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研究生： 王耀庭
Wang, Yaw-Tyng
論文名稱： 連鑄鋼胚冷卻用氣助式扇形噴嘴霧化特性之實驗研究
Experimental Studies on The Characteristics of Air-Assisted Atomizer for Spray Cooling of Continuous Casting on Blooms
指導教授： 賴維祥
Lai, Wei-Hsiang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 工學院 - 航空太空工程學系
Department of Aeronautics & Astronautics
論文出版年： 2002
畢業學年度： 90
語文別： 中文
論文頁數： 115
中文關鍵詞： 鋼胚冷卻 、氣助式 、噴嘴 、噴霧特性
外文關鍵詞： mass flow rate, Spray Cooling, Air-Assisted, SMD, spray angle, Continuous Casting
相關次數： 點閱：95  下載：4 
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    • 摘要
    一貫作業煉鋼廠長久以來均以內、外優質鋼胚為追求目標，尤其在連續鑄造（continuous casting）階段，適當均勻噴霧冷卻為鑄胚品質良窳之關鍵。「噴霧冷卻」是藉由流體霧化機構，將冷卻液（水）利用流體間能量傳遞，使其破裂（Breakup）為細微顆粒液滴（Droplet）；並與高溫鑄胚充分接觸，產生最大的面積接觸效率，將鑄胚熱量帶走達到有效冷卻作用。如何選用一良好霧化噴嘴（具拔熱效率與均勻冷卻之能力）成為相當重要的課題。
    本研究將探討氣助式扇形噴嘴之霧化特性，分成巨觀和微觀特性說明：巨觀方面有流量(Flow rate)性能曲線，噴霧型態(Spray Pattern)，空間流量分佈(Space Distribution)，噴霧錐角(Spray Angle)；微觀方面，以雷射粒徑繞射分析儀（INSITEC）量測，得平均粒徑(SMD)，粒徑分佈(Drop Size Distribution)…等參考條件。噴嘴霧化特性，將藉由實驗操作來探討氣助式噴嘴之基本噴霧特性，並依據所得，建立氣助式噴嘴噴霧特性之資料庫，供為後者在噴嘴選用、噴嘴設計時之參考。
    實驗後得知，「氣水比」將是影響氣助式噴嘴霧化品質之重要因素；流量方面，液體流量隨氣水比比值增加而減少；當液體壓力固定，液體流量隨著空氣流量增加而降低。空間流量分佈方面，氣水比固定，流場噴霧中心空間流量分佈之液體流量隨空氣流量增加而得到提升；固定空氣流量，氣水比比值增大使中心部份流量降低，中心以外空間流量分佈隨著空氣流量增加及氣水比降低而增大。噴霧錐角隨空氣壓力增加而略增，並隨氣水比增加而略減現象。在微觀噴霧特性：氣水比低時，粒徑大小分佈差距範圍較大；氣水比高（Air/Water ratio＝40）整體粒徑大小分佈相當均勻，液滴之平均粒徑降低約100μm，所以高氣水比條件，噴嘴之霧化特性效果佳。另一方面，平均粒徑大小隨著空氣壓力增加而SMD遞減；相同空氣壓力，SMD隨著氣水比增加而變小；相同空氣流量，霧化的SMD隨氣水比增加而變小且霧化更細。綜合三款氣助式噴嘴之霧化特性，當氣水比維持在15 ~ 40，空氣流量在60 LPM以上之操作條件，可獲得液滴在空間上流量分佈均勻性好及分佈範圍廣、粒徑大小分佈均勻性一致、平均粒徑尺寸大小差距小之噴嘴最佳霧化特性的條件。

    ABSTRACT
    The purpose of this paper is to investigate the atomizing characteristics of air-assisted atomizer on the blooms of secondary cooling process in a continuous casting machine.
    The characteristics of air-assisted spray are described on the macroscopic properties— pressure & mass flow rate performance curve, spray pattern, and spray angle; the microscopic properties — SMD, particle size distribution, and to compare atomization in air-assisted atomizer. The objective is to analyze the characteristic of spray of air-assisted atomizer by experiment and set up a data-base of air-assisted atomizer. According to experimental results, on the macroscopic properties：the flow rate of liquid decreases with airflow rate increases, the spray angle increases with air pressure and water pressure increases; On the microscopic properties ：SMD of spray liquid decreases with Air /Water ratio, and also SMD of spray decreases from center and then increase from up-stream to down-steam.
