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研究生:葉力瑋
研究生(外文):Ye, Li-wei
論文名稱:熱電型氧化鋁奈米流體性能探討與經驗公式之推導
論文名稱(外文):Investigations and Empirical correlations Finding on Thermo-Electric Alumina Nanofluids
指導教授:王榮昌王榮昌引用關係
指導教授(外文):Wang, Jung-Chang
口試委員:蘇程裕李貫銘
口試委員(外文):Su, Cherng-YuhLi, Kuan-Ming
口試日期:2015-07-09
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣海洋大學
系所名稱:輪機工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:68
中文關鍵詞:奈米流體電化學因次分析乳化
外文關鍵詞:NanofluidElectrochemistryDimensional AnalysisEmulsifcation
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本研究主要分為三個部分,第一部份為利用二階合成法搭配微乳化超音波技術調配Al2O3奈米流體,並於0.5%~2.5%重量百分濃度,檢測粒徑、表面電位、酸鹼值、熱傳導係數、黏度與吸光值等性質做為依據並搭配沉降實驗,確認兼具懸浮性、穩定性及熱傳導性能的奈米流體較佳調配方法;第二部分為Al2O3奈米流體的電化學微發電實驗,利用銅和鋁為電極的電池槽,並加入Al2O3奈米流體做為電解液進行氧化還原反應,測試0.5%~2.5%重量百分濃度下之Al2O3奈米流體於20~40℃之間的發電量,再利用自來水作為參考的基準並且將電量除以反應電極之面積,以電量密度確認Al2O3奈米流體的發電效果;第三部分則是Al2O3奈米流體熱傳導係數與發電量的經驗公式推導,利用因次分析方法討論各項實驗參數的函數關係,求出兩者的經驗公式。
第一部分的結果透過各項性質的驗證與實驗發現,Al2O3奈米流體在有加入乳化劑的條件下,重量百分濃度為1%時有最佳的熱傳導係數,在此之後會隨著整體濃度增加而降低,而懸浮性與穩定性則是在重量百分濃度於2%時較佳,經過三週並未產生沉澱現象,但是在重量百分濃度低於1.5%時,不到兩週就會開始產生大量的沉澱;第二部分的結果本研究發現,利用Al2O3奈米流體作為鋁銅電池槽電解液的微發電實驗,相對於自來水作為電解液,Al2O3奈米流體電量密度輸出至少比自來水多出16%。其中於20℃時,以重量百分濃度2.5%有最大的電量密度輸出,上升的比例為61%;而溫度升高到40℃時,雖然同樣以2.5%的有最大的電量密度,但與重量百分濃度2%的提升比例差距不到7%,這樣的結果顯示隨著溫度的上升,以重量百分濃度為2%的Al2O3奈米流體有最大的上升比例;第三部份的結果本研究找出Al2O3奈米流體在20℃~40℃與重量百分濃度0.5~2.5%的範圍之內,只需代入溫度與濃度參數,便能預估熱傳導係數與電量密度產量之經驗公式,其中熱傳導係數的誤差率最大不超過3%。

This study is divided into three parts. The first part of the ultrasound technology with micro-emulsion prepare Al2O3 nanofluid by second-order synthesis, then detecting the particle size, surface potential, pH, thermal conductivity, viscosity and absorbance, and Using experiment of settlement confirm both suspension, stability and thermal conductivity of nano-fluid preferred deployment method. The second part of the electrochemical Al2O3 nanofluid micro-generation experiment use copper and aluminum for the battery slot electrode and the electrolyte is added Al2O3 nanofluid as redox reaction and test generating capacity of the battery compartment with 0.5% to 2.5% percent by weight concentration of electrolyte of Al2O3 nanofluid and between 20℃ to 40℃. Afterward, use water as a reference and the power is divided by the area of the electrode reaction to confirm the power density of the Al2O3 nanofluid power effect. The third part is the thermal conductivity of Al2O3 nanofluid and power generation empirical derivation The method of dimensional analysis discussed as a function of various experimental parameters, obtained both empirical formula.

