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研究生： 許進吉
Chin-Chi Hsu
論文名稱： 儲槽排放過程中間隙氣體對粉顆粒體的影響
The Discharge of Fine Powders in a Silo
指導教授： 蕭述三
Shu-San Hsiau
口試委員:
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
畢業學年度： 96
語文別： 中文
論文頁數： 92
中文關鍵詞： 衝擊力 、間隙流體空氣 、粉顆粒體 、儲槽
外文關鍵詞： Bubble aera, Silo, Interstice air, Impact force, Fine particle
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    • 儲槽在工業界上是廣泛被應用的，而在儲槽研究裡，微小顆粒體( <500 μm)的運動是相當值得探討的，微小顆粒體的流動現象與粗顆粒體( >600 μm)的流動完全不一樣，因為空氣會對粉顆粒體的流動造成影響，仍是一種固態與氣態的二相流動現象，在非開放系統的儲槽裡，還會發生氣泡流動的現象，導致儲槽的流動不穩定，造成排放的質量流率下降。
    本研究將以兩種系統作為探討的方向，一為開放系統，另一為非開放系統，藉由兩系統的差別來進行各種現象的比較。實驗顆粒以數組不同且均小於500 μm的尺度顆粒，再加上三組尺寸大於500 μm的顆粒尺度來做比較，並藉由著改變儲槽開口的大小，來進行質量流率、壓力降、衝擊力、氣泡流動等物理現象之探討。

    In numerous industrial processing operations involving powders, bulk solids and granules, silos and bins are used to store particulate solids. It is imperative to control the flow rate during discharge of these solids from such equipment.
    It is considerable to study gravity discharge of fine particles. Most theoretical and empirical equations for calculation of flow rate of fine particles overestimate flow rates when particles smaller than about 500 μm are discharged. An air stream flows through silo from outlet to the top and flow rate is unstable and decreases with time.
    Two systems, one is cover system (Closed-top silo), the other is no-cover system (Open-top silo) are experimentally studied in this Thesis. The flow rate, impact forces, pressure drop, velocities of particles and bubble areas are measured in vertical rectangular silo with transparent walls and outlet gap in flat-bottom. Particle size and area of gap are variables in experiments with fine particles of silica sand.

    目錄 摘要………………………………………………………………………………i Abstract………………………………………………………………………….ii 目錄……………………………………………………………………………..iii 附表目錄…………………………………………………………………….…..v 附圖目錄………………………………………………………………………..vi 符號說明……………………………………………………………………...…x 第一章 簡介 .....1 1.1 研究背景 ...1 1.2 文獻探討 ...2 1.2.1儲槽與粉顆粒體 ….2 1.2.2儲槽與質量流率 ...4 1.2.3間隙流體空氣效應之文獻 ...6 1.3 研究方向 ...9 第二章 實驗方法 ...11 2.1實驗設備........................................................................................................11 2.2 研究方法 .13 2.2.1衝擊力隨時間的量測法 .13 2.2.2平均質量流率分析法 ...15 2.2.3瞬時速度場的分析 ...16 2.3實驗步驟 ...17 第三章 結果與討論 …......19 3.1 開放系統的探討 .19 3.1.1衝擊力的探討 .19 3.1.2衝擊力之標準差的探討 .21 3.1.3平均質量流率的探討 .21 3.2非開放系統的探討 .23 3.2.1衝擊力的探討 .23 3.2.2衝擊力之標準差的探討 .24 3.2.3平均質量流率的探討 .25 3.2.4非開放系統的壓力降 .25 3.3 開放系統與非開放系統的討論 .28 3.3.1衝擊力的比較 .29 3.3.2衝擊力之標準差的比較 .30 3.3.3平均質量流率的比較 .30 3.3.4瞬時速度場的比較 .31 第四章 結論 .............34 參考文獻 ….…....36 附錄 表一.顆粒粒徑特徵關係………………………………………………………39 表二.為實驗量測出顆粒直徑大小與體密度、孔隙率的數據圖。…………40 表三.質量流率公式所運用的參數……………………………………………41 附圖 圖一. 間隙流體對粗顆粒體(a)與微小顆粒體(b)的影響。…...........................42 圖二. 為開放系統(a)與非開放系統(b)示意圖。..............................................43 圖三. 開口寬度大小與顆粒直徑的關係圖。...................................................44 圖四. Geldart所提出的顆粒大小、密度與顆粒流化的關係圖。...................45 圖五. 