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「世大智科/天才家居」-我們創業囉
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作者:林志強 (2014-07-10);推薦:徐業良(2015-12-16)

附註:本文為102學年度元智大學機械工程研究所林志強碩士論文「量子玻管燒結封口最佳化」第二章。

第二章 以丙烷與氧氣燃燒作燒結封口實驗與分析

本章以丙烷與氧氣燃燒進行燒結封口實驗首先對於燃燒特性與火焰種類作一概述接著闡述設計需求實驗目的以及實驗的流程與方法,最後將實驗的結果作分析找出滿足設計需求的最佳化流量值再以最佳化流量值與現行經驗參數調整的流量值作成本分析比較

2.1    氣體燃燒概述與火焰種類特性

燃燒的廣義定義為物質的快速氧化反應。物質燃燒時,會放出大量的熱量,導致周圍溫度升高。燃燒系統中有三個主要的成份,分別為燃料或可燃物質氧化物惰性物質。燃料內高能量化學鍵經氧化後會放出熱能;氧化物是燃燒反應中不可或缺的物質,最普通的氧化物為含有21%氧氣的空氣,空氣量的多寡與燃料混合程度直接影響燃燒效率;惰性物質不直接參與燃燒的氧化反應,但其存在會影響溫度[1]

氣體的燃燒方式有預混焰與擴散焰兩種。預混焰為最普遍的燃燒方式,為預先將燃料與氧化物事先於管線內混合後以燃燒器燃燒;擴散焰是只噴出氣體燃料,藉擴散混合空氣而燃燒[2]。本研究量子玻管燒結現行生產所使用的燃燒方式為預混焰,使用氣體由丙烷(C3H8)氧氣(O2)低壓風(Air)等三種所組成

以丙烷做為燃料產生的火焰基本上有還原焰、中性焰、氧化焰等三種型態,說明如下

(1)       還原焰

如圖2-1所示,丙烷氣體比例大於氧氣,只利用空氣中21%氧氣作燃燒,點燃後火焰在燃燒器的上方,火焰呈黃色,類似以打火機點燃丁烷後燃燒的火焰或氧乙炔中的還原焰。此種燃燒為三種火焰型態中溫度最低無法直接用於量子點玻管的燒結封口作業,因為火焰燃燒方向為向上燃燒,而燃燒器與之成垂直方向,加大丙烷的流量時仍只會沿著燃燒器外圍繼續加大火焰,時間過久必將損壞燃燒器(燃燒器材質為黃銅),且燃燒方向不同更無法加熱到玻管。

2-1. 還原焰

(2)       中性焰

火焰形狀如圖2-2所示燃燒氣體以丙烷和氧氣預先混合後再燃燒,氧氣的流量大於等於丙烷流量、且不大於特定比例時所產生的火焰。燃燒後調整氧氣的流量逐步放大將會使火焰順著燃燒器吹出方向逐步加長外焰的部分亦隨著氧氣增加而由黃色的軟性火焰轉換為藍色的火焰溫度也會隨之上升此種燃燒方式優點為不用太多的丙烷僅靠變換氧氣流量便可微幅的調控火焰溫度,外火焰呈現淡藍色且外焰較為潰散飄逸,所以溫度測量外焰時發生的溫度震盪變化量較大。

2-2. 中性焰

(3)       氧化焰

氧化焰為中性焰加大氧氣的比例所形成的火焰火焰形狀如圖2-3所示,加大氧氣的流量可以發現火焰的內焰會逐漸向內縮短且顏色轉變為亮白色溫度也會隨之而增高但是外焰的長度也會隨之漸漸的縮短結實。中性焰轉變為氧化焰的過程如圖2-4由左至右所示此種火焰為三種火焰型態中溫度最高。

