顆 粒 、 甲 聚 醣 分 散 劑 ， 採 用 二 階 合 成 法 製 成 Al2O3/water奈米流體，奈米流體重量濃度分別為0.5wt.%、1.0wt.% 、1.5 wt.%，分 散劑為甲聚醣，含量為0.2wt.%，實驗樣本製備過程如下： 1.. 利用電子天秤(BH-600, EXCELL)秤取出0.2wt.%(4.4g)的甲聚醣分散劑。. 2.. 添加至對應重量的去離子水。. 3.. 使用電磁攪拌器混合甲聚醣-水溶液樣本。. 4.. 再利用電子天帄秤取出0.0 wt.%、0.5 wt.%(11g)、1.0 wt.%(22g)、1.5 wt.%(33g)之三氧化二鋁奈米粉末量。. 5.. 添加於步驟1-3所製備的甲聚醣/水溶液中(溶質、溶劑重量分配如下表3.1 所示)。. 6.. 將Al2O3/water奈米流體使用電磁攪拌器混合帄均。. 7.. 使用超音波震盪器震盪1 小時，使奈米顆粒更能帄均分散於流體中。. 8.. 重複步驟6-7數次，使流體中奈米顆粒能更均值的分散，讓奈米流體有較 好的懸浮狀況。. 9.. 完成實驗樣本製備。. 表3.1 奈米流體實驗樣本之濃度配置表 濃度(wt.%). 溶劑(g). 溶質(g). 溶液重(g). 0.5. 2189. 11. 2200. 1.0. 2178. 22. 2200. 1.5. 2167. 33. 2200. 30.
(42) 奈米流體製作. No. 粉末準備. Al2O3 15nm. 製作甲聚醣/水溶液. 濃度：0.2 wt.%. 樣本製備. 濃度： 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 樣本分散. 電磁攪拌2小時 超音波震盪1小時. 分散良好 ? Yes. 實驗結果分析 圖3.4 Al2O3/water奈米流體製作流程圖. 31.
(43) 3.2.2 二次粒徑與介面電位量測實驗 本實驗之實驗架構如圖3.5所示，使用粒徑分析儀(nanoparticle analyzer, SZ-100 , HORIBA)量測各實驗樣本的二次粒徑與介面電位，藉由該儀器檢測出的結果可分 析樣本是否有發生團聚現象與沉澱現象。二次粒徑與介面電位量測過程如下： 1.. 二次粒徑實驗：將所有實驗樣本各取出2 c.c.於比色槽(cuvette)中。 介面電位實驗：將所有實驗樣本各取出0.5 c.c.於測試槽(cell)中。(實驗參 數如表3.2). 2.. 放入粒徑分析儀進行量測並記錄數值。(實驗流程如圖3.6). 3.. 更換樣本，重複步驟1-2。. 4.. 為減少實驗誤差與提高準確性，每個實驗樣本均量測3次並取帄均值。. 5.. 實驗結果分析。 比色槽. 電 腦 資料. 粒徑分析儀 (HORIBA SZ-100) 圖3.5 二次粒徑分佈與介面電位量測實驗架構圖. 表3.2 粒徑分佈與介面電位量測實驗樣本參數配置表 量測項目. 樣本容量 (ml). 粒徑. 2. 介面電位. 0.5. 樣本溫度 (℃) 25. 流體濃度. 分散劑濃度. (wt.%). (wt.%). 0.5 1.0. 0.2. 1.5 32.
(44) 二次粒徑& 介面電位量測 重量濃度： 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備奈米流體 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 粒徑量測實驗. 所有樣本已量測? No Yes. 介面電位量測實驗. No. 所有樣本已量測? Yes. 實驗結果分析 圖3.6 二次粒徑與介面電位量測實驗流程圖. 33.
(45) 3.2.3 熱傳導係數量測實驗 本實驗之實驗架構圖如圖3.7所示，利用熱性質分析儀(thermal analyzer, KD2 Pro, Decagon)量測奈米流體的熱傳導係數，該儀器主要利用暫態熱線法原理來量測 熱傳導係數。實驗參數如表3.3，實驗流程圖如圖3.8所示。熱傳導係數量測流程如 下： 1.. 將恆溫水槽(isothermal unit, D-620, DengYng)設定至實驗預設溫度。. 2.. 將實驗樣本 30 ml裝入玻璃試管中，放入恆溫水槽內，等待樣本溫度達到 實驗預設溫度，並穩定控制於±0.5℃以內。. 3.. 使用熱性質分析儀進行量測。. 4.. 為減少實驗誤差與提高準確性，每個實驗樣本均量測10次，量測時間間 隔為15分鐘。. 5.. 更換樣本，重複步驟2-4。. 6.. 改變溫度參數，重複步驟1-5。. 7.. 實驗結果分析。 KD2 Pro. 溫度控制器 資 料. 電 腦 樣本. 恆溫水槽. 圖3.7 熱傳導係數量測實驗架構圖 34.
