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中 華 大 學

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Academic year: 2022

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(1)中. 華. 大. 學. 碩 士 論 文. 應用氣提法於抽水裝置之可行性分析 A Feasibility Study of Air Lifting Method on Mineral Spring Water Pump. 系 所 別:營 建 管 理 研 究 所 指導教授:蕭 炎 泉 博士 學. 號:M09416049. 研 究 生:呂 亮 廷. 中 華 民 國. 九 十 六. 年. 七. 月.

(2) 摘要 關鍵詞:溫泉、抽水機、氣提法、大氣壓力. 溫泉一般可分為硫磺泉和碳酸泉,皆為酸性的水質,其中硫磺泉 的酸性較強,碳酸泉的酸性較弱。金屬材料在酸性環境下,其材料本 體遭受酸性化學元素侵蝕,很容易損壞,尤其再加上溫泉本身溫度高, 使得金屬材料容易熱漲冷縮,更加速抽水機的損壞率,所以溫泉水源 抽水機比使用於一般水源之抽水機壽命較短,這也是造成溫泉業者常 需要常更換抽水機的主要原因。為解決此一問題,本研究以機械洗井 法的氣提法來作為溫泉水源抽取設備。. 氣提法是是利用大氣壓力原理,以壓縮空氣管放進井體內抽水管 中,再以空壓機輸入壓縮空氣,然後利用壓縮空氣在抽水管內產生壓 力將溫泉水源抽出。由於抽取溫泉水時,不須使用抽水機來抽取溫泉 水,自然就不會有抽水機遭受溫泉水的化學物質侵蝕及高溫產生之金 屬變化,造成抽水機容易損壞問題。 本研究以製作氣提法模擬抽水設備來驗證氣提法抽水之可行性, 經氣提法模擬抽水設備實驗結果,運用氣提法抽水可以將模擬設備水 箱內水源抽出,並從本模擬設備實驗中可以看出,輸氣管在抽水管內 水面下的高度對抽水量有絕對影響力,但不同的空氣壓力,對抽水量 並無太大的影響。. I.

(3) ABSTRACT Keywords : Mechanical well cleaning, Atmospheric pressure, Air-lifting Method The air-lifting method is one of the techniques used to pump water or clean wells.The method first pumps air pressure into an exterior steel pipe. After reaching the desired pressure, the air control valve is open to let the pressured air enter the well bottom. The pressure pumps out water together with sediments through the small pipe in the exterior pipe. This paper first introduces its theoretical principles and discusses the shortcomings that are encountered at the present mechanical design, and then a modified design is presented to make sure to have a steady operation.. II.

(4) 謝誌 距離專科畢業已經有十年了,如今也完成研究所學業,這一切要 感謝我的恩師. 蕭教授. 炎泉博士,由於恩師的體諒我們這一群學生. 事業繁忙,總是時時刻刻不辭辛勞提醒與指點,由其論文寫作期間, 我們這一群學生更是使得恩師,精疲力盡,讓我們這一群學生得以完 成學業,真的很感謝您。 感謝論文評審委員,吳教授 卓夫博士、余教授 文德博士、楊所 長 智斌博士、石教授 晉方博士、鄭教授 紹材博士、楊教授 錫麒博 士及校外審查委員,呂教授 意達博士、 廖教授 國裕博士及黃教授 賢 統博士等在論文審查期間熱心的指導與指正。 感謝我的事業夥伴,泰豐工程有限公司&泰豐能源科技股份有限公 司 姚董事長 政光先生、泰豐能源科技(股)公司 曾總經理 光廷先生、 陳副總經理 國燻先生,由於他們的支持及技術指導,使得本研究得以 提供學術界研究參考。 感謝清新國際股份有限公司(清新溫泉渡假飯店) 先生、錩新科技(股)公司 同事兼好友. 丁董事長 廣鋐. 丁董事長 廣欽先生、吳經理. 茂松先生,. Ryan Shiao、Jass Ling、Yvonne Chen、Janice Chen 及其. 他同事等支持與鼓勵。 更感謝. 慧蓮多年來無怨無悔的照顧兩個寶貝兒子與女兒文媛及. 文雋,使我在事業及學業上無所牽掛奮鬥與努力。 最後僅以本文,獻給在天國最摯愛的父母親。 呂亮廷 於新竹中華大學 中華民國九十六年二月 III.

(5) 目 錄 第一章 緒論 ............................................................................................ 1 1.1 研究動機 .................................................................................... 1 1.2 研究目的 .................................................................................... 1 1.3 研究方法 .................................................................................... 1 1.3.1 文獻回顧 .......................................................................... 1 1.3.2 氣提法模擬抽水設備實驗與資料分析.......................... 2 1.4 範圍與限制 ................................................................................ 2 1.5 研究流程 .................................................................................... 3 第二章 文獻回顧 .................................................................................... 4 2.1 大氣壓力 .................................................................................... 4 2.1.1 大氣壓力形成 .................................................................. 4 2.1.2 氣壓及空氣密度的垂直分布.......................................... 6 2.1.3 氣壓的常用單位 .............................................................. 7 2.2 抽水機種介紹 ............................................................................ 8 2.2.1 活塞式抽水機 .................................................................. 8 2.2.2 往復式抽水機 .................................................................. 8 2.2.3 迴轉式抽水機 .................................................................. 9 2.2.4 噴抽水機 ........................................................................ 10 2.2.5 螺旋式抽水機 ................................................................ 10 2.2.6 離心式浦 ........................................................................ 11 2.3 影響抽水機損壞原因 .............................................................. 12 2.3.1 使用及操作問題 ............................................................ 12 IV.

(6) 2.3.2 井體環境因素 ................................................................ 12 2.4 機械洗井法 .............................................................................. 18 2.4.1 氣提法洗井方式 ............................................................ 19 2.4.2 氣提法的數學理論 ........................................................ 20 2.4.3 氣提法洗井經驗 ............................................................ 21 2.5 氣力揚升原理 .......................................................................... 22 2.6 氣力揚升式人工湧流 .............................................................. 22 第三章 氣提法抽水系統理論 .............................................................. 27 3.1 氣提法抽水理論 ...................................................................... 27 3.2 洗井氣提法用於抽水設備架構 .............................................. 29 3.3 氣提洗井法用於抽水之缺點 .................................................. 30 3.4 第一次氣提法改良後抽水系統架構 ...................................... 32 3.5 第二次改良之架構 .................................................................. 33 第四章 氣壓抽水法試驗 ...................................................................... 36 4.1 實驗基礎 .................................................................................. 36 4.1.1 實驗假設 ........................................................................ 36 4.1.2 實驗理論 ........................................................................ 37 4.2 實驗設備與配置 ...................................................................... 37 4.2.1 實驗器材設備 ................................................................ 38 4.2.2 實驗器材配置: ............................................................ 39 4.3 實驗步驟與數據 ...................................................................... 39 4.3.1 實驗準備步驟: ............................................................ 39 4.3.2 實驗數據 ........................................................................ 43 4.3.3 實驗結果分析 ................................................................ 47 4.3.4 模擬地表水與受壓水層效率比較................................ 49 V.

(7) 4.3.5 輸氣管在抽水管最佳效能比例.................................... 50 4.3.6 輸氣管在 80cm 抽水管最佳效能比例......................... 52 4.3.7 氣提抽水法進氣壓力與出水量比較............................ 53 4.3.8 輸氣管不同壓力對抽水效率影響................................ 58 第五章 結論與建議 .............................................................................. 61 5.1 結論 .......................................................................................... 61 5.2 建議 .......................................................................................... 61. VI.

(8) 表目錄 表 4.1. 模擬地表水置抽水流量表........................................................... 44. 表 4.1. 模擬地表水置抽水流量表(續) .................................................... 45. 表 4.2. 模擬壓力水層抽水流量表........................................................... 45. 表 4.2. 模擬壓力水層抽水流量表(續) .................................................... 46. 表 4.3 8kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表......................... 55 表 4.4 7kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表......................... 55 表 4.5 6kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表......................... 56 表 4.6 5kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表......................... 56 表 4.7 8kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表......................... 56 表 4.8 7kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表......................... 57 表 4.9 6kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表......................... 57 表 4.10 5kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表....................... 57. VII.

