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奈米流體應用於噴霧冷卻法
對熱傳性能影響之研究
報告者 : 楊硯凱
指導教授 : 張烔堡
高效率熱傳暨冷凍空調與能源研究室
High Efficiency Heat Transfer , Air-Conditioning and Energy Lab.
1
大綱
1
前言
2
實驗設備
3
奈米流體製備與檢測
4
實驗流程
5
結果與討論
6
結論
2
前言(1/3)

噴霧冷卻法具有迅速、有效率冷卻、優越的消散熱通量等特性，噴霧
冷卻已經在各種工業以及科技應用中廣泛的使用，如金屬淬火、雷射
冷卻、氣渦輪葉片冷卻、內燃機、微電子冷卻等。

Choi將奈米尺度(0~100nm)內的金屬顆粒或金屬氧化物均勻的分散於
傳統冷卻液體(水、乙二醇、冷凍劑、乙醇)結合成新穎的熱傳流體稱
之奈米流體(Nanofluids)。

X.Wang et al，證實懸浮於冷卻液體中的奈米顆粒增加了流體的熱容
量，懸浮的奈米顆粒提升液體的擾動性有助於增強流體的熱傳性能且
改善系統整體的冷卻效率。
3
前言(2/3)

Das et al，研究中提及添加奈米顆粒於水基質液體中的奈米流體，實
驗過程中奈米顆粒會產生團聚的現象，則會沉積於加熱表面上導致表
面成核點減少，也會在加熱表面上形成奈米吸附層，因而增加奈米流
體與加熱表面的熱阻，導致熱傳性能下降。

Wen和Ding et al，探討Al2O3/水奈米流體於水平加熱表面上的核沸騰
熱傳性能研究，實驗結果顯示使用奈米流體可提升40％的核沸騰熱傳
能力。
4
前言(3/3)

目前奈米流體應用於池沸騰熱傳與的初步研究結果則呈現不一致的熱
傳特性趨勢，對於奈米流體與噴霧冷卻法結合應用研究成果並不多，
且未進行更深入的研究探討。

本研究重點則在於探討改變加熱表面粗糙度與使用Al2O3/水奈米流體
濃度於噴霧冷卻法中對熱傳性能影響之研究，進而評估加入奈米流體
帶來熱傳增強效果的可行性，將作一深入的探討研究。
5
實驗設備(1/5)
測試段
觀景窗
紀錄器
超音波流量計
恆
溫
水
槽
恆
溫
水
槽
預熱槽
6
實驗設備(2/5)
 主迴路
圖1.主迴路示意圖
7
實驗設備(3/5)
 測試段
圖2.測試段示意圖 8
實驗設備(4/5)
 加熱模組
測試片表面
T1
T2
鐵氟龍蓋
T3
測試段底部
T4
圖3.加熱模組示意圖
加熱銅塊
電阻式加熱管
圖3.加熱模組示意圖
9
奈米流體製備與檢測(1/2)

一般來說製備奈米流體的方式有兩種主要的技術，第一種為一階法
(single step) ，另一種方法為二階法(two step)。
DI-Water
Al2O3奈米懸浮液體
Al2O3奈米粉末
超音波震盪分散
磁石攪拌機
圖5.製備奈米流體流程圖
Al2O3奈米流體
10
奈米流體製備與檢測(2/2)
圖4.Al2O3奈米粒子之TEM照片
11
實驗流程
設定液體恆溫機溫度
與加熱管輸出功率
噴霧系統內部液體循環
預熱器溫度設定
否
觀測噴霧系統噴霧
是否正常
是
噴霧流量調整
紀錄噴霧系統穩態溫度
12
圖5.實驗流程圖
結果與討論(1/8)

噴霧冷卻法與Lin et al的比較驗證
250
DI-water
m=0.0083 kg/s
Tsat= 66.3 oC
Lin et al[5]
200
Present date
150
q"(w/cm2)
100
50
0
0
10
20
30
Tw-Tsat
圖6.噴霧冷卻法與Lin et al熱傳性能比較圖
13
結果與討論(2/8)