2-3. 氧化焰

2-4. 中性焰轉換為氧化焰過程

量子玻管的燒結封口作業可以使用中性焰與氧化焰進行,唯兩種火焰均可再混入低壓空氣(低壓風);加入低壓空氣的作用為將火焰有效集中減緩外焰尾端向上飄逸的情況並將外焰尾部端點逐步的帶入中心線使得在燃燒加熱時溫度相對較為穩定溫度上下震盪變化量減低許多,且集中外焰有幫助於溫度的提升但若低壓風的流量太大反而會將火焰吹熄滅

2.2    以丙烷與氧氣燃燒作燒結封口實驗

量子玻管在生產的過程中由於環境溫度對於燒結封口作業的影響非常大當燃燒器點火開始燃燒後必須等待約30分鐘將燒結位置的溫度預熱到一定的程度才能開始工作如包含預熱時間的總生產時間為8小時其火焰必須連續點燃不得中途任意熄滅以成本的考量觀點來探討,降低燃燒氣體的使用量是最大的目標,然在降低氣體用量的同時也須考量到燒結封口作業為一燃燒作業,降低燃燒氣體流量的同時也相對地降低了火焰的溫度,溫度的高低更直接影響到玻管燒結的成功與否,所以在降低流量的同時也必須維持產品的良率,亦不能有不良品的產出。

為降低燃料氣體成本與無不良品產出,為以丙烷與氧氣燃燒作燒結封口主要設計需求。

(1)       設計需求一降低燃料成本

首先分析氣體成本的價格。燃燒氣體中的丙烷成本價格依中油20145月份公告價工業用價每公斤為34.8(如圖2-5)[3]

2-5. 中油公告丙烷價格(2014/05/02)

第二為燃燒氣體中的氧氣氧氣在空氣中佔21%的比例可以從空氣中獲得提煉純氧,純氧的使用範圍很廣包括醫療用與工業用各不同,所販售的價格也不同,且生產氣體的廠商價格訂定並無一定的公告標準,故價格計算以現況廠內引進工業用氧氣價格為主平均為每公升12

第三為燃燒氣體中的低壓風,為使用環形鼓風機來產生低壓力空氣,外觀如圖2-6,耗電量為1.8千瓦/小時供給8套設備使用最大風量0.6m3/min,輸出功率為1.8千瓦/小時,而現行廠內與台電購買工業用電界每千瓦/小時電價為3.5元,所以成本計算為1.8´3.5=6.3/小時8套),換算等於0.013/分鐘(每套);鼓風機的最大風量經換算為0.075 m3/min(每套)

2-6. 環形鼓風機

由於控制氣體流量用的電子液晶流量計之計量單位為ml/min,故以此為單位計算1ml的各氣體使用時每分鐘花費成本多寡

A.        丙烷(C3H8)

利用質量(m)等於流量(f)成以密度(d)的公式計算

所以1 ml/min的丙烷花費成本為0.014

B.         氧氣(O2)

利用質量(m)等於流量(f)成以密度(d)的公式計算

所以1 ml/min的氧氣花費成本為0.064

C.         低壓風(Air)

所以1 ml/min的低壓風花費成本為0.00057

把以上的結果換算為燃料成本的數學模型為

                                     (1)

上式中的低壓風流量成本遠小於其他兩項氣體的成本,節省低壓風成本並不會帶給總成本降低實質上有明顯的幫助,又因丙烷混合氧氣燃燒為中性焰亦可直接作玻管燒結工作,所以在初步實驗中忽略低壓風,將式(1)簡化為(2)

                                                            (2)

(2)       設計需求二無不良品產出

對量子玻管燒結封口製程影響最大的因素為燃燒時間與玻管受熱溫度。燃燒時間較長時給予玻管的熱值會隨著時間而增加,而玻管受熱溫度高低決定了吸收多少熱值給予玻管,在自動化生產中,燃燒時間隨著整體加工時間而固定,因此影響玻管最大的因素就是玻管受熱溫度了。