(9) 圖目錄 圖 1.1 研究流程圖....................................................................................... 3 圖 2.1 大氣壓力作用圖................................................................................ 4 圖 2.2 大氣壓力高度變化分佈圖............................................................... 5 圖 2.3 空氣密度高度變化圖........................................................................ 6 圖 2.4 大氣壓力指數遞減圖....................................................................... 5 圖 2.5 托里切利氣壓水銀柱實驗圖............................................................ 7 圖 2.6 活塞式抽水機原理............................................................................ 8 圖 2.7 往復式抽水機概念圖........................................................................ 9 圖 2.8 旋轉式抽水機概念............................................................................ 9 圖 2.9 噴抽式抽水機概念.......................................................................... 10 圖 2.10 噴抽式抽水機概念........................................................................ 11 圖 2.11 離心式抽水泵工作原理................................................................ 11 圖 2.12 抽水泵上紅色積垢-氧化鐵 .......................................................... 15 圖 2.13 氣提法示意圖................................................................................ 19 圖 2.14 氣提法洗井湧水情形.................................................................... 20 圖 2.16 單管與多管氣力揚升式人工湧流................................................ 23 圖 3.1 氣提法概念抽水圖.......................................................................... 30 圖 3.2 氣提法空氣擾動概念圖.................................................................. 31 圖 3.3 氣提法概念圖.................................................................................. 31 圖 3.4 氣提法空氣管延伸至井內地下水內概念圖.................................. 32 圖 3.5 氣提法第一次改良氣泡湧生概念圖.............................................. 33 圖 3.6 氣提法第一次改良氣泡湧生概念圖.............................................. 33 VIII.

(10) 圖 3.7 氣提法改良抽水概念圖.................................................................. 34 圖 3.8 氣提法改良抽水狀況...................................................................... 34 圖 4.1 模擬地下水受壓水箱加蓋密封..................................................... 36 圖 4.2 模擬地表水未加蓋......................................................................... 37 圖 4.3 實驗器材準備................................................................................. 38 圖 4.4 氣提抽水法實驗器材配置.............................................................. 39 圖 4.5 水族箱灌滿水.................................................................................. 39 圖 4.6 外套管架固定.................................................................................. 40 圖 4.7 安裝 2”外套管 ................................................................................. 40 圖 4.8 4 分抽水管灣頭鑽孔、安裝氣管及固定.................................... 41 圖 4.9 安裝氣體開關閥及輸氣管.............................................................. 41 圖 4.10 安裝輸氣管至空壓機.................................................................... 42 圖 4.11 量測水位 ........................................................................................ 42 圖 4.12 調整試水........................................................................................ 43 圖 4.13 5000cc 抽水量流量測量 ............................................................ 43 圖 4.14 5000cc 模擬地表水排氣管位置與抽水時間比較圖................ 47 圖 4.15 5000cc 模擬地表水每秒抽水量比較圖 .................................... 48 圖 4.16 5000cc 模擬受壓水層輸氣管位置與抽水時間比較圖............ 48 圖 4.18 模擬地表水與模擬受壓水層抽水效能比較圖 ........................ 50 圖 4.19 40cm 模擬地表水排氣管位置效能區域分析........................... 51 圖 4.20 40cm 抽水模擬受壓水層排氣管位置效能區域分析............... 51 圖 4.21 80cm 抽水管模擬地表水輸氣管位置效能區域分析............... 52 圖 4.22 80cm 抽水模擬受壓水層輸氣管位置效能區域分析............... 53 圖 4.23 氣提抽水法空氣壓力調整實驗器材......................................... 54 圖 4.24 65cm 出水口在不同壓力抽取 0.1 噸水量之時間.................... 58 IX.

(11) 圖 4.25 出水口 65cm 高度不同壓力每秒抽水量.................................... 59 圖 4.26 55cm 出水口不同壓力抽取 0.1 噸水量之時間........................ 59 圖 4.27 出水口 55cm 高度不同壓力每秒抽水量.................................... 60. X.

(12) 第一章 緒論 1.1 研究動機 溫泉水為酸性的水質,其中硫磺泉的酸性較強,一般抽水在抽水 機在酸性環境下,其材料本體遭受酸性化學元素侵蝕,很容易損壞, 所以抽水機使用於抽取於溫泉水時使,使用壽命較短,造成常需要常 更換抽水機。 氣提法是以壓縮空氣管放置抽水井內,沒有一般抽水機需放置於 溫泉水內,所以不會遭受溫泉水化學物質侵蝕及高溫造成抽水機金屬 材料變化損壞。就不須常更換抽水設備及維修。此為本研究動機。. 1.2 研究目的 本文之研究目的有以下幾點: 一、. 探討溫泉水抽水設備常損壞原因及可能解決之道。. 二、. 驗證氣提法抽水之可行性。. 三、. 製作氣提法模擬抽水設備,作為本研究設施,研究輸入空 氣壓力及輸氣管位置對抽水量影響,以求得最佳抽水效能。. 1.3 研究方法 氣提法抽水系統,為一新構思之抽水設備,比較沒有實際完成資 料作為研究方法之依據,為達成本研究目的,將採用以下方法進行研 究。 1.3.1 文獻回顧 收集整理抽水系統損壞原因、大氣壓力與氣提法文獻相關文獻, 並加以整理分析。 1.

(13) 1.3.2 氣提法模擬抽水設備實驗與資料分析 製作氣提法模擬抽水設備來實驗氣提法抽水情況,並將資料加以 整理與分析可行性評估。. 1.4 範圍與限制 本論文以氣提法為抽水裝置可行性研究,利用空氣壓力為抽水動 力,研究氣體壓力大小與出水量關係及驗證空氣壓力管與抽水管位置 最佳抽水量實驗。 本研究採用氣提法模擬抽水設備作為實驗器材,故不考量空氣與 水在管內磨擦係數、壓降與氣力揚升應用的多相(Multiphase)多元 (Multi-Component)流常見的氣液(Gas-Liquid)、氣固(Gas-Solid)、固液 (Solid-Liquid)混合運動二相流(Two Phase Flow) [1] 狀態與能量的損耗 等理論。. 2.

(14) 1.5 研究流程 本文的研究流程如下:. 圖 1.1 研究流程圖. 3.

(15) 第二章 文獻回顧 本研究旨在分析大氣壓力原理應用於抽水裝置之可行性,因此將 針對大氣壓力、抽水機裝置及造成損壞的因素等進行相關文獻探討。. 2.1 大氣壓力 2.1.1 大氣壓力形成 大氣壓力的形成主要是因為氣體分子間的碰撞和地心引力所產 生,由於距地心愈近,地心引力相對就愈大,導致愈靠近地面,空氣 就愈密集,其壓力也愈大。 在澳門地球物理暨氣象局網站說明我們可將氣壓解釋成單位面積 上方空氣的總重量。地表任一點其該點單位面積向上延伸之空氣柱重 量便稱之為大氣壓力,如圖 2.1[2]。. 圖 2.1 大氣壓力作用圖 資料來源:[2]. 4.

(16) 地球大氣層的厚度約為 800km,其中 99%的氣體距離地表 30km 以下;50%的氣體距離地表在 5.5km 以下,如圖 2.2[3]所示。. 圖 2.2 大氣壓力高度變化分佈圖 資料來源: [3]. 另外我們可以從圖 2.3 [4],大氣氣壓及空氣密度的隨高度增加約 成指數遞減。. 圖 2.3 大氣壓力指數遞減圖 資料來源:. 5. [4].

(17) 2.1.2 氣壓及空氣密度的垂直分布 由於空氣是可壓縮的,因此大部分的空氣聚集在低對流層,而且 低層大氣密度遠大於高層大氣,如圖 2.4[3]所示。. 圖 2.4 空氣密度高度變化圖 資料來源: [3]. 氣象學家經常用氣壓作為垂直座標。氣壓與高度之間的換算,與 當地氣溫有關。比如,熱帶地區氣溫較高,在同一壓力下,空氣所佔 體積較大,因此兩等壓層之間的厚度變厚。一般而言,同一等壓面的 高度由熱帶向極區遞減。. 另大氣壓力的重量,會隨著高度上昇便開始遞減。若計算結論來 表示,登山的垂直上升高度在 0~500 公尺間,每上升 100 公尺氣壓約 會降 8.5mmHg;垂直高度在 500~1000 公尺間,每上升 100 公尺氣壓 約降 5.3mmHg;垂直高度在 1000 公尺以上,每上升 100 公尺氣壓約降 3.0mmHg。. 6.

(18) 2.1.3 氣壓的常用單位 氣壓的單位很多,大氣壓力常用的單位為 kgf/cm2,通常有兩種表 示方法,即毫米和毫巴。在標準狀態下,大氣壓力與 760 毫米水銀柱 高度所產生的壓力相等,如圖 2.5[4]所示,而 760 毫米氣壓又相當於 1013.25 毫巴。. 圖 2.5 托里切利氣壓水銀柱實驗圖 資料來源:[4]. 另外大氣壓力有以下單位表示: 1. 巴(bar) 1 巴 = 106 達因/厘米 2,因此 1 毫巴=103 達因/厘米 2,毫 巴是氣象學中常用的單位。 2. 帕(Pa) 1 帕 = 1 牛頓/米 2,1 百帕 = 100 牛頓/米 2,百帕是氣象 學裏常用的單位,其大小與毫巴相等。 3. 托(torr) 7.