本研究的實驗參數主要分為兩大系統，三種開口面積，十種顆粒平均 直徑。........................................................................................................46 圖六. 本實驗的實際實驗設備圖。....................................................................47 圖七. 實驗設備示意圖。...................................................................................48 圖八. 衝擊力之力的關係圖。............................................................................49 圖九. Crewdson et al. (1976)所描述隨徑向座標高度改變與間隙空氣壓力的 變化圖。.......................................................................................................50 圖十. 儲槽主體A.與開口裝置B.。.................................................................51 圖十一.此圖為開放系統開口寬度B = 5 mm，利用此圖定義本研究的近似穩 態時間與非穩態時間。...............................................................................52 圖十二. 追蹤顆粒自由堆積在儲槽中10 cm與20 cm之示意 圖。.............53 圖十三. 圖為開口面積5 cm2，顆粒平均直徑大小為107.5 μm之格線圖。...54 圖十四.為十種顆粒尺寸在開放系統中，開口寬度B = 5 mm 下之衝擊力和時 間的關係圖。..............................................................................................55 圖十五.為十種顆粒尺寸在開放系統中，開口寬度B = 10 mm下之衝擊力和 時間的關係圖。..........................................................................................56 圖十六.為十種顆粒尺寸在開放系統中，開口寬度B = 20 mm下之衝擊力和 時間的關係圖。..........................................................................................57 圖十七.在開放系統中，顆粒直徑效應的探討，使用開口寬度5 mm，在四種 顆粒尺寸之數據。...........................................................................................58 圖十八.在開放系統中，衝擊力對開口的效應探討，使用平均顆粒大小為 107.5 μm，在三種開口面積下之數據。..................................................59 圖十九.開放系統中三種開口寬度下，顆粒平均直徑大小與平均衝擊力的關 係圖。.........................................................................................................60 圖二十.開放系統中三種開口寬度下，顆粒平均直徑大小與標準差之衝擊力 的關係圖。.................................................................................................61 圖二十一.為在三種開口面積下，開放系統Fowler方程式與Brown方程式之 質量流率隨粒徑變化的關係圖。.............................................................62 圖二十二.為十種顆粒尺寸在開放系統中，開口寬度B = 5 mm下之衝擊力和 時間的關係圖。.........................................................................................63 圖二十三.為十種顆粒尺寸在非開放系統中，開口寬度B = 10 mm下之衝擊 力和時間的關係圖。...................................................................................64 圖二十四.為十種顆粒尺寸在非開放系統中，開口寬度B = 20 mm下之衝擊 力和時間的關係圖。.................................................................................65 圖二十五. 在非開放系統中，衝擊力對顆粒直徑效應的探討，使用開口寬度 為B = 5 mm，在三種顆粒尺寸之數據。................................................66 圖二十六. 在非開放系統中，開口大小的效應探討，使用平均顆粒大小為 107 μm，在三種開口寬度下之數據。.....................................................67 圖二十七.非開放系統中三種開口寬度下，顆粒平均直徑大小與平均衝擊力 的關係圖。..................................................................................................68 圖二十八.非開放系統中三種開口寬度下，顆粒平均直徑大小與標準差之衝 擊力的關係圖。..........................................................................................69 圖二十九.