良品受熱溫度的高溫與低溫範圍為溫度可行區間玻管受熱溫度若低於溫度可行區間時會產生拉絲的不良,此時的溫度低於可行區間此下臨界值溫度稱為溫度上限(Tlower);溫度若高於可行區間時會產生結球的不良,此時的溫度高於可行區間此上臨界值溫度稱為溫度上限(Tupper),因此在實驗應先找出玻管良品溫度可行區間的溫度上下限值,由此溫度可行區間可得知丙烷和氧氣的流量安全搭配範圍,進而幫助人員調整流量使得產品生產後無不良品的產出。無不良品產出的需求定義在將產品控制在溫度可行區間內,此定義轉換為數學模型可寫成

                                                                             (3)

本實驗中首先找出溫度的可行區間,接著測量不同的丙烷與氧氣流量搭配所產生的溫度並繪製出溫度範圍的等高線圖(contour)藉以得知氣體間搭配流量與溫度的關係並在溫度可行區間內搜尋出最小值燃料氣體流量的搭配達到節省燃料成本與無不良品產出的兩個設計需求

2.3    實驗流程與方法

本實驗的流程說明如下

(1)       以現行經驗流量參數為實驗流量起始值關閉低壓風

現行以經驗調整的流量參數為丙烷(fC3H8)37 ml/min、氧氣(fO2)204 ml/min、低壓風(fAir)132 ml/min為實驗起始依據參考值來搜尋可行溫度區間然如前所述初始實驗中將低壓風氣體予以關閉

(2)       良品溫度可行區間實驗與紀錄

首先將fO2參數變數值固定僅向上調整fC3H8參數變數增加溫度來尋找出現良品的流量接著以此流量為基礎上下調整fC3H8fO2流量逐步搜尋溫度可行區間溫度上下限值並記錄分析

(3)       繪製流量溫度等高線(Contour)圖形

將實驗數據以軟體MATLAB撰寫程式繪出流量溫度的等高線圖與三維立體圖以閱讀圖形的方式便於找出良品溫度可行區間的fC3H8fO2流量間搭配關係後續可藉圖形找出可行範圍區間流量最小值用來生產良品並降低使用燃料成本。

(4)       搜尋滿足設計條件之最佳化流量

流量溫度等高線圖為基礎,將設計需求一的成本要求以式(2)來進行成本函數計算,將計算值作為流量的XY軸座標畫成線來逐步的搜尋出與溫度可行區間的下限溫度梯度線交會成切點,此點即是可滿足兩設計條件的最佳化流量數值

2.4    實驗條件

首先調整燒結封口站上左右兩側燃燒器與玻管間距各10 mm高度一致以確保左右兩側輸入流量值對玻管燒結一致如圖2-7所示

2-7. 燃燒機構距離位置示意圖

現況設備氣體管路連結方式如圖1-15所示,以電子式液晶流量計來調整流量。開啟順序為先開啟丙烷點火引燃後再開啟氧氣低壓風而關閉步驟則為先關閉低壓風氧氣最後再關閉丙烷。投入玻管後調整至燒結封口的良品,紀錄溫度方式以紅外線熱顯像儀測量溫度。本實驗所設定的條件如下

(1)       固定條件

A.        玻管尺寸規格2.8 mm(寬)´ 1.6 mm(厚)´ 0.4 mm(管壁厚)´1000 mm()如圖2-8所示

2-8. 玻管端面尺寸

B.         燃燒器與玻管間距離10 mm

C.         燃燒加熱工作時間:加熱開始至結束時間5

D.        玻管與紅外線熱顯像儀量測距離:50 cm

E.         實驗每項目均投入10 pcs玻管生產並記錄溫度取平均值。

(2)       環境溫溼度

A.        溫度26°C~28°C

B.         濕度45%~60%

(3)       流量起始條件(經驗參數)

A.        丙烷(fC3H8)37 ml/min

B.         氧氣(fO2)204 ml/min

C.         低壓風(fAir)132 ml/min

(4)       實驗溫度記錄

A.        溫度範圍值(°C)該項目實驗玻管溫度的最低值與最高值

B.         溫度平均值(°C):該項目實驗所有玻管的溫度平均值。

(5)       溫度測量儀器

紅外線熱顯像儀外觀如圖2-9,主要性能介紹如下[4]

