淡江大學覺生紀念圖書館 (TKU Library)
進階搜尋


系統識別號 U0002-1209201410371700
中文論文名稱 磁場對磁性奈米流體震盪式熱管性能之探討
英文論文名稱 Study of Magnetic Field Effect on the Magnetic Nanofluid Pulsating Heat Pipe Performance
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 機械與機電工程學系碩士班
系所名稱(英) Department of Mechanical and Electro-Mechanical Engineering
學年度 102
學期 2
出版年 103
研究生中文姓名 王耀羣
研究生英文姓名 Yao-Chun Wang
學號 601370843
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2014-07-10
論文頁數 89頁
口試委員 指導教授-康尚文
委員-楊錫杭
委員-林玉興
中文關鍵字 震盪式熱管  磁性奈米流體  四氧化三鐵奈米流體  磁場 
英文關鍵字 Pulsating heat pipe  Magnetic nanofluid  Fe3O4 nanofluid  Magnetic field 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本研究使用外徑6mm、內徑3mm玻璃管製作震盪式熱管,使用去離子水及90、270、450 ppm之四氧化三鐵磁性奈米流體,填充率固定70 %,冷凝端溫度固定在25°C,輸入加熱功率20、55、90、125、160W,並分別在無磁場及磁場設置於蒸發端中央、兩側及全部三種不同磁場設置下進行實驗,利用數位攝影機拍攝記錄,觀察管路中工作流體的作動情形,並量測溫度變化,以及奈米流體及磁場對震盪式熱管之影響,並分析熱阻之變化。
結果顯示,震盪式熱管會因奈米流體之加入而性能提升;在所有實驗參數下,熱阻會隨著加熱功率增加而降低,125W至160W時,各實驗中皆有環狀流發生,且各熱阻值皆較相近,因此高功率下磁性奈米流體與磁場對震盪式熱管之作用並不明顯。在低加熱功率20W時,與無磁場設置比較,由於磁場之設置,奈米顆粒於蒸發端管壁上有較顯著的附著與較低的熱阻。另外在磁場設置於蒸發端兩側及全部比設置於中央有較顯著的奈米顆粒附著與較低的熱阻,但在高濃度450 ppm下磁場設置於蒸發端全部反而會因奈米顆粒過度附著而有較高之熱阻。最後使用田口法分析預測奈米流體濃度及磁場設置對震盪式熱管性能的提升。
英文摘要 Abstract:
The present research a pulsating heat pipe (PHP) is made of glass material with an inner and outer diameters of 3 mm and 6 mm for 70 % fill ratio was employed. The heat input was applied at 20, 55, 90, 125 and 160 W. Distilled Water and Fe3O4 nanofluid with different concentrations of 90, 270, 450ppm were used as working fluid, and cooling water temperature was set at 25 °C. Experiment was conducted under no magnetic field and three different magnetic fields that magnet located in the middle area of evaporator (Mid mag), both sides of evaporator (Both mag) and along the evaporator (Along mag). In order to investigate the effects of nanofluid and magnetic field on the thermal resistance of PHP, a video camera was set to observe the motion of working fluid in PHP, and temperatures were measured.
The results show that the thermal performance enhanced with PHP filled magnetic nanofluid, and thermal resistances reduced with an increase of heat input for all experimental parameters. With high heat input from 125 to 160 W, annular flows were observed and the thermal resistances tend to be approximately the same in all the tests. It indicates that magnetic nanofluid and magnetic field have no obvious effects on PHP in high heat input. At low heat input of 20 W, compared with no magnetic field was set, nanoparticles were observed to have a more significant attachment on the evaporator side wall when a magnetic field was applied, and the thermal resistance of the PHP was lower. It was also found that more nanoparticles attachment and lower thermal resistance happened both in the case of (Both mag) and (Along mag) than in the case of (Mid mag). However, a high concentration of 450 ppm in the case of (Along mag), excessive nanoparticles attached and PHP had higher thermal resistance. Finally, enhancement of heat transfer in a PHP utilizing magnetic nanofluid and magnetic field has been designed and predicted using Taguchi method.