(46) 表3.3 熱傳導係數量測實驗參數配置表 樣本容量. 量測項目. (ml). 熱傳導係數. 樣本溫度 (℃). 30. 30~60 間隔: 10. 流體濃度. 分散劑濃度. (wt.%). (wt.%). 0 0.5 1.0 1.5. 0.2. 熱傳導係數量測 重量濃度： 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備奈米流體 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 實驗溫度： 30, 40, 50, 60 ℃. 實驗溫度設定. 熱傳導係數量測. No. 所有樣本已量測? Yes. 實驗結果分析 圖3.8 熱傳導係數量測實驗流程圖 35.
(47) 3.2.4 密度量測實驗 本實驗之實驗架構如圖3.9所示，使用密度/比重計(density/specific gravity meter, DA-130N, KEN)量測各實驗樣本的密度並進行分析，量測前需將實驗驗本使用電磁 攪拌器與超音波震盪器分散。實驗參數如表3.4，實驗流程如圖3.10。密度量測流 程如下： 1.. 將恆溫水槽設定至實驗預設溫度。. 2.. 將實驗樣本 30 ml裝入玻璃試管中，放入恆溫水槽內，等待樣本溫度達到 實驗預設溫度，並穩定控制於±0.5℃以內。. 3.. 使用密度/比重計進行量測並記錄數值。. 4.. 為減少實驗誤差與提高準確性，每個實驗樣本均量測5次。. 5.. 更換樣本，重複步驟2-4。. 6.. 改變溫度參數，重複步驟1-5。. 7.. 實驗結果分析。. 密度計 溫度控制器 資 料. 電 腦 樣本. 恆溫水槽 圖3.9 密度量測實驗架構圖 36.
(48) 表3.4 密度量測實驗參數配置表 量測項目. 密度. 樣本容量 (ml). 樣本溫度 (℃). 30. 流體濃度. 分散劑濃度. (wt.%). (wt.%). 0 0.5 1.0 1.5. 0.2. 30~50 間隔: 10. 密度量測實驗 重量濃度： 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備奈米流體 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 實驗溫度： 30, 40, 50, 60 ℃. 實驗溫度設定. 密度量測. No. 所有樣本已量測? Yes. 實驗結果分析 圖3.10 密度量測實驗流程圖 37.
(49) 3.2.5 黏滯係數量測實驗 本實驗之實驗架構如圖3.11所示，使用音波式黏度計(protable viscosimeter iscolite, VL700-T15, Hydramotion)量測各實驗樣本的黏度並進行數據分析。實驗參 數如表3.5，實驗流程如圖3.12。黏滯係數量測流程如下： 1.. 將恆溫水槽設定至實驗預設溫度。. 2.. 將實驗樣本 150 ml裝入玻璃試管中，放入恆溫水槽內，等待樣本溫度達 到實驗預設溫度，並穩定控制於±0.5℃以內。. 3.. 使用音波式黏度計進行量測並記錄數值。. 4.. 更換樣本，重複步驟2-3。. 5.. 改變溫度參數，重複步驟1-4。. 6.. 實驗結果分析。. 溫度控制器. 音波式黏度計. 資料. 樣本. 恆溫水槽 圖3.11 黏滯係數量測實驗架構圖. 38. 電 腦.
(50) 表3.5 黏滯係數量測參數配置表 量測項目. 黏度. 樣本容量 (ml). 樣本溫度 (℃). 150. 30~60 間隔: 10. 流體濃度. 分散劑濃度. (wt.%). (wt.%). 0 0.5 1.0 1.5. 0.2. 黏度量測實驗 重量濃度： 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備奈米流體 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 實驗溫度： 30, 40, 50, 60 ℃. 實驗溫度設定. 黏度量測. No. 所有樣本已量測? Yes. 實驗結果分析 圖3.12 黏滯係數量測實驗流程圖 39.