質量流率0.019(kg/s)表面粗糙度Ra=0.20(μm)
160
120
q"(w/cm2)
80
m=0.019kg/s Tsat=53 oC
Ra=0.2 um
DI-water
40
0.025%
0.05%
0.1%
0
10
15
20
25
30
35
Tw-Tsat
圖7.DI-water與奈米流體之熱傳性能比較圖
14
結果與討論(3/8)

質量流率0.019(kg/s)表面粗糙度Ra=1.40(μm)
160
120
q"(w/cm2)
80
m=0.019kg/s Tsat=53 oC
Ra=1.40um
DI-water
40
0.025%
0.05%
0.1%
0
12
16
20
24
28
Tw-Tsat
圖8.DI-water與奈米流體之熱傳性能比較圖
32
15
結果與討論(4/8)

奈米流體體積分率0.025%表面粗糙度Ra=0.20(μm)
140
120
100
q"(w/cm2)
80
60
0.025 Vol % Tsat=53oC
Ra=0.20um
0.019 kg/s
40
0.038 kg/s
0.055 kg/s
20
8
12
16
20
24
28
Tw-Tsat
圖9.奈米流體變換質量流率之熱傳性能比較圖
16
結果與討論(5/8)
(a)
(b)
圖10.測試片表面型態分析圖
(a)DI-Water
(b)奈米流體體積分率0.1%
17
結果與討論(6/8)
(a)
(b)
圖11.測試片表面成份分析圖
(a)DI-Water
(b)奈米流體體積分率0.1%
18
結果與討論(7/8)

得知圖7.8.9研究結果為:

奈米流體質量流率上升，熱傳上升。
奈米流體體積分率較大時，測試表面較易產生吸附層。


因此圖12將探討改變奈米流體質量流率與變化奈米流體體
積分率對噴霧式冷卻法的影響。
19
結果與討論(8/8)

質量流率0.038(kg/s)表面粗糙度Ra=0.20(μm)
140
120
100
q"(w/cm2)
80
60
Ra=0.20um Tsat=53oC
m=0.038kg/s
DI-water
40
0.001%
0.025%
0.05%
20
4
8
12
16
20
Tw-Tsat
圖12.DI-water與奈米流體之熱傳性能比較圖
20
結論

質量流率0.019kg/s時，添加奈米顆粒於水基質液體中的奈米流體，其熱
傳係數與水基質液體比較後，奈米流體的熱傳性能呈現弱化的趨勢。

實驗過程中奈米顆粒會產生聚合(aggregation)的現象並沉積於加熱表面
上導致表面成核點減少，奈米顆粒沉積於表面上也會形成奈米吸附層
(sorption layer)，增加奈米流體與加熱表面的熱阻，因而影響熱傳。

兩種表面粗糙度於純水與各種奈米流體體積濃度下的噴霧熱傳性能比較
，結果顯示表面較粗糙的加熱面較平滑的表面可獲得較佳的熱傳能力。
其原因在於粗糙的加熱表面較易在表面微孔穴中捕捉到氣體可獲得較多
的成核點來改善噴霧熱傳特性。
21
結論

不同質量流率熱傳性能比較，實驗研究發現其熱傳係數會隨質量流率
增加而上升。

發現奈米流體體積分率為0.001％熱傳明顯比DI-water提升許多，則其
原因可能為奈米流體體積分率較低而液體質量流率上升導致噴霧速度
增加，衝擊加熱表面力道提升後，即可衝散其吸附層，因而導致熱傳
性能明顯增強。
22
未來計畫

是否能改善沉積於加熱表面上之奈米吸附層。

使用更低奈米流體體積分率進行實驗，探討熱傳是否隨之上升。
23
Thanks for you attention!
24