    At Air/Water ratio = 40，the SMD in the center region of spray is larger than these in the peripheral of spray，However，at Air/Water ratio = 20，the tendency of SMD changes in the spray is opposite.

    目 錄 摘要 英文摘要 誌謝 目錄 Ⅰ 表目錄 Ⅲ 圖目錄 Ⅳ 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 研究動機 10 第二章 實驗設備與儀器 11 2.1 實驗設備 11 2.1.1 高壓氣體供應系統 11 2.1.2 低壓氣體供應系統 11 2.1.3 測試檯架 11 2.1.4 高壓液體供應系統 12 2.1.5 抽器整流系統 13 2.1.6 噴嘴組合元件系統 13 2.2 量測儀器設備 13 2.3 實驗研究相關之參數 14 第三章 實驗步驟與方法 17 3.1 流量量測 17 3.2 空間流量分佈曲線 18 3.3 霧型態與噴霧錐角的量測 19 3.4 雷射粒徑繞射分析儀的量測 19 第四章 結果與討論 21 4.1 #1BCC氣助式噴嘴噴霧特性量側 21 4.1.1 流量量測 21 4.1.1.1 流量與壓力曲線 21 4.1.1.2 流量與氣水比之關係曲線 22 4.1.2 空間流量分佈 22 4.1.3 噴霧錐角（Spray Angle (2θ)） 24 4.1.4 液滴平均粒徑與粒徑分佈曲線 25 4.2 #4SCC氣助式噴嘴噴霧特性量測 29 4.2.1 流量與壓力曲線 30 4.2.2 空間流量分佈 30 4.2.3 噴霧錐角（Spray Angle (2θ)） 31 4.2.4 液滴平均粒徑與粒徑分佈曲線 32 4.3 #1SCC氣助式噴嘴噴霧特性量測 33 4.3.1 流量與壓力曲線 33 4.3.2 空間流量分佈 33 4.3.3 噴霧錐角（Spray Angle (2θ)） 34 4.3.4 液滴平均粒徑與粒徑分佈曲線 35 4.4 綜合討論 36 第五章 結論 40 參考文獻 42 圖表 46 自述 114 著作權聲明 115 表目錄 表3-1. 噴嘴操作條件 62 表4-1. #1BCC噴嘴操作參數一覽表 ( Pa= 2kg/㎝2 ) 63 表4-2. #1BCC噴嘴操作參數一覽表 ( Pa= 3kg/㎝2 ) 64 表4-3. #1BCC噴嘴液體壓力與液體流量之關係 65 表4-4. #1BCC噴嘴噴嘴中心空間流量分佈（距離鋼胚100 mm） 66 表4-5. #1BCC噴嘴噴嘴中心空間流量分佈（距離鋼胚130 mm） 66 表4-6. #1BCC噴嘴噴霧流場內空間流量分佈（氣水比20） 67 表4-7. #1BCC噴嘴噴霧流場內空間流量分佈（氣水比30、40） 68 表4-8. ＃4SCC噴霧流場內空間流量分佈 69 圖目錄 圖1-1 壓力式霧化器 46 圖1-2 旋轉式霧化器 46 圖1-3 雙流體式霧化器 47 圖1-4 單一液滴與空氣交互作用之破裂機構 48 圖1-5 平面液膜受低速及高速氣體衝擊破裂機構 49 圖1-6 Effervescet 噴嘴隨空氣增加內流場變化過程 50 圖1-7 噴霧流場結構區域圖 51 圖1-8 各種液滴碰撞形式 52 圖2-1 實驗設備裝置系統圖 53 圖2-2 SPONSLER 公司生產之MF- 175渦輪式流量計 54 圖2-3 穩壓室 54 圖2-4 三維移動式平台系統方塊流程圖 55 圖2-5 高壓液體儲存槽（有效容積約120公升） 56 圖2-6 氣助式扇形噴嘴 57 圖2-7 Insitec雷射繞射粒徑分析儀 58 圖2-8 雷射繞射粒徑分析儀光學原理圖 59 圖2-9 雷射繞射粒徑分析儀第0環光學對準 59 圖2-10 空間流量分佈量取位置圖 60 圖2-11 噴嘴之噴霧錐角圖 60 圖2-12 粒徑分佈曲線圖（log圖形） 61 圖2-13 高斯分佈曲線及標準差範圍 61 圖4-1 #1BCC噴嘴流量與壓力校正曲線 70 圖4-2 #1BCC噴嘴流量與水壓之關係（Pa=2kg/cm2） 71 圖4-3 #1BCC噴嘴流量與水壓之關係（Pa=3kg/cm2） 71 圖4-4 #1BCC噴嘴水流量與壓力關係比較（Pa= 2＆3 kg/cm2） 72 圖4-5 #1BCC噴嘴流量與氣水比之關係（Pa=2kg/cm2） 73 圖4-6 #1BCC噴嘴流量與氣水比之關係（Pa=3kg/cm2） 73 圖4-7 #1BCC噴嘴氣水比與水流量之關係（Pa= 2＆3 kg/cm2） 74 圖4-8 #1BCC噴嘴氣水比20之空間流量分佈（距離10公分） 75 圖4-9 #1BCC噴嘴氣水比20之空間流量分佈（距離13公分） 75 圖4-10 #1BCC噴嘴氣水比20空間流量分佈（Pa=2＆3 kg/cm2） 76 圖4-11 #1BCC噴嘴氣水比30空間流量分佈（Pa=2＆3 kg/cm2） 76 圖4-12 #1BCC噴嘴氣水比40空間流量分佈（Pa=2＆3 kg/cm2） 77 圖4-13 #1BCC噴嘴氣水比30空間流量分佈（Pa=2＆3 kg/cm2） 77 圖4-14 #1BCC噴嘴氣水比20不同高度之空間流量分佈（Pa=2 kg/cm2） 78 圖4-15 #1BCC噴嘴氣水比20不同高度之空間流量分佈（Pa=3 kg/cm2） 78 圖4-16 #1BCC噴嘴氣水比30不同高度空間流量分佈（Pa=2＆3 kg/cm2） 79 圖4-17 #1BCC噴嘴氣水比40不同高度空間流量分佈（Pa=2＆3 kg/cm2） 79 圖4-18 #1BCC噴嘴氣水比與噴霧錐角之關係 80 圖4-19 #1BCC噴嘴氣水比與噴霧錐角關係（Pa=2 kg/cm2） 81 圖4-20 #1BCC噴嘴氣水比與噴霧錐角關係（Pa=3 kg/cm2） 81 圖4-21 #1BCC噴嘴水壓與噴霧錐角關係（Pa=2 kg/cm2） 82 圖4-22 #1BCC噴嘴水壓與噴霧錐角關係（Pa=3 kg/cm2） 82 圖4-23 #1BCC噴嘴水流量與噴霧錐角關係（Pa=2 kg/cm2） 83 圖4-24 #1BCC噴嘴水流量與噴霧錐角關係（Pa=3 kg/cm2） 83 圖4-25 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=10cm） 84 圖4-26 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=10cm） 84 圖4-27 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=10cm） 85 圖4-28 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=13cm） 85 圖4-29 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=13cm） 86 圖4-30 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=13cm） 86 圖4-31 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=3 kg/cm2，H=10cm） 87 圖4-32 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=3 kg/cm2，H=10cm） 87 圖4-33 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=3 kg/cm2，H=10cm） 88 圖4-34 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=3 kg/cm2，H=13cm） 88 圖4-35 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=3 kg/cm2，H=13cm） 