2-9. 紅外線熱顯像儀

A.        廠商美商 Fluke

B.         型號Ti45

C.         量測方式非接觸式紅外線測量

D.        可量測最高溫度1200°C

E.         建議量測距離:15~100 cm 自動誤差補正範圍。

F.          建議測量方法說明

就圖2-10表示,左側圖中紅外線熱像儀的鏡頭觀測點與受測點成垂直距離為L,但若像右側圖中的熱像儀偏斜成一角度A則會產生餘旋方向誤差此時量測出的溫度尤其在高溫時所產生的溫度差異會更大故量測時建議應盡量將熱像儀鏡頭觀測點與受測點呈方向垂直與高度一致。

2-10. 遠紅外線熱像儀測量角度誤差

2.5    實驗結果與分析

(1)       良品溫度可行區間搜尋實驗與分析

原經驗參數流量值fC3H837 ml/minfO2204 ml/minfAir132 ml/min的溫度量測為865°C但關掉低壓風後溫度下降至838°C不良率100%因此依實驗方法所述固定fO2的流量向上調整變數fC3H8搜尋良品溫度可能出現的範圍區間再縮小範圍搜尋2-1實驗結果

2-1. 溫度區間搜尋實驗(1)

項目

1

2

3

4

fC3H8

37

40

45

50

fO2   

204

204

204

204

溫度範圍值

825~846

837~855

870~883

907~915

溫度平均值

838

846

877

912

不良率

100%

100%

0%

100%

流量比例

1:5.5

1:5.1

1:4.5

1:4.0

實驗發現在fC3H845 ml/minfO2204 ml/min的時候的溫度平均值為877°C不良率為0%而其它的流量組合均為100%不良可以肯定良品區間應該位於在fC3H840~50 ml/minfO2204 ml/min此比例間接下來以fC3H845 ml/minfO2204 ml/min此組合為實驗(2)搜尋中心調整流量比例。fC3H8的搜尋增減量值2 ml/minfO2的搜尋增減量值50 ml/min,實驗結果如表2-2所示

2-2. 溫度區間搜尋實驗(2)

項目

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

fC3H8

41

41

41

41

41

43

43

43

43

43

fO2

150

200

204

250

300

150

200

204

250

300

溫度範圍值

832~845

846~858

844~857

850~866

852~869

850~858

866~876

867~876

876~889

874~886

溫度平均值

842

853

855

860

862

855

872

874

880

881

不良率

100%

100%

100%

60%

40%

100%

0%

0%

0%

0%

流量比例

1:3.6

1:4.8

1:4.9

1:6.0

1:7.1

1:3.4

1:4.5

1:4.6

1:5.7

1:6.8

項目

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

fC3H8

45

45

45

45

45

47

47

47

47

47

fO2

150

200

204

250

300

150

200

204

250

300

溫度範圍值

847~866

866~884

870~886

878~893

880~896

831~848

887~899

888~892

896~907

899~910

溫度平均值

852

877

878

885

889

844

893

895

900

905

不良率

80%

0%

0%

10%

60%

100%

70%

70%

100%

100%

流量比例

1:3.3

1:4.3

1:4.4

1:5.4

1:6.5

1:3.1

1:4.2

1:4.3

1:5.2

1:6.3

項目

21

22

23

24

25

26

27

28

29

30

fC3H8

49

49

49

49

49

fO2

150

200

204

250

300

溫度範圍值

851~868

907~915

907~915

913~928

917~930

溫度平均值

860

911

912

921

925

不良率

50%

100%

100%

100%

100%

流量比例

1:3.0

1:4.0

1:4.1

1:5.0

1:6.0

此實驗2的結果可以大約看出良品溫度可行區間範圍雛形,溫度上下限值應存在於不良率大於0 %小於100 %間的項目,如紅色框選項目所示。先由溫度較低的族群項目451121來找出溫度下限(Tlower),可以看出Tlower介於平均溫度值852~860 °C間,分析每一支不良品發現在低於860 °C時均發生下限不良拉絲故在此把Tlower訂定於860 °C

