行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告
PCM 微粒/奈米流體混合懸浮液體之對流熱傳特性研究(1/3)
計畫類別： 個別型計畫
計畫編號： NSC94-2212-E-006-101-
執行期間： 94 年 08 月 01 日至 95 年 07 月 31 日 執行單位： 國立成功大學機械工程學系（所）
計畫主持人： 何清政
報告類型： 精簡報告
處理方式： 本計畫可公開查詢
中 華 民 國 95 年 5 月 30 日
PCM 微粒/奈米流體混合懸浮液體之對流熱傳特性研究
On Convective Heat Transfer Characteristics of PCM-Particles/Nanofluids Mixture
計劃編號 : NSC94-2212-E006-101 執行期限：94 年 8 月 1 日至 95 年 7 月 31 日 主持人 : 何清政 博士 國立成功大學機械工程學系
一、 摘要
本期研究主要針對 PCM 微粒懸浮液與奈米流體之 混合液相關熱物理性質，包括黏度、粒徑、熱焓、相變 化溫度、密度與熱傳導係數等，進行實驗測定。PCM 微 粒懸浮液係由十六烷( )與超純水組成；奈米流體 則為氧化鋁顆粒與超純水調配完成。PCM 微粒懸浮液之 重量濃度分別為 1%、5%及 10%；奈米流體內氧化鋁顆 粒之重量濃度則固定為 1%。本期研究迄今所得量測結 果，顯示混合液之密度及黏度皆會隨溫度上升而下降；
而其熱傳導係數則隨著溫度上升而顯著增加。此外，添 加氧化鋁奈米顆粒於 PCM 微粒浮液中，確實可顯著增 加混合液之密度、黏度及熱傳導係數。
16 34
C H
關鍵字 : 相變化材料微粒、奈米流體、黏度、粒徑、密 度、熱傳導係數。
二、 前言
近年來許多研究對於各種形式熱儲存技術感到有 興趣，期望能使多餘的或廢熱量的能源保存起來再利 用；其中較吸引人者為潛熱之儲存技術，因其能在小溫 度範圍中藉由合適相變化材料(Phase Change Material, PCM)吸收/釋放潛熱方式，達到儲存/釋出熱量功能。相 變化材料之選擇很多，包含有機或無機之材料；有機材 料如氫氧化鹽，而無機材料如脂肪酸、脂肪醇、碳氫化 合物之石蠟。相變化材料應可用於熱量之儲存與傳輸兩 方面；熱量儲存應用常見之例子如綠色節能建材之應用
【1】；而熱量傳輸之利用，係將相變化材料微粒分散於 水或熱傳液體中，除了藉由流動將熱量傳輸外，亦藉助 於相變化材料微粒之吸收/釋放潛熱特性，進而提升熱傳 遞效益。
相變化材料微粒之製作方法可分為兩種，一種為微 膠囊批覆技術【2】，另一種則為乳化技術【3】。微膠囊 技術之優點為可控制顆粒之大小，且可避免相變化材料 微粒結塊之情形；但是此技術成本較高，製作不易，膠 囊批覆表面之高分子材料會影響熱量 傳遞，及在熱循環 中會因膨脹或收縮現象而產生膠囊破裂。乳化技術係藉 添加界面活性劑，以離散油性相變化材料微粒於水中，
而形成顆粒懸浮乳狀物(乳液)；其製程較為簡易。一般 而言，乳液的顆粒懸浮穩定性需具備下列條件【4】：(1)
液滴要小，若液滴大會因比重差而呈現排液現象；(2)水 和油之比重差要小，若比重差大亦易導致排液現象；(3) 避免發生液滴/顆粒聚合現象。此外，製備乳液時需針對 攪拌速率、溫度、乳化之過程、及界面活性劑等，嘗試 不同之條件組合下結果互相比較【5】，以得到最佳條件。
相變化材料微粒可隨溫度範圍以三種不同狀態存在，即 固體、相變化及液體【6-7】。對於相變化材料微粒之粒 徑控制，可藉由有小孔之透膜控制滴入水中相變化材料 液滴大小【8】，或製備乳液時，藉控制超音波震盪之時 間長短產生不同粒徑之液滴【9】。根據示差掃描熱量分 析儀(DSC)實驗，相變化材料微粒乳液凝固時其凝固溫 度隨粒徑的減少而降低，亦即強化過冷現象。