(19) 1 托=1mm-Hg = 1.36gw/ cm2。. 2.2 抽水機種介紹 2.2.1 活塞式抽水機 活塞式抽水機是最早利用大氣壓力原理之抽水機設施,本設施主 要利用大氣壓力將水從低處抽至高處,也稱之為吸取式抽水機,如圖 2.6[5]所示。活塞式抽水機優點在於構造簡單、價格便宜及維修容易, 但是其出水量小、提水高度不佳,比較適合於深度淺的井進行作業。. 圖 2.6 活塞式抽水機原理 資料來源:[5]. 2.2.2 往復式抽水機 往復式抽水機設備抽水量取決於往復速度,與壓力無任何關係, 整體上來說,本系統較適用於抽水量小、壓力大,例如加藥機、沖洗 機等,如圖 2.7[6]。. 8.

(20) 圖 2.7 往復式抽水機概念圖 資料來源:[6]. 2.2.3 迴轉式抽水機 迴轉式抽水機[6]和往復式抽水機採用相同的工作原理,如圖 2.8。 但迴轉式抽水機是將活塞換成馬達帶動的齒輪、扇葉或螺旋等不同於 往復式抽水機。迴轉式抽水機針對液體加壓,轉軸由馬達帶動,運轉 速度高,主要運用於黏稠的液體,如石油。. 圖 2.8 旋轉式抽水機概念 資料來源:[6] 9.

(21) 2.2.4 噴抽水機 噴抽水機[6],其主要工作原理在於利用高壓水源以噴嘴方式送入 混合室內,造成部分真空,以達到抽水目的,如圖 2.9。. 圖 2.9 噴抽式抽水機概念 資料來源:[6]. 2.2.5 螺旋式抽水機 螺旋式抽水機是屬於非密閉式的抽水機,如圖 2.10[7]所示,其採 用以水平或是 30°傾斜的角度,並藉以螺旋方式輸送固體含量較高之水 源。螺旋式抽水機優點在於效率高、壽命長,不過此抽水機的尺寸較 大,且螺旋式的抽水機少有人用,有維修不易的缺點,一般常用於污 水工程,較不易因河川中的雜物而造成機器故障。. 10.

(22) 圖 2.10 螺旋式抽水機概念 資料來源:[7]. 2.2.6 離心式浦 離心式抽水機是目前最常用之抽水幫浦之一,離心式抽水幫浦於 啟動後經過葉輪轉動時產生之離心力,此離心力會將水源自吸水管吸 入,再經由出水管流出而達到抽水的目的,如圖 2.11[6]所示。. 圖 2.11 離心式抽水泵工作原理 資料來源:[6] 11.

(23) 陳維政在其「自來水工程設計與處理技術」[8]一書指出,離心式 抽水機依流向可分為徑流式、混流式及軸流式,在給水工程較常見者, 有以下四種: 一、 原水抽水機:地面水由水源抽到淨水場處理設備或地下水含 水層抽到處理設備。 二、 清水抽水機:將以處理後之自來水抽送到配水池。 三、 配水抽水機:維持配水系統內之水壓,目的為送水。 四、 加壓抽水機:增加配水系統內之水壓,目的為加壓。. 2.3 影響抽水機損壞原因 造成抽水機損壞以使用與人為操作及井體環境因素為主要原因, 本節將分別陳述說明。. 2.3.1 使用及操作問題 人為因素大多來至操作者的使用不當,其中如未能注意抽水馬達 抽不到水源,間接造成抽水機負荷過大引起零件損壞;或是井體環境 已經有異樣現象產生,如出砂、懸浮粒子大多未能即時清除,也會造 成抽水機機件損壞。. 2.3.2 井體環境因素 抽水機抽取水源,會因為許多因素造成損毀。在張文亮教授之『台 灣地區地下水井體維護與管理技術報告』[9]中提到,造成地下水井壞 原因,大都是由井體因素問題引起,在 1991 年法國的 Geotherma 學會 調查 Detay, 1997 全國的井體調查報告中[10],發現影響井體結構的三 個主要問題,分別是出砂(Sanding Up)、積垢(Scaling Formatting)、 12.

(24) 與腐蝕(Corrosion)。針對影響井體結構的三個主要問題調查結果分 述如下。 一、 出砂(Sanding Up) 此現象是指抽水時,水中含有的懸浮性顆粒過多的現象。地 下水井抽水時,若出現出砂現象,便表示井體已經顯現設施損壞 前兆,因而間接造成抽水機損壞。造成地下水井產生出砂現象, 原因如下: (一) 井體的含水層是顆粒凝結性弱的結構 許多含水層通常夾雜顆粒較細的黏粒或坋粒,容易減弱粗 砂間的凝結力,而細顆粒透過孔隙進入井體,導致井水混 濁,對井體的結構產生阻塞。 (二) 濾水孔的開置不當 濾水管是水井功能最重要的一環,其目的在讓地下水層水 源可以進入井中,且可以防止一些非凝結顆粒進入井體,如 果濾水孔淤塞或腐蝕,在抽水時造成的側向水壓便是破壞濾 水管的主因之一。 (三) 濾水管長度設置不當 濾水管長度會因放置位置不當,是造成井體出砂的另一 個原因,因此放置濾水管的長度,就需要考慮的含水層的厚 度與含水層的導水係數等。 (四) 井管材質選用之不當 井管的材質與井所使用年限長短有密切的關係,常見的 井管材質有不鏽鋼、鍍鋅鐵,聚氯乙烯等,所以在選擇濾水 管材時,便需要考慮地質及水源等因素。. 13.

(25) (五) 井深選擇的不當 井的深度,以選定穿透一個含水層為最佳選擇,直達底 下的不透水層,以避免日後受顆粒擾動與沈陷的影響,造成 井壁(尤其是濾水管)因受擠壓導致破裂,造成井體內入砂。 (六) 濾水圈放置之不當 濾水圈在井體中所擔任的功能,主要是過濾地下水中的 懸浮性顆粒,以保持井濾水管的流通。如果礫石圈放置厚度 不夠,造成含水層對濾水孔的擠壓,易造成局部的破損而出 砂。 (七) 洗井方式的不當 清洗的過程裡,如果對井體結構與地下水質特性的不瞭 解,貿然進行的洗井,導致井體無法提高出水量,甚至會造 成濾水層的傷害,加速井體淪為廢井。 二、. 積垢. 地下水井的積垢,一般分為紅色與黑色兩種顏色,因為有鮮明 的顏色所以容易看出,但是根據資料顯示,在有積垢的地方就有 腐蝕的產生,所以腐蝕與積垢是一體兩面的事。 (一) 紅色積垢 氧化鐵是紅色積垢在地下水井管上主要的積垢,在腐蝕的 部位,金屬鐵形成水中的亞鐵離子,是失去電子的氧化反應, 在積垢的部位是水中的溶氧得電子形成水或氫氧根,與三價鐵 離子沈澱脫水後形成紅色的氧化鐵,如圖 2.12。紅色積垢在台 灣地區井體中一個常見的現象,也是一個世界性的井體管理使 用問題。. 14.

(26) 圖 2.12 抽水泵上紅色積垢-氧化鐵. (二) 黑色積垢 紅色的氧化鐵積垢是必須在有氧氣充足的地下水井中才 會有腐蝕產生。以同樣道理,在井管上有一層黑色膜的硫化鐵 (Ferrous Sulfide)吸附,是水井中缺氧的情況下,地下水中 井管腐蝕的衍生物。. 硫化鐵產生的機構為在鐵管進行失電子反應,形成亞鐵離子:. Fe ( s ). → Fe ←. +2. + 2e−. (2-1). 在缺氧地下水中的硫酸鹽(Sulfate)接受電子:. 2e − +. 9 + 1 2− → 1 H + SO 4 HS − + H 2 O ←4 4 4. 而 HS-與 Fe+2 容易沈澱,形成黑色的硫化鐵: 15. (2-2).

(27) Fe. +2. + HS. −. → ←. FeS. (s). + H. +. (2-3). 硫酸鹽是地下水中常見的陰離子,因此地下水缺氧的環境下 形成硫化鐵是很平常的現象,這種井管管口常可聞到硫化物的腐 臭味。 三、 腐蝕 地下水井內腐蝕產生是物理、化學與生物結合反應,它會使金 屬離開原來平衡的狀態,進入週圍的水液中。造成水井腐蝕的成 因腐蝕通常被認為代表生鏽或失去光澤的現象發生,然而腐蝕的 損害以其他形式發生,例如由於破裂而導致材料強度的降低。井 管腐蝕可以分為化學性、細菌性(生物性)、物理性三個原因。 (一) 化學性腐蝕 化學性腐蝕主要是氧化還原反應,在地下水有氧與缺氧的 情況都可以進行。化學性的腐蝕主要是氧化與還原反應 (Oxidation and Reduction Reaction)。水是一個強電解質,因著 極性接觸金屬後,很容易產生電子的轉移,所以與水接觸的金 屬,很容易與水產生作用。不同金屬材質與水作用也有差別, 產生的腐蝕速度不同。 化學性的腐蝕是最主要的腐蝕反應,因為是電子由陽極 (Anode) 向 陰 極 (Cathode) 的 轉 移 , 所 以 又 稱 為 電 化 學 腐 蝕 (Electrochemical Corrosion)。電子在陰極與陽極間的轉移是根 據電位能(Electrical Potential)之間差,可以視為兩個半反應 (Half-Reaction),即失電子的氧化反應(Oxidation Reaction),與 得電子的還原反應(Reduction Reaction)。所以在陽極應行的是 氧化反應,在陰極進行的是還原反應。 16.