論文目次 目錄
中文摘要 I
英文摘要 II
目錄 IV
圖目錄 VI
表目錄 IX
符號說明 X
第一章 緒論 1
1-1 研究背景 1
1-2 文獻回顧 1
1-2-1 震盪式熱管 1
1-2-2 奈米流體應用於震盪式熱管 6
1-2-3 磁場與磁性奈米流體應用於震盪式熱管 12
1-3 研究動機 14
1-4 研究目的 14
第二章 理論基礎 15
2-1 震盪式熱管介紹 15
2-1-1 震盪式熱管工作原理 15
2-1-2 震盪式熱管設計參數 16
2-1-3 震盪式熱管熱傳機制 21
2-1-4 熱通量與震盪式熱管運作關係 22
2-2 奈米流體介紹 25
2-2-1 奈米流體增強機制 25
2-2-2 奈米粉末團聚的影響 26
2-3 磁場介紹 29
第三章 實驗設計 32
3-1 PHP設計 33
3-2 冷凝端設計 34
3-3 蒸發端設計 35
3-4 支撐架及磁場設置 35
第四章 實驗架設及步驟 39
4-1 磁性奈米流體製備 39
4-2 真空處理及工作流體填充 40
4-2-1 真空測漏 40
4-2-2 充填流程 41
4-2-3 管路清洗 42
4-3 實驗設備架設 42
4-3-1 實驗周邊設備 42
4-3-2 熱電偶線架設 46
4-3-3 熱電偶線溫度校正 47
4-4 實驗參數及步驟 47
第五章 實驗分析與結果討論 51
5-1 震盪式熱管之起始狀態 51
5-2 整體熱阻表現 54
5-2-1 磁性奈米流體濃度90 ppm 55
5-2-2 磁性奈米流體濃度270 ppm 56
5-2-3 磁性奈米流體濃度450 ppm 56
5-3 不同磁場下的熱阻比較 57
5-3-1 無磁場下之熱阻比較 57
5-3-2 磁場設置於蒸發端中央(Mid mag)之熱阻比較 58
5-3-3 磁場設置於蒸發端中央兩側(Both mag)之熱阻比較 59
5-3-4 磁場設置於全部蒸發端(Along mag)之熱阻比較 60
5-4 田口分析 61
5-5 磁性奈米顆粒於震盪式熱管分佈分析 64
第六章 結論與未來展望 77
6-1 結論 77
6-2 未來展望 78
參考文獻 80
附錄一 四氧化三鐵奈米顆粒資料 85
附錄二 去離子水不準度分析 86
附錄三 各實驗蒸發端、冷凝端平均溫度及溫差 87

圖目錄
圖1 1 Closed Loop PHP實驗模組示意圖[3] 2
圖1 2 PHP實驗模組示意圖[4] 3
圖1 3 震盪式熱管設計之邊界關係[5] 4
圖1 4 單迴路震盪式熱管[6] 4
圖1 5 PHP啟動過程研究之實驗架設[7] 5
圖1 6 震盪式熱管實體圖[8] 6
圖1 7 水、奈米流體在不同加熱功率之熱阻[10] 7
圖1 8 不同冷凝端溫度及加熱功率下之熱阻[10] 7
圖1 9 填充率60 %時,不同工作流體之熱阻[12] 8
圖1 10 三氧化二鋁奈米顆粒於蒸發端之沉澱[13] 9
圖1 11 填充率50 %,水、二氧化矽各濃度及各加熱功率之蒸發端溫度[15] 10
圖1 12 填充率50 %,水、三氧化二鋁各濃度及各加熱功率之蒸發端溫度[15] 10
圖1 13 不同工作流體於玻璃震盪式熱管實驗(a)水(b)二氧化矽奈米流體[16] 11
圖1 14 不同工作流體在不同加熱功率下之熱阻[17] 12
圖1 15 磁性奈米流體在磁場作用下的熱阻比較[18] 13
圖1 16 水與不同濃度磁性奈米流體以及磁場下的熱阻比較[19] 13
圖2 1 PHP作動示意圖 16
圖2 2 流道中不同工作流體生成汽泡上升參數實驗結果[20] 17
圖2 3 震盪式熱管管徑2 mm與1 mm最大熱傳量的比較[4] 18
圖2 4 PHP管內徑壓力分布圖 20
圖2 5 單迴圈閉路型PHP熱力循環示意圖[6] 22
圖2 6 冷凝端塊狀流和蒸發端環狀流示意圖 23
圖2 7 輸入熱通量與PHP熱阻關係圖[5] 24
圖2 8 輸入熱通量與PHP運作關係圖 24
圖2 9 熱傳導係數對團聚塊狀體填充分率關係圖[24] 27
圖2 10 團聚現象影響熱傳導係數比值關係圖2-X[25] 27
圖2 11 團聚程度影響熱傳導係數比值關係圖[26] 28
圖2 12 震盪時間影響熱傳係數比值關係圖[27] 28
圖2 13 體積百分率與熱傳係數比值關係圖[27] 29
圖2 14 磁力線示意圖 30
圖2 15 磁性奈米顆粒在磁場作用下排列之TEM圖 30
圖2 16 在磁場作用下(a)磁性奈米顆粒 (b)工作流體 31
圖3 1 震盪式熱管詳細尺寸 33