另外，氧化鋁與水製成之奈米流體其微粒懸浮穩定 度，可藉由添加鹽酸與氨水改變其 PH 值【10】予有效 改善；例如，加酸可使氧化鋁微粒表面產生正電荷與質 子，藉所產生庫倫力而懸浮，其結果可由 zeta 電位實驗 結果映證 【11】。Alvarez 等【12】以三種成分製成混合 液，量測其比重與黏度值，並與理論模式預測值作比較，
結果發現量測數據與理論值存在些許差異，並推論此差 異肇於：(1)分子間之特有例如氫鍵斷裂或氫鍵形成，以 及電荷轉移；(2)分子間作用力，包含靜電力、感應力與 分散力；(3)組成分子之結構差異等。
相變化材料微粒懸浮液雖然有很好之儲熱能力，但 其熱傳導係數偏低，如何有效增加其熱傳導係數為目前 有待探究之問題。藉添加具高熱傳導係數之微米尺度固 體粒子可提高懸浮液之熱傳導係數【13】，然而懸浮顆粒 會有沉澱、阻塞、腐蝕管路及造成壓損之情形產生，致 使可行性偏低。近十年間，伴隨奈米微粒製作技術之發 展，使用高熱傳導係數之奈米尺寸之金屬顆粒製成奈米 流體【14】，可有效改善前述微米顆粒懸浮液之缺點。鑑 上所述，本研究旨在探究添加高熱傳導係數奈米微粒，
以提高於相變化材料微粒懸浮液之可行性及量測其相關 熱物理性質。
三、 混合液製備
首先分別製備出相變化材料微粒乳液與奈米流體，
再將兩者藉由超音波震盪使其混合均勻。混合液製備 所需材料包括：超純水、十六烷(Zeeland Chemicals, 純 度 99%)、界面活性劑及氧化鋁奈米微粒(關東化學株式 會社)。其中，界面活性劑係由中日合成化學股份有限公 司提供之 SINOPOL1102 與 SINOPOL968，其 HLB 值分
別為 6.1 與 15.2，依照 4：1 混合後之 HLB 值約為 8 【15】。 而 氧 化 鋁 之 純 度 為 99.5% ， 平 均 粒 子 大 小 為 22.2~47.7nm。現將相變化材料微粒乳液、奈米流體及其 混合液之調配程序分別敘述如下：
(a) 相變化材料微粒乳液製備程序：
1. 先由各成分彼此之比例求的各成分之重量濃度，接 著藉由重量濃度計算出各成分所需之重量。
2. 將超純水與 HLB 值較高之 968 藉由電磁攪拌器 (SCHOTT, Schott laboratory stirrer SLR)，以轉速 600 rpm 混合 10 分鐘。
3. 同 時 亦 將 十 六 烷 與 HLB 值 較 低 之 界 面 活 性 劑 SINOPOL1102 藉由電磁攪拌器(轉速 600 rpm)混合 10 分鐘。
4. 將步驟 3 調成之溶液緩慢加入至步驟 2 之溶液中，
並以電磁攪拌器(轉速 600 rpm)混合 30 分鐘。
5. 將步驟 4 之溶液置入均質機(LLTRA TURRAX, T25 basic)(強度設定為 2 或轉速 13000 rpm)攪拌 2 小時，
6. 最後將均質化後之溶液進一步使用超音波細胞粉碎 機(MISONIX， XL-2020) (強度設定為 4)震盪 2 小 時，含相變化微粒之乳液即完成。
(b) 奈米流體製備程序：
1. 先決定氧化鋁與水之重量濃度，接著藉由重量濃度 計算出所需之重量。
2. 先 取 過 量 之 氧 化 鋁 ， 置 於 真 空 烘 箱 (ANCER, ACS-10000H)中，並以 110℃之真空狀態乾燥 2 小時 以去除表面附著之水份。
3. 將氧化鋁加入超純水中，置於超音波細胞粉碎機中 震盪 4 小時，奈米流體即製備完成。
(c) 相變化材料微粒乳液與奈米流體混合液之製備：
1. 藉由混合液所需之比例，先計算高濃度乳液所需之 量，並計算用來稀釋且含氧化鋁之奈米流體之濃度 與量。
2. 藉由前述製程分別製備完成相變化材料乳液與奈米 流體，並將二者混合後置於超音波細胞粉碎機中震 盪 2 小時，乳液與奈米流體混合液即製備完成。
四、熱物理性質測定
（a）黏度量測 － 係使用圓錐體與圓盤式黏度計，為 藉由求得剪應力及剪應變值計算絕對之黏度值，樣品之 體積需求非常小，約 0.5~2 ml，因此非常容易達到實驗 所需之溫度條件，且適合於分析非牛頓性流體之黏度。