(28) (二) 細菌性腐蝕 細菌性腐蝕是氧化還原進行有細菌的生理酵素當作化學 催化作用,使得腐蝕反應更快速進行。由於不同的細菌有其選 擇性的適應環境,進行腐蝕機構也不相同,因此井體內不同微 環境,對於細菌性腐蝕影響很大。 地下水中細菌會產生對金屬腐蝕,尤其是對金屬鐵與錳 (Manganese)的腐蝕。當細菌腐蝕金屬表面以後,細菌會生產 或分泌黏滯性很高的生物膜。生物膜中含有被細菌腐蝕的金 屬,組成另種還原性產生的礦物質。當細菌的活動性愈強,生 物膜的厚度不僅會逐漸的增厚,而且生物膜會進入礫石圈,甚 至進入含水層。 造成細菌性腐蝕的細菌主要有三大類:鐵氧化菌如: Gallionella, Leptothrix Ochracea, Toxothrix Trichogenes;錳 氧 化 菌 如. Leptothrix. Lopholea , Metallogenium ,. Hyphomicrobium,Siderocapsa,Siderocystis;硫酸還原菌如 Desulfovibrio。鐵氧化菌與錳氧化菌都必須生存在氧氣充足的 情況,硫酸還原菌祗生存在缺氧的水中,其區分是氧化還原電 位小於-100mV 是硫酸還原菌開始活動的限值。因此氧化還 原電位大於-10mV,比較容易因鐵、錳氧化而造成紅色積垢、 淤塞,而小於-100mV,比較容易造成硫化氫腐蝕。當然前提 是地下水中有過多的鐵、錳或硫酸鹽,以供這些細菌生長繁殖 所需。 (三) 物理性腐蝕 物理性腐蝕是在抽水快速情況下,井中的砂粒在隨著水 流運動時,對於井體表面碰撞產生磨損。物理性腐蝕祗在特 17.

(29) 定抽水情況下產生,故不考慮為井體腐蝕主要原因。 2.4 機械洗井法 一般機械洗井法[11]稱之為物理洗井法,分為氣提法、氣壓法及高 壓噴射水法等三種方法。機械洗井法主要以機械的力量,用水的壓力 或是用空氣的壓力,將井體中的淤塞清除,增加井體的導水特性。. 機械洗井主要是針對有坋粒與黏粒淤塞的井體,這種淤塞有二種, 均在井體管壁上,濾水管或礫石圈的地方;如果淤塞的部位是在含 水層的外面,我們稱分為「外部淤塞」(External Clogging);如果 淤塞是在含水層的裡面,則稱為「內部淤塞」(Internal Cogging)。 外部淤塞的清洗比較容易,內部淤塞的清洗比較困難,所耗費的時 間也比較多。由於機械洗井法,主要是針對坋粒與黏粒的淤塞,所 以大部份需要進行機械洗井的井體是位在沖積扇地區的地下水觀測 井,或是經常抽水的地下水生產井。 根據洗井經驗提出不同岩層的地下含水層,其經常遭遇的井體 問題,以下是 Detay (1997)[10]文獻中建議所需要進行的洗井頻率, 以表 2-1 示之。 表2-1 在不同含水層經常遇見的井體問題與洗井頻率 含水層地質特性 沖 積 層 砂 岩 層 石灰岩層 火山岩層 變質岩層 固結性佳的沈積岩 固結性弱的沈積岩. 洗井頻 率(年/次) 黏液淤塞,鐵沈澱阻塞、生物性阻塞 2-5 砂粒淤塞、腐蝕 6-10 黏粒淤塞、碳酸鹽沈澱阻塞 6-12 黏粒淤塞 6-12 黏粒淤塞 12-15 鐵、 沈澱阻塞 6-8 砂與黏粒淤塞、生物性阻塞、氧化鐵 5-8 垢等 井體問題. 資料來源:參考Detay (1997) [10] 18.

(30) 2.4.1 氣提法洗井方式 氣提法(Air-Lifting Method)[11]是利用大型空壓機馬達將高壓空 氣施壓到一金屬鋼管中。鋼管具有延伸性的接著,可以管與管相接。 管的末端連接至井底,管的前端有一加壓引擎,管中有一個氣閥,在 閥的前端接一氣壓表,可以呈現管中所累聚的氣體壓力,如圖 2.13 示 意圖。. 圖 2.13 氣提法示意圖 資料來源:自繪. 使用氣提法洗井時,操作者在啟動空壓機馬達後,高壓空氣進入 金屬管中,等到金屬管中的壓力增加到某一程度後,操作者這時將打 開氣閥,使空氣壓力迅速進入井底,這時空氣壓力會將井水噴出井口, 也順便將井中的淤塞物帶離井體如圖 2.14[12]所示。. 19.

(31) 圖 2.14 氣提法洗井湧水情形 資料來源:[12]. 井水噴出後,地層中含水層中的水又再次進入井中,也將部份淤 塞物帶至井中,如此反覆性的以空氣壓力將井中的水又噴出井口,以 達到清洗井體的效果。. 2.4.2 氣提法的數學理論 氣提法如何將井水噴離井口的原理是提供足夠的空氣壓力,以達 到提高井中地下水面的高程,在張文亮教授之“台灣地區地下水井體 維 護 與 管 理 技 術 報 告 " [11] 文 獻 資 料 顯 示 , 根 據 柏 努 利 定 律 (Bernoulli’s Law),所提供的空氣壓力,不祗在增加井水的位能,也會 增加井水運動的動能,所以其關係式可表示為:. P1 = Patm. 1 ⎛Q ⎞ + ρ w gh − ρ w ⎜ ⎟ 2 ⎝ A⎠. Pl 為氣提法中所提供的壓力 Patm 為大氣壓力 20. 2. (2-4).

(32) ρw 為水的密度 g 為重力加速度常數 h 為地下水位受氣提法所提高的水位高程 A 為井管面積 Q 為單位時間噴出的水量. 依據白努利定律(Bernoulli’s Law)原理,氣提法是以提供足夠的 大氣壓力將井水噴離井口,藉以達到提高井中地下水面的高程,所提 供的空氣壓力,不祗在增加井水位能,也會增加井水動能。. 2.4.3 氣提法洗井經驗 氣提法洗井經驗[11],在台灣南部是一種常見的洗井法,在台灣民 間的洗井所施加的氣提壓力沒有固定空氣壓力,壓力大小幾乎是以業 者 經 驗 來 決 定 , 並 沒 有 考 慮 能 量 的 最 有 效 率 ( Maximum Energy Efficiency)使用,壓力經常使用過大,以致噴出井口有時達到十幾公 尺高,大部份氣提法洗井是小口徑的淺井,井管材質大多是 PVC,井 深都在 100 公尺之內。其維護有效通水也祗約二至三年,有的水井還 需要每年洗井一次。 氣提法雖然有所施加空氣壓力無法全部運用於提升井內水源之缺 點,但由於操作容易,仍為台灣目前常用來洗淺井的方法。在國外, 氣提法有愈來愈被注重的趨勢;另外氣提法維護被有機污染影響的井 體特別有效,甚至在洗井的過程中,提供大量的空氣進入水井中,促 進含水層中地下水的溶氧值,有助有機污染的分解,對含揮發性有機 物的去除更有助益。唯在評估去除揮發性有機物的成效,由於牽涉的 理論屬於水與氣體混合的多相流況(Multiple Phase Flow),而且氣體 在水中除了溶解態外,有以氣泡的形式存在。氣泡在水的移動,因受 21.

(33) 氣泡形狀的可壓縮性影響,有移動、滾動、滑動、轉動等,目前尚缺 能夠精確描述的數學理論。. 2.5 氣力揚升原理 氣力揚升原理[13]是以壓縮空氣充入垂直管中,利用氣泡與水混 合,以較輕氣泡浮昇動能帶動流體上昇的機制。簡單的說就是以壓縮 空氣充入垂直管中,藉由水中輸入空氣之氣泡上昇時,帶動下層水源 往上的方式,如圖 2-15 。. 圖 2.15 氣力揚升式人工湧流原理示意圖 資料來源:參考編繪[13]. 2.6 氣力揚升式人工湧流 氣力揚升式人工湧流[13]原理,是以氣力揚升原理加以運用,如圖 2.16。. 22.

