打造低成本高熱傳熱交換系統─碳系奈米流體之應用

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2021.05
學術動態
打造低成本高熱傳熱交換系統─碳系奈米流體之應用
【本篇報導由車輛與能源學士學位學程工業教育學系 鄧敦平教授、蕭廷江碩士、鍾竣奇碩士研究團隊提供】

  本研究使用石墨粉冷熱處理法(GP-HCPM)製備碳系奈米流體(CBNFs),並使用十二烷基苯磺酸鈉(SDBS)做為分散劑強化CBNFs的穩定性。以濃度分別為0.2 wt% (S1)與0.6 wt% (S2)的CBNFs為樣本,量測其熱傳導係數、黏度、比熱以及液滴接觸角。最後將CBNFs實際應用於硬銲板式熱交換器(BPHE)熱交換系統,評估在不同流體溫度與流量下的平均熱交換量(Qex,avg)、泵浦消耗電功率(Pp)以及系統效率因子(SEF)。研究結果顯示CBNFs具有比水高的Qex,avg ,S1與S2的最大Qex,avg分別比水高7.54%與9.19%,且S1的Pp略低於水,S2的Pp則在絕大多數的情況之下高於水,而最大SEF則分別比水高7.98% 與7.28%。在考量BPHE熱交換系統全部實驗參數整體系統效率的情況下,S1的表現優於S2且具有未來的應用潛力與實用性。


 


 

  奈米流體是一種含有奈米顆粒的懸浮液,因為添加顆粒達到奈米級而具有穩定懸浮與優異的熱傳性能。奈米流體在製程技術、特性分析以及熱交換等領域的相關研究已經相當豐碩,然而不同材料與製程技術製備的奈米流體均有其獨特性,因此開發低成本製程與高熱傳性能的奈米流體對於未來能實際用於現有的熱交換系統實屬重要。
 
  本研究使用石墨粉冷熱處理法(graphite-powder-based heating and cooling processing method, GP-HCPM)製備碳系奈米流體(carbon-based nanofluids, CBNFs)。此方法是將石墨粉(平均粒徑3.2 μm)以氧乙炔火焰加熱到600℃,然後將炙熱的石墨粉末倒入持續攪拌的冰水(3~5℃)之中,利用極大的溫差讓石墨粉急速地膨脹收縮產生破裂與層間剝離而獲得更細小的片狀奈米碳(圖一)並產製出1.2 wt%的CBNFs,接著使用攪拌與分散設備持續分散CBNFs來獲得穩定的懸浮狀態。為維持長期且優良的穩定性,CBNFs添加十二烷基苯磺酸鈉(sodium dodecyl benzenesulfonate, SDBS)做為分散劑,奈米碳與SDBS的比例為5:2(w/w),並添加SDBS重量35%的水性消泡劑抑制SDBS的起泡特性以符合熱交換工作流體的需求。製備完成的1.2 wt%的CBNFs加水稀釋成0.2 wt%(S1)與0.6 wt%(S2)的CBNFs,再經過長時間的分散攪拌即為本研究的實驗樣本。
 
  完成的0.2 wt% (S1)、0.6 wt% (S2) CBNFs以及水做為工作流體,利用如圖二所示的硬銲板式熱交換器(BPHE)一次側(A)入口進行不同入口溫度(35、40、45℃)與流量(2.0、2.5、3.0 LPM)的熱交換性能實驗。BPHE的二次側(B)入口工作流體為水,且維持固定的入口溫度(30℃)與流量(2.5 LPM)。實驗過程使用資料擷取器與電力計記錄溫度、流量以及泵浦消耗電功率(Pp)以計算熱交換系統的平均熱交換量(Qex,avg)與系統效率因子(SEF; SEF= Qex,avg / Pp)。
 
  研究結果顯示CBNFs具有比水高的Qex,avg,S1與S2的最大的Qex,avg分別比水高7.54%與9.19%,且S1的Pp略低於水,S2的Pp則在絕大多數的實驗參數之下高於水,而S1、S2最大的SEF則分別比水高7.98% 與7.28%。在考量BPHE熱交換系統全部實驗參數整體系統效率的情況之下,S1具有較高的Qex,avg與較低的Pp而能獲得較佳的SEF,因此S1在未來應用於實際的熱交換系統中將更具潛力與實用性。
 

圖一:奈米碳的TEM影像。
 

圖二:BPHE的實體照片與流道配置圖。
 


鄧敦平 教授 | 車輛與能源學士學位學程 工業教育學系 鄧敦平為國立臺灣師範大學車輛與能源工程學士學位學程優聘教授。2007年在國立臺北科技大學機電科技研究所獲得博士學位。其主要研究領域是奈米材料、冷凍空調工程、再生能源、節能技術以及散熱系統。近12年期間共發表50餘篇國際SCI與EI學術論文,並有多項國內外發明專利,亦擔任十餘本國際SCI期刊審查人。

 

蕭廷江 碩士 | 工業教育學系 2018年在國立臺灣師範大學工業教育學系獲得碩士學位。其主要研究領域是奈米科技應用、冷凍空調工程以及節能技術。目前是玉山銀行總部管理處-機電設施規劃與維護工程師。

 

鍾竣奇 碩士 | 工業教育學系 2019年在國立臺灣師範大學工業教育學系獲得碩士學位。其主要研究領域是奈米科技應用、冷凍空調工程以及節能技術。目前是高雄市立高雄高級職業學校冷凍空調科教師。