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系統識別號 U0002-2206200712313500
中文論文名稱 模擬粒子床在焙炒爐內溫度場的變化
英文論文名稱 Simulation of the granule bed on the temperature field within 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 95
學期 2
出版年 96
研究生中文姓名 徐榮照
研究生英文姓名 Jung-Chao Hsu
電子信箱 694341438@s94.tku.edu.tw
學號 694341438
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2007-06-14
論文頁數 67頁
口試委員 指導教授-顏政雄
委員-潘榕光
委員-康尚文
中文關鍵字 熱傳導  對流  旋轉爐  模擬  滾動效應  有限元素  粒子床 
英文關鍵字 granule bed  rotary kiln  heating furnace  thermal conductivity  ANSYS  temperature field  heat flux 
學科別分類 學科別應用科學機械工程
中文摘要 本論文主要是探討粒子床加熱過程中,使粒子床出口的溫度約在200oC左右,利用有限元素ANSYS軟體模擬在焙炒的過程中,爐壁、芝麻及空氣的溫度變化。研究分為兩個部分:
第一為實驗部分,芝麻熱傳導係數的量測,在溫度範圍20~60oC時,以相同質量的芝麻,分別從3%~20%含水率的芝麻進行測量,以了解芝麻在不同含水率時溫度與熱傳導係數k值的關係,並且得知含水率越高,其熱傳導係數也越高,但是含水率超過13%其k值所增加的幅度也不多,所以本研究取13%含水率的熱傳導係數k值,來做為分析的參數,其熱傳導係數為k = 0.1507 + 0.0012T,式子中的溫度T單位為o C。
第二為模擬分析部分,利用ANSYS軟體進行分析,先建構三個部分的模型,粒子床、空氣、爐壁,然後輸入個別性質參數,如:爐內外的對流係數、爐內空氣流速、爐內粒子床流速及角速度、爐壁分別之不同的三段熱通量等參數,進行模擬,找出焙炒爐最佳化參數。
當給予爐壁的總熱通量為10,500 W/m2,熱通量比為2:3:2時,分別為前段、中段、後段(預熱、加熱、冷卻),在沒有轉動效應且空氣流速為6.97m/s及4.2m/s,可以得知空氣流動的效應,當流速較大時,熱量就會被帶走,平均溫度也會降低,避免溫度過高。
而在總熱通量為8,000W/m2時,選用熱通量比分別為1:2:1,1:3:2,2:2:2,2:3:1,2:3:2,當轉速分別為10rpm和15rpm時,而出口平均溫度接近200 o C,就轉速10rpm的爐子而言,熱通量比為1:2:1時,粒子床出口平均溫度為最佳,就轉速15rpm的爐子而言,熱通量比為2:2:2時,粒子床出口平均溫度為最佳。
英文摘要 This thesis mainly studies heating process of the granule bed and makes the outlet of the granule bed temperature approximately in 200oC. Using the element software of ANSYS simulates the temperature changes of the furnace, sesame and air during the baking process. The research includes two parts:
The first part is the experimental part which is about the measure of the thermal conductivity coefficient of the sesame. In order to find out the relations between the temperature and the thermal conductivity coefficient k value in different moisture degrees of the sesame, the research proceeds to measure separately moisture degrees of the sesame from 3% to 20%, in the temperature range 20oC~60oC, and the same qualitative sesame. According to this measurement, It shows that the more moisture degree, the more conductivity coefficient. But the moisture degree which exceeds 13%, the k value does not increase too much range. Therefore, this research selects the thermal conductivity coefficient k value of the moisture degree of 13% to be the analytic parameter. Its thermal conductivity coefficient is k =0.1507 + 0.0012T, the temperature T unit in the equation is oC.
The second part is simulation analysis which uses ANSYS software. At the beginning, the model which includes three parts: granule bed, air, and furnace are chosen for analysis. Input date are the specific parameters such as the convection coefficient of inside and outside furnace, the air flow of the furnace, the granule bed flow and angular speed of the furnace, and different three sections of heat flux for furnace, then begin to simulate and find out the optimization parameter of heating furnace.