(34) 圖 2.16 單管與多管氣力揚升式人工湧流 資料來源:[13]. 對於人工湧升流的研究,台大海洋研究所梁乃匡所長與彭海鯤博 士兩人在對於人工湧升流的研究文獻中[13]指出,作者於 1996 年應用 德國學者偌騰柏格對氣力揚升幫浦的觀念至海中人工湧流,提出氣力 揚升法產生人工湧流的構想,如圖 2.15 所示,並建立氣力揚升式人工 湧升流理論,由量測之進氣量與出流量證實湧升效率很高。更由於氣 泡在海水中的上升速度比淡水中慢(Beyersdorf, 1997) [14],更能有效 的帶動液體,因此氣力揚升法的構想應用於海水中較淡水中效率更高。 彭海鯤, 「氣力揚升式人工湧升流之實驗與理論」博士論文研究文 獻指出[15],工業界對氣力揚升觀念的應用有空氣吹入式浮游選礦法、 廢水處理之浮上分離法與氣力揚昇幫浦等,其中氣力揚昇幫浦是藉由 空氣混合浮升的過程將流體抽升至某高程,但其效率受揚升高程影響 很大,由於效率較一般幫浦差,僅用於排除放射性、毒性、磨蝕性與 腐蝕性等有害之特殊流體。這類問題依三態(氣、液、固)混合運動 與流體的組成成份,屬淤多相(Multiphase)多元(Multi-component) 流的範疇,一般較常見的氣液(Gas-Liquid) 、氣固(Gas-Solid) 、固液 23.

(35) (Solid-Liquid)混合運動,稱之為二元二相流,簡稱二相流(Two Phase Flow) (Soo,1990)[1],而二相流在圓管中的運動狀態與能量的損耗為本 研究的範疇,以往學者對在這方面的研究,目的皆為藉著氣的力量推 水揚升作功,達成此目的的整套設備稱為氣力揚昇幫浦(Air Lift Pump)。 余仲謹「在密度分層流體中之氣力揚升式人工湧流實驗」碩士論 文文獻中[16],說明早在 1880 年就有氣力揚升幫浦(Air-Lift Pump), 並由於裝備簡單、安裝快速與經濟,在 1939 ~ 1945 年大戰期間常使用, 但當時皆偏重經驗來設計,對理論的研究很有限(Husain 1975)[17]。 之後由於在化學、機械、農業等工程上的需要,漸漸有學者對氣泡運 動機制產生興趣,開始研究,建立氣泡動力學,進而與一些課題結合 發展出研究界面輸送過程(Inter-Facial Transport Process)的流變學 (Rheology) (David 1991)[18] ,有助於瞭解氣泡界面應力傳給周圍 液體的過程、氣泡抖動不穩定性、氣泡變形(Distortion)與分裂(Break up)、氣泡接和(Coalescence)等動力特性。 早期的研究偏重實驗觀察,Haberman & Morton[19]於 1954 年時, 選取水、乙醇、甘油、糖漿等 10 幾種液體,觀察氣泡在其中浮升的現 象,認為液體特性對氣泡上升的影響可用無因次參數表示,因而提出 黏滯力與界面張力比的 Morton 數(M =g.μ4/ρ .T3 )、動壓與界面張力 比的 Weber 數(W= 2·re . U2. ρ/T),與不同 Reynold 數( Re=2γ.U.ρ/ μ)對曳力係數(CD)間的關係,其中 g 為重力加速度、μ為動力黏度、 ρ 為液體密度、re 為氣泡等值半徑、U 為氣泡終端速度、T 為表面張力, 由此可瞭解氣泡在不同液體,會有不同的運動狀態,會產生不同的曳 力,由氣泡帶動的流量自然不同,這表示氣泡作用到海水中與淡水中 的有效功率可能會有差異。之後 Moore[20~22]分別於 1959~ 1965 年研 24.

(36) 究氣泡上升速度,做了一些理論解析,分別假設氣泡為球體與扁球體, 以球面座標分析非旋性流場,找出液體特性、氣泡邊界層、曳力、形 狀與終端速度問的關係,並與 Habennan & Morton 之實驗結果比對。 經由這些氣泡動力學的研究,建立形狀規則、均質流體、穩定浮升的 單一氣泡運動的理論基礎,但實際上一群氣泡於液體間互相影響與作 用合成的群體效應,即複雜的邊界影響仍有許多問題尚待解決。 Smith[23]於 1975 年曾以內徑 51 mm 與 76mm 之 U 形管模擬氣力 揚升幫浦,研究充氣方式與位置等對揚升效率之影響,並且發現充氣 方式對效益影響很小,而位置愈低效益愈高。另 Kato[24]於 1975 年曾 研究應用在深海中抽取錳核的三相流(Thee - Phase Flow)機制,是以動 量方程式處理平均流場,再配合單一粒子運動方程式求解,其中水頭 損失是以單相流水頭損失與液體流量兩因數的經驗函數表示,他認為 壓力損失量測不易,其誤差會影響估計,並表示進氣位置較深效率較 高 古寬閔 , 「氣揚式幫浦應用於吸魚機之可行性基礎研究」 ,碩士論 文研究文獻[25]記載,由於氣泡在海水中的上升速度比淡水中慢,更能 有效的帶動液體,因此氣力揚升法的構想應用於海水中較淡水中效率 更高。要達到將深層海水抽至海洋上層以產生漁場,所需抽水揚程很 小,但抽水量需很充沛,且需考慮深海水壓、腐蝕與海上裝設等問題。 一般的幫浦揚程高但抽水量不大無法滿足需求,而氣力揚昇的方 式恰可適用。氣力揚升式人工湧流的原理,簡單的說就是以壓縮空氣 充入垂直管中,利用氣泡與水混合體較輕與氣泡浮昇動能帶動流體上 昇的機制,將底層高營養鹽的海水抽昇至表層,以提高海域生產力, 提供海洋增養殖一套可行的方法。氣力揚升式人工湧流還有一些其他 的價值,其柔性湧升管可應用於溫差發電的冷水管,抽取深海冷水來 25.

(37) 發電;如能應用本法,將氣打入水庫下層水中,造成上下層水的流動, 可避免水庫水質惡化,改善水庫生態環境;另外對於深海錳核等礦產 也可提供一種的可參考的開採方法。. 26.

(38) 第三章 氣提法抽水系統理論 3.1 氣提法抽水理論 氣提法抽水理論,是以機械洗井氣提法(以下簡稱氣提洗井法)。為 理論基礎。根據氣提洗井法文獻記載,氣提洗井法原理是利用高壓空 氣壓力灌注於密閉水井井體內,俟井體內充滿高壓氣體後,然後將井 打開,此時高壓空氣會將井內水迅速提升至井外,並利用高壓空氣與 水來摩擦井體達到洗井的目的。 運用氣提法原理時,在抽水時所需空氣壓力之計算方式可以根據 柏努利定律(Bernoulli’s Law)公式來推論,其公式如下說明:. P1 = Patm. 1 ⎛Q⎞ + ρ w gh − ρ w ⎜ ⎟ 2 ⎝ A⎠. 2. (3-1). 上述公式中符號說明如下: P1 :氣提法所提供的壓力。 Patm:大氣壓力。 ρw:水的密度。 g :重力加速度常數。 h :地下水位提高高程。 A :井管面積。 Q :為單位時間流出水量。. 依照上述公式,我們可以張文亮教授之『台灣地區地下水井體維 護與管理技術報告』[10]中假設例題來證明。 假設有一水井,井深 80m,抽水井管直徑為 10cm,地下水位距離 27.

(39) 地表面約 30m,假設噴出水量為水井 1/10,我們以氣提法來抽水,計 算出抽水所需空氣壓力為多少。這時我們可以根據柏努利定律 (Bernoulli’s Law)公式來表示。. 水位在外套管口 30m 以下的距離,所在提高水位的壓力在: ρw.gh. = 水的密度×重力加速度常數×地下水位高度. (3-2). = 1 g/cm3×980 cm/sec2×3,000cm = 2,940,000 g/cm‧sec2 = 2.94 ×106 dyne/cm2 因為 1bar = 106 dyne/cm2. (3-3). 故 ρw .gh = 2.94 bar 井水體積=π(直徑)2 ×(井深高程-地下水位高程). (3-4). =π(10 cm)2 ×(8000cm-3000cm) =1.57×106 cm3. 每次流出假設時間為 1 sec. (3-5). 流出水量為=井水體積×噴水量 =1.57×106 cm3×0.1=1.57×105cm3 每一次提升 1.57×105cm3 水量所需要的動能為:. ⎡1.57 × 105 cm 3 ÷ 1sec ⎤ 1 ⎡Q ⎤ 1 3 = × 1g / cm × ⎢ ρw ⎥ 2 ⎢⎣ A ⎥⎦ 2 π . • (10cm )2 ⎣ ⎦ =1.25×106dyne/ cm2 28. 2.