本研究所採用之黏度量測步驟如下所述：
1. 開啟恆溫槽，並設定所需溫度。
2. 啟動黏度計，將電腦程式歸零並安裝圓錐式軸後；
滴入待測溶液(1 毫升)於杯狀容器後，固定容器於黏 度計上。
3. 開啟實驗步驟設定程式，待恆溫槽穩定後即可開始 量測，並經由軟體自動紀錄數據。
（b）粒徑量測 －粒徑量測方法計有：篩網法、光學顯 微鏡、沉降法、雷射光繞射法、動態光散射法、及電子 顯微鏡等；各有其適用量測範圍。本研究採用之方法為 動態光散射法，所使用之儀器為德芮克國際股份有限公 司(Malvern, model Nano-ZS)奈米粒徑分析儀；其特性為 可量測高濃度奈米顆粒之粒徑大小與分布，靈敏度高且 溫度範圍廣；所採用量測步驟如下：
1. 取適量之待測液於比色槽中，並置入樣品室中。
2. 開啟儀器之軟體，並選擇粒徑量測模式。
3. 使用手動模式設定，並輸入溶液名稱、選擇樣品室 種類、設定樣品材質與溶劑名稱、折射率、吸光係 數及黏度，接著設定溫度、量測時間、次數和量測 位置。
4. 設定完成後即可開始量測，待量測完畢後將相關數 據儲存以便後續處理。
（ c ） 示 差 掃 描 熱 量 分 析 儀 (Differential Scanning Calorimetry, DSC)量測 － DSC，可概分為加熱率 或功率補償等兩種形式。本研究係採用加熱率式 DSC，其實驗步驟如下：
1. 先以滴管將待測液滴入鋁盤中，並用壓盤機壓將鋁 盤製成待測盤，同時亦壓製出兩個無填充物之標準 空盤。
2. 將兩個標準空盤分別置入 DSC 加熱爐之兩個試料容 器內，依照所設定之溫度範圍與加熱率，完成一組 熱循環實驗，並以其結果作為基準(baseline)曲線值。
3. 以待測盤取代步驟 2 時加熱爐試料容器內兩空盤之 一，並以相同於步驟 2 所設溫度範圍與加熱率，重 複完成所需熱循環量測。
4. 藉由軟體分析計算出待測液之熔點、凝固點及潛熱 等熱物理性質數據。
（d）密度量測 － 密度量測係使用投入式密度計，為根 據阿基米得原理設計之量測儀器，量測範圍為 0.940 ~ 1.000 g/cm3，最小刻度為 0.001g cm 。密度量測之實驗3 步驟如下：
1. 將待測溶液倒入量筒中，其容量需符合密度計之長 度範圍。
2. 將裝有待測液之量筒置入恆溫槽中，並設定恆溫槽 溫度為所需控制值。
3. 待溫度穩定後，即可密度計置入量筒，讀取密度值。
（e）熱傳導係數量測 － 熱傳導係數量測方法計有穩態 實驗【16】與暫態實驗【17】等方法。本研究係使用暫 態法量測系統 (Decagon Device；Model KD2)，其量測 誤差為 5%，量測溫度範圍為-20℃~60℃，可量測之熱傳 導係數範圍為 0.02~2Wm C-1 -1。量測步驟如下所述：
T (oC ) ρ(g/cm3)
5 10 15 20 25 30 35 40 45
0.96 0.97 0.98 0.99 1 1.01
water PCM1%
PCM5%+Al2O31%
PCM5%
PCM1%+Al2O31%
PCM10%+Al2O31%
PCM10%
圖（一）不同組成混合液密度隨溫度變化情形。
T (oC ) η*103(N*s/m2)
5 10 15 20 25 30 35 40
0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
water PCM 1%
PCM 5%
PCM 10%
PCM 1% + Al2O31%
PCM 5% + Al2O31%
PCM 10% + Al2O31%
圖（二）不同組成混合液黏度隨溫度變化情形。
1. 首先充填適量之待測液於試管中，並插入熱傳導係 數量測探針，確保完全浸置於待測液內。
2. 將試管置於恆溫槽中，待恆溫槽溫度達到所欲設定 值，即可開始量測。
