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系統識別號 U0002-2007200611315500
中文論文名稱 熱傳導對焙炒爐中溫度場的效應
英文論文名稱 The analysis of thermal conduction effects within a heating furnace
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 94
學期 2
出版年 95
研究生中文姓名 馬紹棠
研究生英文姓名 Shai-Tang Ma
學號 693340977
學位類別 碩士
語文別 中文
第二語文別 英文
口試日期 2006-06-15
論文頁數 82頁
口試委員 指導教授-顏政雄
委員-潘榕光
委員-葉豐輝
中文關鍵字 焙炒爐  芝麻  熱傳導  溫度場 
英文關鍵字 heating furance  sesame  thermal conduction  temperature field 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要是針對於各種不同爐壁材質的焙炒爐,利用ANSYS軟體模擬在焙炒的過程中,探討爐壁、芝麻及空氣的溫度變化,進而分析熱傳導對於溫度場的影響。研究分為兩個部分,第一為實驗部分,芝麻的熱傳導係數量測,在溫度範圍20 ~ 60 oC時,以相同質量的芝麻,分別針對原始芝麻(含水率7 %)及含水率3 %的芝麻進行測量,測量結果含水率7 %的熱傳導係數為0.0638 W/moC;含水率3 %的熱傳導係數為0.0624 W/moC。
第二為模擬分析部分,利用ANSYS軟體進行模擬分析,在相同的條件下,分別對中碳鋼、鉻鋼、鎳鉻鋼及鋁合金進行模擬,分析以這四種不同的材質作為爐體時溫度場的變化,可發現熱傳導係數愈大者,其溫度場的變化愈接近所要的設定條件,依熱傳導係數由大到小的排列為:鋁合金 > 鉻鋼 > 中碳鋼 > 鎳鉻鋼,經由比較分析的結果,得知鋁合金的爐體最為適合芝麻的焙炒。
英文摘要 Different wall-materials of the heating furnace have been studied in this thesis. During the process of baking, the changes of temperature among furnace, sesame and air are simulated by software ANSYS. The content is divided into two parts. The first is an experiment to measure the thermal conductivity of sesame during temperature range from 20 oC to 60 oC by considering two different moistures 3 % and 7 %. The thermal conductivities of the two different moistures 3 % and 7 % are 0.0624 W/moC and 0.0638 W/moC respectively.
The second part is a simulation. Under the same conditions, ANSYS software is chosen to simulate the heating furnaces with four different materials (Carbon steel, Chromium steel, Nickel Chromium steel and Aluminium alloy) and to analyse their temperature fields. From the result, it is shown that the material has a higher thermal conductivity, the result is closer to be required. The thermal conductivities of these four materials make arrangement from large to small : Aluminium alloy > Chromium steel > Carbon steel > Nickel Chromium steel. It is shown that the best material of the heating furnace is Aluminium alloy, and the worst is Nickel Chromium steel.
論文目次 目錄
中文摘要………I
英文摘要………II
目錄………III
圖目錄………VI
表目錄………IX
符號說明………XI
第一章 引言………1
1.1 研究動機與目的………1
1.2 焙炒爐中粒子的運動方式………2
1.3 焙炒爐內粒子的填充特性………4
1.4 焙炒爐中的熱傳過程………7
第二章 熱傳導方程式的討探………8
2.1 熱傳導………8
2.2 熱對流………11
2.3 熱輻射………13
2.4 流動基本性質………14
2.4–1 質量守恆………14
2.4–2 動量守恆………15
2.4–3 可壓縮能量守恆………16
第三章 焙炒爐爐壁之材料選用………18
3.1 鋼鐵材料之定義與範圍………18
3.2 鋼鐵材料之分類………19
3.3 碳鋼及其應用………20
3.4 合金鋼及其應用………23
3.4–1 構造用合金鋼………23
3.4–2 特殊用合金鋼………26
3.5 鋁合金及其應用………27
3.6 總結………29
第四章 芝麻熱傳導係數的測定………30
4.1 量測芝麻熱傳導係數的目的………30
4.2 實驗設備………30
4.3 熱傳導係數測定器的熱傳原理………34
4.4 實驗步驟流程………36
4.5 實驗結果及討論………38
4.5–1 實驗結果………38
4.5–2 實驗討論………40
第五章 ANSYS模擬與分析………43
5.1 有限元素法………43
5.2 ANSYS分析步驟流程………44
5.2–1 ANSYS介紹………44
5.2–2 基本ANSYS分析流程概論………44
5.3 建立焙炒爐模型及模擬………48
5.3–1 設定相關參數………48
5.3–2 建立模型及分析………55
5.4 分析結果及討論………57
5.4–1 不考慮空氣流速(V = 0 m/s)………57
5.4–2 空氣流速 = 2 m/s (V = 2 m/s)………66
第六章 結論………76