(40) =1.25bar 大氣壓力為 1bar 所以使用氣提法每一次所施的壓力數為: =1+2.94+1.25=5.19bar 依照例題計算推算得知,氣提法對於地下水井愈深或是地下水位 愈低所需施加壓力則越愈大,另水井管徑愈大或是想要提升較大水量 同樣所需壓力也越大。但是實際上來說,氣提法在使用上並不能完全 將所有壓力能量運用於提升洗井水位。依照民間業者經驗,每一次使 用氣提法所呈現出的效率均不同。就以上述假設例子來說其效率為:. ρw.gh × 每一次施加壓力. (3-6). 2.94 bar ÷ 5.19 bar × 100 %= 56.65%左右. 3.2 洗井氣提法用於抽水設備架構 以氣提法(Air-Lifting Method)理論方法來看,如果利用大型空壓 機馬達將空氣施壓到密封之抽水井外套管內,外套管管中充空氣,此 時管內空氣會有一壓力往下,造成管內負壓產生,此時管內壓力會將 管內水源擠壓,水源被高壓空氣擠壓會造成往下運動,當水源往下流 動時,會因抽水管有一缺口,自然形成一個導水管道,此時管內水源 會從抽水管往上提升,藉以達到抽取水源的效果,如圖 3.1 所示。. 29.

(41) 圖 3.1 氣提法概念抽水圖 資料來源:自繪. 3.3 氣提洗井法用於抽水之缺點 依照氣提法理論,所需之空氣壓力,一般無法依照數學公式之演 算數據來作為提供壓力之依據,因為所提供之空氣壓力,並無法百分 之百運用於提升水位。如果為提升水位施予過高之高壓空氣壓力進入 外套管時,如果因井管輸入空氣壓力大於地下水源壓力時,會因為井 外套管進水濾孔低於抽水管出水口,可能將地下水往外擠壓至含水層 如圖 3.2,如此將無法達到抽水效果,甚至造成土壤的擾動與崩塌之 虞。我們可從經由實驗結果,如圖 3.3 得到驗證。. 30.

(42) 圖 3.2 氣提法空氣擾動概念圖 資料來源:自繪. 空氣擾動. 圖 3.3 氣提法概念圖. 另依照氣提洗井法每次洗井後,都必須等候地下水在次進入井體 內,其等待時間會因地下水層導水係數不同而有所不同,依照業界經 驗值來說,通常在一個循環大約需要一個小時左右,所以在使用抽水 31.

(43) 源機能上是較不符合使用需求. 3.4 第一次氣提法改良後抽水系統架構 依照氣提洗井法有上述缺失及盲點,本研究為避免空氣壓力過大 而造成受壓水層土壤有擾動之虞,先將空氣管路移置水井水面下,如 圖 3.4 所示,以高壓空氣貫入水中,使水中產生之氣泡,利用空氣密度 大於水氣泡上升之力量,將地下水源一併推擠提升至所需位置。. 圖 3.4 氣提法空氣管延伸至井內地下水內概念圖. 但經過測試後,將空氣打入井水套管內,只是造成井水內水源少 量湧升,並未如預期假設構想將水源藉由氣泡上升之力量將水源帶至 需求高度,如圖 3.5 及實驗結果圖 3.6 所示。. 32.

(44) 圖 3.5 氣提法第一次改良氣泡湧生概念圖. 水面湧升. 圖 3.6 氣提法第一次改良氣泡湧生概念圖. 3.5 第二次改良之架構 為將氣提抽水法理論得以確實驗證,本研究依照柏努利定律 (Bernoulli’s Law)流體在狹窄部分流速較快原則,將空氣管路移置抽 33.

(45) 水管內,並將高壓力氣體改為低壓力氣體灌入,另可以減少氣壓將水 擠壓至含水層,減少土壤層擾動,如此所灌入之空氣壓力可以藉由氣 泡上升之力量,將水源帶至需求高度,即可將地下水往上提升,即可 以達到抽水效果,如圖 3.7 及實驗結果圖 3.8 所示。. 圖 3.7 氣提法改良抽水概念圖. 圖 3.8 氣提法改良抽水狀況. 本次將氣提法模擬設備修正後,經初步測試結果,可以將水源提 34.

(46) 升至水面,因此將以此次本修正之氣提模擬抽水設備做為研究設備。. 35.

(47) 第四章 氣壓抽水法試驗 4.1 實驗基礎 4.1.1 實驗假設 一、. 水源條件. 本實驗以模擬抽取一般地表水及地下水為基礎。 (一) 微量壓力模擬方式 本實驗假設是模擬地下水受壓狀態,以水箱裝滿水之後, 所有器材固定位後將水箱加蓋密封,在水箱水位上灌入約 0.1kg 壓縮空氣,使水源保持有約 0.1kg 左右空氣壓力,讓空 氣壓力作為在水表面形成為壓力來替代成為受壓水層狀態,如 圖 4.1. 圖 4.1 模擬地下水受壓水箱加蓋密封. (二) 地表水 本實驗模擬地表水,是以水箱裝滿水之後,所有器材固定 36.

(48) 位後,不將蓋上水箱蓋,直接作為自由水體,如圖 4.2. 圖 4.2 模擬地表水未加蓋. 二、. 排氣管氣體量假設. 本研究所需壓縮氣體,採排氣管灌入固定與非固定氣量壓縮 空氣輸入,找出最佳抽水量實驗,因作為基礎實驗,目的在驗證 氣提抽水法抽水的可行性。 三、. 排氣管水中高度位置. 本實驗在氣提抽水法中,假設水源環境、壓力等不同,假設 排氣管在抽水內各高度有不同的抽水量及效能。. 4.1.2 實驗理論 本研究使用以氣力揚升原理及柏努利定律(Bernoulli’s Law)來作為 本實驗理論依據。. 4.2 實驗設備與配置 本實驗器材如圖 4.3,實驗設備及配置如 4.2.1 及 4.2.2 小節說明。 37.

(49) 圖 4.3 實驗器材準備 4.2.1 實驗器材設備 一、. 水族箱(L: 60cm×W30cm×H60cm 含蓋). 1 座. 二、. 輸氣機(壓力 0.13 kPa 電力消耗 26w). 1 座. 三、. 輸氣管主管(直徑 3mm. L: 120cm). 1 條. 四、. 打氣管主管(直徑 3mm. L: 80cm). 1 條. 五、. 氣體控制閥(直徑 2mm ). 1 組. 六、. ∮1.2cm 彎頭. 2 個. 七、. ∮1.2cm 抽水直管(L: 60cm). 1 支. 八、. ∮1.2cm 抽水直管(L: 90cm). 1 支. 九、. ∮1.2cm 抽水橫管(L: 30cm). 1 支. 十、. 2”水管 (50cm 當做外套管). 1 支. 十一、 量測捲尺. 1 個. 十二、 矽利康(Silicone). 1 組. 十三、 5000cc 量杯. 1 個. 十四、 量測馬錶. 1 個. 38.

(50) 4.2.2 實驗器材配置: 本實驗器材配置如下(圖 4.4). 圖 4.4 氣提抽水法實驗器材配置 4.3 實驗步驟與數據 4.3.1 實驗準備步驟: 一、. 水族箱定位及注水加滿至 45cm,如圖 4.5。. 圖 4.5 水族箱灌滿水 39.

(51) 二、. 將模擬井外套管固定架固定完成,如圖 4.6。. 圖 4.6 外套管架固定. 三、. 安裝 2”外套管,如圖 4.7。. 圖 4.7 安裝 2”外套管. 40.

(52) 四、. 4 分抽水管灣頭鑽孔、安裝氣管及固定,如圖 4.8。. 圖 4.8 4 分抽水管灣頭鑽孔、安裝氣管及固定. 五、. 裝氣體開關閥及輸氣管,如圖 4.9。. 圖 4.9 安裝氣體開關閥及輸氣管. 41.

(53) 六、. 安裝輸氣管至空壓機,如圖 4.10。. 圖 4.10 安裝輸氣管至空壓機. 七、. 量測抽水管高度,如圖 4.11。. 圖 4.11 量測抽水管高度. 42.

(54) 八、. 調整試水,如圖 4.12。. 圖 4.12 調整試水. 九、. 5000cc 抽水量流量測量,如圖 4.13。. 圖 4.13 5000cc 抽水量流量測量. 4.3.2 實驗數據 本實驗經實驗後,得到依照本實驗假設之條件,得到兩具兩組實 43.

(55) 驗數。分別如下: 一、. 模擬地表水. 本實驗數據為將輸氣管深入抽水管底部 2cm~40cm 位置觀察 抽水量,每組間距為 1cm,每個間距量測 10 次抽水數據紀錄,其 中 27cm~40cm 區域抽水效能不佳且時間太過冗長,故不列入實驗 數據,只取 2cm~26cm 實驗數據,得 25 組數據(表 4.1)。. 表 4.1. 模擬地表水置抽水流量表. 輸氣管距離抽水管 5000cc 抽水實 平均每秒流速(cc) 底距離(cm) 驗平均數值(秒) 2 284.73 17.56 3. 203.53. 24.57. 4. 158.88. 31.47. 5. 112.21. 44.56. 6. 97.55. 51.25. 7. 96.59. 51.76. 8. 96.56. 51.78. 9. 94.91. 52.68. 10. 94.42. 52.96. 11. 94.69. 52.81. 12. 93.91. 53.24. 13. 95.80. 52.19. 14. 96.59. 51.77. 15. 98.01. 51.02. 16. 107.98. 46.30. 17. 132.68. 37.68. 18. 142.73. 35.03. 資料來源:研究整理 44. 排氣量 kPa. 0.13.