圖3 2 冷凝端設計詳細尺寸 34
圖3 3 釹鐵硼強力磁鐵實體圖及尺寸 35
圖3 4 全磁場設置釹鐵硼強力磁鐵實體圖及尺寸 36
圖3 5 PHP與磁場設置示意圖 36
圖3 6 磁場設置於蒸發端中央 (Mid mag) 37
圖3 7 磁場設置接近中央兩側 (Both mag) 37
圖3 8 磁場設置全部蒸發端 (Along mag) 37
圖3 9 三種磁場設置的支撐架示意圖 38
圖4 1 奈米流體實體圖 39
圖4 2 水的三相圖 40
圖4 3 真空幫浦GLD-201B 44
圖4 4 真空計 44
圖4 5 電源供應器 Chroma 62024P-80-60 44
圖4 6 訊號擷取器Imc Spartan-L 45
圖4 7 恆溫水槽 45
圖4 8 流量計 46
圖4 9 熱電偶線位置及實驗架設圖 47
圖4 10 蒸發端與冷凝端熱電偶線位置圖 50
圖5 1 DI Water震盪式熱管/實驗前 51
圖5 2 磁性奈米流體90ppm震盪式熱管/實驗前 51
圖5 3 磁性奈米流體450ppm震盪式熱管/實驗前 52
圖5 4 震盪式熱管蒸發端/實驗前(a)去離子水 (b)磁性奈米流體 52
圖5 5 加熱功率於20 W時(實驗開始30分鐘後)管路中的工作流體狀況 53
圖5 6 90 ppm磁性奈米流體在有無磁場以及不同加熱功率下對熱阻之影響 55
圖5 7 270 ppm磁性奈米流體在有無磁場以及不同加熱功率下對熱阻之影響 56
圖5 8 450 ppm磁性奈米流體在有無磁場以及不同加熱功率下對熱阻之影響 57
圖5 9 各工作流體在無磁場下之熱阻表現 58
圖5 10各工作流體在磁場於蒸發端中央(Mid mag)下之熱阻表現 59
圖5 11各工作流體在磁場於蒸發端中央兩側(Both mag)下之熱阻表現 60
圖5 12各工作流體在磁場於全部蒸發端(Along mag)下之熱阻表現 61
圖5 13 DI Water PHP/實驗後 65
圖5 14 90 ppm磁性奈米流體PHP磁場於蒸發端中央(Mid mag)/實驗後 65
圖5 15 90 ppm磁性奈米流體PHP磁場於全部蒸發端(Along mag)/實驗後 65
圖5 16 90 ppm 磁性奈米流體無磁場作用PHP/實驗後 65
圖5 17 90ppm 磁性奈米流體PHP蒸發端 中央3支管路磁場於蒸發端中央(Mid mag)/實驗後 66
圖5 18 90ppm 磁性奈米流體PHP蒸發端 中央3支管路於磁場於全部蒸發端(Along mag)/實驗後 66
圖5 19 90ppm磁性奈米流體PHP蒸發端 無磁場作用中央3支管路/實驗後 67
圖5 20 450ppm 磁性奈米流體無磁場作用PHP/實驗後 68
圖5 21 450ppm磁性奈米流體PHP磁場於蒸發端中央(Mid mag)/實驗後 69
圖5 22 450ppm磁性奈米流體PHP磁場於蒸發端中央兩側(Along mag)/實驗後 69
圖5 23 450ppm磁性奈米流體PHP無磁場作用蒸發端中央3支管路/實驗後 69
圖5 24 450ppm 磁性奈米流體PHP蒸發端 中央3支管路於磁場於蒸發端中央(Mid mag)/實驗後 70
圖5 25 磁通密度之量測點(紅點位置) 70
圖5 26 磁場在蒸發端中央(Mid mag)之磁通密度分佈以及 奈米顆粒於管壁附著區域管路橫切面示意圖 71
圖5 27 磁場在蒸發端接近中央兩側(Both mag)之磁通密度分佈以及 奈米顆粒於管壁附著區域管路橫切面示意圖 72
圖5 28 磁場在全部蒸發端 (Along mag)之磁通密度分佈以及 奈米顆粒於管壁附著區域管路橫切面示意圖 73
圖5 29 磁性顆粒團聚於液柱表面 74
圖5 30 液柱滑動,表面之磁性奈米顆粒附著於管壁 74
圖5 31 磁性奈米顆粒於底部沉積 74
圖5 32 環狀流(a)實驗中管路情況 (b)示意圖 75
圖5 33 彎管上緣之磁性奈米顆粒附著隨加熱功率增加 76
圖5 34 磁性奈米顆粒附著於填充口部分 76

表目錄
表2 1 不同工作流體理想範圍 18
表4 1 實驗參數 48
表5 1 各濃度與磁場設置於不同加熱功率下之熱阻值 54
表5 2 控制因子與水準 62
表5 3 L9直交表配置 62
表5 4 L9直交表與熱阻 63
表5 5 L9因子反應表與最佳組合 63
參考文獻 [1] H. Akachi, US Patent, Patent Number, 5490558, 1993.