The first part of the results are verify with detecting properties and experimental it was found that the best thermal conductivity Al2O3 nanofluid under conditions emulsifier is 1% weight percentage concentration. Suspension and stability is preferred in weight percent concentration at 2%. At least three weeks no precipitate. However, when the weight percent concentration of less than 1.5%, it will begin to produce large amounts of precipitation within two weeks. The results of this second part of the study found that Al2O3 nanofluid is used in electrolyte of aluminum and copper battery slot on micro-generation experiment, with respect to water as the electrolyte, Al2O3 nanofluid electrolyte output power density at least 16% more than tap water electrolyte. A concentration of 2.5% weight percentage of maximum output power density, and a rising ratio of 61% at 20℃. The temperature rises to 40 ℃, while also 2.5% of the maximum power density, but to enhance the ratio of the weight percent concentration of 2% of the gap is less than 7%, this showed that as the temperature rising weight percent concentration of 2% have the maximum Al2O3 nanofluid rising ratio. The third part of the results of this study identify Al2O3 nanofluid within the range of weight percent concentration of 0.5% to 2.5% and between 20℃ to 40℃, the temperature and the concentration simply substituting the parameters, it will be able to estimate the thermal conductivity and power density yield of empirical formula, wherein the error rate is the maximum thermal conductivity does not exceed 3%.

目錄

致謝 I
摘要 II
目錄 III
表目錄 V
圖目錄 VI
符號表 VIII
第一章 前言 1
1-1研究背景 1
1-2研究動機與目的 2
1-3研究方法 3
1-4文獻回顧 4
第二章 基礎理論之探討 6
2-1奈米特性 6
2-1.1奈米流體 7
2-2 奈米流體中顆粒懸浮機制 7
2-2.1 顆粒形式 7
2-2.2 奈米顆粒分散技術 8
2-2.3 電泳及電雙層 8
2-2.4 表面電位 9
2-3奈米流體性質分析 11
2-3.1 密度 11
2-3.2 黏滯係數 11
2-3.3 熱傳導係數 12
2-3.4 比熱 13
2-4 奈米流體製備技術 13
2-4.1 界面活性劑 – 乳化劑 14
2-4.2 界面活性劑 – 分散劑 14
2-5 電化學 16
2-5.1 電解 17
2-5.2 電池 18
2-5.3 標準還原電位 19
2-6 因次分析 20
2-6.1白金漢Pi定理 (The Buckingham Pi Theorem) 20
第三章 研究方法 21
3-1 奈米流體的製備 21
3-1.1 實驗材料與設備 21
3-1.2 奈米流體製備方法 24
3-2 奈米流體性質檢測儀器 26
3-2.1 檢測儀器 26
3-2.2 檢測性質 28
3-3 奈米流體熱電性能分析 31
3-3.1 實驗器材 31
3-3.2 電池槽微發電實驗模組 34
3-4 因次分析 34
第四章 結果與討論 37
4-1奈米流體之性質檢測結果 37
4-1.1奈米流體顆粒之粒徑 37
4-1.2酸鹼值與表面電位 40
4-1.3黏度 41
4-1.4熱傳導係數 42
4-1.5吸光值 43
4-2氧化鋁奈米流體微發電實驗結果 45
4-2.1電流與電量之結果 45
4-2.2電流密度與電量密度之結果 50
4-2.3電池槽之電化學反應 55
4-3利用因次分析推導經驗公式 58
4-3.1 實驗參數代入其他文獻熱傳導係數理論公式之結果 59
4-3.2 熱傳導係數之經驗公式 60
4-3.3 電池槽發電量之經驗公式 62
第五章 總結與未來建議 64
5-1 總結 64
5-2 未來建議 65
5-3 本文達成目標 65
參考文獻 66