(51) 3.2.6 比熱量測實驗 本實驗之實驗架構如圖 3.13 所示，使用熱示差分析儀(differential scanning calorimeter, DSC, Q20, TA)配合機械冷卻系統(RCS40)來量測 Al2O3/water 奈米流體 的比熱，DSC 是在高純度氮氣(5N)環境中進行實驗，樣本秤定重量 10mg 於有蓋的 鋁製樣品盆(Tzero Pan, No.: T100915)內，比熱測試方法是以標準藍寶石(TN-8)為基 準值。比熱量測值如式(3.1)所計算，由絕對熱流除以加熱速率後再乘以校準常數， 其中 E 為校準常數；H 為絕對熱流；Hr 為加熱速率；M 為樣本質量。 𝐶. (3.1). 首先是使用兩個空的樣品盆進行實驗來得知空的樣品盆之背景熱流，之後再 以空的樣品盆與裝有藍寶石的樣本盆進行實驗，將測得的藍寶石樣品盆數值減去 背景熱流值即為絕對熱流值，而因為藍寶石樣本的比熱值是已知的，經由式(3.1) 可以算出校準常數值，套回公式後即可計算出之後所測的其他樣本比熱值。本實 驗參數如表3.6，溫度範圍為20~70℃，加熱速率為4℃/min， 由於實驗在初始狀態 與結束狀態時會不穩定，為減少實驗誤差，因此取25~65℃的實驗數據來計算比熱 值。將實驗結果數據與式(2.19)做比較後，評估方程式之可用性。實驗流程如圖 3.14。. 電 腦 資料. 熱示差分析儀(DSC). 圖3.13 比熱量測實驗架構圖 40.
(52) 表3.6 比熱量測參數配置表 樣本重量. 升溫範圍. 流體濃度. 分散劑濃度. (mg). (℃). (wt.%). (wt.%). 20~70. 0 0.5 1.0 1.5. 0.2. 量測項目. 比熱. 10. 比熱量測實驗. 重量濃度： 0.0, 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備流體 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 溫度範圍： 20~70 ：. 儀器參數設定. 比熱量測. No. 所有樣本已量測? Yes. 實驗結果分析 圖3.14 比熱量測實驗流程圖 41.
(53) 3.3 氣冷式熱交換器應用實驗 本研究之實驗架構圖如圖 3.15 所示，使用加熱水槽模擬綠色能源裝置之熱源， 將 2200c.c.的樣本倒入 2500c.c.的水槽內，溫度經由溫度控制器和 500W 加熱器控 制，熱源溫度範圍遵守綠色能源之操作溫度約為 30~60℃，系統流率由水泵 (MCP-655, Swifttech)的輸入電壓(GPC-6030D, GWINSTEK)控制，將流體打入氣冷 式熱交換器作循環。透過熱交換器進出口水溫差可以計算交換器的熱交換量，而 本實驗主要為利用氣冷式熱交換器來評估奈米流體於不同重量濃度、溫度和流率 的熱傳性能，並與基礎溶液相比較，表 3.7 為氣冷式熱交換器實驗參數表。本實驗 使用鋁製氣冷式熱交換器，如圖 3.16 所示，為 11 條方形扁管(每條 118×17.3×1.9mm) 與散熱鰭片所組成。為了減少熱交換實驗每個元件間的熱損失，其管路用 1.5cm 厚的保溫套管包覆。實驗中，溫度經由溫度控制器穩定控制達設定溫度(30、40、 50 和 60ºC± 0.5ºC.)，透過環控系統維持環境溫度 25±1ºC 和相對溼度 60±5%，以減 少實驗誤差。圖 3.17 為實驗流程圖。 溫度控制器 直流電源 供應器. 資料擷取器. SSR. V1 Rs. 熱交換器. T. P. T. V2 加熱器. 水泵. T. P. 流量計. 圖3.15 氣冷式熱交換器實驗架構圖 42. AC 110V.
(54) 表3.7 氣冷式熱交換器實驗參數表 樣本容量. 流體濃度. (ml). (wt.%). 2200. 0 0.5 1.0 1.5. 實驗溫度 (℃) 30~60 間隔: 10. 圖3.16 氣冷式熱交換器. 43. 流量 (L/min.) 1.8 2.1 2.4. 環境溫度 (℃). 25±1ºC.
(55) 氣冷式熱交換器實驗. 重量濃度： 0.0, 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備流體. 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 流體溫度. 流量控制. 熱交換器出入口溫度量測 水泵消耗功率量測. 所有樣本已量測? No Yes. 計算熱交換量 水泵消耗功率. 實驗結果分析 圖3.17 氣冷式熱交換器實驗流程圖. 44.