6.1 實驗部分………76
6.2 模擬部分………77
參考文獻………80

圖目錄
圖1-1 :粒子運動方式………2
圖2-2 :在旋轉爐中粒子大小的分佈………2
圖1-3 : 旋轉爐的橫斷面影像………3
圖1-4 : 爐中粒子的分層情形………4
圖1-5 : Froude number、粒子大小、填充率的比較………5
圖1-6 : 橫向及縱向粒子混合之初始圖………6
圖1-7 : 旋轉爐概圖………6
圖1-8 : 中心加熱式旋轉爐中的熱傳行為………7
圖2-1 : 物體的一維熱傳………8
圖2-2 : 單位體積三方向熱傳的傳入與輸出………9
圖2-3 : 加熱表面的熱對流現象………12
圖4-1 : 濕度分析平衡儀………31
圖4-2 : 恆溫循環水槽及冷卻器………32
圖4-3 : 抽取式樣品容器………33
圖4-4 : 熱傳導係數測定器………34
圖4-5 : 實驗設備流程示意圖………37
圖4-6 : 含水率3 %(藍線、●)與7 %(綠線、▲)芝麻的熱傳導係數比較………40
圖4-7 : 含水率3 %(藍線、●)與7 %(綠線、▲)芝麻的熱阻係數比較………41
圖4-8 : 含水率3 %(藍●)與7 %(綠▲)芝麻的熱擴散係數比較………42
圖5-1 : ANSYS分析步驟流程圖………47
圖5-2 : 邊界條件示意圖………53
圖5-3 : 填充20 %芝麻的剖面………54
圖5-4 : FLOTRAN 142元素………55
圖5-5 : 實體模型………55
圖5-6 : 實體自由網格化………56
圖5-7 : 中碳鋼爐體的溫度分佈(V = 0 m/s)………57
圖5-8 : 鉻鋼爐體的溫度分佈(V = 0 m/s)………58
圖5-9 : 鎳鉻鋼爐體的溫度分佈(V = 0 m/s)………58
圖5-10 : 鋁合金(硬鋁)爐體的溫度分佈(V = 0 m/s)………59
圖5-11 : 中碳鋼入口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………60
圖5-12 : 中碳鋼出口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………60
圖5-13 : 鉻鋼入口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………61
圖5-14 : 鉻鋼出口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………61
圖5-15 : 鎳鉻鋼入口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………62
圖5-16 : 鎳鉻鋼出口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………62
圖5-17 : 鋁合金入口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………63
圖5-18 : 鋁合金出口處的溫度分佈(V = 0 m/s)………63
圖5-19 : 中碳鋼的流場分佈(V = 2 m/s)………66
圖5-20 : 鉻鋼的流場分佈(V = 2 m/s)……….66
圖5-21 : 鎳鉻鋼的流場分佈(V = 2 m/s)………67
圖5-22 : 鋁合金的流場分佈(V = 2 m/s)………67
圖5-23 : 中碳鋼爐體的溫度分佈(V = 2 m/s )………68
圖5-24 : 鉻鋼爐體的溫度分佈(V = 2 m/s )………68
圖5-25 : 鎳鉻鋼爐體的溫度分佈(V = 2 m/s )………69
圖5-26 : 鋁合金(硬鋁)爐體的溫度分佈(V = 2 m/s )………69
圖5-27 : 中碳鋼入口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………70
圖5-28 : 中碳鋼出口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………70
圖5-29 : 鉻鋼入口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………71
圖5-30 : 鉻鋼出口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………71
圖5-31 : 鎳鉻鋼入口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………72
圖5-32 : 鎳鉻鋼出口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………72
圖5-33 : 鋁合金入口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………73
圖5-34 : 鋁合金出口處的溫度分佈(V = 2 m/s)………73

表目錄
表1-1 : 旋轉爐中粒子運動方式與相關參數的比較………3
表1-2 : 不同填充率及Froude number時粒子的混合變化………6
表3-1 : 依冶煉方法之鋼鐵材料的分類………19
表3-2 : 依機械性質之鋼鐵材料的分類………20
表3-3 : 碳鋼分類及用途………21
表4-1 : 芝麻(含水率3 %)………38
表4-2 : 原始芝麻(含水率7 %)………39
表5-1 : 焙炒爐的幾何尺寸………48
表5-2 : 中碳鋼的熱傳導係數………49
表5-3 : 鉻鋼的熱傳導係數………49
表5-4 : 鎳鉻鋼的熱傳導係數………49
表5-5 : 鋁合金的熱傳導係數………49
表5-6 : 空氣的熱傳導係數………50
表5-7 : 空氣的比熱………50
表5-8 : 空氣的密度………51
表5-9 : 空氣的黏滯係數………51
表5-10 : 芝麻的熱傳導係數………52
表5-11 : 邊界條件………52
表5-12 : 各材質的最高溫度及最低溫度之比較(V = 0 m/s)………64
表5-13 : 入口與出口處芝麻的平均溫度(V = 0 m/s)………65
表5-14 : 當空氣流速為2 m/s及0 m/s時,最高溫度的比較………74
表5-15 : 入口處與出口處芝麻的平均溫度及溫差………75

參考文獻 【1】A. A. BOATENG and P. V. BARR. “Modelling of particle mixing and segregation in the transverse plane of a rotary kiln.” Chemical Engineering Science. 51 (1996) : 4167-4181.
