乙醇水溶液在單一漸擴微流道之對流沸騰研究

Convective Boiling of Ethanol-Water Mixtures in a Single Diverging Micro-channel

鄒孟珊(Meng-Shan Tsou)

指導教授 ： 潘欽

國立清華大學/原子科學院/工程與系統科學系/碩士(2011年)

摘要

本研究係利用乙醇水溶液發展一種擁有低壓降、高穩定度但仍具有高熱傳能力之微流道蒸發器。研究中使用以微機電技術製成之矽質漸擴微流道，其水力直徑為147μm，漸擴角度為1°，藉由改變莫耳分率及質量通率以探討雙成份液體於微流道沸騰熱傳與雙相流動現象。
本研究發現，改變乙醇濃度及流量對流動型態有顯著地及沸騰熱傳影響。於莫耳分率為0.1時，液膜破碎散佈之熱通率區間比其他莫耳分率大，且呈現最大臨界熱通率。其可能原因為莫耳分率為0.1之溶液具有較大馬倫哥尼效應(Marangoni effect)，使得液體因表面張力作用的關係更容易趨向於三相接觸線而形成蛇形流(rivulet flow)，延遲了液膜乾化進而提升其臨界熱通率。在流量上於相近熱通率下，其沸騰起始點隨著質量通率的增加而遠離流道入口儲槽。
流量的改變對熱傳亦有明顯的影響。單相流動時熱通率隨著流量的增加而上升；臨界熱通率(critical heat flux, CHF)沸騰隨著質量通率的增大而近乎線性的增加。本研究以本研究團隊先前提出之臨界熱通率預估式( )，將乙醇水溶液之性質代入與實驗值比較，得平均絕對誤差(mean absolute error, MAE)為8.49%，顯示實驗值與預估式有很好的吻合度。
濃度及流量對壓降亦有顯著的影響。沸騰起始前，乙醇水溶液及純乙醇之壓降較純水大，但其壓降與純水有相同的趨勢，皆隨熱通率或壁溫增加而減少，亦隨著質量流量的增加而上升。沸騰起始後因熱通率或壁溫的增加，使得流道內空泡分率的提升，造成壓降大幅升高。在雙相壓降趨勢上，低與中熱通率時，於相同壁過熱度或熱通率下，壓降不隨莫耳分率之改變產生明顯且規律的變化，但於高熱通率時變化較明顯，其中以莫耳分率0.1最高，因其具有最高之臨界熱通率。

關鍵字

雙成份 ； 微流道 ； 流沸騰 ； 沸騰熱傳 ； 臨界熱通率

參考文獻

[1] D.B. Tuckerman, R.F.W. Pease, High-Performance Heat Sinking for VLSI, Electron Devic Lett 2(1981) 126-129.

[2] I. Mudawar, D. Bharathan, K. Kelly, S. Narumanchi, Two-Phase Spray Cooling of Hybrid Vehicle Electronics, Ieee T Compon Pack T 32(2009) 501-512.

[3] R.B. Bird, W.E. Stewart, E.N. Lightfoot, Transport phenomena, J. Wiley, New York, 2002.

[4] 林伯翰, 甲醇水溶液在單一漸擴微流道之對流沸騰研究, 碩士論文, 國立清華大學, 民國 99年.

[5] W.R. Vanwijk, A.S. Vos, S.J.D. Vanstralen, Heat Transfer to Boiling Binary Liquid Mixtures, Chem Eng Sci 5(1956) 68-80.