While providing the total heat flux of furnace is 10,500 W/m2 and the heat flux ratio is 2:3:2 which respectively is front section, mid section, and back section (preheating, heating, and cooling). In no rotary effect and the air flow is 6.97m/s and 4.2m/s, due to the effect of air flow, when the air flow is higher, the heat will be taken away and the average temperature will be reduced in order to prevent temperature from being too high.
When the total heat flux is 8000W/m2, the heat flux ratio is respectively 1:2:1, 1:3:2, 2:2:2, 2:3:1, 2:3:2. In the condition of the outlet of the granule bed temperature approximately in 200oC, when the rotational speed of the furnace is 10rpm and heat flux ratio is 1:2:1, the average temperature of outlet of the granule bed is the most optimal result; when the rotational speed of the furnace is 15rpm and heat flux ratio is 2:2:2, the average temperature of outlet of the granule bed is the most optimal result.
論文目次 目錄
中文摘要 Ⅰ
英文摘要 Ⅲ
目錄 Ⅴ
圖目錄 Ⅷ
表目錄 XI
符號定義表 XIII
第一章 前言 1
1.1 研究動機 1
1. 2 文獻回顧與探討 2
1. 2. 1焙炒爐內粒子的運動模式 2
1. 2. 2 焙炒爐內粒子的填充特性 4
1. 2. 3焙炒爐內粒子床與空氣的流動 6
1. 2. 4 焙炒爐中的熱傳模式 6
1.3 研究目的 10
第二章 焙炒爐中熱傳方式的探討 11
2. 1 基礎熱傳遞理論 11
2. 1. 1熱傳導 11
2. 1. 2 熱對流 15
2. 2 焙炒爐熱傳方程式 16
2. 2. 1 熱傳能量守恆 16
2. 2. 2 焙炒爐內的對流係數 18
第三章 芝麻熱傳導係數的測定 22
3. 1 量測芝麻熱傳導係數的目的 22
3. 2 熱傳導係數測定器的熱傳原理 22
3. 3 實驗設備 24
3. 4 實驗步驟流程 27
3. 5 實驗結果 29
3. 5. 1 實驗數據 29
第四章 數值分析軟體-ANSYS 32
4. 1 有限元素法 32
4. 2 ANSYS分析步驟流程 33
4. 2. 1 ANSYS介紹33
4. 2. 2 基本ANSYS分析流程概論 34
4. 3 模擬焙炒爐的溫度分佈 37
4. 3. 1 設定焙炒爐的相關參數 37
4. 3. 2 ANSYS建立焙炒爐模型 43
第五章 結果 46
5. 1 實驗量測結果部分 46
5. 2 ANSYS模擬分析結果 46
第六章 結論 59
參考文獻 60
附錄A 63

圖目錄
圖1-1 粒子運動方式 2
圖1-2 在旋轉爐中粒子大小的分佈 3
圖1-3 旋轉爐中粒子運動方式與相關參數的比較 3
圖1-4 旋轉爐中粒子滾動模式 4
圖1-5 旋轉爐中粒子的分層情形 5
圖1-6 Froude number、粒子大小、填充率的比較 5
圖1-7 中心加熱式旋轉爐中的熱傳模式 7
圖1-8 在旋轉爐內熱傳的模式 7
圖2-1 物體的一維熱傳 12
圖2-2 單位體積三方向熱傳的傳入與輸出 13
圖2-3 圓柱座標中熱傳導分析的微控制體積 15
圖2-4 加熱表面的熱對流現象 16