(56) 3.4 綠能動力散熱系統應用實驗 本研究利用多流道熱交換器搭配加熱器來模擬綠色能源的廢熱來源，以及經 由氣冷式熱交換器來評估奈米流體的散熱性能。操作條件為：奈米流體不同濃度 (0.5, 1.0, and 1.5 wt.%)，不同熱源功率(50, 100 and 150 W)，不同流率(0.8, 1.2, 1.6, 2.0 and 2.4 L/min.)，圖3.18為實驗架構圖，表3.8為實驗參數表。各實驗樣本約800c.c.， 分別倒入0.8公升的壓克力水箱並進行實驗，加熱器熱源經由可程式化電源供應器 (EV202, Consort)控制，系統流率由水泵的輸入電壓控制，透過環境控制系統將環 境溫度控制在25±1 ºC，相對溼度控制在60±5%，目的為確保環境溫度一致，以減 少實驗誤差。最後，利用資料擷取器(TRM-20, TOHO)和流量計(NF05, Aichi Tokei) 測量溫度、電壓以及流體流率，利用公式計算出系統的散熱量和效率因子。圖3.19 為實驗流程圖。. T. 熱交換器. P. 直流電源 供應器. 定功率電源供應器. P. T P. T. 流量計. V. 儲液桶. Rs. 多流道 熱交換器. P T. 水泵. 圖3.18 綠能動力散熱系統實驗架構圖 45. 加 熱 器.
(57) 表3.8 綠能動力散熱系統實驗參數表 樣本容量. 流體濃度. 輸入功率. 流量. (ml). (wt.%). (W). (L/min.). 800. 0 0.5 1.0 1.5. 50 100 150. 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4. 環境溫度 (℃). 25±1ºC. 綠能散熱系統實驗. 重量濃度： 0.0, 0.5, 1.0, 1.5 wt.%. 準備流體. 超音波震盪& 電磁攪拌器分散. 加熱功率. 流體溫度. 流量控制. 水冷式熱交換器出入口溫度量測 氣冷式熱交換器出入口溫度量測 水泵消耗功率量測. No. 所有樣本已量測? Yes. 計算熱交換量 水泵消耗功率. 實驗結果分析 圖3.19 綠能散熱系統實驗流程圖 46.
(58) 3.5 實驗不確定性分析 在本研究中，各實驗設備量測皆有偏誤而造成各實驗的不確定性，以下將針 對各實驗的不確定性因素進行分析探討[56]： 1. 奈米流體配製：調配奈米流體重量濃度時，是經由電子天帄量測樣本重量 (g)時，會發生偏誤，故實驗不確定性如下式計算：. √(. ). (4.1). 其中電子天帄準確性為±0.01g，因此實驗不確定約為±2.0%。 2. 熱傳導係數量測：熱傳導係數經由熱性質分析儀量測，奈米顆粒重量經由 精密電子秤測得，恆溫水槽的溫度經由電阻式溫度控制器(RTD, pt-100)控 制，故熱傳導係數實驗不確定性如下列公式計算：. √( ). (. ). ( ). (4.2). 其中熱性質分析儀準確性為±5%，電子天帄準確性為±0.01g，RTD準確性 為±0.5℃，因此熱傳導係數量測實驗不確定性約為±5.6%。 3. 密度量測：密度經由密度計量測，奈米顆粒重量經由精密電子秤測得，恆 溫水槽的溫度經由電阻式溫度控制器(RTD, pt-100)控制，故密度量測實驗 不確定性如下列公式計算：. √( ). (. ). ( ). (4.3). 其中密度計準確性為±0.001 g/cm3，電子天帄準確性為±0.01g，RTD準確性 為±0.5℃，因此密度量測實驗不確定性約為±2.2%。. 47.
(59) 4. 黏滯係數量測：黏滯係數經由音波式黏度計量測，奈米顆粒重量經由精密 電子秤測得，恆溫水槽的溫度經由電阻式溫度控制器(RTD, pt-100)控制， 故黏滯係數量測實驗不確定性如下列公式計算：. √(. ). (. ). ( ). (4.4). 其中音波式黏度計準確性為±1%，電子天帄準確性為±0.01g，RTD準確性 為±0.5℃，因此黏滯係數量測實驗不確定性約為±2.7%。 5. 比熱量測：比熱經由熱示差分析儀量測，奈米顆粒重量經由精密電子秤測 得，故比熱量測實驗不確定性如下列公式計算：. √(. ). (. ). (4.5). 其中熱示差分析儀準確性為±1%，電子天帄準確性為±0.01g，因此比熱量 測實驗不確定性約為±2.2%。 6. 水泵耗功量測：水泵耗功值經由資料擷取器紀錄供電電壓與負載電阻 (loading resistor)電壓降，故水泵耗功量測實驗不確定性如下列公式計算：. √(. ). (. ). (4.6). 其中資料擷取器擷取供電電壓準確性為±1%、擷取負載電阻電壓準確性為± 5%，因此水泵耗功量測實驗不確定性約為±5.1% 7. 熱交換實驗量測：流體流率經由流量計紀錄，密度經由密度計量測，比熱 經由DSC量測，進出口水溫度經由熱電偶線量測，故熱交換實驗量測不確 定性如下列公式計算：. 48.