[2] H. Akachi, F. Polasek and P. Stulc, “Pulsating Heat Pipes,” Proc. 5th International Heat Pipe Symposium, Melbourne, Australia, pp. 208-217, 1996.
[3] S. Khandekar, N. Dollinger and M. Groll, “Understanding Operational Regimes of Closed Loop Pulsating Heat Pipes: An Experimental Study,” Applied Thermal Engineering, Elsevier Science, Vol. 23, pp. 707-719, 2003.
[4] P. Charoensawan, S. Khandekar, M. Groll and P. Terdtoon, “Closed loop pulsating heat pipes Part A: parametric experimental investigations,” Applied Thermal Engineering, Vol. 23, pp. 2009-2020, 2003.
[5] S. Khandekar and M. Groll, “On The Definition of Pulsating Heat Pipes: An Overview,” Proc. 5th Minsk International Seminar (Heat Pipe, Heat Pumps and Refrigerators), Minsk, Belarus, 2003.
[6] S. Khandekar and M. Groll, “An insight into thermo-hydrodynamic coupling in closed loop pulsating heat pipes,” International Journal of Thermal Sciences, 2004
[7] J.L. Xu and X.M. Zhang, “Start-up and steady thermal oscillation of a pulsating heat pipe Heat Mass Transfer,” 41 (2005), pp. 685–694
[8] S. W. Kang, P. C. Hsiao, C. H. Chan and Y. H. Lin, “Study on Circulation Flow in Closed Loop Pulsating Heat Pipe,” Proc. 9th International Heat Pipe Symposium, Beijing, China, pp. 131-137, 2013.
[9] H. B. Ma, C. Wilson, B. Borgmeyer, K. Park, Q. Yu, U. S. Choi and M. Tirumala, “Effect of nanofluid on the heat transport capability in an oscillating heat pipe”, Appl. Phys. Lett. 88 (2006) 143116.
[10] H. B. Ma, C. Wilson, Q. Yu, K. Park, U. S. Choi and M. Tirumala, “An experimental investigation of heat transport capability in a nanofluids oscillating heat pipe,” J. Heat Transfer 128 (2006) 1213–1216.
[11] F. M. Shang, D. Y. Liu, H. Z. Xian, Y. P. Yang and X.Z. Du, “Flow and heat transfer characteristics of different forms of nanometer particles in oscillating heat pipe,” J. Chem. Indust. Eng. 58 (9) (2007) 2200–2204.
[12] Y. H. Lin, S. W. Kang and H.L. Chen, “Effect of silver nano-fluid on pulsating heat pipe thermal performance,” Appl. Thermal Eng. 28 (2008) 1312–1317.
[13] J. Qu, H.Y. Wu and P. Cheng, “Thermal performance of an oscillating heat pipe with Al2O3–water nanofluids,” Int Commun Heat Mass Transfer 37 (2010) 111–115.
[14] N. Bhuwakietkumjohn and S. Rittidech, “Internal flow patterns on heat transfer characteristics of a closed-loop oscillating heat-pipe with check valves using ethanol and a silver nano-ethanol mixture,” Expt Thermal Fluid Sci 34 (8) (2010) 1000–1007.
[15] J. Qu and H. Wu, “Thermal performance comparison of oscillating heat pipes with SiO2/water and Al2O3/water nanofluids,” (2011) International Journal of Thermal Sciences, 50 (10) , pp. 1954-1962.