3. 量測過程約需 1.5 分鐘，其中前 30 秒期間為偵測平 衡溫度值，並顯示出量測溫度；接下來之 30 秒係加 熱待測液，並監控其溫度變化情形；最後 30 秒期間 係停止加熱待測液，監控溫度變化情形，依此溫度 變化數據，測定出熱傳導係數值。
四、 結果與討論
迄今，本期研究計調製完成含相變化材料(PCM)微 粒 1%、5%及 10%之 PCM 微粒乳液，進而調配出含 1%
氧化鋁之混合液。針對 PCM 微粒/奈米流體混合液之熱 物理性質進行實驗量測，進而探討混合液內 PCM 微粒 濃度變化及添加氧化鋁奈米顆粒對其熱物理性質之影 響。
圖(一)為 PCM 微粒不同濃度下，混合液密度(ρ) 隨溫度(T)之變化情形；圖中結果顯示，未添加氧化鋁 之乳液之密度值隨著其內含 PCM 微粒濃度或溫度的增 加而降低；而添加 1%之氧化鋁微粒後混合液之密度值 即呈現如預期之顯著上升。黏度值(η)之結果，如圖
(二)
T (oC ) k(W/moC)
0 5 10 15 20 25 30 35 40
0.5 0.55 0.6 0.65
water-experiment PCM 1%
PCM 1% + Al2O31%
PCM 5%
PCM 5% + Al2O31%
圖（三）不同組成混合液熱傳導係數隨溫度變化情形。
D (nm)
V(%)
250 500 750 1000 0
2 4 6 8 10
12 PCM 1%
PCM 1% + Al2O31%
PCM 5%
PCM 5% + Al2O31%
圖（四）不同組成混合液粒徑之體積分布曲線。
所示，隨著 PCM 微粒濃度之增加或氧化鋁的添加，混 合液之黏度呈上升之勢，但隨溫度上升而下降。當混合 液溫度低於 PCM 微粒凝固點時，其密度與黏度值隨溫 度下降而劇增；相對地，當混合液溫度高於 PCM 微粒 融點時，混合液密度與黏度值隨溫度上升而下降情形趨 緩，尤以含高濃度 PCM 微粒者最為明顯。
圖(三)為熱傳導係數之量測結果，隨混合液的溫度 上升，其熱傳導係數顯著地增加，但隨內含 PCM 微粒 濃度之增加而降低，此乃 PCM 微粒其熱傳導係數低於 純水所致；此外，添加氧化鋁奈米顆粒於混合液，可有 效增加混合液熱傳導係數；例如內含濃度 1% PCM 微粒 與濃度 1%氧化鋁之混合液，其熱傳導係數值已頗接近 純水。
有關混合液內懸浮顆粒直徑分佈結果，如圖(四)所 示，係以混合液內不同粒徑(D)微粒所佔體積比(V)之分 布曲線呈現。由圖示曲線，可觀察出添加氧化鋁微粒之 混合液，其內含微粒直徑之分佈範圍擴大，致使其平均 粒徑增大；同時，PCM 微粒濃度之增加，亦可導致混合 液平均粒徑增大。
最後則為 DSC 之實驗結果，由圖(五)之溶解曲線與 圖(六)之凝固曲線可以得知添加濃度 1%之氧化鋁，混合
液內含相變化材料微粒之熔點與凝固點並無產生變化情
PCM 1%
PCM 1% +Al2O31%
T (oC )
0 5 10 15 20
PCM 5%
PCM 5% +Al2O31%
圖（五）不同組成混合液 DSC 熔解曲線。
PCM 1%
PCM 1% +Al2O31%
T (oC )
-5 0 5 10 15
PCM 5%
PCM 5% +Al2O31%
圖（六）不同組成混合液 DSC 凝固曲線。
形，呈現相同之熔解與凝固曲線。
五、 結論
依據本期研究迄今所獲量測結果，證明於相變化材 料微粒乳液中添加氧化鋁奈米顆粒，可有效地增加其熱 傳導係數；例如，添加濃度 1%氧化鋁顆粒於相變化材 料微粒乳液中，即可提升其熱傳導係數接近純水之值。
然而，添加奈米顆粒會致使混合液其它熱物理性質，諸 如密度、黏度、及、粒徑等，顯著地上升；惟對混合液 內含相變化材料微粒之固液相變化溫度(熔點與凝固點) 無明顯影響。
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