【2】J. Mellmann. “The transverse motion of solid in rotating cylinders – forms of motion and transition behavior.” Powder Technology. 118 (2001) : 251-270.
【3】D.R. Van Puyvelde, B.R. Young, M.A. Wilson, S.J. Schmidt. “Experimental determination of transverse mixing kinetics in a rolling drum by image analysis.” Powder Technology. 106 (1999) : 183-191.
【4】M. D. Heydenrych, P. Greeff, A. B. M. Heesink, G. F. Versteeg, “Mass transfer in rolling rotary kilns: a novel approach.” Chemical Engineering Science. 57 (2002) : 3851-3859.
【5】Xiao Yan Liu, Eckehard Specht, Jochen Mellmann. “Slumping-rolling transition of granular solids in rotary kilns.” Chemical Engineering Science. 60 (2005) : 3629-3636.
【6】G.J. Finnie, N.P. Kruyt, M. Ye, C. Zeilstra, J.A.M. Kuipers. “Longitudinal and transverse mixing in rotary kilns: A discrete element method approach.” Chemical Engineering Science. 60 (2005) : 4083-4091.
【7】E. LEBAS, F. HANROT, D. ABLITZER and J. L. HOUZELOT. “Experimental Study of Residence Time, Particle Movement and Bed Depth Profile in Rotary Kilns.” The Canadian Journal of Chemical Engineering. 73 (1995) : 173-180.
【8】W. C. SAEMAN. “PASSAGE OF SOLIDS THROUGH ROTARY KILNS.” Chemical Engineering Progress. 508-514.
【9】RITIKA JAUHARI, MURRAY R. GRAY and JACOB H. MASLIYAH. “Gas-Solid Mass Transfer in a Rotating Drum.” The Canadian Journal of Chemical Engineering. 76 (1998) : 224-232.
【10】S.-Q. Li, J.-H. Yan, R.-D. Li, Y. Chi, K.-F. Cen. “Axial transport and residence time of MSW in rotary kilns Part 1. Experimental.” Powder Technology. 126 (2002) : 217-227.
【11】A. A. BOATENG and P. V. BARR. “A thermal model for the rotary kiln including heat transfer within the bed.” Int. J. Heat Mass Transfer. 39 (1996) : 2131-2147.
【12】J.P. Holman. “Heat Transfer.” McGraw-Hill, Inc. 1992.
【13】P. Incropera, P. De Witt. “Fundamentals of heat and mass transfer.” John Wiley & Sons, Inc. 1997.
【14】王仰舒。鋼鐵材料。台北市:徐氏基金會,民國69年。
【15】呂璞石, 黃振賢。金屬材料。台北市:文京圖書公司,民國79年。
【16】KD2 user’s manual, Devices, Inc. 2004
【17】陳精一。ANSYS 7.0 電腦輔助工程實務分析。台北市:全華出版社,民國93年。
【18】康 淵, 陳信吉。ANSYS 入門。台北市:全華出版社,民國93年。
【19】Marcio A. Martins, Leandro S. Oliveira, Adriana S. Franca. “Modeling and simulation of petroleum coke calcinations in rotary kilns.” Fuel. 80 (2001) : 1611-1622.
【20】Rainer H. Nobis. “Latest Rotary Kiln Burner Technology: Possibilities and Experiences.” IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS. 27 (1991) : 798-806.
【21】F. Marias. “A model of a rotary kiln incinerator including processes occurring within the solid and gaseous phases.” Computers & Chemical Engineering. 27 (2003) : 813-825.
【22】G.F. Melo. “A CASE STUDY OF AIR ENRICHMENT IN ROTARY KILN INCINERATION.” Int. Comm. Heat Mass Transfer. 25 (1998) : 681-692.
【23】Wolfgang Klose, Wolfgang Wiest. “Experiments and mathematical modeling of maize pyrolysis in a rotary kiln.” Fuel. 78 (1999) : 65-72.
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