[16] Q. M. Li, J. Zou, Z. Yang, Y. Y. Duan, and B. X. Wang, “Visualization of two-phase flows in nanofluid oscillating heat pipes,” (2011) Journal of Heat Transfer, 133 (5), art. No. 052901
[17] V. K. Karthikeyan, K. Ramachandran, B. C. Pillai and A. Brusly Solomon, “Effect of nanofluids on thermal performance of closed loop pulsating heat pipe,” (2014) Experimental Thermal and Fluid Science, 54 , pp. 171-178.
[18] N. Zhao, D. Zhao and H.B. Ma, “Experimental Investigation of Magnetic Field Effect on the Magnetic Nanofluid Oscillating Heat Pipe, Journal of Thermal Science and Engineering Applications, Volume 5, Issue 1, 2013.
[19] M. Mohammadi, M. Mohammadi, A. R. Ghahremani, M.B. Shafii and N. Mohammadi, “Experimental Investigation of Thermal Resistance of a Ferrofluidic Closed-Loop Pulsating Heat Pipe,” Heat Transfer Engineering, Volume 35, Issue 1, 2014
[20] White E. and Beardmore R., “The Velocity of Rise of Single Cylindrical Air Bubbles Through Liquids Contained in Vertical Tubes,” Chem. Engg. Science, Vol. 17, pp. 351-361, 1962.
[21] R. T. Dobson, “An Open Oscillatory Heat Pipe Water Pump,” Applied Thermal Engineering, Vol. 23, pp. 603-621, 2005.
[22] S. U. S. Choi, “Enhancing Thermal Conductivity of Fluids with Nanoparticles,” ASME, FED, vol.231, pp.99-105, 1995
[23] Y. Xuan and Q. Li, “Heat Transfer Enhancement of Nanofluids,” International Journal of Heat and Flow, vol.21, pp.58-64, 2000
[24] P. Keblinski, S. R. Phillpot, S. U. S. Choi and J. A. Eastman, “Mechanisms of heat flow in suspensions of nano-sized particles (nanofluids),” International Journal of Heat and Mass Transfer, 45 (4) , pp. 855-863, 2002
[25] Y. Xuan, Q. Li and W. Hu, “Aggregation structure and thermal conductivity of nanofluids,” AIChE Journal, 49 (4), pp. 1038-1043, 2003
[26] R. Prasher, P. E. Phelan and P. Bhattacharya, “Effect of aggregation kinetics on the thermal conductivity of nanoscale colloidal solutions (nanofluid),” Nano Letters, 6 (7) , pp. 1529-1534, 2006
[27] K. S. Hong, T. K. Hong and H. S. Yang, “Thermal conductivity of Fe nanofluids depending on the cluster size of nanoparticles,” Applied Physics Letters, 88 (3), art. No. 031901, pp. 1-3, 2006.
[28] M. Klokkenburg, B. H. Erne, J. D. Meeldijk, A. Wiedenmann, A. V. Petukhov, R. P. A. Dullens and A. P. Philipse, “In situ imaging of field-induced hexagonal columns in magnetite ferrofluids”, Physical Review Letters, 97 (18), art. No. 185702, 2006
[29] 林玉興,「震盪式熱管之製造與分析」,博士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國九十七年。
[30] 陳慧倫,「銀奈米流體應用於震盪式熱管效能之研究」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國九十五年。
[31] 吳宗祐,「聚二甲基矽氧烷之震盪式熱管研製」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國九十六年。
[32] 陳冠廷,「應用類神經網路預測震盪式熱管之熱性能」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國九十八年。
[33] 詹前軒,「封閉迴路式震盪熱管之穩態循環流研究」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國九十九年。
[34] 洪啟翔,「閉迴路震盪式熱管流向模式之實驗探討」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國一百年。
[35] 林建成,「田口法應用於震盪式熱管之性能最適化探討」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國一百零一年。
[36] 蕭百鈞,「封閉迴路式震盪熱管之單向穩態循環流研究」,碩士論文,淡江大學機械與機電工程研究所,民國一百零二年。
[37] L. Su and H. Zhang, “Steady state circulation flow analysis of loop pulsating heat pipe,” Journal of Chemical Industry and Engineering (China), Vol. 58, No. 8, 2007.
論文使用權限
  • 同意紙本無償授權給館內讀者為學術之目的重製使用,於2017-09-12公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2017-09-12起公開。


  • 若您有任何疑問,請與我們聯絡!
    圖書館: 請來電 (02)2621-5656 轉 2281 或 來信