(56) 表 4.1. 模擬地表水置抽水流量表(續). 輸氣管距離抽水管 5000cc 抽水實 平均每秒流速(cc) 底距離(cm) 驗平均數值(秒) 19 250.88 19.93 20. 389.95. 12.82. 21. 425.10. 11.76. 22. 492.77. 10.15. 23. 548.29. 9.12. 24. 627.54. 7.97. 25. 941.58. 5.31. 26. 1179.03. 4.24. 排氣量 kPa. 0.13. 資料來源:實驗整理. 二、. 模擬受壓水層. 本實驗數據為同模擬地表水抽水方式一樣,將排氣管深入抽 水管底部 2cm~40cm 位置觀察抽水量,每組間距為 1cm,每個間 距量測 10 次抽水數據紀錄,實驗過程中,在 31cm 抽水量遽降, 抽水效能不佳,時間亦太冗長,故不列入實驗數據,只取 2cm~30cm 實驗數據,得 29 組數據(表 4.2)。. 表 4.2. 模擬壓力水層抽水流量表. 輸氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec). 平均每秒流速 (cc). 2. 76.46. 65.39. 3. 74.85. 66.80. 4. 71.34. 70.09. 5. 70.34. 71.09 45. 排氣量 kpa. 0.13.

(57) 表 4.2. 模擬壓力水層抽水流量表(續). 輸氣管距離抽水管 底距離(cm) 6. 實驗平均數值 平均每秒流速 (sec) (cc) 69.83 71.60. 7. 63.85. 78.31. 8. 62.60. 79.88. 9. 60.77. 82.28. 10. 59.15. 84.53. 11. 58.26. 85.82. 12. 56.32. 88.78. 13. 49.94. 100.12. 14. 54.32. 92.04. 15. 60.52. 82.62. 16. 62.36. 80.17. 17. 68.58. 72.90. 18. 70.50. 70.93. 19. 72.50. 68.96. 20. 74.66. 66.97. 21. 76.46. 65.39. 22. 78.91. 63.36. 23. 80.53. 62.09. 24. 89.46. 55.89. 25. 95.86. 52.16. 26. 104.98. 47.63. 27. 125.91. 39.71. 28. 185.80. 26.91. 29. 260.47. 19.20. 46. 排氣量 kpa. 0.13.

(58) 表 4.2. 模擬壓力水層抽水流量表(續). 輸 氣 管 距 離 抽 水 管 實驗平均數值 平均每秒流速 (sec) (cc) 底距離(cm) 30. 301.50. 16.58. 排氣量 kpa 0.13. 資料來源:實驗整理. 4.3.3 實驗結果分析 一、. 模擬地表水:. 抽取 5000cc 水時間最佳效率為 93.91sec~97.55sec 之間,平均為 95.9 秒,如圖 4.14。. 5000cc抽水所需時間(秒). 1400 1300 1200 1100 1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0. 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26. 輸氣管位置(cm). 圖 4.14 5000cc 模擬地表水排氣管位置與抽水時間比較圖 資料來源:實驗整理. 每 秒 抽 水 量 在 51.01~53.24cc , 平 均 最 佳 每 秒 抽 水 量 為 52.14cc,如圖 4.15。. 47.

(59) 60.00 55.00 50.00 45.00 每秒抽水量(CC). 40.00 35.00 30.00 25.00 20.00 15.00 10.00 5.00 0.00 0. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26. 輸氣管位置圖(cm). 圖 4.15 5000cc 模擬地表水每秒抽水量比較圖 資料來源:實驗整理. 二、. 模擬受壓水層. 抽取 5000cc 水時間最佳效率為 49.95sec~95.865sec 之間,平 均為 69.10 秒,如圖 4.16。 350. 5000cc抽水所需時間(秒). 300 250 200 150 100 50 0. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30. 輸氣管位置(cm). 圖 4.16 5000cc 模擬受壓水層輸氣管位置與抽水時間比較圖 資料來源:實驗整理 48.

(60) 每秒抽水量在 52.16~100.12cc 之間(圖 4.17)。平均最佳每秒抽水量 為 74.094cc。. 每秒抽水量(CC). 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 1213 1415 1617 1819 2021 22 2324 2526 2728 2930 3132 33. 輸氣管位置圖(cm). 圖 4.17 5000cc 模擬受壓水層每秒最佳抽水量圖 資料來源:實驗整理. 4.3.4 模擬地表水與受壓水層效率比較 依照實驗資料結果顯示,氣提法模擬抽水設備在模擬地表水抽水 效率要比模擬受壓水層抽水效率差,如圖 4.18 所示。. 49.

(61) 120.00. 100.00. 5000cc每秒抽水量. 80.00. 模擬受壓水層. 60.00. 模擬地表水. 40.00. 20.00. 0.00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 輸 氣 管 在 抽 水 管 位 置 圖 (cm). 圖 4.18 模擬地表水與模擬受壓水層抽水效能比較圖 資料來源:實驗整理. 4.3.5 輸氣管在抽水管最佳效能比例 我們從圖 4.19、圖 4.20,觀察出不管是模擬地表水層或是模擬受 壓水層,輸氣管在抽水管水面以下 2cm 區域,抽水效率開始緩昇,到 了 12cm 及 13cm 左右為最高點,從此區域以後,開始往下降,由此可 以看出,氣提抽水法最佳抽水位置約在,抽水管 12cm~13cm。輸氣管 約在 40cm 抽水管的 2/8~3/8 處。. 50.

(62) 60.00 最佳抽水量 50.00 每秒抽水量. 40.00 30.00 20.00 10.00 0.00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 輸氣管在抽水管位置圖(cm). 圖 4.19 40cm 模擬地表水排氣管位置效能區域分析 資料來源:實驗整理. 120.00 最佳抽水量. 100.00 每秒抽水量. 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0. 5. 10. 15. 20. 25. 30. 35. 40. 輸氣管在抽水管位置圖(cm). 圖 4.20 40cm 抽水模擬受壓水層排氣管位置效能區域分析 資料來源:實驗整理. 51.

(63) 4.3.6 輸氣管在 80cm 抽水管最佳效能比例 本實驗為證明排氣管最佳抽水量在抽水管底部算起 2/8~3/8 處,另 做兩組抽水管為 80cm 來實驗對照,來比較驗證觀察。我們從圖 4.21 及表圖 4.22 資料觀察出,這兩組實驗數據看出排氣管在抽水管水面以 下 2cm 區域,抽水效率開始緩昇,到了約 22cm 左右為最高點,從此 區域以後,開始往下降,由此可以看出,氣提抽水法輸氣管最佳抽水 位置約在,抽水管 22cm 左右。排氣管約在 80cm 抽水管的 2/8 處。. 120 100 每秒抽水量. 80 60 40 20 0 0. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 排氣管在抽水管位置圖(cm). 圖 4.21 80cm 抽水管模擬地表水輸氣管位置效能區域分析 資料來源:實驗整理. 52.

(64) 120.00 100.00 每秒抽水量. 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 0. 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 排氣管在抽水管位置圖(cm). 圖 4.22 80cm 抽水模擬受壓水層輸氣管位置效能區域分析 資料來源:實驗整理. 4.3.7 氣提抽水法進氣壓力與出水量比較 實驗為證明空氣壓力大小對抽水量影響,另以可調式 2.5HP 馬力 空壓機,做兩組實驗。實驗步驟如下:. 53.

(65) 一、. 實驗器材: (一) 2.5HP 可調式空壓機. 1 台. (二) 4”PVC 管(1.6m). 1 支. (三) 4”PVC 管(1.4m). 1 支. (四) 4” 彎頭. 1 個. (五) 2’PVC 管(1.2m). 1 支. (六) 空壓管 (5m ). 1 條. (七) 2.5 加侖水桶(10,000cc). 1 個. 圖 4.23 氣提抽水法空氣壓力調整實驗器材 資料來源:自行拍攝. 二、. 實驗步驟:. 同 4.3.1 章節步驟 三、. 實驗結果:. 本實驗以抽水管為 140cm 及 160cm 等尺寸規格,空氣壓力以 5 kg/cm2、6 kg/cm2、7 kg/cm2 及 8kg/cm2 四種壓力驗證。排氣管與 54.