表目錄
表2-1 乳化狀態及用途 15
表3-1 界面活性劑-乳化性質表 22
表3-2 熱電偶各型號適用範圍 32
表4-1 奈米流體中奈米顆粒四週之粒徑變化 37
表4-2 奈米流體不同濃度表面電位 40
表4-3 奈米流體不同濃度pH值 41
表4-4 奈米流體不同濃度之黏度 42
表4-5 奈米流體在20~40℃之熱傳導係數 43
表4-6 不同濃度氧化鋁奈米流體靜置三週之吸光值變化 44
表4-7 自來水之電流、電壓與電量 47
表4-8 0.5%濃度氧化鋁奈米流體之電流、電壓與電量 47
表4-9 1%濃度氧化鋁奈米流體之電流、電壓與電量 47
表4-10 1.5%%濃度氧化鋁奈米流體之電流、電壓與電量 48
表4-11 2%濃度氧化鋁奈米流體之電流、電壓與電量 48
表4-12 2.5%濃度氧化鋁奈米流體之電流、電壓與電量 48
表4-13 自來水與氧化鋁奈米流體電流密度 51
表4-14 自來水與氧化鋁奈米流體電流密度比 52
表4-15 自來水與氧化鋁奈米流體電量密度 53
表4-16 因式分析代入方程式之參數 58
表4-17 其他文獻理論公式之形式 59
表4-18 於25℃下熱傳導係數之理論公式計算值與儀器測量值比較 59
表4-19 熱傳導係數儀器量測值與公式計算值比較 61
表4-19 (a) 重量百分濃度0.5%、1%及1.5%之熱傳導係數比較 61
表4-19 (b) 重量百分濃度為2%及2.5%之熱傳導係數比較 61
表4-20 熱傳導係數計算值與量測值之誤差 61
表4-21 奈米流體之電量密度儀器量測值與公式計算值比較 63
表4-21 (a) 重量百分濃度0.5%、1%及1.5%之電量密度比較 63
表4-21 (b) 重量百分濃度為2%及2.5%之電量密度比較 63
表4-22 電量密度實驗計算值與量測值之誤差 63

圖目錄
圖1-1 研究流程圖 3
圖2-1電雙層示意圖 9
圖2-2 pH與Zeta電位 10
圖2-3 奈米顆粒被乳化包覆 15
圖2-4 鋅銅電化電池示意圖 18
圖2-5 標準還原電位表 19
圖3-1 氧化鋁奈米粉末之SEM圖 21
圖3-2 QF-DTk-190(水溶性) SEM圖 22
圖3-3 TWEEN#20、SPAN#20與TWEEN#80乳化劑 22
圖3-4 超音波波碎機 23
圖3-5 分析天秤 23
圖3-6 電磁加熱攪拌器 24
圖3-7 奈米流體製作流程圖 25
圖3-8 酸鹼度計 26
圖3-9 熱傳導係數量測儀 27
圖3-10 黏度分析儀 27
圖3-11 分光度儀 28
圖3-12 Zeta電位暨粒徑測儀 28
圖3-13 熱電偶點焊機 31
圖3-14 T-type 熱電偶 32
圖3-15 數據紀錄器 32
圖3-16 Y-500TM散熱膏 33
圖3-17 電池槽 33
圖3-18 微發電實驗之架構圖 34
圖4-1 時間對奈米流體顆粒粒徑之影響 38
圖4-2 奈米流體粒徑量測示意圖 38
圖4-3 氧化鋁奈米流體第三週沉澱情形 39
圖4-4 奈米流體不同濃度之表面電位 40
圖4-5 奈米流體不同濃度之酸鹼值 41
圖4-6 pH與表面電位關係圖 41
圖4-7 奈米流體不同濃度之黏度 42
圖4-8 濃度0.5~2.5%氧化鋁奈米流體在20~40℃之熱傳導係數變化 43
圖4-9 2%氧化鋁奈米流體之吸光值 45
圖4-10 400nm光波長下吸光值靜置三週之變化 45
圖4-11 自來水與氧化鋁奈米流體之電流 49
圖4-12 自來水與氧化鋁奈米流體之電量 49
圖4-13 自來水與氧化鋁奈米流體電流密度 51
圖4-14 自來水與氧化鋁奈米流體電流密度比 52
圖4-15 自來水與氧化鋁奈米流體電量密度 53
圖4-16 自來水與氧化鋁奈米流體電量密度比 54
圖4-17 電池槽反應示意圖 56
圖4-18 自來水電化學反應產生的氣泡 57
圖4-19 奈米流體電化學反應過程產生的微小氣泡 57
圖4-20 電化學反應後的電極 57

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