89 圖4-36 #1BCC噴嘴不同空氣流量平均粒徑分佈（Pa=2 kg/cm2，H=13cm） 89 圖4-37 #1BCC噴嘴固定空氣流量平均粒徑（Pa=2 kg/cm2 Qa= 40 LPM） 90 圖4-38 #1BCC噴嘴固定空氣流量平均粒徑（Pa=3 kg/cm2 Qa= 40 LPM） 90 圖4-39 #1BCC噴嘴固定空氣流量平均粒徑（Pa=2 kg/cm2 Qa= 50 LPM） 91 圖4-40 #1BCC噴嘴固定空氣流量平均粒徑（Pa=3 kg/cm2 Qa= 50 LPM） 91 圖4-41 #1BCC噴嘴固定空氣流量平均粒徑（Pa=2 kg/cm2 Qa= 60 LPM） 92 圖4-42 #1BCC噴嘴固定空氣流量平均粒徑（Pa=3 kg/cm2 Qa= 60 LPM） 92 圖4-43 #1BCC噴嘴氣水比20平均粒徑（Pa=2 kg/cm2, H=10 & 13cm） 93 圖4-44 #1BCC噴嘴氣水比20平均粒徑（Pa=3 kg/cm2, H=10 & 13cm） 93 圖4-45 #1BCC噴嘴氣水比30平均粒徑（Pa=2 kg/cm2, H=10 & 13cm） 94 圖4-46 #1BCC噴嘴氣水比30平均粒徑（Pa=3 kg/cm2, H=10 & 13cm） 94 圖4-47 #1BCC噴嘴氣水比40平均粒徑（Pa=2 kg/cm2, H=10 & 13cm） 95 圖4-48 #1BCC噴嘴氣水比40平均粒徑（Pa=3 kg/cm2, H=10 & 13cm） 95 圖4-49 #1BCC噴嘴氣水比40平均粒徑分佈比較（Pa=2＆3 kg/cm2） 96 圖4-50 #1BCC噴嘴氣水比與SMD之趨勢 96 圖4-51＃4SCC流量偏差校正曲線 97 圖4-52＃4SCC噴嘴內部空氣與液體混合霧化方式示意圖 97 圖4-53＃4SCC噴嘴空間流量分佈曲線（Pa= 2 kg/cm2） 98 圖4-54＃4SCC噴嘴空間流量分佈曲線（Pa= 3 kg/cm2） 98 圖4-55 # 4SCC噴嘴噴霧型態（Pa = 2 kg/cm2） 99 圖4-56 # 4SCC噴嘴噴霧型態（Pa = 2 kg/cm2） 100 圖4-57 #4SCC噴嘴噴霧型態（Pa = 3 kg/cm2） 101 圖4-58 #4SCC噴嘴噴霧型態（Pa = 3 kg/cm2） 102 圖4-59 #4SCC噴嘴噴霧錐角變化（Pa = 2 kg/cm2） 103 圖4-60 #4SCC噴嘴噴霧錐角變化（Pa = 3 kg/cm2） 103 圖4-61 #4SCC噴嘴流量5.5LPM中心大顆粒液滴形成 104 圖4-62 #4SCC噴嘴噴霧中心形成三區域 104 圖4-63＃4SCC噴嘴SMD分佈曲線 (Pair= 2 kg/cm2 ) 105 圖4-64＃4SCC噴嘴SMD分佈曲線 (Pair= 3 kg/cm2 ) 105 圖4-65 #1SCC噴嘴流量校正曲線 106 圖4-66 #1SCC噴嘴內部空氣與液體直接垂直對衝霧化方式示意圖 106 圖4-67 #1SCC噴嘴中心流量分佈（Pair=1.5 kg/cm2） 107 圖4-68＃4SCC噴嘴噴霧錐角（2θ） 107 圖4-69 #1SCC噴嘴噴霧錐角2θ（Pa = 1.5 kg/cm2） 108 圖4-70 #1SCC噴嘴噴霧錐角2θ（Pa = 1.5 kg/cm2） 109 圖4-71 #1SCC噴嘴粒徑大小SMD分佈曲線 110 圖4-72 三型噴嘴氣水比與流量之關係 110 圖4-73 三型噴嘴氣水比與中心空間流量分佈之關係 111 圖4-74 三型噴嘴氣水比與噴霧錐角之關係 111 圖4-75 三型噴嘴氣水比與SMD之關係 112

    參 考 文 獻
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    下載圖示 校內：立即公開
    校外：2002-07-15公開
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