而接著由溫度較高的族群項目14151718來找出溫度上限(Tupper)Tupper介於平均溫度值885~895 °C間,分析每一支不良品發現在高於890 °C時均發生上限不良結球故在此把Tupper訂定在890 °C

因此可以得到設計需求二內式(3)TlowerTupper良品溫度可行區間的數學模型成為

(2)       以軟體MATLAB繪製流量溫度等高線(Contour)圖形與分析

接著將實驗2的結果取fC3H8fO2溫度平均值以軟體MATLAB來繪製流量溫度的立體圖與等高線圖形作分析,繪製3維的立體圖fC3H8的流量作橫向XfO2的流量作橫向Y以溫度平均值作橫向X而在2維的等高線圖中Z軸溫度平均值以梯度線來表現

fO2=204 ml/min接近200 ml/min溫度影響的差異並不大所以fO2=204 ml/min此項不列入數學函數內而由表2-2來看fC3H8=49的項目21~25幾乎落在溫度可行區間上限外以最終搜尋最小值的需求來看並不需要過高溫度的高流量搭配所以捨去fC3H8=49此五個項目亦不列入數學函數內

僅以剩餘的16的項目以4´4矩陣方式來建立MATLAB的數學函數用以繪出等高線圖足可以表達出溫度可行區間範圍XYZ軸的矩陣為

2-11為流量溫度的3維立體圖2-12為流量溫度的2維等溫線圖

2-11. 流量溫度3維立體圖

2-12. 流量溫度2維等高線圖

2-11 3維立體圖中可以看到溫度是隨著fC3H8fO2的搭配比例越高溫度相對就越高。2-122維等高線圖中20條溫度的梯度線來表示溫度的階級變化而由實驗2所得到的結論良品可行區間溫度在860°C890°C可以說明在實驗中此860890°C區域間範圍內的流量搭配是可以產出良品而超過此區域範圍則產生不良品

(3)       搜尋滿足設計需求之最佳化流量值

在獲得良品溫度可行區間後最後的步驟是求出能滿足兩個設計條件的最佳化流量值利用實驗2得到的溫度等高線圖來搜尋可行區間內的860 °C梯度線與成本函數線的切點值來找出相對應的流量值,此流量值所燃燒的火焰既可用於良品的生產製造又可滿足降低成本的條件,即為本實驗的最佳化流量值

將式(2)成本函數繪於溫度等高線圖上逐步計算搜尋直到與860 °C梯度線交叉為止,最後在COST=5.05 的函數線與860 °C梯度線成切點,如圖2-13所示其對應的XY軸線的值取正整數後分別為fC3H8=43 ml/minfO2=165 ml/min也就是說流量fC3H8=43 ml/minfO2=165 ml/min為本章實驗能滿足兩個設計需求的最佳化流量值

2-13. 成本函數線與溫度等高線圖

2.6    成本效益分析

得到最佳化流量後進一步的與原先經驗參數所調整的流量作成本分析經驗參數的流量為fC3H8= 37 ml/minfO2= 204 ml/minfAir= 132 ml/min將值帶入式(1)

經驗參數的成本為氣體燃燒每分鐘花費13.65

將最佳化流量值fC3H8=43 ml/minfO2=165 ml/min帶入式(2)

最佳化流量值的成本為氣體燃燒每分鐘花費11.16

兩者差距為2.49也說明了本章實驗的最佳化流量值可以節省18.24%的成本

參考文獻

[1]       張一岑編著有害廢棄物焚化技術72聯經出版公司

[2]       賴耿陽譯著瓦斯燃燒裝置實務,民79,復漢出版社

[3]       中國石油網站http://www.cpc.com.tw/big5_bd/tmtd/ListPrice/ShowHisToryPriceLPG.asp?pno=54

[4]       Fluke, http://www.fluke.com