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研究生: 李岱柏
Tai-po Lee
論文名稱: 高溫石墨純化爐熱場設計與分析
Thermal Design and Analysis of High-Temperature Furnace for Graphite Purification Applications
指導教授: 趙修武
Shiu-wu Chau
口試委員: 洪儒生
Lu-sheng Hong
陳明志
Ming-jyh Chern
林欽山
Chin-shan Lin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工程學院 - 機械工程系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2014
畢業學年度: 102
語文別: 中文
論文頁數: 105
中文關鍵詞: 石墨純化加熱器功率氣體流量工作壓力碳纖維保溫材厚度
外文關鍵詞: Graphite purification, Heater power, Flow rate, Working pressure, Thickness of insulation
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  • 本研究以數值模擬方式分析三維高溫石墨純化爐內部的熱傳問題,因為純化爐內部為高溫及低壓環境,因此以層流與不可壓縮流並使用漫射及灰體假設進行惰性氣體與石墨坩堝間的共軛質傳與熱傳模擬。純化爐內部流場可由連續、動量以及能量方程式加以描述,運用有限體積法進行離散,以求解速度、壓力以及溫度場。本研究使用氬氣為工作氣體探討石墨加熱器功率、氣體流量、工作壓力以及保溫材厚度對坩堝表面氣體流速、溫度的影響,此外本研究忽略高溫純化爐內的化學反應。本研究發現:當石墨加熱器功率由5kW增為20kW時,坩堝表面平均溫度由950C增為2300C;當氣體流量大於10L/min時,伴隨著流速快速上升,坩堝表面溫度同時產生顯著下降現象,改變工作壓力可對於流速分布產生顯著影響,但對於坩堝表面溫度分布幾乎沒有影響,所以在適當的流量下,減少腔體內部壓力是有助於提升石墨純化的效率;當保溫材厚度由50mm增加至150mm,因加熱器部分能量被保溫材所吸收,導致坩堝表面溫度降低,坩堝表面平均溫度降低約10%。


    The conjugate heat and mass transfer problem arising in the process chamber for the purpose of graphite purification is numerically investigated in this research, where laminar flow is assumed in a high-temperature and low-pressure environment. For the sake of preliminary study, the chemical reaction is neglected in this paper. The steady flow and heat transfer problem is governed by the continuity equation, momentum equations and energy equation to describe the pressure and velocity fields with the temperature distribution in the purification process. The coupled governing equations are segregated solved by a finite volume method, where the radiation heat transfer among surfaces is modeled by the assumption of diffuse and gray surfaces. This study shows that the average temperature of the crucible surface increases from 950C to 2300C when the heater power grows from 5kW to 20kW. The increase of flow rate can lead to substantial growth of flow velocity near the crucible, while the surface temperature of crucible will significantly decrease for the flow rate over 10 L/min. The working pressure has negative impact on the flow velocity in the vicinity of crucible without bringing any considerable change in the surface temperature of crucible. When the thickness of insulation increases from 50mm to 150mm, the average temperature of crucible surface decreases by 10%.

    摘要 I Abstract II 目錄 III 符號表 V 圖目錄 VIII 表目錄 XI 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 文獻回顧 3 第二章 數學模型與數值方法 5 2-1 流場基本假設 5 2-2 統御方程式 6 2-3 熱輻射模型與驗證 8 2-4 數值離散方法 11 第三章 計算空間及計算條件 12 3-1 高溫石墨純化爐外型與幾何參數 12 3-2 流場及熱場邊界條件 16 3-3 計算空間網格的建立與分析 19 第四章 數值模擬計算結果 25 4-1 石墨加熱器功率對流場及熱場的影響 25 4-2 進氣口氣體流量對流場及熱場的影響 43 4-3 爐內工作壓力對流場及熱場的影響 58 4-4 碳纖維保溫材厚度對流場及熱場的影響 73 第五章 結論與未來工作 89 5-1 結論 89 5-2 未來工作 91 參考文獻 92

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