(60) √( ). ( ). (. ). ( ). (4.7). 其中流量計準確性為±2.0%，密度計準確性為±0.001 g/cm3，比熱準確性為± 2.2%，熱電偶線準確性為±0.5ºC，因此熱交換實驗量測不確定性約為± 3.0%。. 49.
(61) 第四章 實驗結果與討論 4.1 奈米流體檢測 4.1.1 奈米顆粒材料性質檢測結果 圖4.1為Al2O3 奈米顆粒的XRD圖，圖譜內出現的峰值與JCPDS材料標準圖譜 [57]相互比較後，證實了實驗所使用的奈米顆粒主成分為γ-Al2O3的晶體結構。. 圖4.1 Al2O3奈米顆粒繞射圖譜. 4.1.2 奈米顆粒表觀檢測結果 本研究使用粒徑為15nm的商用Al2O3奈米粉末。圖4.1為TEM所拍攝之影像圖， 由圖中可看出奈米顆粒形狀近似於圓形，各顆粒的大小與形狀差異皆不大，皆符 合廠商所標示的粒徑。 50.
(62) 圖4.2 Al2O3奈米顆粒TEM影像圖. 4.1.3 奈米流體表觀形貌 圖4.3為經由二階合成法製作而成的Al2O3/water奈米流體，流體顏色主要為白 色，由途中可看出流體在濃度為0.5wt.%時，顏色比較淡，其他兩者顏色差異較不 明顯。. 圖4.3 由二階合成法製作而成的Al2O3/water奈米流體照片 51.
(63) 4.2 奈米流體基本特性實驗 本節將對Al2O3/water奈米流體在二次粒徑、介面電位、熱傳導係數、密度、黏 滯係數及比熱的量測實驗結果分節討論如後。. 4.2.1 二次粒徑與介面電位量測實驗結果 圖4.4 是Al2O3/water奈米流體中，Al2O3奈米顆粒在各濃度下的帄均二次粒徑 和介面電位圖。在濃度為0.5wt.%、1.0wt.%和1.5wt.%中，z-average和介面電位分別 為152.9 nm/32.4 mV、162.5 nm/44.4 mV和126.4 nm/49.0 mV，由實驗結果可以證實 在流體中添加甲聚醣分散劑可使奈米顆粒介面電位由負電位轉正電位，介面電位 越遠離等電點越能提升顆粒於流體中的懸浮性能。由於本實驗數據由粒徑分析儀 測得，其測量方式不同，並且顆粒於流體中會發生團聚的現象，因此會比TEM所 拍攝的粒徑還要大。. 圖4.4 Al2O3/water奈米流體之不同濃度與二次粒徑、介面電位圖 52.
(64) 4.2.2 熱傳導係數量測實驗結果 圖4.5是Al2O3/water奈米流體在溫度範圍為30-60℃與不同濃度之下對熱傳導 係數的變化圖，由圖可看出，當奈米流體濃度增加，熱傳導係數會提升；而流體 溫度升高，熱傳導係數也會提升，而濃度造成的熱傳導係數增進率比溫度還低許 多。增加濃度與溫度可提升流體中粒子間的碰撞，將有助於提升Al2O3/water奈米流 體的熱傳導係數。奈米流體熱傳導係數在溫度範圍為30-60℃並與水相較之下，0.5 wt.%提升1.37%~3.52%、1.0 wt.%提升1.88%~4.13%、1.5 wt.%提升2.06%~8.88%。 圖4.5也顯示實驗結果與Ho et al.[44]所提出的熱傳導係數計算方程式(式2.8)的 計算結果相比較，實驗結果與計算結果的偏差範圍為-6.44%至5.59%，隨著濃度的 增加，偏差量越大。然而，考量本實驗的不準確度，此偏差仍在可接受的範圍內， 因此公式(2.8)適合評估本研究之熱傳導係數。. 圖4.5 Al2O3/water奈米流體之不同濃度、溫度與熱傳導係數關係圖. 53.
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