(66) 抽水管間距從抽水管底 5cm 至 135cm,每次實驗間距 5cm 做抽水 效率實驗。 從實驗結果顯示,經將 5~25cm 及 65~135cm 部分不適用之數 據篩選後,採用 35~55cm 區域數據作為驗證數據,如表 4.3~表 4.10。. 表 4.3 8kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表 輸氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 30 35 40 45 50 55 60. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 22.19 25.49 31.30 33.61 25.22 22.25 21.25. 8. 450.64 392.38 319.54 297.50 396.57 449.48 470.57. 資料來源:實驗整理. 表 4.4 7kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表 輸氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 30 35 40 45 50 55 60. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 22.21 25.54 31.35 33.64 25.23 22.27 21.26. 7. 450.22 391.54 319.02 297.23 396.34 449.12 470.26. 資料來源:實驗整理. 55.

(67) 表 4.5 6kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表 輸氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 30 35 40 45 50 55 60. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 22.16 25.09 31.10 33.05 24.92 22.12 21.16. 6. 451.22 398.56 321.55 302.54 401.36 451.98 472.66. 資料來源:實驗整理. 表 4.6 5kg 空氣壓力在出水口高度 55cm 抽水效率表 輸氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 30 35 40 45 50 55 60. 452.33 401.62 322.45 303.58 402.55 452.59 474.87. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 22.11 24.90 31.01 32.94 24.84 22.10 21.06. 5. 資料來源:實驗整理. 表 4.7 8kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表 排氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 35 40 45 50. 397.09 321.45 298.51 398.56 56. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 25.18 31.11 33.50 25.09. 8.

(68) 表 4.7 8kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表(續) 排氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 55 450.34. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 22.21. 8. 資料來源:實驗整理. 表 4.8 7kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表 排氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 35 40 45 50 55. 平均每秒流速(CC). 397.62 322.65 299.53 399.63 452.99. 25.15 30.99 33.39 25.02 22.08. 排氣量 kg/m2. 7. 資料來源:實驗整理. 表 4.9 6kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表 排氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 35 40 45 50 55. 398.68 323.75 301.50 400.58 452.70. 平均每秒流速(CC). 排氣量 kg/m2. 25.08 30.89 33.17 24.96 22.09. 6. 資料來源:實驗整理. 表 4.10 5kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表 排氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 35. 平均每秒流速(CC). 401.62. 24.90 57. 排氣量 kg/m2 5.

(69) 表 4.10 5kg 空氣壓力在出水口高度 65cm 抽水效率表(續) 排氣管距離抽水管 實驗平均數值 底距離(cm) (sec) 40 45 50 55. 平均每秒流速(CC). 321.45 298.51 398.56 450.34. 排氣量 kg/m2. 31.11 33.50 25.09 22.21. 5. 資料來源:實驗整理. 4.3.8 輸氣管不同壓力對抽水效率影響 本研究數據結果由表 4.3~4.10 研判,輸氣管輸入之壓力大小對抽 水效率提升,在本研究實驗並無提升抽水效率,只會造成氣體對液體 動能過大,不能有效帶動液體提升。但輸氣管與出水口高度則在抽水 效率相當的影響,如圖 4.24~4.27。 460 450 440 430. 0 . 一 噸 抽 水 時 間. 420 410 400. 排氣管35cm位置. 390. 排氣管40cm位置. 380. 排氣管45cm位置. 370. 排氣管50cm位置. 360. 排氣管55cm位置. 350. (. 340. ). 秒. 330 320 310 300 290 4. 5. 6. 7. 8. 9. 空氣壓力(kg/cm2). 圖 4.24 65cm 出水口在不同壓力抽取 0.1 噸水量之時間 資料來源:實驗整理. 58.

(70) 33. 31 每 秒 29 平 均 抽 水 27 量 c c 25. 排氣管35cm位置 排氣管40cm位置 排氣管45cm位置 排氣管50cm位置 排氣管55cm位置. 23. 21 4. 5. 6. 7. 8. 9. 空氣壓力(kg/cm2) 圖 4.25 出水口 65cm 高度不同壓力每秒抽水量 資料來源:實驗整理. ). 秒. 排氣管30cm位置 排氣管35cm位置 排氣40cm位置 排氣管45cm位置 排氣管50cm位置 排氣管55cm位置. (. 0 . 一 噸 抽 水 時 間. 490 480 470 460 450 440 430 420 410 400 390 380 370 360 350 340 330 320 310 300 290 4. 5. 6. 7. 8. 9. 空氣壓力(kg/cm2) 圖 4.26 55cm 出水口不同壓力抽取 0.1 噸水量之時間 資料來源:實驗整理 59.

(71) 33 31 每 秒 平 29 均 抽 水 27 量 c 25 c. 排氣管35cm位置 排氣管40cm位置 排氣管45cm位置 排氣管50cm位置 排氣管55cm位置. 23 21 4. 5. 6. 7. 8. 9. 空氣壓力(kg/cm2). 圖 4.27 出水口 55cm 高度不同壓力每秒抽水量 資料來源:實驗整理. 實驗驗證後,輸氣管輸入之壓力大小對抽水效率提升,在本次研 究實驗中沒有呈現出對抽水效能上影響力,反而是過大的空氣壓力, 只會造成氣體動能過大,並不能有效帶動液體提升。但輸氣管與出水 口高度在抽水效率上則有相當的影響。. 60.

(72) 第五章 結論與建議 5.1 結論 由本研究結果來看,有以下幾點結論: 一、. 一般抽水機在抽取溫泉水時必須將抽水機置入溫泉水井 中,容易遭受溫泉酸性物質侵蝕與高溫損壞,氣提法模擬 抽水設備只需將輸氣管置入用於溫泉井中,利用高壓空氣 將溫泉水擠壓抽出,不會有設備遭受溫泉水酸性物質侵蝕 與傷害問題。另氣提抽水法在抽水過程中,打入之氣體氣 泡在揚升溫泉水源時,會與管壁摩擦力,將溫泉水中之硫 酸鈣等礦物質一並帶離出抽水管外,減少溫泉抽水管阻 塞,也順道做了管壁維護機能,增加管材壽命、減少管材 維修的成本。. 二、. 運用氣提洗井法來抽取水源,是無法將水源源不斷抽出, 但經將本研究將氣提法改良後所製作之氣提法模擬抽水設 備,是能有效將水源抽取出。. 三、. 根據氣提法模擬抽水設備實驗結果,輸氣管在抽水管中的 位置對抽水效能有相當的影響力,但輸入之空氣壓力大 小,對抽水效率提升,在本研究並無一定關係,因為過大 空氣壓力,只能造成氣體動能過大,並不能有效帶動液體 提升。. 5.2 建議 雖然氣提抽水法不如一般傳統抽水系統效能高,但因機械維修成 本低與維修便利,有以下幾點建議俾供後續研究及使用參考。 61.

(73) 一、. 溫泉水屬於酸性水源,在抽取溫泉可以以本設備來抽取, 不會有一般抽水機遭受酸性物質侵蝕與磨蝕的情況產生。. 二、. 氣提法抽水在不同水層會有不同出水量,後續研究需針對 不同地質含水層壓力一並納入抽水效能考量。. 三、. 氣提法系統於實際使用時,會因空壓機運轉時產生較大的 噪音,在系統安裝區域需針對機器噪音上做隔音處理,或 者選用噪音低之空壓機,以減少空壓機運轉噪音。. 雖然氣提抽水法,尚有抽水效能需加強之盲點,但整體來說它還 是有傳統抽水系統在特殊液體環境無可比擬之優點。. 62.

(74) 參考文獻 1. Soo. S . L , Multiphase Fluid Dynamics , Published by Science Press , Gower Technical , Beijing,China , 1990. 2. 澳門地球物理暨氣象局網站 「http://www.smg.gov.mo/dm/learnmet/fc_learnmet.htm」, 2006. 3. Climate Dynamics Laboratory 網站 「http://hsu.as.ntu.edu.tw/cyber_course_II/chap3.htm」, 2006. 4. 洪正騰, 「國立員林高中物理科自編教材第九章流體力學簡報檔」, 員林高中,1999。 5. 南薰物理網路研究下的教育網站 「http://jmzx.edu.xm.fj.cn/nxwl/Photo_Viewer.asp?UrlID=1&PhotoID =159」, 2006. 6. 地下水觀測網站 「http://pc183.hy.ntu.edu.tw/groundwater3.php」, 2006. 7. 泉州市天龙环境工程有限公司網站 「http://www.tianlonghb.com/ArticleShow.asp?ArticleID=81&typ」, 2006. 8. 陳維政, 「自來水工程設計與處理技術」 ,第 39 頁,文笙書局,1990。 9. 張文亮教授、王瑞君, 「台灣區地下水觀測網整體計畫地下水觀網之 建立及運作管理八十八年度子計畫報告-台灣地區地下水井體維護 與管理技術報告」 ,第 6~18 頁,1999。 10. Detay , M . Water Wells. John Wiley & Sons , 1997. 11. 張文亮教授、王瑞君, 「台灣區地下水觀測網整體計畫地下水觀網之 建立及運作管理八十八年度子計畫報告-台灣地區地下水井體維護 63.

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參考文獻

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