非開放系統中三種開口寬度下，顆粒平均直徑大小與平均質量流 率的關係圖。..............................................................................................70 圖三十.為八種顆粒尺寸在非開放系統中，開口寬度為5 mm之壓力降和時間的關係圖。.............................................................................................71 圖三十一.為八種顆粒尺寸在非開放系統中，開口寬度為10 mm之壓力降和 時間的關係圖。..........................................................................................72 圖三十二.為八種顆粒尺寸在非開放系統中，開口寬度為20 mm之壓力降和 時間的關係圖。.........................................................................................73 圖三十三. 在非開放系統中，壓力對開口大小的效應探討，使用平均顆粒大 小為107 μm，在三種開口寬度下之數據。............................................74 圖三十四.壓力和衝擊力對時間的關係圖，顆粒直徑為137.5 μm，開口寬度 B = 5 mm。..................................................................................................75 圖三十五. Darcy定律與實驗量測的壓力差之比較，其空氣速度為流場實驗 的瞬時速度，此圖為開口寬度20mm，流場在兩秒時其壓力差與平均顆 粒直徑之關係圖。.....................................................................................76 圖三十六.Darcy定律與實驗量測的壓力差之比較，此圖為開口寬度20mm， 流場在兩秒時其壓力差與滲透性之關係圖。..........................................77 圖三十七.Darcy定律與實驗量測的壓力差之比較，此圖為開口寬度20mm， 流場在兩秒時其壓力差與孔系率之關係圖。...........................................78 圖三十八. Darcy定律與實驗量測的壓力差之比較，其空氣速度為計算出的 顆粒排放速度，此圖為開口寬度20mm，流場在兩秒時其壓力差與平均 顆粒直徑之關係圖。....................................................................................79 圖三十九. 開放系統中和非開放系統之衝擊力比較，比較平均顆粒直徑為 107.5 μm與1015 μm。................................................................................80 圖四十.在三種開口寬度下，開放系統與非開放系統平均衝擊力隨粒徑變 化的關係圖。..............................................................................................81 圖四十一.為在三種開口面積下，開放系統和非開放系統衝擊力標準差隨粒 徑變化的關係圖。......................................................................................82 圖四十二.為在三種開口面積下，開放系統之無因次衝擊力標準差隨粒徑變 化的關係圖。..............................................................................................83 圖四十三.為在三種開口面積下，非開放系統之無因次衝擊力標準差隨粒徑 變化的關係圖。..........................................................................................84 圖四十四.為在三種開口面積下，開放系統和非開放系統質量流率隨粒徑變 化的關係圖。..............................................................................................85 圖四十五.氣泡在儲槽內流動現象，在開口寬度為20 mm，顆粒平均粒徑為 107.5 μm，圖片由左而右分別為0 sec、0.5 sec、1 sec、1.5sec。.............86 圖四十六.氣泡在儲槽內流動現象，在開口寬度為20 mm，顆粒平均粒徑為 137.5 μm，圖片由左而右分別為0 sec、0.5 sec、1 sec、1.5sec。.............87 圖四十七.氣泡在儲槽內流動現象，在開口寬度為20 mm，顆粒平均粒徑為 165 μm，圖片由左而右分別為0 sec、0.5 sec、1 sec、1.5sec。..............88 圖四十八.氣泡在儲槽內流動現象，在開口寬度為20 mm，顆粒平均粒徑為 196 μm，圖片由左而右分別為0 sec、0.5 sec、1 sec、1.5sec。.............89 圖四十九.開放系統中，(a)為顆粒尺度為107.5 μm，(b)為顆粒尺度為 137.5 μm，(c)為顆粒尺度為165 μm，(d)為顆粒尺度為196 μm，自由堆 積高度為10cm 和20cm之垂直瞬時速度分佈。..................................90 圖五十. 非開放系統中，(a)為顆粒尺度為107.5 μm，(b)為顆粒尺度為 137.5 μm ，(c)為顆粒尺度為165 μm，(d)為顆粒尺度為196 μm，自由 堆積高度為10cm 和20cm之垂直瞬時速度分佈。...............................91 圖五十一. Brown 和Hawksley之儲槽內流動區域圖。..................................92

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