圖3-1 恆溫循環水槽及冷卻器 24
圖3-2 濕度分析平衡儀 25
圖3-3 抽取式樣品容器 26
圖3-4 熱傳導係數測定器 27
圖3-5 實驗設備流程示意圖 28
圖3-6 芝麻13%含水率的k-T圖 30
圖4-1 ANSYS分析步驟流程圖 36
圖4-2 10rpm的邊界條件圖 40
圖4-3 15rpm的邊界條件圖 41
圖4-4 填充20%芝麻後焙炒爐剖面 42
圖4-5 FLOTRAN 142元素 43
圖4-6 實體模型 44
圖4-7 實體自由網格化 45
圖5-1 中碳鋼爐壁(k = 43 W/moC)的溫度分佈 47
圖5-2 中碳鋼爐壁(k = 43 W/moC)的入口溫度分佈 48
圖5-3 中碳鋼爐壁(k = 43 W/moC)的出口溫度分佈 48
圖5-4 熱通量比2:3:2的出口溫度(HF=10,500 W/m2 ;V=4.2m/s) 49
圖5-5中碳鋼爐壁(V=4.2m/s;HF=8000 W/m2)的出口溫度分佈 50
圖5-6 在轉速10rpm時熱通量比為1:2:1的出口溫度圖 51
圖5-7 在轉速15rpm時熱通量比為1:2:1的出口溫度圖 51
圖5-8 在轉速10rpm時熱通量比為1:3:2的出口溫度圖 52
圖5-9 在轉速15rpm時熱通量比為1:3:2的出口溫度圖 53
圖5-10 在轉速10rpm時熱通量比為2:2:2的出口溫度圖 54
圖5-11 在轉速15rpm時熱通量比為2:2:2的出口溫度圖 54
圖5-12 在轉速10rpm時熱通量比為2:3:1的出口溫度圖 55
圖5-13 在轉速15rpm時熱通量比為2:3:1的出口溫度圖 55
圖5-14 在轉速10rpm時熱通量比為2:3:2的出口溫度圖 56
圖5-15 在轉速15rpm時熱通量比為2:3:2的出口溫度圖 57
表目錄
表2-1 空氣性質 19
表2-2 15rpm的空氣流速 20
表2-3 10rpm的空氣流速 20
表2-4 15rpm的粒子角速度 20
表2-5 10rpm的粒子角速度 20
表2-6 轉速15rpm的Freeboard對流係數 21
表2-7 轉速10rpm的Freeboard對流係數 21
表3-11 測量得到芝麻含水率13 %的熱傳性質 29
表3-19 比較計算與實驗之芝麻含水率13 %的熱傳導係數誤差值 31
表4-1 焙炒爐的幾何尺寸 37
表4-2 中碳鋼的熱傳導係數 37
表4-3 空氣的熱傳導係數 38
表4-4 空氣的比熱 38
表4-5 空氣的密度 38
表4-6 空氣的黏滯係數 38
表4-7芝麻含水率13 %的熱傳導係數 39
表4-8 焙炒爐的邊界條件 40
表5-1 10rpm熱通量比排序 58
表5-2 15rpm熱通量比排序 58
表A-1 測量得到芝麻含水率3 %的熱傳性質 63
表A-2 測量得到芝麻含水率4 %的熱傳性質 63
表A-3 測量得到芝麻含水率5 %的熱傳性質 63
表A-4 測量得到芝麻含水率6 %的熱傳性質 63
表A-5 測量得到芝麻含水率7 %的熱傳性質 64
表A-6 測量得到芝麻含水率8 %的熱傳性質 64
表A-7 測量得到芝麻含水率9 %的熱傳性質 64
表A-8 測量得到芝麻含水率10 %的熱傳性質 64
表A-9 測量得到芝麻含水率11 %的熱傳性質 65
表A-10 測量得到芝麻含水率12 %的熱傳性質 65
表A-11 測量得到芝麻含水率13 %的熱傳性質 65
表A-12 測量得到芝麻含水率14 %的熱傳性質 65
表A-13 測量得到芝麻含水率15 %的熱傳性質 66
表A-14 測量得到芝麻含水率16 %的熱傳性質 66
表A-15 測量得到芝麻含水率17 %的熱傳性質 66
表A-16 測量得到芝麻含水率18 %的熱傳性質 66
表A-17 測量得到芝麻含水率19 %的熱傳性質 67
表A-18 測量得到芝麻含水率20 %的熱傳性質 67
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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2007-07-17公開。
  • 同意授權瀏覽/列印電子全文服務,於2007-07-17起公開。


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